趙 云, 高常青, 董 輝, 楊 波

(濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250022)

產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵在于發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)過(guò)程中的沖突。 發(fā)明問(wèn)題解決理論(teoriyaresheniyaizobreatatelskikhzadatch,TRIZ)是用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理論,提供了解決沖突問(wèn)題的發(fā)明原理、沖突矩陣、分離原理[1]。由于復(fù)雜產(chǎn)品內(nèi)部子系統(tǒng)存在錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用關(guān)系,因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)遇到很多相互關(guān)聯(lián)的沖突,使得經(jīng)典TRIZ在解決多沖突問(wèn)題時(shí)面臨巨大的挑戰(zhàn)[2]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多沖突問(wèn)題的研究思路主要是確定關(guān)鍵沖突, 并應(yīng)用TRIZ中的發(fā)明原理、 分離原理、 沖突矩陣等工具解決關(guān)鍵沖突。 Cavallucci等[3]提出沖突云的概念作為一組基本沖突的三值圖形表示, 對(duì)沖突的權(quán)重在重要性、 影響深度和廣度3個(gè)方向進(jìn)行量化, 根據(jù)圖形顯示的差異選擇關(guān)鍵沖突。 Montecchi等[4]從專(zhuān)利文獻(xiàn)中提取信息, 用于識(shí)別和克服沖突, 基于知識(shí)運(yùn)營(yíng)管理(KOM)的知識(shí)管理工具重新定義需求,從而確定沖突。 楊洪超等[5]構(gòu)建多沖突網(wǎng)絡(luò), 提出3種求解策略, 快速找出關(guān)鍵沖突, 并利用TRIZ解決關(guān)鍵沖突。 梁瑞等[6]通過(guò)提取出構(gòu)建沖突的元素-名稱(chēng)-量值(ENV)模型, 從元件影響度、參數(shù)出現(xiàn)頻率、 參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)量和專(zhuān)家評(píng)價(jià)方面進(jìn)行權(quán)重賦值, 得到?jīng)_突的重要度排序, 確定關(guān)鍵沖突, 從而進(jìn)行沖突求解。 普雪潔等[7]基于需求分析和功能失效分析, 提出復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)中多沖突問(wèn)題中的隱形沖突識(shí)別方法。

在多沖突問(wèn)題的求解過(guò)程中, 求解思路一般是將多沖突進(jìn)行解耦分析, 確定關(guān)鍵沖突后再進(jìn)行解決, 但是解耦分析并確定關(guān)鍵沖突對(duì)大多數(shù)設(shè)計(jì)人員而言是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程, 因此有必要針對(duì)導(dǎo)致沖突問(wèn)題產(chǎn)生的內(nèi)在原因即不良作用進(jìn)行研究, 從而找到解決沖突或多沖突問(wèn)題的新路徑。

在功能分析模型圖中,設(shè)計(jì)人員能夠直觀地觀察到技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部組件之間存在的問(wèn)題及組件之間的影響關(guān)系,但是不能實(shí)現(xiàn)組件之間影響關(guān)系的數(shù)字化計(jì)算。決策試驗(yàn)與評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室(DEMATEL)是一種運(yùn)用圖論與矩陣工具進(jìn)行系統(tǒng)因素分析的方法[8],可以分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系并計(jì)算因素的中心度和原因度,從而表達(dá)影響關(guān)系[9]。利用系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系構(gòu)建直接影響矩陣,能使因素之間的影響關(guān)系通過(guò)矩陣運(yùn)算的方式進(jìn)行計(jì)算[10],因此借助DEMATEL可以實(shí)現(xiàn)組件之間影響關(guān)系的數(shù)字化計(jì)算。

本文中在沖突問(wèn)題分析階段, 通過(guò)將沖突問(wèn)題轉(zhuǎn)化為組件之間的不良作用, 增加功能分析與不良作用模塊知識(shí)的關(guān)聯(lián)度; 以組件單元結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ), 定義問(wèn)題影響度及其排序原則, 提出基于DEMATEL的不良作用組件單元問(wèn)題影響度排序算法;利用MATLAB軟件的圖形用戶(hù)界面模塊,實(shí)現(xiàn)不良作用組件單元的問(wèn)題解決順序的自動(dòng)排序。

1 沖突解決

1.1 基于TRIZ的沖突解決

在經(jīng)典TRIZ中,沖突分為技術(shù)沖突和物理沖突。TRIZ提供39個(gè)通用工程參數(shù)和40條發(fā)明原理對(duì)技術(shù)沖突進(jìn)行解決。同時(shí),提供4條分離原理對(duì)物理沖突進(jìn)行解決。研究[11]發(fā)現(xiàn),解決物理沖突的分離原理與解決技術(shù)沖突的發(fā)明原理之間存在相互轉(zhuǎn)化關(guān)系?；赥RIZ的沖突解決過(guò)程如圖1所示。首先采用通用工程參數(shù)對(duì)需要解決的技術(shù)沖突進(jìn)行描述,然后查找沖突矩陣,找到對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理,進(jìn)而確定問(wèn)題解決的一般解,最后將一般解轉(zhuǎn)化為具體問(wèn)題的特殊解[12]。

圖1 基于發(fā)明問(wèn)題解決理論的沖突解決過(guò)程

在實(shí)際問(wèn)題中,對(duì)于工程參數(shù)的定義需要一定的TRIZ知識(shí)背景,并且在一般的技術(shù)系統(tǒng)功能分析過(guò)程中,缺乏技術(shù)系統(tǒng)組件之間影響關(guān)系數(shù)字化計(jì)算的討論,因此對(duì)于設(shè)計(jì)人員,使用經(jīng)典TRIZ的沖突解決方法解決問(wèn)題具有一定的難度。

1.2 沖突表征與不良作用

沖突是由技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部組件之間不良作用引起的外在表征,消除技術(shù)系統(tǒng)中的不良作用是解決沖突的關(guān)鍵[13]。技術(shù)系統(tǒng)中組件之間的作用關(guān)系是系統(tǒng)功能的主要構(gòu)成因素。組件之間作用關(guān)系的基本類(lèi)型有充分作用、有害作用、過(guò)度作用、不足作用,其中后3種類(lèi)型為不良作用。組件之間作用關(guān)系的基本類(lèi)型及符號(hào)表示如表1所示。

表1 技術(shù)系統(tǒng)中組件之間作用關(guān)系的基本類(lèi)型及符號(hào)表示

沖突與不良作用之間存在映射關(guān)系。1個(gè)不良作用可能導(dǎo)致1個(gè)或多個(gè)沖突的產(chǎn)生,多個(gè)不良作用可能導(dǎo)致1個(gè)沖突的產(chǎn)生。技術(shù)系統(tǒng)中組件之間不良作用與沖突的映射關(guān)系如圖2所示。

圖2 技術(shù)系統(tǒng)中組件之間不良作用與沖突的映射關(guān)系

技術(shù)系統(tǒng)中組件之間的作用關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,圍繞初始問(wèn)題進(jìn)行組件結(jié)構(gòu)的功能分析時(shí),均可能產(chǎn)生多個(gè)不良作用。這時(shí)設(shè)計(jì)人員可以使用TRIZ中的標(biāo)準(zhǔn)解、科學(xué)效應(yīng)、裁剪策略等方法將技術(shù)系統(tǒng)中的不良作用轉(zhuǎn)化為良好作用,從而消除技術(shù)系統(tǒng)中的不良作用,解決技術(shù)系統(tǒng)中的沖突。

由圖2可知,多個(gè)不良作用之間具有錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用關(guān)系,當(dāng)某一個(gè)不良作用解決完成時(shí),可能會(huì)使技術(shù)系統(tǒng)中多個(gè)不良作用都被解決,因此確定不良作用解決順序優(yōu)先級(jí)對(duì)問(wèn)題的解決尤為重要。由于目前不良作用的解決順序都是根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)所確定的,存在很大的主觀性,因此不良作用解決順序優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題是一個(gè)有待研究的課題。

2 功能分析

2.1 功能的定義與表示

功能可以定義為技術(shù)系統(tǒng)中一個(gè)組件A作用于另一個(gè)組件B并改變組件B的技術(shù)參數(shù)的行為[14]。組件之間的功能關(guān)系如圖3所示。

圖3 技術(shù)系統(tǒng)中組件之間的功能關(guān)系

功能表示可以分為3類(lèi)[15]: 1)“操作+流”, 例如移動(dòng)物體; 2)“操作+流+屬性”, 例如增加固體硬度; 3)“操作+流+介詞或連詞+流”例如去除液體中雜質(zhì)。

2.2 基于組件的功能分析

功能分析是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能建模的過(guò)程,是分析技術(shù)系統(tǒng)中各組件之間關(guān)系的過(guò)程,目的是建立技術(shù)系統(tǒng)功能分析模型圖[16]。技術(shù)系統(tǒng)功能分析模型圖能夠清晰地觀察到組件之間存在的問(wèn)題,從而針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解決。創(chuàng)建功能分析模型圖步驟[17]如下: 1)識(shí)別出技術(shù)系統(tǒng)中所有組件,進(jìn)行組件分析; 2)分析各組件之間的相互作用,分析作用的類(lèi)型; 3)用不同形狀的邊框表示系統(tǒng)組件、 超系統(tǒng)組件、 目標(biāo)對(duì)象,并用箭頭進(jìn)行聯(lián)系,建立技術(shù)系統(tǒng)功能分析模型圖。

2.3 組件單元模型

功能由組件之間的相互作用形成, 存在相互關(guān)聯(lián)的2個(gè)組件構(gòu)成1個(gè)組件單元模型。 根據(jù)邏輯關(guān)系, 組件之間的關(guān)系可分為串聯(lián)、 并聯(lián)、 反饋3種形式。 將存在不良作用的組件單元定義為不良作用組件單元。 良好作用組件單元和不良作用組件單元的串聯(lián)、 并聯(lián)、 反饋模型如圖4所示。 如果組件C對(duì)組件D存在不良作用, 那么不良作用組件單元由組件C、 D及其之間的不良作用組成。 組件之間的不良作用是導(dǎo)致沖突出現(xiàn)的內(nèi)在原因, 沖突是組件之間的不良作用的外部表征,沖突問(wèn)題解決的依據(jù)就是將技術(shù)系統(tǒng)中的不良作用轉(zhuǎn)化為良好作用。

(a)串聯(lián)型良好作用組件單元與不良作用組件單元

(b)并聯(lián)型良好作用組件單元與不良作用組件單元

(c)反饋型良好作用組件單元與不良作用組件單元圖4 良好作用組件單元和不良作用組件單元的串聯(lián)、 并聯(lián)、 反饋模型

將若干組件單元模型連接起來(lái),可以構(gòu)建系統(tǒng)功能模型圖。根據(jù)Stone等[18]提出的功能基的概念,組件單元的功能可以表示為“功能+流”的形式。功能定義為8個(gè)基本類(lèi)功能,即分支、 導(dǎo)向、 連續(xù)、 控制、 轉(zhuǎn)換、 供應(yīng)、 接發(fā)、 支撐。流定義為物質(zhì)流、能量流和信息流3個(gè)類(lèi)別。

2.4 基于DEMATEL的問(wèn)題影響度定義、 排序及應(yīng)用

在TRIZ中, 功能分析模型圖可以直接觀察到組件之間的影響關(guān)系。 以功能分析模型圖為依據(jù), 將組件A對(duì)組件B有作用賦值為1, 反之賦值為0, 可以得到技術(shù)系統(tǒng)的鄰接矩陣。 鄰接矩陣可以直觀地表達(dá)組件之間的影響關(guān)系。 將DEMATEL與TRIZ中的功能分析模型圖結(jié)合起來(lái), 可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)中組件之間影響關(guān)系的數(shù)字化計(jì)算, 求出每個(gè)組件在技術(shù)系統(tǒng)中的中心度和原因度。 中心度表示組件在技術(shù)系統(tǒng)中的位置及組件所起作用的大小。 組件的原因度大于0表示該組件是原因要素, 對(duì)其他組件的影響大; 組件的原因度小于0表示該組件為結(jié)果要素, 受其他組件的影響大。

由于組件單元由2個(gè)組件及其之間的相互作用構(gòu)成,因此將組件單元的中心度定義為2個(gè)組件的中心度之和,組件單元的原因度定義為2個(gè)組件的原因度之和。當(dāng)不良作用組件單元原因度大于0或小于0時(shí),將問(wèn)題影響度定義為不良作用組件單元中心度的大小。以問(wèn)題影響度作為不良作用組件單元排序依據(jù),建立基于DEMATEL的不良作用組件單元問(wèn)題影響度排序算法,利用TRIZ按照順序進(jìn)行問(wèn)題解決?；诮M件單元問(wèn)題影響度的問(wèn)題解決應(yīng)用流程如圖5所示。借助MATLAB軟件的圖形用戶(hù)界面(GUI)模塊,實(shí)現(xiàn)確定多個(gè)不良作用組件單元解決順序的可視化操作。

DEMATEL—決策試驗(yàn)與評(píng)估實(shí)驗(yàn)室; na—不良作用組件單元個(gè)數(shù); TRIZ—發(fā)明問(wèn)題解決理論(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch)。圖5 基于組件單元問(wèn)題影響度的問(wèn)題解決應(yīng)用流程

一般來(lái)說(shuō), 原因?qū)е陆Y(jié)果, 因此在問(wèn)題解決過(guò)程中, 應(yīng)從原因要素入手, 從而提高問(wèn)題解決的效率。 由此, 定義不良作用組件單元問(wèn)題影響度的排序原則如下: 1)先解決原因度大于0的不良作用組件單元, 再解決原因度小于0的不良作用組件單元; 2)對(duì)于存在多個(gè)原因度大于0(或小于0)的組件單元的情況,按組件單元中心度的大小進(jìn)一步排序,中心度大的組件單元在前,中心度小的組件單元在后。

3 基于DEMATEL的不良作用組件單元問(wèn)題影響度排序算法

本文中提出的基于DEMATEL的不良作用組件單元問(wèn)題影響度排序算法步驟如下:

步驟1利用功能分析模型圖建立直接影響矩陣A,

(1)

式中:Xij(i=1, 2,,n,n為組件個(gè)數(shù),j=1, 2,,n)為因素,取值為0或1,Xij為1表示技術(shù)系統(tǒng)中第i個(gè)組件對(duì)第j個(gè)組件有影響,Xij為0表示第i個(gè)組件對(duì)第j個(gè)組件無(wú)影響。

步驟2規(guī)范化直接影響矩陣A為矩陣X,

(2)

步驟3求綜合影響矩陣T,

T=X(I-X)-1,

(3)

式中I為單位矩陣。

步驟4計(jì)算第i個(gè)組件的影響度Di、 被影響度Ri,

(4)

(5)

式中:tij為綜合影響矩陣T中第i行第j列元素;tji為綜合影響矩陣T中第j行第i列元素。

步驟5計(jì)算第i個(gè)組件的中心度f(wàn)i、 原因度ri,

fi=Di+Ri,

(6)

ri=Di-Ri。

(7)

步驟6計(jì)算不良作用組件單元的中心度p、 原因度q,

p=fi+fj,i=1, 2,,n,j=1, 2,,n,

(8)

q=ri+rj,i=1, 2,,n,j=1, 2,,n,

(9)

式中:fi、fj為第i、j個(gè)組件的中心度;ri、rj為第i、j個(gè)組件的原因度。

步驟7對(duì)不良作用組件單元按照問(wèn)題影響度排序原則進(jìn)行排序。

步驟8通過(guò)物-場(chǎng)模型、科學(xué)效應(yīng)、裁剪策略等方式按照順序消除不良作用,形成解決方案。

步驟9評(píng)價(jià)形成的解決方案能否消除技術(shù)系統(tǒng)中的所有不良作用,如果全部消除,則問(wèn)題解決,否則,進(jìn)行步驟8。

步驟10如果經(jīng)評(píng)估,解決方案可采用,則算法結(jié)束,否則進(jìn)行步驟1。

4 工程實(shí)例

游梁式抽油機(jī)是目前油田主要使用的抽油機(jī)類(lèi)型之一,主要由驢頭-游梁-連桿-曲柄機(jī)構(gòu)、變速箱、動(dòng)力設(shè)備和輔助裝備四大部分組成。游梁式抽油機(jī)如圖6所示。游梁經(jīng)抽油桿工作時(shí)帶動(dòng)井下抽油泵的柱塞作上下運(yùn)動(dòng),從而不斷地抽油。

1—電機(jī); 2—曲柄; 3—基座; 4—人;5—抽油桿; 6—支架;7—鋼絲繩; 8—潤(rùn)滑脂;9—空氣; 10—游梁; 11—連桿; 12—傳動(dòng)裝置。圖6 游梁式抽油機(jī)

游梁式抽油機(jī)工作條件惡劣,容易出現(xiàn)鋼絲繩斷裂的問(wèn)題。將所提出的基于DEMATEL的不良作用組件單元問(wèn)題影響度排序算法應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)鋼絲繩斷裂的問(wèn)題解決過(guò)程。

4.1 構(gòu)建組件直接影響矩陣

分析游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理, 確定游梁式抽油機(jī)裝置的組件及相互作用關(guān)系, 構(gòu)造游梁式抽油機(jī)技術(shù)系統(tǒng)功能分析模型, 如圖7所示。

圖7 游梁式抽油機(jī)功能分析模型

根據(jù)3節(jié)中的步驟1,建立游梁式抽油機(jī)組件之間的直接影響矩陣A,

4.2 計(jì)算問(wèn)題影響度及生成問(wèn)題解決順序

根據(jù)3節(jié)中的步驟2—5, 基于MATLAB軟件的GUI模塊, 計(jì)算技術(shù)系統(tǒng)中各組件的影響度、 被影響度、 中心度和原因度。 組件問(wèn)題影響度分析界面如圖8所示。

圖8 組件問(wèn)題影響度分析界面

根據(jù)式(8)、(9),計(jì)算不良作用組件單元的中心度和原因度,并依據(jù)問(wèn)題影響度的排序原則,對(duì)不良作用組件單元進(jìn)行排序。利用MATLAB軟件的GUI模塊自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)不良作用組件單元的解決順序進(jìn)行排序,可視化操作界面如圖9所示。

圖9 利用MATLAB軟件的圖形用戶(hù)界面模塊實(shí)現(xiàn)排序可視化操作界面

4.3 問(wèn)題的TRIZ求解過(guò)程

游梁式抽油機(jī)鋼絲繩斷裂的問(wèn)題解決順序如表2所示。由表得到排序,則優(yōu)先解決1號(hào)不良作用組件單元,其中人涂抹潤(rùn)滑脂存在不良作用的主要原因是人工涂抹潤(rùn)滑脂時(shí)施工強(qiáng)度大,造成涂抹效率低,施工不及時(shí)等問(wèn)題。

表2 游梁式抽油機(jī)鋼絲繩斷裂的問(wèn)題解決順序

針對(duì)技術(shù)系統(tǒng)實(shí)施裁剪策略。由于技術(shù)系統(tǒng)中組件人的價(jià)值較低,因此將人作為裁剪的對(duì)象, 同時(shí), 根據(jù)裁剪策略, 將人的功能實(shí)現(xiàn)再分配。 經(jīng)分析,技術(shù)系統(tǒng)中已有組件不能完成人的功能,因此引入一個(gè)新組件完成人的功能。為了使技術(shù)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度更高,在原有技術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加油儲(chǔ)裝置,將油儲(chǔ)裝置與游梁固定在一起,通過(guò)與游梁共同運(yùn)動(dòng),使?jié)櫥趹T性力的作用下從油儲(chǔ)裝置中滴出,鋼絲繩得到充分浸潤(rùn)。技術(shù)系統(tǒng)裁剪策略如圖10所示。

圖10 技術(shù)系統(tǒng)裁剪策略

當(dāng)人對(duì)潤(rùn)滑脂的不良作用解決完成時(shí),潤(rùn)滑脂能夠充分潤(rùn)滑鋼絲繩,進(jìn)而減少空氣對(duì)鋼絲繩的氧化,保證了游梁正常牽引鋼絲繩,帶動(dòng)抽油桿上下移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作,因此在1號(hào)不良作用組件單元的問(wèn)題解決完成后,其他不良作用組件單元的問(wèn)題也全被解決。

針對(duì)將技術(shù)系統(tǒng)中的組件人實(shí)施裁剪策略,引入一個(gè)新組件即油儲(chǔ)裝置,從而完成組件人的功能的解決方案,進(jìn)行模型試驗(yàn),結(jié)果表明,在油儲(chǔ)裝置的作用下,潤(rùn)滑脂可以充分浸潤(rùn)鋼絲繩。在潤(rùn)滑脂的作用下,鋼絲繩不易斷裂,技術(shù)系統(tǒng)中的沖突從而被解決。游梁式抽油機(jī)的模型試驗(yàn)圖如圖11所示。

圖11 游梁式抽油機(jī)的模型試驗(yàn)圖

5 結(jié)論

本文中在沖突問(wèn)題分析階段,結(jié)合DEMATEL與經(jīng)典TRIZ中的功能分析,提出基于DEMATEL的不良作用組件單元問(wèn)題影響度排序算法,得到以下主要結(jié)論:

1)根據(jù)組件單元結(jié)構(gòu)組成提出基于DEMATEL的不良作用組件單元問(wèn)題影響度排序算法,實(shí)現(xiàn)了不良作用之間影響關(guān)系的數(shù)字化計(jì)算。

2)建立了基于DEMATEL的不良作用的排序流程,并利用MATLAB軟件的GUI模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)排序流程的可視化操作,增加了沖突問(wèn)題解決的可操作性,完善了問(wèn)題解決概念設(shè)計(jì)模型。

3)目前研究是從組件層面進(jìn)行沖突問(wèn)題分析的,針對(duì)問(wèn)題解決過(guò)程的設(shè)計(jì)知識(shí)推理和進(jìn)一步原因分析過(guò)程是后續(xù)研究的重點(diǎn)。