吳嘉健，楊春燕

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所, 廣東 廣州 510006；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006）

流分析方法是現(xiàn)代發(fā)明問題的解決理論(Theory of the Solution of Inventive Problems, TRIZ)中廣泛應(yīng)用于解決技術(shù)系統(tǒng)中矛盾問題的工具。復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)中往往存在著物質(zhì)流、能量流和信息流的傳遞與轉(zhuǎn)換[1]。不同的流在技術(shù)系統(tǒng)中起著不同的作用，通過流分析可以清晰準(zhǔn)確地找到流中存在的問題，接著采取各種辦法來加強有益流，消除有害流，進而解決技術(shù)系統(tǒng)中的問題[2]。近些年，國內(nèi)外利用流分析解決矛盾問題獲得了許多研究成果，如文獻[3]針對復(fù)雜機電系統(tǒng)設(shè)計中存在的功能耦合問題，提出了基于流分析的耦合參數(shù)尋找方法，有效地改善了復(fù)雜機電系統(tǒng)功能之間的強耦合性；文獻[4]運用TRIZ流分析的分析問題模型，針對印刷電子試驗臺在印刷電子產(chǎn)品制備過程中存在的問題，進行改進設(shè)計；文獻[5]運用TRIZ中的流分析的分析問題模型，對絲網(wǎng)印刷試驗臺進行優(yōu)化設(shè)計，使試驗臺印刷效果更好；文獻[6]針對目前CAI軟件現(xiàn)狀，對產(chǎn)品創(chuàng)新過程進行研究，提出一種基于流分析的輔助創(chuàng)新設(shè)計專家系統(tǒng)。

可拓學(xué)是一門研究對象的可擴展性的方法以及用形式化模型解決現(xiàn)實世界中各種矛盾問題的理論。可拓創(chuàng)新方法是用于生成創(chuàng)意的方法，它利用可拓學(xué)的基本理論，建立了方便、易學(xué)、易操作的模型化與定量化相結(jié)合的方法，應(yīng)用于各領(lǐng)域的創(chuàng)新和解決矛盾問題。為了使人們能夠按照一定的程序推導(dǎo)出新產(chǎn)品創(chuàng)意或得到解決矛盾問題的策略,并進一步讓計算機幫助人們生成新產(chǎn)品創(chuàng)意或解決矛盾問題的策略，可拓創(chuàng)新方法中采用形式化語言表達事、物、關(guān)系和問題,建立了以基元(對象、特征、量值)為邏輯細胞的形式化模型，稱為可拓模型[7-8]。在可拓創(chuàng)新方法中，針對所研究事物對象構(gòu)建可拓模型，同時建立了表達事物拓展規(guī)律的拓展分析方法。近些年，可拓創(chuàng)新方法得到了廣泛應(yīng)用。文獻[9]可拓基元模型表達無塵黑板的功能信息，并結(jié)合TRIZ和發(fā)散樹方法對無塵黑板進行創(chuàng)新設(shè)計；文獻[10]提出一種集成TRIZ與可拓學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計方法，建立方桌的可拓模型，對其實施可拓變換，得到面積可變的方桌設(shè)計方案；文獻[11]針對現(xiàn)有發(fā)電機缺點，建立了發(fā)電機的基元模型，利用拓展分析與可拓變換，形成了多種解決缺陷的創(chuàng)意設(shè)計；文獻[12]通過建立手機的可拓模型，結(jié)合TRIZ理論和可拓變換方法，對手機充電器進行創(chuàng)新設(shè)計。

TRIZ中現(xiàn)有的流分析方法只能人工操作，可以引導(dǎo)工程技術(shù)人員找到技術(shù)系統(tǒng)中的缺陷，但無法利用計算機實現(xiàn)，難以為智能設(shè)計提供知識支撐。本文基于可拓創(chuàng)新方法中的可拓模型建立方法和拓展分析方法，結(jié)合流與流分析，提出可拓流模型建立方法，為處理技術(shù)系統(tǒng)中的矛盾問題提供了新的模型化方法，也為下一步獲得解決技術(shù)系統(tǒng)中矛盾問題的可拓知識打下了良好基礎(chǔ)。同時可拓流模型的建立也為進一步利用流分析進行智能設(shè)計提供了可能。

1 流分析與可拓創(chuàng)新方法

1.1 流與流分析

現(xiàn)代TRIZ把流定義為：物質(zhì)、能量(場)和信息在技術(shù)系統(tǒng)中的運動。在多年的TRIZ應(yīng)用實踐中，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅僅用“靜止”或“動態(tài)”的狀態(tài)來描述技術(shù)系統(tǒng)中組件的運動已顯得過于簡單，而實際情況往往復(fù)雜得多，如何對其進行有效的描述，往往成為分析該技術(shù)系統(tǒng)的前提[13]。流的基本屬性是連續(xù)和運動。因此，流被用來描述技術(shù)系統(tǒng)中這種非常普遍的運動形式。從功能角度出發(fā)，流被分為有益流、過度流、不足流和有害流等[14]。其中有益流是物體(物質(zhì)、能量或信息)執(zhí)行了一個有用功能的流，或者是一個執(zhí)行了有用功能的物體的流；過度流是指流量過大或過量的流，是一種過度的有益流；不足流是指有用流因自身和外界因素的相互影響而形成了在導(dǎo)通性和利用率上有缺陷的流，產(chǎn)生了作用不足；有害流是指一個執(zhí)行了有害功能的物體(物體、能量和信息)的流[15-17]。

流分析是一種識別技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)、能量(場)和信息流動缺陷的分析方法。跟TRIZ中物場分析和功能分析不同，它是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)外部物質(zhì)、能量(場)和信息的流動，識別出技術(shù)系統(tǒng)中的有害流和有缺陷的流，彌補了物場分析和功能分析的不足[18]。流分析的獨有特點是把物質(zhì)、能量和信息都抽象地用“流”概念來代替，找到共性問題，由此提出共性解決方案。運用流分析，可以很好地找到待分析的技術(shù)系統(tǒng)中問題的切入點，有效地找到最小問題區(qū)域中的各種流的實際狀態(tài)，從而清晰地找出矛盾問題所在，這樣往往能夠很好解決用經(jīng)典TRIZ理論無法解決的一些問題[19]。

1.2 可拓創(chuàng)新方法

可拓創(chuàng)新方法的理論與方法有很多，其中包括可拓模型建立方法、拓展分析與可拓變換方法、優(yōu)度評價方法等，現(xiàn)已在眾多工程行業(yè)中有廣泛的推廣和使用。下面介紹本文研究中將會用到的一些方法。

1.2.1 可拓模型建立方法

為了形式化、模型化表示物、事和關(guān)系，可拓學(xué)中建立了物元、事元和關(guān)系元的概念，它們是可拓學(xué)的邏輯細胞，統(tǒng)稱為基元[7]，以基元為邏輯細胞建立的形式化模型，稱為可拓模型。

基元的三要素為對象O、 特征c、關(guān)于特征c所對應(yīng)的量值v,可形式化表示為B=(O,c,v)，其中符號B為基元，而需要描述多個特征的對象時，可采用多維基元的表示方法，可形式化表示為

式中：O為描述的對象，c1,c2,···,ci表示對象O的 特征，v1,v2,···,vi表示特征c1,c2,···,ci所對應(yīng)的量值。根據(jù)描述的不同，可分別用物元M，事元A， 關(guān)系元R來代替。

若基元B是某參變量t的函數(shù)，則稱為動態(tài)基元，可形式化表示為

要描述實際問題，往往是非常復(fù)雜的，因此需要根據(jù)描述對象的不同，使用物元、事元和關(guān)系元復(fù)合的形式來表達，統(tǒng)稱為復(fù)合元[20]。復(fù)合元有很多種情況，這里將要介紹本文用到的物元與事元形成的復(fù)合元：若有物元M=(Om，cm，vm)和事元A=(Oa，ca，va)，則A(M)=(Oa，ca，M)、Mv(A)=(Om，cm，A)及Mo(A)=(A，cm，vm)均為物元和事元形成的復(fù)合元。對于事元的某個特征的量值為物元的復(fù)合元模型可以表示為

式中：特征ca1的 量值M為物元。當(dāng)然，還有多個特征的量值是物元的情況。

當(dāng)需要考慮時間時，常常用動態(tài)復(fù)合元形式化表示。本文主要用到動態(tài)事元和動態(tài)物元的復(fù)合元，表示為

式中：特征ca1的 量值M(t)為動態(tài)物元。當(dāng)然，還有多個特征的量值是動態(tài)物元的情況。

1.2.2 蘊含分析方法

蘊含分析方法是拓展分析方法中的一種，它是根據(jù)物、事和關(guān)系的蘊含性，以基元為形式化工具而對物、事或關(guān)系進行的形式化分析，可用于分析事物之間的因果關(guān)系[21]，以便找到根本原因，為解決矛盾問題提供思路。以事元的蘊含為例，對于兩個基元A1和A2,若A1實 現(xiàn)必然導(dǎo)致A2實現(xiàn)，則稱A1蘊 含A2，記作A1?A2。若A1與A2同時實現(xiàn)導(dǎo)致A實 現(xiàn)，則A1、A2與蘊含A， 記作A1∧A2?A；若A1或A2實現(xiàn)都有A實現(xiàn)，則A1，A2或蘊含A， 記作A1∨A2?A。推廣到更一般的情況，多個基元的蘊含關(guān)系會形成蘊含系，蘊含系包括“與蘊含”“或蘊含”“與或蘊含”等各種形式，事元“與蘊含系”模型一般表示為圖1所示。

圖1 事元蘊含系Fig.1 The implication system of the affair-elements

2 可拓流模型的建立方法

所謂可拓流模型，是針對利用可拓模型建立方法和拓展分析方法對流進行形式化分析所形成的模型。建立可拓流模型的步驟為

(1) 利用可拓學(xué)中的基元或復(fù)合元，建立流中所涉及的物、功能、工藝、結(jié)構(gòu)關(guān)系等的可拓模型；

(2) 根據(jù)領(lǐng)域知識和拓展分析方法，獲取上述可拓模型間的各種關(guān)系；

(3) 根據(jù)流分析方法，建立可拓流模型。

2.1 流中所涉及的對象的可拓模型

本文以技術(shù)系統(tǒng)中的單一流為例開展研究，由于連續(xù)和運動是流的基本屬性，因此采用動態(tài)基元[22]建立流中所涉及對象的可拓模型。

將流與流運動過程中所涉及到的物體用動態(tài)物元形式化表示為

式中：Om(t) 表 示某物，cmi(i=1,2,···,n)表示該物的多個特征，vmi(t) 表 示Om(t) 關(guān) 于cmi所取得的量值。

將流與物體的相互作用及物體的功能，用多維動態(tài)事元形式化表示為

式中：Oa(t)表 示動作，cai(i=1,2,···,h)表示該動作的多個特征，vai(t)表 示Oa(t)關(guān) 于cai所取得的量值。動態(tài)事元表達式中，動作的基本特征有支配對象、施動對象、接受對象、時間、地點(位置)、程度、方式、工具等。

當(dāng)需要同時考慮流作用的物體的位置、形狀等特征時，常常用到動態(tài)事元和動態(tài)物元的動態(tài)復(fù)合元形式化表示

式中：特征ca1的 量值M(t)為動態(tài)物元。當(dāng)然，還有多個特征的量值是動態(tài)物元的情況。

2.2 拓展分析

流在技術(shù)系統(tǒng)中是連續(xù)運動的。在運動過程中，流會對物產(chǎn)生作用，物又具有相應(yīng)的功能，用2.1節(jié)的動態(tài)復(fù)合元A(M)(t)表示流對物的作用及物的功能，而在不同時刻，流對不同的物發(fā)生相互作用，如在t1時刻，可表示為A1(M1)(t1) ，在t2時刻，可表示為A2(M2)(t2) ，以此類推，在ti時刻，可表示為i=1, 2, ···,n。流在不同時刻對不同物的作用及物的功能之間存在因果蘊含關(guān)系[23]。根據(jù)1.2.2節(jié)中蘊含分析方法，假設(shè)t1＜t2， 若t1時 刻A1(M1)(t1) 實現(xiàn)，必然導(dǎo)致t2時刻A2(M2)(t2) 的實現(xiàn)，則稱A1(M1)(t1) 蘊 含A2(M2)(t2)，可表示為A1(M1)(t1)?A2(M2)(t2)。而當(dāng)流經(jīng)過多個物體時，流與不同物體的作用存在著各種不同的蘊含關(guān)系，可形成“與蘊含系”“或蘊含系”或“與或混合蘊含系”，以“與蘊含系”為例，表示為圖2所示。該關(guān)系可為后續(xù)消除有害流提供方法依據(jù)。

圖2 與蘊含系圖示Fig.2 And implication system

2.3 建立可拓流模型

流在技術(shù)系統(tǒng)中的運動區(qū)域稱為流的通道，復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)中往往存在著多種流共同作用[18]，形成多條不同流的不同通道，本文主要研究單一流在技術(shù)系統(tǒng)中運動的過程。流在不同的時間內(nèi)往往會在技術(shù)系統(tǒng)中形成多條不同的子通道，在每一條完整的子通道中，流在不同的時間內(nèi)會對流通道中的不同物產(chǎn)生相互作用。用動態(tài)復(fù)合元Ai(Mi)(tj),Aik(Mik)(tjk)，···表示在不同時間子通道中物的功能對流以及流對不同物產(chǎn)生的不同作用。用動態(tài)物元Mi(tj)，Mik(tjk)，···表示不同時刻每一條子通道中的每一個物。而隨著時間的改變，流自身的狀態(tài)也將發(fā)生變化，用物元M0(t0)表示流，將流在物間運動的方向用“”表示，用“”表示流對子通道中不同物產(chǎn)生的不同作用。根據(jù)2.2節(jié)的拓展分析，用“? ”表示流對物的作用及物的功能之間的因果蘊含關(guān)系。由此建立可拓流模型，如圖3所示。

圖3 可拓流模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of extension flow model

2.4 識別有益流和有害流

根據(jù)流分析方法和2.3節(jié)建立的可拓流模型，可以清晰準(zhǔn)確地表示出流在技術(shù)系統(tǒng)中形成的不同子通道中對不同的物產(chǎn)生的不同作用，即Aik(Mik)(tjk)。再根據(jù)流的分類，可以識別出有害流、有益流、浪費流和中性流等不同的流。

由此可形成基于可拓流模型和流分析方法識別有益流和有害流的方法一般流程，如圖4所示。

圖4 基于可拓流模型和流分析識別有益流和有害流的一般流程Fig.4 The general process of identifying beneficial and harmful flows based on the extension flow model and flow analysis

3 案例分析

某企業(yè)大量生產(chǎn)各種型號充電電源。充電電源的PCB(Printed Circuit Board)板生產(chǎn)出來之后，均采用“超聲熔接工藝”對電源外殼進行封裝。某種型號的手機充電電源在封裝前測試，PCB板工作良好，但是在封裝后測試，就會檢測出5%產(chǎn)品無電流輸出，拆開后發(fā)現(xiàn)貼片電容擊穿[16]。

該企業(yè)已經(jīng)做過檢測及故障分析，初步分析原因為：超聲封裝前電路板是好的，超聲封裝后電路板無電流輸出。由此判斷: 超聲封裝工藝導(dǎo)致5%的廢品率。此后進一步原因分析：在檢測廢品時發(fā)現(xiàn)，PCBA(Printed Circuit Board Assembly)上的貼片電容4.7μF/25 V壞掉，換一個新的貼片電容，電源PCB板恢復(fù)正常輸出。貼片電容在整個PCB線路中是起到啟動IC的作用，因此判斷是貼片電容的可靠性不佳導(dǎo)致IC無法啟動，從而造成電路無輸出。分析結(jié)果判斷是超聲熔接外殼時，超聲波損壞了貼片電容，導(dǎo)致電容性能不穩(wěn)定。

3.1 問題所涉及的部件、功能及工藝的基元模型

根據(jù)上述分析，對充電電源內(nèi)部超聲波流所涉及的物、功能、工藝等，建立基元模型。

設(shè)t0時刻從超聲封裝設(shè)備中發(fā)出頻率為15 kHz的超聲波，其物元模型為

該超聲波依次在t1、t11、t111、t2、t21、t211時刻到達電源上殼、電源上下殼接口、電源外殼、變壓器引腳、連錫面和貼片電容，建立它們在這些時刻的物元模型為

其中：連錫面的位置的量值為S=“變壓器引腳與貼片電容間”。

在t1、t11、t2、t21時 刻，M1(t1)、M11(t11)、M2(t2)、M21(t21)依次“傳播超聲波”的功能分別用動態(tài)功能復(fù)合元表示為

而在t111時 刻，超聲波M0(t111) 對外殼M111(t111)發(fā)生作用，即

在t211時 刻，超聲波M0(t211) 對 貼片電容M211(t211)發(fā)生作用，即

其中，將PCB板上連錫面能夠傳導(dǎo)超聲波的長度，定義為連錫面的“寬度”，其示意圖如圖5所示。

圖5 PCB板上連錫面示意圖Fig.5 Schematic diagram of the tin surface on the PCB board

3.2 拓展分析

超聲波M0(t0)是超聲封裝設(shè)備發(fā)出的，最先接觸到的是電源設(shè)備上殼M1(t1)和 變壓器引腳M2(t2)，流從電源設(shè)備上殼M1(t1)到 上下殼接口處M11(t11)再到電源外殼M111(t111)這一條完整的運動過程，可以看成是超聲波流的一個子通道。在這條通道中，M1(t1)、M11(t11)對 超聲波起到了傳播的作用，超聲波對M111(t111)起的是封裝熔接外殼的作用，即A111(M111)(t111)。因此，超聲波與M1(t1)、M11(t11)、M111(t111)的相互作用存在著蘊含關(guān)系，可表示為

A1(M1)(t1)?A11(M11)(t11)?A111(M111)(t111)

同理，另一邊超聲波通過變壓器引腳M2(t2)，經(jīng)過連錫面M21(t21) 到貼片電容M211(t211)這一條子通道，超聲波最后震斷貼片電容內(nèi)部的陶瓷細片，即A211(M211)(t211)。在超聲波流運動的過程中，超聲波與M2(t2)、M21(t21)、M211(t211)的相互作用存在蘊含關(guān)系，可表示為

A2(M2)(t2)?A21(M21)(t21)?A211(M211)(t211)

3.3 建立可拓流模型

根據(jù)上述建立的基元模型及拓展分析，可建立可拓流模型。如圖6所示。

圖6 可拓流模型Fig.6 Extension flow model

3.4 判斷有益流或有害流

根據(jù)領(lǐng)域知識和可拓流模型可知，超聲波在t111時刻，對電源外殼起到封裝熔接的作用，用事元A111(M111)(t111)表示。此時超聲波的作用有益于產(chǎn)品生產(chǎn)，根據(jù)流分析中流的分類，此時超聲波可以看作是有益流，有益流運動的區(qū)域，稱為有益流通道。而另一邊超聲波在t211時刻，對貼片電容起的是震斷陶瓷細片的作用，用事元A211(M211)(t211)表示。此時超聲波損壞了產(chǎn)品，可以看作是有害流，有害流運動的區(qū)域，稱之為有害流通道。

在流分析中，出現(xiàn)了有害流和有益流同時存在的情況，必定存在著矛盾問題。該矛盾問題體現(xiàn)在熔接工藝的超聲波上：既要能量強，又要封裝電源外殼弱，避免將電容內(nèi)的陶瓷細片層振斷。

根據(jù)圖3的可拓流模型，可以判斷超聲封裝設(shè)備發(fā)出的超聲波經(jīng)過變壓器的這條子通道是有害流通道。連錫面是連接變壓器引腳和貼片電容的一個“橋梁”，超聲波通過有害流通道上的連錫面通向了貼片電容，造成貼片電容損壞。此時連錫面就是流分析所得到的最小問題區(qū)域，在有害流通道中，變壓器引腳和貼片電容本就是產(chǎn)品設(shè)計中早已經(jīng)確定的，如果重新更換貼片電容或變壓器，此時的成本較高。而較寬的連錫面是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中本不應(yīng)該產(chǎn)生的，該公司采用的是“超聲熔接工藝”對電源外殼進行封裝，所以超聲波流的有害功能A211(M211)(t211)不能直接去除。

根據(jù)可拓流模型中的蘊含關(guān)系可知，可以通過改變該有害功能的上位功能A21(M21)(t21)或改變實現(xiàn)該功能的部件M21(t21)來實現(xiàn)，由此可以獲得解決該矛盾問題的途徑。

本文僅以此例說明可拓流模型的建立方法及其在判斷有害流方面的作用，并可據(jù)此獲得改善有害流的途徑。至于下一步如何利用可拓變換獲得解決矛盾問題的創(chuàng)意，限于篇幅，將另文研究。該實際問題選擇對連錫面物元M21(t21)實施可拓變換來解決該產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的矛盾問題。

4 結(jié)論

TRIZ中的流分析是解決技術(shù)系統(tǒng)中矛盾問題的重要方法，可拓創(chuàng)新方法是用形式化方法解決矛盾問題的重要工具。而現(xiàn)有的流分析方法形式化表達不足，無法應(yīng)用于智能設(shè)計。本文重點研究把可拓創(chuàng)新方法中的可拓模型建立方法和拓展分析方法與流分析方法相結(jié)合，建立可拓流模型，實現(xiàn)了對流分析的形式化表達，有利于正確判斷有益流和有害流，并獲得改善有害流的途徑。該方法為利用計算機智能化解決技術(shù)系統(tǒng)中的矛盾問題提供了可操作的模型，并為進一步獲得改善缺陷流的可拓知識、建立可拓智能設(shè)計系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。本文只研究了單一流在技術(shù)系統(tǒng)中的運動，而復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)中往往是多種流存在，不同流之間會產(chǎn)生相互影響相互作用，復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)中多流問題還有待進一步研究。而在識別出有害流之后，后續(xù)還可根據(jù)可拓創(chuàng)新方法中的可拓變換方法，通過對有害流中產(chǎn)生缺陷的部件實施可拓變換，進而獲得相應(yīng)的有害功能消除，得到解決矛盾問題的創(chuàng)意。限于篇幅，將另文論述。