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7.ARIZ——发明问题解决算法

默认分类 2008-12-12 18:29:49 阅读123 评论0   字号：大中小 订阅

按照TRIZ对发明问题的五级分类，一般较为简单的一到三级发明问题运用创新原理或者发明问题标准解法就可以解决，而那些复杂的非标准发明问题，如四、五级的问题，往往需要应用发明问题解决算法——ARIZ做系统的分析和求解。

    ARIZ——发明问题解决算法，是TRIZ理论中的一个主要分析问题、解决问题的方法，其目标是为了解决问题的物理矛盾。该算法主要针对问题情境复杂、矛盾及其相关部件不明确的技术系统。它是一个对初始问题进行一系列变形及再定义等非计算性的逻辑过程，实现对问题的逐步深入分析和转化，最终解决问题。该算法尤其强调问题矛盾与理想解的标准化，一方面技术系统向理想解的方向进化，另一方面如果一个技术问题存在矛盾需要克服，该问题就变成一个创新问题。

    TRIZ认为，一个创新问题解决的困难程度取决于对该问题的描述和该问题的标准化程度，描述得越清楚，问题的标准化程度越高，问题就越容易解决。ARIZ中，创新问题求解的过程是对问题不断地描述，不断地标准化的过程。在这一过程中，初始问题最根本的矛盾被清晰地显现出来。如果方案库里已有的数据能够用于该问题则有标准解；如果已有的数据不能解决该问题则无标准解，需等待科学技术的进一步发展。该过程是通过ARIZ算法实现的。

    简单地说，ARIZ首先就是将系统中存在的问题最小化，原则是在系统能够实现其必要功能的前提下，尽可能不改变或少改变系统；其次是定义系统的技术矛盾，并为矛盾建立“问题模型”；然后分析该问题模型，定义问题所包含的时间和空间，利用物－场分析法分析系统中所包含的资源；接下来，定义系统的最终理想解。

    通常，为了获取系统的理想解，需要从宏观和微观级上分别定义系统中所包含的物理矛盾，即系统本身可能产生对立的2个物理特性，例如：冷-热、导电-绝缘、透明-不透明等。因此，下一步需要定义系统内的物理矛盾并消除矛盾。矛盾的消除需要最大限度地利用系统内的资源并借助物理学、化学、几何学等工程学原理。作为一种规则，经过分析原理的应用后如问题仍然没有理想的解，则认为初始问题定义有误，需调整初始问题模型，或者对问题进行重新定义。

    应用ARIZ包括以下9个步骤。

步骤1：识别并对问题公式化。

     步骤2：构造存在问题部分的物-场模式。

     步骤3：定义理想状态。

     步骤4：列出技术系统的可用资源。

     步骤5：向效果数据库寻求类似的解决方法。

     步骤6：根据创新原则或分隔原则解决技术或物理矛盾。

     步骤7：从物-场模式出发，应用知识数据库(76个标准和效果库)工具产生多个解决方法。

     步骤8：选择只采用系统可用资源的方法。

     步骤9：对修正完毕的系统进行分析防止出现新的缺陷。 

知识数据库：

40个创新原则

    阿奇舒勒工作的结果是每个科学家不必研究所有的专利来寻找解决问题的方法。研究者只需看清矛盾，用相关内容找到解决问题的方法。为了解决矛盾矩阵中每个参数对应构成的矛盾，TRIZ提供了40个解决这些矛盾的创新原则，如分类、抽取、联合等。在附录中纵向参数10 和横向参数33 组成的矛盾有4个解决原则：1-分离；28-机械系统的替代；3-局部质量改善；25-自我服务。

解决物理矛盾的分离原则：

对于物理矛盾的解决，TRIZ提供了4个分离原则：空间分离，时间分离，条件分离，整体与部分分离。分离原理简单说来可以归纳为4大分离原理和11种分离方法。

解决物理矛盾的分离原则

物理矛盾的11种分离方法：

 （1）矛盾特性的空间分离。

 （2）矛盾特性的时间分离。

（3）将同类或异类系统与超系统结合。

 （4）将系统转换为反系统，或将系统与反系统相结合。

 （5）系统具有一种特性，其子系统有其相反的特性。

 （6）将系统转换到微观级系统。

 （7）系统中的状态交替变化。

 （8）系统由一种状态转换为另一种状态。

 （9）利用系统状态变化所伴随的现象。

 （10）以具有两种状态的物质代替具有一种状态的物质。

 （11）通过物理和化学的转换使物质状态转换。

76个标准解决方法：

在物-场模型分析的应用过程中，由于所面临的问题复杂又包含广泛，物-场模型的确立、使用有相当的困难，所以TRIZ理论为物-场模型提供了成模式的解法，称为标准解法，共76个，标准解法通常用来解决概念设计的开发问题。76个标准解决方法可分为5类：建立或破坏物质场；开发物质场；从基础系统向高级系统或微观等级转变；度量或检测技术系统内一切事物；描述如何在技术系统引入物质或场。发明者首先要根据物质场模型识别问题的类型，然后选择相应的标准方法解。

     第一类标准解：不改变或仅少量改变系统。

（1）假如只有S1，应增加S2及场F，以完善系统3要素，并使其有效。

（2）假如系统不能改变，但可接受永久的或临时的添加物，可以在S1或S2内部添加来实现。

 （3）假如系统不能改变，但用永久的或临时的外部添加物来改变S1或S2 是可以接受的，则加之。

 （4）假定系统不能改变，但可用环境资源作为内部或外部添加物，是可接受的，则加之。

 （5）假定系统不能改变，但可以改变系统以外的环境，则改变之。

 （6）微小量的精确控制是困难的，可以通过增加一个附加物，并在之后除去来控制微小量。

 （7）一个系统的场强度不够，增加场强度又会损坏系统，可将强度足够大的一个场施加到另一元件上，把该元件再连接到原系统上。同理，一种物质不能很好地发挥作用，则可连接到另一物质上发挥作用。

 （8）同时需要大的（强的）和小的（弱的）效应时，需小效应的位置可由物质S3 来保护。

 （9）在一个系统中有用及有害效应同时存在，S1及S2不必互相接触，引入S3 来消除有害效应。

 （10）与（9）类似，但不允许增加新物质。通过改变S1或S2来消除有害效应。该类解包括增加“虚无物质”，如：空位、真空或空气、气泡等，或加一种场。

 （11）有害效应是一种场引起的，则引入物质S3吸收有害效应。

 （12）在一个系统中，有用、有害效应同时存在，但S1及S2必须处于接触状态，则增加场F2使之抵消F1的影响，或者得到一个附加的有用效应。

 （13）在一个系统中，由于一个要素存在磁性而产生有害效应。将该要素加热到居里点以上，磁性将不存在，或者引入相反的磁场消除原磁场。 

第二类标准解：改变系统。

 （14）串联的物-场模型：将S2及F1施加到S3；再将S3及F2施加到S1。两串联模型独立可控。

 （15）并联的物-场模型：一个可控性很差的系统已存在部分不能改变，则可并联第二个场。

 （16）对可控性差的场，用易控场来代替，或增加易控场。由重力场变为机械场或由机械场变为电磁场。其核心是由物理接触变到场的作用。

 （17）将S2由宏观变为微观。

 （18）改变S2成为允许气体或液体通过的多孔的或具有毛细孔的材料。

 （19）使系统更具柔性或适应性，通常方式是由刚性变为一个铰接，或成为连续柔性系统。

 （20）驻波被用于液体或粒子定位。

 （21）将单一物质或不可控物质变成确定空间结构的非单一物质，这种变化可以是永久的或临时的。

 （22）使F与S1或S2的自然频率匹配或不匹配。

 （23）与F1或F2的固有频率匹配。

 （24）两个不相容或独立的动作可相继完成。

 （25）在一个系统中增加铁磁材料和（或）磁场。

 （26）将（16）与（25）结合，利用铁磁材料与磁。

 （27）利用磁流体，这是（26）的一个特例。

 （28）利用含有磁粒子或液体的毛细结构。

 （29）利用附加场，如涂层，使非磁场体永久或临时具有磁性。

 （30）假如一个物体不能具有磁性，将铁磁物质引入到环境之中。

 （31）利用自然现象，如物体按场排列，或在居里点以上使物体失去磁性。

 （32）利用动态，可变成自调整的磁场。

 （33）加铁磁粒子改变材料结构，施加磁场移动粒子，使非结构化系统变为结构化系统，或反之。

 （34）与F场的自然频率相匹配。对于宏观系统，采用机械振动增加铁磁粒子的运动。在分子及原子水平上，材料的复合成分可通过改变磁场频率的方法用电子谐振频谱确定。

 （35）用电流产生磁场并代替磁粒子。

 （36）电流变流体具有被电磁场控制的黏度，利用此性质及其他方法一起使用，如电流变流体轴承等。

     第三类标准解：传递系统。

 （37）系统传递1：产生双系统或多系统

 （38）改进双系统或多系统中的连接。

 （39）系统传递2：在系统之间增加新的功能。

 （40）双系统及多系统的简化。

 （41）系统传递3：利用整体与部分之间的相反特性。

 （42）系统传递4：传递到微观水平来控制。

     第四类标准解：检测系统。

 （43）替代系统中的检测与测量，使之不再需要。

 （44）若（43）不可能，则测量一复制品或肖像。

 （45）如（43）及（44）不可能，则利用两个检测量代替一个连续测量。

 （46）假如一个不完整物-场系统不能被检测，则增加单一或两个物-场系统，且一个场作为输出。假如已存在的场是非有效的，在不影响原系统的条件下，改变或加强该场，使它具有容易检测的参数。

 （47）测量引入的附加物。

 （48）假如在系统中不能增加附加物，则在环境中增加而对系统产生一个场，检测此场对系统的影响。

 （49）假如附加场不能被引入到环境中去，则分解或改变环境中已存在的物质，并测量产生的效应。

 （50）利用自然现象。例如：利用系统中出现的已知科学效应，通过观察效应的变化，决定系统的状态。

 （51）假如系统不能直接或通过场测量，则测量系统或要素激发的固有频率来确定系统变化。

 （52）假如实现（51）不可能，则测量与已知特性相联系的物体的固有频率。

 （53）增加或利用铁磁物质或磁场以便测量。

 （54）增加磁场粒子或改变一种物质成为铁磁粒子以便测量，测量所导致的磁场变化即可。

 （55）假如（54）不可能建立一个复合系统，则添加铁磁粒子到系统中去。

 （56）假如系统中不允许增加铁磁物质，则将其加到环境中。

 （57）测量与磁性有关现象，如居里点、磁滞等。

 （58）若单系统精度不够，可用双系统或多系统。

 （59）代替直接测量，可测量时间或空间的一阶或二阶导数。

     第五类标准解：简化改进系统。

 （60）间接方法：①使用无成本资源，如：空气、真空、气泡、泡沫、缝隙等；②利用场代替物质；③用外部附加物代替内部附加物；④利用少量但非常活化的附加物；⑤将附加物集中到特定位置上；⑥暂时引入附加物；⑦假如原系统中不允许附加物，可在其复制品中增加附加物，这包括仿真器的使用；⑧引入化合物，当它们起反应时产生所需要的化合物，而直接引入这些化合物是有害的；⑨通过对环境或物体本身的分解获得所需的附加物。 

 （61）将要素分为更小的单元。     

 （62）附加物用完后自动消除。

 （63）假如环境不允许大量使用某种材料，则使用对环境无影响的东西。

 （64）使用一种场来产生另一种场。

 （65）利用环境中已存在的场。

 （66）使用属于场资源的物质。

 （67）状态传递1：替代状态。

 （68）状态传递2：双态。

 （69）状态传递3：利用转换中的伴随现象。

 （70）状态传递4：传递到双态。

 （71）利用元件或物质间的作用使其更有效。

 （72）自控制传递。假如一物体必须具有不同的状态，应使其自身从一个状态传递到另一状态。

 （73）当输入场较弱时，加强输出场，通常在接近状态转换点处实现。

 （74）通过分解获得物质粒子。

 （75）通过结合获得物质。

 （76）假如高等结构物质需分解但又不能分解，可用次高一级的物质状态替代；反之，如低等结构物质不能应用，则用高一级的物质代替。

 应用标准解法的4个步骤：

    从第一类解到第四类解的求解过程中，可能使系统变得更复杂，因为往往要引入新的物质或场；第五类解是简化系统的方法，以保证系统理想化。当从第一到第三类有了解以后，或解决第四类检测测量问题后，再回到第五类去解，这是正确的方法。一般应用标准解法可以遵循下列4个步骤：

     （1）确定所面临的问题类型。首先要确定所面临的问题是属于哪类问题，是要求对系统进行改进，还是要求对某件物体有测量或探测的需求。

     （2）如果面临的问题是要求对系统进行改进,则建立现有系统或情况的物－场模型。

     （3）如果问题是对某件东西有测量或探测的需求，应用标准解法第4级中的17个标准解法。

     （4）当你获得了对应的标准解法和解决方案，检验模型（即系统）是否可以应用标准解法第5级中的17个标准解法来进行简化。标准解法第5级也可以被考虑为是否有强大的约束限制着新物质的引入和交互应用。

在应用标准解法的过程中，必须紧紧围绕系统所存在问题的最终理想解，并考虑系统的实际限制条件，灵活进行应用，并追求最优化的解决案。很多情况下，综合应用多个标准解法，对问题的解决彻底程度具有积极意义。

科学和技术效果数据库：

所谓效果是指两个或多个参数间在一定条件下的相互作用并产生输出。在传统的专利库中，效果都是按题目或发明者名字进行组织的，那些需要实现特定功能的发明者不得不根据与类似效果相联系的人名从其他领域寻求解决方法，由于发明者可能除了自身领域外对其他领域一无所知，那么搜索就比较困难。1965～1970年，阿奇舒勒与同事开始以“从技术目标到实现方法”方式组织效果库，这样，发明者可以首先根据物质场模型决定需要实现的基本功能，然后能够很容易地选择所需要的实现方法。

     效果库是TRIZ知识库的主要组成部分。知识库和分析工具的区别在于，知识库是在解决问题过程中提供转换系统的方法，而分析工具是帮助分析问题和提出问题的。