趙開(kāi)羿 景海榮 苗軍 馬勁 王菁 楊冰

摘 要 以北京天文館“宇宙暢游”展覽中的“宇宙燈塔”展項(xiàng)為例，詳細(xì)闡述了如何運(yùn)用專注于創(chuàng)新的TRIZ理論來(lái)解決展項(xiàng)設(shè)計(jì)中的工程技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞 展覽 設(shè)計(jì) TRIZ理論

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，展覽展示技術(shù)也隨之產(chǎn)生了日新月異的變化。與此同時(shí)，觀眾的參觀需求也逐漸提升，不再滿足于簡(jiǎn)單、靜態(tài)的實(shí)物陳列，更希望在科技類博物館里收獲多樣化的樂(lè)趣。因此，當(dāng)今科技類博物館的展覽設(shè)計(jì)中，運(yùn)用多種展示手段進(jìn)行綜合展示成為趨勢(shì)。而國(guó)內(nèi)的科技類展項(xiàng)多為相互借鑒模仿，原創(chuàng)性展項(xiàng)很少。

對(duì)于新穎的原創(chuàng)展項(xiàng)，需要從眾多高新展示技術(shù)中選出主題，并用合適的展示手段予以實(shí)現(xiàn)。在展覽策劃創(chuàng)意初期，未必能預(yù)見(jiàn)到之后與展示手段相關(guān)的工程技術(shù)問(wèn)題，但這些問(wèn)題需要在后期具體實(shí)施時(shí)予以妥善解決。作為展覽的設(shè)計(jì)人員，如何利用科學(xué)的方法準(zhǔn)確而迅速地找到相應(yīng)的解決方案，對(duì)于實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的創(chuàng)意設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文以北京天文館“宇宙暢游”展覽中的“宇宙燈塔”展項(xiàng)在實(shí)施過(guò)程中遇到的技術(shù)難題為例，分析如何利用TRIZ理論得到最優(yōu)解決方案，并最終達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

1 TRIZ理論簡(jiǎn)介

粹智理論（TRIZ，Theory of the Solution of Inventive Problems），即解決發(fā)明問(wèn)題的理論。該理論是蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒等人研究世界各國(guó)250多萬(wàn)件發(fā)明專利后提出的，是一套體系完整的、解決發(fā)明問(wèn)題的理論和方法。TRIZ理論給出了解決問(wèn)題的一般流程，即先將具體問(wèn)題表達(dá)成TRIZ問(wèn)題，然后利用TRIZ的解題工具，如發(fā)明原理、技術(shù)進(jìn)化理論、標(biāo)準(zhǔn)解等求出該TRIZ問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)解（普適解），最后再把標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化為具體問(wèn)題的特解。

2 展項(xiàng)中需要解決問(wèn)題

近年來(lái)，北京天文館正全面更新常設(shè)展覽。在前期設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員提出以天文中比較獨(dú)特的天體——脈沖星為主題制作展項(xiàng)。脈沖星是一種典型的致密天體，直徑大多為20 km左右，會(huì)周期性發(fā)射脈沖信號(hào)。這種天體具有強(qiáng)磁場(chǎng)并且高速自轉(zhuǎn)，它的磁軸與自轉(zhuǎn)軸往往不重合，因此脈沖星的輻射從兩個(gè)磁極發(fā)出后，在空間中傳播，形成兩個(gè)圓錐形的輻射束。如果地球剛好在這束輻射的方向上，就能接收到輻射，且脈沖星每自轉(zhuǎn)一周，這束輻射就掃過(guò)地球一次，形成我們接收到的周期性的脈沖信號(hào)。

脈沖星的輻射無(wú)法用肉眼觀測(cè)，我們希望展項(xiàng)用實(shí)物化的方式呈現(xiàn)出“輻射”與“磁力線”，使其更加直觀，便于觀眾理解抽象概念；并且讓展項(xiàng)轉(zhuǎn)動(dòng)，呈現(xiàn)出因自轉(zhuǎn)而導(dǎo)致輻射在實(shí)際空間中周期性運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。然而，脈沖星的自轉(zhuǎn)速度過(guò)高，如果完全還原輻射的真實(shí)情況，設(shè)備的使用時(shí)間就會(huì)縮短，且有可能存在安全隱患。綜上所述，該展項(xiàng)中需要解決的問(wèn)題可以表述為：如何在保證展項(xiàng)的安全性的前提下，提高展項(xiàng)中剛體旋轉(zhuǎn)速度，給觀眾帶來(lái)較好的參觀感受。

3 TRIZ解題過(guò)程

針對(duì)在展項(xiàng)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的工程技術(shù)問(wèn)題，我們利用TRIZ理論，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析并求解。

3.1 問(wèn)題的背景和描述

北京天文館“宇宙暢游”展覽中的“宇宙燈塔”展項(xiàng)位于層高30 m的展示空間里，空間外側(cè)為玻璃幕墻。展項(xiàng)設(shè)計(jì)高度為9.2 m，底部為圓形，直徑為6 m，頂部較底部略窄。展項(xiàng)主體為長(zhǎng)約5 m可旋轉(zhuǎn)的脈沖星及表示輻射束的剛體組成，展項(xiàng)整體由電機(jī)帶動(dòng)軸承進(jìn)行牽引，使剛體沿既定的軌道進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，模擬輻射束的自轉(zhuǎn)效果（見(jiàn)圖1）。

整個(gè)展項(xiàng)系統(tǒng)由脈沖星、剛體、電機(jī)、軸承以及路徑軌道組成。電機(jī)控制著剛體的速度，沿著既定的路徑軌道進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。展項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作原理如圖2所示：

針對(duì)技術(shù)系統(tǒng)存在的這個(gè)兩難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)頭腦風(fēng)暴等方式討論出一些解決思路，比如調(diào)整實(shí)物化展示的設(shè)計(jì)，通過(guò)在脈沖星附近放置激光發(fā)射器，用可見(jiàn)光的快速旋轉(zhuǎn)來(lái)代替輻射剛體的旋轉(zhuǎn)。但該展項(xiàng)所處的環(huán)境過(guò)亮，正午甚至有太陽(yáng)光直射，無(wú)法滿足所需光源亮度。

因此，我們對(duì)于新系統(tǒng)提出的要求是：既讓剛體的旋轉(zhuǎn)速度低，又保證觀眾的參觀感受好，也就是讓觀眾的視覺(jué)上覺(jué)得剛體旋轉(zhuǎn)的速度快。同時(shí)，保證系統(tǒng)的安全性。

3.2 問(wèn)題分析

如圖3所示，TRIZ的解題步驟中的第一步就是問(wèn)題分析，其中包括功能分析、因果分析，確定沖突存在的區(qū)域，找到問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)解，尋找可用的資源。

（1）功能分析

功能分析的目的是將抽象的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為具體的圖表，或者通過(guò)定義與描述系統(tǒng)元件所需達(dá)到的功能，以及元件之間、與環(huán)境之間、與外界環(huán)境的相互作用來(lái)分析整體系統(tǒng)。

在具體操作中，首先應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的各種組成成分進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)中的制品、系統(tǒng)元件和超系統(tǒng)元件。系統(tǒng)是由功能元件及作用組成的功能網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)與超系統(tǒng)及制品共同構(gòu)成產(chǎn)品的功能模型。制品是系統(tǒng)的目的所在，也叫做系統(tǒng)的作用對(duì)象；系統(tǒng)元件指的是系統(tǒng)的組成分子，比如產(chǎn)品的組成零件；超系統(tǒng)是影響系統(tǒng)的要素，但是設(shè)計(jì)者不能針對(duì)這類要素改進(jìn)，如果將其作為系統(tǒng)資源加以利用，甚至可能是解決問(wèn)題的工具?！坝钪鏌羲闭鬼?xiàng)系統(tǒng)功能分析的結(jié)果如表1所示。接著，根據(jù)功能分析結(jié)果，建立系統(tǒng)的功能模型（見(jiàn)圖4）。最后，通過(guò)分析功能模型，我們對(duì)系統(tǒng)元件及其之間的相互關(guān)系進(jìn)行描述，并得出導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)剛體轉(zhuǎn)速過(guò)快問(wèn)題的功能因素。待解決的問(wèn)題如下：第一，旋轉(zhuǎn)剛體高速旋轉(zhuǎn)后，對(duì)于觀眾有危險(xiǎn)性（屬于有害問(wèn)題，優(yōu)先解決）；第二，旋轉(zhuǎn)剛體旋轉(zhuǎn)后，給觀眾帶來(lái)的參觀感受（逼真程度）不足。

（2）因果分析

因果分析，即應(yīng)用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問(wèn)題的原因?，F(xiàn)在的系統(tǒng)中根本問(wèn)題在于觀眾參觀感受不足。如圖5所示，此問(wèn)題的產(chǎn)生有兩方面原因，一方面是使用剛體來(lái)表示脈沖星的脈沖，表現(xiàn)效果不佳；另一方面則是剛體的旋轉(zhuǎn)速度受到了限制，這是由多方面因素造成的，其中包括剛體本身的性質(zhì)，如剛體強(qiáng)度不足、質(zhì)量過(guò)大等，同時(shí)還與剛體所處的環(huán)境有關(guān)，如剛體離觀眾過(guò)近、與觀眾無(wú)隔離等。

3.3 問(wèn)題求解

3.3.1 沖突解決理論

我們選用的第一個(gè)解題工具是沖突解決理論，包括技術(shù)沖突和物理沖突。TRIZ理論中歸納了48個(gè)工程參數(shù)。在應(yīng)用中，需要將沖突的雙方內(nèi)部性能用至少2個(gè)工程參數(shù)來(lái)表示。通過(guò)查找沖突矩陣，得到解決沖突的發(fā)明原理。發(fā)明原理是研究人員對(duì)創(chuàng)新成果進(jìn)行分析總結(jié)得到的具有普遍意義的經(jīng)驗(yàn)，常用的有40條。當(dāng)確定了發(fā)明原理之后，可以根據(jù)這些發(fā)明原理來(lái)考慮具體的解決方案。

（1）技術(shù)沖突解決

首先，我們對(duì)沖突進(jìn)行描述：為了改善展項(xiàng)的“剛體高速運(yùn)動(dòng)對(duì)觀眾產(chǎn)生危險(xiǎn)”，需要降低剛體的旋轉(zhuǎn)速度，但這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中脈沖剛體對(duì)觀眾激發(fā)的參觀感受變?nèi)酢_突的語(yǔ)言轉(zhuǎn)化成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突后可以發(fā)現(xiàn)，我們希望改善的參數(shù)為“物體產(chǎn)生的有害因素/可靠性”；同時(shí)造成惡化的參數(shù)為“強(qiáng)度”。通過(guò)查找沖突矩陣，得到如下的發(fā)明原理（見(jiàn)表2）。

根據(jù)上述發(fā)明原理，我們提出如下解決方案：

方案一：依據(jù)第11條發(fā)明原理“預(yù)補(bǔ)償”，可以將剛體與觀眾之間加上透明度極高，且強(qiáng)度足夠的透明鋼化玻璃罩，阻隔觀眾和有危險(xiǎn)性的剛體。

方案二：依據(jù)第35條發(fā)明原理“參數(shù)變化”，可以將原設(shè)計(jì)的剛體替換成柔性材料，如將剛體換為鋼絲，或表面使用軟質(zhì)的外殼，內(nèi)部加龍骨，減少系統(tǒng)的重量，提高系統(tǒng)的安全性。

（2）物理沖突解決

為了保證輻射束的旋轉(zhuǎn)速度和展項(xiàng)的安全性，考慮到參數(shù)“旋轉(zhuǎn)速度”在不同“條件”下具有不同的特性，因此該沖突可以從“條件”上進(jìn)行分離?？蛇x用“基于條件的分離”原理，選擇第1條發(fā)明原理和5條發(fā)明原理得到解決方案。解決方案如下：

方案三：依據(jù)第1條發(fā)明原理“分割”，可以將傳動(dòng)系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)分割，增加單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸作為支撐和傳動(dòng)系統(tǒng)，再將剛體與軸連接，隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

方案四：依據(jù)第5條發(fā)明原理“合并”，可以將原設(shè)計(jì)的獨(dú)立剛體合并成圓錐體。將圓錐體的表面密布LED燈具，通過(guò)編程，讓光源有規(guī)律地變換顏色，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效果。

3.3.2 “物質(zhì)-場(chǎng)”分析

我們選用的第二個(gè)工具是“物質(zhì)-場(chǎng)”分析。“物質(zhì)-場(chǎng)”分析是通過(guò)功能模型，發(fā)現(xiàn)有害作用、不足作用以及過(guò)剩作用等問(wèn)題。該方法適用于已有產(chǎn)品中發(fā)生的沖突以便改進(jìn)設(shè)計(jì)。在使用該工具時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)問(wèn)題的類型來(lái)確定問(wèn)題的性質(zhì)，然后參考76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，從而得到解題的思考方向，最終提出解決辦法。

根據(jù)脈沖星系統(tǒng)的功能模型，我們首先需要建立問(wèn)題的“物質(zhì)-場(chǎng)”模型（見(jiàn)圖6）。然后，根據(jù)所建問(wèn)題的模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程（見(jiàn)圖7）。

如圖7所示，由于本問(wèn)題屬于“有害”作用，所以采用1.2類標(biāo)準(zhǔn)解。通過(guò)查找標(biāo)準(zhǔn)解，我們得到第一條標(biāo)準(zhǔn)解為：當(dāng)前設(shè)計(jì)中同時(shí)存在有用和有害作用，引入S3消除有害效應(yīng)。依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解，我們提出如下解決方案：

方案五：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解，可以在剛體外部增加一個(gè)透明的鋼化玻璃外罩，將觀眾和剛體隔離開(kāi)來(lái)。改進(jìn)后的“物質(zhì)-場(chǎng)”模型如圖8所示。

同時(shí)，我們還得到第二條標(biāo)準(zhǔn)解：當(dāng)前設(shè)計(jì)中同時(shí)存在有用和有害作用，通過(guò)修改S1或者S2，消除有害作用。依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解，提出如下解決方案：

方案六：將單一的剛體分拆成多根較細(xì)的剛體，減少剛體的質(zhì)量，降低剛體高速旋轉(zhuǎn)后的危險(xiǎn)性。

3.3.3 裁剪

裁剪是TRIZ理論中的一種改進(jìn)系統(tǒng)的方法。通過(guò)裁剪，可以把問(wèn)題功能所對(duì)應(yīng)的元件刪除，達(dá)到改善整個(gè)功能模型的目的。這種方法既可以降低成本，還能夠消除過(guò)度、有害、重復(fù)作用，簡(jiǎn)化系統(tǒng)。

通過(guò)觀察功能模型，我們發(fā)現(xiàn)脈沖剛體對(duì)觀眾帶來(lái)的危險(xiǎn)性屬于有害作用。針對(duì)功能模型中存在有害作用的問(wèn)題，依據(jù)第三條裁剪規(guī)則“主動(dòng)元件的作用由其他元件或超系統(tǒng)替代”，將脈沖剛體、軸承、電機(jī)、路徑軌道等元件進(jìn)行裁剪，改為固定的投影機(jī)進(jìn)行投影，通過(guò)光影效果營(yíng)造出脈沖星快速旋轉(zhuǎn)的參觀感受。裁剪后的功能模型如圖9所示。按照功能裁剪過(guò)程，可以提出如下解決方案：

方案七：將剛體取消，脈沖星的輻射采用透明的亞克力材料制成圓錐殼，殼頂部?jī)?nèi)部高流明的投影機(jī)，在圓錐殼上成像，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的效果。

此外，系統(tǒng)中還存在一個(gè)不足問(wèn)題，即剛體給觀眾帶來(lái)的參觀感受不足。我們首先采用技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化定律進(jìn)行分析。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化定律有9條，包括完整性定律、增加理想化水平定律、動(dòng)態(tài)化增長(zhǎng)定律等。這9條定律表明系統(tǒng)進(jìn)化是由低級(jí)到高級(jí)，同時(shí)也提供了從進(jìn)化角度思考解題方案的可能性。通過(guò)分析現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化過(guò)程，選擇合適的技術(shù)進(jìn)化定律“動(dòng)態(tài)化增長(zhǎng)”。

科普展覽展項(xiàng)的發(fā)展經(jīng)歷了靜態(tài)展板、靜態(tài)陳列品或模型展示、動(dòng)態(tài)模型展示（目前發(fā)展水平）、動(dòng)態(tài)交互體驗(yàn)?zāi)Ｐ驼故荆撛跔顟B(tài)）四個(gè)階段。依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化發(fā)展過(guò)程，我們選擇了“向連續(xù)狀態(tài)變化系統(tǒng)傳遞”技術(shù)進(jìn)化路線，按照選定的技術(shù)進(jìn)化路線，確定潛力狀態(tài)。按照技術(shù)進(jìn)化分析，我們提出如下解決方案：

方案八：增加人機(jī)交互途徑，觀眾可控制脈沖星的轉(zhuǎn)速變化以及LED的光影變化，模擬出多種不同的脈沖星的轉(zhuǎn)動(dòng)效果。

我們還嘗試使用“物質(zhì)-場(chǎng)”分析來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。首先，我們建立了問(wèn)題的“物質(zhì)-場(chǎng)”模型（見(jiàn)圖10）。根據(jù)所建問(wèn)題的“物質(zhì)-場(chǎng)”模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程進(jìn)行解答。由于該問(wèn)題屬于不足的問(wèn)題，因此我們需要查找第1或第2類標(biāo)準(zhǔn)解，來(lái)確定問(wèn)題的通解。最終，我們得到標(biāo)準(zhǔn)解：系統(tǒng)不能改變，但允許使用一個(gè)永久或暫時(shí)的外部附加成分S3改變S1或S2。依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解，我們提出如下解決方案：

方案九：在剛體表面增加LED燈，加強(qiáng)觀眾的參觀感受（見(jiàn)圖11）。

3.4 問(wèn)題的解

我們使用了沖突解決理論、“物質(zhì)-場(chǎng)”分析、裁剪、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論等對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了求解，得到了九個(gè)方案，并對(duì)方案進(jìn)行匯總，得到最終解為：將展項(xiàng)原有單根剛體分拆成6根細(xì)剛體；在剛體側(cè)面安置可變化的LED燈，觀眾可通過(guò)觸摸屏和脈沖星進(jìn)行交互，控制脈沖剛體的旋轉(zhuǎn)速度以及LED燈的閃爍速度；展項(xiàng)周圍使用透明鋼化玻璃罩以保證安全性。

3.5 解的評(píng)價(jià)

根據(jù)TRIZ理論得到的解已經(jīng)運(yùn)用到北京天文館“宇宙暢游”展覽中的“宇宙燈塔”展項(xiàng)上，并通過(guò)部分調(diào)整、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和布展，于2017年1月已經(jīng)面向觀眾開(kāi)放（見(jiàn)圖12）。截止到2017年8月底，觀眾通過(guò)觸摸屏控制展項(xiàng)旋轉(zhuǎn)速度的累計(jì)次數(shù)超過(guò)2.56萬(wàn)次。此外，該展項(xiàng)3個(gè)不同內(nèi)容的觸摸屏的總交互次數(shù)超過(guò)25.47萬(wàn)次，平均每3名觀眾中就有1名與展項(xiàng)進(jìn)行互動(dòng)。而展項(xiàng)的剛體經(jīng)過(guò)了寒暑假兩個(gè)旺季的考驗(yàn)，仍然在有條不紊的運(yùn)轉(zhuǎn)中。通過(guò)和觀眾的交流和調(diào)查問(wèn)卷我們了解到，觀眾對(duì)于如此高大且不停旋轉(zhuǎn)的展項(xiàng)充滿好奇，對(duì)其燈塔的造型也總是刨根問(wèn)底。展項(xiàng)成功的引起了觀眾的興趣，可以說(shuō)我們的設(shè)計(jì)和實(shí)施的效果達(dá)到了預(yù)期。

4 結(jié)語(yǔ)

TRIZ理論是創(chuàng)新理論，也是問(wèn)題解決理論，是可以應(yīng)用到工程技術(shù)領(lǐng)域的解題辦法，在展覽設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中可以發(fā)揮巨大的作用。通過(guò)綜合運(yùn)用TRIZ的沖突解決理論、“物質(zhì)-場(chǎng)”分析、進(jìn)化定律等，可以開(kāi)闊展項(xiàng)設(shè)計(jì)者的視野，提出更多新穎的解決問(wèn)題的思路和辦法，對(duì)于解決實(shí)際問(wèn)題大有裨益。

參考文獻(xiàn)

[1]檀潤(rùn)華，王慶禹.產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程模型、策略與方法綜述[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2000（11）：1-4.

[2]魏賽娜，曹國(guó)忠，檀潤(rùn)華.TRIZ沖突解決原理在U盤創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].設(shè)計(jì)，2013（2）：38-39.

[3]周永清.TRIZ中矛盾理論及應(yīng)用[J].科學(xué)與管理，2010（3）：15-17.

[4]張志遠(yuǎn)，何川，張鵬.運(yùn)用TRIZ理論解決新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的沖突[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2003（4）：192-196.

Abstract In this paper， an example of the implementation of "Cosmic Lighthouse" in Beijing planetarium “Universe Tour” exhibition is presented， which elaborated how to solve the problem by using the innovative TRIZ.

Keywords exhibition， design， TRIZ