發(fā)明問題解決理論TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)是阿奇舒勒(Genrich S Altshuller)提出的一整套具有完整體系的發(fā)明問題解決理論和方法。他在研究了世界近250萬份高水平專利的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)了發(fā)明背后存在的模式并形成了TRIZ理論的原始基礎(chǔ)。國內(nèi)外學(xué)者對TRIZ理論進(jìn)行了大量深入的研究,目前的研究方向主要有:針對實(shí)際問題的TRIZ理論應(yīng)用研究;基于TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究,針對一個(gè)具體的問題,將之轉(zhuǎn)化為問題模型,依靠進(jìn)化模式、進(jìn)化路線和TRIZ工具獲得通用解,最后結(jié)合實(shí)際,加以實(shí)現(xiàn)。但其在產(chǎn)品創(chuàng)新過程中未能與設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力、想象力緊密結(jié)合,也難以在概念設(shè)計(jì)的層面發(fā)散求解。
Function-Behavior-Structure(FBS)是Gero教授提出的用于描述認(rèn)知設(shè)計(jì)過程的理想模型。該方法可以將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行模塊化、層次化剖析,將其分解為相互聯(lián)系而功能獨(dú)立的多個(gè)模塊,并在此基礎(chǔ)上層層遞進(jìn),對各功能模塊進(jìn)行發(fā)散,得到眾多解,最終通過評(píng)估求得最優(yōu)解。但該方法在評(píng)判最優(yōu)解的過程中,使得“發(fā)散求解過程”更多地取決于設(shè)計(jì)者的個(gè)人素質(zhì)和能否使用有效工具,研究者的主觀臆斷占了很大的比例,影響了所得到的最優(yōu)解的質(zhì)量。
在設(shè)計(jì)過程中,將TRIZ和FBS結(jié)合起來解決產(chǎn)品創(chuàng)新的問題,利用TRIZ的“S曲線”預(yù)判FBS功能模塊的創(chuàng)新概率;用“TRIZ進(jìn)化模式和進(jìn)化路線”指導(dǎo)FBS確定產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方向;通過“TRIZ矛盾矩陣”有效地收斂及評(píng)價(jià)FBS的眾多發(fā)散解,為尋求設(shè)計(jì)最優(yōu)解提供重要的評(píng)價(jià)依據(jù);而且在概念設(shè)計(jì)的層面,F(xiàn)BS可以對TRIZ得出的進(jìn)化方向進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。
1 基于TRIZ和FBS的閉環(huán)框架
如圖1所示,在設(shè)計(jì)過程中TRIZ和FBS會(huì)形成兩個(gè)閉環(huán),在兩閉環(huán)的循環(huán)過程中,能產(chǎn)生更多符合進(jìn)化方向和用戶需求的“行為-結(jié)構(gòu)”解,這對產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)有極大的促進(jìn)作用。
圖1 TRIZ和FBS的閉環(huán)關(guān)系
第1閉環(huán)。利用TRIZ進(jìn)化理論,歸納并預(yù)測產(chǎn)品的進(jìn)化方向,依此抽象得到的目標(biāo)功能不僅符合用戶需求,而且符合進(jìn)化方向。在抽象到目標(biāo)功能后,基于FBS的概念設(shè)計(jì)又可以反過來指導(dǎo)和完善TRIZ進(jìn)化方向的預(yù)測,兩者互相服務(wù),相輔相成。
第2閉環(huán)。在FBS理論中,尋找最優(yōu)解是最為復(fù)雜、最為困難的一個(gè)過程,而TRIZ的矛盾矩陣使得問題解決者可以根據(jù)矛盾矩陣得到發(fā)明原理,在發(fā)散思維所得到的眾多“行為-結(jié)構(gòu)”里對主要問題進(jìn)行改善。如果改善后的“行為-結(jié)構(gòu)”解收斂于最優(yōu)解,則確定其方案為最優(yōu)解;如果改善后的“行為-結(jié)構(gòu)”解不收斂,則再通過設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行評(píng)估和判斷,這樣縮小尋求最優(yōu)解的范圍。
2 聯(lián)合TRIZ和FBS的創(chuàng)新方法步驟
根據(jù)TRIZ和FBS之間的交互關(guān)系,聯(lián)合TRIZ和FBS創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的框架如圖2所示,共分為5個(gè)基本步驟:
圖2 基于TRIZ和FBS的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法框架
(1)基于TRIZ進(jìn)化S曲線確定問題:從顧客需求出發(fā),找到擬定的問題,通過S曲線判斷創(chuàng)新概率,如果初擬的問題在成熟期/衰退期就重新擬定,如果在嬰兒期/成長期就確定原來擬定的問題。
(2)歸納并預(yù)測進(jìn)化方向:從確定問題的進(jìn)化模式和TRIZ進(jìn)化潛能圖中歸納和預(yù)測進(jìn)化方向。
(3)在概念設(shè)計(jì)層面抽象考慮用戶需求,完善進(jìn)化方向:對照用戶需求和已經(jīng)歸納和預(yù)測的進(jìn)化方向,在概念設(shè)計(jì)層面,考慮并確認(rèn)用戶需求是否全面,如果有新的用戶需求,那么就可以按得到新的進(jìn)化方向,TRIZ和FBS理論在此形成閉環(huán)。
(4)提取目標(biāo)功能,發(fā)散得到“功能行為”解:依靠設(shè)計(jì)者的想象力、創(chuàng)造力等自身屬性,利用有效的工具也很重要,如功能模型(Functional Modeling)、QFD(Quality Function Deployment)等。
(5)用TRIZ矛盾矩陣得到FBS最優(yōu)解:TRIZ矛盾矩陣可以對N個(gè)“行為-結(jié)構(gòu)”解進(jìn)行主要問題的改善,不論改善后的“行為-結(jié)構(gòu)”解集是否收斂,此方法都縮小了尋求最優(yōu)解的范圍,簡化了尋求最優(yōu)解過程。TRIZ和FBS理論在此形成第2個(gè)閉環(huán)。
2.1 用TRIZ理論確認(rèn)問題
采用TRIZ理論進(jìn)化曲線可以使產(chǎn)品開發(fā)具有可預(yù)見性,而且對于提高產(chǎn)品創(chuàng)新的成功率和縮短發(fā)明周期都具有重要意義。目前,判斷研究方向在S曲線位置的方法主要依靠TRIZ的進(jìn)化預(yù)測理論。產(chǎn)品生命周期的基本發(fā)展過程可用“S曲線”描述,如圖3所示。
圖3 產(chǎn)品生命周期的發(fā)展過程
處于嬰兒期和成長期的產(chǎn)品,應(yīng)加大投入,盡快使其進(jìn)入成熟期,以獲得最大效益。處于成熟期的產(chǎn)品,人們應(yīng)對其替代技術(shù)進(jìn)行研究,即開發(fā)新的核心技術(shù)來替代現(xiàn)有的核心技術(shù),以形成產(chǎn)品新的核心競爭力。處于衰退期的產(chǎn)品,研究前景不大。
TRIZ的進(jìn)化預(yù)測理論要先總結(jié)出特定時(shí)間內(nèi)與產(chǎn)品相關(guān)的專利數(shù)量、專利級(jí)別、利潤和產(chǎn)品性能的基本變化規(guī)律,通過分析當(dāng)前產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)變化情況,就可以確定該產(chǎn)品處于生命周期的哪個(gè)階段,從而為制定產(chǎn)品開發(fā)策略提供參考。圖4即為專利數(shù)量、專利等級(jí)、利潤和產(chǎn)品性能隨時(shí)間變化的曲線圖。
圖4 專利數(shù)量、專利等級(jí)、利潤和產(chǎn)品性能隨時(shí)間變化的曲線圖
2.2 歸納并預(yù)測進(jìn)化方向
由于研究方向處于嬰兒期和成長期,就可以分析已有的方案,發(fā)掘該方案的優(yōu)缺點(diǎn),利用TRIZ進(jìn)化理論歸納并預(yù)測進(jìn)化方向,此過程可通過以下兩種方式中的任何一種實(shí)現(xiàn)進(jìn)化。
(1)技術(shù)進(jìn)化模式
該模式是指技術(shù)系統(tǒng)在發(fā)展過程中所呈現(xiàn)出的復(fù)雜進(jìn)化趨勢。隨TRIZ理論的發(fā)展,先后有Altshuller的10種進(jìn)化模式、Zusman的8種進(jìn)化模式和Darrell的11種進(jìn)化模式。
從產(chǎn)品開發(fā)角度,前兩種進(jìn)化模式使用方法模糊、難以操作,后一種進(jìn)化模式考慮了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)問題,相較而言易于操作使用,如圖5所示。
圖5 進(jìn)化模式層次圖
(2)進(jìn)化潛能圖
如圖6所示,圖中每一條射線表示與構(gòu)件或系統(tǒng)相關(guān)的進(jìn)化模式,外周表示進(jìn)化模式沿各條進(jìn)化路線的進(jìn)化極限,陰影面積表示目前產(chǎn)品沿進(jìn)化路線已完成的進(jìn)化,而進(jìn)化極限與陰影面積之間的面積差就代表該系統(tǒng)的進(jìn)化潛能。
圖6 進(jìn)化潛能圖
2.3 抽象并確認(rèn)用戶需求,完善進(jìn)化方向
以上技術(shù)進(jìn)化模式和潛能圖指導(dǎo)的產(chǎn)品進(jìn)化過程實(shí)質(zhì)上就是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的進(jìn)化過程。因此,此步驟即是實(shí)現(xiàn)從功能(Function)到行為(Behavior)再到結(jié)構(gòu)(Structure)的過程。FBS理論從功能出發(fā),從總結(jié)和預(yù)測的進(jìn)化方向中抽象出用戶更多的需求,從而提取出更準(zhǔn)確的目標(biāo)功能,發(fā)散得到更多的“行為-結(jié)構(gòu)”解,該方法在此生成第一個(gè)閉環(huán)。
2.4 提取目標(biāo)功能,發(fā)散得到“行為-結(jié)構(gòu)”解
在進(jìn)化方向被再次確定后,可以依靠概念設(shè)計(jì)的方法提取到準(zhǔn)確的目標(biāo)功能,并發(fā)散思維找到實(shí)現(xiàn)功能的眾多行為方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此步驟主要取決于研究者的經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造力、想象力和能否利用有效的工具。比如發(fā)散思維求多個(gè)“行為一結(jié)構(gòu)”解的過程,可以借助質(zhì)量功能配置(QFD)模式中的“重要性分值”、“關(guān)系矩陣”、“相關(guān)矩陣”和各種評(píng)估手段進(jìn)行逆向推理,得到相關(guān)的發(fā)散解;也可以通過功能模型(Functional modeling),在三維建模軟件CATIA界面上利用各種功能鍵(Imagine&Shape/Functional Modeling Part等)設(shè)計(jì)產(chǎn)品,即時(shí)地觀察各種視角下的產(chǎn)品模型,甚至獲得復(fù)雜多面的內(nèi)部截面視圖以校驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。
2.5 用TRIZ矛盾矩陣法求得最優(yōu)解
TRIZ理論的核心方法就是用通用工程參數(shù)將各種矛盾沖突進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸類,通過通用工程參數(shù)來進(jìn)行問題的表述。由此可見,通用工程參數(shù)是連接具體問題與TRIZ理論的橋梁。
基于以上方法,Altshuller將工程參數(shù)的矛盾與40項(xiàng)原理建立了對應(yīng)關(guān)系,整理成一個(gè)39×39的矩陣,這個(gè)矩陣稱為阿奇舒勒矛盾矩陣。它使得問題解決者可以根據(jù)系統(tǒng)中產(chǎn)生矛盾的2個(gè)工程參數(shù),從矩陣表中直接查找化解該矛盾的發(fā)明原理,并使用這些原理來解決問題。利用TRIZ矛盾矩陣,由“進(jìn)化模式”和“進(jìn)化潛能圖”發(fā)散得到的任何一個(gè)“行為-結(jié)構(gòu)”解,都可以對其存在的主要問題進(jìn)行改善,并在對應(yīng)的發(fā)明原理中得到解決方案。依此對多個(gè)“行為-結(jié)構(gòu)”解進(jìn)行改善分析,并最終利用設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)對所有改善后的“行為-結(jié)構(gòu)”進(jìn)行評(píng)估、排序,即可得到產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。
在FBS理論里,尋找最優(yōu)解是最為復(fù)雜、最為困難的一個(gè)過程。TRIZ矛盾矩陣在此過程的應(yīng)用極大地簡化最優(yōu)解的求解過程。這是FBS和TRIZ理論的第二個(gè)閉環(huán)。
基于TRIZ和FBS的閉環(huán)設(shè)計(jì)方法(下)
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