技术系统中不良作用组件单元问题影响度分析

赵 云, 高常青, 董 辉, 杨 波

(济南大学 机械工程学院, 山东 济南 250022)

产品创新的关键在于发现和解决设计过程中的冲突。 发明问题解决理论(teoriyaresheniyaizobreatatelskikhzadatch,TRIZ)是用于产品创新设计的系统化设计理论,提供了解决冲突问题的发明原理、冲突矩阵、分离原理[1]。由于复杂产品内部子系统存在错综复杂的相互作用关系,因此设计人员在设计过程中会遇到很多相互关联的冲突,使得经典TRIZ在解决多冲突问题时面临巨大的挑战[2]。

目前国内外学者对多冲突问题的研究思路主要是确定关键冲突, 并应用TRIZ中的发明原理、 分离原理、 冲突矩阵等工具解决关键冲突。 Cavallucci等[3]提出冲突云的概念作为一组基本冲突的三值图形表示, 对冲突的权重在重要性、 影响深度和广度3个方向进行量化, 根据图形显示的差异选择关键冲突。 Montecchi等[4]从专利文献中提取信息, 用于识别和克服冲突, 基于知识运营管理(KOM)的知识管理工具重新定义需求,从而确定冲突。 杨洪超等[5]构建多冲突网络, 提出3种求解策略, 快速找出关键冲突, 并利用TRIZ解决关键冲突。 梁瑞等[6]通过提取出构建冲突的元素-名称-量值(ENV)模型, 从元件影响度、参数出现频率、 参数关联数量和专家评价方面进行权重赋值, 得到冲突的重要度排序, 确定关键冲突, 从而进行冲突求解。 普雪洁等[7]基于需求分析和功能失效分析, 提出复杂技术系统中多冲突问题中的隐形冲突识别方法。

在多冲突问题的求解过程中, 求解思路一般是将多冲突进行解耦分析, 确定关键冲突后再进行解决, 但是解耦分析并确定关键冲突对大多数设计人员而言是一个比较复杂的过程, 因此有必要针对导致冲突问题产生的内在原因即不良作用进行研究, 从而找到解决冲突或多冲突问题的新路径。

在功能分析模型图中,设计人员能够直观地观察到技术系统内部组件之间存在的问题及组件之间的影响关系,但是不能实现组件之间影响关系的数字化计算。决策试验与评价实验室(DEMATEL)是一种运用图论与矩阵工具进行系统因素分析的方法[8],可以分析系统中各因素之间的关系并计算因素的中心度和原因度,从而表达影响关系[9]。利用系统之间的逻辑关系构建直接影响矩阵,能使因素之间的影响关系通过矩阵运算的方式进行计算[10],因此借助DEMATEL可以实现组件之间影响关系的数字化计算。

本文中在冲突问题分析阶段, 通过将冲突问题转化为组件之间的不良作用, 增加功能分析与不良作用模块知识的关联度; 以组件单元结构模型为基础, 定义问题影响度及其排序原则, 提出基于DEMATEL的不良作用组件单元问题影响度排序算法;利用MATLAB软件的图形用户界面模块,实现不良作用组件单元的问题解决顺序的自动排序。

1 冲突解决

1.1 基于TRIZ的冲突解决

在经典TRIZ中,冲突分为技术冲突和物理冲突。TRIZ提供39个通用工程参数和40条发明原理对技术冲突进行解决。同时,提供4条分离原理对物理冲突进行解决。研究[11]发现,解决物理冲突的分离原理与解决技术冲突的发明原理之间存在相互转化关系。基于TRIZ的冲突解决过程如图1所示。首先采用通用工程参数对需要解决的技术冲突进行描述,然后查找冲突矩阵,找到对应的发明原理,进而确定问题解决的一般解,最后将一般解转化为具体问题的特殊解[12]。

图1 基于发明问题解决理论的冲突解决过程

在实际问题中,对于工程参数的定义需要一定的TRIZ知识背景,并且在一般的技术系统功能分析过程中,缺乏技术系统组件之间影响关系数字化计算的讨论,因此对于设计人员,使用经典TRIZ的冲突解决方法解决问题具有一定的难度。

1.2 冲突表征与不良作用

冲突是由技术系统内部组件之间不良作用引起的外在表征,消除技术系统中的不良作用是解决冲突的关键[13]。技术系统中组件之间的作用关系是系统功能的主要构成因素。组件之间作用关系的基本类型有充分作用、有害作用、过度作用、不足作用,其中后3种类型为不良作用。组件之间作用关系的基本类型及符号表示如表1所示。

表1 技术系统中组件之间作用关系的基本类型及符号表示

冲突与不良作用之间存在映射关系。1个不良作用可能导致1个或多个冲突的产生,多个不良作用可能导致1个冲突的产生。技术系统中组件之间不良作用与冲突的映射关系如图2所示。

图2 技术系统中组件之间不良作用与冲突的映射关系

技术系统中组件之间的作用关系错综复杂,围绕初始问题进行组件结构的功能分析时,均可能产生多个不良作用。这时设计人员可以使用TRIZ中的标准解、科学效应、裁剪策略等方法将技术系统中的不良作用转化为良好作用,从而消除技术系统中的不良作用,解决技术系统中的冲突。

由图2可知,多个不良作用之间具有错综复杂的相互作用关系,当某一个不良作用解决完成时,可能会使技术系统中多个不良作用都被解决,因此确定不良作用解决顺序优先级对问题的解决尤为重要。由于目前不良作用的解决顺序都是根据工程师的经验所确定的,存在很大的主观性,因此不良作用解决顺序优先级的问题是一个有待研究的课题。

2 功能分析

2.1 功能的定义与表示

功能可以定义为技术系统中一个组件A作用于另一个组件B并改变组件B的技术参数的行为[14]。组件之间的功能关系如图3所示。

图3 技术系统中组件之间的功能关系

功能表示可以分为3类[15]: 1)“操作+流”, 例如移动物体; 2)“操作+流+属性”, 例如增加固体硬度; 3)“操作+流+介词或连词+流”例如去除液体中杂质。

2.2 基于组件的功能分析

功能分析是对系统进行功能建模的过程,是分析技术系统中各组件之间关系的过程,目的是建立技术系统功能分析模型图[16]。技术系统功能分析模型图能够清晰地观察到组件之间存在的问题,从而针对问题进行解决。创建功能分析模型图步骤[17]如下: 1)识别出技术系统中所有组件,进行组件分析; 2)分析各组件之间的相互作用,分析作用的类型; 3)用不同形状的边框表示系统组件、 超系统组件、 目标对象,并用箭头进行联系,建立技术系统功能分析模型图。

2.3 组件单元模型

功能由组件之间的相互作用形成, 存在相互关联的2个组件构成1个组件单元模型。 根据逻辑关系, 组件之间的关系可分为串联、 并联、 反馈3种形式。 将存在不良作用的组件单元定义为不良作用组件单元。 良好作用组件单元和不良作用组件单元的串联、 并联、 反馈模型如图4所示。 如果组件C对组件D存在不良作用, 那么不良作用组件单元由组件C、 D及其之间的不良作用组成。 组件之间的不良作用是导致冲突出现的内在原因, 冲突是组件之间的不良作用的外部表征,冲突问题解决的依据就是将技术系统中的不良作用转化为良好作用。

(a)串联型良好作用组件单元与不良作用组件单元

(b)并联型良好作用组件单元与不良作用组件单元

(c)反馈型良好作用组件单元与不良作用组件单元图4 良好作用组件单元和不良作用组件单元的串联、 并联、 反馈模型

将若干组件单元模型连接起来,可以构建系统功能模型图。根据Stone等[18]提出的功能基的概念,组件单元的功能可以表示为“功能+流”的形式。功能定义为8个基本类功能,即分支、 导向、 连续、 控制、 转换、 供应、 接发、 支撑。流定义为物质流、能量流和信息流3个类别。

2.4 基于DEMATEL的问题影响度定义、 排序及应用

在TRIZ中, 功能分析模型图可以直接观察到组件之间的影响关系。 以功能分析模型图为依据, 将组件A对组件B有作用赋值为1, 反之赋值为0, 可以得到技术系统的邻接矩阵。 邻接矩阵可以直观地表达组件之间的影响关系。 将DEMATEL与TRIZ中的功能分析模型图结合起来, 可以实现技术系统中组件之间影响关系的数字化计算, 求出每个组件在技术系统中的中心度和原因度。 中心度表示组件在技术系统中的位置及组件所起作用的大小。 组件的原因度大于0表示该组件是原因要素, 对其他组件的影响大; 组件的原因度小于0表示该组件为结果要素, 受其他组件的影响大。

由于组件单元由2个组件及其之间的相互作用构成,因此将组件单元的中心度定义为2个组件的中心度之和,组件单元的原因度定义为2个组件的原因度之和。当不良作用组件单元原因度大于0或小于0时,将问题影响度定义为不良作用组件单元中心度的大小。以问题影响度作为不良作用组件单元排序依据,建立基于DEMATEL的不良作用组件单元问题影响度排序算法,利用TRIZ按照顺序进行问题解决。基于组件单元问题影响度的问题解决应用流程如图5所示。借助MATLAB软件的图形用户界面(GUI)模块,实现确定多个不良作用组件单元解决顺序的可视化操作。

DEMATEL—决策试验与评估实验室; na—不良作用组件单元个数; TRIZ—发明问题解决理论(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch)。图5 基于组件单元问题影响度的问题解决应用流程

一般来说, 原因导致结果, 因此在问题解决过程中, 应从原因要素入手, 从而提高问题解决的效率。 由此, 定义不良作用组件单元问题影响度的排序原则如下: 1)先解决原因度大于0的不良作用组件单元, 再解决原因度小于0的不良作用组件单元; 2)对于存在多个原因度大于0(或小于0)的组件单元的情况,按组件单元中心度的大小进一步排序,中心度大的组件单元在前,中心度小的组件单元在后。

3 基于DEMATEL的不良作用组件单元问题影响度排序算法

本文中提出的基于DEMATEL的不良作用组件单元问题影响度排序算法步骤如下:

步骤1利用功能分析模型图建立直接影响矩阵A,

(1)

式中:Xij(i=1, 2,,n,n为组件个数,j=1, 2,,n)为因素,取值为0或1,Xij为1表示技术系统中第i个组件对第j个组件有影响,Xij为0表示第i个组件对第j个组件无影响。

步骤2规范化直接影响矩阵A为矩阵X,

(2)

步骤3求综合影响矩阵T,

T=X(I-X)-1,

(3)

式中I为单位矩阵。

步骤4计算第i个组件的影响度Di、 被影响度Ri,

(4)

(5)

式中:tij为综合影响矩阵T中第i行第j列元素;tji为综合影响矩阵T中第j行第i列元素。

步骤5计算第i个组件的中心度fi、 原因度ri,

fi=Di+Ri,

(6)

ri=Di-Ri。

(7)

步骤6计算不良作用组件单元的中心度p、 原因度q,

p=fi+fj,i=1, 2,,n,j=1, 2,,n,

(8)

q=ri+rj,i=1, 2,,n,j=1, 2,,n,

(9)

式中:fi、fj为第i、j个组件的中心度;ri、rj为第i、j个组件的原因度。

步骤7对不良作用组件单元按照问题影响度排序原则进行排序。

步骤8通过物-场模型、科学效应、裁剪策略等方式按照顺序消除不良作用,形成解决方案。

步骤9评价形成的解决方案能否消除技术系统中的所有不良作用,如果全部消除,则问题解决,否则,进行步骤8。

步骤10如果经评估,解决方案可采用,则算法结束,否则进行步骤1。

4 工程实例

游梁式抽油机是目前油田主要使用的抽油机类型之一,主要由驴头-游梁-连杆-曲柄机构、变速箱、动力设备和辅助装备四大部分组成。游梁式抽油机如图6所示。游梁经抽油杆工作时带动井下抽油泵的柱塞作上下运动,从而不断地抽油。

1—电机; 2—曲柄; 3—基座; 4—人;5—抽油杆; 6—支架;7—钢丝绳; 8—润滑脂;9—空气; 10—游梁; 11—连杆; 12—传动装置。图6 游梁式抽油机

游梁式抽油机工作条件恶劣,容易出现钢丝绳断裂的问题。将所提出的基于DEMATEL的不良作用组件单元问题影响度排序算法应用于游梁式抽油机钢丝绳断裂的问题解决过程。

4.1 构建组件直接影响矩阵

分析游梁式抽油机的结构组成及工作原理, 确定游梁式抽油机装置的组件及相互作用关系, 构造游梁式抽油机技术系统功能分析模型, 如图7所示。

图7 游梁式抽油机功能分析模型

根据3节中的步骤1,建立游梁式抽油机组件之间的直接影响矩阵A,

4.2 计算问题影响度及生成问题解决顺序

根据3节中的步骤2—5, 基于MATLAB软件的GUI模块, 计算技术系统中各组件的影响度、 被影响度、 中心度和原因度。 组件问题影响度分析界面如图8所示。

图8 组件问题影响度分析界面

根据式(8)、(9),计算不良作用组件单元的中心度和原因度,并依据问题影响度的排序原则,对不良作用组件单元进行排序。利用MATLAB软件的GUI模块自动实现对不良作用组件单元的解决顺序进行排序,可视化操作界面如图9所示。

图9 利用MATLAB软件的图形用户界面模块实现排序可视化操作界面

4.3 问题的TRIZ求解过程

游梁式抽油机钢丝绳断裂的问题解决顺序如表2所示。由表得到排序,则优先解决1号不良作用组件单元,其中人涂抹润滑脂存在不良作用的主要原因是人工涂抹润滑脂时施工强度大,造成涂抹效率低,施工不及时等问题。

表2 游梁式抽油机钢丝绳断裂的问题解决顺序

针对技术系统实施裁剪策略。由于技术系统中组件人的价值较低,因此将人作为裁剪的对象, 同时, 根据裁剪策略, 将人的功能实现再分配。 经分析,技术系统中已有组件不能完成人的功能,因此引入一个新组件完成人的功能。为了使技术系统的自动化程度更高,在原有技术系统的基础上增加油储装置,将油储装置与游梁固定在一起,通过与游梁共同运动,使润滑脂在惯性力的作用下从油储装置中滴出,钢丝绳得到充分浸润。技术系统裁剪策略如图10所示。

图10 技术系统裁剪策略

当人对润滑脂的不良作用解决完成时,润滑脂能够充分润滑钢丝绳,进而减少空气对钢丝绳的氧化,保证了游梁正常牵引钢丝绳,带动抽油杆上下移动,从而实现连续工作,因此在1号不良作用组件单元的问题解决完成后,其他不良作用组件单元的问题也全被解决。

针对将技术系统中的组件人实施裁剪策略,引入一个新组件即油储装置,从而完成组件人的功能的解决方案,进行模型试验,结果表明,在油储装置的作用下,润滑脂可以充分浸润钢丝绳。在润滑脂的作用下,钢丝绳不易断裂,技术系统中的冲突从而被解决。游梁式抽油机的模型试验图如图11所示。

图11 游梁式抽油机的模型试验图

5 结论

本文中在冲突问题分析阶段,结合DEMATEL与经典TRIZ中的功能分析,提出基于DEMATEL的不良作用组件单元问题影响度排序算法,得到以下主要结论:

1)根据组件单元结构组成提出基于DEMATEL的不良作用组件单元问题影响度排序算法,实现了不良作用之间影响关系的数字化计算。

2)建立了基于DEMATEL的不良作用的排序流程,并利用MATLAB软件的GUI模块实现对排序流程的可视化操作,增加了冲突问题解决的可操作性,完善了问题解决概念设计模型。

3)目前研究是从组件层面进行冲突问题分析的,针对问题解决过程的设计知识推理和进一步原因分析过程是后续研究的重点。