第3章_最终理想解

第3章_最终理想解 第三节 最终理想解 TRIZ理论，在解决问题之初，首先抛开各种客观限制条件，通过理想化来定义 问题的最终理想解 (ideal final result， IFR) ，以明确理想解所在的方向和位置，保证 在问题解决过程中沿着此目标前进并获得最终理想解，从而避免了传统创新方 法中缺乏目标的弊端，提升了创新设计的效率。如果将TRIZ创造性解决问题的方法 比作通向胜利的桥，那么最终理想解就是这座桥的桥墩。 一、理想化简介 理想化是科学研究中创造性思维的基本方法之一。它主要是在大脑之中设立理 想的模型，通过思想实验的方法来研究客体运动的规律。一般的操作程序为:首先要对经验事实进行抽象，形成一个理想客体，然后通过想象，在观念中模拟其实验过程，把客体的现实运动过程简化和升华为一种理想化状态，使其更接近理想指标的要求。 理想化方法最为关键的部分是思想实验，或称理想实验。它是从一定的原理出 发，在观念中按照实验的模型展开的思维活动，模型的运转完全是在思维中进行操 作的，然后运用推理得出符合逻辑的实验结论。思想实验是形象思维和逻辑思维共 同作用的结果，同时也体现了理想化和现实性的对立统一。 诚然，思想实验还不是科学实践活动，它的结论还需要科学实验等实践活动来 检验，但这并不能否认思想实验在理论创新中的地位和作用。新的理论往往与常识 相距甚远，人们常常为传统观念所束缚，不易走向理论创新，因此，借助于思想实 验来进行理论创新以及对新理论加以认同，不失为一种有效的手段。 理想化方法的另一个关键部分是如何设立理想模型。理想模型建立的根本指导思想是最优化，即在经验的基础上设计最优的模型结构，同时也要充分考虑到 现实存在的各种变量的容忍程度，把理想化与现实性结合起来。理想中的优化模型 往往具有超前性，这是创新的天然标志。但是，超前行为只有在现实条件所容许的 情况下，其模型的构造才具有可行性。应当指出的是，理想模型的设计并不一定非 要迁就现实的条件，有时候也需要改造现实，改变现实中存在的不合理之处，特别 是需要彻底扭转人们传统的落后的思维方式和生活方式，为理想模型的建立和实施创造条件。 科学历史上，很多科学家正是通过理想化获得划时代的科学发现。著名的有伽俐略、牛顿、爱因斯坦、卢瑟福等。 伽俐略注意到:当一个球从一个斜面上滚下又滚上第2个斜面上时，球在第2个斜面上所达到的高度同在第一个斜面上达到的高度近似相等。他断定这一微小差异 是由于摩擦影响的结果，如果将摩擦消除，那么第2次的高度完全等于第一次的高 度。他又推想，在完全没有摩擦的情况下，不管第2个斜面的倾斜度多么小，它在 第2个斜面上总要达到相同的高度。如果第2个斜面的斜度完全消除，那么球从第一 个斜面滚下来之后，将以恒速在无限长的平面上永远不停地运动下去。当然，这个 实验是一个理想实验，无法真实地操作这个实验，因为永远也无法把摩擦力消除尽， 也无法找到和制作一个无限长的平面。伽利略是理想实验的先驱，后来牛顿把伽利 略的惯性原理确立为动力学第一定律:惯性定律。 牛顿继承了伽利略的传统，在思索万有引力问题时也设计了一个著名的理想实 验:抛体运动实验。一块石头投出，由于自身重压力，被迫离开直线路径，如果单 有初始技掷，理应按直线运动，而却在空中描出了曲线，最终落在地面上，投掷的 速度越大，它落地前走得越远。于是，我们可以假设当速度增到如此之大，在落地 前描出1， 2， 5， 100， 1000英里θ长的弧线，直到最后超出了地球的限度，进入 空间永不触及地球。这个实验在当时的物质条件下是无论如何不能实现的。牛顿 在真实的抛体运动的基础上，发挥思维的力量把抛体的速度推到地球引力范围 之外。 爱因斯坦是20世纪理想实验的卓越大师。爱因斯坦的狭义相对论源于追光理想 实验。爱因斯坦创建广义相对论的突破口:等效原理，亦源于理想实验。 卢瑟福的原子有核模型是科学史上最著名的理想模型之一。1907年，卢瑟福为了验证他导师的原子模型，建议研究生盖革和马斯登观察锚发射出的高速α粒子穿过薄的金属宿片后的偏转情况，结果出人意料。卢瑟福以α粒子实验为事实根据， 发挥思维的力量建立起了类似太阳系结构的原子 1 有核模型，开创了原子能时代。 二、TRIZ中的理想化 TRIZ理论中，在问题解决之初，先抛开各种限制条件，设立各种理想模型，即最优的模型结构，来分析问题，并以取得最终理想解作为终极追求目标。 理想化模型包含所要解决的问题中所涉及的所有要素，可以是理想系统、理想过程、理想资源、理想方法、理想机器、理想物质等。 理想系统就是没有实体，没有物质，也不消耗能源，但能实现所有需要的功能。 理想过程就是只有过程的结果，而无过程本身，突然就获得了结果。 理想资源就是存在无穷无尽的资源，供随意使用，而且不必付费。 理想方法就是不消耗能量及时间，但通过自身调节，能够获得所需的功能。 理想机器就是没有质量、体积，但能完成所需要的工作。 理想物质就是没有物质，功能得以实现。 因为理想化包含多种要素，系统的理想化程度需要进行衡量，于是就引出了一 个参数，那就是系统的理想化水平。 三、理想化水平 理想化是系统的进化方向，不管是有意改变还是系统本身进化发展，系统都在 向着更理想的方向发展。系统的理想程度用理想化水平来进行衡量。 我们知道，技术系统是功能的实现，同一功能存在多种技术实现方式，任何系 统在完成人们所期望的功能中，同时亦会带来不希望的功能。TRIZ中，用正反两面 的功能比较来衡量系统的理想化水平。 理想化水平衡量公式: I = ΣUΣHF / F 式中 I一一理想化水平; ΣU有用功能之和 一一一F; ΣH有害功能之和 一一一。F 从式(3-1)可以得到:技术系统的理想化水平与有用功能之和成正比，与有害功能之和成反比。理想化水平越高，产品的竞争能力越强。创新中以理想化水平增加的方向作为设计的目标。 根据式(3-1) ，增加理想化水平有4个方向: 1)增大分子，减小分母，理想、化增加显著; 增大分子，分母不变，理想化增加; 2) 分子不变，分母减少，理想化增加; 3) 4)分子分母都增加，但分子增加的速率高于分母增加的速率，理想化增加。 实际工程中进行理想化水平的分析，式(3-1)中的各个因子需要细化，为便于分 析，通常用效益之和( I，B)代替分子(有用功能之和) ，将分母(有害功能之和)分解 为两部分:成本之和( I，C)、危害之和(立的。 于是，理想化水平衡量公式变为: I =ΣB/(ΣC +ΣH) 式中I一一理想化水平; ΣB一一效益之和; ΣC一一成本之和(如成本、时间、空间、资源、复杂度、能量、重 量……) ; H一一危害之和(废弃物、污染……)。 Σ 根据式(3-2) ，增加理想化水平I有以下6个方向: 1 )通过增加新的功能，或从超系统获得功能，增加有用功能的数量; 2)传输尽可能 多的功能到工作元件上，提升有用功能的等级; 3)利用内部或外部已存在的可利用资源，尤其是超系统中的免费资源，以降低 成本; 4)通过剔除无效或低效率的功能，减少有害功能的数量; 2 5)预防有害功能，将有害功能转化为中性的功能，减轻有害功能的等级; 6)将有害功能移 到超系统中去，不再成为系统的有害功能。 四、理想化方法 TRIZ中的系统理想化按照理想化涉及的范围大小，分为部分理想化和全部理想 化2种方法。技术系统创新设计中，首先考虑部分理想化，当所有的部分理想化尝 试失败后，才考虑系统的全部理想化。 ?部分理想化 部分理想化是指在选定的原理上，考虑通过各种不同的实现方式使系统理想化。 部分理想化是创新设计中最常用的理想化方法，贯穿于整个设计过程中。 部分理想化常用到以下6种模式: 1 )加强有用功能。通过优化提升系统参数、应用高一级进化形态的材料和零部 件、给系统引入调节装置或反馈系统，让系统向更高级进化，获得有用功能作用的 加强。 2)降低有害功能。通过对有害功能的预防、减少、移除或消除，降低能量的损失、浪费等，或 采用更便宜的材料、件等。 3)功能通用化。应用多功能技术增加有用功能的数量。比如手机，具有M凹 播放器、收音 化提升。 机、照相机、掌上电脑等通用功能，功能通用化后，系统获得理想 4)增加集成度。集成有害功能，使其不再有害或有害性降低，甚至变害为利， 以减少有 害功能的数量，节约资源。 5)个别功能专用化。功能分解，划分功能的主次，突出主要功能，将次要功能 分解出去。比如，近年来专用制造划分越来越细，元器件、零部件制造交给专业厂家生产，汽车厂家只进 行开发设计和组装。 6)增加柔性。系统柔性的增加，可提高其适应范围，有效降低系统对资源的消 耗和空间的 占用。比如，以柔性设备为主的生产线越来越多，以适应当前市场变化和个性化定制的需求。 ?全部理想化 全部理想化是指对同一功能，通过选择不同的原理使系统理想化。全部理想化 是在部分理想化尝试元效后才考虑使用。 全部理想化主要有4种模式。 1 )功能的剪切。在不影响主要功能的条件下，剪切系统中存在的中性功能及辅 助的功能， 让系统简单化。 2)系统的剪切。如果能够通过利用内部和外部可用的、或免费的资源后可省掉 辅助子系统， 则能够大大降低系统的成本。 3)原理的改变。为简化系统或使得过程更为方便，如果通过改变已有系统的工 作原理可达 到目的，则改变系统的原理，获得全新的系统。 4)系统换代。依据产品进化法则，当系统进入第4个阶段一一衰退期，需要考 虑用下一代产 品来替代当前产品，完成更新换代。 五、理想化设计 理想化设计可以帮助设计者跳出传统问题解决办法的思维圈子，进入超系统或 子系统寻找最优解决。理想设计常常打破传统设计中自以为最有效的系统，获 得耳目一新的新概念。 理想设计和现实设计之间的距离从理论上讲可以缩小到零，这距离取决于设计 者是否具有理想设计的理念，是否在追求理想化设计。虽然二者仅存一词之差，但 设计结果却存在着天壤之别。 例1 一磅金子 在一个实验室里，实验者在研究热酸对多种金属的腐蚀作用，他们将 大约20个各种金 属的实验块摆放在容器底部，然后泼上酸液，关上容器的 门并开始加热。实验持续约2周 后，打开容器，取出实验块在显微镜下观 察表面的腐蚀程度。 "真糟糕，"实验室主任说，"酸把容器壁给腐蚀了。" 3 "我们应该在容器壁上加一层耐酸蚀的材料，比如金子。"一位实验员说。 "或者白金。 "另一位实验员说。 "不行的，"主任说，"那需要大约1磅Θ的金子，成本太高了!" 突然，发明家 诞生了! "为什么一定要用金子呢?"发明家说，"让我们看一下这个问题的模式 来找到理想答案。 " 从理想设计角度出发，容器是个辅助子系统，可以剪切。但是，酸液 如何盛装呢?从 理想化的几个方向看，容器功能可由实验中的实验块承担: 将待实验块做成中空的，像杯子那样，然后将酸液注入杯中。实验后观察 酸液对杯壁的腐 蚀即可获得实验结果。整个系统显得如此简单。 (译自Gerich S. Altshuller， And Suddenly the Inventor Appeared) 六、最终理想解 尽管在产品进化的某个阶段，不同产品进化的方向各异，但如果将所有产品作为一个整体，低成本、高功能、高可靠性、无污染等是产品的理想状态。产品处于理想状态的解称为最终理想解。产品无时无刻不处于进化之中，进化的过程就是产品由低级向高级演化的过程。TRIZ解决问题之初，就首先确定IFR，以IFR为终极目标而努力，将解决问题的效率大大提升了。 理想解可采用与技术及实现无关的语言对需要创新的原因进行描述，创新的重要进展往往通过对问题的深入理解而获得。确认系统中非理想化状态的元件是创新成功的关键。 最终理想解有4个特点: 1)保持了原系统的优点; 2)消除了原系统的不足; 3)没有使系统变得更复杂; 4)没有引入新的缺陷。 当确定了待设计产品或系统的最终理想解之后，可用这4个特点检查其有无不符合之处，并进行系统优化，以确认达到或接近IFR为止。 在用TRIZ进行创新设计，对于多种方案的比较选择时，根据理想化水平衡量公式计算各方案的理想化水平，将理想化水平值按照高低排序，作为方案选择的第一依据。 例如割草机改进。割草机在割草时，发出噪音、消耗能源、产生空气污染、高速 飞出的草有时会伤害到操作者。现在的第一任务是改进已有的割草机，解决噪音问题。 传统设计中，为了达到降低噪音的目的，一般的设计者要为系统增加阻尼器、 减震器等等的子系统，这不仅增加了系统的复杂性，而且增加的子系统也降低了系 统的可靠性。显然，这不符合IFR的4个特点中的后2个。 如果用IFR来分析问题，会得到截然不同的创新设计方案。 先确定客户需求是什么，客户需要的是漂亮整洁的草坪，割草机并不是客户的 最终需求，只是维护草坪的一个工具，割草机具有维护草坪整洁的一个有用功能之 外，带来的是大量的无用功能。 从割草机与草坪构成的系统看，其IFR为草坪上的草始终维持一个固定的高度， 为此，就诞生了"漂亮草种(smart grass seed) " ，这种草生长到一定高度就停止生长。 割草机不再被需要。问题得到理想解决。 七、最终理想解的确定 最终理想解的确定是问题解决的关键所在，很多问题的IFR被正确理解并描述 出来，问题就直接得到了解决。设计者的惯性思维常常让自己陷于问题当中不能自 拔，解决问题大多采用折中法，结果就使问题时隐时现让设计者叫苦不迭。而IFR 可以帮助设计者跳出传统设计的怪圈，以IFR这一新角度来重新认识定义问题，得 到与传统设计完全不同的问题根本解决思路。 最终理想解确定的步骤: 1 )设计的最终目的是什么? 2)理想解是什么? 达到理想解的障碍是什么? 3) 4 4)出现这种障碍的结果是什么? 不出现这种障碍的条件是什么?创造这些条件存在的可用资源是什么? 5) 农场养兔子的难题 农场主有一大片农场，放养大量的兔子。兔子需要吃到新鲜的青草，农场主不希望兔子走得太远而照看不到。现在的难题是，农场主不愿意也 不可能花费大量的资源割草运回来喂兔子。这难题如何解决? 应用上面的5步骤，分析并提出最终理想解。 1)设计的最终目的是什么? 兔子能够吃到新鲜的青草。 2)理想解是什么? 兔子永远自己吃到青草。 3)达到理想解的障碍是什么? 为防止兔子走的太远照看不到，农场主用笼子放养兔子，这样，放兔 子的笼子不能移动。 4)出现这种障碍的结果是什么? 由于笼子不能移动，可被兔子吃到的笼下草地面积有限，短时间内草 被吃光了。 5)不出现这种障碍的条件是什么?创造这些条件存在的可用资源是什么? 当兔子吃光笼子下的青草时，笼子移动到另一块有青草的草地上;可用资源是兔子。 解决方案:给笼子装上轮子，兔子自己推着笼子移动，去不断地获得青草。 5