基于TRIZ矛盾分析理论的PAMSZ创新方法及其应用研究

杨 霞 孙 宁 张晴晴 郑世清

(青岛科技大学 计算机与化工研究所，山东 青岛 266042)

0 引言

TRIZ理论是由前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒在研究了250万例世界上顶尖工程技术领域专利的基础上提出来的一种高效的创新方法[1]，成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，包含一整套的理论方法和实用工具，如进化法则、发明原理、矛盾矩阵、物场模型、标准解法等，能够帮助人们系统地分析问题，发现问题的本质和存在的矛盾，尽快找到问题的理想解[2]。

当前TRIZ理论主要用于机械制造行业，一些大型跨国公司应用TRIZ理论解决了许多技术难题，成效显著。如福特汽车公司应用TRIZ理论，发现利用热膨胀系数小的材料制造轴承，能够解决轴承在大负荷时出现偏移的问题[3]；三星电子在67个研究开发项目中使用了TRIZ理论，节约了1.5亿美元研发成本，并产生了52项专利技术[4]。我国中兴公司、中铁二院等企业，应用TRIZ理论都取得了突破性进展。近年来，TRIZ理论也逐渐引入化工领域，如刘以成等[5]基于TRIZ理论能够合理预测膜材料导电性、稳定性的发展趋势，提出TRIZ 理论能够更有针对性地寻找对膜材料改进的可行之路，可以在提纯工艺、遴选工艺以及燃料电池组件协同功能性方面寻找提升性能的途径；黄向阳等[6]利用TRIZ理论解决了涂料生产过程中浆料温度过高的问题。

本文提出利用TRIZ理论中的矛盾分析理论解决化工技术系统问题的PAMSZ法,利用该方法对危险化学品(以下简称危化品)的储存问题进行研究，提出了危化品存储问题的综合解决方案。

1 TRIZ矛盾理论

1.1 创新原理

创新原理也称发明原理，是阿奇舒勒总结出来的人类发明创新所遵循的共性原理，包括分割、抽取、组合、嵌套、预先作用、反向作用等共40条，可以有效地解决技术系统的矛盾[7]。

1.2 TRIZ矛盾矩阵

TRIZ认为，技术系统的进化过程就是不断解决该技术系统所存在矛盾的过程，即发明创新的核心是解决矛盾，其将矛盾分为管理矛盾、物理矛盾和技术矛盾。其中，管理矛盾是技术系统和管理人员和管理方法之间的矛盾，物理矛盾是技术系统中对同一个参数提出不同(或相反)要求的矛盾，技术矛盾是指技术系统的两个参数或特性之间存在着相互制约关系，即当技术系统的某一个参数或特性得到改善的同时，导致另一个参数或特性恶化。

通过研究大量专利，阿奇舒勒将描述技术系统的参数或特性归纳提炼出39个通用工程参数，该39个通用工程参数基本上可以描述工程中出现的绝大部分技术问题[8]。

TRIZ将工程参数的矛盾与发明原理建立了对应关系，整理成一个39×39的矩阵，即TRIZ矛盾矩阵。矩阵中各个表格的数字是指发明原理的序号，即在技术系统的某个特性改善而另一个特性恶化时，可以采用表格中所述的发明原理来解决这一矛盾，表格中的“-”表示没有创新原理适用于该对技术矛盾，表格中的“+”表示技术系统的矛盾是物理矛盾。可见，技术系统进化过程中的主要矛盾是技术矛盾，应用TRIZ矛盾矩阵解决技术问题的一般流程见图1，使用者需要首先把工程问题转化为技术矛盾，然后分析出产生矛盾的2个技术参数哪一个是待改善的参数或恶化的参数，在矛盾矩阵中找到一组相对应的发明原理序号，应用这些原理寻找技术矛盾的可能解决方案[9]。

图1 TRIZ矛盾矩阵解决问题的一般流程

技术系统中的物理矛盾虽然少，但其本质都是针对同一参数的尖锐矛盾。解决系统的物理矛盾一般采用基于空间、时间、关系以及系统级别的分离方法，各方法对应一定的创新原理。

2 基于TRIZ矛盾矩阵的PAMSZ应用方法

TRIZ理论通过总结归纳而来，其矛盾矩阵解决技术问题的传统方法也是简单粗泛的定性分析，许多教材资料通常将物理矛盾和技术矛盾分开阐述，因此造成TRIZ理论初学者在实际运用中无从下手，尤其在以质量守恒和能量守恒为基本规律的流程工业领域，更需要定量分析。为此，本文提出了一种TRIZ矛盾矩阵分析的PAMSZ应用方法，该方法通过引入创新原理有效性，提出了创新原理优先选用原则。

2.1 定义问题(Problem)

即P过程：运用文献调研、实地考察、理论分析、定量测算等手段，对实际技术系统进行分析，找出导致问题存在的全部可能因素P1、P2、P3……PN(N为自然数)，并分析各自的矛盾类型(管理矛盾、技术矛盾、物理矛盾)。其中，物理矛盾分析工程参数的特性，按照所述的分离方法利用对应的创新原理寻求解决方案；管理矛盾暂时搁置，最后在综合评价过程中讨论；技术矛盾利用TRIZ矛盾矩阵进行分析。

2.2 技术矛盾分析(Analysis)

即A过程：第一步，对其中的技术矛盾逐个进行分析，确定解决目标(最优解)及可能采取的技术措施；第二步，确定各个技术矛盾相对应的通用工程参数，包括改善的参数和恶化的参数，并用Ax标识(A代表工程参数，x代表工程参数在39个通用参数中的序数，其值为1-39的自然数)。

2.3 建立矩阵(Matrix)

即M过程：将改善的参数和恶化的参数Ax从原始阿奇舒勒矩阵表中抽提，建立该问题的矛盾矩阵M；对矛盾矩阵M中用到的创新原理Mx(M代表创新原理，x代表创新原理的序号，为1-40的自然数)进行分析，依据其次序、频率计算矩阵中创新原理解决该问题的有效性Ex，将创新原理按照Ex从高到低排序，首选排在前面的创新原理来解决该技术矛盾。

查阅原始的矛盾矩阵表可见，每一对矛盾最多可由4个创新原理解决，因此本文定义创新原理解决矛盾的有效值为{1,0.8,0.6,0.4}，即排在首位为1，次位为0.8，以此类推，如式(1)所示。

wi={1,0.8,0.6,0.4}

(1)

现举例说明：查阅原始阿奇舒勒矩阵，其中单元格(1,3)中的数字为(15,8,29,34)，该数字表示当运动物体的重量改善导致长度恶化时，可以用第(15,8,29,34)个创新原理来解决。由前述定义可知，创新原理15解决该矛盾的有效值为1，创新原理8解决该矛盾的有效值为0.8，创新原理29解决该矛盾的有效值为0.6，创新原理34解决该矛盾的有效值为0.4。

对矩阵M中的每一个创新原理计算有效值，并将同一创新原理的有效值相加即可得该创新原理解决该矛盾的有效性：

EX=∑wi

(2)

按照创新原理有效性从高到低排序，有效性相同的按照创新原理序号从小到大排序，该序列即为利用创新原理解决该技术矛盾的先后顺序。

若解决该技术矛盾用到的创新原理较多，创新原理优先选用原则如下：①优先选用有效性最高的3～5个创新原理；②优选有效性一般不小于1的创新原理，见式(3)；③若某创新原理可解决多个技术矛盾，即使有效性较小，也应对其进行分析利用。

EX≥1.0

(3)

2.4 利用创新原理寻找解决方案(Solution)

即S过程：利用筛选的创新原理，寻求问题的解决方案S1、S2、S3……SN。在寻求方案过程中，可结合已有的理论知识、工程经验、文献资料以及科学效应知识库等，进一步优选创新原理，在利用某一创新原理获得满意解决方案后，可不再考虑其它优选的创新原理；若全部优选的创新原理都不能获得满意解决方案，可扩展其它未进入优选系列的创新原理。

2.5 综合评价过程(Normalization)

即Z过程：结合实际问题，兼顾P过程的其它矛盾，综合评价上述解决方案，获得最终的解决方案。图2即描述了利用PAMSZ解决技术系统矛盾的一般流程，下面本文以危化品存储问题为例，对该PAMSZ方法进行详细阐述。

图2 PAMSZ解决问题的一般流程

3 PAMSZ方法在危化品储存问题方案解决中的应用

3.1 危化品储存问题

危化品具有易燃、易爆、有毒、有害等特性，对储存的安全性要求非常高。化工厂储罐区一直是企业安全生产的高危隐患区，一些大的危化品安全事故主要发生在储存过程中。从国家安全生产监督管理总局提供的事故查询系统中统计，2000-2019年间，我国共发生235起重大化工安全事故，造成1103余人死亡(不包含受伤人数)，其中涉及到危化品泄漏、中毒、火灾、爆炸等意外事故的共159起，约占事故总量的67%[10]。如近期发生的几起特大化工安全事故都与危化品的储存有关：2018年11月28日河北张家口盛华化工有限公司聚氯乙烯车间氯乙烯气柜发生泄漏造成重大爆燃事故，导致23人死亡、22人受伤，直接经济损失高达4148.8606万元[11]；2019年3月21日，江苏响水天嘉宜化工有限公司苯储罐发生重大爆炸事故，导致78人死亡、超过600人不同程度受伤，造成了极其恶劣的社会影响[12]。

分析这些事故发现，化工厂储罐区是“多米诺”事故高发区，这类事故初始易于通过热辐射、冲击波、碎片撞击等进一步影响到邻近单元，是典型的小概率重后果事故[13-14]。大部分化工厂的存储设施都处于大型化、集约化的状态，事故一旦发生后果不堪设想。

3.2 PAMSZ方法在危化品储存问题方案解决中的应用

3.2.1 P过程

本文将危化品储存视为一个技术系统，该技术系统存在的矛盾即是危化品存储易于发生泄露、爆炸、火灾等意外事故，解决矛盾是为了提高该系统的安全性。根据文献，本文总结出了当前危化品在存储过程中存在的问题主要有以下几类[15-18]：①P1：存储量超标；②P2：因设备老化或腐蚀导致危化品泄漏致使有毒性、放射性的化工原料扩散；③P3：由于环境变化如压力、温度、湿度等引发危化品自燃、爆炸等；④P4：管理人员缺乏专业知识，出现不同性质的危化品同库存储(混放、混存)，安全间距过小，堆垛过高，违规操作，改装打包等问题。其中，P1、P4属于管理矛盾，P2和P3是危化品存储的工艺和设备问题，属于技术矛盾。因此，可用矛盾矩阵分析解决P2和P3这两个问题。

3.2.2 A过程

第一步:利用TRIZ矛盾矩阵的方法对P2和P3进行分析，获得各自的解决目标、可采取的技术措施(见表1)。

第二步：确定相对应的通用工程参数(改善)以及可能导致恶化的参数。分析如下：针对P2设备老化或腐蚀问题，可能采取的技术措施为“强化材质”，“强化材质”不是39个通用工程参数之一，与其意义相同的是阿奇舒勒矩阵的第27号参数“设备的可靠性”(A27)，但当设备的可靠性改进时，易于导致参数复杂性(A36)、制造精度(A29)、物质和事物的数量(A26)、可制造性(A32)、监控与测试的复杂性(A37)的恶化。针对P3环境变化，欲改善的特性有：危化品的存储过程中要尽可能维持储存环境包括压力、温度、湿度(可视为蒸发速度)的稳定，对应的TRIZ通用工程参数分别为应力或压力(A11)、温度(A17)、速度(A9)。此外，为保障安全，减少失误，应尽可能减少人为活动的参与，应增加智能化提高自动化程度，即自动化程度(A38)。以上改善的参数同时引起恶化的参数与P2相同，即导致A36、A29、A26、A32和A37恶化。将确定的改善和恶化的TRIZ参数同时列写在表1中。

3.2.3 M过程

根据表1和原始的阿奇舒勒矩阵，分别建立技术矛盾P2、P3的矛盾矩阵，如表2、3所示，其中，单元格中的数字即为创新原理序号，行列一般按照参数序号(1～39)由小到大排列。

表1 A过程确定的TRIZ参数

表2 危化品存储问题P2的矛盾矩阵表

表3 危化品存储问题P3的矛盾矩阵表

利用式(1)、(2)计算问题P2用到的创新原理有效性，结果见表4。为简便起见，将表4中的计算结果用数列表示为：(M,E)={(40,1.4),(1,1.2),(28,1.2),(11,1),(13,1),(21,1),(27,1),(32,0.8),(35,0.8)}。

表4 解决危化品存储问题P2的创新原理及有效性

由于创新原理有效性是为了创新原理排序，可将创新原理及其有效性分别表示为： M ={40,1,28,11,13,21,27,32,35}，E={1.4,1.2,1.2,1,1,1,1,0.8,0.8}。在后续S过程中只使用M序列寻求矛盾解决方案即可。根据创新原理优先选用原则，优选有效性最高的前3个创新原理来解决问题P2设备老化或腐蚀，即复合材料(M40)，其次为分割(M1)和机械系统的替代(M28)。

同理，可得P3问题的创新原理序列及其有效性，见表5，因创新原理较多，表5列出了有效性较高的部分创新原理。根据创新原理优先选用原则，本文优选有效性最高的前5个创新原理来选择解决问题P3，创新原理用数列表示为M ={35,10,3,1,27}，其有效性用数列表示为：E={4.8,4.6,4.0,3.2,3.0}。根据上述创新原理数列中的序号，可得解决P3问题的创新原理：物理/化学状态变化(M35)、预操作(M10)、局部质量(M3)、分割(M1)、廉价物体的替代(M27)。

表5 解决危化品存储问题P3的创新原理及有效性

3.2.4 S过程

对P2设备老化或腐蚀问题，分析优选出的创新原理：复合材料(M40)、分割(M1)和机械系统的替代(M28)。通过查阅文献资料可知，高分子材料如聚氨酯制品等具有材质轻、强度高、绝热效果好、防水 、耐老化等优良性能[19]，聚乙烯、聚丙烯等非极性聚合物具有良好的耐酸、耐碱以及耐极性化学物质腐蚀的性能，可防止因储罐被腐蚀导致泄漏的发生。因此，提出对P2设备老化或腐蚀问题的解决方案如下：

方案1(S1)：采用高分子材料改进危化品储存容器，或对危化品储罐内侧涂覆防腐内衬，也可以在危化品储存容器箱体与存储格之间添加吸水树脂衬垫层可吸附危化品泄漏量。在工业实践中，利用复合材料进行设备防腐是首选项，尤其储罐等设备，因此分割和机械系统的替代暂不考虑。对P3因环境参数变化引起的安全问题，分析优选出的创新原理：物理/化学状态变化(M35)、预操作(M10)、局部质量(M3)、分割(M1)、廉价物体的替代(M27)。根据这些创新原理提出问题P3的解决方案如下：

方案2(S2)：根据创新原理物理/化学状态变化(M35)，可以考虑改变温度压力从而改变危化品的储存状态，如光气、氯乙烯等气体加压变为液体储存，光气可进一步降温为固体光气储存。

方案3(S3)：根据创新原理预操作(M10)，在危化品储罐上安装一种智能控制系统，该控制系统包括在储罐底部设置质量探测器，用于对储罐内危化品的重量进行检测，可通过对储罐内危化品重量的实时监测初步判断是否有泄漏、输出量过多等异常状况的发生。储罐内设置液位传感器、压力传感器、温度传感器，以及在储罐内外层之间设置泄漏检测器。这种智能控制系统可以实时获取危化品储罐中的液位、压力、温度信息，同时可监测储罐的内层和外层之间是否有危化品泄漏。

方案4(S4)：根据创新原理局部质量(M3)，在危化品储罐易于受到环境参数影响的部分提高制造加工等级，选用耐高温高压防腐蚀的材质，提高其承受温度、压力和湿度变化带来的破坏能力。

方案5(S5)：根据创新原理分割(M1)、廉价物体的替代(M27)，可以考虑将储罐正常散发的危化品快速方便移走，如在储罐上安装负压风机，利用负压风机空气对流、负压换气的降温原理将储罐中挥发气排放出去，保持储存环境的相对稳定，防止对操作人员造成伤害。

分析P2和P3用到的创新原理(表4和表5)可见，创新原理1、13、27、28、35对解决P2和P3问题都有效，其中M13和M28在上述方案决策过程中暂未涉及。创新原理M13为反向作用，在原始TRIZ理论中含义包括：用相反的动作代替问题中规定的动作；让物体或环境可动部分与不动部分互换；让物体上下或内外颠倒等，由于危化品储存是个静过程，该创新原理不适用。本文考虑利用机械系统的替代M28同时解决P2和P3问题。M28包括两个方面：①用视觉系统、听觉系统、味觉系统或嗅觉系统代替机械系统；②使用与物体相互作用的电场、磁场和电磁场。

本文选用第二种替代系统，引入RFID(Radio Frequency Identification)射频识别技术，该技术是一种非接触式自动识别技术，由电子标签、读写器和应用系统组成。近年来，随着物联网技术的发展和RFID技术研究水平的不断提高，RFID技术在物流管理、零售管理、身份识别等领域展开运用[20]。因此，将该技术用于解决问题P2和P3的方案如下：

方案6(S6)：在每一种危化品储罐上设置独一无二的电子标签，这种RFID电子标签对化学物质有很强的抗腐蚀性，将其附着在被标识的对象上，可将多种类型的传感器测量得到的温度、压力、湿度等信息存储于电子标签中。通过RFID读写器采集监测到的数据并上传至计算机数据统计分析系统，在计算机管理软件上增加危化品实时信息数据库，与监督管理平台进行数据互换。

3.2.5 Z过程

分析上述6个解决方案可知，方案S1和S4为储存设备的制造(材质和加工)，方案S2为储存物质的状态变化，方案S3、S5、S6为(危险)参数的识别和控制。由于危化品的种类性质千差万别，因此应对危化品进行详细的等级分类，分门别类地通过强化提高工艺和设备参数来解决技术矛盾。同时充分利用大数据时代背景所带来的便利条件，将物联网、云计算、大数据技术与工业DCS智能控制技术结合起来作为一种新技术运用到危化品管理系统中，提高安全管理能力。

在问题定义过程中，还有P1存储量超标、P4混放、违规操作等管理矛盾。对管理类矛盾，一般的措施是制定严格法律法规，加强企业负责人及员工的安全培训和安全教育，增强安全意识，严格按照相关危化品存储规定进行，如控制安全存储量、避免混放、安装自动报警装置、做好消防安全措施等。然而事实上，我国大部分危化品存储安全事故原因都归结为存储装置“年久失修，疏于管理”。因此，综合上述技术矛盾和管理矛盾，本文引入颜色识别、时间保护机制，提出一个多层次、人机交互的智能危化品存储策略，详述如下：

第一层：对危化品细致分类，按照物态、燃爆、毒害等性质，定义不同的危害等级，并规定危害色，电子标识符引入该危害色，当储罐与其存储的危化品等级匹配时，颜色一致；当储存的危化品等级高于储罐时，电子标识符显示报警色，并触发报警装置，同理，设置储量料位标识色，正常不显示，高于或低于有报警色，并触发报警装置。

第二层：根据危化品分类及相应的技术矛盾，强化工艺和设备质量，解决技术矛盾。

第三层：设置“强制检修”程序，引入时间保护机制，当储罐参数或时间参数达到检修要求时，若不进行检修，设备报警或触发停车系统。该过程需要设计智能人机交互系统进行管理。

第四层：设置以防万一的“防护应急系统”。

图3 多层次人机交互的智能危化品存储策略

4 结论

本文对TRIZ创新理论中的矛盾分析进行了详细研究，提出了一种基于TRIZ矛盾理论的PAMSZ应用方法，该方法在TRIZ矛盾矩阵中定义了创新原理的有效性概念，基于有效性的定量分析提出了创新原理的优先选用原则，利用优选的创新原理寻求技术矛盾、物理矛盾的解决方案，并在综合方案评价过程中同时考虑管理矛盾，获得最终的综合解决策略。本文运用该PAMSZ法对危化品存储问题进行实例分析，通过文献调研对危化品存储过程中易于引起安全事故的原因进行分类，形成4类问题，对其中技术矛盾P2和P3分别建立矛盾矩阵，通过计算相关创新原理的有效性，获得优选的创新原理并获得了若干个解决方案，最后结合管理矛盾P1和P4，给出了一个多层次、人机交互的综合解决方案。该实例证明，本文提出的PAMSZ方法，步骤清晰，易于TRIZ理论初学者和工业企业创新人员的使用，尤其适用于流程工业制造领域的技术系统改进。