创新思维拓展方面的比较

2.1.1 TRIZ理论的思维方法

TRIZ理论的创新思维方法包括：系统思维的多屏幕法、尺寸−时间−成本分析法（STC算子法）、资源−时间−成本分析法（RTC算子法）、金鱼法和小矮人法等。

1. 多屏幕法

从两个维度进行发散思维：

① 从构成层面发散，考虑了当前系统、超系统及其子系统。

② 从时间层面发散，将其分为过去、现在和将来三种状态。这种方法的实施流程如图2 − 1（a）所示，即按照时间与构成两个不同的维度对现有问题的技术系统进行全面分析与思考，从而找到解决的思路，可参考图2 − 1（b）中1～9的顺序填写各屏幕格。图2 − 1（c）中给出了求解螺栓连接易松问题扩展思维的实例。

图2 − 1 多屏幕法实施流程与实例

实例分析：如图2 − 1（c）所示，为了解决螺栓易松问题，先从螺栓系统本身考虑，即从螺栓系统本身寻求易松的原因和解决方法。接着考虑子系统和超系统，子系统：螺母、螺栓、垫片等，如改变螺母、螺栓、垫片的接触面结构，增大摩擦；超系统：整个连接系统，如从整个连接系统中找易松的原因和解决办法。再考虑系统的过去和未来，过去：焊接、胶合等，如能否更换不可拆连接；未来：防松系统，如在螺栓连接的基础上加装防松装置来防松。最后考虑子系统与超系统的过去和未来。子系统的过去：螺栓材料，改用摩擦系数大的材料；子系统的未来：复合结构的螺栓等，如采用复合结构（或材料）的螺栓，能够自动结合锁紧；超系统的过去：无连接系统，能够设计成一个整体；超系统的未来：自结合、自防松系统，设计具有自结合、自防松的智能模块组件。

2. STC算子法（尺寸Size/资源Resource −时间Time −成本Cost分析法）

该方法是从三个不同的维度对技术系统进行从零到无穷大的发散思考。RTC算子法就是将STC中的尺寸换成资源（Resource）。STC法的实施流程如图2 − 2（a）所示，图2 − 2（b）给出了应用实例。

图2 − 2 STC法求解流程与实例

实例分析：如图2 − 2（b）所示，采用STC分析法对文具盒创新思维时，将沿尺寸、时间、成本三个轴的正向和反向进行创新思维。沿尺寸/资源轴，在大尺寸和多资源情况下，可以在文具盒内设置多分区、多功能的多用途文具盒；而在小尺寸和少资源的情况下，可以设计成可拆卸的，可折叠的，针对单一笔型的折叠文具盒。沿时间轴，在长时间制造情况下，可以设计成手工打造的高端文具盒，如复杂功能、高精度等；而在短时间制造情况下，可以简化结构，选用易加工材料的简易文具盒。沿成本轴，在增加成本的情况下，可以设计成高精度、多功能、智能化的智能文具盒；而在节省成本的情况下，可以设计成单一功能、选用回收材料的绿色文具盒。

3. 金鱼法

利用金鱼法求解问题，首先将问题分解成现实部分和不现实部分，利用系统资源，找出可以将幻想部分变成现实的条件。它是一个反复迭代的分解过程。如图2 − 3（a）所示，金鱼法是反复迭代区分现实与幻想两部分，并集中求解幻想部分的问题，其中幻想方案求解可以结合多屏幕法获得可利用的资源。图2 − 3（b）给出了应用实例。

图2 − 3 金鱼法解决流程与实例

金鱼法还有一个思路是：针对问题产生很多思路，将这些思路区分为现实方案与不现实方案，而后集中对不现实方案进行求解，从而获得更多的解决方案。

实例分析：想设计一款多功能笔，要实现写字（可更改笔芯）、拧螺丝、量体温、放大镜的功能。利用头脑风暴法设计了表2 − 1所示的多种方案。

表2 − 1 多功能笔的创意方案

对上表的创意进行评估，方案1、4～7五种为现实方案，而方案2和3是幻想方案。根据小金鱼法，对于幻想方案，设法利用资源将其转换成现实方案。

如对于方案2，通过一种材料实现变色书写、温度计、螺丝刀、放大镜的功能，这样若一种纯粹的材料很难实现，可以查看其子系统，每种功能用一种材料实现，或者几个功能由一种材料实现，这几种材料复合在一起再形成复合材料，而一种材料实现上述一个功能或几个功能在现有的科技条件下是可以实现的，这样就将幻想方案转换成现实方案。

4. 小矮人法

小矮人法是将系统功能、部件用不同的小矮人来替代，通过对小矮人群的重组、位置改变、功能改变等来实现创新的解决方案。其应用步骤如图2 − 4所示。

实例分析：

① 对于房门缓冲器的改进设计，现有通常的房门缓冲器由摇杆1、摇杆2、液压缓冲阀和门框组成，如图2 − 5（a）所示。在实际使用中，由于摇杆1和摇杆2突出，这种机构所占空间比较大，而且有时会带来安全问题。那么如何解决这个问题呢？在这个问题中，主要是由于摇杆1突出，从而占据了外空间，故将摇杆1及与之连接的门框用小矮人来表示，其机构简图及小矮人模型图如图2 − 5（b）所示。根据小矮人法，改进小矮人2的结构形式及小矮人2和小矮人1的连接方式（转动改为滑动）。改进后的小矮人模型及其对应的机构简图如图2 − 5（c）所示，进而由机构简图构建改进后的机构实物图，如图2 − 5（d）所示。从新的机构实物图看到，房门缓冲器改进后，没有明显的突出部分，减少了所占空间，消除了容易被碰撞的安全隐患。

图2 − 4 小矮人法求解流程

图2 − 5 房门缓冲器

（a）原来结构图；（b）机构简图及小矮人构造图；（c）小矮人重构图；（d）改进结构图

② 日常生活中的椅子如图 2 − 6（a）所示，其移动不便。采用小矮人法分析这个问题，将椅子的腿用小矮人表示，如图2 − 6（b）所示。而后改变小矮人的形状，将椅腿小矮人弯曲起来，改进后的小矮人模型如图2 − 6（c）所示。根据这个提示，在椅子腿上安装小滚轮，如图2 − 6（d）所示，这样就可以使椅子方便移动了。

图2 − 6 可移动椅子创意的小矮人法实施过程

（a）椅子原结构；（b）原结构的小矮人模型；（c）改进后的小矮人模型；（d）改进后的椅子结构

5. 理想度评价与最终理解方法

TRIZ理论中，技术系统的理想化水平与有用功能之和成正比，与有害功能之和成反比。其定义为：

式中，∑UF表示有用功能之和；∑HF表示有害功能之和；∑C表示成本。

理想度可以对创新思维方案、技术系统解决方案进行评价，最后选择理想度高的方案（理想解）进行实施。要提高创新思维方案和技术系统解决方案的理想度，可以根据式（2 − 1）增加有用功能或减少有害功能；也可以对方案的各个方面进行各层次分析，进而获得理想解。

对于技术问题，主要从涉及的技术系统、过程、资源、实施方法、所需材料、加工手段等方面进行理想化思考，理想化程度可以用最理想、理想、次理想来描述，这样构建的技术的最终理想解思路如图2 − 7所示，即根据此表格填写技术系统、过程、资源、实施方法、所需材料、加工手段这几个方面的各种理想层次的解决方案，而后进行综合，最终获得系统的理想解。

图2 − 7 理想度评估的实施流程

实例分析：现有的液压缸往往存在漏油、安装空间（基坑）大的不足，设计一种更节省空间的纯机械的举升装置是大家所希望的。下面采用理想度评价的方法进行举升装置改进设计的思路拓展。

首先对举升装置的技术系统、过程、资源、实施方法、所需材料、加工手段这几个方面的各种理想层次的解决方案列表，见表2 − 2。

表2 − 2 举升装置的理想度评估

根据表2 − 2的分析，可以得到理想的少基坑举升机构改进方案：

① 采用简单可靠的机械系统，设计一种能够刚柔转换的链条举升，即刚性链。

② 举升过程为：水平放置的链条呈柔性，可以双向弯折。当在链轮驱动下经过一个刚柔转换装置时，链节间被滑动销锁紧，链条呈刚性，双向均不能弯折，能够承受垂直方向的载荷。

③ 采用常用机构组成技术系统，降低技术系统的复杂性。

④ 采用大部分自动化制造的加工方法。

⑤ 采用绿色的工程材料。

根据此改进方案获得的新型刚性链如图2 − 8所示。其工作过程为：刚性链的内外链板开有槽，内链板槽内设置有滑动销。各链节处于水平状态时，如图2 − 8（a）所示，滑动销处于上限位，连接间是可以相互活动的，如图2 − 8（b）所示；而当链节在链轮的驱动下经过转换装置后，如图2 − 8（c）所示，滑动销处于下限位，链节之间被锁死，因而不能相互转动，能够承受载荷。从图中看到，刚性链可以实现刚柔转换，故能节省存储空间，是一种浅基坑的举升装置。

图2 − 8 刚性链结构图

（a）链条柔性状态；（b）链条弯曲状态；（c）链条刚性状态

1—外链板；2—传动销轴；3—内链板；4—滑动销；5—导向销轴；6—滑孔；7—缺口

根据理想度公式，问题的最终理想解（Ideal Final Result，IFR）是有用功能无穷大，有害功能和成本无穷小的系统。在利用最终理想解求解问题时，其思路是先建立理想解，而后找到实现理想解的障碍，接着找克服障碍的方法，最后寻求资源与其他领域的经验支持，建立起解决方案，其流程和实例分别如图2 − 9（a）、（b）所示。

图2 − 9 最终理想解求解流程与实例

综上所述，TRIZ创新思维工具的综合应用流程如图2 − 10所示。针对待求的实际问题，先建立最终理想解（即有用功能无穷大，有害功能和成本无穷小），而后分析最终理想解，找出不现实部分，采用金鱼法将不现实部分变为现实部分。在用金鱼法时，可以利用多屏幕法、STC 算子法寻求资源。如果金鱼法无法求解，就利用小矮人法进行变换分析，获得待求问题的解决方案，并用理想度评价该方案是否满足要求。

图2 − 10 TRIZ创新思维工具综合应用流程

2.1.2 可拓学中的思维方法

可拓学中的创新思维方式有：菱形思维模式、逆向思维模式、共轭思维模式、传导思维模式。

1. 菱形思维模式

菱形思维模式是一种先发散、后收敛的思维方式，它包括发散性思维和收敛性思维两个阶段。菱形思维模式不但符合产品创新设计的“发散—收敛—再发散—再收敛……”迭代设计过程，而且清楚地描述了设计创新思维的过程。

用物元表示的一级菱形思维模型，见式（2 − 2）。

式中，−|表示发散；|−表示收敛。

菱形思维模式中的发散方法包括发散树方法、相关网方法、蕴含系方法、分合链方法。用得较多的是发散树方法。

① 目的物元发散法。

R|{R 1,R2,⋅⋅⋅,Rn}　 （2 − 3）

式中，R表示目的物元；“|”表示可拓；“R1 ,R2 ,⋅⋅⋅,Rn”表示由R进行第一次拓展所获得的n个物元。

② 条件物元发散法。

r|{r 1,r2,⋅⋅⋅,rn}　 （2 − 4）

表示由条件物元r开拓获得的n个条件物元r1 ,r2 ,⋅⋅⋅,rn。

③ 目的物元和条件物元同时发散法。

R|{R 1 ,R2 ,⋅⋅⋅,Rn}且r|　{r1 ,r2 ,⋅⋅⋅,rn} 　 （2 − 5）

应用菱形思维获得产品的设计方案一般按照以下四个步骤实施：

① 明确应用发散思维模式解决产品设计问题的目的和限制条件。

② 为待发散的对象建立基元模型，为下一步发散方法的展开做好准备。

③ 从待发散对象的拓展性出发，应用上述三个菱形发散思路朝着目标方向进行思维发散。

④ 利用限制条件对发散的结果进行收敛和控制，得到科学、合理的思考结果。如果得到的结果不理想，则需要继续对结果进行发散和收敛，构成一个多级菱形思维模式。整个应用流程如图2 − 11所示。

图2 − 11 菱形思维的应用流程

实例分析：在机械运动方案设计中就会经常用到菱形思维，如设计四工位专用机床，如图 2 − 12（a）所示。传动链时，对各传动模块建立物元模型（共四个传动模块，建立四个传动物元模型），进行菱形思维，如下所示。

①对“减速1”物元进行发散思维，由式（2 − 2），有如下的发散思维方案。

|−(减速1,减速方式,摆线针轮传动) ∨ (减速1,减速方式,带传动)

② 对“减速2”物元进行发散思维，由式（2 − 2），有如下的发散思维方案。

|−(减速2,减速方式,链传动) ∨ (减速2,减速方式,行星传动)

③ 对“工作台间歇转动”物元进行发散思维，由式（2 − 2），有如下的发散思维方案。

| −(工作台间歇转动,传动方式,槽轮机构) ∨ (工作台间歇转动,传动方式,不完全齿轮机构)

④ 对“主轴箱移动”物元进行发散思维，由式（2 − 2），有如下的发散思维方案。

|−(主轴箱移动,传动方式,移动推杆圆柱凸轮机构)∨(主轴箱移动,传动方式,摆动推杆盘形凸轮机构与摆杆滑块机构)

从上面的分析看到，对四个传动物元模型进行菱形思维。对于“减速1”，根据减速方式发散为带传动、链传动、蜗杆传动、齿轮传动、摆线针轮传动，收敛为摆线针轮传动或带传动。对于“减速2”，由减速方式发散为带传动、链传动、蜗杆传动、齿轮传动、行星传动，收敛为链传动或行星传动。对于“工作间隙转动”，根据传动方式发散为：圆柱凸轮间隙机构、蜗杆凸轮间隙机构、曲柄摇杆棘轮机构、不完全齿轮机构、槽轮机构，收敛为槽轮机构或不完全齿轮机构。对于“主轴箱移动”，由传动方式发散为移动推杆圆柱凸轮机构、移动推杆盘形凸轮机构、摆动推杆盘形凸轮机构与摆杆滑块机构、曲柄滑块机构、六杆（带滑块）机构，收敛为移动推杆圆柱凸轮机构、摆动推杆盘形凸轮机构与摆杆滑块机构。将上述菱形思维收敛的结果组合起来，就可获得两种较优的传动方案，如图2 − 12（b）所示。

图2 − 12 四工位专用机床

2. 逆向思维模式

可拓学逆向思维模式是采用形式化方法描述了如何利用反物元和非物元从常规思维的反方向去思考问题的思维方式。如设物元模型=R (M,c,v)，给予特征c的对立量值或非量值，就可以得到物元R的逆物元R′=(M′,c,v′)，用模型描述，见式（2− 6）。

R′=R− 1 　 （2 − 6）

利用逆物元、逆事元、逆变换、逆蕴含这四种逆向思维模式可以产生不同凡响的构思和新颖的思路。一般可按照以下流程应用逆向思维获得设计方案：

① 明确要解决的设计问题的目的和限制条件。

② 建立待设计问题的基元模型。

③ 从逆物元、逆事元、逆变换、逆蕴含的角度分析基元模型，寻求设计问题的新思路。

④ 对得到的方案进行评价筛选。

具体流程如图2 − 13所示。

实例分析：传统的直流发电动机有定子（磁铁）和转子，转子（线圈）转动，而定子固定不动，转子是通过电刷向外输电，如图2 − 14（a）所示，转子的高速转动容易导致电刷磨损。可以通过逆向思维模式求解这个问题，建立如下所示的发电机转子和定子的物元模型。

R 1=（转子，转动，3000r/min）

R 2=（定子，转动，0r/min）

图2 − 13 逆向思维模式的应用流程

图2 − 14 发电机的逆向思维

利用逆物元方法，将转子和定子的特性相互置换，即让转子不转动（变为定子），让定子转动起来（变为转子）。由式（2 − 6），逆向思维后的物元模型如下所示。这样就得到磁铁转动、线圈不动的发电机，设计思路如图2 − 14（b）所示。

同样，也可以只将一个物元逆向，如只改变定子状态，使其转动起来，设计出“双转动发电机”（我国发明家苏卫星于1994年发明了“两向旋转发电机”），发电效率高4倍。另外，机加工设备中也有体现逆向思维的例子，如车床是主轴带动工件旋转，刀具做进给运动；而铣床就相反，主轴带动刀具旋转，工件做进给运动。还有拖拉机与推土机也是相互逆向的思维例子。

3. 共轭思维模式

共轭思维模式是可拓学特有的一种思维模式，它依据的是物的共轭分析原理（包括虚实共轭分析、软硬共轭分析、潜显共轭分析、负正共轭分析）和共轭推理原理。应用这种思维模式可以使我们更全面地了解物的内部结构，分析其优缺点，并根据共轭部在一定条件下的互相转化性，有针对性地采取相应措施去达到预定的目标。共轭思维的基本模式可以用模型表述，见式（2 − 7）。

式中，re(Rm)为物元Rm的实部；im(Rm)是虚部；hr(Rm)是硬部；sf(Rm)是软部；ap(Rm)是显部；lt(Rm)是潜部；psc(Rm)是正部；ngc(Rm)是负部；⊕表示组合。有的文献（如参考文献［2］、［3］）中还增加了中介部，如虚实中介部midre-im(Rm)、软硬中介部midsf-hr(Rm)、潜显中介部midlt-ap(Rm)、负正中介部midng-ps(Rm)。

物元的共轭部划分有其相对性，例如摩擦在传动系统中是负部，却在自锁系统中变成了正部。共轭部之间的相互转化就是通常所说的“变废为宝”“变弊为利”等。共轭思维模式分析创新设计问题一般按照以下五个步骤展开，如图2 − 15所示。

①明确要解决的设计问题的目的和限制条件。

②建立待设计问题的基元模型。

③利用虚实、软硬、潜显、负正共轭分析方法分析设计问题系统的共轭部。

④ 在共轭分析的基础上，利用共轭变换方法对需要变换的共轭部进行共轭变换。

⑤ 对用共轭思维得到的多个方案进行筛选。

实例分析：对于一辆报废的汽车，通过共轭思维模式分析，报废汽车的潜显部模型如下式所示。报废汽车给人显现的印象是没有什么价值，但其潜在价值是部分零件可用，而且很多材料也可以回收利用，因而可以通过绿色再制造使可用的零件变为新产品重新利用，从而使报废汽车的价值得到提升。

图2 − 15 共轭思维的应用流程

4. 传导思维模式

可拓学理论指出：“所谓传导变换，是在对某一对象实施某一变换后而导致的另一对象所发生的变换，传导效应是传导变换所产生的效应。”在解决矛盾问题时，有时实施某一变换不能直接解决矛盾，但由此产生的传导变换却可以使矛盾问题得到解决，这种利用传导变换解决矛盾问题的思维模式称为传导思维模式。其形式化描述为：设某对象为Rm（Rm可以是基元、论域或关联准则），ϕ变换无法解决待求问题，若对象Rm与Rn相似，则可寻找变换Tϕ，以使相似对象Rn经过变换后获得原待求问题相近的解决方案，进而使待求问题得到解决，见式（2 − 8）。

传导思维模式的实质是通过间接变换（非直接的变换）获得解决方案。利用传导思维模式解决创新设计问题，一般按照以下四个步骤实施：

① 对于直接变换无法解决的待求矛盾问题，对其创新元核问题的目标元实施蕴含分析，对条件元实施相关分析，目的是在核问题范畴之外寻求可能解决矛盾冲突的新创新元。

③ 对找到的新创新元实施可拓变换。

④ 实施上述可拓变换后，引起创新元核问题的传导变换，进而得到待求矛盾问题的解决方案。

⑤ 对得到的解决矛盾问题的创新方案进行评价，如果解决了矛盾且符合限制条件，则作为最后的创新方案；如果没有解决矛盾或不符合其他限制条件，则需返回到初始位置重新进行传导变换。如图2 − 16所示。

图2 − 16 传导思维的应用流程

实例分析：为了解决一台高速切削机床对附近精密加工中心产生振动影响的问题，采用变换“ϕ= （隔振）”无法解决问题时，可以考虑对高速切削机床本身振动源进行分析（如是否存在高速转动盘是否偏心，是否有零件出现较大误差导致振动等），即采用对切削机床内部的变换“Tϕ= 消（ 除 动振 因素）”，进而达到减少对精密加工中心的影响的目的。

2.1.3 TRIZ思维方法与可拓学思维方法的比较分析

从上面两种理论的各模式思维方法的分析及实例中看出，TRIZ理论的思维方法很具体，可以直接当作工具使用，可操作性极强。但也存在分析过程发散不好掌控的问题，如分析对象的过去、未来、子系统、超系统扩散的路径不同，会出现不易得到收敛结果的情况。

可拓学思维方法的本质是基于可拓基元（包括物元、事元、关系元）模型进行思维的发散与收敛，因而只要抓住基元模型，进而就物元、事元、关系元进行菱形、逆向、共轭、传导思维即可。但有些可拓思维方法比较抽象难懂，如共轭思维模式，一般人很难清楚虚实共轭、软硬共轭、潜显共轭等。同时也存在掌控性的问题，一是基元模型不易建立，二是发散路径也需要一定经验。

对比TRIZ理论和可拓学的思维，二者有类似之处：

① 二者基本上从两个方面进行发散思维：多维度和变换。多屏幕法、STC（RTC）法、理想解方法、菱形思维、共轭思维按照各个维度的思路进行发散思维；而金鱼法、小矮人法、逆向思维、传导思维按照变换的思路进行发散思维，汇总见表 2 − 3。对于思维的多维度发散，多屏幕法、STC （RTC）法与菱形思维、共轭思维相似，都是多角度、多维度扩散思维。多屏幕法是从时间和系统构成两个维度进行创新思维发散，STC法是从尺寸、时间、成本三个维度进行发散思维，菱形思维模式是由物元的特征、条件等进行发散思维，共轭思维模式是从事物共轭的两面进行发散思维，寻求资源。对于变换，金鱼法、小矮人法与逆向思维模式、传导思维模式有些相似。金鱼法是对发散的思维结果进行分类，再对其中不能实现的思维方案进行变换寻求解决方案；小矮人法是通过改变系统的部分功能达到创新解决的目的；逆向思维是通过逆向改变物元的特征达到创新解决的目的；传导思维是通过对物元实施系列传导变换促进创新方案的生成。

表2 − 3 两类创新思维方法集的重分类

② 二者都有明显的收敛准则，TRIZ理论用理想度进行评价思维方案，而可拓学利用优度评价。

TRIZ思维方法与可拓学思维方法的区别表现在：

① 二者的出现背景不同，导致使用环境有差异。可拓学与数学有密切的联系，可以明显形式化地描述，因而对用于策略生成有明显优势，而且容易用计算机实现其中的策略生成算法；而TRIZ理论植根于发明专利的分析，故只有一部分能被形式化描述，但在指导技术创新方面具有独特优势。

② TRIZ 创新思维相对比较具体，容易操作，而可拓学思维工具相对比较复杂抽象，不易实施。如TRIZ创新思维方法在发散维度上是确定的（有限的几个），即沿着指定的维度进行发散思维；而可拓学创新思维工具的发散维度不确定（比较多，无从下手），有可能是对特征取值进行发散，有可能是相关方面发散，或在蕴含系上进行发散，等等。

③ 可拓学思维方法依据的思维维度比较不固定、宽泛，如特征发散、蕴含发散、可扩发散等，缺乏TRIZ思维方法的时间、构成、尺度、成本等相对固定有条理的思维方向。但可拓学的思维方法相对广泛一些，涵盖了现有的大部分创新思维方法；而TRIZ理论思维方法对现有创新思维包含有限，创新思维易受局限。

④ TRIZ 能从技术系统的过去、未来的形式中寻找资源，而可拓学没有明确的物元过去与未来之说。可拓学思维方法有共轭思想，而TRIZ思维工具中没有体现这一思想。

同时，从入门者的角度分析TRIZ理论与可拓学使用的难易程度，见表2 − 4，其中从难到易程度分为5级：很难、难、一般、易、很容易。

表2 − 4 TRIZ理论与可拓学中创新思维工具的使用难易程度比较

续表

总体上，TRIZ理论的创新思维工具较具体，容易操作；可拓学工具的共轭与传导思维工具比较难操作。但存在的共同问题是，面对一个创新思维问题，具体选择什么方法比较容易获得理想的方案集，或者什么情况下选择哪种方法，没有具体的准则，都需要领域经验的支撑。