□任工昌 □山 旭

陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院 西安 710021

發(fā)明問題解決理論中物質(zhì)-場模型及分析方法的研究＊

□任工昌 □山 旭

陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院 西安 710021

物質(zhì)-場模型是發(fā)明問題解決理論中重要的問題分析工具，但存在功能分析不足、缺乏針對性、分析效率低等問題。以提高模型分析問題的針對性為突破口，采用一種模型分析一類問題的思路，將問題分為不完整問題、效應(yīng)不足/過度完整問題、有害效應(yīng)完整問題、測量與檢測問題共四類。針對每類問題分別使用物質(zhì)-場模型、物元模型、物質(zhì)-屬性-功能-因果模型、物質(zhì)-場-信息模型進行分析，發(fā)揮每類分析模型的優(yōu)勢，歸納出基于問題分類的創(chuàng)新設(shè)計流程，并用實例驗證模型分類的合理性和設(shè)計流程的實用性。

發(fā)明問題解決理論；物質(zhì)-場模型；研究

1946年，蘇聯(lián)學(xué)者Altshuller領(lǐng)導(dǎo)一批發(fā)明問題專家，在研究了世界上高水平專利的基礎(chǔ)上，提出了一套具有完整體系的創(chuàng)新設(shè)計理論——發(fā)明問題解決理論（TRIZ），1979年，《創(chuàng)造是一門精密的科學(xué)》一書發(fā)表，書中論述了物質(zhì)－場分析法原理，為發(fā)明創(chuàng)造提供了一個重要的問題分析工具[1]。此理論最早應(yīng)用在蘇聯(lián)，使得蘇聯(lián)的工業(yè)在那段時期迅猛發(fā)展。目前，TRIZ在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，幫助許多企業(yè)實現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新。

1 物質(zhì)-場模型

1.1 物質(zhì)-場模型簡介

物質(zhì) - 場模型由一種場（ F）和兩個物質(zhì)（ S1、S2）組成,模型中S1是被動物體，是希望發(fā)生變化的物體；S2是主動物體，通過F的作用使被動物體發(fā)生改變；F是連接主動物體與被動物體的橋梁，從而組成完整的系統(tǒng)[2]。物質(zhì)-場基本模型如圖1所示。

圖1 物質(zhì)-場模型

常用的表達物質(zhì)-場中物質(zhì)之間彼此相互作用的圖示化符號如圖2所示。

圖2 物質(zhì)-場中圖示化符號

1.2 物質(zhì)-場模型現(xiàn)狀

王秋月等[1]基于物質(zhì)-場模型和相似性對標(biāo)準(zhǔn)解進行了重新分類。簡兆輝等[3]提出了結(jié)合減件-運行法和功能分析系統(tǒng)技術(shù)法的物質(zhì)-場建模過程，提高了功能建模能力。Royzen[4]強調(diào)了功能分析在問題描述中的作用，提出了工具-對象-產(chǎn)品分析，提高了模型功能分析的能力。Kim[5]利用排隊理論模型代替物質(zhì)-場模型，將問題分析和對應(yīng)解都包含在模型內(nèi)，提高了問題分析效率。Bultey等[6]對物質(zhì)-場模型分析過程中的術(shù)語進行了規(guī)范，有助于利用計算機語言實現(xiàn)物質(zhì)-場模型的分析過程。張武城等[7]提出了物質(zhì)-屬性-功能-因果模型分析法，將物質(zhì)、屬性、功能、因果四部分集成到分析模型內(nèi)，提高了問題分析效率。Wu[8]對可拓學(xué)和物質(zhì)-場模型分析過程進行集成，提高創(chuàng)新的效率和廣度。Petrov[9]針對信息系統(tǒng)的分析開發(fā)了元素-動作-信息結(jié)構(gòu)分析法。Li[10]針對76個標(biāo)準(zhǔn)解中的第四類（檢測與測量）利用模型進行了分析。

以上文獻在物質(zhì)-場模型功能分析不足、術(shù)語缺少規(guī)范化、分析效率低、復(fù)雜問題的表示等方面做了研究，并取得一定的成果。多數(shù)學(xué)者都致力于尋找一種功能強大的模型，可以完美地分析各類問題。實際應(yīng)用中，不同類型的問題分析過程存在差異，一種分析模型很難兼顧各類問題。對問題進行分類，針對每類問題選用對應(yīng)的模型，充分發(fā)揮每類模型的優(yōu)勢很有必要，因此筆者提出了基于問題分類的創(chuàng)新設(shè)計流程。

2 基于問題分類的創(chuàng)新設(shè)計流程

2.1 問題分類

經(jīng)典TRIZ中，物質(zhì)-場模型分為四類。

（1）有效的完整模型。

（2）不完整模型。

（3）效應(yīng)不足的完整模型。

（4）有害效應(yīng)的完整模型。

以上分類是根據(jù)模型本身的特征進行的，物質(zhì)-場模型分析問題、標(biāo)準(zhǔn)解解決問題，本質(zhì)都在于對問題特性的把握，對問題進行分類，再考慮相對應(yīng)的分析模型。因此，應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)解為出發(fā)點，基于物質(zhì)-場模型分類的基本思路，采用逆推的方法，進行問題的分類，新的分類中將不再考慮有效的完整模型問題，因為其本身不存在問題，可作為問題的理想解或目標(biāo)系統(tǒng)，增加測量與檢測這一大類。測量與檢測問題不同于一般的問題，更加側(cè)重于信息與功能的正向傳遞。新的分類如下。

（1）不完整的問題。

（2）效應(yīng)不足/過度的完整問題。

（3）有害效應(yīng)的完整問題。

（4）測量與檢測問題。

以上問題的定義與物質(zhì)-場模型的基本定義類似，如錘子敲釘子，只有錘子沒有釘子的話，問題的物質(zhì)-場模型就是一個不完整模型，相對應(yīng)的，此問題就是不完整的問題，其它類似。

2.2 創(chuàng)新設(shè)計流程

圖3為基于問題分類的創(chuàng)新設(shè)計流程，具體步驟如下。

（1）分析系統(tǒng)，確定問題，對問題進行簡述。

（2）若為測量與檢測問題，利用物質(zhì)-場-信息模型進行分析，采用第四類標(biāo)準(zhǔn)解解決；若不是測量與檢測問題，建立物質(zhì)-場模型。

（3）利用物質(zhì)-場模型確定問題類型。

（4）不同類型問題，采用相應(yīng)的分析解決方法：①若為不完整問題，則直接使用第一類標(biāo)準(zhǔn)解解決；②若為效應(yīng)不足/過度的完整問題，采用物元模型進行進一步分析，利用第二類標(biāo)準(zhǔn)解解決；③若為有害效應(yīng)的完整問題，采用物質(zhì)-屬性-功能-因果模型進行分析，利用第三類標(biāo)準(zhǔn)解來解決。

（5）若需要對解進行優(yōu)化，使用第五類標(biāo)準(zhǔn)解。

3 創(chuàng)新設(shè)計流程的分析及應(yīng)用

3.1 不完整問題

不完整問題即利用物質(zhì)-場分析時缺少物質(zhì)或場，無法構(gòu)成一個完整的物質(zhì)-場模型，此類問題相對于其它三類問題比較簡單，直接應(yīng)用物質(zhì)-場模型進行分析，按照缺物補物、缺場補場的思路，利用第一類標(biāo)準(zhǔn)解[1]解決。

3.2 效應(yīng)不足/過度完整問題

效應(yīng)不足/過度完整問題中最重要的是存在不足或過度的效應(yīng)，都是對量值的定性描述，傳統(tǒng)的物質(zhì)-場模型在分析時不考慮量值的問題，而可拓學(xué)物元分析法具有量值分析的優(yōu)勢。

可拓學(xué)是由蔡文教授開創(chuàng)的交叉學(xué)科，以矛盾問題為研究對象，通過定性和定量的描述和分析問題，使用可拓學(xué)中的創(chuàng)新工具解決問題。在可拓學(xué)物元模型 B=[O，C，V]中，O 為對象，C 為特征，V 為特征值?；邪瑢α恐档拿枋?，因此以可拓學(xué)的物元分析模型來對效應(yīng)不足/過度的完整問題進行分析。

例如，隨著智能手環(huán)的普及，越來越多的人習(xí)慣在運動時佩戴智能手環(huán)，但續(xù)航能力成為其使用上的一大障礙，經(jīng)常會出現(xiàn)使用過程中沒有電或忘記充電的情況，希望能得到續(xù)航能力更強的智能手環(huán)。

首先利用物質(zhì)-場模型分析此問題為效應(yīng)不足的問題，使用物元模型進行分析，如圖4所示。M1為問題的物元模型，M2為約束條件的物元模型，A為事元模型。模型提供手環(huán)特征量值上的描述，即解決問題過程中的約束條件。使用者選擇關(guān)鍵的特征量值，從標(biāo)準(zhǔn)解中選擇合適的解使其首先滿足關(guān)鍵特征的要求，解的選擇更具目的性和針對性。利用物質(zhì)-場模型無法體現(xiàn)重力、外形等特征量值上的要求，即M2。若不考慮M2，使用體積更大的電池也可實現(xiàn)目標(biāo)，但是這顯然不符合小、輕等條件。再如續(xù)航能力，如果只是擴展到3天，優(yōu)化電池或降低手環(huán)耗電量就可實現(xiàn)，但是擴展到一個星期或一個月就得開發(fā)新電池，如果是永久供電就需要考慮手環(huán)的自發(fā)電。以永久供電為例，利用第二類標(biāo)準(zhǔn)解在系統(tǒng)中引入鐵磁材料、磁場[1]。

圖4 可拓學(xué)物元模型

創(chuàng)新解如圖5所示。

圖5 智能手環(huán)創(chuàng)新設(shè)計方案

圖5中，磁感應(yīng)線圈上穿有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上設(shè)置有配重塊，系統(tǒng)還包括蓄電池、發(fā)光模塊。運動時手臂肯定會自然擺動，作為智能手環(huán)發(fā)電的動力源，利用磁生電的原理，在智能手環(huán)內(nèi)部嵌入磁感應(yīng)線圈，通過導(dǎo)軌上的配重塊來回運動，切割磁感線產(chǎn)生電量，產(chǎn)生的電量存儲于蓄電池中，用于發(fā)光模塊的供電。

利用物元分析有效地彌補了物質(zhì)-場模型無法體現(xiàn)特征量值的缺點，問題分析得更加全面，使用者可以在綜合考慮各因素的條件下，直接選擇最優(yōu)的解，而不是在已得到解的基礎(chǔ)上再選擇最優(yōu)解，提高了問題解決的效率。

3.3 有害效應(yīng)完整問題

存在有害效應(yīng)的完整問題一般屬于比較復(fù)雜的問題，且存在有害效應(yīng)的系統(tǒng)相當(dāng)一部分都會伴隨著技術(shù)矛盾或物理矛盾，可用TRIZ中的矛盾矩陣去解決。其余的就可用76個標(biāo)準(zhǔn)解去解決，但是無論是矛盾矩陣或是標(biāo)準(zhǔn)解，都需要對存在有害效應(yīng)系統(tǒng)的功能進行深入分析，但是物質(zhì)-場模型并沒有側(cè)重于功能分析。張武城等[7]認為功能是兩個物質(zhì)屬性相互作用的產(chǎn)物，提出了物質(zhì)-屬性-功能-因果模型分析法，從屬性的角度對問題功能進行深入分析，對于此類問題的分析具有較強優(yōu)勢。物質(zhì)-屬性-功能-因果模型如圖6所示。

圖6 物質(zhì)-屬性-功能-因果模型

在物質(zhì)-屬性-功能-因果分析模型中，S1和S2是相互作用的兩個物質(zhì)，對應(yīng)的屬性分別為A1和A2，通常，將物質(zhì)S1作為功能載體，將物質(zhì)S2作為接受動作的客體。S3是實現(xiàn)功能后衍生的具有屬性A3的第三物質(zhì)。Fuh是物質(zhì)S1的屬性A1與物質(zhì)S2的屬性A2相互作用而形成的、可能有用或有害的功能。

以煉焦中的高溫焦炭運輸問題為例，焦炭是原煤隔絕空氣高溫加熱后的產(chǎn)物。在煉焦?fàn)t內(nèi)，原煤在料床上，隔絕空氣進行加熱使其分解后變?yōu)榻固俊Ｍ平管噷⒔固客瞥?，由傳送帶將其輸送至特定的容器中。這就存在一個問題：高溫焦炭對下面的傳送帶會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，傳送帶在這種工作環(huán)境下很容易疲勞損壞，需經(jīng)常更換。進行物質(zhì)-場模型分析，確定焦炭運輸為有害效應(yīng)的完整問題，利用物質(zhì)-屬性-功能-因果模型進行分析。

由圖7可明顯看出，由于焦炭具有高溫性，對起運輸作用的傳送帶進行加熱，而傳送帶具有疲勞性，在受熱后容易疲勞損壞，為實現(xiàn)傳送帶正常的運輸性，需從高溫性和疲勞性兩方面進行分析。

圖7 高溫焦炭運輸?shù)奈镔|(zhì)-屬性-功能-因果模型

為減小焦炭高溫的影響，參考標(biāo)準(zhǔn)解引入物質(zhì)S3消除有害效應(yīng)[1]，可利用已經(jīng)冷卻后的焦炭敷在傳送帶表面，從而隔離高溫焦炭的熱量，對傳送帶起到保護作用。

為提高傳送帶的疲勞強度，參考標(biāo)準(zhǔn)解不允許增加新物質(zhì)，改變物質(zhì)以消除有害效應(yīng)[1]，可利用耐熱的金屬鏈?zhǔn)絺魉蛶?，提高傳送帶在高溫下的抗疲勞強度?/p>

可見，物質(zhì)-屬性-功能-因果模型不僅展現(xiàn)了問題中的有害作用，而且分析了各物質(zhì)的屬性，通過屬性之間的相互作用分析了系統(tǒng)的功能，使用者可從功能的基礎(chǔ)——屬性出發(fā)，迅速找到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解，從而解決問題。

3.4 測量與檢測問題

測量與檢測問題屬于比較特殊的一類問題，測量與檢測過程中一般都會涉及時間和順序上的遞增，信息的正向傳遞是比較明顯的，且普遍存在對所獲數(shù)據(jù)的反向反饋。測量過程一般涉及三種物質(zhì)和兩個場，普通的物質(zhì)-場模型無法表示。此類問題使用創(chuàng)新的物質(zhì)-場-信息模型（圖8）進行分析，有利于快速確定問題出現(xiàn)的環(huán)節(jié)，進行有針對性的改進。

圖8 物質(zhì)-場-信息模型

物質(zhì)-場-信息模型中，F(xiàn)1和F2為測量與檢測過程中的場，S1為被測量或檢測的物質(zhì)，S2為測量檢測工具，S3為接收系統(tǒng)，D1、D2和D3為測量與檢測過程中的信息。

以曹沖稱象為例，如圖9所示，大象通過重力場將重力信息傳遞給秤，秤通過視覺場將刻度信息傳遞給人，人將信息返回與大象進行對比，確定測量結(jié)果的誤差。在曹沖稱象的故事中，由于大象過重，秤的測量值有限，從而無法測量出大象的重力，通過圖9可迅速確定出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)為重力信息環(huán)節(jié)，而重力信息不僅僅是大象的特有屬性，于是利用第四類標(biāo)準(zhǔn)解，替代系統(tǒng)中的測量與檢測，使之不再需要；假如上一條不可能實現(xiàn)，則測量一個復(fù)制品或肖像[1]，即將大象的重力復(fù)制成等重的石頭、沙子、一隊人等，考慮到可測物的靈活性，利用一隊人為最佳解決方案。

圖9 曹沖稱象物質(zhì)-場-信息模型

4 結(jié)論

根據(jù)問題的特性將待解決問題分為四類，借助物質(zhì)-場模型確定問題類，針對每類問題使用特定的分析模型，充分發(fā)揮不同分析模型的優(yōu)勢，解決了物質(zhì)-場模型分析所有類型問題時分析不夠充分、缺乏針對性、功能分析不足等缺點，提高了問題分析效率，增強了問題分析的針對性，并用實例論證了基于問題分類的創(chuàng)新設(shè)計流程的優(yōu)勢，為創(chuàng)建新理論提供了一種全新的問題分析思路。當(dāng)然，更加完善的問題分類和模型創(chuàng)新有待進一步研究。

[1] 王秋月,楊伯軍,段秀玲.基于物質(zhì)-場模型及相似性的標(biāo)準(zhǔn)解重新分類研究[J].工程設(shè)計學(xué)報,2015，22（6）:520-527.

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[10]LI H J.Substance-field Models for Fourth Class Standards[EB/OL].http://www.metodolog.ru/triz-journal/archives/2009/02/03/index.html.

The substance-field model is an important tool for problem analysis in the TRIZ,but there are some problems such as lack of functional analysis,lack of pertinence and low efficiency of analysis.In order to improve the pertinence of the model analysis problem,adopted an idea that was use a sort of model to analyze a category of problems.The problem was divided into four categories:incomplete problem,insufficient effect/over-complete problem,ill-effect complete problem,measurement and detection problem.The substance-field model,substance-element model,substance-attribute-function-causal model and substance-field-information model were used to analyze each category of problems to call into play the advantages of each type of analytical model and induce the innovative design flow based on the classification of the problems.The rationality of the rationality of model classification and thepracticality of thedesign processwould betoverified by casestudy.

TRIZ；Substance-field Model；Research

TH122

A

1672-0555（2017）03-010-05

＊國家自然科學(xué)基金資助項目（編號：51175314）；

國家科技支撐計劃項目（編號：2012BAF02B01）

2017年5月

任工昌（1962—），男，博士，教授，主要從事機械產(chǎn)品創(chuàng)新理論與實踐工作

（編輯：啟 德）