陳美蓉，江 帆，黃浩翔，黃海濤，黃玉琴

（廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006）

產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計可以不斷完善產(chǎn)品功能，提高市場競爭力[1]。創(chuàng)新方法對提高產(chǎn)品設(shè)計的效率、縮短設(shè)計周期、減低生產(chǎn)成本來說非常重要。近幾十年來，創(chuàng)新方法的研究得到了眾多學(xué)者的關(guān)注。常用的創(chuàng)新方法有可拓創(chuàng)新方法、發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving, TRIZ)、質(zhì)量功能展開理論(Quality Function Depployment, QFD)[2]等。其中，可拓創(chuàng)新方法作為我國的原創(chuàng)創(chuàng)新方法，在創(chuàng)新設(shè)計方面應(yīng)用廣泛。李仔浩等[3]將可拓創(chuàng)新方法應(yīng)用到發(fā)電機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計中，對發(fā)電機(jī)建立了形式化、定量化的可拓模型，增強(qiáng)了發(fā)電機(jī)開展創(chuàng)新設(shè)計的可操作性；王體春等[4]對復(fù)雜產(chǎn)品的可拓設(shè)計模式進(jìn)行了深入分析，提出一種基于可拓本體蘊(yùn)含系的復(fù)雜產(chǎn)品可拓設(shè)計模型，并具體分析相應(yīng)模型的實現(xiàn)步驟和算法的實現(xiàn)框架，最后以水輪機(jī)設(shè)計為例，驗證復(fù)雜產(chǎn)品可拓設(shè)計的有效性和可行性。唐文艷等[5]根據(jù)使用A4打印機(jī)在A3打印紙打印內(nèi)容的需要和條件的矛盾關(guān)系，對問題建立可拓基元模型，然后以棱形思維為引導(dǎo)，設(shè)計了折疊紙打印機(jī)。

為了進(jìn)一步提高可拓創(chuàng)新方法解決問題的效率，近年來國內(nèi)學(xué)者深入探討了可拓創(chuàng)新方法與TRIZ理論相融合的方法。李蘇洋等[6]提出了運(yùn)用可拓學(xué)與TRIZ結(jié)合的方法來解決矛盾問題，給出了實際應(yīng)用案例。江帆等[7-9]從多角度將可拓學(xué)與TRIZ進(jìn)行融合，建立多種問題求解模式，并以創(chuàng)新設(shè)計為例進(jìn)行可行性驗證，擴(kuò)充關(guān)于問題的求解路徑。周賢永等[10]以可拓變換方法表述TRIZ的40條發(fā)明原理，為人們尋找發(fā)明原理提供參考依據(jù)。郭恒發(fā)等[11]對TRIZ和基元建模的融合做進(jìn)一步的細(xì)化研究，提高產(chǎn)品創(chuàng)意方案的生成效率。陳曉菁等[12]將TRIZ理論功能分析系統(tǒng)化、層次化的優(yōu)點和可拓變換方法的可拓展性相融合，提出可拓變換的專利產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法。李千靜等[13]將發(fā)散樹和TRIZ理論的計算機(jī)輔助創(chuàng)新(Computer Aided Innovation，CAI)技術(shù)相融合，設(shè)計了可拓規(guī)避模型，進(jìn)一步豐富了產(chǎn)品的專利規(guī)避設(shè)計路徑。張文林等[14]將功能分析和基元理論形式化的優(yōu)點相融合，加強(qiáng)對信息的理解和挖掘。

蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒對物場分析求解問題的方法進(jìn)行總結(jié)，得出了6種一般解法和76種標(biāo)準(zhǔn)解法。但是一般解法和標(biāo)準(zhǔn)解法的描述都比較抽象，在求解中過度依賴于工程師的經(jīng)驗知識[15]。而基元模型是可拓創(chuàng)新方法用形式化語言表達(dá)事、物、關(guān)系的模型描述，基元包括事元、物元及關(guān)系元[16]。本文在融合可拓創(chuàng)新方法和TRIZ的基礎(chǔ)上，具體地將物場分析方法用基元模型表示，并對一般解法基元模型進(jìn)行拓展與變換，建立物場?可拓創(chuàng)新方法。應(yīng)用這種方法對稠油輸送工程中的油水環(huán)狀流的成型元件進(jìn)行設(shè)計，證實物場?可拓創(chuàng)新方法的可行性。

1 基元與物場分析方法

1.1 基元及其拓展分析與變換

可拓創(chuàng)新方法一般經(jīng)歷建模、拓展、變換和評價四步，建模中主要是建立基元模型，包括物元、事元和關(guān)系元等。物元是產(chǎn)品模型化的表示，由對象、特征、關(guān)于特征的量值三要素構(gòu)成。事元是產(chǎn)品功能的模型化表示，表達(dá)物與物的相互作用，反應(yīng)用戶對產(chǎn)品功能的需求，由動作、動作特征、特征的量值三要素構(gòu)成。關(guān)系元是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模型化表示，由關(guān)系詞、關(guān)系特征、特征的量值三要素構(gòu)成?；囊话惚磉_(dá)式記作

式中：O表示對象，即物、動作或者關(guān)系名，c1，c2，···，cn表示對象O的n個特征，v1，v2，···，vn是對象O關(guān)于特征c1，c2，···，cn相對應(yīng)的量值。例如，E企業(yè)的目標(biāo)是“用1年的時間提高10%的市場占有率”，用事元形式化表達(dá)為

特別地，對于復(fù)雜的描述對象，需要用物元、事元、關(guān)系元的復(fù)合形式來表達(dá)，稱這種復(fù)雜的基元為復(fù)合元。如“用100 mL的容器裝紅色的液體”，用物元和事元的復(fù)合形式表達(dá)為

拓展分析用形式化的方法對基元進(jìn)行拓展，從而得到多種解決問題思路。拓展分析方法包括發(fā)散樹方法、相關(guān)網(wǎng)方法、蘊(yùn)含系方法、分合鏈方法?？赏刈儞Q是把一個對象變?yōu)榱硪粋€對象或者分解為若干對象?？赏刈儞Q方法包括基本變換、運(yùn)算變換、傳動變換、共軛變換。拓展分析是可拓變換的前提[16]。

1.2 物場分析方法

物場分析方法是TRIZ理論中一種問題分析的工具[17]。物場分析方法從物質(zhì)和場的角度來分析和構(gòu)造最小的技術(shù)系統(tǒng)，以語言符號建立系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)間的相互關(guān)系模型，直觀表達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能之間的關(guān)系。每個技術(shù)系統(tǒng)的出現(xiàn)都是為了實現(xiàn)某種確定的功能。因此，物場分析方法是建立在現(xiàn)有產(chǎn)品的功能分析基礎(chǔ)上的，在建立現(xiàn)有產(chǎn)品功能模型的過程中可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中存在有害作用、不足作用及過度作用等問題，常用的符號如表1所示。

表1 模型中常用的符號Table1 Common symbols in the model

通過對大量的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，一個技術(shù)系統(tǒng)若要發(fā)揮其有用的功能，至少構(gòu)成1種最小的系統(tǒng)模型，這個最小的系統(tǒng)模型包含了3個必要的元素：2種物質(zhì)(物質(zhì)S1、S2)和一個場(F)。在物場分析中以“三角形”的方式對以上三者的關(guān)系進(jìn)行表達(dá)，如圖1所示。其中，S1通常表示接受作用的工件，S2表示對工件S1施加作用的工具。

圖1 基本物場模型Fig.1 Basic substance-field model

物場模型中，物質(zhì)是廣義的物質(zhì)，包括材料、技術(shù)系統(tǒng)或其子系統(tǒng)、外部環(huán)境甚至各種生物，如地球、水、計算機(jī)等。廣義定義物質(zhì)可以充分展示系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)間和外部因素對系統(tǒng)的影響。場表示物質(zhì)間的相互作用或效應(yīng)，是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要手段，在工程技術(shù)中，常將場定義為物理學(xué)中的場，即重力場、電磁場、機(jī)械場、聲場等。

1.3 基于基元的物場模型

對于物場模型出現(xiàn)的問題，TRIZ提供解決問題的一般解法有6種，適用于所有物場問題。但是一般解法的結(jié)果比較固定，對經(jīng)驗知識的依賴性比較強(qiáng)，問題適配性差。林貴杰等[18]結(jié)合黑箱模型提出了物場分析與可拓學(xué)相結(jié)合的概念設(shè)計模型，增強(qiáng)了物場分析的使用性；但是該模型僅單一地建立了2種物質(zhì)和場之間的事元模型，沒有具體分析2種物質(zhì)和場三者間的兩兩關(guān)系。為了增強(qiáng)一般解法的可拓性，本文采用基元模型描述物場分析方法，以M1、M2、M3分別表示物質(zhì)S1、S2和場F(需要注意的是，物場模型中物質(zhì)有時也是一種結(jié)構(gòu)，故M1和M2也可能是結(jié)構(gòu)關(guān)系元R1、R2)，以事元A1、A2、A3分別表示場F和物質(zhì)S1、場F和物質(zhì)S2、S1和S2之間的相互作用，關(guān)系元R表示物質(zhì)S2對物質(zhì)S1的效應(yīng)關(guān)系，場F以關(guān)聯(lián)媒介形式發(fā)揮作用。這里的事元和關(guān)系元都是復(fù)合元，如圖2所示。

圖2 物場模型的基元描述Fig.2 Elementary description of substance-field model

值得注意的是，關(guān)系元是對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行首次評價的基元，其中效應(yīng)程度的量值是評價的衡量指標(biāo)，直接判斷系統(tǒng)是否需要改進(jìn)。

對于一個完整有效的物場模型，基元模型有

用基元模型具體地描述物場模型中物、場的特征和量值以及各元素間的關(guān)系，使關(guān)于一般解法的模型能夠做進(jìn)一步的拓展與變換，從而擴(kuò)大一般解法關(guān)于問題的求解范圍。

2 基元物場?可拓創(chuàng)新方法的應(yīng)用

2.1 物場?可拓創(chuàng)新方法的構(gòu)建

物場分析中，基本的物場模型有4類，分別是有效的完整物場模型、不完整模型、效應(yīng)不足模型和有害效應(yīng)模型。有效完整模型是設(shè)計者所追求的結(jié)果，不需要進(jìn)行改進(jìn)，后三者是技術(shù)系統(tǒng)未能滿足使用功能的問題模型，需要對其進(jìn)行求解。對于問題模型，研究者總結(jié)了6種一般解法，如表2所示。

表2 物場分析的6種一般解法Table2 Six kinds of general solutions about substance-field analysis

以物場效應(yīng)不足模型為例詳細(xì)闡述物場?可拓創(chuàng)新方法的應(yīng)用。效應(yīng)不足的問題模型如圖3所示。技術(shù)系統(tǒng)出現(xiàn)效應(yīng)不足的問題，用關(guān)于M2對M1的復(fù)合事元A3和技術(shù)系統(tǒng)的復(fù)合關(guān)系元R來描述。

圖3 效應(yīng)不足模型Fig.3 Insufficient effect model

根據(jù)對技術(shù)系統(tǒng)效應(yīng)不足問題的分析，可能是工具M(jìn)2對工件M1的作用不足，也可能是場M3的作用效應(yīng)不足。

針對效應(yīng)不足問題，查詢表2，可以選擇一般解法4～6來求解。這里假設(shè)M1、M2一定時，功能的不足表現(xiàn)為場的效應(yīng)程度不足，那么需要對場進(jìn)行求解，故選用一般解法4，即引入場M3′代替原有的場。根據(jù)物場模型元素的相關(guān)性分析，進(jìn)行拓展與變換，M3的量值先實施主動變換得

實際上，也可以對M3的對象或者特征實施主動變換，分析方法與量值實施的主動變換一樣，這里不再展開具體分析。根據(jù)傳導(dǎo)變換法則，場M3實施主動變換后將引起復(fù)合事元A1、A2、A3發(fā)生被動傳導(dǎo)變換，則有

經(jīng)過一系列的可拓與變換后，最終得到具體的求解方案。復(fù)合關(guān)系元發(fā)生被動傳導(dǎo)變換有

經(jīng)過上述的求解分析，求解后的有效完整的物場模型如圖4所示。

圖4 求解后的模型Fig.4 Model after solution

實際使用中，可以將上述過程視作一個具體的物場模型的一般解法的拓展與變換的特定規(guī)則(這里是一般解法4的拓展變換規(guī)則，其他解法類似)，直接利用這個規(guī)則得到待求解系統(tǒng)的一個解決方案，不需具體重復(fù)這個過程。

2.2 求解流程

針對創(chuàng)新問題的求解，設(shè)計物場?可拓創(chuàng)新方法的求解流程圖，如圖5所示。具體的流程為：(1) 選取存在問題的技術(shù)系統(tǒng)，初步分析當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問題，縮小問題區(qū)域范圍；(2) 對存在問題的區(qū)域進(jìn)行具體描述，并構(gòu)建物場模型，采用基元模型描述物場模型；(3) 判斷上述物場模型的類型，根據(jù)問題類型選擇相對應(yīng)的一般解法；(4) 運(yùn)用選定的一般解法的基元模型進(jìn)行拓展分析和可拓變換，以生成具體的創(chuàng)意或方案；(5) 利用優(yōu)度評價法對生成的創(chuàng)意或解進(jìn)行優(yōu)度評價，選擇最優(yōu)創(chuàng)意或解，結(jié)束求解。若所選擇的最優(yōu)創(chuàng)意或解不能改善技術(shù)系統(tǒng)，則需重新判斷物場模型的類型，再求解問題。

圖5 問題求解流程Fig.5 Problem solving process

3 案例分析

3.1 選取待求解系統(tǒng)

稠油是一種密度大、黏度高、流動性差的石油，在輸送的過程中需要消耗大量的能量才能克服其流動流阻。由于水的黏度(1.005 mPa·s)與稠油的黏度(＞50 mPa·s)相差較大，而兩者的密度相近，因此有學(xué)者提出，以環(huán)狀流的流型輸送稠油(水包裹稠油)能減少流動摩擦的損失。環(huán)狀流的形成與流動，是本文選擇的一個技術(shù)系統(tǒng)。

3.2 分析物場模型，確定問題

在液體的流動中，特別是兩相流或多相流，壓力是驅(qū)動流動的關(guān)鍵因素，因此，在選擇的技術(shù)系統(tǒng)中，壓力場是發(fā)生效應(yīng)的物理場。環(huán)狀流是特殊的兩相流(由環(huán)狀水相和中心油相組成)流型，僅僅依靠壓力場和普通管道難以在輸送初期形成完整的環(huán)狀流流型。構(gòu)建物場模型如圖6所示，其中，M1是環(huán)狀流S1的物元模型 ，M2是普通管道S2的物元模型，M3是壓力場F的物元模型，A3是管道S2對環(huán)狀流S1產(chǎn)生作用的復(fù)合事元模型，R是M1和M2效應(yīng)關(guān)系的復(fù)合關(guān)系元模型。

圖6 現(xiàn)有系統(tǒng)的物場模型Fig.6 Substance-field model of existing system

根據(jù)上述分析，將油水環(huán)狀流形成的技術(shù)系統(tǒng)的物場模型，用基元描述為

3.3 選則一般解法

分析當(dāng)前物場模型發(fā)現(xiàn)，普通管道S2無法快速形成完整的環(huán)狀流S1，故物場模型是效應(yīng)不足模型。查詢表2，選擇一般解法6，即引入第三種物質(zhì)S2′和第二個場F′替代原有的普通管道S2和壓力場F。

3.4 拓展與變換，生成創(chuàng)意

技術(shù)系統(tǒng)中環(huán)狀流的難以形成與普通管道S2的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，根據(jù)環(huán)狀流水包裹稠油的特點與一般解法6的啟示(即把解法6作為一種拓展變換)，先由普通管道物元M2拓展變換出能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)狀流流型的環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)關(guān)系元R1，包含管道S2與進(jìn)油管S3的連接關(guān)系R2和管道S2與進(jìn)水管S4的連接關(guān)系R3。這個結(jié)構(gòu)是對普通管道增加2個輸入口，使輸入端成“”形。其中，水平輸入口連接進(jìn)油管，2個垂直輸入口連接進(jìn)水管。為了緩解輸入時兩種流體的相互沖擊，將進(jìn)油管設(shè)計為長管，并伸入至輸送管內(nèi)，此時，進(jìn)油管的管徑小于普通管道S2的管徑，為水的流動提供空間，這樣就構(gòu)成了能夠生成油水環(huán)狀流的環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)關(guān)系元表達(dá)為

式中：

式中：d為輸送管內(nèi)徑。

這種環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)是一種關(guān)于S2在一般解法6拓展變換基礎(chǔ)上的具體結(jié)構(gòu)創(chuàng)意，R1對應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)如圖7所示的創(chuàng)意N1。

圖7 創(chuàng)意結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of scheme structure

通過對連接關(guān)系R2和R3的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水管S4、進(jìn)油管S3、普通管道S2都具有相對獨(dú)立性，進(jìn)而對這些獨(dú)立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二次可拓變換，以獲得其他創(chuàng)意。

進(jìn)油管S3作為環(huán)狀流中心油相的輸入管，其伸入普通管道內(nèi)的管段形狀對環(huán)狀流的形成具有重要影響。在環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)R1中，進(jìn)油管S3的物元模型M4的形狀是直管形，繼續(xù)對物元M4的“形狀”特征進(jìn)行量值發(fā)散分析。

根據(jù)發(fā)散分析，運(yùn)用置換法以M4′、M4′′、M4′′′替換M4，并代入到環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)R1中，得到R1′～R1′′′3種創(chuàng)意(具體表達(dá)式略)，它們的結(jié)構(gòu)如圖7所示的N2～N4。

3.5 創(chuàng)意評價

上述4種創(chuàng)意的不同之處是進(jìn)油管的形狀。因此，針對進(jìn)油管的形狀，對4種創(chuàng)意進(jìn)行優(yōu)度評價，選取最優(yōu)創(chuàng)意。

1) 首次評價

上述4種創(chuàng)意環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)都能夠形成水包裹稠油的環(huán)狀流，都能解決原來的物場模型效應(yīng)不足問題，故可繼續(xù)對4種創(chuàng)意做下一步的優(yōu)度評價。

2) 選取衡量指標(biāo)

設(shè)計的技術(shù)系統(tǒng)是為了實現(xiàn)油水環(huán)狀流，因此在選擇衡量指標(biāo)時應(yīng)關(guān)注流型的情況，同時考慮制造工藝和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，設(shè)衡量指標(biāo)集為

MI={MI1,MI2,MI3}

式中：M I1=(結(jié)構(gòu)性,X1)；M I2=(制造工藝性,X2)；MI3=(成型穩(wěn)定性,X3)；X1、X2、X3是各衡量指標(biāo)的量值域。

3) 確定權(quán)系數(shù)

分析上述創(chuàng)意結(jié)構(gòu)對環(huán)狀流成型的影響以及調(diào)查相關(guān)研究資料，對3個衡量指標(biāo)的重要程度進(jìn)行權(quán)系數(shù)分配，分別為：α1=0.3，α2=0.3，α3=0.4。

4) 建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，計算關(guān)聯(lián)度并規(guī)范化

3個衡量指標(biāo)屬于定性表征，相對離散，均建立簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)ki(xi)(i=1,2,3)。

設(shè)xij表示創(chuàng)意Nj關(guān)于衡量指標(biāo)MIi的取值，關(guān)聯(lián)度為ki(xij)(j=1,2,3,4)。4種創(chuàng)意中，創(chuàng)意N1的結(jié)構(gòu)最簡單，取值k1(x11)=1；其次是創(chuàng)意N2和N3，取k1(x12)=0，k1(x13)=0；創(chuàng)意N4的波浪形結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，取k1(x14)=?1。關(guān)于制造工藝性，直管相對是最容易制造的，取k2(x21)=2，其次是漸擴(kuò)管和漸縮管，取k2(x22,x23)=1，而波浪管的制造最困難，取k2(x24)=?2。一般情況下，稠油的輸入流速會比水的輸入流速快，環(huán)狀流成型穩(wěn)定性與管道中流體的壓降有關(guān)，直管結(jié)構(gòu)特性相對一般，取k3(x31)=0。波浪管的結(jié)構(gòu)也能形成環(huán)狀流，但是形成環(huán)狀流初期的稠油會出現(xiàn)一定程度的波動，取k3(x34)=?1；漸縮管在形成環(huán)狀流初期，由于稠油的流動壓力上升趨勢大，管道整體壓力呈上升趨勢，而相同條件下漸擴(kuò)管結(jié)構(gòu)中稠油壓力的下降趨勢大。因此管道整體壓力呈下降趨勢，通過對比分析，漸擴(kuò)管結(jié)構(gòu)的壓降會小于漸縮管的壓降，而壓降越小，越有利于環(huán)狀流的穩(wěn)定成型，取k3(x32) =?1，k3(x33)=2。

根據(jù)規(guī)范關(guān)聯(lián)公式

對各關(guān)聯(lián)值進(jìn)行規(guī)范化。

5) 優(yōu)度計算

表3 各創(chuàng)意的優(yōu)度評價Table3 Optimization evaluation of each scheme

由計算所得的優(yōu)度值可知，創(chuàng)意N3的優(yōu)度值最大，后續(xù)可選擇創(chuàng)意N3進(jìn)行細(xì)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

通過仿真分析，創(chuàng)意N3在不同時間t形成環(huán)狀流的相場云圖如圖8所示。其中，白色區(qū)域為進(jìn)油管的壁厚，灰色區(qū)域為水相，黑色區(qū)域為稠油相，其他顏色代表稠油與水的混合流體。

圖8 創(chuàng)意N3環(huán)狀流形成過程Fig.8 Formation process of annular flow of N3

4 結(jié)論

(1) 針對TRIZ中物場分析的求解模型相對固定的缺點，結(jié)合基元模型的形式化和可拓性特點，用基元模型對物場模型的各元素及各元素之間的關(guān)系進(jìn)行具體化、形式化描述，使物場模型的元素具有可拓性，從而擴(kuò)大物場分析方法的求解范圍。

(2) 用基元模型描述物場分析的一般解法，建立了物場?可拓創(chuàng)新方法的求解流程，為物場?可拓創(chuàng)新方法的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

(3) 應(yīng)用物場?可拓創(chuàng)新方法設(shè)計了油水環(huán)狀流噴嘴結(jié)構(gòu)，驗證了物場?可拓創(chuàng)新方法指導(dǎo)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的可行性。