趙開羿 景海榮 苗軍 馬勁 王菁 楊冰

摘 要 以北京天文館“宇宙暢游”展覽中的“宇宙燈塔”展項為例，詳細(xì)闡述了如何運(yùn)用專注于創(chuàng)新的TRIZ理論來解決展項設(shè)計中的工程技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞 展覽 設(shè)計 TRIZ理論

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，展覽展示技術(shù)也隨之產(chǎn)生了日新月異的變化。與此同時，觀眾的參觀需求也逐漸提升，不再滿足于簡單、靜態(tài)的實物陳列，更希望在科技類博物館里收獲多樣化的樂趣。因此，當(dāng)今科技類博物館的展覽設(shè)計中，運(yùn)用多種展示手段進(jìn)行綜合展示成為趨勢。而國內(nèi)的科技類展項多為相互借鑒模仿，原創(chuàng)性展項很少。

對于新穎的原創(chuàng)展項，需要從眾多高新展示技術(shù)中選出主題，并用合適的展示手段予以實現(xiàn)。在展覽策劃創(chuàng)意初期，未必能預(yù)見到之后與展示手段相關(guān)的工程技術(shù)問題，但這些問題需要在后期具體實施時予以妥善解決。作為展覽的設(shè)計人員，如何利用科學(xué)的方法準(zhǔn)確而迅速地找到相應(yīng)的解決方案，對于實現(xiàn)優(yōu)秀的創(chuàng)意設(shè)計至關(guān)重要。本文以北京天文館“宇宙暢游”展覽中的“宇宙燈塔”展項在實施過程中遇到的技術(shù)難題為例，分析如何利用TRIZ理論得到最優(yōu)解決方案，并最終達(dá)到預(yù)期設(shè)計效果。

1 TRIZ理論簡介

粹智理論（TRIZ，Theory of the Solution of Inventive Problems），即解決發(fā)明問題的理論。該理論是蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒等人研究世界各國250多萬件發(fā)明專利后提出的，是一套體系完整的、解決發(fā)明問題的理論和方法。TRIZ理論給出了解決問題的一般流程，即先將具體問題表達(dá)成TRIZ問題，然后利用TRIZ的解題工具，如發(fā)明原理、技術(shù)進(jìn)化理論、標(biāo)準(zhǔn)解等求出該TRIZ問題的標(biāo)準(zhǔn)解（普適解），最后再把標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化為具體問題的特解。

2 展項中需要解決問題

近年來，北京天文館正全面更新常設(shè)展覽。在前期設(shè)計階段，設(shè)計人員提出以天文中比較獨(dú)特的天體——脈沖星為主題制作展項。脈沖星是一種典型的致密天體，直徑大多為20 km左右，會周期性發(fā)射脈沖信號。這種天體具有強(qiáng)磁場并且高速自轉(zhuǎn)，它的磁軸與自轉(zhuǎn)軸往往不重合，因此脈沖星的輻射從兩個磁極發(fā)出后，在空間中傳播，形成兩個圓錐形的輻射束。如果地球剛好在這束輻射的方向上，就能接收到輻射，且脈沖星每自轉(zhuǎn)一周，這束輻射就掃過地球一次，形成我們接收到的周期性的脈沖信號。

脈沖星的輻射無法用肉眼觀測，我們希望展項用實物化的方式呈現(xiàn)出“輻射”與“磁力線”，使其更加直觀，便于觀眾理解抽象概念；并且讓展項轉(zhuǎn)動，呈現(xiàn)出因自轉(zhuǎn)而導(dǎo)致輻射在實際空間中周期性運(yùn)動的過程。然而，脈沖星的自轉(zhuǎn)速度過高，如果完全還原輻射的真實情況，設(shè)備的使用時間就會縮短，且有可能存在安全隱患。綜上所述，該展項中需要解決的問題可以表述為：如何在保證展項的安全性的前提下，提高展項中剛體旋轉(zhuǎn)速度，給觀眾帶來較好的參觀感受。

3 TRIZ解題過程

針對在展項設(shè)計和實施過程中出現(xiàn)的工程技術(shù)問題，我們利用TRIZ理論，對該問題進(jìn)行分析并求解。

3.1 問題的背景和描述

北京天文館“宇宙暢游”展覽中的“宇宙燈塔”展項位于層高30 m的展示空間里，空間外側(cè)為玻璃幕墻。展項設(shè)計高度為9.2 m，底部為圓形，直徑為6 m，頂部較底部略窄。展項主體為長約5 m可旋轉(zhuǎn)的脈沖星及表示輻射束的剛體組成，展項整體由電機(jī)帶動軸承進(jìn)行牽引，使剛體沿既定的軌道進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，模擬輻射束的自轉(zhuǎn)效果（見圖1）。

整個展項系統(tǒng)由脈沖星、剛體、電機(jī)、軸承以及路徑軌道組成。電機(jī)控制著剛體的速度，沿著既定的路徑軌道進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。展項簡單的工作原理如圖2所示：

針對技術(shù)系統(tǒng)存在的這個兩難的問題，設(shè)計團(tuán)隊通過頭腦風(fēng)暴等方式討論出一些解決思路，比如調(diào)整實物化展示的設(shè)計，通過在脈沖星附近放置激光發(fā)射器，用可見光的快速旋轉(zhuǎn)來代替輻射剛體的旋轉(zhuǎn)。但該展項所處的環(huán)境過亮，正午甚至有太陽光直射，無法滿足所需光源亮度。

因此，我們對于新系統(tǒng)提出的要求是：既讓剛體的旋轉(zhuǎn)速度低，又保證觀眾的參觀感受好，也就是讓觀眾的視覺上覺得剛體旋轉(zhuǎn)的速度快。同時，保證系統(tǒng)的安全性。

3.2 問題分析

如圖3所示，TRIZ的解題步驟中的第一步就是問題分析，其中包括功能分析、因果分析，確定沖突存在的區(qū)域，找到問題的標(biāo)準(zhǔn)解，尋找可用的資源。

（1）功能分析

功能分析的目的是將抽象的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為具體的圖表，或者通過定義與描述系統(tǒng)元件所需達(dá)到的功能，以及元件之間、與環(huán)境之間、與外界環(huán)境的相互作用來分析整體系統(tǒng)。

在具體操作中，首先應(yīng)對系統(tǒng)的各種組成成分進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)中的制品、系統(tǒng)元件和超系統(tǒng)元件。系統(tǒng)是由功能元件及作用組成的功能網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)與超系統(tǒng)及制品共同構(gòu)成產(chǎn)品的功能模型。制品是系統(tǒng)的目的所在，也叫做系統(tǒng)的作用對象；系統(tǒng)元件指的是系統(tǒng)的組成分子，比如產(chǎn)品的組成零件；超系統(tǒng)是影響系統(tǒng)的要素，但是設(shè)計者不能針對這類要素改進(jìn)，如果將其作為系統(tǒng)資源加以利用，甚至可能是解決問題的工具?！坝钪鏌羲闭鬼椣到y(tǒng)功能分析的結(jié)果如表1所示。接著，根據(jù)功能分析結(jié)果，建立系統(tǒng)的功能模型（見圖4）。最后，通過分析功能模型，我們對系統(tǒng)元件及其之間的相互關(guān)系進(jìn)行描述，并得出導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)剛體轉(zhuǎn)速過快問題的功能因素。待解決的問題如下：第一，旋轉(zhuǎn)剛體高速旋轉(zhuǎn)后，對于觀眾有危險性（屬于有害問題，優(yōu)先解決）；第二，旋轉(zhuǎn)剛體旋轉(zhuǎn)后，給觀眾帶來的參觀感受（逼真程度）不足。

（2）因果分析

因果分析，即應(yīng)用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問題的原因?，F(xiàn)在的系統(tǒng)中根本問題在于觀眾參觀感受不足。如圖5所示，此問題的產(chǎn)生有兩方面原因，一方面是使用剛體來表示脈沖星的脈沖，表現(xiàn)效果不佳；另一方面則是剛體的旋轉(zhuǎn)速度受到了限制，這是由多方面因素造成的，其中包括剛體本身的性質(zhì)，如剛體強(qiáng)度不足、質(zhì)量過大等，同時還與剛體所處的環(huán)境有關(guān)，如剛體離觀眾過近、與觀眾無隔離等。

3.3 問題求解

3.3.1 沖突解決理論

我們選用的第一個解題工具是沖突解決理論，包括技術(shù)沖突和物理沖突。TRIZ理論中歸納了48個工程參數(shù)。在應(yīng)用中，需要將沖突的雙方內(nèi)部性能用至少2個工程參數(shù)來表示。通過查找沖突矩陣，得到解決沖突的發(fā)明原理。發(fā)明原理是研究人員對創(chuàng)新成果進(jìn)行分析總結(jié)得到的具有普遍意義的經(jīng)驗，常用的有40條。當(dāng)確定了發(fā)明原理之后，可以根據(jù)這些發(fā)明原理來考慮具體的解決方案。

（1）技術(shù)沖突解決

首先，我們對沖突進(jìn)行描述：為了改善展項的“剛體高速運(yùn)動對觀眾產(chǎn)生危險”，需要降低剛體的旋轉(zhuǎn)速度，但這會導(dǎo)致系統(tǒng)中脈沖剛體對觀眾激發(fā)的參觀感受變?nèi)酢_突的語言轉(zhuǎn)化成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突后可以發(fā)現(xiàn)，我們希望改善的參數(shù)為“物體產(chǎn)生的有害因素/可靠性”；同時造成惡化的參數(shù)為“強(qiáng)度”。通過查找沖突矩陣，得到如下的發(fā)明原理（見表2）。

根據(jù)上述發(fā)明原理，我們提出如下解決方案：

方案一：依據(jù)第11條發(fā)明原理“預(yù)補(bǔ)償”，可以將剛體與觀眾之間加上透明度極高，且強(qiáng)度足夠的透明鋼化玻璃罩，阻隔觀眾和有危險性的剛體。

方案二：依據(jù)第35條發(fā)明原理“參數(shù)變化”，可以將原設(shè)計的剛體替換成柔性材料，如將剛體換為鋼絲，或表面使用軟質(zhì)的外殼，內(nèi)部加龍骨，減少系統(tǒng)的重量，提高系統(tǒng)的安全性。

（2）物理沖突解決

為了保證輻射束的旋轉(zhuǎn)速度和展項的安全性，考慮到參數(shù)“旋轉(zhuǎn)速度”在不同“條件”下具有不同的特性，因此該沖突可以從“條件”上進(jìn)行分離?？蛇x用“基于條件的分離”原理，選擇第1條發(fā)明原理和5條發(fā)明原理得到解決方案。解決方案如下：

方案三：依據(jù)第1條發(fā)明原理“分割”，可以將傳動系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)分割，增加單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)傳動軸作為支撐和傳動系統(tǒng)，再將剛體與軸連接，隨軸轉(zhuǎn)動。

方案四：依據(jù)第5條發(fā)明原理“合并”，可以將原設(shè)計的獨(dú)立剛體合并成圓錐體。將圓錐體的表面密布LED燈具，通過編程，讓光源有規(guī)律地變換顏色，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)效果。

3.3.2 “物質(zhì)-場”分析

我們選用的第二個工具是“物質(zhì)-場”分析。“物質(zhì)-場”分析是通過功能模型，發(fā)現(xiàn)有害作用、不足作用以及過剩作用等問題。該方法適用于已有產(chǎn)品中發(fā)生的沖突以便改進(jìn)設(shè)計。在使用該工具時，設(shè)計人員需要根據(jù)問題的類型來確定問題的性質(zhì)，然后參考76個標(biāo)準(zhǔn)解，從而得到解題的思考方向，最終提出解決辦法。

根據(jù)脈沖星系統(tǒng)的功能模型，我們首先需要建立問題的“物質(zhì)-場”模型（見圖6）。然后，根據(jù)所建問題的模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程（見圖7）。

如圖7所示，由于本問題屬于“有害”作用，所以采用1.2類標(biāo)準(zhǔn)解。通過查找標(biāo)準(zhǔn)解，我們得到第一條標(biāo)準(zhǔn)解為：當(dāng)前設(shè)計中同時存在有用和有害作用，引入S3消除有害效應(yīng)。依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解，我們提出如下解決方案：

方案五：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解，可以在剛體外部增加一個透明的鋼化玻璃外罩，將觀眾和剛體隔離開來。改進(jìn)后的“物質(zhì)-場”模型如圖8所示。

同時，我們還得到第二條標(biāo)準(zhǔn)解：當(dāng)前設(shè)計中同時存在有用和有害作用，通過修改S1或者S2，消除有害作用。依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解，提出如下解決方案：

方案六：將單一的剛體分拆成多根較細(xì)的剛體，減少剛體的質(zhì)量，降低剛體高速旋轉(zhuǎn)后的危險性。

3.3.3 裁剪

裁剪是TRIZ理論中的一種改進(jìn)系統(tǒng)的方法。通過裁剪，可以把問題功能所對應(yīng)的元件刪除，達(dá)到改善整個功能模型的目的。這種方法既可以降低成本，還能夠消除過度、有害、重復(fù)作用，簡化系統(tǒng)。

通過觀察功能模型，我們發(fā)現(xiàn)脈沖剛體對觀眾帶來的危險性屬于有害作用。針對功能模型中存在有害作用的問題，依據(jù)第三條裁剪規(guī)則“主動元件的作用由其他元件或超系統(tǒng)替代”，將脈沖剛體、軸承、電機(jī)、路徑軌道等元件進(jìn)行裁剪，改為固定的投影機(jī)進(jìn)行投影，通過光影效果營造出脈沖星快速旋轉(zhuǎn)的參觀感受。裁剪后的功能模型如圖9所示。按照功能裁剪過程，可以提出如下解決方案：

方案七：將剛體取消，脈沖星的輻射采用透明的亞克力材料制成圓錐殼，殼頂部內(nèi)部高流明的投影機(jī)，在圓錐殼上成像，實現(xiàn)高速運(yùn)動的效果。

此外，系統(tǒng)中還存在一個不足問題，即剛體給觀眾帶來的參觀感受不足。我們首先采用技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化定律進(jìn)行分析。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化定律有9條，包括完整性定律、增加理想化水平定律、動態(tài)化增長定律等。這9條定律表明系統(tǒng)進(jìn)化是由低級到高級，同時也提供了從進(jìn)化角度思考解題方案的可能性。通過分析現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化過程，選擇合適的技術(shù)進(jìn)化定律“動態(tài)化增長”。

科普展覽展項的發(fā)展經(jīng)歷了靜態(tài)展板、靜態(tài)陳列品或模型展示、動態(tài)模型展示（目前發(fā)展水平）、動態(tài)交互體驗?zāi)Ｐ驼故荆撛跔顟B(tài)）四個階段。依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化發(fā)展過程，我們選擇了“向連續(xù)狀態(tài)變化系統(tǒng)傳遞”技術(shù)進(jìn)化路線，按照選定的技術(shù)進(jìn)化路線，確定潛力狀態(tài)。按照技術(shù)進(jìn)化分析，我們提出如下解決方案：

方案八：增加人機(jī)交互途徑，觀眾可控制脈沖星的轉(zhuǎn)速變化以及LED的光影變化，模擬出多種不同的脈沖星的轉(zhuǎn)動效果。

我們還嘗試使用“物質(zhì)-場”分析來解決這個問題。首先，我們建立了問題的“物質(zhì)-場”模型（見圖10）。根據(jù)所建問題的“物質(zhì)-場”模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程進(jìn)行解答。由于該問題屬于不足的問題，因此我們需要查找第1或第2類標(biāo)準(zhǔn)解，來確定問題的通解。最終，我們得到標(biāo)準(zhǔn)解：系統(tǒng)不能改變，但允許使用一個永久或暫時的外部附加成分S3改變S1或S2。依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解，我們提出如下解決方案：

方案九：在剛體表面增加LED燈，加強(qiáng)觀眾的參觀感受（見圖11）。

3.4 問題的解

我們使用了沖突解決理論、“物質(zhì)-場”分析、裁剪、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論等對問題進(jìn)行了求解，得到了九個方案，并對方案進(jìn)行匯總，得到最終解為：將展項原有單根剛體分拆成6根細(xì)剛體；在剛體側(cè)面安置可變化的LED燈，觀眾可通過觸摸屏和脈沖星進(jìn)行交互，控制脈沖剛體的旋轉(zhuǎn)速度以及LED燈的閃爍速度；展項周圍使用透明鋼化玻璃罩以保證安全性。

3.5 解的評價

根據(jù)TRIZ理論得到的解已經(jīng)運(yùn)用到北京天文館“宇宙暢游”展覽中的“宇宙燈塔”展項上，并通過部分調(diào)整、現(xiàn)場實施和布展，于2017年1月已經(jīng)面向觀眾開放（見圖12）。截止到2017年8月底，觀眾通過觸摸屏控制展項旋轉(zhuǎn)速度的累計次數(shù)超過2.56萬次。此外，該展項3個不同內(nèi)容的觸摸屏的總交互次數(shù)超過25.47萬次，平均每3名觀眾中就有1名與展項進(jìn)行互動。而展項的剛體經(jīng)過了寒暑假兩個旺季的考驗，仍然在有條不紊的運(yùn)轉(zhuǎn)中。通過和觀眾的交流和調(diào)查問卷我們了解到，觀眾對于如此高大且不停旋轉(zhuǎn)的展項充滿好奇，對其燈塔的造型也總是刨根問底。展項成功的引起了觀眾的興趣，可以說我們的設(shè)計和實施的效果達(dá)到了預(yù)期。

4 結(jié)語

TRIZ理論是創(chuàng)新理論，也是問題解決理論，是可以應(yīng)用到工程技術(shù)領(lǐng)域的解題辦法，在展覽設(shè)計和實施過程中可以發(fā)揮巨大的作用。通過綜合運(yùn)用TRIZ的沖突解決理論、“物質(zhì)-場”分析、進(jìn)化定律等，可以開闊展項設(shè)計者的視野，提出更多新穎的解決問題的思路和辦法，對于解決實際問題大有裨益。

參考文獻(xiàn)

[1]檀潤華，王慶禹.產(chǎn)品設(shè)計過程模型、策略與方法綜述[J].機(jī)械設(shè)計，2000（11）：1-4.

[2]魏賽娜，曹國忠，檀潤華.TRIZ沖突解決原理在U盤創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用[J].設(shè)計，2013（2）：38-39.

[3]周永清.TRIZ中矛盾理論及應(yīng)用[J].科學(xué)與管理，2010（3）：15-17.

[4]張志遠(yuǎn)，何川，張鵬.運(yùn)用TRIZ理論解決新產(chǎn)品開發(fā)中的沖突[J].工程設(shè)計學(xué)報，2003（4）：192-196.

Abstract In this paper， an example of the implementation of "Cosmic Lighthouse" in Beijing planetarium “Universe Tour” exhibition is presented， which elaborated how to solve the problem by using the innovative TRIZ.

Keywords exhibition， design， TRIZ