洪思敏，楊雪榮，成思源，黃宇浩，羅佳龍

(1. 廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006;2. 廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點實驗室，廣東廣州510006)

0 前言

目前我國企業(yè)普遍存在產品落后、創(chuàng)新能力不足等問題，關鍵在于企業(yè)缺乏快速響應并滿足市場需要的新產品開發(fā)及制造技術創(chuàng)新的能力，因此迫切需要獲得新產品開發(fā)的具體技術支持。TRIZ 是由解決技術問題和實現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系。TRIZ 解決問題是通過系統(tǒng)化地應用已有知識，在解決設計沖突的過程中而逐步獲得創(chuàng)新解［1］。TRIZ 作為一種理論體系，在解決實際問題時，其效果往往取決于對該理論的掌握程度，這樣TRIZ就可能逐步成為少數(shù)專家的專用工具，而企業(yè)日益迫切的創(chuàng)新需求需要的是普通設計人員也能使用的創(chuàng)新工具［2］。

計算機輔助創(chuàng)新CAI (Computer Aided Innovation)作為工程領域一個重要的計算機輔助技術而出現(xiàn)，是科學的創(chuàng)新理論、方法發(fā)展到一定程度的結果，并融合計算機技術，在當今工程技術中有著廣泛的應用。Pro/Innovator 作為一種計算機輔助創(chuàng)新軟件，通過整合TRIZ 理論、基于本體的知識表達和重用以及來自高水平發(fā)明專利的知識庫，可以有效地輔助工程技術人員快速構造出創(chuàng)新方案，幫助企業(yè)實現(xiàn)系統(tǒng)化創(chuàng)新知識管理［3］。

在研發(fā)過程中，計算機輔助創(chuàng)新技術可以有效地提高設計的質量和效率，對現(xiàn)代產品開發(fā)起到一定的推動和支撐作用。CAI 技術為概念設計提供了先進的創(chuàng)新理論、方法與多學科知識的支持，研發(fā)人員可以有效地運用創(chuàng)新的科學規(guī)律，全面分析問題，構建出科學的創(chuàng)新設計方案，優(yōu)化研發(fā)進程，減少研發(fā)的重復工作和資源浪費［4］。

如今世界眾多國家和政府都在致力于研究和運用TRIZ 理論，結合傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法及計算機軟件，用以解決多種技術領域的創(chuàng)新課題［5］。我國高速鐵路無砟軌道三維檢測的專用儀器——軌檢小車正在研制和發(fā)展中，目前仍處于起步階段，在機械結構上存在較多的缺陷。軌檢小車機械結構的改進與創(chuàng)新對無砟軌道三維檢測技術的發(fā)展具有重要作用［6－7］。本文作者結合計算機輔助創(chuàng)新軟件Pro/Innovator，對現(xiàn)有的軌檢小車手推換向裝置存在的缺陷進行分析，并進行相應的創(chuàng)新設計。與此同時，探討應用計算機輔助創(chuàng)新軟件Pro/Innovator 解決問題的流程和方法。

1 基于Pro/Innovator 的計算機輔助創(chuàng)新

計算機輔助創(chuàng)新設計平臺Pro/Innovator 是TRIZ、本體論、現(xiàn)代設計方法學、自然語言處理技術與計算機軟件技術相結合的新一代計算機輔助創(chuàng)新設計工具。不同工程領域的技術人員在面臨技術難題時，可以借助其強大的綜合分析工具和源于世界優(yōu)秀專利而創(chuàng)建的創(chuàng)新方案庫，打破思維定勢，拓展設計思路，以全新的角度和思路分析問題，快速地得到高效可行的解決方案［8］。

在TRIZ 理論解決發(fā)明問題核心思想的基礎上，Pro/Innovator 提供了清晰的創(chuàng)新設計項目導航功能，可以明確地區(qū)分、記錄和管理軟件所提供的集體啟示以及用戶在此基礎上的創(chuàng)造性工作。其主要功能模塊包括項目導航、技術系統(tǒng)分析、問題分解、解決方案、創(chuàng)新原理、專利查詢、方案評價、報告生成、知識庫編輯、專利申請［9］。

應用Pro/Innovator 解決工程技術問題時，技術人員首先必須對初始問題進行描述并針對問題進行系統(tǒng)分析，找出問題產生的原因，不斷分解問題并形成問題列表。通過矛盾問題求解或根本問題求解，以軟件中創(chuàng)新原理模塊的相關內容作為參考，找出解決問題的方法和備選方案(必要時對其資源分析、可行性分析或風險性分析)，最后對各備選方案生成評價報告，選擇最優(yōu)創(chuàng)新方案。同時，可以對最終的創(chuàng)新方案進行知識庫編輯，納入企業(yè)知識庫，也可以生成專利并申請［9］。其解題流程如圖1 所示。

圖1 Pro/Innovator 解題流程

2 具體分析

2.1 項目背景與初始問題描述

文中的研究對象為如圖2 所示的軌檢小車手推換向裝置。此裝置為目前高速鐵路軌道幾何狀態(tài)檢測小車常用的一種手推換向裝置，主要是通過手推連接板不同角度的定位孔，利用螺栓連接的方式實現(xiàn)換向功能。

圖2 軌檢小車手推換向裝置

軌檢小車在作業(yè)過程中是以操作人員的推動為動力源，行走在鐵路鋼軌上面的。在測量數(shù)據(jù)的過程中，不同的操作人員、不同的操作環(huán)境，對手推組件所處的角度方位要求不同，尤其是當軌檢小車需要調試或返回到起始位置時候，要求軌道檢測小車的手推組件可以實現(xiàn)便捷換向的功能。現(xiàn)有的軌檢小車一般采用T 型架構，其手推部件安裝于縱橫梁連接部分的上方，通過螺栓連接的方式固定于手推連接板上。雖然可以滿足基本的換向要求，但是每次進行換向都需要制動小車并手動擰緊擰松螺栓。這樣，不僅操作不方便，降低作業(yè)效率，而且長久操作后會造成螺栓連接部分的松動，最后甚至失效。總的來說，目前軌檢小車手推換向裝置存在的問題為作業(yè)過程中不能實現(xiàn)便捷換向。

2.2 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析模塊是對既有技術系統(tǒng)進行功能建模，建立技術系統(tǒng)的功能單元及它們之間的相互作用關系。對系統(tǒng)功能進行分級分解可以幫助設計人員更深入地理解系統(tǒng)，確定分析問題的落腳點［10］。Pro/Innovator 的建模是以TRIZ 理論為基礎的，通過分析技術系統(tǒng)中組件及組件之間的作用關系，建立對應的組件模型。同時，通過建立技術系統(tǒng)的流模型，可以看出能量、物質及信息等如何通過系統(tǒng)以及如何受到組件之間相互作用的影響。系統(tǒng)分析是定性的分析，可以幫助設計者對不同流上組件單元之間的相互作用進行分析，找出系統(tǒng)功能運作的薄弱環(huán)節(jié)［11］。

軌檢小車手推換向裝置主要由手推組件、換向螺栓、螺栓件及手推連接板等組成。整個裝置通過手推連接板以螺栓連接的方式固定在軌檢小車車架上方，手推組件與手推連接板通過螺栓件連接，手推組件對小車車架起推動作用，換向螺栓與手推連接板主要實現(xiàn)對車架的換向功能。

在作業(yè)過程中需要進行換向時，主要是通過固定在手推組件上的換向螺栓與手推連接板側面不同角度的定位孔之間的配合來實現(xiàn)的。這里，針對軌檢小車手推換向裝置不能實現(xiàn)便捷換向的問題對與其關聯(lián)的組件(手推組件、螺栓件、換向螺栓、手推連接板等)進行分析，理清各功能組件間的關系后，可以在Pro/Innovator 的系統(tǒng)分析模塊中構建出如圖3 所示的軌檢小車手推換向裝置的功能模型圖，以便進一步的分析。

圖3 軌檢小車手推換向裝置的功能模型圖

由圖3 的功能模型圖分析，本裝置對軌檢小車車架起推動與換向作用。軌檢小車需要換向時，通過換向螺栓和手推連接板無法實現(xiàn)便捷換向，存在功能不足。系統(tǒng)組件分析中，找到了當前系統(tǒng)的不足之處后，需要面臨如何確定系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)以及如何從眾多問題中找到解決系統(tǒng)問題突破口的問題。由Pro/Innovator 針對組件的價值分析功能得到啟示，該功能是基于價值工程理論，可以幫助工程技術人員快速地定位出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的系統(tǒng)簡化和性能改進提供重要參考［9］。

系統(tǒng)組件價值是由組件理想度指標來進行評定的。組件的理想度則是根據(jù)有用功能之和與有害功能之和的比值來確定的。一般情況下，系統(tǒng)組件的理想度指標越高，其對整個系統(tǒng)的價值就越高;反之，系統(tǒng)組件的理想度指標越低，其對系統(tǒng)而言就越可能存在問題［11］。針對軌檢小車手推換向裝置不能實現(xiàn)便捷換向的問題，結合軟件的組件價值分析初步確定最需要改進或簡化的組件是換向螺栓和手推連接板。

2.3 問題分解

問題分解模塊運用“三軸分析法”，通過流程時序軸、系統(tǒng)層次軸和因果關系軸對初始問題進行分析，可以將復雜的工程問題分解為多個子問題，進而逐步找出初始問題的根本原因，為后續(xù)的方案生成提供參考［11］。針對軌檢小車手推換向裝置不能實現(xiàn)便捷換向的問題進行問題分解，得到如圖4 所示的模型。

圖4 問題分解模型

在分解模型中，由左到右分別為具體原因、基本原因、初始問題和結果。即對于初始問題“軌檢小車手推換向裝置不能實現(xiàn)便捷換向”，其造成的結果是軌檢小車作業(yè)效率降低。具體原因是換向螺栓需要進行孔定位和松開擰緊用時過長造成的換向速度過慢以及換向螺栓所處位置造成的操作不方便，如圖4 所標示。

因此，軌檢小車手推裝置不能實現(xiàn)便捷換向的主要原因是換向螺栓需進行孔定位、換向螺栓松緊用時過長和換向螺栓所處位置不利。綜合分析得出改善的技術參數(shù)為操作流程的方便性，惡化的技術參數(shù)為適用性、通用性［9］。得到需要改善以及惡化的技術參數(shù)后，可針對存在的技術矛盾問題，結合創(chuàng)新原理和創(chuàng)新方案庫生成解決方案。

3 方案生成

Pro/Innovator 軟件提供了一套基于本體論的創(chuàng)新方案庫，因此設計者可以迅速掌握不同領域中可用于解決同一類技術問題的不同方案，有助于快速獲得本領域中的創(chuàng)新方案。同時，還可以利用創(chuàng)新原理，不折衷地解決技術矛盾或者物理矛盾［3］。

針對軌檢小車手推換向裝置不能便捷換向的技術矛盾問題，標準化后得知其改善參數(shù)為操作流程的方便性，惡化參數(shù)為適用性及通用性，根據(jù)這兩個參數(shù)查找矛盾矩陣，其交叉表格的發(fā)明原理為分割、動態(tài)特性、不足或過度的作用、拋棄與再生。

如圖5 所示，利用Pro/Innovator 對問題的定義，得出其主要的技術矛盾:操作流程的方便性和適應性與通用性，通過Pro/Innovator 中的創(chuàng)新原理模塊可得到該矛盾問題下的創(chuàng)新原理。根據(jù)收集的資料及目前的技術條件等各方面的信息，考慮到軌檢小車換向時手推組件與手推連接板之間存在相對運動，適合采用動態(tài)特性原理解決。動態(tài)特性原理為:如果一個物體整體是靜止的，使之移動或可動;分割物體，使其各部分可以改變相對位置。

圖5 軌檢小車手推換向裝置的矛盾問題通用解

針對不同操作人員、不同操作環(huán)境、現(xiàn)有螺栓換向方法的不足以及軌檢小車手推裝置便捷換向的需求，借助動態(tài)特性原理的啟示進行思考?？紤]到換向螺栓需進行孔定位、換向螺栓松緊用時過長，想到通過滑塊裝置實現(xiàn)手推組件與手推連接板之間的相對運動來消除孔定位以及縮短用時。另一方面，考慮到換向螺栓所處位置造成的操作不方便，可以將換向裝置的控制機構安放于操作人員易于觸及的位置。

綜合上述分析應用計算機輔助創(chuàng)新軟件Pro/Innovator 提出的各種創(chuàng)新方案，查詢相關企業(yè)數(shù)據(jù)庫并結合經驗可以得到軌檢小車手推換向裝置的一個比較理想的最終解決方案是:采用滑塊裝置實現(xiàn)手推組件與手推連接板的相對運動，手推連接板上的定位孔改為開槽，通過滑塊相對開槽的上下移動，手推組件與手推連接板可以快速實現(xiàn)分離與連接?；瑝K的控制則采用類似剎車裝置的結構，在手把處設置剎車把，可帶動滑塊向上移動脫離手推連接板，調整到手推組件需要的方向和角度。同時在滑塊處安放彈簧，利用彈簧的伸縮特性，將滑塊重新卡入手推連接板的開槽，最終實現(xiàn)便捷換向功能。具體方案如圖6 所示。

最后，若得到多個問題解決方案，可以通過Pro/Innovator 的評價模塊建立起對多個備選方案價值的理解，找出問題的最佳解決方法。

圖6 軌檢小車手推換向裝置改進方案

4 結論

結合計算機輔助創(chuàng)新軟件Pro/Innovator，針對軌檢小車手推換向裝置無法實現(xiàn)便捷換向的問題進行改進設計，通過對其進行功能分析和問題分解，提取相關的技術矛盾問題，找到適合解決的創(chuàng)新原理解。結合實際，創(chuàng)造性地提出了適合實際問題的解決思路，從而獲得其改進方案。通過研究案例表明，Pro/Innovator 對于輔助機械產品進行創(chuàng)新設計具有啟示作用，隨著計算機輔助創(chuàng)新技術的發(fā)展和完善，在解決工程技術問題的過程中將發(fā)揮更大的作用。

［1］沈萌紅．創(chuàng)新的方法:TRIZ 理論概述［M］．北京:北京大學出版社，2011．

［2］張武城，趙敏．運用TRIZ 理論培養(yǎng)創(chuàng)新能力建設創(chuàng)新型國家［C］．提高全民科學素質、建設創(chuàng)新型國家——2006 中國科協(xié)年會論文集(下冊)，2006．

［3］閆曉玲，王望龍．基于TRIZ 和Pro/Innovator 平臺的產品創(chuàng)新設計［J］．機床與液壓，2009，37(7):192－195．

［4］趙秀．基于TRIZ 理論的計算機輔助創(chuàng)新設計方法探討［J］．計算機與數(shù)字工程，2007，35(12):109－112．

［5］檀潤華．TRIZ 及應用技術創(chuàng)新過程與方法［M］．北京:高等教育出版社，2010．

［6］胡慶豐．安博格GRP1000 軌檢小車進行無碴軌道檢測的作業(yè)方法［J］．鐵道勘察，2008，34(3):17－20．

［7］黃劍飛．高速鐵路無砟軌道三維檢測系統(tǒng)研制及誤差分析［D］．西安:長安大學，2011．

［8］施榮明，趙敏，孫聰．知識工程與創(chuàng)新［M］．北京:航空工業(yè)出版社，2009．

［9］沈萌紅．TRIZ 理論及機械創(chuàng)新實踐［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2012．

［10］顧銀芳．Pro/Innovator 在解決定位裝置問題中的應用［J］．導彈與航天運載技術，2008，297(5):14－20．

［11］李祥松，賈光，荊洪英，等．基于Pro/Innovator 的滾動轉子式壓縮機減震降噪研究［J］．機械制造，2009，47(8):33－36．