求解工具与可拓求解方法的融合研究

在第2章的比较分析中得到，TRIZ理论的问题求解工具（方法），包括技术进化工具、矛盾矩阵工具、物质−场分析工具、科学效应库工具等与可拓学的问题求解方法（工具），包括拓展分析方法、共轭分析方法、可拓变换方法、可拓集方法、优度评价方法、矛盾问题求解方法等在求解创新问题方面存在异同点。为了有效利用这两大类问题求解方法的优势，需要建立它们之间的融合机制，初步拟定的融合机制如图3−10所示。

1. 并列使用时的创新求解方法选择机制

将TRIZ理论的问题求解方法与可拓学的问题求解方法放在一个创新问题求解工具集合中，在处理实际创新问题求解时并列（并行）使用这些方法，需要解决如何选择这些问题求解工具的问题，故有必要建立选择机制。

从前面的比较分析中看到，TRIZ理论与可拓学在问题求解方面基本上归结为两类：拓展和变换。在工程实践中，分清拓展和变换要比选用TRIZ或可拓学相对容易，根据此分类思路，并列使用各创新问题求解方法时，先确定是按照拓展进行问题求解还是采用变换的方法进行问题求解，而后在这两个方向对应的问题求解方法中选择具体的问题求解方法，如图3−11所示。

图3−10 TRIZ的问题求解方法与可拓学的问题求解方法的融合机制

图3−11 TRIZ与可拓求解方法并列使用时的选择机制

1） 采用拓展思路求解。这些方法中主要分析从什么角度去拓展，或给出具体的拓展策略（如进化模式），如果简单问题，可以选择技术进化工具拓展问题；如果问题比较复杂，可以选择科学效应库工具，查找科学效应求解；如果能找到“物、特征、特征值”，选择拓展分析方法；而当能找到事物的“共轭对”时，选择共轭分析方法。

2） 采用变换思路求解。这些方法中主要给出如何变换，或给出具体的变换策略（如增减、置换等），如果是简单变换，可以应用可拓变换方法；如果是需要考虑到集合的变换，可以选择可拓集方法；如果容易找到问题的矛盾双方，可以利用矛盾求解工具；如果问题比较复杂、无头绪，试试物质−场分析工具。

至于在什么情况下选择拓展求解或变换求解，初步制定一个选择规则：优先选择拓展求解方法，当拓展求解方法很难获得问题的解决方案时（或需要更多创新问题求解方案时），选择变换求解方法。若在某个方向集合中存在多个方法，按照难易程度（根据学习者的自身经验确定）进行选择。根据这些规则，则基于并列使用的基本流程如图3−12所示。如对转轴的密封圈进行创新设计时，发现密封圈设计中面临的问题是密封圈对轴的压力既大又小的矛盾，压力过大，会使轴受到的摩擦阻力变大，压力过小，密封不严。对于这个问题可以明显看到物理矛盾，可以选用TRIZ理论的矛盾矩阵工具进行求解。

图3−12 TRIZ与可拓求解方法并列使用时的应用流程

实例分析：图 3−13（a）所示的吊钩螺纹连接结构，拆装不方便，试进行改善设计。

对于此问题，是面临着技术冲突：要节省装配时间，就可能恶化结构的安全性，描述成标准参数为：时间的浪费（26）与安全性（37），可查询参考文献［1］中的冲突矩阵表2−3，推荐的发明原理为：2（抽取）、28（机械系统替代）、26（复制）、9（预先反作用）、25（自服务）、13（反向作用）、24（中介物）、15（动态化）、46（利用对抗平衡）、71（部分、局部弱化有害影响）、77（避开危险的作用）。结合复制、动态化、部分（局部）弱化有害影响、利用对抗平衡等发明原理，提出利用弹性零件的弹性变形卡扣结构来实现快速装拆，如图3−13（b）、（c）、（d）所示的结构。

图3−13 吊钩结构改进

2. 交叉使用时的问题求解工具选择机制

对复杂创新问题求解，需要用到多种方法，即对于一个创新问题，会用到TRIZ的求解工具和可拓学的求解方法，也就是交叉使用两者的创新求解工具进行复杂问题求解。在交叉使用创新问题求解工具进行问题求解时，面临着创新问题求解工具使用次序的问题，需要建立创新问题求解的选择与次序抉择机制。

与两类创新思维方法交叉使用选择次序类似，针对TRIZ理论与可拓学选择次序分析，也初步分为三种：一是TRIZ在前，可拓学在后；二是可拓学在前，TRIZ在后；三是同时选择TRIZ与可拓学的一种方法，再合成。当确定先后次序后，面临着在创新问题求解工具中（TRIZ 或可拓学创新问题求解工具中）选择哪一种工具的问题，是按照拓展求解还是变换求解的思路来选择。根据这个思路构建的交叉使用时的创新问题求解工具选择机制如图3−14所示。

图3−14 TRIZ与可拓求解方法交叉使用时的选择机制

关于问题求解工具选择 TRIZ 理论与可拓学先后次序的规则具体说明如下：

1） TRIZ在前、可拓在后。这个次序的规则是先选用TRIZ理论的问题求解工具，而后选择可拓学的问题求解方法，对待求解问题进行求解。如果待求解的问题有明显的进化参照思路，可先应用TRIZ的技术进化工具，而后再利用可拓学的拓展分析等进一步拓展解决思路。

2） 可拓在前、TRIZ 在后。这个次序的规则是先选用可拓学的问题求解方法，之后选择TRIZ理论的问题求解工具，对待求解问题进行求解。如果待解决的问题无明显的矛盾描述，可先用可拓学的问题分析方法（如拓展分析、共轭分析、变换分析）对问题进行拓展描述或变换，建立问题的标准描述，而后利用TRIZ的矛盾矩阵工具得到推荐的发明原理，之后根据发明原理进行分析求解。

上述两种次序中，后者是在前者的初步求解结果的基础上再利用自身的求解工具进行问题求解的。

3） 同时选择TRIZ与可拓学方法，再合成。这个次序的规则是在TRIZ理论和可拓学中各选择一种问题求解方法，同时对待解决问题进行求解，而后合成这些解决方案。当待解决问题比较难确定采用何种次序时，可以考虑这种次序。

上面三种交叉方案，初步拟定选择TRIZ在前的方案，因为TRIZ相对容易使用。当选择上述之一的次序后，每类方法还面临着是选择拓展求解还是变换求解的问题，因此，每个次序存在四种选择。而具体到每小类方法后，还有几种具体的问题求解方法供选择，如TRIZ理论中拓展求解方法有技术进化工具、科学效应库工具，变换求解方法有矛盾矩阵工具。从这里看到交叉使用机制中将面临很多选择，有时多达32种，见表3−3。

表3−3 TRIZ与可拓求解方法交叉使用机制的形态学矩阵

上述描述的交叉使用机制可以进一步延伸到多层次交叉使用中，例如，使用了TRIZ的问题求解工具，再使用可拓学的问题求解方法，而后再使用TRIZ理论的问题求解工具，又继续使用可拓学的问题求解方法，直到找到较优的问题解决方案。整个交叉使用机制的应用流程如图3−15所示。如在对实际机械改进或创新设计问题进行分析时，可首先借助可拓学基元的形式化模型，对问题进行描述，通过对问题的一步步细分，找到产生问题的本质根源；其次，将相互矛盾的一组或几组参数转换成相应的标准工程参数；再次，查询矛盾矩阵表，找到对应的发明原理，通过筛选，找到能解决本问题的行之有效的发明原理；最后，依据发明原理与可拓学的可拓变换及传导变换间的关系，找出相应原理所采用的变换方式和应变换的物元对象，结合实际状况和机构的具体布局，得到问题最终的方案解。

实例分析：如图 3−16（a）所示的带轮与轴的连接结构，由于带轮自身很重，并承受很大的载荷，需要改善带轮轴的刚度和增加整体的承载能力。

对于此问题，无法直接找到系统的冲突，可以先建立轴与带轮的连接关系元模型：

图3−15 TRIZ与可拓求解方法交叉使用时的应用流程

从上述关系元中看到，该连接需要改善强度（或运动物体的耐久性、结构稳定性），而随之带来的问题是：物质的浪费或装置的复杂性。这样可以定义不同的矛盾对，查询矛盾矩阵表。这里查询的冲突是：强度（20），物质的浪费（25），查询文献[1]中的矩阵表2−3，得到推荐的发明原理：40 （复合材料）、31（多孔材料）、24（中介物）、35（状态变化）、3（局部特性）、28（机械系统替代）、9（预先反作用）、1（分割）、56（补偿或利用损失）、50（场的取代）、57（减少能量转移阶段）。可以选择中介物、分割的发明原理进行轴与带轮的连接关系的创新设计，得到如图 3−16（b）所示的结构。该结构增加了一个中介物——支持套，带轮通过端盖将转矩传给轴，通过轴承将压力传给支持套，支持套直径较大，而且所承受的弯曲应力是静应力，通过这种结构将弯矩和转矩由不同的零件承担，提高了结构整体的承载能力。

图3−16 带轮支撑结构改进

又如，图3−17所示的是宋守许等建立的基于可拓学与TRIZ相结合的可拆卸结构设计方法（见参考文献［49］），其基本流程为：运用可拓方法建立物元模型，确定创新目标，然后运用 TRIZ 矛盾参数解决矛盾，实现创新设计。

图3−17 基于可拓与TRIZ相结合的可拆卸结构设计流程

3. 相互改进时的问题求解工具选择机制

由于TRIZ理论的问题求解工具与可拓学的问题求解工具各有优缺点，如果相互改进，增强各自的优势，形成一种融合的问题求解方法体系，对创新方法的发展具有重要价值。但由于相互改进研究相对复杂，这里主要对问题求解工具相互改进提出一个思路，为两者相互改进研究提供参考。

与前面的创新思维方法相互改进机制类似，TRIZ理论与可拓学的问题求解工具相互改进也初步分为三种：一是利用可拓学改进TRIZ理论，即对TRIZ理论进行可拓分析，建立更为完善的TRIZ理论；二是利用TRIZ理论改进可拓学，将TRIZ理论融入可拓学中，构建操作性较强的可拓学；三是部分TRIZ、部分可拓，即结合二者的优势方法，或者优势方法的集成。其中第三种思路可能形成新的集成问题求解方法。同时，需要建立TRIZ理论与可拓学中的问题求解工具的动态相互改进规则，以便适应特殊工程实际问题的创新问题求解需求。根据这个思路，建立TRIZ与可拓相互改进的选择机制，如图3−18所示。

图3−18 TRIZ与可拓求解方法相互改进时的选择机制

关于两类创新理论中的问题求解方法相互改进的思路具体说明如下：

1） 利用可拓学改进TRIZ理论，建立完善的TRIZ理论中的问题求解方法。将 TRIZ 理论中不易使用的问题求解方法进行可拓拓展或变换，使TRIZ理论的问题求解方法更易用。

2） 利用TRIZ理论改进可拓学，建立操作性强的可拓学问题求解方法。对可拓学中问题分析方法进行TRIZ拓展或变换，使可拓学的问题分析方法求解更容易。

3） TRIZ理论与可拓学中的问题求解方法有机集成。将TRIZ理论与可拓学中问题求解方法优势方法相互结合，并将不易使用的方法进行改进，建立两者有机集成的问题求解方法。

4） 动态改进方法。在工程实际中根据实际情况进行二者的相互改进，建立一个能够动态相互改进的规则，使问题求解方法能够适应任何待求的创新问题。

将TRIZ理论与可拓学中的问题求解工具相互改进，将形成新的易用可靠的创新求解方法，但其是一个系统的复杂的工程，这里仅对此进行简单探索，见表3−4。

表3−4 TRIZ理论与可拓学中问题求解方法相互改进机制

续表

TRIZ理论与可拓学中相关问题求解方法相互改进，形成新的问题求解方法，将加快实际问题创新求解的速度和准确性，但需要大量深入研究与实践验证，工作量很大，本书的第4～6章将进一步探索TRIZ理论与可拓学的融合。图3−19所示给出了TRIZ理论与可拓学相互改进的应用流程，其中决定选择流向的参数采用难易度（1为较易，2为较难，3为难度大），即利用难易度进行方案选择分流。

图3−19 相互改进时的应用流程

例如，可拓学中的矛盾问题求解方法，需要先分析待求问题，找到核问题，这时可以利用物质−场模型（是由两个物质和一个场三个元素所构成的完全的、最小的技术系统）找到矛盾问题的核心问题。