葛標(biāo)標(biāo)，楊春燕

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所，廣東 廣州 510006；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

可拓學(xué)是以矛盾問(wèn)題為研究對(duì)象，以形式化的模型，探討事物拓展的可能性以及開(kāi)拓創(chuàng)新的規(guī)律與方法的一門(mén)新學(xué)科[1-2]。在可拓學(xué)中，解決矛盾問(wèn)題的工具是可拓變換，運(yùn)用可拓變換可以將不可知問(wèn)題變?yōu)榭芍獑?wèn)題，不可行問(wèn)題變?yōu)榭尚袉?wèn)題，從而形成解決問(wèn)題的方案[1-2]。由于相關(guān)網(wǎng)的普遍存在，當(dāng)對(duì)某個(gè)對(duì)象實(shí)施可拓變換進(jìn)行創(chuàng)新或解決矛盾問(wèn)題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致與其相關(guān)的其他對(duì)象發(fā)生傳導(dǎo)變換，傳導(dǎo)效應(yīng)具有正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)之分[1-2]。有些問(wèn)題，直接實(shí)施主動(dòng)變換可能無(wú)法解決，此時(shí)可以充分利用相關(guān)網(wǎng)和傳導(dǎo)變換去解決。因此，必須重視對(duì)傳導(dǎo)變換及傳導(dǎo)效應(yīng)的研究，使其成為幫助人們創(chuàng)新和解決矛盾問(wèn)題的重要工具。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用可拓學(xué)中的基元理論，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)中的相關(guān)關(guān)系傳導(dǎo)變換進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[4]對(duì)于基元中某特征量值累積多次主動(dòng)變換后，才會(huì)引起傳導(dǎo)變換的問(wèn)題進(jìn)行深入研究；文獻(xiàn)[5]將過(guò)程元與可拓集合理論相結(jié)合，提出了過(guò)程元在可拓變換下的傳導(dǎo)過(guò)程元的概念。

科學(xué)效應(yīng)庫(kù)作為T(mén)RIZ中How to模型的問(wèn)題解決工具[6]，能夠?qū)崿F(xiàn)功能到原理的映射?？茖W(xué)效應(yīng)(簡(jiǎn)稱(chēng)為效應(yīng))是科學(xué)效應(yīng)庫(kù)的主要知識(shí)資源，能夠描述在科學(xué)原理和系統(tǒng)屬性控制下輸入量和輸出量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[7]。文獻(xiàn)[8]針對(duì)物理效應(yīng)難以選擇的問(wèn)題，提出了一種物理效應(yīng)施加前后的組合狀態(tài)的表示方法；文獻(xiàn)[9]為了加快計(jì)算機(jī)輔助生態(tài)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出了基于TRIZ科學(xué)效應(yīng)庫(kù)與案例推理協(xié)同的方法；文獻(xiàn)[10]提出了一種對(duì)物理效應(yīng)重新分類(lèi)的方法。根據(jù)可拓學(xué)與TRIZ各自的特點(diǎn)，學(xué)者們對(duì)二者的集成化進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[11]將可拓學(xué)中的拓展變換應(yīng)用到效應(yīng)推理中，將推理過(guò)程分為流拓展變換和效應(yīng)拓展變換兩個(gè)階段，最終獲得創(chuàng)新解；文獻(xiàn)[12]將TRIZ第二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)解用可拓變換具體地一一表達(dá)出來(lái)；文獻(xiàn)[13]將TRIZ中的40條發(fā)明原理用可拓變換逐個(gè)表達(dá)，驗(yàn)證二者之間相互關(guān)聯(lián)；文獻(xiàn)[14]將可拓學(xué)與TRIZ相結(jié)合，為低碳設(shè)計(jì)提出一種新的模型；文獻(xiàn)[15]在可拓學(xué)與TRIZ差異性的基礎(chǔ)上，提出二者結(jié)合的矛盾問(wèn)題解決方法，但是對(duì)科學(xué)效應(yīng)內(nèi)容的可拓學(xué)表達(dá)研究尚未涉及。

本文針對(duì)TRIZ中科學(xué)效應(yīng)使用過(guò)程的模糊性以及選擇的不確定性，提出基于可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的形式化表達(dá)方式，重點(diǎn)研究了物理效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系，驗(yàn)證了該研究方法的可行性。

1 可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)與科學(xué)效應(yīng)簡(jiǎn)介

1.1 可拓變換與傳導(dǎo)效應(yīng)

在可拓學(xué)中，創(chuàng)新與解決矛盾問(wèn)題的工具是可拓變換，包括主動(dòng)變換和傳導(dǎo)變換[1-2]，變換對(duì)象可以是基元、復(fù)合元、準(zhǔn)則或論域。由于本文研究的科學(xué)效應(yīng)都是對(duì)物體而言的，因此下面只介紹物元的主動(dòng)變換、傳導(dǎo)變換與傳導(dǎo)效應(yīng)。

1) 主動(dòng)變換

設(shè)物元M0，將M0主動(dòng)實(shí)施某一變換改變?yōu)榱硪粋€(gè)同類(lèi)物元M或多個(gè)同類(lèi)物元M1,M2,···,Mn的變換，稱(chēng)為對(duì)象M0的主動(dòng)變換，記作：φM0=M或φM0={M1,M2,···,Mn}。

主動(dòng)變換是主動(dòng)實(shí)施的可拓變換，主要變換方法包括基本變換方法和可拓變換的運(yùn)算方法等[1]?；咀儞Q方法包括置換變換、增刪變換、擴(kuò)縮變換、分解變換和復(fù)制變換。

在解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，僅僅使用基本變換方法可能不能有效地解決，需要多種變換的組合才能解決問(wèn)題。可拓學(xué)提出了可拓變換的運(yùn)算方法，其中包括積變換方法、與變換方法、或變換方法和逆變換方法。具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[1-2]。

2) 傳導(dǎo)變換與傳導(dǎo)效應(yīng)

傳導(dǎo)變換是由于主動(dòng)變換的實(shí)施而引起的相關(guān)對(duì)象發(fā)生的被動(dòng)變換。下面介紹物元的傳導(dǎo)變換與傳導(dǎo)效應(yīng)。

1.2 TRIZ中科學(xué)效應(yīng)的類(lèi)型及表達(dá)

科學(xué)效應(yīng)是各個(gè)領(lǐng)域的定律和原理，它是物體或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某種功能的“能量”和“作用力”,一般采用輸入輸出關(guān)系來(lái)描述[6]。現(xiàn)代TRIZ中認(rèn)為，輸入與輸出形成效應(yīng)；統(tǒng)一的發(fā)明思想(Unified Structured Inventive Thinking，USIT)中認(rèn)為，輸入與輸出經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換形成效應(yīng)；德國(guó)人Pahl和 Beitz認(rèn)為，輸入與輸出經(jīng)過(guò)變換形成效應(yīng)；統(tǒng)一的TRIZ(簡(jiǎn)稱(chēng)U-TRIZ)中認(rèn)為，兩個(gè)屬性相互作用形成效應(yīng)[16]。但對(duì)科學(xué)效應(yīng)的這些研究，都沒(méi)有形式化定量化地表述效應(yīng)中輸入與輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

科學(xué)效應(yīng)可以分為：物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、幾何效應(yīng)和生物效應(yīng)等[16]。下面以部分物理效應(yīng)為例，描述其輸入與輸出關(guān)系，如表1所示。

表1 部分物理效應(yīng)的表達(dá)Table 1 Expression of some physical effects

2 科學(xué)效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系

TRIZ中科學(xué)效應(yīng)庫(kù)解決問(wèn)題主要是根據(jù)解決問(wèn)題所需要的功能，查找實(shí)現(xiàn)該功能相應(yīng)的科學(xué)效應(yīng)，選擇合適的效應(yīng)，得到問(wèn)題的解。但是一個(gè)功能可能會(huì)對(duì)應(yīng)多個(gè)效應(yīng)，這些效應(yīng)也并沒(méi)有給出技術(shù)系統(tǒng)具體的變換形式，所以找到合適的科學(xué)效應(yīng)是非常困難的。而可拓變換能夠形式化、定量化地表述問(wèn)題變換過(guò)程。下面針對(duì)目前在技術(shù)領(lǐng)域中使用比較多的物理效應(yīng)，研究它們與可拓變換和傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系，以方便在利用可拓創(chuàng)新方法進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新或解決技術(shù)創(chuàng)新中的矛盾問(wèn)題時(shí)應(yīng)用。限于篇幅，其它科學(xué)效應(yīng)與可拓變換及傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系將另文研究。

2.1 熱膨脹效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系

熱膨脹效應(yīng)是指物體由于溫度改變或被加熱時(shí)有改變尺寸(如長(zhǎng)度、面積、體積等)的趨勢(shì)[16]。下面以固體或者液體的體熱膨脹為例，介紹熱膨脹效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系。線(xiàn)熱膨脹、面熱膨脹同理，此略。

2.2 熱雙金屬效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系

熱雙金屬效應(yīng)是指由兩種或兩種以上不同膨脹系數(shù)的金屬或者合金沿著整個(gè)接觸面牢固復(fù)合在一起，其具有隨著溫度變化而發(fā)生變形的特點(diǎn)[18]。熱敏感性作為衡量熱雙金屬對(duì)溫度敏感程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常用比彎曲、彎曲系數(shù)、溫曲率和敏感系數(shù)4種方法表示[19]。下面以比彎曲為例介紹熱雙金屬效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系。

設(shè)Of為復(fù)合材料，由Oz和Ob通過(guò)機(jī)械方式復(fù)合而成，其中：Oz為線(xiàn)熱膨脹系數(shù)高的主動(dòng)層金屬，Ob為線(xiàn)熱膨脹系數(shù)低的被動(dòng)層金屬，且

2.3 形變效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系

形變效應(yīng)是指由于對(duì)物體施加了某種力，可能是拉力、壓縮力、剪力、彎曲力 或扭轉(zhuǎn)力，導(dǎo)致物體在形狀和尺寸上發(fā)生變化[16]。下面以對(duì)某桿件實(shí)施拉力產(chǎn)生的彈性拉伸形變?yōu)槔?，介紹形變效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系。

設(shè)Og為某桿件，且

根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)和可拓學(xué)中的相關(guān)規(guī)則可知：物元Mg1,Mg2,Mg3具有如下單向與相關(guān)關(guān)系

再根據(jù)主動(dòng)變換與傳導(dǎo)變換可知，若實(shí)施主動(dòng)變換φg=φg1∧φg2，使

該傳導(dǎo)變換屬于同對(duì)象異特征基元間的傳導(dǎo)變換，其傳導(dǎo)效應(yīng)為

2.4 磁致伸縮效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系

磁致伸縮效應(yīng)是指磁性物質(zhì)在磁化過(guò)程中因外磁場(chǎng)條件的改變而發(fā)生幾何尺寸可逆變化的效應(yīng)[21]。下面以縱向磁致伸縮效應(yīng)為例，介紹磁致伸縮效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系。

設(shè)Om為磁場(chǎng)，Od為某磁性物體的磁疇，Oo為某磁性物體，且

2.5 壓電效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系

壓電效應(yīng)是指某些物體受到外力作用發(fā)生機(jī)械應(yīng)變時(shí)，在體內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)使物體兩端產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)[23]。壓電材料是受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。利用壓電材料可實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)和交流電的互相轉(zhuǎn)換。下面以壓電陶瓷材料的正壓電效應(yīng)為例，介紹壓電效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系。

正壓電效應(yīng)是指當(dāng)壓電材料受到某個(gè)固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某2個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，材料又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)[23]。

設(shè)Ot為物體某種壓電陶瓷材料，Otz為某種壓電陶瓷材料的內(nèi)部正電荷，Otf為某種壓電陶瓷材料的內(nèi)部負(fù)電荷，且

根據(jù)壓電陶瓷壓電應(yīng)變常數(shù)d33的定義[24]，可得壓電陶瓷壓電應(yīng)變數(shù)常d33與傳導(dǎo)效應(yīng)之間的關(guān)系為

2.6 相變效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系

相變效應(yīng)是指物體從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過(guò)程[16]。下面以水的相變效應(yīng)為例，介紹相變效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系。

設(shè)Os為超系統(tǒng)，Oy為液體，且

該傳導(dǎo)變換屬于異對(duì)象異特征基元間的傳導(dǎo)變換，其傳導(dǎo)效應(yīng)為

2.7 形狀記憶效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系

形狀記憶效應(yīng)是指具有一定形狀的固體材料，在某種條件下經(jīng)過(guò)一定的塑性變形后，即加熱到一定溫度，材料又恢復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象[26]。下面以單程記憶效應(yīng)為例，介紹形狀記憶效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系。

設(shè)Ox為某種形狀記憶合金，且

2.8 建立物理效應(yīng)與可拓變換和傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系的一般方法

綜上所述，建立物理效應(yīng)與可拓變換和傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系的一般方法如下：(1) 根據(jù)物理效應(yīng)的內(nèi)容建立物元模型；(2) 由領(lǐng)域知識(shí)和物元相關(guān)規(guī)則，可得到物元之間的相關(guān)關(guān)系，形成相關(guān)鏈；(3) 根據(jù)主動(dòng)變換與傳導(dǎo)變換知識(shí)，對(duì)相關(guān)網(wǎng)中某物元實(shí)施主動(dòng)變換，會(huì)得到一系列的傳導(dǎo)變換；(4) 根據(jù)傳導(dǎo)效應(yīng)的計(jì)算方法，計(jì)算出第n次傳導(dǎo)變換的傳導(dǎo)效應(yīng)；(5) 根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)中衡量物理效應(yīng)的計(jì)算方法，建立其與傳導(dǎo)效應(yīng)的換算關(guān)系。

其他類(lèi)型的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和幾何效應(yīng)等，也可以采取同樣的方法研究它們與可拓變換、傳導(dǎo)變換的關(guān)系。

3 總結(jié)

TRIZ中總結(jié)出的科學(xué)效應(yīng)，對(duì)于解決產(chǎn)品創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新中的矛盾問(wèn)題具有非常重要的作用。可拓學(xué)中的可拓變換包括主動(dòng)變換與傳導(dǎo)變換，是用形式化方法解決矛盾問(wèn)題的重要工具，傳導(dǎo)效應(yīng)是衡量傳導(dǎo)變換的效果的定量化指標(biāo)。本文重點(diǎn)研究了科學(xué)效應(yīng)中的物理效應(yīng)與可拓變換、傳導(dǎo)效應(yīng)的關(guān)系。利用可拓變換和傳導(dǎo)效應(yīng)，可以準(zhǔn)確而詳細(xì)地描述各種物理效應(yīng)的主要內(nèi)容，以便人們理解各物理效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理以及輸入與輸出量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，也為結(jié)合物理效應(yīng)與可拓變換解決工程技術(shù)領(lǐng)域的矛盾問(wèn)題提供依據(jù)和方法，具有一定的普適性。同時(shí)，本文的研究為發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)效應(yīng)提供了一種新的形式化思路，也為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)面向可拓智能設(shè)計(jì)的可拓知識(shí)庫(kù)打下良好基礎(chǔ)。