中科大发明问题解决理论TRIZ法解读讲义06 ARIZ算法简介

104 第第 6 章章 ARIZ 算法简介算法简介 6.1 ARIZ 算法背景介绍算法背景介绍 TRIZ 法是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、工具组成的综合理论体系。TRIZ 法中包含了用于分析和解决问题的工具主要有：1.用 39 个通用的工程参数将各种技术矛盾进行标准化处理，并采用 40 条发明原理解决技术矛盾；2.物理矛盾及参考 11 条分离原理求解；3.用物质一场模型定义矛盾问题及参考对应的 5 类 76 个标准解求解；4.技术系统进化八项模式与成熟度预测；5.用于解决复杂问题的 ARIZ 算法及在不同工程领域问题中关联互用的效应知识库。按照 TRIZ 对发明问题的五级分类，一般一至三级发明比较简单，运用创新原理或者发明问题标准解法就可以解决。而对第四、五级复杂的发明，尤其是非标准发明问题，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 算法全称为 Algorithm for Inventive-Problem Solving,是 TRIZ 中最强有力的解决发明问题工具，其目标是解决物理矛盾，专门用于解决复杂、困难的发明问题。在经历了不断完善和发展的过程后，ARIZ 算法以其易操作性、系统性、实用性以及易流程化等特性，成为 TRIZ 发明问题解决理论的重要支撑。对于那些问题情境复杂，矛盾不明显的非标准发明问题，它显得更加有效和可行，因此在全球创新科学研究与应用领域占据着首屈一指的地位。但 ARIZ 算法本身过于复杂，不宜掌握，对使用者要求较高，其应用远不及 TRIZ 其他方法工具那样广泛。6.2 ARIZ 算法主导思想和观点算法主导思想和观点 ARIZ 算法最初由 Altshuller 于 1956 年提出，该算法尤其强调问题矛盾与理想解的标准化。ARIZ 算法对创新问题的求解过程就是对问题不断地描述，不断地标准化的过程。初创时期只有五个步骤，70 年代的版本分成八个步骤。而具有代表性并常用的是 ARIZ 85-AS 版本。以后又经多位专家努力，经过多次完善才形成比较完整的体系。ARIZ 是解决发明问题的完整算法，主导思想如下：1.矛盾理论 105 发明问题的特征是存在矛盾，ARIZ 强调发现并解决问题中的矛盾。ARIZ 采用一套逻辑过程，通过对问题不断地描述，不断地标准化的过程，将初始问题最根本的矛盾冲突清晰地显现出来。形成解决问题的模型。2.克服对问题的思维定势 思维定势是创新设计的最大思想障碍。ARIZ 强调在问题解决的过程中要开阔思路，克服思维定势。它主要通过一系列算法和步骤来克服思维的惯性。具体表现在以下几个方面。（1）将初始问题转化为“缩小问题”(Mini-Problem)和“扩大问题”(Maxi-Problem)两种形式。“缩小问题”是尽量保持系统不变的基础上，通过引入约束，激化矛盾，目的是发现隐含冲突。“扩大问题”是对可选择的改变取消约束，目的是激发解决问题的新思路。（2）系统变化方法 系统有物理、化学、几何、时间以及成本参数等，可以变化这些参数的量，加强矛盾冲突或发现隐含问题。系统往往不是孤立存在的，系统包含子系统，并隶属于超系统，在过程上处于前系统和后系统之间。系统变化方法是考虑系统内问题是否可以转移到所在超系统，前系统、后系统及系统的不同时间段。有时系统内难解决的问题在系统以外很容易解决。（3）强调应用系统内外和超系统的所有可用资源。系统不是孤立存在，而是包含内系统并且隶属于超系统。解决系统问题要充分考虑系统内外能够影响系统的资源，主要包括 7 种资源类型：物质、能量/场效果、可用空间、可用时间、物体结构、系统功能和系统参数。可用资源的种类和形式是随着技术的进步不断扩展的。3.集成应用 TRIZ 法中大多数工具。ARIZ 算法集成应用了 TRIZ 理论中绝大多数工具，包括、技术矛盾理论、物理矛盾理论、物场分析与标准解和技术系统进化模式。4.充分利用 TRIZ 法效应库和实例库，并不断扩充实例库。ARIZ 算法包含的效应库是人类通过长期的实践得到的宝贵智慧结晶，它重点解决物理矛盾，并已研发出相应软件支持。对系统问题和矛盾进行分析描述以后，可以搜索效应库，借鉴类似问题解决方案。若发现本次系统的解决方案具有典型性和通用性，可以将其加入效应库。效应库见附录 C。106 6.3 ARIZ 算法的流程算法的流程 ARIZ 算法起源于 1956 年，即 ARIZ-56.随着时间的推移，增加了许多的内容和功能，发展出多个版本，出自 TRIZ 创始人 Altschuller 之手的最后一个版本为 ARIZ-85C。图 6.1 所示的为最典型，最常用的 ARIZ85-AS 版本的流程图。现对各步骤的主要内容作简要说明。1.分析与表述问题分析与表述问题2.抽象提取技术矛盾抽象提取技术矛盾3.抽象提取物理矛盾抽象提取物理矛盾4.建立物场模型建立物场模型5.ARIZ需求功能分析需求功能分析6.1重新分析问题重新分析问题有无解有无解有无解有无解有无解有无解有无解有无解无无无无无无无无有有有有有有有有否否是是39X39矛盾矩阵矛盾矩阵40个发明原理个发明原理11个个（现现4个个）分离原理分离原理76个标准解个标准解效应库效应库技术系统进化技术系统进化八模式八模式6.2扩大利用外部物质和场扩大利用外部物质和场进入效应库进入效应库7.原理解的具体化原理解的具体化9.分析解的典型程度分析解的典型程度否否是是8.评价判断是否为最优解评价判断是否为最优解 图 6.1 典型 ARIZ 算法流程图 107 步骤 1，分析与表述问题。对要解决的问题用尽量通用和标准化的术语加以描述。最好采用动宾结构的描述方式分析问题存在的矛盾，进一步分析是单一矛盾还是多重矛盾。分析时可先用“缩小问题”法来进行，如觉得不满意，采取“扩大问题”法重新分析。分析时要尽量克服对问题的思维定势并确定本次创新的理想化目标。步骤 2，抽象提取技术矛盾。对照 TRIZ 法中提示的 39 个工程特征参数，把矛盾双方转化为 TRIZ 法术语中的 39 个工程特征参数。应用技术矛盾矩阵表，根据已抽象提取的技术矛盾对，在矩阵表中查出解决问题的相应的发明原理。若发现有解，可成功地转到步骤 7。步骤 3，抽象提取物理矛盾。若步骤 2 不成功，尝试构造物理矛盾。因为物理矛盾比技术矛盾更深刻地反应事物的本质。采用 11 个分离原理（现已归纳为 4 个分离原理）求解问题，若有解，成功地转到步骤 7。步骤 4，建立“物质-场”模型。若步骤 3 不成功，尝试对问题建立“物质-场”模型。在完善“物质-场”模型的组元的同时，参考 TRIZ 法提供的 5 类共 76 个标准解，寻找可行解的方案，若有解，成功地转到步骤 7。步骤 5，ARIZ 需求功能分析。若问题中的矛盾不明显，建立“物质-场”模型也有困难，则转到本步骤。在判定的技术系统范围内，分析系统的输入量、输出量以及它们之间的关系。进一步分析系统中的功能元和实现功能的物理元。系统输入与输出量通过功能元进行变换，物理元则支撑功能元完成功能。针对存在的问题，在 TRIZ 法提供的效应库中寻找概念解的方案，并凭个人经验将其转化为针对具体问题的具体解决方案。步骤 6，扩大思维领域。步骤 6.1 是针对步骤 5 不能解决的问题进行重新思考，即回到步骤 1 重新分析该问题。步骤 6.2 是扩大利用外部物质和场。对于一些疑难的问题，可以认定为仅仅作系统内部的创新解决不了矛盾，就必须利用本系统以外的物质与场。这类资源有 7 种，分别为物质场、能量场、可用空间、可用时间、物体结构、系统功能和参数。利用众多的资源后，原系统的范围扩大，然后再转到步骤 1 重新分析问题。这一步是 ARIZ 算法的关键，较难掌握，但一旦成功，就可能获得较高等级的发明。步骤 7，原理解的具体化。通过步骤 1 到步骤 6 的反复，人们可以得出若干个解决问题的概念解。不要轻易放弃任一概念解，并结合具体问题把解的原理具体化，这主要依靠发明人的108 知识和经验。步骤 8，评价判断原理是否为最优解。不是每个解都促进技术系统进化和改进产品，所以应该对照技术系统进化的八个模式，检查问题的解是否符合进化的模式，是否在逐步实现开始阶段确定的目标。最后，预测解决方案会不会带来新的问题。TRIZ 法认为，矛盾有两种，一种为冲突型，矛盾解决后，矛盾的双方或消失，或不再构成矛盾；另一种为关联型的，解决方案采用后，矛盾双方仍关联在一起，并有可能产生一系列新的矛盾。对前一种矛盾，能有效地一次性解决问题，对后一种矛盾，要反复解决两者间的一系列矛盾才能达到较好的效果。这种情况在人们从事管理工作中经常见到。还应注意到，技术系统的进化遵循八个模式，但理想化的实现有可能偏离进化模式，因为理想化的目标是人为选定的，因人主观思想上的不同，理想化的目标也不尽相同。在评价问题的解时，只有符合进化模式的解才是最优解。步骤 9，分析解的典型程度。对由步骤 8 得出的结果进行等级的分析。评定问题及其解的办法是否具有典型普遍的意义，能否进入到 TRIZ 法的效应库，从而使 TRIZ 法更完美，更科学。因为有了步骤 9，TRIZ 法才是一种动态的，不断进步的科学创新方法，这也正是 TRIZ 法生命力所在。ARIZ 算法步骤多，流程复杂，对一般的工程技术人员，只要了解掌握步骤1-5 就可以了。如果需要用到步骤 6，建议可设立 TRIZ 法工作小组，通过集体研讨的方式来进行。至于步骤 9 则是 TRIZ 专家的事情，其他人可以放在一边。6.4 ARIZ 算算法的特色和不足法的特色和不足 6.4.1 ARIZ 算法的特色算法的特色 1ARIZ 致力于克服思维约束。ARIZ 首先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机能的前提下，尽可能不改变或少改变系统。即用“缩小问题”的方式，克服思维定式，通过引入约束，激化矛盾，目的是发现隐含冲突。其次是定义系统的技术矛盾，并为矛盾对立建立“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所有资源。2ARIZ 包含对理想解的思考。ARIZ 算法定义系统的最终理想解。在定义理想解的过程中，充分体现出创新工作者本人的经验和素质。因为理想状态本身就是一个永远无法达到的状态，站在不同角度对理想状态的定义不同。例如有人觉得飞机载人无限多是一个理想109 状态，但有人觉得飞机速度无限快是一个理想状态。两种想法都有其科学性，只是希望达到的目标不同而已。3ARIZ 擅于利用资源。ARIZ 法最大限度的利用资源。ARIZ 算法强调矛盾的消除要最大限度地利用系统内外资源并借助物理学、化学、几何学等工程学原理，需要用到 ARIZ 算法思想中的系统变化的思想。需要充分考虑系统内部的子系统以及系统所处的超系统。还要利用 7 种类型资源：物质、能量/场效果、可用空间、可用时间、物体结构、系统功能和系统参数。6.4.2 ARIZ 算法的不足算法的不足 1ARIZ 算法的分析比较困难，需要使用者具有一定的知识和经验积累。其“最小问题”、“系统矛盾”、“问题模型”、“理想解”和“可用资源”等都不容易建立。并且不同的人有不同的观点，无法快速分辨不同观点的优劣。2复杂问题往往包含多个矛盾，各个矛盾之间甚至也会互相影响，此消彼长，很难一下子掌握、得出主要矛盾。用 ARIZ 算法解决复杂矛盾具有一定的局限性。3ARIZ 算法比较适用于解决详细具体的技术问题，对概念性设计和技术发展趋势的预见性不足。6.5 ARIZ 算法的运用算法的运用 对于一般的技术人员，以及发明创新爱好者，只需要对 ARIZ 算法有个大概了解，能够解决一般的技术问题就可以了。因此简化 ARIZ 算法的步骤如下：1.定义最小问题。不对系统做大的改变。2.发掘系统矛盾。ARIZ 算法成功与否的关键就在于正确的分析表达矛盾。3.建立问题模型。可以类似对比运用物-场模型的知识。4.领域和资源分析。即综合考虑各方面资源，分析矛盾的解决中对资源的有效应用。5.参照技术系统进化的八个模式确定理想解