基于可拓基元的流程裁剪模型设计＊

王爱峰，李子娜

（河北工程大学管理工程与商学院，河北 邯郸056038）

TRIZ是众多创新方法中公认的一种先进的、典型的创新方法[1]。裁剪是现代TRIZ理论中以去除元件激化冲突和应用TRIZ其他方法解决问题的方式优化系统结构，是提高理想化水平的重要方法。流程裁剪是裁剪工具所延伸出来的一种问题解决工具[2]，其本质是以“减”的方式来解决问题，去除过程中的操作，消除系统冲突，将该操作中的有用功能重新分配，简化工艺过程，提高系统理想性。

中国目前正加快改革和转变市场经济发展的方式，大幅度地提高经济增长的质量和效益，建设一个资源节约型社会，创新驱动的重点逐渐向过程创新转移，GERT等[3]提出了将TRIZ应用于流程创新的适用性，并且从系统功能建模与裁剪、RCA分析和问题分析、通用发明原理解题的视角提出改进过程工业生产流程的方法。谭若诗等[4]基于Sergei提出的五类有用功能裁剪规则，提出结合流程图的四阶段流程问题解决过程模型。谭震等[5]根据技术系统向着最少引入外部资源、内部资源最大化使用的原则，对五种流程有用功能的特点详细剖析，提出十五条流程裁剪规则，指导设计者删除目标操作。但当前流程裁剪的实际应用仍具有一定的局限性和抽象性。可拓理论与TRIZ理论都被认为是比较成熟的解决矛盾性问题的方法框架，但各有优缺，张文林[6]将TRIZ理论中基于装置的功能分析方法与可拓学相结合，提出改进功能分析方法，克服基元分析理论化较强的缺点，同时强化功能分析系统性分析问题的优点。白仲航等[7]基于可拓理论中的相关性分析和可拓聚类方法，将TRIZ理论中的因果链分析优化，设计了一套基于可拓学的因果链分析算法，增强因果链分析的客观性与逻辑性，辅助设计人员准确发现问题。可拓学与TRIZ理论的结合应用可以达到取长补短的效果。基于此，将传统的可拓基元理论与流程裁剪算法进行结合，利用基元理论对一般性问题形式化描述和表达的特点，更加深入地理解和发现问题的信息，从功能与基元特征的角度为裁剪提供具体指导。

1 基于基元理论的改进流程裁剪算法

1.1 TRIZ理论中的流程裁剪

技术系统遵循一定法则进化，创新有规律可循，TRIZ理论是根里奇·阿奇舒勒等前苏联研究人员根据专利总结提出的创新指导理论[8]，是一种基于知识的现代创新方法。

裁剪是现代TRIZ的重要工具，主要应用在降低成本、简化系统、提高工程系统的稳健性和有效规避专利等方面。裁剪通过转换问题、重组系统功能[1]，消除低价值、有问题的部分，减少系统冗余，有效降低成本，但不会损失系统的有效功能。裁剪是一种进化趋势，裁剪的程度越大，创新的水平越高，系统愈接近理想化。

工艺流程裁剪是基于过程的裁剪，是一种去除（裁剪）过程中某些操作，但可以保持整个工程系统功能的工具。某个操作被裁剪掉的同时这个操作中的有用功能在剩余操作中重新分配。裁剪法最本质的思想是消除系统中的低价值元件操作，最大程度地利用系统的资源，从而降低了成本，系统冲突也被消除[9]。

文献[9]中介绍的基于过程的裁剪算法归纳为基于过程的功能分析，裁剪规则选取与裁剪实施，运用TRIZ的问题解决工具消除冲突。基于过程的功能分析是工艺流程裁剪的基础，包括组件分析即操作分析以及功能建模。

Sergei在2010年MATRIZ会议上提出流程功能分析，将功能划分为五类。

文献[9]中将功能分为有用功能（U）和有害功能（H）。功能达到的结果与我们期望的一致或者对工程系统的发展有正向贡献，即为有用功能（Useful Functiong）。

有用功能根据功能的对象以及功能对象的改变在最终产品中的状况分为以下三种类型：①生产功能（Prd）是指给产品的参数发生了永久性而且是不可逆转改变的有用功能，该功能所带来的参数变化可以在最终产品中观察到；②条件功能（Prv）是辅助其他有用功能的有用功能，对产品的某个参数暂时性改变，其产生的结果在最终产品中无法识别出；③矫正功能（C）是矫正缺陷的有用功能。

有用功能根据其所达到的性能水平分为正常功能（N）、不足的功能（I）、过量的功能（E）。功能分类中不足的功能、过量的功能以及有害功能是系统裁剪优化的部分。

对流程裁剪规则的研究，Sergei的研究成果最具有代表性，他根据有用功能的价值类型分生产性功能、支援性功能、运输性功能、量测性功能和修复性功能五类，各类功能对应于不同的裁剪规则[2]。

文献[9]中对应生产功能、条件功能、矫正功能总结了十四条裁剪规则。

1.2 可拓学基元理论

可拓学中基元理论是将事物分为物、事、关系三部分，建立物元、事元、关系元，分别描述事物的一般特征、物与物的相互作用，即某一动作或者某一行为、事物间的相互关系。基元的三要素表示为对象O、特征C、（特征的）量值[10]。基元的一般表达方式记作：

式（1）中：B为物元M、事元A、关系元R的代称；O为研究对象（Object），具体对应于物Om、事Oa、关系Or；C为特征，{c1，c2，…，cn}为研究对象的各种特征，通常Om的特征有功能特征、性质特征、实义特征、其他特征四类，Oa是某一动作，其基本特征包含施动对象、支配对象、接受对象、时间、地点、方式、程度、工具等，Or的一般特征包括前项、后项、程度、维系方式、联系通道、联系方式、地点、时间；V={v1，v2，…，vn}为对应ci的特征量值[6]。

1.3 集成算法

工艺流程[11]，指的是通过一定的生产加工设备或管道，从原材料投入到成品产出，按照规定的工艺顺序连续性加工的全局过程，是一系列操作集合{O1，O2，…，On}，操作是一组功能的集合{F1，F2，…，Fn}，Fi=verb+functional objective。

基于事元将功能F的表达式形式化为：

在问题分析中，功能分析是从功能执行的角度分析系统组件之间关系的模型[12]，操作表示为{A1，A2，…，An}。

根据以上构建基于可拓基元理论的流程裁剪算法模型，如图1所示。

图1 集成流程裁剪模型

2 案例分析

在双功能催化剂实际操作中，存在催化剂活性偏低的问题，微观上最终产品的主要成分未能达到最佳组合配比。

2.1 流程选取

选取双功能催化剂合成的过程[9]，以下为流程操作划分阐述。

干混：加入具有第一种催化活性的微米级活性成分A粉末与微米级的成分黏结剂B粉末进行混合。

湿混：加入水和浓硫酸激活成分B为胶体，B胶体黏结A成分，将混合物捏成面团。

挤条：面团C放入挤条机中，挤压成条状催化剂S1。

干燥：在烘箱中干燥脱除条状催化剂S1中的水分。

焙烧：在马弗炉中对条状催化剂S1进行高温焙烧。高温会使催化剂S1微观结构发生变化，黏接剂B黏结更牢固，条状催化剂S1能具有更高的机械强度。

冷却：冷风机对高温的条状催化剂进行降温，使其降至室温。

破碎：破碎机将条状催化剂破碎机，进行筛分，得到需要尺寸的短条状催化剂S2。

浸渍：将短条状催化剂S2放入含有第二种催化活性的D溶液中，使活性成分D附载在短条状催化剂S2上，形成短条状催化剂S3。

二次干燥：烘箱中对短条状催化剂S3进行干燥脱水。

二次焙烧：马弗炉中对短条状催化剂S3焙烧，使其微观结构发生变化。

二次冷却：冷风机将短条状催化剂冷却至室温，得到最终产品P。

2.2 流程分析

本文以前后两部分下标表示流程以及功能顺序，前半部分代表操作在流程中的顺序，后一部分表示功能在操作中的顺序。如A12代表第一步操作干混中的加入微米级成分B粉末的功能。将双功能催化剂合成流程基元表示，挖掘操作功能特征。

双功能催化剂合成流程基元表示如下：

2.3 流程问题解决

通过基元与功能结合的分析，双功能催化剂工艺流程中的不足功能有A13、A23、A24、A25、A31、A51、A81、A101，在此选取生产功能裁剪规则第三条，将被分析功能转移到前置或后置操作中，裁剪掉A13的生产功能，将流程重新规划为：

具体方案解[9]为先加入水、浓硝酸、B粉末使其成为胶体，再加入具有第一催化性的A粉末，促使其均匀分布，同时也简化了工艺流程。

3 结语

基于基元理论的流程裁剪算法是在理解基元理论和基于过程的裁剪理论的基础上，结合两种理论都是分析问题、解决问题的现代创新工具，将基元理论形式化和深层次挖掘问题的优点与裁剪理论相融，构建事元模型能够直观形象地展示功能的类型、程度，使得裁剪工具在工艺流程具体解题中能够提供研究人员更加详细的问题描述，从而为问题分析和冲突解决寻找突破点提供便利。

裁剪是简化系统结构、提高理想度分析问题、解决问题的重要工具，流程裁剪是基于装置裁剪的延伸方法，其优化改进使得裁剪方法更加实用高效，有利于工艺流程创新实践以及裁剪方法的推广应用。