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创新方法“TRIZ”在德国的理论研究和应用

来源:《全球科技经济瞭望》 作者:张卫平 时间:2008-03-13
   1. TRIZ体系简介

    (1)TRIZ的理论基础

    ①对创新规律的基本认识

    TRIZ翻译成德文是Theorie des erfinderischen Probleml?觟sens,意为“发明问题解决理论”。前苏联科学家阿苏尔在对20万个发明专利进行了研究,特别在对其中4万个他认为发明程度很高的专利进行深入研究的基础上,得出了3个基本认识:

    ·发明专利虽数目庞大,但有一个共同点,就是应用了数目不多的一般性原理;
    ·像社会系统一样,技术系统可以通过解决矛盾(Wderspruch)而得到发展。因此,真正的创新是解决矛盾,妥协的解决方案最多只能算优化;
    ·技术系统的进化遵循一定的模式和规律。这就是说,技术系统的发展(在一定限度内)是可预测的。

    阿苏尔以这3个基本认识为出发点,根据辩证法、认识论和系统论的思想,总结出了技术系统进化法则和构建在基本原理基础上的求解发明问题的技术、方法和工具体系,创立了TRIZ。

    ②TRIZ的核心概念

    TRIZ的核心概念有两个:技术矛盾和物理矛盾。

    所谓技术矛盾,是指在一个技术系统中,当一个参数被改动时,另一个参数就变差,例如:发动机功率增大,但耗油量升高。物理矛盾则是指同一个参数的两个互相对立的特性,如温度的冷与热;几何尺寸的长与短;硬度的软与硬等。

    阿苏尔将问题分为常规问题与发明问题。所谓问题,就是技术系统的初始状态与理想状态之间存在距离。解决问题的过程就是使技术系统的初始状态通过一个步骤或多个步骤的变换实现或接近理想状态的过程。如果实现变换的所有步骤都已知,则要解决的问题属常规问题;若至少有一个步骤未知,则该问题属发明问题。

    阿苏尔将他研究过的20万个发明专利所涉及的发明问题分成五类:

    第一类(32%):利用已知方法继续发展现有技术系统(例如:增加壁的厚度以提高强度)。
    第二类(45%):现有技术系统的小幅度改进,但这种改进往往是妥协的折衷解决方案(例如:使用结合剂将两种不同材料焊接在一起)。
    第三类(18%):运用现有技术实现现有技术系统的重大改进(例如:以半导体取代电化学继电器,或在摩托车上以万向轴传动取代链条传动)。
    第四类(4%):运用新的技术产生新的一代技术系统(例如:显微镜,蒸汽机车,复印机等)。
    第五类(1%):基础性的新发现(例如:发现X光射线、激光、青霉素、DNA、超导材料等)。

    阿苏尔认为,TRIZ作为可普遍运用的原理和可定义的思维模式,适合于解决第二至第四类发明问题。第一类不算真正的发明,第五类则属于发现新的自然现象。

    运用TAIZ解决发明(创新)问题的关键就是找出矛盾是技术矛盾还是物理矛盾,然后利用不同的TRIZ工具,通过类比思考的方式,找到解决矛盾的思考方向。

    ③TAIZ的基本思路

    TRIZ解决发明问题的基本思路是:

    ·定义和描述具体问题,根据所选定的TRIZ工具或工具组合,将具体问题标准化;
    ·将标准化的具体问题抽象化;
    ·寻找抽象化问题的解决方案;
    ·将抽象化的解决方案根据具体问题转换为具体解决方案,即具体的技术创新方案。

    其实,这样的思路在数学中是很熟悉的。用数学语言可将TRIZ解决发明问题的基本思路概括成一句话:使用适当的工具,先将特定问题抽象成为标准或一般性问题,然后采用标准方法解决,最后得到特定的解。从基本思路可以得知,运用TRIZ解决一个发明问题的困难程度取决于对该问题的描述和问题的标准化程度,描述得越清楚,问题的标准化程度越高,问题就越容易解决。

    (2)TRIZ工具体系

    根据上述基本认识和思路,TRIZ的创立者设计了一套工具来解决发明问题,因而很有操作性。经典的TRIZ工具是:

    ·40个创新原理和技术矛盾解决矩阵;
    ·解决物理矛盾的分离原理;
    ·发明问题解决算法ARIZ;
    ·发明问题标准解法(76个标准解法)和物——场分析法;
    ·S曲线和技术系统进化法则;
    ·最终理想解;
    ·侏儒模型建模;
    ·物理效应和现象、几何和化学效应数据库。现在扩展为因特网查询和专利数据库查询。

    由阿苏尔的学生们开发的新的TRIZ工具有:

    ·创新问卷;
    ·功能建模,又称问题描述,形式是一种因果图,但不是日本人石川馨发明的那种因果图;
    ·SAO(Subject-Action-Object)功能模型,是一种基于美国工程师麦尔斯(创立的价值工程的扩展的功能模型);
    ·过程分析;
    ·资源时间成本算子;
    ·预期故障测定;
    ·特征转移;
    ·资源分析问卷;
    ·矛盾分析。

    2.创新方法“TAIZ”在德国的理论研究和推广应用情况

    (1)理论研究

    TRIZ理论在德国被一些研究者做了进一步的发展,形成了若干种基于TRIZ理论的创新方法论,即WOIS理论、PI理论、MIS理论。其中WOIS理论被认为是对TRIZ理论作了最大程度扩充的一种德国的创新理论。本文将对WOIS理论与TRIZ理论的不同之处作较详细介绍,对其他几种理论做简略介绍。

    ①WOIS理论

    WOIS是一种原本为解决技术问题而构建的创造力和技术创新战略,利用它来激发产生新的产品和新的生产过程。WOIS融合了一些局部系统化的老方法(如形态表Morphologische Tabelle),补充了大趋势分析)以及技术系统连贯性历史分析(“代际表”“Generationstabelle”)和确定技术系统在进化中的位置等工具。WOIS的基本思想是置之死地而后生:将矛盾推向极端,形成似乎没有出路的绝境,通过引进“悖论性发展要求”来破解这种绝境,完善了矛盾思维。例如:像“明亮的黑暗”或“不渗透的渗透性”这样一些表述,就是所谓悖论性要求。把这些看似矛盾对立的东西作为创新目标,需要创新者有这样的能力,不仅能进行专业和客观的思维,而且要能把这类极端的要求,既富想象力,又同时具有高度水平地在技术上实现。采用这种战略,不仅使创新过程有序并有效,而且也会激发积极进取的创造力。WOIS寻找创新主意的过程分成三个主要阶段:即定向阶段;决策阶段和提出创新方案的阶段。

    归纳起来,WOIS的3个主要阶段可描述如下:WOIS使用战略定向工具寻找最富潜力的发展方向,并从中有针对性地激发出克服现有能力局限的创新主意。采取提出悖论性要求的做法,是有可能做到这点的。这些悖论性要求是有意识地突破现有的逻辑局限,需要使用激发创新主意的新方法才能奏效。

    WOIS的核心仍是TRIZ,只是在几个方面对TRIZ做了扩展。
 
    总而言之,ARIZ更多地像是给自由发明者的提供理论思路,而WOIS则是为日常技术开发提供的基于实践经验的工具。因此可以说,WOIS是ARIZ和设计方法大全的交集模型。但是这个交集的效能有一定损失。一方面它在工程技术上没有设计方法大全那么详备,另一方面在辅助解决矛盾的功能上,并不比ARIZ更强。

    另一个与TRIZ的差别在于,WOIS需要一个专业的开发小组,而TRIZ个人发明家也可使用。所以WOIS一般用于企业的技术开发。WOIS缺少战略循环修正步骤也表明,WOIS更多地是为被动用户开发的,而不是为对战略主动施加影响的用户。最后还要指出一点,WOIS是一种模糊的方法,从模糊逻辑借用的一些概念起着重要作用。为了使WOIS在团队工作中充分发挥功效,WOIS之中还融合了心理学的知识。所有这一切ARIZ都不需要,因为ARIZ的创新过程是分析式的。

    ②德国的其他理论

    ·PI理论

    PI理论的德文原文是Konept der Problemzentrierten Invention(PI-Konzept),意思是以问题为中心的发明方案。该理论由不来梅大学创新与能力转移教研室主任默尔勒教授和潘能贝克硕士于1997年在他们任教的科特布斯工业大学创立的。

    该理论与TRIZ和WOIS最大的不同是没有规定的起点和终点,不必事先规定步骤的顺序,对频度和强度没有限制。这一理论建立在米勒·梅尔巴赫的五场分析法框架模型基础上。这个模型把一个问题区别为五个部分:现状、资源、规定状态、目标和相互关联互动的转换(由现状跃迁为规定状态)。对于这些场中的每个场,都有对应的“工具”可供使用。这样系统分析和矛盾思维就成了确定现状的关键工具,而以“理想机器”为基础的参数主要是确定目标用的。技术矛盾解决矩阵,时间、空间、结构和状态的基本转化形式,物—场分析以及技术系统进化法则,这些都适合用作转换的工具。

    ·MIS理论

    MIS是德文Marktorientierte lnnovationsstrategie的缩写,意思是面向市场的创新战略。MIS理论是现已退休的原亚琛工业大学矿业研究所所长施皮斯教授提出的。在60和70年代,施皮斯教授在工业界的研发部门工作,在实践中逐步摸索出了一套发明的系统方法。在他1980年担任亚琛工业大学教授之后,才开始对他的这套系统方法进行科学研究。在德国统一之后,他又同耶拿大学的认知心理学家合作,逐步完善了他的理论。

    MIS理论的基本思想是:把那些在凭直觉进行发明过程中于潜意识中发生的过程化为有意识的过程,由此将“发明的飞跃”分解为一系列小的、一目了然的和可把握的步骤,然后开发工程师和设计师可以按照这些步骤进行发明创新。

    根据他的理论,可技术上将发明过程分为三个基本组成部分:

    ·将已知的东西移植到其他用途(移植);
    ·对移植的东西进行改造(改造);
    ·在改造过程中与其他元素进行组合(组合)。

    (2)推广应用情况简介

    德国最早介绍TRIZ是在原民主德国。1973年,民主德国首次翻译出版了阿苏尔著作。民主德国当时推广TRIZ的一批人,如Pavel Livotov(创办了CAI软件公司,出版过介绍TRIZ的专著),Dietmar Zobel(他本人曾在1985年拜访过阿苏尔,1982年发表介绍TRIZ的文章,1985年起,出版了一系列介绍TRIZ的专著),Michael A.Orloff(创办了TRIZ培训学校,出版过专著)等,现在都是德国知名的TRIZ专家。

    在统一后的德国,20世纪90年代初,在一些大学的与机械工程有关的系讲授设计课程时,对TRIZ就有所介绍。根据文献从1996年开始最早产品研发过程中采用TRIZ的是西门子公司。1997年美国宇航局把计算机辅助创新(CAI)软件包TechOptimizer评为当年最具创新产品而授予金奖,TRIZ在欧洲,包括在德国,才引起公众注意。自那以后,理工科大学在设计课程或创新管理的课程中都讲授TRIZ。企业应用TRIZ的越来越多。据有关资料,德国所有名列世界500强的大企业都采用了TRIZ,像西门子、奔驰、宝马、大众、博世等著名公司都有专门机构及专人负责TRIZ培训和应用,涉及的行业很广泛。

    应用TRIZ的行业:

    成套设备制造、采掘技术;
    动力技术、家用电器;
    仪器仪表、航空航天工业;
    自动、机械制造;
    化学工业、医疗技术;
    电气技术、食品工业;
    电子技术、制药工业;
    汽车工业、包装技术;
    精密机械。

    但是目前,在德国对技术创新方法影响最大的是德国工程师协会制定的设计方法标准VDI 2221和2222。而这套标准当时制定时(1993年)并没有吸纳TRIZ的思想。

    在CAI软件研发方面,德国自1998年推出基于TRIZ的CAI软件TriSolver 1.0B以来,经历了TriSolver 2.0-2.2和TriSolver4.net,于2007年推出了TriSIDEAS。

    对于国内关心的TRIZ对于实际创新能力的影响,德国目前尚无权威中立的研究机构的研究报告,只有应用TRIZ的企业和TRIZ培训或咨询企业的案例报告,都声称在具体项目中采用TRIZ,缩短了研发时间,节省了研发经费等。

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