李燕信

（鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院，河南　鄭州　451150）

TRIZ與軟件系統(tǒng)創(chuàng)新
——歷史視角及無人機應(yīng)用案例研究

李燕信

（鄭州大學(xué)西亞斯國際學(xué)院，河南鄭州451150）

本文重點研究TRIZ方法的現(xiàn)代工程應(yīng)用意義和軟件系統(tǒng)設(shè)計策略。通過對軟件發(fā)展史進行分析，得出軟件領(lǐng)域創(chuàng)新的一系列關(guān)鍵進化趨勢，預(yù)測未來軟件領(lǐng)域的發(fā)展方向。重點結(jié)合無人機案例，查找技術(shù)系統(tǒng)矛盾，應(yīng)用TRIZ的技術(shù)系統(tǒng)進化法則，對技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展趨勢進行預(yù)測，最后提出一種控制系統(tǒng)參考架構(gòu)，來展示顯著提升無人機作業(yè)能力的技術(shù)創(chuàng)新方法。

進化法則；技術(shù)系統(tǒng)；技術(shù)矛盾；無人機

1　軟件創(chuàng)新的含義

早在20世紀初，美籍經(jīng)濟學(xué)家熊彼特提出：創(chuàng)新是指把一種新的生產(chǎn)要素和生產(chǎn)條件的“新結(jié)合”引入生產(chǎn)體系。一般來說，在市場經(jīng)濟體制下，“創(chuàng)新”通常指成功在市場上投放，并且能夠真正滿足市場需求而持續(xù)產(chǎn)生利潤的新想法或是新概念。在軟件領(lǐng)域，有經(jīng)驗的工程師常常發(fā)現(xiàn)軟件領(lǐng)域的問題通常是歸屬于某個大集合的子集，微軟的IE，互聯(lián)網(wǎng)的誕生與發(fā)展，極限編程（XP）……很難理清脈絡(luò)。例如微軟的IE，它符合市場需求并且能產(chǎn)生利潤，但IE本身的設(shè)計（編程）思想是一種創(chuàng)新么？另一方面，在蒂姆·伯納斯·李之前互聯(lián)網(wǎng)從來沒有產(chǎn)生“利潤”（金融方面），因此，即使某種軟件的概念是新穎的，也不能被稱為是創(chuàng)新產(chǎn)品。以極限編程為例，只是一種組織軟件工程師統(tǒng)一高效研發(fā)軟件系統(tǒng)的模式。

我們通過兩件事情來解開這些問題和謎團。首先，重新定義“創(chuàng)新”這個概念：創(chuàng)新是指“理想系統(tǒng)的不連續(xù)突變”，所謂“不連續(xù)”，是指某種事物從一種存在向另一種存在的鮮明轉(zhuǎn)變。再者是定義軟件領(lǐng)域內(nèi)或其周邊相關(guān)的“存在域”。如圖1，我們把“全集域”分為四個具有重疊域的集合：軟件、技術(shù)（物理硬件）、業(yè)務(wù)、數(shù)學(xué)。重疊的原因在于：第一，這種劃分方式是現(xiàn)實生活的抽象，現(xiàn)實生活中各種事物之間存在聯(lián)系。第二，創(chuàng)新往往跨越多個不同領(lǐng)域。例如，計算機軟件領(lǐng)域電腦鼠標這一軟件功能系統(tǒng)的創(chuàng)新，軟件中的鼠標依賴于物理硬件鼠標，顯而易見，鼠標的技術(shù)域與軟件域存在聯(lián)系。

圖1　軟件領(lǐng)域內(nèi)或其周邊相關(guān)的“存在域”

從圖1我們可以看到，極限編程作為一種軟件技術(shù)創(chuàng)新，他的本質(zhì)卻是在“業(yè)務(wù)域”產(chǎn)生的突變；IE也很相似，同樣是創(chuàng)新，本質(zhì)卻是作為導(dǎo)航工具與其他軟件產(chǎn)品捆綁（滿足市場需要的核心因素）。圖1中的軟件域——軟件創(chuàng)新，站在歷史的角度，已經(jīng)發(fā)生了許多次不連續(xù)突變。

圖1的設(shè)計得益于大衛(wèi)惠勒在圖形識別技術(shù)與計算機繪圖方面的研究，當今計算機軟件領(lǐng)域其他繪圖軟件也同樣得益于此?；堇障壬茉缫郧霸谒淖髌分芯吞岢隽藞D形化軟件系統(tǒng)的進化趨勢，雖然他從來沒有使用“不連續(xù)”這樣的定義。如表1，再現(xiàn)了惠勒先生研究的成果，并描述了軟件領(lǐng)域每次創(chuàng)新所展現(xiàn)的不連續(xù)發(fā)展趨勢。

從表1可以觀察到，嵌套與遞歸在以往創(chuàng)新過程中扮演了重要角色，這種進化模式同樣適用于其他的系統(tǒng)發(fā)明級別，另外其他重要的進化模式還有分割原理、多元化、協(xié)調(diào)性原理等。軟件領(lǐng)域正在遵循著這些進化規(guī)律逐步發(fā)展，同時這種發(fā)展規(guī)律向下已經(jīng)擴展到了當前創(chuàng)新點所對應(yīng)技術(shù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)的子系統(tǒng)，向上擴展到了超系統(tǒng)以及超系統(tǒng)的超系統(tǒng)，這就是為什么今天會有如此多的高級軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，如圖2。

圖3　自動化/功能完美/實時的軟件領(lǐng)域不連續(xù)進化趨勢

惠勒先生把對世界具有顯著影響的宏觀層面軟件創(chuàng)新事件進行了清晰的統(tǒng)計整理。如果可以在其子系統(tǒng)或是低一層次的系統(tǒng)級別上做得像他那樣出色，比如研究類似的“不連續(xù)”特征及其進化規(guī)律，低系統(tǒng)級別的問題雖然不像表1中那些問題引人注目，但只要符合“理想系統(tǒng)的不連續(xù)突變”這一定義，同樣是名副其實的“創(chuàng)新”。因此，如果把之前得出的這些軟件系統(tǒng)領(lǐng)域進化規(guī)律整合成某種“模式”，并用這種“模式”來預(yù)測低系統(tǒng)級別問題的解決方案，很可能會創(chuàng)造出新的概念產(chǎn)品。從惠勒把設(shè)計模式歸類為宏觀層面的創(chuàng)新，“模式”開始成為一種有用的問題思考方式。而“設(shè)計模式”的產(chǎn)生與發(fā)展本質(zhì)上就是一個迷你版的TRIZ，“設(shè)計模式”也是從若干計算機軟件編程經(jīng)驗中總結(jié)出來的若干規(guī)律條目，這些條目類似于TRIZ的創(chuàng)新原理、進化法則，并揭示歸納了以往一些優(yōu)秀的編程實踐，并將這些編程實踐抽象出來用于其他軟件研發(fā)領(lǐng)域。因此，宏觀意義上出現(xiàn)的設(shè)計模式這一創(chuàng)新，可以看作是某個理想系統(tǒng)的不連續(xù)突變。當某個軟件工程師采用設(shè)計模式構(gòu)建某軟件系統(tǒng)的子系統(tǒng)、子程序或者動態(tài)鏈接庫（DLL）時，即使從外界看不到具體子模塊的實現(xiàn)方法，由于這個軟件系統(tǒng)采用了某個設(shè)計模式而產(chǎn)生了不連續(xù)突變，它也應(yīng)算作是一種創(chuàng)新。軟件領(lǐng)域的不連續(xù)進化趨勢，如圖3。

圖2　軟件系統(tǒng)的遞歸

下面關(guān)注一下豐田創(chuàng)新模式。豐田最引以為豪的是在汽車中成功引入了大量小規(guī)模創(chuàng)新（每年在產(chǎn)品中應(yīng)用100萬項創(chuàng)新點），其并沒有或者很少把這些創(chuàng)新點進行大小分類，這些創(chuàng)新點純粹是使產(chǎn)品朝著“理想解”方向發(fā)展。在思考軟件領(lǐng)域創(chuàng)新問題時也可以采用類似方法，使當前技術(shù)系統(tǒng)朝著理想系統(tǒng)方向進行不連續(xù)突變。

豐田創(chuàng)新模式應(yīng)用在軟件領(lǐng)域似乎比汽車領(lǐng)域更加重要，引入一項汽車或擋風(fēng)玻璃雨刷器這樣不連續(xù)創(chuàng)新的物理對象所花費的精力和金錢要比修改少量程序代碼開銷多的多，如果再加上現(xiàn)在流行的Linux開源共享理念，那么，軟件領(lǐng)域在許多方面應(yīng)該會有長足的發(fā)展。

表1　宏觀層面軟件領(lǐng)域的系統(tǒng)創(chuàng)新

惠勒在他的文章中提到，當前的軟件專利貧瘠到用很短時間就可以看完，區(qū)區(qū)千余份，里程碑意義的創(chuàng)新點屈指可數(shù)，很可能是因為自這個領(lǐng)域產(chǎn)生以來，大家都在忙碌于為了滿足市場需要去尋找足夠的人編寫足夠“規(guī)范”的代碼。通常認為，“創(chuàng)新”一詞真正進入軟件領(lǐng)域是由于“規(guī)范”的代碼編寫公司競爭日益激烈而導(dǎo)致整個行業(yè)利潤逐漸扁平化引起的，最終這種現(xiàn)狀制約了軟件領(lǐng)域整個行業(yè)的長足發(fā)展。

2　未開發(fā)利用的潛力

綜上，給軟件系統(tǒng)增加層級是一種重要的進化驅(qū)動方式。這種驅(qū)動力會在下面這個簡易雷達裝置中清晰體現(xiàn)。鑒于表1中軟件領(lǐng)域宏觀層面的發(fā)展展示，這種驅(qū)動力很可能會對未來軟件領(lǐng)域宏觀系統(tǒng)級別的進化發(fā)展提供啟示。只要牢記這些思想，并對任何一種特定的軟件系統(tǒng)進行詳細分析，就可以在當前軟件系統(tǒng)的每一個系統(tǒng)層級上形成詳細的發(fā)展思路。圖4展示了這種思想以及宏觀領(lǐng)域更加詳細的發(fā)展思路。

繪制這個宏觀層面雷達圖的難點在于需要知道當前系統(tǒng)是否已經(jīng)進化到了嵌套、分割或者多元化趨勢的終點。如前所述，這些趨勢的目的是為了引出一個問題，在圖4中，可以判定這些趨勢中每一條趨勢曲線是否存在尚未被開發(fā)利用的潛力，同時嵌套趨勢沒有受利益遞減規(guī)律影響。也就是說，在創(chuàng)建的以分割趨勢、多元化趨勢為代表的進化趨勢理論框架下，可以基于這個理論框架模型對某些問題分析并得出較優(yōu)的概念解，隨后采用這些概念解引導(dǎo)得出實際應(yīng)用問題的解決方案。

圖4　歷史視角下軟件領(lǐng)域宏觀層面的進化潛力

從圖4可以看到，盡管軟件系統(tǒng)一直處于快速發(fā)展狀態(tài)，但這一領(lǐng)域仍存在大量尚未被開發(fā)的潛力。嵌套趨勢也將繼續(xù)成為軟件領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢之一（這里我們注意到，軟件領(lǐng)域的進化發(fā)展軌跡與人類大腦這一具備層次、組織特征的控制系統(tǒng)的進化頗為相似。大腦的功能目前已知至少有7個功能層級，那么軟件領(lǐng)域仍具有顯著的尚未開發(fā)利用的潛力）?；蛟S由于系統(tǒng)的架構(gòu)比時間問題更容易可視化分析，因此推測，軟件系統(tǒng)架構(gòu)也將具有相當多的行為嵌套機會。

從圖4還可以明顯看到，系統(tǒng)的魯棒性進化潛力也處于未被開發(fā)狀態(tài)（特別是對于微軟用戶），以及軟件系統(tǒng)處理非線性問題的巨大潛力。這些看起來屬于明顯的趨勢引導(dǎo)，而動態(tài)性趨勢與連接趨勢在這方面的表現(xiàn)則更像是提供了非線性問題的解決方案，可以通過動態(tài)性與連接性的切換來實現(xiàn)軟件體系結(jié)構(gòu)中處理非線性問題的功能。

如果以二進制為基礎(chǔ)的系統(tǒng)向多元化趨勢發(fā)展為例作為預(yù)測，雖然很難預(yù)測這種進化何時會發(fā)生，但可以看出使用0和1來進行計算機事務(wù)處理是存在局限性的（無論是在處理速度，還是在遇到非線性問題或是模糊問題的處理方面）。這將成為推動計算機計算平臺向非二進制方向進化發(fā)展的一大動力。

3　無人機控制系統(tǒng)案例

對軟件領(lǐng)域中復(fù)雜問題的分析所產(chǎn)生的各種結(jié)論或者成果通常是復(fù)雜的抽象模型，這同時也表明軟件系統(tǒng)將在其各個系統(tǒng)層級上產(chǎn)生越來越多的進化發(fā)展，這種進化成果很可能在其他領(lǐng)域或者特定環(huán)境中的問題產(chǎn)生指導(dǎo)作用。至少這些成果可能會對當前問題產(chǎn)生糾正效果，而本文的最后這一部分就討論這個實際存在的軟件問題。

目前在航空航天領(lǐng)域的一個重大轉(zhuǎn)變是采用遙控?zé)o人駕駛飛行器來替代飛行員實現(xiàn)航空航天作業(yè)。有許多原因促成這一轉(zhuǎn)變，其中最重要的原因是保證作業(yè)時使人們避開危險，而事實上核心問題在于飛行員的生理局限日益變成了制約飛行器性能發(fā)展的主導(dǎo)因素。

在無人機控制領(lǐng)域，軟件系統(tǒng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。通常通過遠程操作員控制無人機執(zhí)行任務(wù)。無人機本身安裝有一系列的傳感器，其中最重要的攝像系統(tǒng)，負責(zé)將偵察信息反饋給無人機基站。

而無人機控制系統(tǒng)設(shè)計者面臨的關(guān)鍵問題之一是確保飛行器在未知環(huán)境中執(zhí)行預(yù)定任務(wù)時能夠應(yīng)付各種即時突發(fā)情況。其中典型的問題情境主要是當?shù)氐沫h(huán)境變化（空氣對流，即時側(cè)風(fēng)等影響），以及異物破壞飛行器核心部件而引起飛行系統(tǒng)故障。

圖5　無人偵察機在宏觀層面的進化潛力

通常，技術(shù)系統(tǒng)都是存在矛盾的。工程師最大的愿望是使當?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生的突發(fā)變化成為一種可預(yù)測行為。采用TRIZ理論可以將當前技術(shù)矛盾采用軟件矛盾矩陣進行映射，結(jié)合采用矛盾分析的方法以及之前對于軟件系統(tǒng)進化趨勢的定義。例如圖5展示了無人機控制系統(tǒng)在當前技術(shù)系統(tǒng)級別上的進化潛力。

圖6　無人機自動控制問題解決方案原理圖

結(jié)合矛盾分析以及進化趨勢分析可以得出結(jié)論。當前系統(tǒng)在其他趨勢方向包含諸多開發(fā)潛力。無論是矛盾分析中第7號嵌套創(chuàng)新原理，還是進化趨勢中的嵌套趨勢，均可以證明，不管是在超系統(tǒng)層面還是在子系統(tǒng)層面，無人機控制系統(tǒng)問題很可能可以采用嵌套的方法進行解決。這就提醒該領(lǐng)域?qū)＜覐倪@些方面著手思考解決方案。

在特殊情況下，領(lǐng)域?qū)＜铱梢酝ㄟ^向下嵌套趨勢來尋找最佳解決方案。起始的概念方案可以考慮如何將執(zhí)行相同或者相似任務(wù)的無人機在某種程度上互相嵌套，來自于某個無人機的信息可以傳遞到其他無人機的資料庫中。這里的基本概念是，某個無人機在知道發(fā)生某種特殊情況時可以快速將信息傳遞給附近的無人機，并使這些無人機能夠迅速改變狀態(tài)來應(yīng)付自身未來短時間內(nèi)發(fā)生的環(huán)境變化。

舉例來說，如果某些無人機在飛行過程中的某個時間空間段經(jīng)歷了相似的性能轉(zhuǎn)變，這就表示對應(yīng)時間段所處空間的環(huán)境是存在某種既定干擾的。結(jié)合任務(wù)指令以及GPS定位信息，進一步就可以鎖定潛在的環(huán)境變化方位，隨后引航其他無人機避開這個方位飛行。

另一方面，如果在這個時間空間只有某一架無人機產(chǎn)生了性能變化，那么很可能是當前這架無人機自身產(chǎn)生問題，進一步判斷，有可能是燃油濾管受阻產(chǎn)生本機故障，或異物、敵方武器的針對性破壞引起的性能轉(zhuǎn)變。

通過矛盾以及未被開發(fā)的進化趨勢分析其他解決方案線索，我把這種向下嵌套方案進一步擴展到動態(tài)性趨勢（相鄰無人機只需在發(fā)生干擾時進行互相通訊），初步做法，控制系統(tǒng)完全可以做到在不具備威脅的環(huán)境中借助“種子故障”進行自我校準調(diào)整。圖6展示了這個問題結(jié)合進化趨勢分析得出的最終解決方案的原理。

4　結(jié)語

從幾千項軟件創(chuàng)新成果的分析結(jié)果看，將軟件系統(tǒng)的創(chuàng)新定義為向理想系統(tǒng)方向發(fā)展的不連續(xù)突變是合理的。迄今為止，本文發(fā)現(xiàn)并歸納總結(jié)了26種軟件領(lǐng)域進化模式。這些趨勢已經(jīng)成為進行軟件創(chuàng)新設(shè)計的指南針，不斷指引工程師發(fā)明理想化的軟件系統(tǒng)。對軟件創(chuàng)新宏觀層面的歷史性分析，揭示了軟件系統(tǒng)不斷朝著層級維度發(fā)展的重大趨勢格局，這種格局所包含的每個層級的發(fā)展又處于日益增加或者減少的系統(tǒng)周期中。毋庸置疑，這種發(fā)展趨勢在未來相當長一段時期內(nèi)還將存在。盡管軟件領(lǐng)域保持著快速進化發(fā)展的勢頭，但從正在研究并已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的這些進化模式中可以看出，這一領(lǐng)域仍存在巨大的未被開發(fā)的潛力。文末采用新興軟件工具結(jié)合TRIZ理論得出的概念方案，可以作為一項創(chuàng)新成果應(yīng)用于其他軟件領(lǐng)域。

［1］張武城.技術(shù)創(chuàng)新方法概論［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［2］檀潤華，等.面向制造業(yè)的創(chuàng)新設(shè)計案例［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

TRIZ and Software System Innovation:A Historical Perspective and A Case Study of Unmanned Aerial Vehicle

Li Yanxin
（SIAS International College of Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 451150）

The paper focuses on the modern engineering application significance of TRIZ approachand strategies to design software systems.Though analysis on the software development history，a series of critical evolution trends in software innovation field are obtained，to make predictions on where the software science is likely to evolve in the future.The unarmed aerial vehicle case is highlighted to check the technical system contradiction，and the technicalevolution lawof TRIZ is adopted to predict the development trend of technical system.Finally，a referentialarchitecture for the control system is put forward to display the technically innovative method which can significantly improve the operation capability of unarmed aerial vehicle.

evolution law，technical system，technical contradiction，unarmed aerial vehicle

TB472

A

1671-0037（2016）07-40-5

2016-6-10

李燕信（1988-），女，碩士研究生，助教，研究方向：經(jīng)濟管理。