基于TRIZ冲突矩阵的单目标问题快速求解方法研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

发明创 造 理 论 TRIZ(俄 文 TeopHH pemeHHH3o6DeTaTeJIbcKHx 3aAaq的英文音译 Teoriya Resh-eniya Izobreatatelskikh Zadatch的缩写)是 由前苏联学者根里奇 ·阿奇舒 勒(G.S.Altshuler)在分析 、研究了 4余万份高水平专利之后，发现 了隐藏在不同领域发明专利背后 的知识-- 即发明、创新是有规律的，这些规律在不 同领域被反 复应用.阿奇舒勒在此基础上构建 了-套解决发明创造 问题的流程l1 。

冲突矩阵是 TRIZ创新理论解决实际问题 的有效工具 ，2，但是冲突矩阵在应用过程 中将实际冲突问题 的两个参数转换为 39个通用工程参数描述的 TRIZ标准技术冲突，由于现实技术参数干变万化 ，39个 工程参数 过于抽 象，-般很难 准确 描述 ，从而制约 TRIZ冲突矩阵在创新设计中的有效运用。

但是实际应用时，-般能够相对比较准确地描述冲突双方的-个方面，也就是说能够比较准确的映射出冲突双方的-个参数.即设计的某- 目标比较明确 ，由该 目标引发的其他可能出现的问题 尚不明确 ，这种情况在设计 中比较常见 ，但是 TRIZ理论对于这种情况如何实施创新设计 ，并未给出解决方案.本文对于这种单 目标问题利用 TRIZ冲突矩阵进行快速求解的方法进行了研究。

1 TRIZ冲突矩阵解题流程TRIZ中的技术冲突是指 当技术系统 的某 -参数得到改善时常常会引起另-些参数或者特性的恶化 .由于实际冲突参数千差万别 ，TRIZ将设计中的具体参数抽象为描述性能的 39个抽象的通用工程参数 ，并从全球 250万份发 明专利中提炼出解决问题 的 4O个基本 发明原理 ，TRIZ理论将工程参数之间的冲突和发明原理之间建立起相互对应关系，形成 39×39冲突矩阵.图 1是冲突矩阵的局部截图。

恶 化 参 数己盘善参数 1 2 3 4125 34 343熬 1 .日. . 、 耐 糍 .1，. 日45678 醚 35.1 .19，i4 19.14 35.8.2.14 螽 i9 2.珀.13.38 l鏊避 I 13 14，8 i § 霹蓦 9.30.3410 B.1.37.18 18，13.1.28 17.19.9.36 28.1口 19 1口.15图 l 冲突矩阵组成示意图(局部截 图)图中横向排列参数表示恶化参数 ，纵向排列参数表示改善的参数 ，矩阵元素提供 推荐 使用的 40个发明原理序号 ，提示设计者最有可能成功解决问题的原理和方法.图中空 白处表示的是对应参数不存在冲突或者暂时 尚未找到合适 的发明原理解决这类技术冲突。

TRIZ冲突问题求解时 ，首先将实际技术 冲突转换为 39个工程参数描述的 TRIZ标准问题 ，然后借助图 1所示的冲突矩阵表查找解决 问题 的发明原理 ，得到创新设计的方向。

也就是说 ，利用冲突矩阵的主要流程就是确定技术系统期望改善的通用工程参数 、确定可能恶化的工程参数，查找 冲突矩阵获取推荐的发明原理 ，以推荐 的发明原理作为解决问题探索的方向，进入方案设计.图 2是开发的辅助工具软件运行截图。

图 2 计算机辅助冲突矩阵解题 软件 运行 截 图如图2所示，当某-技术系统期望改善的参数抽象为通用工程参数 4(静止物体 的尺寸)，而 同时避免恶化的工程参数抽象 为通用工程参数 27(可靠性)，则通过查找冲突矩阵表 ，得到解决该技术冲突时 TRIZ推荐 的发 明原理 为 15、29、28.这些发明原理给出了创新设计的方向、提示 和指导 ，有可能成为问题解决的突破口。

2 单 目标问题创新求解2.1 冲突矩阵应用发明原理的统计分析如前所述 ，冲突矩阵中推荐的发明原理是对大量专利解决问题的思路 、方法进行统计 、分析、抽象取得 的成果.这就意味着统计分析技术在冲突矩阵中扮演 了重要 的角色.国际著名 TRIZ研究学者Mann统计 出整个 矩阵 中每-个发 明原理 的使用频次l4引，如表 1所示。

表 1 冲突矩阵发明原理使用频次统计优先级别13253721次 -弘 踮陡 - -理-艨- 。。 。 发· 142 · 陕西科技大学学报 第31卷发明原理81011l21314151617l8192O2122232425262728293O3l32333435363738394O使用频次 优先级别36 3644 3326 41274 249 2932 39141 1183 23160 899 1787 2O163 7158 919 4237 3584 2235 3792 1949 29140 12122 14229 5118 1567 2647 32147 1031 40105 16413 160 2760 2748 3177 2495 18Mann从发明原 理应用频次统计及其分析的400万份发明专利得出，人类创新活动绝大多数使用的发明原理恰峭是使 用频次最高的几个发 明原理l5棚.也就是说 ，使用频次高 的发 明原理能够解决绝大多数发明创造问题.既然冲突矩阵来源于统计分析，而且 Mann的分析结果也确实揭示 了发明原理在实际中发挥的作用及其地位 ].这也就意味着对于标准冲突矩阵进行再次统计分析是有意义 的。

2.2 单 目标冲突问题快速求解策略所谓单 目标冲突问题是指试 图基 于 TRIZ冲突矩阵实现产品创新设计，而工程师明确-个或者若干个独立的期望改善的设计 目标 ，却对此引发的产品的其他性能、参数的影响尚不明确，因此难以准确描述冲突双方的情况。

标准冲突解决需要指定冲突双方参数 ，用改善的参数确定矩阵的行 ，用避免恶化的参数确定矩阵的列 ，行列交集处 是可能解决问题 的发 明原理.单目标冲突意味着只知道行数值(明确期望改善的参数)或者仅 仅知 道列值 (明确期望 避免恶 化 的参数)，而不知道冲突的另外-方.仔细分析冲突矩阵表，可发现表中任意-行都是与某-参数期望改善时所涉及的发明原理 ；每-列都是避免某-参数恶化所涉及的发明原理.那么在某-行频繁出现的发明原理-定是能够解决该参数改善时使用 比较多的发明原理 ；同样 ，那么在某-列频繁出现的发明原理-定是能够解决该参数避免恶化时使用 比较多的发明原理。

因此对于单 目标冲突创新设计可 以按照如下策略搜索可能解决问题的发明原理 ：(1)将具体设计 目标转化为期望改善某-个通用工程参数 ；(2)统计 冲突矩 阵中对 应行的每-个矩 阵元素 ，获取该行 4O个发明原理出现的相应频次；表 2给出了每-个期望改善 的设计 目标对应的 4O个发明原理使用频次。

根据统计结果对照冲突矩阵可以看 出，与某-参数相关的发明原理出现频次越高，说明解决与该参数相关的创新设计问题时，对应的发明原理达成目的的可能性就越高 ，该原理就是创新设计优先采用的发明原理7 。

2.3 基 于聚类算法的单 目标冲突快速求解按照前述非标准冲突快速求解策略，可 以得出按照频次排序的 4O个发明原理统计结果表.用户可以按照频次高低依次尝试使用.但是相比于 比较习惯的冲突矩阵中推荐的 4个左右发明原理 ，使用起来仍感不便。

本文引入聚类分析方法，将前述搜索策略得到的每-个期望改善的参数所涉及的 4O个发明原理的使用频次依其 自然分布特性进行聚类划分.并将结果存人数据库.其 中单 目标改善设计发明原理推荐表的主要字段为参数编号”、优先应用创新原理”、较多应用创新原理”、推荐应用创新原理”、竺 -～罢 -～蠢第 3期 杨 帆等：基于 TRIZ冲突矩阵的单 目标问题快速求解方法研究 ·l43 ·可以应用创新原理”4大类.表 3是 39个工程 参数单个 目标参数期望改善时的符合思考习惯的推荐使用发明原理结果。

表 3 单 目标改善设计发明原理推荐表根据单 目标改善设计发 明原理推荐表提供 的信息 ，设计人员面对实际问题 时，若能根据实 际问题特点给出期望改善参数的通用工程参数描述 ，则可查找数据库 中单 目标改善设计发明原理推荐表，迅速获取表中推荐的优先应用创新原理，如果优先推荐发 明原理尚不能解决 问题 ，则依次尝试表中推荐的较多应用发 明原理、推荐应用发明原理中的每- 个发 明原理 ，直到问题最终得 以解决.以下是基于 TRIZ冲突矩阵的单 目标问题快 速求解设计 流程 ，如 图 3所 示 。

3 案例分析早期的飞机机翼都是平 直的 ，但 由于其 翼端宽 ，会给飞机带来阻力 ，严重地影响了飞机 的 飞行速度.尤其是进入喷气式时代的高速飞行状态下，激波”现象使机翼表面的空气压力发生变化，飞机阻力骤然剧增，形成所谓 的音 障”.为 了突破 音障”，研制新型机翼成为解决问题的办法.德 国人发现，把机翼做成 向后掠 的形式 ，可 以延迟激波”的产生 ，缓和飞机接近音速时的不稳定现象.但是 ，向l 兰 I图 3 单 目标问题快速求解设计流程后掠的机翼相比于平直机翼，在同样 的条件下产生的升力小 ，这对飞机 的起飞 、着陆和巡航都带来 了不利的影 响，浪费了很多燃料。

能否设计-种适应各种飞行速度 ，具有快慢兼顾特点的机翼 呢这成为 当时航空界面临的最大课题.本文借助机翼发展史中的变革 ，应用本文提出的解决方案 ，验证其可行性。

如果使用标准技术冲突来分析该问题 ，必须准确提炼面临问题及其对应 的 2个 冲突参数.2个参数 中的任意-个抽象不准确 ，TRIZ冲突矩阵给出的发明原理可能会暗示完全不 同的设计方向。

但是将技术需求 中强烈期望改善 的某-指标相对准确地映射到 39个通用工程参数中的某-个还是比较容易实现.对于前述问题进行分析 ，可 以发现，实际上-种能够广泛适应于不同飞行 阶段的机翼设计是解决 问题的关键 ，即期望机翼 设计 的适用性及多用性”性能得到改善 ，对应通用 程参数 35(适用性及多用性)。

按 照本文给出的改善参数使用发明原理聚类分析结果 ，查找优先使 用发明原理结果 如表 4所示 。

表 4 改善参数涉及发明原理聚类结果推荐程度 发明原理编号优 先 应 用 l，l5，35较 多应用 13，1 6，29推荐应用 2，3，6，8，1o，13，1 9，28，37可 以应用 4，5，7，11，l4，1 7，18，20，22，24，26，27，30～32，34从表 4中可以看出，根据矩阵中与期望改善参数 35相关的所有 的冲突中(-定涵盖我们尚不知· l44 · 陕西科技大学学报 第31卷道的冲突的另外-方 ，即恶化参数)，按照发明原理的使用频次，1、15、35号发 明原理 遥遥 领先 ，成为优先使用的发明原理。

其中原理 15(动 态化).动态化原理包括 以下几个方面的主要方法 ：(1)调整或者 自动调整物体 ，使其在各阶段 、各动作的性能最佳 ；(2)将物体分割为既可变化又可 以相互配合的数个组成部分 ；(3)使不动的物体可动或可 自适应 ；(4)动态化应用。

根据原理 15动态性给出的启示 ，将飞机的机翼做成活动部件.起 飞和降落过程中使用平直翼 ，在低速飞行 中可得到较大的升力 ，从而缩短跑道的长度，借此节约了能量；而高速飞行过程使用三角翼可以轻易地突破音障，减轻机翼的受力，提高飞机在高速飞行强度 ，也降低了能量的消耗。

世界上第-架应用变后掠翼战斗轰炸机 F111正是基于这种设计思想设计成功的.战斗机处在起飞阶段 ，机翼呈平直状，获得较大的升力 ，良好的低速特性.在云层之上高速飞行 ，两翼后掠减小阻力 ，从而减小 了能耗，延迟激波”的产生 ，缓和飞机接近音速时的不稳定现象 ，使飞机能够达到更高的速度.该飞机可在不 同的速度 之下采用不 同的后 掠角 ，以适应当前的飞行速度.是创新设计 的典型案例.图 4是 低速 飞行 和高 速飞行 F11l的机翼 形状 。

≥图 4 变后掠翼战机不同动作机翼形状为了验证本文提出方法的正确性，现在借助标准 TRIZ冲突矩阵应用再来 寻找解决 问题 的发 明原理.前述问题抽象的 TRIZ标准冲突参数是速度提高和运动物体能耗增加之间的矛盾.查找冲突矩阵表，得到的发明原理如图 5所示。

TRIZ螺 ⅢⅡ RI薪 匣理 TRIZ二 图 5 冲突矩 阵查找 结 果标准 TRIZ冲突矩阵应用结果给 出的可能解决问题的发明原理 为 8、15、35、38.而最后实 际采用的也恰恰是 15号发明原理.两种方法惊人的相似，甚至是不谋而合。

这表明，两种方法获取的优先使用的发明原理具有共同之处 ，实际可用 的发 明原理 几乎完全相同.因此本文提出的快速求解方法是可行 的。

4 结束语本文对 TRIZ冲突矩阵进行深入剖析 ，提出冲突矩阵表统计分析的实用意义.针对工程设计领域常见的单 目标设计问题 ，给出了基于 TRIZ冲突矩阵的创新设计流程 ，并通过实例说明该方法的有效性.实际应用情况表 明，本文提供 的快速创新求解方法可 以有效帮助设计人员解决产品设计 中的冲突问题 ，加速产品创新设计 过程，可以在 实际中发挥重要作用。

但是 TRIZ冲突矩 阵应用 的关键还是在 于应用冲突矩阵前如何科学 的将实际问题转化为通用工程参数描述的 TRIZ问题 ，以及通过冲突矩 阵获取推荐的发明原理后 ，如何有 效、快速产生可行解而非概念解.这个 问题也恰恰是本文下-阶段研究的内容。