设计和开发方法论浅谈
——TRIZ理论简介
中国科学院过程工程研究所 李兆军
TRIZ理论是前苏联阿奇舒勒及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费大量人力物力，在分析研究了世界各国250万件专利的基础上，提出的针对创新问题的解决理论。掌握该理论不仅能提高发明的成功率、缩短发明的周期，也可使发明问题具有可预见性。
TRIZ理论对前苏联的军事、工业、航空航天等领域均发挥了巨大作用，成为创新的“点金术”，让西方发达国家一直望尘莫及。如今TRIZ正成为许多现代企业创新的独门暗器，TRIZ可以轻易解决那些“看似不可能解决的问题”并形成专利，提升企业的核心竞争力，从“跟随者”快速成长为行业的技术“领跑者”，让创新就像做算术题一样轻松简单。
波音公司先进技术预研项目负责人Don Masingale评价：“困扰了几个研发小组长达数年的一些难题，经过仅数个星期的TRIZ培训，就找到了完美的解决方案；帮助波音公司赢得16亿美元空中加油机订单”。
咨询专家Ellen Domb对TRIZ的评价“与那些只给出大方向，而没有具体操作步骤的其他方法相比，TRIZ有着完备的理论体系和规则指导，使得发明创造成为常人都可以掌握的本领”。
台湾的编者评价：“个人脑力创新、培养多元思维能力的秘密武器，全球各大企业厚植产业力量、有效提升竞争力的法宝”。
2008年国家科技部、发改委、教育部、中国科协等四部门《关于加强创新方法工作若干意见》下达后，根据文件精神，“针对建立以企业为主体的技术创新体系的重大需求，推荐TRIZ等国际先进技术创新方法与中国本土需求融合；推广技术成熟度预测、技术进化模式与路线、冲突解决原理、效应及标准解TRIZ中成熟方法在企业的应用；加强技术创新方法知识库建设，研究开发出适应中国企业技术创新发展的理论体系、软件工具和平台”。
TRIZ理论主要体系包括：
l 8大技术系统进化法则，促使我们知道技术系统是如何进化的，为技术创新指明方向；
l IFR最终理想解，促使我们明确理想解所在的方向和位置，避免由于折中法缺乏目标所带来的弊端；
l 40个发明原理，指引发明的原理，使创造性思维得到扩张；
l 39个通用参数和阿奇舒勒矛盾矩阵，通过对矛盾的分析，在矛盾表中查找可能的解法，解法是由40个发明原理组成的；
l 物理矛盾和分离原理，促使我们发现物理矛盾的4大分离原理；
l 物-场模型分析，一种重要的问题描述和分析工具，用以建立与已存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型。可以通过物-场分析法描述的问题一般称为标准问题，可以采用76个标准解法进行求解；
l 76个标准解法，针对标准问题提出的解法，标准解法是TRIZ高级理论的精华之一；
l ARIZ 发明问题解决算法，非标准问题主要应用ARIZ来进行解决。ARIZ的思路是将非标准问题通过各种方法进行变换，转化为标准问题，然后应用76个标准解法来予以解决；
l 科学原理知识库，物理、化学、几何等领域的科学原理可以有效帮助发明问题的解决，并为技术创新提供丰富的方案来源。
TRIZ理论的核心是技术进化原理。即技术系统一直处于进化之中，解决矛盾是其进化的推动力。进化速度随技术系统一般矛盾的解决而降低，使其产生突变的唯一方法是解决阻碍其进化的深层次矛盾。阿奇舒勒依据世界上著名的发明，研究了消除矛盾的方法，他建立了一系列基于各学科基础知识的发明创造模型。这些模型包括发明原理（Inventive Principles）、发明问题解决算法（ARIZ，Algorithm for Inventive Problem Solving）及标准解（TRIZ Standard Techniques）等。在利用TRIZ解决技术创新时，设计和开发人员首先将解决的问题表达成为TRIZ的技术矛盾，然后利用TRIZ中的矛盾矩阵和创新原理，如发明原理、标准解等，求出该TRIZ问题的普适解或称模拟解（Analogous solution），最后设计和开发人员再把该解转化为该领域的解或特解。其中：
8大技术系统进化法则——1技术系统的S曲线进化法则、2提高理想度法则、3子系统的不均衡进化法则、4动态性和可控性进化法则、5增加集成度再进行简化的法则、6子系统协调性进化法则、7向微观级和增加场应用的法则、8减少人工介入的进化法则。
40条创新原理——分割（segmentation）原理、抽取/分离（extraction/taking out）原理、3--局部质量（local conditions）原理、4--非对称（asymmetry）原理、5--合并（consolidation）原理、6--普遍性（universality）原理、7--嵌套（nesting）原理、8--配重（anti-weight）原理、9--预先反作用（prior counteraction）原理、10--预先作用（prior action）原理、11---预先应急措施（cushion in advance）原理、12--等势原则（equipotentiality）原理、13--逆向思维（inversion）原理、14--曲面化（spheroidality）原理、15--动态化（dynamicity）原理、16--不足或超额行动（partial or excessive actions）原理、17--一维变多维（shift to a new dimension）原理、18--机械振动（mechanical vibration）原理、19--周期性动作（periodic action）原理、20--有效作用的连续性（continuity of useful action）原理、21--紧急行动（rushing through）原理、22--变害为利（convert a harm into a benefit）原理、23--反馈（feedback）原理、24--中介物（mediator）原理、25--自服务（self-service）原理、26--复制（copying）原理、27--一次性用品（disposable objects）原理、28--机械系统的替代（replacement of mechanical system）原理、29--气体与液压结构（pneumatics or hydraulic construction）原理、30--柔性外壳和薄膜（flexible “shells” or thin films）原理、31--多孔材料（porous materials）原理、32--改变颜色（change the color）原理、33--同质性（homogeneity）原理、34--抛弃与再生（rejecting regenerating parts）原理、35--物理/化学状态的变化（transform the physical/chemical state）原理、36--相变（phase transformation）原理、37--热膨胀（thermal expansion）原理、38--加速氧化（strengthen oxidation）原理、39--惰性环境（inert environment）原理、40--复合材料（composite materials）原理。
4种分离方法——1空间分离、2 时间分离、3基于条件的分离、4整体和部分分离。
39个通用参数——1运动物体的重量、2静止物体的重量、3运动物体的长度、4静止物体的长度、5运动物体的面积、6静止物体的面积、7运动物体的体积、8静止物体的体积、9速度、10力、11应力或压力、12形状、13结构的稳定性、14强度、15运动物体作用时间、16静止物体作用时间、17温度、18光照度、19运动物体的能量、20静止物体的能量、21功率、22能量损失、23物质损失、24信息损失、25时间损失、26物质或事物的数量、27可靠性、28测试精度、29制造精度、30物体外部有害因素作用的敏感性、31物体产生的有害因素、32可制造性、33可操作性、34可维修性、35适应性及多用性、36装置的复杂性、37监控与测试的困难程度、38自动化程度、39生产率。
上述39个通用工程参数可分为如下3类：
物理及几何参数：1～12、17～18、21；
技术负向参数：15～16、19～20、22～26、30～31；
技术正向参数：13～14、27～29、32～39。
这些参数的定义有些与传统有别，如10力是指两个系统之间的相互作用。对于牛顿力学，力等于质量与加速度之积。在TRIZ中，力是试图改变物体状态的任何作用。
下面是TRIZ理论在机翼设计中的应用案例：
应用背景：早期的飞机机翼都是平直的。最初是矩形机翼，很容易制作。但由于其翼端宽，会给飞机带来阻力，严重地影响了飞机的飞行速度。后掠翼一举突破“音障”，德国，英国,美国喷的气式飞机先后上天。飞机开始进入喷气式时代，其飞行速度迅速提高，很快接近音速。机翼上出现“激波”，使机翼表面的空气压力发生变化。同时，飞机的阻力骤然剧增，比低速飞行时大十几倍甚至几十倍。这就是所谓的“音障”。为了突破“音障”，许多国家都在研制新型机翼。德国人发现，把机翼做成向后掠的形式，像燕子的翅膀一样，可以延迟“激波”的产生，缓和飞机接近音速时的不稳定现象。但是，向后掠的机翼比不向后掠的平直机翼，在同样的条件下产生的升力小，这对飞机的起飞、着陆和巡航都带来了不利的影响，浪费了很多不必要的燃料。能否设计一种适应飞机的各种飞行速度，具有快慢兼顾特点的机翼呢？这成为当时航空界面临的最大课题
新的设计方案抛弃了传统的固定翼设计概念使其在不同的速度之下机翼配合相应的飞行姿态,具备了平直机翼升力大的特点；而在高速飞行时，它的两翼又尽量后掠，后掠角可达72．5度，变得像三角机翼一样，因此能够轻易突破“音障”。,从而有效地降低了迎风面积（既作用在飞机表面的气流的横截面积）,达到了节能降耗,以及提高飞行速度的目的，最终实现提高其战斗力的根本目的。
问题描述：根据上述分析，系统存在的技术矛盾有：
传统的固定翼不适合高速飞行，在突破音障的时候产生非常大的阻力，消耗的能量相应加大，而且容易产生飞机在空中解体；
三角翼不适合低速飞行，而且起飞与降落以及巡航时在相同推力条件下产生的升力小相应的能量消耗又相应地加大了。
总之，矛盾集中体现在速度与其在运动中能量消耗之间的矛盾上。
解决思路和关键步骤：
运用TRIZ理论中的技术矛盾矩阵，涉及的技术特性：19运动物体使用的能量和9速度。
查阅技术矛盾解决矩阵，可以得到以下四条创新原理：
8# 配重、平衡重
15# 动态性
35# 物体的物理或化学状态的变化
38# 使用强力氧化剂
加配重明显不适合这种战斗机，战斗机要求机身轻，灵活机动，而且加重机身还使速度这个技术特性恶化。
强力氧化剂虽然可以使燃料燃烧的更充分，获得较大的推力。但是战斗机上使用的是特制的高热量航空煤油，在涡轮喷气发动机中的燃烧是比较充分的，所以使用这个创新原理的作用不是很明显。
对于：
15# 动态性
35#物体的物理或化学状态的变化
综合考虑这两条创新原理..通过对机翼的改造,使其成为活动部件，并且在飞行的时候有效地控制机翼的形态，使之能够在比较大的范围内改变”后掠角”，获得从平直翼到三角翼的优点，来获得从低速到高速不同的飞行状态.，表现出很强的适应性。
F111战斗机在低速度飞行（图1）中，处在起飞阶段，机翼呈平直状，获得较大的升力，良好的低速特性，避免长距离滑行所浪费的能量，从而有效地解决了飞机在低速度状态下速度与能量之间的矛盾。
F111在云层之上高速飞行，两翼后掠减小阻力，从而减小了能耗，延迟“激波”的产生，缓和飞机接近音速时的不稳定现象，使飞机能够达到更高的速度。适应于不同速度下的巡航，既在不同的速度之下采用不同的后掠角，以适应当前的飞行速度。
结论：
综合考虑所有的创新原理，最终的解决方案为：
应用15# 动态性
应用35# 物体的物理或化学状态的变化
改变飞机的飞行形态，既在不同的飞行状态下得到不同的气动外形，可以在很大程度上节约不必要的能耗。根据35#创新原理结合15#创新原理给出的启示，将飞机的机翼做成活动部件，这是飞机设计界一个大胆的创新，一举突破了传统的固有的固定翼设计理念，在飞行器设计领域开辟了一块新天地。反观传统的妥协设计只能在速度与能耗之间做取舍性质的设计。而采用TRIZ技术矛盾矩阵给出的创新原理则避免了传统的妥协设计，从一个全新的角度很好地解决了速度/能量这对技术矛盾。TRIZ理论与妥协设计的不同之处在这里得到了体现。这是TRIZ理论应用的一个经典的例证。
最终结果：
解决方向：设计者找到了满意的设计思路：能够得到平直翼和三角翼的优良的飞行特性，极大地节约了在起飞/降落过程（平直翼在低速飞行中可得到较大的升力，从而缩短跑道的长度，借此节约了能量）和高速飞行过程（三角翼在高速飞行中可以轻轻易地突破音障，减轻机翼的受力提高飞机在高速飞行时的强度，最终的结果是降低了能量的消耗）
解决方案：根据上述分析的结果，设计者设计成功了这种在当时是新型的F111变后掠翼战斗/轰炸机，这是世界是第一架应用变后掠翼设计思想的飞机，开创了新一代超音速战斗机的新纪元。从此以后，世界战机家族又多了“变后掠翼战斗机”这个新成员。以后设计出的一系列变后掠翼战斗机，如：英国、德国、意大利三国联合成立的帕那维亚飞机公司的狂风超音速战斗机等等都采用了这种新的设计思想。
