朱 海，劉靜娜，馬文朋

（1.天津理工大學天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津300384；2.天津理工大學機電工程國家級實驗教學示范中心，天津300384）

TRIZ理論的名稱源自于俄文“發(fā)明問題解決理論”轉換成拉丁文的詞頭縮寫，其本意為發(fā)現創(chuàng)造問題并解決問題。該理論是由蘇聯發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒自1946年開始同上千位研究人員經過多年努力，對200多萬份專利進行分析與總結，對其中具有代表性的4萬份專利進行了深入的研究，總結創(chuàng)新發(fā)明的規(guī)律法則，綜合多學科多領域而獲得的一種發(fā)明問題解決理論的方法[1]。

TRIZ理論的應用流程分為3個階段：一是識別問題；二是解決問題；三是創(chuàng)新概念。通過系統組件分析、資源分析與因果分析等分析手段對系統中存在的問題進行明確，運用矛盾求解、物場求解等求解手段對其存在的問題進行求解方向的確定與求解方案的提出，對其解決方案進行最終的評估，并選擇獲得該系統的最佳設計改進方案。TRIZ理論是研究人類進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術難題過程中，總結和研究出來的科學原理，并且，“發(fā)明問題解決理論”適用于各個行業(yè)的發(fā)展[2-3]。

1 移栽樹木防風裝置改進設計問題描述

在進行城市規(guī)劃與園林規(guī)劃時，需要移栽各種新樹木來增加城市所在地綠化率，但新移栽樹木若受到強風或其他沖擊等影響會發(fā)生一定的傾斜，使其在生長過程中也會傾斜生長，影響了園林風景的美觀?，F在通常通過幾根木棍、幾塊木板或樹干與移栽樹木的樹干進行捆綁，來對其進行固定，見第44頁圖1。由于這種固定方式的裝置過于簡單存在著許多問題。首先，木材之間的摩擦會使被固定的樹干的表層樹皮受到損傷，對樹皮易損的樹干影響很大。其次，木棍、木板或樹干的擺放無法構成正三角形，防風的方向存在局限性。最后，支撐結構之間的力學性能會隨著時間推移而有所下降，使結構不穩(wěn)定，易產生晃動，造成固定失敗。

綜上所述的種種不足，都會對新移栽樹木的固定造成影響。為了解決這種不足，筆者對目前的移栽樹木防風裝置的工作情況，進行分析與結構的創(chuàng)新。

圖1 傳統移栽樹木固定示意圖

2 基于TRIZ理論的移栽樹木防風裝置的優(yōu)化設計

運用TRIZ理論來解決發(fā)明問題的主要基本思想如下：首先，通過將分析模型中存在的問題通過TRIZ理論工具進行合理的歸類；其次，通過其類別內的解決方案類型來對本問題的解決方向做出確定；最后，根據模型所處實際情況進行分析，總結出最終的解決方案。圖2為TRIZ理論解決發(fā)明問題的基本流程。

2.1 傳統移栽樹木防風裝置組件分析

圖2 TRIZ理論解決發(fā)明問題的基本流程

在傳統移栽樹木防風裝置中，技術系統為傳統移栽樹木防風裝置；主要功能為控制位置；組件包括普通麻繩、支撐樹干、土地；超系統組件包括樹干、強風、陽光、雨水。

為明確各組件之間的相互作用關系，建立起各組件的相互聯系，從而更好地改善組件、優(yōu)化組件和系統結構，需要確定組件之間的相互作用是否存在，其必要條件是兩個組件之間存在相互接觸，進而更方便地判斷出當前系統存在的缺陷與不足。在明確系統中各組件是否存在相互作用后，便可對存在相互作用的組件進行進一步分析，判斷其相互作用對目的結果的影響，建立功能模型，見圖3。

由圖3可知，存在相互作用的各組件之間的功能被分為3種：有用功能、不足功能與有害功能，其中不足功能與有害功能會導致系統作用結果無法達到預期效果，分別為：一是強風直接作用在樹干，會使剛移栽樹木的樹干發(fā)生一定位移傾斜；二是陽光直射在普通麻繩上，普通麻繩受到日曬，使其變脆易發(fā)生斷裂；三是在雨季時，雨水會使普通麻繩發(fā)霉腐爛，使其捆綁能力降低；四是在雨季時，雨水會使支撐樹干發(fā)霉腐爛，使其固定能力降低；五是普通麻繩對將多個支撐樹干捆綁，由于支撐樹干的形狀不規(guī)則，因此無法達到良好的捆綁效果；六是支撐樹干在被綁好后插在土地上，由于土地松動而無法固定好支撐樹干的位置；七是由于多個支撐樹干的形狀、長短不同，因此無法構成正三角形擺放，其固定效果受限。

圖3 傳統移栽樹木防風裝置的功能模型

2.2 系統資源分析與因果分析

2.2.1 系統資源分析

任何技術系統都具有超過其通常功能的能力，這種超出的能力可以被發(fā)現和利用，以使系統達到理想解。實際上“過?！钡哪芰褪强捎觅Y源必不可少的一種方法，在發(fā)明創(chuàng)造設計過程中，可用系統資源起著重要作用，問題的解越接近理想解，系統資源就越重要。只有具備并使用資源，才能解決所有問題。分析移栽樹木防風系統的系統中各組件的物質資源、能量資源和功能資源。通過結合實際情況的缺陷以及對以上資源的分析可知，在本系統物質資源中，其中普通麻繩的物質資源中沒有抑制吸水的資源，是導致在雨季時雨水會使普通麻繩發(fā)霉腐爛、使其捆綁能力降低的主要原因。因此可得方案1：改變普通麻繩中的組成成分，使其成為一種防腐爛防曬的麻繩，進而實現更好的固定效果。

2.2.2 系統因果分析

從功能分析中的得到的初始問題是：在固定過程中，支撐樹干無法與被固定樹干緊密接觸，無法實現穩(wěn)定固定。在固定后，由于強風的沖擊力直接作用在被固定樹干與支撐樹干上，使支撐結構出現傾斜或破壞，使固定樹木產生側傾。因果分析是一種結構化的問題處理方法，其目的在于識別問題的真正原因所需要的措施。因果分析示意圖見第45頁圖4。

通過對兩個典型的初始問題進行逐層的因果分析，找出其深層次的問題原因，得出關鍵的末端原因：支撐結構的穩(wěn)定性不足。這為以后的方案求解明確了思考與創(chuàng)新方向。

圖4 因果分析示意圖

2.3 工程參數與矛盾分析

為使在該系統中的具體實際問題轉為TRIZ理論問題，可以通過使用阿奇舒勒在對大量工程實際與專利文獻分析中總結出的39個通用技術參數，來進行問題的轉換。這39個通用技術參數基本概括了工程領域中出現的絕大部分技術矛盾問題[4]。

在矛盾分析中主要包括了兩種分析，分別為技術矛盾分析與物理矛盾分析。這兩種矛盾的主要區(qū)別為：一是技術矛盾主要表示為研究系統中的兩個不同參數之間的矛盾，其主要表現為特性與功能參數；而物理矛盾是在本系統中的某個參數存在兩種對立關系，其對立關系構成的矛盾，其主要表現也為特性與功能參數。二是技術矛盾為該系統的整體特性；物理矛盾則為該系統中個別參數或元素的特征特性。三是物理矛盾相對于技術矛盾更可以體現出系統存在的問題本質。四是物理矛盾相對于技術矛盾更加“激烈”一些。

2.3.1 技術矛盾分析

首先需要明確在本系統中存在主要問題，通過以上因果分析可以得到，支撐結構的穩(wěn)定性不足，使得被固定樹干無法穩(wěn)定固定而產生側傾，這是導致系統無法實現預期效果的主要問題。

如果支撐結構有足夠的穩(wěn)定性，那么就可以在很大程度上解決樹干在被固定后產生側傾的問題，但是當支撐結構有足夠的穩(wěn)定性時，支撐結構內部應力將會大大提高，造成機械性損壞，固定失敗。概括為技術參數來說就是：如果支撐結構的穩(wěn)定性提高，那么樹干就可以獲得良好穩(wěn)定的支撐效果；但導致支撐結構內部組件所受相互作用力提高，易使組件損壞，固定失效。這就構成了一組技術矛盾：如果增加固定桿的數量，那么支撐結構的穩(wěn)定性將提高；但是與此同時支撐結構裝置的復雜性也會提高。

采用39個通用技術參數中的其中兩個，來描述這個矛盾的兩個方面?？芍?，改善的通用技術參數為參數13結構的穩(wěn)定性（通過對支撐結構的位置與形狀的設定，使其為科學的固定結構，以達到樹木的穩(wěn)定固定）。惡化的通用技術參數為參數36裝置的復雜性（該裝置為與樹干之間存在良好的力學性能，需使多個頭部為鐵板平板狀的固定桿，在固定時，將多個固定桿的平板部分通過合頁連接使其環(huán)繞樹干，裝置的結構與安裝過程復雜）。采用的發(fā)明原理包括發(fā)明原理2抽取原理、發(fā)明原理22變害為利原理、發(fā)明原理26復制原理、發(fā)明原理35物理或化學參數改變原理。圖5為穩(wěn)定性提高方案示意圖。

圖5 穩(wěn)定性提高方案示意圖

應用發(fā)明原理2抽取原理，可得方案2：在固定過程中，僅需要以正三角形擺放的3個桿就可以保持裝置結構的穩(wěn)定性[5]，故3個端部為鐵板平板的固定桿為固定過程中的有用部分。采用3個端部為平板的固定桿與多個平板通過合頁連接，即可完成固定，該方案簡化了裝置的復雜性。圖6為方案2示意圖。

圖6 方案2示意圖

2.3.2 物理矛盾分析

在解決物理矛盾問題時，根據TRIZ理論，使用4個分離原理，這4個分離原理與40個發(fā)明原理之間存在一定的關系，每一個分離原理分別對應著多個發(fā)明原理。在因果分析中，已經得到了該系統存在的關鍵問題是支撐結構的穩(wěn)定性不足。通過分析可得，如果支撐結構的穩(wěn)定性過小，就不能使樹干得到良好穩(wěn)定的固定效果；如果支撐結構的穩(wěn)定性過大，可以使樹干固定良好，但是支撐結構與樹干的接觸力增大，易對樹皮產生損傷。由此形成了一對物理矛盾。物理矛盾分析如下：支撐結構的穩(wěn)定性過小，無法使樹干得到良好穩(wěn)定的固定效果；支撐結構的穩(wěn)定性過大，可以使樹干固定良好，但是支撐結構與樹干的接觸力增大，易對樹皮產生損傷。因為對樹皮造成損傷的力僅是由移栽樹木防風裝置與樹干結合部分的組件產生，所以可采用整體與部分分離原理。

應用發(fā)明原理27廉價替代品原理，可得方案3：使用緊縮環(huán)代替通過合頁連接的多個鐵板平板的環(huán)狀結構，固定桿的端部設計為鐵片狀，在緊縮環(huán)套在樹干之后，插入在樹干與緊縮環(huán)之間，固定桿置于地面保持固定。圖7為方案3示意圖。

圖7 方案3示意圖

應用發(fā)明原理40復合材料原理，可得方案4：在支撐結構與樹干之間增加O型橡膠密封圈[6]，緩沖支撐結構對樹干造成的沖擊力，保護樹皮結構，同時提高制成桿的摩擦力，加強固定。

3 移栽樹木防風裝置改進設計的物場分析

在TRIZ理論中，物場分析是通過系統中存在的功能問題進行分析進而確定其類型與性質，通過參考76個標準解，使設計者獲得創(chuàng)新思維的開發(fā)與解決問題的方向。

物場分析的求解過程的基本思路為：首先明確系統中存在的主要問題；其次分析主要問題的解決方法后，可以將其解決方法歸類為5種類型，每種類型解決問題方法對應著部分標準解；最后通過標準解獲得求解問題的方法。

在物場分析中，針對的分析對象為系統中存在的3個問題：一是強風直接作用在樹干，會使剛移栽樹木的樹干發(fā)生一定位移傾斜；二是在雨季時，雨水會使支撐樹干發(fā)霉腐爛，其固定能力降低；三是支撐樹干在被綁好后插在土地上，由于土地的松動無法固定好支撐樹干的位置。

針對系統中存在的這3個問題，通過對系統中相應部分進行物場分析后，獲得其中每個部分的原有物場模型圖，見圖8。

利用第1級標準解法S1.2.1引入S3消除有害作用，并利用第2類標準解法S2.1.1將單一物場模型轉化為鏈式物場模型，得到新的物場模型圖，見圖9。

圖9 新的物場模型圖

從圖9可知，基于物場分析，針對系統中存在的3個問題，得到了初步的3個解決方案。方案5：使用長圓筒形防風擋板，將樹木置于筒形防風擋板之間，可以起到良好的防風效果。方案6：通過對支撐樹干涂抹ACQ木材防霉劑[7]，可以防止雨季的潮濕引起的樹干發(fā)霉。方案7：在支撐樹干下端安裝長地釘，在支撐樹干固定時將地釘釘入土地內層，使土地與地釘有著良好的力學接觸性能，進而加固固定了支撐樹干所在位置。

4 移栽樹木防風裝置改進設計的最終方案

針對系統中存在的問題而提出了以上7種解決方案，對這7種解決方案的可行性進行評價。將方案2、方案3、方案4、方案7進行組合，得到1種最終方案：首先，用鎖緊圈套在樹干上，在樹干與其之間加入環(huán)式軟質黏性硅膠，降低樹皮與樹干所受的沖擊力并提高摩擦力，保證支撐桿與樹干之間的固定性穩(wěn)定；其次，用支撐桿代替支撐樹干，支撐桿的端部設計為鉤環(huán)狀，掛在鎖緊圈的內壁，使支撐桿與掛鉤環(huán)良好固定，端部增加長地釘結構；最后，3個支撐桿構成正三角形擺放后，將地釘釘入土地深層，完成支撐桿的位置固定，即可完成樹干的固定。第47頁圖10為最終方案示意圖。

圖10 最終方案示意圖

5 結束語

本文通過TRIZ理論的基礎，對移栽樹木防風裝置進行了創(chuàng)新設計。運用TRIZ理論工具對原系統中的組件進行了分析，獲得系統存在的關鍵問題，并通過矛盾求解，明確解決方案類型后，確定解決方案，對其存在的矛盾問題進行求解。通過對多種方案的分析與評估，將方案進行整合，獲得了新移栽樹木防風裝置改進設計的最終方案。