工程师眼中的TRIZ

制造学习联盟

2019-12-02 10:04:42

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在文章 产品开发遇到技术难题怎么办？别急，搜索一下资料先！中，我提到TRIZ是我的三大兴趣之一。我对TRIZ感兴趣主要是基于两点：

TRIZ的很多理念辅助我思考。例如，TRIZ的其中一个重要理念就是“在这个世界上，99%以上的发明方法和解决方案都不是全新的，基本上都已经存在过，不是在这个行业，就是在另外一个行业”。因此，对我来说，在新产品开发之初碰到新的课题时、产品开发中遇到技术难题时、产品生产过程中出现新的质量问题时，我的第一个动作不是去马上解决问题，而是通过搜索把与“新课题”、“新难题”和“新质量问题”等相关的所有资料全部下载下来浏览一遍，自己的问题就自然解决。
TRIZ是进行创新的一个非常重要的工具。相对于传统的创新方法例如头脑风暴法等，TRIZ更有逻辑性，更容易进行创新。

1.TRIZ理论简介

TRIZ的含义是发明问题解决理论，是基于知识的、面向设计者创新问题解决系统化方法学，TRIZ的中文名是萃智。

TRIZ理论是由前苏联发明家阿奇舒勒（G. S. Altshuller）于1946年创立的。上世纪40年代，阿奇舒勒带领他的团队开始了一项伟大的研究，希望找到发明创造的方法。在研究了不同工程领域的250万个发明专利后，得出一个惊人的结论：人们解决技术问题的方法很多是重复的。阿奇舒勒一共总结出40种最常用的方法，并命名为40个创新（发明）原理，这是TRIZ的起源。以后的数十年，阿奇舒勒和其它发明家一起继续TRIZ理论的研究和完善，总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，并综合多学科领域的原理和法则，建立起TRIZ理论体系。

（TRIZ理论体系）

TRIZ理论体系主要包括以下几个方面的内容：

技术矛盾解决原理。不同的发明创造往往遵循共同的规律。TRIZ理论将这些共同的规律归纳成40个创新原理，针对具体的技术矛盾，可以基于这些创新原理、结合工程实际寻求具体的解决方案。
创新思维方法与问题分析方法。TRIZ理论中提供了如何系统分析问题的科学方法，如多屏幕法等；而对于复杂问题的分析，则包含了科学的问题分析建模方法即物场分析法，它可以帮助快速确认核心问题，发现根本矛盾所在。
技术系统进化法则。针对技术系统进化演变规律，在大量专利分析的基础上TRIZ理论总结提炼出八个基本进化法则。利用这些进化法则，可以分析确认当前产品的技术状态，并预测未来发展趋势，开发富有竞争力的新产品。
创新问题标准解法。针对具体问题的物场模型的不同特征，分别对应有标准的模型处理方法，包括模型的修整、转换、物质与场的添加等等。
发明问题解决算法ARIZ。主要针对问题情境复杂，矛盾及其相关部件不明确的技术系统。它是一个对初始问题进行一系列变形及再定义等非计算性的逻辑过程，实现对问题的逐步深入分析，问题转化，直至问题的解决。
基于物理、化学、几何学等工程学原理而构建的知识库。基于物理、化学、几何学等领域的数百万项发明专利的分析结果而构建的知识库可以为技术创新提供丰富的方案来源。

TRIZ理论的三个重要原理是：

不同领域的发明和创新中所用到的原理方法并不多，人们解决技术问题的方法很多是重复的。不同时代的发明，不同领域的发明（解决方法），相同的发明（解决方法）原理被反复利用。
技术系统进化的规律在不同的工程领域及不同的科学领域反复出现。
大多数的创新来是应用了行业以外的科学成果而得到的。

以上原理表明：大多数创新或发明不是全新的，而是一些已有原理或结构在本领域的新应用，或在另一领域的新应用。TRIZ是以分析大量专利为基础所总结出的概念、原理与方法，这些原理与方法的应用解决了很多产品与过程创新中的难题，对创新设计确有指导意义。人们只要遵循着产品及其技术发展的客观规律，就可以能动地进行产品设计并预测产品的未来发展趋势。

相对于传统的创新方法，比如试错法、头脑风暴法等，TRIZ理论具有鲜明的特点和优势。它成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，而不是逃避矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解，而不是采取折衷或者妥协的做法，而且它是基于技术的发展演化规律研究整个设计与开发过程，而不再是随机的行为。实践证明，运用TRIZ理论，可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。它能够帮助我们系统的分析问题情境，快速发现问题本质或者矛盾，它能够准确确定问题探索方向，突破思维障碍，打破思维定势，以新的视觉分析问题，进行系统思维，能根据技术进化规律预测未来发展趋势，帮助我们开发富有竞争力的新产品。

2. TRIZ应用案例-A：TRIZ解决问题的思路

利用TRIZ在解决问题、或者提出产品概念设计方案时，并不是直接从问题得到答案，因为这种方式仅仅依靠个人或团队的经验和知识，当问题复杂时，就很难获得答案。TRIZ解决问题的思路分为三步。

首先，将我的问题抽象为通用的问题；（泛化很关键，扩大解空间）。
然后，利用发明原理等知识和法则来解决通用的问题。
最后，根据通用问题的解决方案得到我的问题的解决方案。

（TRIZ解决问题的思路）

TRIZ把特定问题抽象为通用问题进行求解是基于世界上绝大多数的问题都已经存在答案和解决办法，只不过在特定的领域里、在某些工程师的经验和认知里，还不知道这些答案和解决办法，所以必须把特定问题向上抽象和拓展，借助TRIZ理论从而找到在其它领域其他工程师团队已经应用的答案和解决方法。这类似于数学方程式求解，不是通过试错法直接去寻找答案，而是转化为一般方程式求解，即可获得答案。

（TRIZ解决问题的思路类似于方程式求解）

例如，为解决电动汽车动力电池组的散热问题，并不局限于仅仅在电动汽车领域针对动力电池组去寻找散热解决方案。而是应当把问题上升和抽象到任意产品、任意领域的散热问题，包括工业领域的散热问题（例如注塑模具的散热或冷却问题）、交通领域的散热问题（例如汽车发动机的散热问题）、灯具领域的散热问题（例如LED灯具的散热问题）、消费类电子领域的散热问题（例如台式计算机机箱、笔记本和手机的散热问题）、数据中心的散热问题等，再把上述领域的解决方案应用到电动汽车电池组的散热问题，从而选择出最合适的解决方案。

（电动汽车电池组的散热问题的解决思路）

在任意领域去寻找解决答案，寻找过程可利用TRIZ工具和TRIZ知识库，得到任意产品、任意领域的散热问题解决方案：

风冷，以空气为散热介质，通过散热风扇等方式将热量带走。
液体冷却，通过水或其它液体将热量带走，它的散热介质是水一类的液体，其效率比风冷高。
使用导热界面材料，主要用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，减少传热接触热阻，提高器件散热性能，包括导热硅胶、导热衬垫、导热硅脂、导热相变材料、导热石墨片和导热胶带等。
使用导热金属散热，例如金属外壳、热管、散热器、金属电路板（如铝基板和陶瓷共银基板）等。
使具有辐射的热导体，例如PCB表面涂绿油、塑料外壳表面喷漆等。
半导体制冷，利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，它的制冷温度低，冷面温度可以达到零下10℃以下。
物化方法制冷，其原理是使用一些超低温化学物质，利用它们在融化或相变化的时候吸收大量的热量来降低温度，例如干冰（零下20℃以下）、液氮（零下100℃以下）和液态金属等。
蒸发制冷，利用水分蒸发相态产生变化时吸热的特性达到制冷效果。

再把上述解决答案与电动汽车电池组散热问题进行具体应用，抛开那些不合适的解决方案，那些合适的解决答案或者多个解决方案的组合就是新的概念设计。

3.TRIZ应用案例-B：韩国节水型卫浴系统

这是韩国某公司与韩国工科大学共同研究取得的成果。现在的抽水马桶需要使用13升以上的水才可以完全洗净，因此节水性是提高抽水马桶商品价值所在。为了防止恶臭而设计的S型回水弯管道是需要大量冲水的其中原因之一。为了防臭，S型回水弯必须存在。但是，S型回水弯的存在造成水的浪费，这就产生了矛盾。研发人员把这个矛盾做了以下的表述：

“冲水时可以不要S型回水弯，但是为了防臭必须要S型回水弯。”

“必须有，又不能有的是S型回水弯。”找到了问题的关键点，使用TRIZ的“分离原则”。“分离原则”包括：

空间分离
时间分离
系统和构成要素之间的分离
移到超系统

在这个问题上，使用了时间分离法则得到了解决问题的灵感。即：平时使用大的S型回水弯管道防止恶臭，在冲水时使S型回水弯产生一些变化，如图2-16所示。具体做法就是设计构造了可动型的软管。通常状态下软管被置于上方，用于防臭；排水时，软管下降、被置于下方，避免冲水浪费。通过此方法，平时需要13升水才能洗净的马桶现在只需要3升水，节约了75%的用水量。