基于TRIZ理论的机构选型数字平台设计

纪程锦，林 松，尚 姝

（1.同济大学 中德学院，上海 201804；2.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 200120）

基于TRIZ理论的机构选型数字平台设计

纪程锦1，林 松1，尚 姝2

（1.同济大学 中德学院，上海 201804；2.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 200120）

机构选型要求设计者具备丰富的工作经验以及扎实的设计理论，此外还需要设计者查阅大量资料。为简化机构选型的过程，设计了机构选型数字平台以帮助设计者完成机构设计。在开发此数字平台过程中，要求机构数据最大化，检索耗时短，数据库结构小而紧凑。针对上述矛盾，提出使用TRIZ理论来解决，并结合软件开发技术，完成了机构选型数字平台的设计。当设计者选择给定的输入运动和所需的输出运动后，此数字平台为设计者提供满足设计要求的机构方案。

TRIZ理论；机构选型；数字平台

0 引言

在经济全球化背景下，我国制造业面临着巨大转型压力[1]。产品设计是制造业的关键性环节，在产品生命周期中起着至关重要的作用[2]。研究表明，占产品成本约5%的设计阶段决定了75%～85%的产品价值[3～5]，所以产品设计在产品开发过程中扮演着重要作用。在机构设计过程中，设计者必须依照自身经验，并查阅大量资料，确定目标机构，然后根据实际情况进行优选确定最终机构。为了在机构选型时给设计者提供有效的工具，需要建立高效快速的机构选型数字平台。

本文将利用TRIZ理论，解决在机构选型数字平台建设中出现的需求矛盾，即：尽可能多的机构数量，尽可能小的数据库，尽可能快的检索速度。在此基础上拟定机构选型数字平台的搭建思路：三层架构+广度优先搜索算法+MySQL数据库，由此开发出机构选型数字平台。当设计者选择给定的输入运动和所需的输出运动后，平台可以提供满足设计者需求的机构方案。

1 机构选型数字平台的矛盾

对机构选型数字平台的需求进行技术分析时，首先利用QFD（质量屋）对需求分类，建立技术特征与需求之间的关联，并确定设计过程中出现的需求矛盾。图1给出了设计机构选型数字平台的需求分类、技术特征及其两者的相关性。

图1 机构选型数字平台质量屋

顶部的技术特性-平台需求矩阵中表明“数据库小而紧凑”与“机构数据数量多而完整”、“检索算法快速、耗时短”与“机构数据数量多而完整”之间为负相关。负相关表明数字机构选型平台的需求中存在矛盾，主要来自如下三个方面：需要机构数据最大化，检索耗时短，数据库结构小而紧凑。

按照TRIZ理论，本系统设计中将重点解决如下矛盾：

冲突1，机构数据最大化与要检索耗时短。

冲突2，机构数据最大化与要数据库结构小而紧凑。

2 应用TRIZ理论解决矛盾

矛盾普遍存在于各种产品和技术系统中，TRIZ理论将矛盾分为两个方面，技术冲突和物理冲突。技术冲突是指技术系统中某个参数或特性的改善会引起另一个参数或特性的恶化。而物理冲突是指系统同一部分或参数提出完全相反的要求，即对一个系统同时提出相反的要求就出现了物理矛盾。

2.1 技术冲突及其解决原理

TRIZ理论提供了很多解决问题的工具，包括39个标准工程参数，40条发明原理和4个分离原理。首先从TRIZ理论的39个标准工程参数[6]中确定技术冲突一对特征参数，它们分别是：

1）改善的通用工程参数：No.26（机构数据最大化）；

2）恶化的通用工程参数：No.9（检索耗时短），No.36（数据库小而紧凑）。

表1 通用工程参数名称

从质量屋中得出的技术冲突可以通过TRIZ理论中提出的冲突矩阵进行解决。冲突矩阵[6]由G.S.Altshuller多年的研究、比较分析而提出的，可以将工程参数与发明原理建立起对应关系。根据冲突矩阵，将改善的通用工程参数为行、恶化的通用工程参数为列，在冲突矩阵中进行查找发明原理，如表2所示。

表2 冲突矩阵简图

由冲突矩阵的第26行及第9列、第36列确定发明原理的序号：No.28、No.29、No.35、No.34、No.3、No.10、No.13、No.27。然后根据序号，在G.S.Altshuller等人提出的40条发明原理[6]中对应查找，如表3所示。

表3 40条发明原理

根据技术冲突和发明原理的对应关系以及实际项目情况，解决技术冲突1的发明原理为：No.34抛弃或修复原理，No.35参数变化原理。解决技术冲突2的发明原理为：No.3局部质量原理，No.10预操作原理，No.13反向原理，No.27廉价替代品原理。

2.2 物理冲突及其解决原理

数据多会让数据库变大，检索耗时短要求数据库小，因此，系统中存在的物理冲突即：数据库既要大又要小。根据TRIZ理论可以通过分离原理解决这一物理冲突。

英国Bath大学的Mann提出分离原理与发明原理的关系[7]，如表4所示。

表4 分离原理和发明原理的对应关系

选用空间分离原理、整体与部分分离原理解决这一物理冲突，对应的发明原理为No.1、No.2、No.3、No.4、No.7、No.13、No.17、No.24、No.26、No.30和No.12、No.28、 No.31、No.32、No.35、No.36、No.38、No.39、No.40。

综合上述技术冲突和物理冲突的发明原理，解决冲突1的发明原理为：No.35参数变化原理。解决冲突2的发明原理为：No.3局部质量原理，No.13反向原理。

通过TRIZ方法的实施，并结合软件开发技术，为系统找到了如下领域解：深度优先搜索算法或广度优先搜索算法。SQL Server 数据库或MySQL数据库。

综合上述技术冲突和物理冲突的求解结果以及平台开发的三层架构（表现层，逻辑层，数据层），可用的设计方案可以通过Morphological Box组合而成（如表5所示）。

表5 系统的Morphological Box

根据表5，为机构选型数字平台组合了以下不同的技术方案：

1）三层架构+深度优先搜索算法+SQL Server数据库；

2）三层架构+深度优先搜索算法+MySQL数据库；

因此初步判断高压油泵运行时出口压力与高压油泵出口开关整定值及返回值较为接近，在高压油泵运行压力出现一定波动或者高压油泵出口开关整定值出现一定漂移时，就会导致高压油泵出现自动切换等情况。

3）三层架构+广度优先搜索算法+SQL Server数据库；

4）三层架构+广度优先搜索算法+MySQL数据库。

3 设计方案的确定

接下来，用模糊综合评价法FCE对上述4种方案按下列步骤进行综合评价。

1）确定因素集、评价集

根据质量屋的分析，得到主要评价因素集：

评价指标集V可以定义为：

加权系数的确定一般有两种方法，一类根据主观经验，另一类凭数学方法确定，本文根据经验设定加权系数矩阵：

隶属度矩阵R中第i行第j列元素rij，表示某个被评事物从因素xi来看对vj等级模糊子集的隶属度。

根据专家评分求得4个方案的隶属度矩阵如下：

3）根据模糊综合评价方法，对各方案进行评价，其中bj表示被评级对象从整体上看对评价等级模糊子集元素X的隶属程度，按照M（☒，V）：

方案1：B1=A*R1=（b1，b2，b3，b4）=（0.247，0.368，0.312，0.133）；

方案2：B2=A*R2=（0.324，0.355，0.291，0.08）；

方案3：B3=A*R3=（0.302，0.280，0.285，0.133）；

方案4：B4=A*R4=（0.447，0.298，0.220，0.035）。

4）将评价指标归一化

其中（m=1,2,3,4）。

得到4个方案的相应模糊综合评价指标：

B1′=（0.233,0.347,0.294,0.126）

B2′=（0.309,0.338,0.277,0.076）

B3′=（0.302,0.280,0.285,0.133）

B4′=（0.447,0.298,0.220,0.035）

5）确定最终设计方案

取Bi=max（Bj′）（j=1,2,3,4）比较4个方案中Bi的大小，顺序为：方案4＞方案1＞方案3＞方案2，故选择方案4。

根据以上分析，本系统使用三层架构，采用对系统和数据要求较低、执行度较高的广度搜索算法，以及低成本小型数据库MySQL，并对德国VDI2727[8]中涉及的全部机构数据进行数据化分类处理，尽量使系统既能快速、准确的找到目标，又能使录入系统的机构尽量多，从而覆盖绝大多数用户需求。

4 机构选型数字平台流程图

本平台以德国VDI2727标准及典型机构为参考，使用TRIZ方法和产品研发方法，利用机算机技术，通过实例深入分析机构的全部信息，并进行标准化细分，将机构信息入库。建立搜索过程界面，展示满足设计者需求的机构信息列表。与传统的选型过程相比，本系统更加可靠。本平台的工作流程如图2所示。

图2 系统流程图

5 机构选型数字平台的实现

本文基于TRIZ理论，开发了机构选型数字平台。当设计者选择输入、输出运动类型后，此数字平台为设计者提供满足设计要求的机构方案。以输入运动和输出运动都要求为单向转动的检索过程为例，在检索框中，输入参数选为“单向转动”，输出参数选为“单向转动”，点击“检索查询”得到结果列表，如图3所示。

如图3左上角所示，平台提供19个可实现的机构解决方法，并提供给设计者相应的机构简图，设计者可以参考这些方案进行具体机构的设计。

图3 检索结果页面

6 结束语

本文基于TRIZ理论，解决了在机构选型数字平台建立中的两个主要矛盾，确定三层架构+广度优先搜索算法+MySQL数据库的搭建思路，开发了一个机构选型平台数字，对机构选型数字系统的设计与研发做出了有益的探索，为设计者在机构选型时提供了一个有效的技术支撑。

随着IT技术的发展和机械技术的需求不断增加，将会继续涌现出更多高效的工具，在建立新工具时会出现更多的矛盾，这些矛盾都可以使用本文的指导思想有效得到解决。

[1] 许佩文.中国制造业的转型升级研究[D].吉林大学,2016.

[2] Pahl,Beitz.Konstruktionslehre[M].Springer Vieweg,2015.

[3] 林松.基于网络技术的机构创新设计的数字化智能平台[A].中国机械工程学会机械传动分会机构学专业委员会.第10届中国机构与机器科学应用国际会议（2013CCAMMS）论文集[C].2013.

[4] 尚姝.基于TRIZ理论的机构选型数字平台的设计与实现[D].同济大学,2016.

[5] 邵雪.产品功能结构变异的研究及其在无级变速器方案创新中的应用[D].同济大学,2015.

[6] 檀润华.TRIZ及应用—技术创新过程与方法[M].高等教育出版社,2012.

[7] 刘尚明,刘东亮,刘恒义.TRIZ理论及其在机械产品创新设计中的应用[J].现代制造技术与装备,2007,(3)：43-44,84.

[8] VDI 2727 Blatt 1[S].Konstruktionskataloge Loesung Von Bewegungsaufgaben Mit Getrieben -grundlagen.1991.

Design of a digital mechanism selection platform based on TRIZ

JI Cheng-jin1, LIN Song1, SHANG Shu2

TH122

：A

：1009-0134(2017)05-0013-04

2017-02-17

国家自然科学基金面上项目（51275354）；上海市促进文化创意产业发展财政扶持资金（452）

纪程锦（1990 -），女，河南人，硕士研究生，研究方向为机构学，产品研发方法及技术系统可靠性。