中科大发明问题解决理论TRIZ法解读讲义03技术系统进化及其模式分析

28 第第 3 章章 技术系统进化及其模式分析技术系统进化及其模式分析 3.1 技术系统和产品进化简介技术系统和产品进化简介 任何领域产品都与生物一样，存在着产生、生长、成熟、衰老、和灭亡的进化规律。掌握了这些规律，人们就能能动地进行产品的设计开发，有目的地制定技术改进和创新方向，预测产品当前和未来的地位趋势。TRIZ 法进化理论把技术的进化分为新发明、技术进步和技术成熟三个阶段，并将产品分为婴儿期、成长期、成熟期和退出期四个阶段。如图 3.1 所示，统称为 S-曲线。当产品处于婴儿期和成长期时，对应于技术进化的新发明和技术进步期，企业应加大研发投入，使其尽快进入技术成熟和产品成熟期。有目的有步骤地逐步推出不同时期的产品，延长产品市场寿命和占有份额，以便获得最大的经济效益。若产品和技术已处于成熟期，企业应研究针对产品的替代技术，以应对市场的竞争。若分析得知产品已处于退出期，企业利润急剧下降，应尽快淘汰而另辟途径。TRIZ 法理论为企业产品规划从技术角度提供了具体的、科学的理论支持。TRIZ 法要求企业对现有产品的技术状态进行分析。产品对使用者来说是利用其功能，而实现同一种功能可以有多种原理。这种实现功能的原理反映在产品上就是核心技术，此外还有外围配套的关键技术。一旦产品的工作原理有了变化，核心技术有了重大突破，就会形成新的产品，就会有新的 S-曲线。以飞行器为例，螺旋桨推进式和喷气式（喷气发动机），就把飞机分成二大类完全不同的产品。在核心技术不变的前提下，人们不断改进改产品的关键技术，就会形成一系列 S-曲线，构成该核心技术支持下的产品的 S 曲线族，如第二章所述。以新一代数码技术为支撑的数码相机为例，人们不断地在成像点阵数，防红眼技术和防抖技术等关键技术方面做努力，使得数码相机的新产品年年都有，又进一步开发相机在短时间内拍摄运动画面的可能，又添加了一项关键技术，使数码相机作为科技产品，其生命周期中的成长期和成熟期大大延长。性能 自然极限 时间 新发明 技术进步 技术成熟 性能 自然极限 时间 婴儿期 成长期 成熟期 退出期 a)技术进化 b)产品进化 图 3.1 TRIZ 法技术与产品 29 3.2 技术系统进化模式技术系统进化模式 经过对大量专利的分类比较，TRIZ 法研究人员发现，技术系统进化有其自身固有的模式，并总结归纳出技术系统进化八大模式。充分理解和认识这些模式，能够使设计人员尽快发现新的核心技术，提升关键技术，使今天设计明天的产品变为可能。技术系统进化八大模式叙述如下。3.2.1 模式一模式一 技术系统的生命周期技术系统的生命周期 技术系统的生命周期为产生、成长和成熟三个阶段,而相应的产品的生命周期为产生、成长、成熟和退出四个阶段，两者统称为 S-曲线。第二章中已经有详细的介绍。这里再重复指出核心技术与关键技术的区别。在现有的产品 S-曲线的基础上，如果对产品中的关键技术作改进和创新，会形成新一轮的 S 曲线，多次关键技术创新会形成多个 S 曲线，形成在同一核心技术支持下的所谓 S 曲线族。但一旦核心技术发生变化，就应该形成新的产品，形成新的 S 曲线，并依靠相应的自有的关键技术的进步，形成新的 S 曲线族。飞机从涡流（螺旋桨）到喷气，功能一样是为了能在空中飞行，但两者原理即核心技术不同，形成两类截然不同的产品，并发展成相应的系列。可以说，分别构成了两个 S 曲线族群。一个发明人应该搞清自身工作所处的地位，是对核心技术还是关键技术作创新突破。核心技术突破可造成崭新的产品，但风险大，有较长的商业历程。技术史上有许多这样的例子。而关键技术的创新突破是对现有产品的重大改进，可以更多的依附于原有产品市场的份额上，风险小，商业历程短。3.2.2 模式二模式二 增加理想化水平增加理想化水平 1.理想化与理想解 与专利分等级一样，发明创新具有等级，级别越高，创新设计过程越困难。发明创新的理想状态是理想解的实现，尽可能地使产品接近于理想解是产品创新的指导思想。理想化可定义为，一个技术系统，从某一起点向最终结果进化，是一个逐步理想化过程。理想化是对客观世界中所存在物体的一种抽象，这种抽象在客观世界并不存在，又不能通过实验验证。理想化是真实物体存在的一种极限状态，只能够无限的接近但是不能达到。但是理想状态的设想可以帮助去除其他繁杂的干扰因素，从而更加专注到矛盾和发展本身，有利于解决方案的快速寻求。例如物30 理学中的理想气体，几何学中的点与线，材料学的理想晶体结构等等。科学历史上，很多科学家正是通过理想化获得划时代的科学发现，著名的有伽利略、牛顿、爱因斯坦、卢瑟福等。伽利略注意到，当一个球从一个斜面上滚下又滚上第 2 个斜面上时，球在第 2 个斜面上所达到的高度同在第 1 个斜面上的起始高度近似相等。他断定这一微小差异是由摩擦而产生的结果，如果摩擦消失，那么第 2 次的高度完全等于第 1 次的高度。他又推想，在完全没有摩擦的情况下，不管第 2 个斜面的倾斜度多么小，它在第 2 个斜面上总要达到相同的高度。如果第 2 个斜面的斜度完全消除，那么球从第 1 个斜面滚下来之后，将以恒速在无限长的平面上永远不停地运动下去。当然，这个实验是一个理想实验，无法真实地操作，因为摩擦力永远也不会被消除，也无法找到和制作一个无限长的平面。伽利略是理想实验的先驱。后来牛顿把伽利略的惯性原理确立为动力学第一定律，即惯性定律。TRIZ 法理论中，理想化是一个强有力的工具，帮助确定解决问题方向以及过滤无用信息，减少创新设计中的无用功。它解决问题过程是这样的：首先对经验事物进行抽象，在大脑中设立理想模型，然后通过想象模拟其实验过程，寻找解决问题方法，考察解决效果，进行效果评估。然后根据寻找到的方法运用到实际事物中。虽然实际事物与理想状态有部分差距，但是因为找到解决方向，可以极大的缩减“试错”几率，同时经过不断的优化，无限地接近理想状态。理想化分为局部理想化和全局理想化两类。局部理想化是指对于选定的原理，通过不同的实现方法使其理想化；全局理想化是指对同一功能，通过选择不同的原理使之理想化。以利用太阳能为例。利用太阳能是一种功能要求。可以用太阳光来加热容器中的水，就成为太阳能热水器。但在这一原理下，人们采取了多种不同的关键技术，如加热面镀膜，光能可进不可出等，造就了市场上数十种不同的产品，并不断进化。这种理想化称为局部理想化。其实太阳能的利用可有多种途径，奥林匹克比赛圣火用透镜聚焦方式，把光线聚焦到一个点上，光的高能量使物质燃烧，光能转化为化学能。随着现代科技发展，出现了光伏电池，把太阳光能转变为电能。同一功能，当多种原理即核心技术可以实现，人们就可以比较各种核心技术造成的产品的适用范围，能量转化效率和成本等，从而实现全局理想化。局部理想化的过程有如下四种模式：（1）加强。通过参数优化、采用更高级的材料、引入附加调节装置等加强有用功能的作用。如玻璃茶杯易碎，则可以使用钢化玻璃作为茶杯材料或者使用不锈钢茶杯。（2）降低。通过对有害功能的补偿，减少或消除损失和浪费，采用更加便宜的材料、标准零部件等。如早期偏远地区供电系统不稳定，家用电器获得的电压常常起伏不定，给电器的正常使用带来很多困难，同时由于电压不稳也大大的31 减少了电器的寿命。人们在电器上面增加了稳压器，弥补了电压不稳的缺陷，使矛盾和损害降到最低。（3）通用化。采用多功能技术增加有用功能的个数。如现代多媒体计算机具有电视机、电话、传真机和音响等的功能。现代打印机拥有打印、复印、传真和数据传输等功能。采用标准化的元器件，由专门工厂生产。这些通用的标准件不仅可以降低产品成本，还有利于维修。（4）专用化。突出功能的主次。如早期的企业常常从原料到成品到销售，每一个工艺步骤都全部涉及，大大的占用人力物力资源，同时也难以全盘兼顾。现代很多企业则走专业化道路，每个企业负责生产流程中的一个环节。由于环节少，因此资源的利用率高，并且容易进行不断的改善，优化工艺和提高效率。我国中小企业的成长发展是关系到国民经济的支柱。一些中小企业充分利用市场，采取高度专业化的生产运营模式，他们的企业本厂只负责生产产品的关键零部件和装机调试，把其他的任务都交给社会上其他企业完成。这种生产模式使企业在保守其核心和关键技术的同时，获得了较高的利润，且有时间和精力用于研发以图将来。全局理想化有如下三种模式：（1）取消子功能。在不影响主要功能的前提下，去掉中性的及辅助的功能。如火车车窗由可以开启变为完全封闭。初期的火车车窗是可以由旅客开启的，它的开启造成了一系列的问题。由于空气运动，增大火车运动的阻力，消耗了更多的能量。由于车窗的开启，使物品可能飞出车外或飞入车内。同时人可能从车窗爬出爬进，成为安全隐患。当火车内拥有自身的空气流通系统以后，就去掉了车窗可以活动的功能，从而一切相关问题迎刃而解。在我国，动车代替了传统的快车，车窗已从可开启改为不可开启。（2）取消子系统。如果采用某种可用资源后可省掉辅助子系统，一般可降低系统成本。如建筑中为了稳定结构，常常要在适当的地方添加柱子支撑。如果经过巧妙的力学设计，则可以省略一些柱子，如现代常见到的大跨度的建筑物和斜拉桥。一般的车子都采用充气轮胎，因此一般都备有一个轮胎漏气后的充气系统和补胎系统，带来众多不便。徐州有一位发明人觉得轮胎完全可以依靠自身来承担负荷，同时又不失弹性和安全舒适性。他发明了一种免充气轮胎，在轮胎的管状腔体内置若干肋板，肋板和轮胎共同组成网络状结构，既有了弹性，又不用充气。这就是采用了可用资源后免掉了多余的子系统。该产品用于自行车、残疾人用车、儿童车上，大大方便了使用者，深受消费者欢迎，产生了良好的经济和社会效应。（3）改变原理。改变已有系统的工作原理，可简化系统或使过程更为简便。如显示器由阴极射线显示器发展为等离子显示器，功能近似但显示原理改变了，32 从而节省了大量的空间和能量，且产生了新一代的产品。系统理想化的目标追求还应该注意目标设定的正确性和可行性，同时有时候需要一些思维的开阔与创新。例如理想化的目标是要将放置在地面的大型物块快捷、方便、省力地移置到另外地点。问题分析：本问题涉及到三个元素，物块自身，物块接触的地面，给物块施加的外力。问题解决：以问题涉及的三个元素为核心实施理想化方向。物块施加的力运用局部理想化的“加强”模式，增加力的大小。缺陷在于需要外界提供的能量增加。物块自身用局部理想化的“降低”模式，将大块物体拆分为方便移动的小块。移动以后再行安装。缺陷在于拆分和安装需要另外耗能，同时有些物块本身不可以拆分或者拆分对其容易造成损害。接触地面用局部理想化的“降低”模式，问题的核心是地面与物块之间的摩擦力，因此可以从降低摩擦系数方面考虑。比如冬天运输可以在地面泼上水，等其成冰。缺陷在于需要一定的环境条件，并且操作也比较困难和耗时。用整体理想化的“原理改变”模式，将摩擦阻力大的滑动摩擦改变为摩擦阻力较小的滚动摩擦。比如可以在物块下面垫圆木头，或者撒上细沙等等。对比以上的各种方法，可以知道，为达到一定的目标，可以有多种方法，但是方法之间是有优劣之分，它们的实施需要付出的成本不同。因此理想化的核心步骤之一是正确的评估各种方法的利弊，找到最佳的理想目标和方法。对于本实际问题，整体理想化的“原理改变”是最优方式。其实人们也选择了这种方法，古时候有用圆木头搬运大石块的记载，现代社会常用的运输车是用轮胎与地面的滚动摩擦代替了物体自身与地面的滑动摩擦。可见，跨越千年而解决问题的规律亘古不变。2.理想化程度评价 理想化可认为是一个技术系统从某一起点向最终目标进化，是一个逐步理想化的过程。技术系统是使产品的功能实现的系统，任何系统在完成人们所需的功能时，都有一定的负面作用，为此理想化可用系统的有用功能和有害功能之比来定义，其数学表达式为：有害功能有用功能）理想化（Ideality Max 即技术系统的理想化水平与有用功能之和成正比，与有害功能之和成反比。若对产品进行改进时，需增加分子中的有用功能，减小分母中的有害功能。提高产品的理想化水平，那么产品的市场竞争能力就得到增强。就如同中国谚