李 利

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧大連116013)

0 引 言

TRIZ(teorija rezhenija inzhenernyh zadach)理論是蘇聯(lián)發(fā)明專家G.S.Altshuller在研究世界各國大量高水平專利的基礎(chǔ)上，提出的具有完整體系的發(fā)明問題解決理論[1]。TRIZ意譯為發(fā)明問題的解決理論。TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。它不是采取折中或者妥協(xié)的做法，而是基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律研究整個(gè)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，并且不再是隨機(jī)的行為。目前，國際上很多大公司已采用TRIZ理論，如波音、克萊斯勒、寶馬、三星等。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ理論可大大提高發(fā)明成功率、縮短發(fā)明周期、得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品，也可使發(fā)明問題的解決方案具有可預(yù)見性[2-5]。

水聲測距技術(shù)是許多聲吶系統(tǒng)中非常重要的組成部分，無論是聲學(xué)目標(biāo)的定位、跟蹤、導(dǎo)航，還是一些水聲測量測繪試驗(yàn)等，都離不開高精度的水下距離測量。在水聲測距系統(tǒng)中，接收系統(tǒng)的時(shí)延估計(jì)起著關(guān)鍵作用，其性能決定著系統(tǒng)的作用距離與測距精度。目前，本單位收發(fā)同時(shí)基水聲測距接收系統(tǒng)采用能量檢測的方式檢測測距信號，利用幅度門限估計(jì)信號時(shí)延進(jìn)而得到距離[6-9]。但是該方法在遠(yuǎn)距離處檢測概率下降，在近距離處難以準(zhǔn)確估計(jì)，為提高系統(tǒng)作用距離與測距精度，亟待改進(jìn)水聲測距接收系統(tǒng)的性能。

本文主要將TRIZ理論中的根原因分析法、沖突解決理論、技術(shù)進(jìn)化、物質(zhì)場與標(biāo)準(zhǔn)解、功能分析與裁剪等多種解決辦法引入到水聲測距接收系統(tǒng)性能改進(jìn)中來，以期改進(jìn)測距接收系統(tǒng)的性能。也希望 TREZ理論可以在更多的技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用，解決實(shí)際問題。

1 問題描述

按照TRIZ理論，首先，定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，即：問題所在技術(shù)系統(tǒng)為水聲測距接收系統(tǒng)；該技術(shù)系統(tǒng)的功能為測量距離；實(shí)現(xiàn)該功能的約束有(1)測距信號發(fā)射端聲源級、(2)海洋背景噪聲級、(3)海洋聲傳播條件。

其次，分析現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理，畫出現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示[10]。

圖1中水聲測距系統(tǒng)由發(fā)射端、接收端和上位機(jī)解算軟件構(gòu)成，其中發(fā)射端與接收端由全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)授時(shí)同步，發(fā)射端安裝在被測目標(biāo)上，發(fā)射周期性的單頻脈沖信號(Continuous Wave,CW)；接收端位于測量船上，接收端由水聽器接收信號，經(jīng)電纜有線傳輸至接收機(jī)，接收機(jī)可分為硬件部分與軟件部分，硬件部分主要實(shí)現(xiàn)調(diào)理信號、濾波、放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換(Analog-to-Digital,AD)，軟件部分主要實(shí)現(xiàn)預(yù)處理、信號檢測與時(shí)延估計(jì)、數(shù)據(jù)發(fā)送，接收端的主要功能是檢測測距信號并估計(jì)時(shí)延，將時(shí)延信息發(fā)送至上位機(jī)解算軟件；上位機(jī)解算軟件根據(jù)時(shí)延信息計(jì)算被測目標(biāo)距離并解算位置信息，在軟件上實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)航跡。

圖1 水聲測距系統(tǒng)構(gòu)成示意圖[10]Fig.1 Block diagram of underwater acoustic ranging system[10]

最后，描述當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問題：信號幅值與發(fā)射端和接收端的距離有關(guān)，距離越近幅值越大，距離越遠(yuǎn)聲吸收與傳播損失越大，信號幅值越小。信號檢測采用能量檢測的方式，即設(shè)置檢測門限來判斷信號有無。目前測距接收系統(tǒng)采用折衷的方法，選用合適的門限，在準(zhǔn)確估計(jì)的基礎(chǔ)上盡可能地選低門限保證距離。問題是在遠(yuǎn)距離處，若設(shè)置門限較高，信號容易形成漏報(bào)，若設(shè)置門限過低，則易產(chǎn)生虛警；在近距離處門限過低又容易受干擾影響。

對水聲測距接收系統(tǒng)性能進(jìn)行改善，要求新系統(tǒng)既能提高檢測概率，降低虛警概率與漏報(bào)概率，又盡可能地增加測量距離并在被測目標(biāo)通過測量船的正橫時(shí)刻準(zhǔn)確地估計(jì)時(shí)延。

2 TRIZ理論功能分析

功能分析是從完成功能的角度而不是從技術(shù)的角度來分析系統(tǒng)。它可以將抽象的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為具體的圖表，即形成系統(tǒng)功能模型圖，以便于設(shè)計(jì)者了解產(chǎn)品所需具備的功能與特征，或者通過定義與描述系統(tǒng)元件所需要達(dá)到的功能，來協(xié)助設(shè)計(jì)人員化繁為簡，合理地進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。對水聲測距接收系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，可分以下幾個(gè)步驟：

(1)分析水聲測距接收系統(tǒng)所包含的超系統(tǒng)、元件及制品。TRIZ理論中超系統(tǒng)是影響整個(gè)系統(tǒng)的要素，但設(shè)計(jì)者不能針對該類要素進(jìn)行改進(jìn)；元件為所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成分子；制品則是系統(tǒng)所要達(dá)到的目的。本文主要討論水聲測距系統(tǒng)的接收系統(tǒng)，可分解為超系統(tǒng)、元件、制品。

超系統(tǒng)：測距信號發(fā)射端(聲源級)、海洋背景噪聲、海洋聲傳播條件。

元件：水聽器，傳輸電纜，接收機(jī)的硬件放大、硬件濾波、硬件AD、軟件預(yù)處理、軟件信號檢測、軟件參數(shù)估計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)軟件解算。

制品：目標(biāo)距離。

(2)進(jìn)行作用(或聯(lián)接)分析

有害作用是負(fù)面作用，以波浪線表示。測距接收系統(tǒng)的有害作用主要包含：① 海洋背景噪聲影響系統(tǒng)檢測及參數(shù)估計(jì)是有害作用；② 海洋為相干多途信道，一方面構(gòu)成聲傳播條件，另一方面使檢測及參數(shù)估計(jì)變得復(fù)雜，總體上應(yīng)為有害作用。

不足作用指功能是合理的，但未達(dá)到充足作用，以虛線表示。測距接收系統(tǒng)的不足作用主要包含：① 測距信號發(fā)射端聲源級直接關(guān)系到系統(tǒng)的作用距離，聲源級低，則導(dǎo)致作用距離近，所以為不足作用；② 接收機(jī)硬件濾波階數(shù)有限，目前采用的是高通濾波的方式，對噪聲的抑制作用不足；③ 接收機(jī)軟件信號檢測，不能完全滿足接收系統(tǒng)的性能要求，是不足作用；④ 接收機(jī)參數(shù)估計(jì)與信號檢測緊密相關(guān)，不能完全滿足接收系統(tǒng)的性能要求，是不足作用。

充足的作用是設(shè)計(jì)者根據(jù)當(dāng)前需求確定的，以細(xì)實(shí)線表示。測距接收系統(tǒng)的充足作用主要包含：其余未提及的均為充足作用；

過剩作用指功能是合理的，但超過了充足作用，以粗實(shí)線表示。本系統(tǒng)不包含過剩作用。

(3)建立水聲測距接收系統(tǒng)的功能模型，如圖2 所示[10]。

圖2 水聲測距系統(tǒng)的功能模型[10]Fig.2 Function model of underwater acoustic ranging system[10]

3 分析根原因并確定沖突區(qū)域

所謂根原因，就是導(dǎo)致所關(guān)注問題發(fā)生的最基本的原因，該原因的消除不會(huì)再導(dǎo)致產(chǎn)生相同的問題。對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行根原因分析，最終根原因歸結(jié)為系統(tǒng)中某些元件具有某種屬性或?qū)傩匀≈?。根原因分析圖如圖3所示。

由根原因分析法得到的信號檢測與參數(shù)估計(jì)均采用經(jīng)驗(yàn)值為門限是可控的根本原因。在檢測信號與參數(shù)估計(jì)過程中，運(yùn)用到的參數(shù)包括海洋背影噪聲與測距發(fā)射端發(fā)射的測距信號，軟件預(yù)處理后，提取出被檢測信號的包絡(luò)，設(shè)置幅度門限與寬度門限，利用信號的能量與脈寬聯(lián)合判決。遠(yuǎn)距離處在高于背景噪聲條件下希望門限低，獲得足夠的作用距離，近距離處信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)足夠用于檢測，希望獲得足夠的距離精度。由此確定的沖突區(qū)域如圖4所示。

圖3 根原因分析圖Fig.3 Root cause analysis diagram

圖4 沖突區(qū)域Fig.4 Conflict area

4 可用資源與理想解分析

分析系統(tǒng)的內(nèi)外部資源，其中水聽器的性能設(shè)計(jì)人員只能利用，但不能改進(jìn)，所以可用性分析結(jié)果為不可用，而接收機(jī)硬件放大性能可受設(shè)計(jì)人員影響，則為可用資源，其他資源可用性分析類似，得到系統(tǒng)內(nèi)外部資源列表如表1所示。

TRIZ理論中“最終理想解”的概念，目的是克服思維慣性，開拓研發(fā)人員的思維，拓展解決問題可用的資源。應(yīng)用TRIZ理論解決問題之始，要求使用者先拋開各種客觀限制條件，通過理想化來定義問題的最終理想解，以明確理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中沿此目標(biāo)前進(jìn)并獲得最終理想解，從而避免了傳統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和解決問題時(shí)缺乏目標(biāo)的弊端，提升解決問題的效率。確定系統(tǒng)的理想解為：

最終理想解：只要有足夠的信噪比即可準(zhǔn)確獲得距離信息。

次理想解：在保證距離準(zhǔn)確的情況下，提高作用距離。

表1 系統(tǒng)內(nèi)外部資源列表Table 1 List of internal and external resources of the system

5 沖突解決理論

TRIZ理論認(rèn)為發(fā)明問題的核心是解決沖突，采用技術(shù)沖突原理分析過程為：沖突描述、轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突；查找沖突矩陣，得到發(fā)明原理。沖突可描述為：為了改善某個(gè)參數(shù)，需要如何做，但這樣做會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的另一個(gè)參數(shù)惡化。技術(shù)沖突原理解決過程與可用性評價(jià)如表2所示。針對測距接收系統(tǒng)存在的問題可分別作出兩個(gè)技術(shù)沖突描述，根據(jù)描述與 39個(gè)工程參數(shù)相對照，每個(gè)技術(shù)沖突可提煉出一對改善參數(shù)與惡化參數(shù)，利用這對參數(shù)查找技術(shù)沖突距陣，可分別得到對應(yīng)的發(fā)明原理。如沖突1得到了 No.32、No.3、No.11、No.23這 4個(gè)發(fā)明原理，但“No.32：改變顏色”對測距系統(tǒng)來說明顯不適用，而“No.3：局部質(zhì)量”則可以理解為若在信號處理時(shí)，在有信號時(shí)刻增加極窄帶濾波，可最大程度上提取有效信噪比。其他可用性評價(jià)類比于此，可得4個(gè)不同方案。

方案 1：依據(jù) No.3(局部質(zhì)量)發(fā)明原理，得到的解為在有信號時(shí)刻進(jìn)行極窄帶濾波，最大程度上提取有效信噪比；

方案2：依據(jù)No.11(預(yù)補(bǔ)償)發(fā)明原理，得到的解為增加一個(gè)幅度較高的大門限，在近距離時(shí)使用；

方案3：依據(jù)No.23(反饋)發(fā)明原理，得到的解為將上位機(jī)解算的距離反饋給接收機(jī)，使接收機(jī)在每一個(gè)周期“知道”上一個(gè)周期的距離，對參數(shù)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行“預(yù)判”；

方案4：No.35(參數(shù)變化)發(fā)明原理，得到的解為改變信號檢測的幅度門限值，即在遠(yuǎn)距離處選用小的幅度門限值，在近距離處選用大的幅度門限值。

表2 技術(shù)沖突原理解決過程與可用性評價(jià)Table 2 Resolution process of technology conflict principle and availability evaluation

6 物質(zhì)-場分析及76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解

TRIZ理論的物質(zhì)-場分析認(rèn)為，所有的功能都可以分解為3個(gè)基本元素，即兩種物質(zhì)和一種場，所形成的相互關(guān)系描述的功能稱為物質(zhì)-場模型，物質(zhì)即指實(shí)現(xiàn)功能的物質(zhì)元素，場則指兩種物質(zhì)之間的相互作用，針對測距接收系統(tǒng)建立問題的物質(zhì)-場模型如圖5所示。

圖5 物質(zhì)場模型Fig.5 Su-field model

根據(jù)所建問題的物質(zhì)-場模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，確定問題的通解。由物質(zhì)-場模型可知，模型的3個(gè)元件都在，但是需要的效果不足，解決方法：(1)改用新的場代替原有的場；(2)用新的場和物質(zhì)代替原場和物質(zhì)；(3)增加一個(gè)新的場來增強(qiáng)需要的效果。

依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解，得到問題的解決方案。

方案1：(創(chuàng)造或合成一個(gè)測量系統(tǒng))依據(jù)No.46標(biāo)準(zhǔn)解，得到問題的解為增加信號的頻率檢測與頻率方差檢測，與原檢測方法相結(jié)合，進(jìn)行聯(lián)合判決；

方案2：(測量系統(tǒng)的進(jìn)化方向)依據(jù)No.58標(biāo)準(zhǔn)解，得到問題的解為檢測時(shí)設(shè)置多個(gè)幅度門限，將檢測結(jié)果全部上傳至上位機(jī)，較大程度上保留信息量，在上位機(jī)增加決策程序，對檢測結(jié)果進(jìn)行有效/無效判別，再進(jìn)行定位解算。

7 技術(shù)進(jìn)化分析

TRIZ理論認(rèn)為技術(shù)系統(tǒng)是有規(guī)律的，是能夠被用來預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的，產(chǎn)品技術(shù)成熟度預(yù)測可以幫助企業(yè)尋找自身差距，有的放矢地提高自己的技術(shù)水平，尋找創(chuàng)新點(diǎn)。通過對測距接收系統(tǒng)的進(jìn)化過程進(jìn)行分析，選擇技術(shù)進(jìn)化定律為定律 4：提高動(dòng)態(tài)性定律。依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化發(fā)展過程，選擇技術(shù)進(jìn)化路線 4-3：增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性進(jìn)化路線，即被動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)—分級適應(yīng)系統(tǒng)—自適應(yīng)系統(tǒng)。按照選定的技術(shù)進(jìn)化路線，確定潛力狀態(tài)：程序可自適應(yīng)調(diào)整，以滿足在近距離處取得高精度，并保證遠(yuǎn)距離處的作用距離。

按照技術(shù)進(jìn)化分析，得到問題的解決方案。

方案 1：組成技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加柔性化，即幅度門限由單一的固定門限變?yōu)樵谶h(yuǎn)近距離處分別使用不同的門限值；

方案 2：自適應(yīng)門限設(shè)置，即門限值根據(jù)海洋背景噪聲幅值與信號幅值自動(dòng)調(diào)整。

8 功能裁剪

功能裁剪是 TRIZ理論中一種改進(jìn)系統(tǒng)的方法，通過裁剪，將由功能分析得到的問題功能所對應(yīng)的元件刪除，而將其所執(zhí)行的有用功能利用系統(tǒng)或超系統(tǒng)的其他元件替代執(zhí)行，實(shí)行功能再分配，從而改善整個(gè)功能模型。裁剪是產(chǎn)品功能分析過程中的重要步驟，是設(shè)計(jì)中的重要突破，成本或復(fù)雜程度的顯著降低往往是功能分析與裁剪的結(jié)果。根據(jù)功能裁剪原理得到初步裁剪方案。

方案1：利用裁剪規(guī)則3(主動(dòng)元件的作用由其他元件或超系統(tǒng)替代)，接收機(jī)硬件放大與接收機(jī)硬件濾波的功能由接收機(jī)軟件預(yù)處理部分實(shí)現(xiàn)，可進(jìn)行裁剪。

根據(jù)已有產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)的功能模型，通過功能價(jià)值計(jì)算，找出功能價(jià)值最低的元件，進(jìn)而裁剪功能元件。所謂功能等級與功能模型中各元件的連接狀況有關(guān)，越接近制品等級越高，各元件的功能等級數(shù)值計(jì)算表如表3所示[10]。

表3 元件與功能等級數(shù)值[10]Table 3 Component and function rank value[10]

方案 2：保留功能等級數(shù)值高的，刪除數(shù)值低的有問題的元件，裁剪后，接收機(jī)軟件預(yù)處理、接收機(jī)軟件信號檢測、接收機(jī)軟件參數(shù)估計(jì)、接收機(jī)數(shù)據(jù)傳輸均裁剪掉，功能由上位機(jī)完成。

功能裁剪所得方案示意圖如圖6所示[10]，裁剪后的系統(tǒng)功能模型如圖7所示。裁剪后系統(tǒng)的復(fù)雜程度顯著降低，可靠性與可維護(hù)性將大大提高。

圖6 功能裁剪方案Fig.6 Function trimming scheme

9 匯總方案確定最終解

上述方案匯總?cè)绫?所示。

依據(jù)上面得到的若干創(chuàng)新解，通過評價(jià)，確定最終解。結(jié)合同時(shí)基水聲測距接收系統(tǒng)的現(xiàn)狀，綜合考慮改進(jìn)后的系統(tǒng)復(fù)雜程度與可靠性，這里選用的最終解為：將接收機(jī)軟件預(yù)處理、接收機(jī)軟件信號檢測、接收機(jī)軟件參數(shù)估計(jì)、接收機(jī)數(shù)據(jù)傳輸均裁剪掉，功能由上位機(jī)完成，即上位機(jī)直接接收并解算水聽器數(shù)據(jù)，同時(shí)在檢測時(shí)設(shè)置多個(gè)幅度門限，較大程度上保留信息量，增加決策程序，對檢測結(jié)果進(jìn)行有效/無效判別，再進(jìn)行定位解算。

圖7 裁剪后水聲測距系統(tǒng)的功能模型Fig.7 Function model of underwater acoustic ranging system after trimming

表4 方案匯總Table 4 Scheme summary

續(xù)表4

10 結(jié) 語

TRIZ理論可以在根本上對于技術(shù)或產(chǎn)品存在的問題進(jìn)行分析，可以運(yùn)用多種方法在不同方向上考慮問題的解，得到實(shí)際問題的全新解決方案。本文主要將TRIZ理論中的根原因分析法、沖突解決理論、技術(shù)進(jìn)化、物質(zhì)場與標(biāo)準(zhǔn)解、功能分析與裁剪等多種解決辦法引入到同時(shí)基水聲測距接收系統(tǒng)性能改進(jìn)中來，得到了 10種不同的解決方案并確定了最終解。將最終解應(yīng)用于新系統(tǒng)，接收系統(tǒng)的性能預(yù)期可望得到很大的改善，系統(tǒng)的復(fù)雜程度將顯著降低，可靠性與可維護(hù)性則能明顯提高。