黃浩翔，江 帆，陳美蓉，黃海濤

（廣州大學 機械與電氣工程學院, 廣東 廣州 510006）

創(chuàng)意的生成可分為兩類：解決矛盾問題和構思新產品。前者使用可拓策略生成方法和轉換橋方法，后者使用3個創(chuàng)造法，利用基元模型的可拓性和共軛性提出新的方案[1]?？赏貙W的3個創(chuàng)造法可以幫助產品開發(fā)人員拓展出一系列新的產品創(chuàng)意，迅速完成產品的概念設計[2]。此外，也可據此開發(fā)出新的產品創(chuàng)新輔助軟件[3]?？赏貏?chuàng)造法的產品創(chuàng)意來源于基元的拓展，而基元的拓展是無窮無盡的，因而如何提高基元拓展的效率是一個難題。

隨著研究的進展，人們嘗試將可拓學與其他創(chuàng)新方法進行融合，取長補短[4-5]?？赏貙W的優(yōu)勢在于其形式化、系統(tǒng)化的，完善的、講究邏輯性的理論體系。而發(fā)明問題解決理論TRIZ具有眾多的方法工具，操作性、實用性強，應用領域廣泛。因此，對于TRIZ和可拓學的集成創(chuàng)新方法研究熱度不減[6]。例如，江帆等[7-9]提出可拓學與TRIZ的集成矛盾問題解決方法，利用拓展分析的邏輯性和TRIZ原理解的指導性提出創(chuàng)新設計方案。白仲航等[10]對TRIZ中的第二類標準解進行了可拓變換的形式化表述，降低了標準解的使用難度。桂方志等[11]針對第三創(chuàng)造法中的缺點列舉環(huán)節(jié)，使用TRIZ中的功能分析和因果分析，提取出關鍵缺點，提高整體方法流程的效率。林貴杰等[12]基于對應關系建立了事元物場模型，并結合標準解和可拓變換進行創(chuàng)新求解。但就可拓學而言，其創(chuàng)新方案來源于基元的拓展分析。而發(fā)散樹方法等拓展方法并沒有給出明確的拓展方向和終止目標，新基元的拓展效率和質量無法穩(wěn)定。

本文針對可拓創(chuàng)造法中基元拓展效率低的問題，重點以第三創(chuàng)造法作為研究對象，引入創(chuàng)新方法TRIZ中的進化理論，使基元沿著進化路線進行拓展，使得基元的拓展方向比較明確。改進后的方法大大提高了基元拓展的效率，并且拓展出來的基元符合產品技術發(fā)展演變的規(guī)律，因而設計出來的產品更具競爭力。

1 可拓創(chuàng)造法

1.1 新產品構思的3種創(chuàng)造法

根據可拓學理論，構思新產品主要有3種方法：從需求出發(fā)的第一創(chuàng)造法、從已有產品出發(fā)的第二創(chuàng)造法和從缺點出發(fā)的第三創(chuàng)造法[13]。無論采用何種創(chuàng)造法，其通用流程是相同的：基元模型 —拓展分析 —可拓變換— 優(yōu)度評價。只是在第一步建立基元模型時稍有不同：第一創(chuàng)造法使用基元描述需求，第二創(chuàng)造法使用基元描述當前產品，第三創(chuàng)造法使用基元描述缺點。3種創(chuàng)造法具有相通性，下面具體說明最常用的第三創(chuàng)造法。

1.2 第三創(chuàng)造法

從缺點出發(fā)的第三創(chuàng)造法，要求使用基元模型表示現有產品的缺點，其一般流程如圖1所示。首先將產品表示為n維基元模型，包括產品物元、功能事元、結構關系元；接著列出產品的各項缺點，并找到對應的分基元Bi=(Oi,ci,vi)。其中，如果側重產品實體缺點，則對產品物元進行分析；如果側重功能缺點，則對功能事元進行分析；如果側重結構，則對結構關系元進行分析；然后構造基元要素的可拓集，包括特征ci和 量值vi的拓展分析，最后進行可拓變換和優(yōu)度評價即可。然而，此過程主要存在兩點不足：

圖1 第三創(chuàng)造法一般流程Fig.1 General process of the third creation method

(1) 缺點的分析缺乏系統(tǒng)性和動態(tài)性。當前的缺點分析方法主要是缺點列舉法，從功能、外觀、材質、技術等方面進行分析，沒有映射到具體的系統(tǒng)部件。而且，由于技術不斷進化發(fā)展，當前湊合的、滿足需求的產品內容，未來卻可能被淘汰，即缺點的分析沒有隨時間發(fā)展的情況。

(2) 拓展分析過程缺少方向性。在人工進行基元的拓展時，主要采用的是發(fā)散樹方法，常用的發(fā)散規(guī)則是“一對象一特征多量值”等?；卣箷r容易受到設計人員的知識儲備量的限制，思維方向不確定，且同一特征下不同量值之間的基元是平行關系。

2 進化樹

2.1 進化樹原理

進化樹是技術信息分析以及新方案產生的一種實用工具。尼古拉·什帕科夫斯基在TRIZ經典八大進化法則的基礎上，總結出十大進化路線(見表1)，以進化樹的形式，提煉出產品的進化特征并利用現有資源，指導產品開發(fā)人員朝著符合技術系統(tǒng)進化的方向設計產品[14-16]。

表1 技術系統(tǒng)十大進化路線Table1 Ten evolution routes of technology system

尼古拉認為，將技術特征按照某種“作用”進行順序連接所形成的體現新技術特征的規(guī)律，稱為進化路線[17-18]。進化樹就是由進化路線組合而成，在形式上呈多分支發(fā)散的樹形結構；在含義上則表示產品經過不同進化路線的演變過程。

進化樹的結構如圖2所示，主要由主干和眾多的分支構成，每一條箭頭線都代表不同的進化路線，每一個節(jié)點都代表一種技術方案。

圖2 技術進化樹結構Fig.2 The structure of technology evolution tree

2.2 進化樹的構建規(guī)則

構建進化樹首先需要選擇主干路線，然后是分枝。原則上，任何進化路線都可以成為主干，但應充分考慮產品總體的發(fā)展趨勢，即系統(tǒng)內部元素變化最明顯的方向，通常是物體分割路線、單 —雙 — 多路線和擴展— 裁剪等路線作為進化樹的第1層次；接著進行第2層次的擴展，盡可能地建立物體變換方案的動態(tài)化路線，若沒有這個可能，則先建立能夠得到用于動態(tài)化資源的路線：單 —雙 — 多路線、分割路線和裁剪路線；然后檢查建立描述物體形狀變化、表面特性和內部結構變換路線的可能性，具體包括幾何進化、內部結構進化和表面特性進化等路線；最后的第3層次主要是為了提高系統(tǒng)的可控性及協調性，選擇對應的路線即可[19]。

3 基于進化樹的第三創(chuàng)造法

雖然優(yōu)度評價可以幫助產品開發(fā)人員篩選出較優(yōu)的方案，但這是相對當前方案集合而言的，并不一定符合技術進化演變的規(guī)律，這樣的產品是沒有發(fā)展?jié)摿Φ?。開發(fā)人員被迫需要重新回到拓展分析甚至缺點挖掘的步驟中。此外，拓展分析固然可以產生出大批乃至無限的創(chuàng)意方案，但前提是需要開發(fā)人員對本行業(yè)有著豐富的知識儲備。因此，進化樹和可拓創(chuàng)造法的結合是很有必要的。

如前文所述，構思新產品的3種創(chuàng)造法具有相通性。其方法流程大致相同，區(qū)別僅僅在于初始步驟中使用可拓模型描述對象的不同。下面仍以從缺點出發(fā)的第三創(chuàng)造法為研究對象，其融合進化樹理論后的操作流程如圖3所示。

圖3 改進后的第三創(chuàng)造法流程圖Fig.3 Improved flow chart of the third creation method

(1) 建立現有產品的基元模型。明確產品的主要功能和實現這些功能需要的組件，分別建立描述功能的事元模型和描述組件的物元模型。若有必要，也可建立描述組件連接情況的關系元模型。這里建立的模型是幫助開發(fā)人員梳理產品的框架結構，因此不需要過分詳細。

(2) 產品各級沿時間維度的缺點分析。開發(fā)人員可以結合用戶對產品的體驗反饋或者市場調研情況，運用缺點列舉法一一列出產品的顯式缺點和隱式缺點。首先從系統(tǒng)層面出發(fā)，可以圍繞產品的功能、造型、價值等核心方面。比如當前功能是否滿足用戶需求；是否存在可以裁剪、優(yōu)化的功能；未來是否需要添加新的功能；接著從子系統(tǒng)層面出發(fā)，可以圍繞構成產品的各組件進行分析，區(qū)分出主要組件、次要組件和輔助組件。最后可以從超系統(tǒng)層面出發(fā)，判斷當前的應用場景是否存在局限性；是否需要額外的配件實現某些功能；若有，能否集成到當前系統(tǒng)中，使之成為系統(tǒng)組件的一部分；此外，由于產品的進化離不開時間維度，引入時間軸概念可以幫助開發(fā)人員把握產品進化演變的規(guī)律。例如，分析過去可以獲取產品發(fā)展的趨勢，分析未來可以挖掘隱式缺點，如圖4所示。

圖4 各系統(tǒng)層級沿時間維度的產品缺點分析Fig.4 Analysis of product defects along time dimension at all system levels

(3) 根據進化理論篩選缺點并建立對應的分基元模型(包括缺點分物元模型、缺點分事元模型、缺點分關系元模型)。判斷改進某一缺點后能否提高產品的動態(tài)性、可控性和協調性，若能，則此缺點具有改進的價值；否則，則將之從缺點列表中剔除。動態(tài)性包括產品的柔性和可移動性，如剛性結構到柔性結構、直線到曲線、有線到無線等?？煽匦灾府a品的控制程度，如手動 —半 自動— 全自動。協調性則包括形狀和結構上的協調、各性能參數的協調以及工作節(jié)奏和頻率的協調等方面。

根據篩選后的缺點集合建立產品的多維基元模型如式(1)所示。

其中，O表示現有的產品對象，c0i表示此對象的某一特征，v0i表 示此對象關于特征c0i的量值。需要注意的是，這里的多維基元模型的對象始終是當前分析的產品，是將產品作為一個整體進行分析的。

進一步地可以將上述多維基元模型描述為分基元形式，即B0i=(O0i,c0i,v0i)。 這里O0i代表構成產品O的各個對象。建立缺點對應的分基元模型在后續(xù)應用幾何、表面特性、內部結構等明顯改變物體結構參數的進化路線時更加便捷高效。

(4) 沿著進化路線進行拓展分析，構建基元拓展進化樹。選擇最常用的發(fā)散樹方法，它通過對基元中的對象、特征和量值進行發(fā)散從而獲得大量新的基元。接著，選擇主干進化路線拓展基元：主干進化路線應盡量使上述分基元B0i的內部元素變化最明顯，常用的是物質分割、單 — 雙— 多等進化路線。然后，確定第2層級的進化路線：一般應將提高分基元的動態(tài)性作為拓展的方向，常用的是幾何進化路線、表面特性進化路線和內部結構進化路線。最后，進行第3層級的進化拓展：此時應將提高分基元的可控性和協調性作為拓展的方向。最終建立的基元拓展進化樹結構形式如圖5所示。

圖5 圖5 分基元B 0i=(O0i, c0i, v0i)的拓展進化樹Fig.5 Extended evolutionary tree of base elements

(5) 對產品實施可拓變換。經過上述拓展分析后，可以得到大量新的基元，它們是待解決問題的潛在方案，還需通過實施可拓變換形成有效的創(chuàng)意方案。可拓變換包括分解、增刪、復制、擴縮、置換等變換方法。對于上述采用的發(fā)散拓展方法，常用增刪和置換作為對應的變換方法。

(6) 整合方案并形成概念設計。經過可拓變換后，應該可以得到幾個候選的潛力創(chuàng)意方案。需要注意的是，必須考慮現實的技術條件和市場的接受程度，否則可能出現產品過于理想、過于超前而導致用戶無法接受的情況。這時，可以使用裁剪路線、拓展 —裁剪路線對當前候選方案中的組成基元作進一步的改進，去除不切實際或受當前系統(tǒng)資源限制的拓展基元，并嘗試用另一種基元代替或引入新的基元。另外，若當前的候選方案過少或可拓變換后的效果不理想，可以將應用場合具體化，這樣就會得到針對某一場景的新的基元方案。

(7) 優(yōu)度評價篩選方案。根據市場調研或用戶體驗反饋，選擇合適的評價指標，建立評價系統(tǒng)，一般從技術效益、經濟效益和社會效益等方面對新的設計方案進行優(yōu)度評價。根據實際情況選擇不同的關聯函數，計算出各個方案的優(yōu)度指標，進而得出優(yōu)度較高的方案。

(8) 完善并輸出方案。針對優(yōu)度評價選擇的概念方案進行后續(xù)的設計完善，一般包括確定新設計方案的物理結構參數和材料選擇等內容。

4 第三創(chuàng)造法改進前后對比

改進前的第三創(chuàng)造法主要包括5個步驟：建立模型、列舉分基元、拓展分析、可拓變換和優(yōu)度評價。改進后的可拓創(chuàng)造法則主張構建基元拓展進化樹改進基元拓展的效率，并且增添了以裁剪路線為工具的方案整合步驟，使得整個流程更加健全。理論上，進化樹的分支是無限的，這意味著產品開發(fā)人員可以沿著不同的進化路線獲得無限的新基元。但受到現實資源條件的約束，需要及時對不現實的、過于理想化的新基元進行裁剪，使得所有的候選方案都是可行的，這樣在優(yōu)度評價時不必重新考慮可行性的問題，進一步提高效率。另外，以從缺點出發(fā)的第三創(chuàng)造法為例，將原來的缺點列舉法進化為產品各系統(tǒng)層級沿時間維度的缺點分析，既提高動態(tài)性、可控性和協調性三條進化路線篩選出待拓展的缺點分基元，又減少了待拓展基元的數量。若要探討從需求出發(fā)的第一創(chuàng)造法和從現有產品出發(fā)的第二創(chuàng)造法，只需將流程中關于缺點的環(huán)節(jié)分別替換成關于需求和現有產品的內容即可。改進前后的第三創(chuàng)造法流程對比如表2所示。

表2 改進前后的第三創(chuàng)造法流程對比Table2 Comparison of the third creation process before and after improvement

其中，改進后的第三創(chuàng)造法的核心優(yōu)勢當屬基元拓展進化樹。既可以從產品的子系統(tǒng)層面進行幾何、內部結構、表面特性進化，又可以從超系統(tǒng)層面進行單 — 雙 — 多的進化。并且在整體過程中始終提升系統(tǒng)的動態(tài)性、可控性和協調性。不僅可以拓展出無數的產品方案，還指明了符合技術演變規(guī)律的產品設計方向。改進前，同一特征不同量值的基元之間是平行關系，具有相同的地位和優(yōu)先級；改進后則是遞進關系，基元按照技術進化路線發(fā)展演變，是一個動態(tài)的過程。改進前后的基元拓展對比如表3所示。

表3 改進前后的基元拓展對比Table3 Comparison of primitive expansion before and after improvement

總的來說，改進后的第三創(chuàng)造法具有以下優(yōu)勢：

(1) 理論流程更加完善和系統(tǒng)化。改進后的方法不僅增加了新的步驟，還在原來步驟的基礎上做了相應的改進。每個操作環(huán)節(jié)都指明具體的方法，對應用者更加友好。例如，原來的缺點列舉法要求應用者從功能、外觀、技術等寬泛的方面去分析產品的缺點，而新方法則要求從產品各層級系統(tǒng)去分析，始終圍繞承載產品特征的組件這一概念進行深度挖掘。

(2) 基元拓展效率更高。第一，篩選后的分基元數量減少，更加明確地反映產品的要害；第二，沿著進化路線進行基元拓展具有更好的方向性和提示性，很容易就能拓展出新的基元；第三，裁剪路線的引入既可以針對具體的應用場景拓展出一批新的基元，又可以將不貼合實際的基元去除。因此，新方法大大減少了基元拓展的工作量，提高了拓展的效率。

(3) 用此法設計的產品更具發(fā)展?jié)摿?。新方法始終圍繞提高產品的動態(tài)性、可控性和協調性進行，符合產品進化演變的規(guī)律，因而更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5 應用案例分析

現有的插座存在功能單一，插拔不便等問題，需要進一步改進，這里分別應用改進前和改進后的第三創(chuàng)造法(本文以針對產品物元的分析為例，若需要對缺點功能事元或結構關系元進行分析，流程類似)進行對比說明。

(1) 建立插座的物元模型

(2) 改進前：一般采用缺點列舉法，從功能、外觀、材質、技術等方面羅列缺點，如功能單一、形狀普通、材料容易損壞、沒有技術創(chuàng)新等。

改進后：深度挖掘插座不同系統(tǒng)層級沿著時間維度的產品缺點，結果如圖6所示。

圖6 插座不同系統(tǒng)層級沿時間維度的產品缺點分析Fig.6 Analysis of product defects along time dimension in different system levels of sockets

對比說明：改進前的缺點分析方法仍然停留在插座系統(tǒng)的表觀層面，難以深入挖掘系統(tǒng)內部的缺點；而改進后的缺點分析方法則深入分析構成系統(tǒng)的各個組件的不足之處，且沿著組件隨著時間發(fā)展的進化演變路徑，更能幫助設計者選擇符合未來發(fā)展趨勢的缺點來進行改進，更能直擊當前技術系統(tǒng)的痛點。此外二維坐標的分析形式更加直觀、立體，邏輯分明。

(3) 根據動態(tài)性、可控性和協調性篩選缺點，暫定選取的缺點為樣式單調、體積龐大、智能化程度低、功能單一、插孔數量有限、插拔費力等，并建立相應的缺點分物元模型為

(4) 改進前：對上述缺點分物元進行拓展分析，如下所示：

改進后：選擇插座物元構建基元拓展進化樹，以單 — 雙 — 多進化路線作為主干路線，分別沿著幾何進化、提高協調性、動態(tài)性、可控性進化路線拓展基元。這里為節(jié)省篇幅，直接給出整合結果，如圖7所示。

圖7 插座基元拓展進化樹Fig.7 Socket primitive extended evolutionary tree

對比說明：改進前，物元拓展時容易受到設計者自身的知識積累和專業(yè)領域限制，拓展效率低下；改進后，此時物元的拓展遵循進化路線，既提供了拓展方向，又能觀察到構成技術方案的路線分布，進而發(fā)掘尚未涉及的技術進化路線，極大地提高了物元拓展的效率和質量。

(5) 此外，還可以將插座的應用場合具體化到移動桌面辦公場景。考慮到桌面辦公的需要，添加擴展塢，將超系統(tǒng)中的功能集成到插座中。繼續(xù)遵循這一思路，運用裁剪—拓展進化路線，可以得到新的基元：

采取不同的變換和變換組合可以得到各種創(chuàng)意方案，下面給出3種創(chuàng)意修改方案，并與原產品方案進行優(yōu)度比較：

原方案：一種插孔組合類型為二插+三插的方形普通插座。

方案一：一種適配各種電壓、各種插頭類型的聲控圓形插座。

方案二：一種磁吸帶觸控的長方形插座。

方案三：一種滿足多種桌面辦公應用的不規(guī)則形狀插座。

(6) 根據資料搜索和市場調查，選擇價格 MI1、功能 MI2作 為優(yōu)度評價的指標，權系數分別為α1=0.4，α2=0.6。

① 通過市場調查，根據消費者對于價格最滿意、滿意、能夠接受的范圍劃分為3個區(qū)間：標準正域X0=〈a0,b0〉=〈40,70〉 ， 正域X=〈a,b〉=〈30,100〉，增廣區(qū)間X︵=〈c,d〉=〈5,150〉 ，最優(yōu)點x0=50。建立4種方案關于指標M I1的關聯函數為

由于最優(yōu)點x0不 在X0的中點，因此

可得4種方案關于指標M I1的關聯度分別為

其中，K10、K11、K12、K13分別表示原方案、方案一、方案二、方案三關于指標M I1的關聯度。

將上述關聯函數規(guī)范化可得規(guī)范關聯度為

其中，k10、k11、k12、k13分別表示原方案、方案一、方案二、方案三關于指標M I1的規(guī)范關聯度。

② 根據衡量指標 MI2確定插座關于功能完善程度的關聯函數，功能完善程度可以按照不同等級劃分，即可利用離散型關聯函數的方式確定其關聯函數，可取3種方案關于指標M I2的關聯函數為

可得4種方案關于指標 MI2的關聯度分別為

其中，K20、K21、K22、K23分別表示原方案、方案一、方案二、方案三關于指標M I2的關聯度。

將上述關聯函數規(guī)范化可得規(guī)范關聯度為

其中，k20、k21、k22、k23分別表示原方案、方案一、方案二、方案三關于指標M I2的規(guī)范關聯度。

使用關聯度加權求和的方式計算原方案和3種修改方案的優(yōu)度分別為

其中，C(Z0)、C(Z1)、C(Z2)、C(Z3)分別表示原方案、方案一、方案二、方案三的優(yōu)度。

于是，根據插座設計的評優(yōu)準則，選取優(yōu)度最大的方案三為最佳方案。最終的設計效果如圖8所示。

圖8 插座最終設計方案圖Fig.8 Final design plan of socket

6 結語

本文主要以可拓學中的第三創(chuàng)造法為研究對象，引入TRIZ中的進化理論，提出了基于進化樹的第三創(chuàng)造法。改進后的理論最大的優(yōu)點在于：由于始終沿著技術進化路線進行基元拓展，使得基元拓展具有明確的方向性和提示性。這樣既保留了基元拓展的多樣性，又大大減少了拓展的工作量，提高拓展的效率。此外，從系統(tǒng)層級和時間維度兩方面去深度挖掘產品缺點，后面增加的篩選缺點的步驟則可以減少待拓展基元的數量。

必須說明的是，本文案例分析中所采用的拓展分析方法是發(fā)散樹方法，所分析的基元是物元，實際應用中可以使用其他拓展方法，如關系網、蘊含系、分合鏈等，也可以用事元、關系元等。新方法更適合作為人工對基元進行發(fā)散分析時所采用的一種應用工具，文中僅討論了進化樹在發(fā)散分析方法中關于發(fā)散規(guī)則“一對象一特征多量值”的應用，后續(xù)還需完善關于其余發(fā)散規(guī)則、拓展方法的應用研究。