吳 峰

（福建省科學技術信息研究所，福建 福州350003）

創(chuàng)新是新時代的核心主題。黨的十八大以來，以習近平總書記為核心的黨中央把創(chuàng)新發(fā)展提高到事關國家和民族前途命運的高度，擺到了國家發(fā)展全局的核心位置。習近平總書記多次強調“科技興則民族興，科技強則國家強?！苯陙?，一系列實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略的重大部署密集出臺，如推進“供給側結構性改革”、發(fā)布《中國制造2025》行動綱領、“互聯(lián)網+”行動計劃、“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”等，創(chuàng)新驅動發(fā)展已經融入到經濟社會發(fā)展全局，滲透到經濟社會、百姓生活的方方面面，創(chuàng)新已成為新時代下引領中國跨越發(fā)展的第一引擎。

1 中小微企業(yè)的創(chuàng)新困境

企業(yè)是創(chuàng)新的主體，其承載著加工、制造、生產等工程技術應用和工藝技術創(chuàng)新的具體實現(xiàn)。我國中小微企業(yè)量大面廣，無論從數量上還是總量上都占據了多數，是我國國民經濟的重要組成部分。但中小微企業(yè)大多處于產業(yè)鏈中低端位置，普遍存在重訂單輕研發(fā)、重生產輕創(chuàng)新等問題，導致企業(yè)整體創(chuàng)新意識不強、創(chuàng)新基礎薄弱、工業(yè)設計水平不高，嚴重制約了企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，究其原因主要有以下3個方面。

一是從外部大環(huán)境來看，我國的工業(yè)發(fā)展經歷了引進、消化、吸收、再創(chuàng)新的發(fā)展過程。在很長的一段時期內，我國企業(yè)大多處于產業(yè)鏈的中低端位置，企業(yè)或是按照上游廠家提供的圖紙生產，或是在借鑒國外產品原型的基礎上做一些局部改良或優(yōu)化。

二是從企業(yè)內部來看，工業(yè)設計大多分為概念設計與工程設計。概念設計對應的是產品外觀設計，工程設計對應的是產品功能設計、結構設計等。一般都是先概念設計再結構設計，而且兩塊內容歸屬不同的部門、不同的人員來做，這是一種典型的自外而內、以外觀為先、由外觀驅動的設計，這類設計的特點是在設計之初，它已經有較為明確的參照物。因此，這樣設計出來的產品，創(chuàng)新性有待提升。

三是中小微企業(yè)因各種客觀因素，不能有效吸引并留住人才，從而進一步加劇了企業(yè)創(chuàng)新力度弱、創(chuàng)新積淀少、創(chuàng)新突破難等困境。在當下創(chuàng)新浪潮中，中小微企業(yè)亟須進一步掌握創(chuàng)新的方法與手段，從而為企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提速。

2 TRIZ+DMU融合應用于創(chuàng)新的可行性分析

2.1 TRIZ概述及應用現(xiàn)狀

TRIZ譯為“發(fā)明問題解決理論”，由蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒及其研究團隊在分析研究海量發(fā)明專利和創(chuàng)新案例基礎上，于1946年創(chuàng)建并提出的一整套創(chuàng)新方法理論體系。俄羅斯稱TRIZ為專家技術，美國稱創(chuàng)造力工程，日本稱發(fā)明技法。TRIZ包含了一系列指導人們分析和解決的方法，以及幫助創(chuàng)新設計的各類工具，其深刻地揭示了隱藏在發(fā)明背后的規(guī)律，從而指導人們有針對性地進行創(chuàng)新設計活動，進一步提高創(chuàng)新質量、效率與成功概率。TRIZ已逐步發(fā)展為支撐全球創(chuàng)新應用的重要方法和工具。

我國于1985年前后開始引入TRIZ，但真正在全國范圍內大規(guī)模推廣應用，則要從2008年科技部等四部委聯(lián)合發(fā)布的《關于加強創(chuàng)新方法工作的若干意見》（以下簡稱《意見》）開始，我國才正式啟動了“自主創(chuàng)新、方法先行”的創(chuàng)新方法專項工作?！兑庖姟分赋鰟?chuàng)新方法是指科學思維、科學方法和科學工具的總稱，《意見》的發(fā)布標志著創(chuàng)新方法工作已正式成為我國提升自主創(chuàng)新能力、貫徹創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略的一項重要基礎性的科技工作。在科技部等部門的大力推動下，經過10余年的快速發(fā)展，現(xiàn)已形成了政府高度重視、企業(yè)積極實施、高校人才培養(yǎng)的良好環(huán)境與氛圍，不僅有專項支持，還有全國性的大賽推動和相關標準出臺。根據國家科技部2015年公布的數據顯示，已經建設4個國家級基地和28個區(qū)域推廣應用基地，培育719家試點示范企業(yè)建設，協(xié)助企業(yè)申請發(fā)明專利2 584項，培養(yǎng)高端創(chuàng)新人才近4萬人。除了科技部的創(chuàng)新方法工作專項，廣東、河北、湖南等還設立了地方專項經費，推動本地創(chuàng)新方法推廣。全國有三一重工、中國機械工業(yè)集團、中國化工集團等近千家企業(yè)主動開展創(chuàng)新方法推廣應用活動。另外，清華大學、同濟大學等全國近百所高校開設了以技術創(chuàng)新方法為主的相關課程。2018年7月，中國科協(xié)和科技部聯(lián)合舉辦了首屆中國創(chuàng)新方法大賽，大賽設置了企業(yè)創(chuàng)新方法專項賽、大學生TRIZ專項賽和工業(yè)工程創(chuàng)新方法專項賽等3個賽事。2018年12月，GB/T 37097—2018企業(yè)創(chuàng)新方法工作規(guī)范、GB/T 37098—2018創(chuàng)新方法知識擴散能力等級劃分要求正式發(fā)布。

近年來，我國學者積極投入到TRIZ的研究與應用中來。丁朝霞[1]將TRIZ理論應用于航空發(fā)動機方案設計；趙鵬睿[2]在汽車造型語義設計中采用了TRIZ理論；史豐榮[3]研究了TRIZ理論在鉆井平臺質量控制中的應用；陳彥杰等[4]在新型煤泥重介質旋流器設計中應用了TRIZ理論；李付星[5]應用TRIZ沖突解決原理對壓路機進行了創(chuàng)新設計。韓立芳等[6]、翟金壘等[7]、白穎[8]分別探討了基于TRIZ理論的新型鋼筋骨架成型機、雙軸向經編機等機械設備研發(fā)；張軍峰等[9]、朱秀娟[10]分別研究了基于TRIZ理論的電動繪圖架和小家電設計；王耀文等[11]、羅金海等[12]、鄒振宇等[13]分別將TRIZ理論應用于煙田深耕機、方捆機煙苗剪葉機等農用機械類的設計研究中；屈淑維等[14]基于TRIZ及FAHP探討了機械系統(tǒng)運動的創(chuàng)新方案設計；劉江南等[15]將TRIZ應用于產品創(chuàng)新及生態(tài)設計方法中；張雷等[16]從TRIZ與專利分析結合的角度，探討了產品綠色創(chuàng)新設計方法。TRIZ正越來越廣泛地應用于裝備制造、工程機械、家電產品等創(chuàng)新研發(fā)設計中。值得一提的是，TRIZ理論本身也在發(fā)展進化中，通過不斷地融合和吸納一些優(yōu)秀的知識、方法和理論，始終與時代發(fā)展保持同步。TRIZ所提示的創(chuàng)新規(guī)律具有一般性，對不同的行業(yè)和產品創(chuàng)新都有一定的普適性與指導意義。

2.2 DMU概述及應用現(xiàn)狀

數字樣機（Digital Mock-Up，DMU）指以CAX技術為基礎，通過計算機表達，與實物具有1∶1的比例，能全面反映產品幾何屬性，并可實現(xiàn)功能和性能驗證的數字化模型。產品的數字樣機創(chuàng)建于產品研發(fā)設計階段，應用于產品設計、制造、組裝、銷售、使用、售后、維護以及回收等產品全生命周期，可實現(xiàn)產品的物理參數校對、機構運動分析、干涉碰撞校驗、功能性能仿真、制造過程模擬等方面，具有真實性、面向產品全生命周期和多學科交叉性3個特點。

20世紀80年代，計算機輔助設計CAD和計算機輔助工程CAE技術開始進入工程設計，全功能數字樣機技術逐漸發(fā)展起來。20世紀90年代，數字樣機系統(tǒng)應用于產品開發(fā)，如波音公司在波音777客機研制中就全面應用了三維數字化設計和數字化預裝配，大幅降低了研發(fā)成本，縮短了制造周期?，F(xiàn)今，隨著計算機性能的不斷提升，各類設計軟件不斷升級、優(yōu)化與完善，數字化樣機技術得到迅猛發(fā)展和普及應用，數字樣機正廣泛應用于汽車、航空、工程機械、電器等各個領域。我國學者也針對數字樣機及其應用開展了多領域多層次的研究。鄭黨黨等[17]研究了飛機設計中的數字樣機應用；韓喜等[18]研究了航天產品的數字樣機概念；王小迪[19]就航空企業(yè)制造數字樣機的建立與應用做了研究；方強等[20]研究了基于數字樣機的艦船維修性設計分析技術；曾淵等[21]探討了整車的數字樣機技術應用；楊維峰等[22]研究了基于數字樣機技術的柴油機設計優(yōu)化和面向設計重用的柴油機數字樣機構建技術；范凱等[23]將數字樣機應用于核工業(yè)設備全生命周期的應用研究中；華僑大學的科研團隊，將CAD，CAE，RP等各項數字樣機技術應用于鞋楦數字化設計制造系統(tǒng)、汽車車身骨架剛度匹配研究、汽車中前橫梁等關鍵部件的成型質量控制研究、電子類注塑件產品CAE分析等，取得了較好的成效[24-28]。

2.3 TRIZ+DMU融合應用可行性分析

工業(yè)設計的本質是解決問題，進而探尋解決問題的方案。產品只是解決方案的載體，或者說是解決方案的具體呈現(xiàn)。工業(yè)設計應從聚焦問題本身著手，深度剖析問題，針對問題創(chuàng)新思維，從而得到創(chuàng)造性的解決方案。TRIZ作為發(fā)明問題解決理論，主要用于產品概念設計階段，如果把TRIZ看成一個黑盒子，那么它的輸入就是創(chuàng)新的想法，而輸出則是一個或多個技術方案。但是，通過TRIZ得到的技術方案距離產品還有很長一段距離。要準確評估該方案是否可行，尤其是對于包含較多組件的較復雜的機械類產品而言，僅有技術方案就顯得較為抽象、空洞。雖然TRIZ中也鼓勵創(chuàng)新人員去評估驗證這個創(chuàng)新的設計方案是否可行，但這卻超出了TRIZ的范圍。

數字樣機則正好能與TRIZ形成互補。通過數字化樣機技術和工具，可將該技術方案迅速轉化為直觀可見的數字模型，從而讓研發(fā)人員準確掌握模型的外形尺寸、質量等物理數據，還可對關鍵機構進行模擬和有限元分析，生成渲染圖片或視頻，便于研發(fā)人員快速準確評估創(chuàng)新設計結果。

基于此，筆者提出了一種基于TRIZ+DMU融合應用和評估優(yōu)化（Integration of TRIZ and DMU and Optimization，ITDO）的科技創(chuàng)新方法，該方法有效整合了概念設計與工程設計環(huán)節(jié)，是一種自底向上、自內而外驅動創(chuàng)新方法，尤其適合在中小微企業(yè)中推廣應用，見圖1。該方法有利于激發(fā)萬眾創(chuàng)新的良好氛圍，有利于技術向產品的快速轉移，有利于科技與經濟的緊密結合。

圖1 TRIZ+DMU融合應用示意圖

3 ITDO的理論框架與技術路線

ITDO將產品創(chuàng)新的流程分為產品調研、概念設計、詳細設計、評估優(yōu)化4個階段。每個階段所需要完成的主要任務各有側重，采取的方法、手段也完全不同。一是產品調研階段，主要解決產品是什么的問題，并在充分調研的基礎上，準確定義設計目標，提出發(fā)明問題；二是概念設計階段，引入TRIZ理論，通過應用一系列工具，詳細剖析產品功能，分析導致發(fā)明問題的根本原因，并在TRIZ發(fā)明原理的提示下，探尋解決問題的技術方案；三是詳細設計階段，運用數字樣機技術，將技術方案轉換為直觀的、具體的、真實的、可評估的產品虛擬樣機；四是評估優(yōu)化階段，通過設計前后的比對，評估是否解決了發(fā)明問題，設計結果是否滿足了設計預期目標。并通過修正、優(yōu)化進一步完善產品設計。ITDO技術路線見圖2。

圖2 ITDO技術路線圖

4 一體式移動照明車創(chuàng)新設計應用案例

移動照明車（Mobile Lighting Vehicle）又稱移動燈塔或移動照明燈塔（Mobile Light Tower），是一種工業(yè)特種照明設備。因其具有自供電、應急照明、快速部署、安全系數高等優(yōu)點，廣泛應用于夜間搶險救災、野外工程作業(yè)、緊急維護搶修等電網未能覆蓋的場合。

4.1 產品調研

通過專利、文獻檢索以及電商平臺、互聯(lián)網和實地調研等渠道，多方面收集移動照明車的性能、參數及特點等相關信息，通過分析與梳理摸清移動照明車的技術發(fā)展脈絡，詳細繪制它的家族圖譜。移動照明車具有高亮度、大光照、可移動性等技術特點，其從起步到發(fā)展再到成熟，經歷了外形由小到大、系統(tǒng)由簡易到復雜、技術由一般到先進、用途由普通到特種的發(fā)展過程。但與此同時，移動照明車體積大、質量重、價格高等不足也愈加明顯。以目前典型的拖拽式移動照明車為例，其整機尺寸可達到3.5 m×1.5 m×2.5 m，注滿燃油時質量甚至可達1 500 kg，售價高達十幾萬元不等，與一輛中級轎車相當。對比移動照明車所提供的最核心的照明功能和為實現(xiàn)此功能所付出的代價來看，移動照明車需通過創(chuàng)新設計進行改良或升級換代。在此階段可以得出初步的產品創(chuàng)新設計目標：在保證移動照明車輸出工業(yè)級別照明功能的前提下，大幅縮減產品的體積和質量，并降低產品價格。

4.2 概念設計

根據調研結果與設計目標，在此階段利用TRIZ理論，結合反向魚骨圖、功能分析、因果分析、矛盾沖突、進化法則與理想解等一系列工具，分析引發(fā)問題的原因，創(chuàng)造性思維并探討可能的技術方案，最終找出解決問題的可行技術方案。TRIZ解決發(fā)明問題的流程是先將具體問題轉化為一般性問題，將現(xiàn)有移動照明車存在的問題轉化為一般性問題并用TRIZ語言來描述，就得到該產品的技術矛盾：“如果增加燈組功率，那么改善了光照度，但惡化了靜止物體的重量、物體的體積、物質損失、可操作性等參數”。依據TRIZ求解的提示，同時結合產品實際，分析在該發(fā)明原理的指引方向下，是否存在可能的解決方案。剔除掉不適用的解，綜合考量各步驟的分析結果和TRIZ提示的可能技術方案，形成一個總體的技術方案，包括：采用LED、分離燈組、選用氣動升降燈桅、升降燈桅可放倒、選用蓄電池組替代發(fā)電機組、裁剪移動底盤。

4.3 詳細設計

TRIZ提示的技術方案較為抽象，需進一步應用數字樣機技術，將該方案轉變?yōu)楦又庇^的、真實的、具體的、可評估驗證的三維數字樣機。通過相關三維CAD軟件，結合使用TOP-DOWN、參數化設計、零件建模、組件裝配、標準件庫等技術與資源，可以快速構建出本例的實體模型。此時的實體模型已滿足整機尺寸和體積數據要求，再通過設定零部件材料屬性，就可得到每個零部件及組件的質量數據。從模型獲取得產品的外形尺寸及質量數據為：外形尺寸為1 920 mm×740 mm×315 mm；產品質量為153 kg。還可利用機構運動模塊對產品的相關運動情況進行模擬，檢查可能存在的干涉、碰撞情況。對重要的零部件進行有限元分析，根據分析結果進行優(yōu)化設計，在保證結構強度的前提下盡可能輕量化，提高產品可靠性、穩(wěn)定性與經濟性。

4.4 評估驗證

對照本例的創(chuàng)新設計目標：“在保證移動照明車輸出工業(yè)級別照明功能的前提下，大幅縮減產品的體積和質量，并降低產品價格”。將移動照明車創(chuàng)新設計前后的相關數據進行比對，并綜合評估其外觀、功能、性能、可操作性、運輸、后期生產制造及環(huán)保等各方面因素，得出以下評估結論：應用ITDO方法創(chuàng)新設計后的一體式移動照明車，解決了發(fā)明問題，實現(xiàn)了設計目的，達到了設計要求，對照結果見表1。

表1 創(chuàng)新設計前后性能參數對照表

5 結論

面向中小微企業(yè)的TRIZ+DMU融合應用的科技創(chuàng)新方法，充分融合應用了TRIZ和DMU的技術優(yōu)勢，將創(chuàng)新設計的流程分為產品調研、概念設計、詳細設計和評估優(yōu)化4個階段。每個階段所需要完成的主要任務都有所側重，采取的方法、手段也完全不同。產品調研是創(chuàng)新的基礎，在概念設計階段導入TRIZ理論，梳理分析產品功能，明確定義發(fā)明問題，并在TRIZ系統(tǒng)工具的支撐下，探尋解決發(fā)明問題的技術方案。在詳細設計階段運用數字樣機技術，將TRIZ輸出的技術方案轉換為直觀的、具體的、真實的、可評估的產品虛擬樣機。最后通過設計前后的比對，評估設計結果是否滿足設計預期目標，并通過修正、優(yōu)化進一步完善產品。

目前，該方法已成功應用于移動照明車的創(chuàng)新設計案例中。現(xiàn)有的移動照明車通過創(chuàng)新設計后，擺脫了“移動底盤+升降燈桅+發(fā)電機組”的典型模式，實現(xiàn)了一體式移動照明車的全新結構功能，空間體積減少96.3%，質量減輕87.8%。綜合對一體化移動照明車的外觀、功能、性能、可操作性、運輸、后期生產制造及環(huán)保等方面進行全面評估，認為經過創(chuàng)新設計后的一體式移動照明車具有明顯的技術優(yōu)勢，是新一代移動照明車的進化發(fā)展趨勢。成功應用的案例也進一步佐證了數字樣機+TRIZ融合應用的產品創(chuàng)新設計方法的有效性。