2015, Vol. 32
2. 广东省创新方法与决策管理系统重点实验室，广东 广州 510006
2. Key Lab of Innovation & Decision-making Management System of Guangdong Province, Guangzhou 510006, China
随着全球化经济的发展，产品面临的挑战日益加剧，通过创新来提高产品竞争力是世界各国企业的首选.创新需要先进的理论方法作为指导，国内外被人们所熟知的创新方法有发明问题解决理论(Theory of Inventive Problem Solving, TRIZ)、公理化设计(Axiomatic Design，AD)、约束理论(Theory of Constraints，TOC)、普适设计方法学(Universal Design Theory，UDT)、质量功能配置(Quality Function Deployment，QFD)、可拓理论(Extension Theory，ET)等，这些主流创新设计方法多数是在不同条件下相互独立所提出的.虽然全世界对创新方法的研究已有较长历史且一些成果在工程领域也得到了应用，但每种理论在不同应用领域都有优缺点，设计理论仍需不断完善[1].在系统化的设计环境下，产品的创新设计过程不再是单一的，需要融合多种类、多领域、结构复杂的设计活动和设计知识.创新的本质其实是解决创新设计过程中的矛盾问题.可拓理论与TRIZ理论都以解决设计中矛盾问题为主，已证明在各自的应用领域有很好的辅助创新效果，但两者各有不足之处.因此在可行条件下，研究如何将TRIZ与可拓理论相结合，通过不同工具的组合集成，发挥各自优点，建立产品设计的创新模型，这将具有重要的现实意义和理论研究价值.
本文将介绍TRIZ与可拓学的核心思想、理论体系、各自在不同领域的应用以及基于两种理论开发的计算机辅助软件，分析两者的差异性，结合各自的优缺点研究两者可以组合集成的切入点，系统地阐述集成TRIZ理论与可拓理论的研究并用于创新设计的国内外研究现状，并对TRIZ与可拓理论集成创新方法研究进行总结与展望.
1 TRIZ与可拓学研究现状 1.1 TRIZ简介TRIZ是由前苏联发明家阿奇舒勒于1946年创立的基于知识的理论，其理论方法是在研究分析了全世界250万份高水平专利的基础上抽象出来的，“其目的是研究人类进行发明创造、破解技术矛盾过程中所遵循的科学原理和法则”[2-4].TRIZ是以技术系统的演化规律为理论基础；以物质-场分析、矛盾分析、ARIZ算法、理想解分析等为问题的分析工具，具体应用工具包括标准解和知识效应库、工程参数、40条发明原理、4条分离原理、矛盾矩阵等[5].技术系统演化规律用以分析和认定当前产品的技术状态，并能够预测未来产品的发展趋势，有利于企业研发设计具有竞争力的新产品；物质-场模型有利于快速确定矛盾的核心问题；针对具体的技术冲突，可根据40条发明原理构建矛盾矩阵，并通过工程实例寻求合适的解决方案；分离原理则用以相对比较复杂的物理矛盾；ARIZ算法主要解决复杂问题，其主要步骤是对初始问题进行一系列的变形，对问题进行深入分析和不断的转换，直至得到问题解决方案；知识效应库则能为设计者在创新设计中提供丰富的解决方案.
1.1.1 TRIZ理论的研究与完善古典的TRIZ诞生于前苏联计划经济时代，由于其本身存在较多的不足，在工程领域并未得到广泛应用，因此国内外许多专家致力于研究TRIZ理论以及对其工具的改进.文献[6-8]系统地分析了古典TRIZ的不完善之处，并提出由物质-场模型改进后的新的功能模型表示法Karasik Y B[9]认为TRIZ中矛盾矩阵的构造上有不足和缺陷，矛盾矩阵仅仅讨论两个参数之间的矛盾，而实际的工程问题往往涉及到一个参数与多个参数之间的矛盾，使得TRIZ古典理论不能在工程领域得到广泛应用.文献[10-12]针对矛盾矩阵构造的缺陷，在分析了1985年到2002年的15万个专利的基础上，新增了9个工程参数，并补充了37个组合创新原理，提出了更符合实际工程应用的新矛盾矩阵.文献[13]针对创新原理应用效率低的不足，对TRIZ创新原理的组合应用问题进行了探讨.在国内，龚益鸣[14]详细介绍了TRIZ理论中在的“s曲线”在技术预测方面的应用.檀润华[15]提出了未来需求预测原理，定义了困难功能元的概念及效应综合方法.戴庆辉[16]运用实例概括了概念设计中物质-场分析的把握重点.世界各国学者对TRIZ理论进行了研究，补充和完善了TRIZ理论及其工具，为TRIZ理论广泛应用于工程领域奠定了基础.
1.1.2 基于TRIZ理论的设计方法在各领域的应用Fresner J等[17]提出了运用TRIZ提高材料和能源利用效率，同时减少工业废物排放的方法等.李英利[18]等根据40条发明原理并结合工程实际，恰当地将其应用在化工行业中.顾新建等[19]结合案例库和专利库，将环境因素加入到产品设计中，提出一种集成TRIZ的产品生态设计方法.马力辉[20]根据TRIZ进化模式和TOC中的必备树(PRT)分别确定产品的进化目标和设计障碍，并构建了基于障碍分析的冲突确定流程和模板以确定设计冲突.何川博士等[21]将TRIZ理论与产品概念设计方法相结合，提出了基于TRIZ的机械产品创新方案设计智能决策支持系统理论与方法.姜亮博士[22]以TRIZ的冲突解决原理为基础构建了技术创新本体.张付英博士[23]在机械产品创新设计方面，应用TRIZ进行创新问题的建模、求解.还有很多学者对TRIZ理论进行大胆改进并运用到各自的领域，并取得一定的成果，如在统一结构的发明思想USIT、用TRIZ理论的通用解求问题的特殊解、运用矛盾矩阵对机电产品进行故障的分析、绿色优化设计等方面[24-27].
1.1.3 基于TRIZ的创新软件国内外学者探讨了TRIZ的优势与缺陷，逐步完善了TRIZ理论，并在多个领域成功应用TRIZ理论解决矛盾问题，多款基于TRIZ理论的计算机辅助创新软件的开发更是大幅提高创新设计的效率与成功率.国外具有代表性的软件有以下几个：Goldfire Innovator[28]是国际上第一款以创新方法学作为理论基础，提供全面创新解决方案的计算机辅助创新设计平台系，为培养创新性思维、掌握创新方法技能、提高问题解决能力奠定基础.由美国Invention Machine公司研发的TechOptimize根据TRIZ理论而开发，该软件包含丰富的科学知识和工程实例，为设计者创造性的解决实际问题提供帮助.Ideation International公司的Innovation Workbench(IWB)[29]由项目定义、创新现况调查、机能模块建置、概念展开和评估结果组成，能帮助设计者解决技术难题.亿维讯公司的Pro/Innovator[30]将TRIZ理论、现代设计方法学、攻关诀窍和创新实例库等实用工具集合于一体，可完成对企业内部研发知识从挖掘、获取、重构，到共享、创新、更新的全部知识工程任务.此外还有德国TriSolver公司的TriSolver软件[31]，比利时CREAX NV-Mlk的Creax Innovation Suite[32]，荷兰的Insytec B.V公司的TRIZ Explore也是基于TRIZ的计算机辅助软件.
TRIZ理论在20世纪90年代传入中国，相关研究主要集中在高等院校.其中，河北工业大学的檀润华教授[33-34]带领的团队对TRIZ理论进行了系统深入的研究后，开发了国内第一个自主版权的基于TRIZ理论的软件Invention Tool.天津大学的余光莉[35]分析了传统TRIZ理论在应用上缺陷，针对我国中小型企业和个人用户对创新信息和技术资源的需求，开发了基于互联网交互式、积累式的WEBTRIZ系统.合肥工业大学刘晓平[36]利用TRIZ中的冲突问题的结构表示对问题进行分析，开发了一个基于TRIZ的CAI原型系统.山东大学的陈文广[37]对物质场模型和效应进行了分析研究，开发了基于物场分析和效应的计算机辅助创新系统.这些研究有利于推进TRIZ理论的本土化进行.
1.2 可拓学简介可拓学是由我国学者蔡文教授于1983年提出的原创性横断学科，以现实生活中出现的矛盾为研究对象，用形式化的模型研究事物拓展的可能性与开拓创新的规律与方法，从定性和定量的角度分析研究并解决矛盾问题[4].可拓学为设计者提供一种符号化、模型化的理论与方法，有利于计算机操作，为人们认识和分析现实世界、解决现实中的矛盾问题，提供了新的方法论.可拓学主要包括可拓论、可拓方法和可拓工程3部分.矛盾问题是可拓学的研究对象，通过可拓论建立可拓模型，并运用4种拓展方法对问题的条件或目标进行拓展变换，再利用可拓学中的5种基本变换和4种运算，以形成解决矛盾问题的策略.许多学者致力于可拓学的研究，并不断完善与发展可拓学理论.蔡文教授在可拓学中对矛盾问题有了基本的界定，从集合的角度初步确定了矛盾问题以及物元理论模型[38-49].杨春燕[41]、陈巨龙[42]、彭强[43]等对可拓学有了更进一步的研究，完善了可拓学解决矛盾的方法体系，并把可拓方法应用到工程领域中.杜国平、马亮[44]对可拓学中特有的可拓逻辑进行了研究探讨，拓展了逻辑学的研究，并提供了全新的研究视角.杨春燕[45]针对策划中的矛盾问题，提出了可拓策划的理论和方法，构建“化对立为共存”的策划模型.谭建荣、马辉等[46]通过设计事元、物元对产品设计知识单元进行描述，给出了面向产品设计过程的设计知识重用模型.
1.2.1 基于可拓学的创新方法在各领域的应用国内外可拓学研究工作目前已形成由可拓论、可拓方法和可拓工程构成的学科体系，并已在一些领域进行了应用的尝试.
浙江工业大学的赵燕伟教授[47-48]研究了机械产品的要求与现有方法或产品不能满足的矛盾问题，提出了可拓概念设计方法.张国全等[49]以复式布料系统为研究对象，运用可拓理论，从行为动作角度建立了可拓模型，深入研究概念设计的理论与方法.
王秋莲[50]基于可拓理论，提出一种产品绿色设计知识表达和重用的方法，并在实践中验证了所提方法的可行性和有效性.李聪波等[51]提出基于可拓理论的绿色制造实施方案设计方法.刘志峰等[52]通过研究基于模糊物元的绿色产品设计方法，对降低环境污染具有重大的科学意义和应用价值.
哈尔滨工业大学邹广天教授[53]研究了建筑物的要求与现有设计或建筑物不能满足的矛盾问题，提出了可拓建筑策划与设计理论与方法.王涛等[54]运用可拓学中的基元理论和可拓变换，提出描述空间矛盾的可拓模型.
楼健人[55]针对产品配置效率低、难以变型等矛盾问题，根据产品的配置设计和构成特点，提出了产品层次可拓配置设计方法.苏楠等[56-58]通过共轭分析法得到顾客需求基元，利用可拓变换和可拓聚类等从定性的角度来消解产品族可配置过程中的冲突问题.李江等[59]以物元模型为基础，建立模块物元和模块族物元，并对模块物元进行可拓变换，提出了基于物元模型的产品可拓模块化设计方法.龚京忠等[60]以产品族为基础，提出了一种基于物元模型的产品快速配置设计.
华东理工大学王行愚教授[61]利用可拓方法研究控制领域的矛盾问题，提出了可拓控制方法.广东工业大学余永权教授[62]提出了可拓检测方法.钟诗胜等[63]提出了一种基于可拓知识表示的菱形求解策略，采用框架形式表示可拓约束图的构建、物元拓展推理、关联函数计算和条件可拓集合的生成.唐林新等[64]对产品物元模型拓展得到多个产品物元模型，从方案适应性的角度对设计过程中出现的冲突通过物元变换加以消解.杨国为[65]给出了基于物元的与或网启发式可拓搜索算法、可拓关系继承推理和相关记忆可拓继承推理算法.
1.2.2 基于可拓学的创新软件可拓学是一门新兴的学科，研究者主要集中在国内，其理论研究和应用研究都有待加深.可拓学经过多年发展与完善，在诸多领域有所建树，学者在各自不同的领域开发了基于可拓学的系统软件，为可拓学的应用研究提供有力的支持.李卫华教授等[66]将可拓技术和面向对象技术相结合，开发研制了可拓策略生成系统.李小妹博士等[67]提出一种基于可拓学理论和可拓数据挖掘技术的客户价值可拓知识挖掘软件，以实现客户价值最大化.赵燕伟教授等[68]结合可拓理论，设计开发了机电产品可拓配置设计系统，并初步验证可拓理论技术方法的可行性.刘巍、何煦岚[69]根据物元分析和可拓学理论，来研究信息和知识的可拓性，将这应用于刑侦领域，并开发了基于可拓信息的刑侦分析系统.陈文伟教授的挖掘脑血栓与脑出血的变换规则软件，李兴森教授的人机交互的可拓策略辅助生成系统，基于知识的通用鞋品智能计算机辅助概念设计系统等等[70].
2 TRIZ与可拓学的内在联系TRIZ理论和可拓学这两种创新设计理论虽然诞生于不同年代、不同国度，但均是以解决矛盾问题为核心，已有少数学者对两者的内在联系和差异性进行了相关的研究.
TRIZ理论与可拓学都以解决矛盾问题为核心，两者的多个模块具有相通之处.Chang等[71]将可拓方法和TRIZ方法相结合，并创新性地解决技术与环境的冲突问题，提出了生态创新方法和冲突问题协调的CAD软件.翟章宇[72]、仇成[73-74]等学者在研究两种理论的基础上，从理论层面分析TRIZ理论和可拓学的内在联系.TRIZ理论与可拓学的内在联系主要表现在以下几个方面.
(1) 基元理论与物质场理论
可拓学为了形式化描述物、事和关系，建立了以物元、事元和关系元作为基元，把对象、特征和量值当做一个统一体.在可拓学中，客观世界就是一个基元世界，所有问题都可以用物元、事元、关系元复合的形式来描述，处理客观世界的矛盾就是处理基元间的矛盾.TRIZ理论则认为所有功能是通过物体间的相互作用来完成的，由两个物质和一个场所组成.只有包括这3种元素且三者以适当的方式组合，并完成相应的作用才有一个完整的功能.当三者缺任一元素，或未实现相应的作用，或者产生有害作用，则会出现不完整模型、效应不足的完整模型和有害效应的完整模型，这时就需要运用物质场模型解决矛盾问题.基元理论和物质场模型都能直观地描述并表达矛盾问题，基元理论中的物元包含物场模型的物质.基元理论用统一的三元组定性判断和定量描述矛盾问题，而物质场模型虽然能定性反映物质间的作用，但并不能定量反映物质间的矛盾程度.基元理论中物元的特征和量值可以补充物质场模型中物质所对应的属性，能有效反映物质场模型中不完整模型、效应不足模型和有害效应模型.
(2) 可拓变换理论与40条发明原理
可拓变换由5种基本变换组成，分别是置换、增删、扩缩、分解和复制，共同组成解决矛盾问题的核心，可拓变换具有存在性、传导性、不唯一性和可组合的性质.通过变换可以把一个对象变为另一个对象或者分解为若干对象，使不可知问题转化为可知问题.TRIZ理论的40条发明原理是在分析了全世界大量专利的基础上提出的，适用于不同领域的创新设计，40条发明原理实质上就是实施某种变换.周贤永[75-76]已对TRIZ的40条发明原理进行可拓学的形式化表述，使得每条原理的操作对象、变换过程及其核心变换方法能清晰地表述出来，为人们提供了实施发明原理的切入点.从可拓形式化40条发明原理可以得到，部分发明原理本质上就是标准的可拓变换，其他的发明原理可以通过多种可拓变换的组合或者对某种可拓变换进行特殊应用得到.TRIZ理论中用于解决物理矛盾的分离原理与可拓变换也有异曲同工之处.
3 TRIZ与可拓学的差异性比较TRIZ和可拓理论是两种产生于不同国度与年代的创新设计理论，两者的差异性必然存在，主要体现在理论基础的差异、方法系统的差异、矛盾分类与研究对象的差异.
杨国为[77]对TRIZ理论和可拓学两种设计理论在解决矛盾问题中进行了对比研究，认为可拓学矛盾涵义较TRIZ的设计矛盾冲突更为广泛，可拓学可用形式化的模型表述并解决矛盾问题，但他没有深入分析研究两者在解决实际工程矛盾的差异性.仇成等[73]从矛盾分类、研究对象、分析工具、哲学基础等角度详细比较了可拓学与TRIZ理论的异同，通过对比分析发现可拓学系统地给出了矛盾问题解决过程抽象的、一般的规则，从研究对象和研究目标来看，可拓创新方法在研究对象和研究目标上具有较TRIZ更为宽广和系统化的理论基础，更具一般性和概括性，但TRIZ更具操作性，能够切实处理产品设计过程中的矛盾冲突.李苏洋、杨春燕等[78]也从两者的宗旨和理论体系、矛盾问题分类、解决矛盾问题流程不同等来分析可拓学与TRIZ理论的差异性；台湾学者张祥唐、陈家豪[79]则认为可拓方法着重于思考的推演，TRIZ方法则以工程实例为基础来辅助设计者创新.
4 TRIZ与可拓学的集成研究可拓学与TRIZ理论是在不同的年代、不同的国度，经过众多研究者的长期努力发展起来的.两种理论在设计中的应用都有其独特的优势，同时在设计的不同阶段都有局限性.目前，只有为数不多的研究者开始探索对比两者的优劣势，并且大多研究只是在理论层面进行单纯的对比分析.因此，深入分析探究可拓学和TRIZ各自的特点，在某些方面的优势互补，将两者集成具有深远的理论和实际意义.
从应用方面来看，TRIZ方法是从大量专利中提取归纳而来，对解决工程问题中的矛盾问题具有较强的可操作性，但其理论体系比较零散，而且严重依赖于设计者的思维、观念、经验等主观因素.不同的工具仅仅反映产品创新设计中的某个方面[80]，这些特点使得TRIZ理论难以广泛应用于工程领域.TRIZ主要是以解决技术矛盾为主，但是技术矛盾指系统中的问题是由两个参数导致互相制约的矛盾，即一个参数的改善会引起另一个参数的恶化，矛盾矩阵所讨论的只是两个参数之间的冲突，而工程实际中的矛盾往往比较复杂，一个参数可能会与多个参数同时发生冲突.这也是TRIZ的局限性所在，在复杂产品的创新设计中一个参数的改善可能引起多个参数的恶化，其中的一部分只是微小的恶化(或许可忽略不计)，另外的是较大的恶化，对整个设计有着明显的影响，即参数之间的强关联性所致.经典的TRIZ理论主要应用于工程领域，对于非工程领域的应用很少涉足，文献[81]通过整理产品设计制造销售过程中的各种管理经验，将TRIZ中的39个通用参数转化为具有管理内涵的参数，并应用于管理过程中的矛盾问题解决；Yang G W等[82]针对TRIZ理论核心工具在非工程领域应用不方便的问题，根据可拓学理论构建了23个新的工程参数、32条新的发明原理，组成了一个新的矛盾矩阵，并将这新的核心工具应用于鞋品概念设计这个非工程领域.正如Chen & Liu的研究[83]所强调的那样，人们在对系统做出某些改善时，经常无法察觉这一改善将具体引发何种新问题.贺晓明[84]认为TRIZ在帮助设计者获得创新设计问题的创新解的过程中，有多个局限性，具体为：(1) TRIZ并未提供产品设计流程中针对具体产品需求获取的方法；(2) TRIZ在系统性地生成概念初始方案方面没有办法；(3) TRIZ的物质场分析模型等工具可以用于对简单问题的分析和定义，其他复杂问题就无能为力了；(4) TRIZ没有提出针对创新方案的评价机制，使得最终方案的确定只能依赖于设计人员的经验；(5) TRIZ的工具很多，但并未提出产品设计问题的系统流程，不能通过TRIZ对设计过程进行引导和控制.
可拓学用形式化的模型分析和解决矛盾问题(不相容问题和对立问题)，因此所研究的矛盾问题更具普遍意义.自然界中的矛盾问题都能用可拓学中的基元理论来表达，可拓变换是解决矛盾问题的手段，通过置换、增删、扩缩、分解、复制这5种基本变换以及积变换、与变换、或变换、逆变换4种基本运算能将不可知问题变为可知问题.运用可拓学中的拓展分析处理TRIZ中定义的矛盾具有明显的优势.可拓学中所特有的基元表述方式和拓展分析方法对矛盾系统涉及的初始问题进行等价交换，使得整个问题分析过程在本质上始终是初始问题而不是新问题，给出分析和解决问题相对固定的模型，更具一般性和适用性，而且主要采用数理分析的研究方法.用可拓学中的拓展分析方法和基元形式化表述矛盾问题，能对矛盾系统中的相关要素进行灵活变换与拓展，可有效降低TRIZ问题分析和解决过程中存在的高度抽象性和模糊性.
TRIZ理论中所定义的物理矛盾与技术矛盾，其根本原因就是现有的方法不能解决所面临的问题，其本质上就是某种主观需求与客观实际情况之间存在的一种不兼容性.而可拓学正好是解决任何领域的不兼容问题.可见在建立解决矛盾问题模型中集成该两种理论是可行的.根据可拓学中界定问题的方法，对于技术系统中提出的要求可以描述为某个目标G，而现有的方法或者客观存在的规律与条件可以描述为某个条件L.因而，TRIZ中的发明问题可以转化为可拓学中的基本模型：P=G*L.
从研究对象和研究目标来看，可拓学具有更宽广和系统化的理论基础，可拓方法着重于思考的推演，为创新设计提供一系列灵活的思维变换方法和合理的表达模型，有利于计算机操作，更具一般性、概括性；但TRIZ以工程案例为基础，能清晰地反应在创新设计过程中各项特征，以实际经验来指导设计者，在创新设计的过程中有更强的现实指导意义，更具操作性.因此，若能将可拓学形式化的语言表述问题和解决矛盾问题的方法与TRIZ在工程实例中归纳总结出的解决矛盾问题的方法进行有机的结合，则会形成表述问题更清晰，解决矛盾问题更具操作性的创新设计方法.
5 总结与展望本文从理论层面和方法体系比较了可拓学和TRIZ理论，分析得出两者在解决矛盾问题上的联系和区别，并对两者集成进行了初步的探索.可拓学与TRIZ理论都有相对成熟的理论与方法体系，都是以矛盾问题为研究对象，并开发了相应的计算机辅助创新软件来解决矛盾.TRIZ主要是解决设计中如何做的问题，对于设计中做什么的问题并未给出合适的工具，可拓学能提供设计者完整的思考路径与模式，却不能提供解决问题的有效方法，因而将可拓学与TRIZ理论进行比较和整合，利用各自的优势，弥补两者的不足.
基于TRIZ与可拓学的产品设计集成创新方法的研究有如下趋势：
(1) 现有研究只是停留在两者理论层面上的分析对比，需要对两者进行深入的优势互补性研究，从而实现两者的有效集成.
(2) 现有的矛盾问题消除系统，很大程度上依赖于设计者的直觉，缺乏统一的可行分析模型，这给问题的解决造成很大的阻碍.可拓学中的物元模型及拓展分析能将矛盾问题清晰地表示出来，建立矛盾问题的可拓模型，将为TRIZ理论各种工具的应用指明了方向.若能建立统一的分析模型，将节约大量时间与工作量.
(3) 已有研究均未直接探讨如何用可拓理论对40条发明原理的核心变换，从而导致不能准确地剖析各条发明原理的本质变换，在操作对象和变换方法上仍存在模糊性.
(4) 将两者集成的创新方法应用于计算机辅助创新软件(CAI).开发研制计算机辅助创新软件，这将大大提高创新设计的效率和成功率.
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