TRIZ理论
   
物-场分析及76个标准解法
 www.hxin.org 2010-03-01

  一、物-场分析
  解决技术矛盾需要通过矛盾矩阵来找到相符合的发明原理,再根据原理进行发明创造。然而能迅速地确定技术矛盾类型,才能在矩阵中找到相对应的发明原理,这需要工作人员的经验和判断力,但是在许多未知领域却无法确定技术矛盾的类型,所以我们需要另一种工具引领我们找到技术矛盾的类型,于是TRIZ理论又引入了物-场模型。物-场模型是TRIZ理论中重要的问题描述和分析工具,用以建立与已经存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型。在解决问题的过程中,可以根据物-场模型分析,来查找相对应的问题的标准解法和一般解法。
  所谓物场,是指物质与物质之间相互作用与相互影响的一种联系。比如,电铃的响声给了人一种信号,其中“电铃”,“人”属于“物质”的概念,那么“场”又是指什么呢?只要分析一下电铃的响声为什么会传到人的耳里,就会知道“空气的振动”是其中的原因。如果是在真空中,人是听不到电铃的声音的。即是说,在“电”与“人”之间存在着一个“声场”。事实上,世界上的物体本身是不能实现某种作用的,只有同某种“场”发生联系后才会产生对另一物体的作用或承受相应的反作用。就科学领域来说,温度场、机械场、声场、引力场、磁场、电场,等等,是物场的具体存在形式。
  构成一个物场需要三要素:两个物质和一个场,其一般形式为:            
  物-场分析是TRIZ对与现有技术系统相关问题建立模型的工具。技术系统中最小的单元由两个元素以及两个元素间传递的能量组成,以执行一个功能。阿奇舒勒把功能定义为两个物质(元素)与作用于它们中的场(能量)之间的交互作用,也即是物质S2 通过能量F作用于物质S1,产生的输出(功能)。所谓功能,是指系统的输出与系统的输入之间的正常的、期望存在的关系。
  我们可以定义一个函数:y=F(x1 ,x2 ,x3 ,…,xn),其中y表示输出,x1 ,x2 ,x3 ,…,xn 表示输入,函数F表示功能。我们也可以用比较通俗的语言来描述功能,功能就是指用方法解决问题的过程。
  TRIZ理论中,功能有3条定律:
  (1)所有的功能都可以最终分解为3个基本元素(S1,S2,F);
  (2)一个存在的功能必定由3个基本元素构成;
  (3)将3个相互作用的基本元素有机组合将形成一个功能。
  在功能的3个基本元素中S1,S2是具体的,即是“物”(一般用S1表示原料,用S2表示工具);F是抽象的,即是“场”。这就构成了物-场模型。S1,S2可以是材料、工具、零件、人、环境等;F可以是机械场(Me)、热场(Th)、化学场(Ch)、电场(E)、磁场(M)、重力场(G)等。
  例:自从蒸汽机车发明之后,人们越来越追求其速度的提升。机车要有高速度,必须行驶在钢轨上,但是机车的轮子和钢轨之间却有摩擦力,虽然研究者们不断进行材料和技术的革新,但一直存在的摩擦力却阻碍了机车速度的进一步提升。机车和钢轨构成了一个系统,速度和能量的损失是发明中的问题,我们需要一个功能来解决问题,机车和钢轨是2个物,所以我们需要一个场来构成物-场模型。于是发明家引入了磁场,令机车和钢轨之间产生排斥的力,使机车和钢轨分离,导致摩擦力减到最小值——趋近于零。这样机车浮于钢轨之上,可以最大限度地使用能量提高速度。
  在上例中,机车是S1,钢轨是S2,磁场是F,这就是一个典型的物-场模型。
  根据对众多发明实例的研究,TRIZ理论将把物-场模型分为4类: 
  物-场模型分类
  第一种模型是我们追求的目标,重点需要关注剩下的3种非正常模型,针对这3种模型,TRIZ理论提出了物-场模型的一般解法和76个标准解法。
  二、76个标准解法
  在物-场模型分析的应用过程中,由于所面临的问题复杂又包含广泛,物-场模型的确立、使用有相当的困难,所以TRIZ理论为物-场模型提供了成模式的解法,称为标准解法,共76个,标准解法通常用来解决概念设计的开发问题。76个标准解决方法可分为5类:建立或破坏物质场;开发物质场;从基础系统向高级系统或微观等级转变;度量或检测技术系统内一切事物;描述如何在技术系统引入物质或场。发明者首先要根据物质场模型识别问题的类型,然后选择相应的标准方法解。
  第一类标准解:不改变或仅少量改变系统
  (1)假如只有S1,应增加S2及场F,以完善系统3要素,并使其有效。
  (2)假如系统不能改变,但可接受永久的或临时的添加物,可以在S1或S2内部添加来实现。
  (3)假如系统不能改变,但用永久的或临时的外部添加物来改变S1或S2 是可以接受的,则加之。
  (4)假定系统不能改变,但可用环境资源作为内部或外部添加物,是可接受的,则加之。
  (5)假定系统不能改变,但可以改变系统以外的环境,则改变之。
  (6)微小量的精确控制是困难的,可以通过增加一个附加物,并在之后除去来控制微小量。
  (7)一个系统的场强度不够,增加场强度又会损坏系统,可将强度足够大的一个场施加到另一元件上,把该元件再连接到原系统上。同理,一种物质不能很好地发挥作用,则可连接到另一物质上发挥作用。
  (8)同时需要大的(强的)和小的(弱的)效应时,需小效应的位置可由物质S3 来保护。
  (9)在一个系统中有用及有害效应同时存在,S1及S2不必互相接触,引入S3 来消除有害效应。
  (10)与(9)类似,但不允许增加新物质。通过改变S1或S2来消除有害效应。该类解包括增加“虚无物质”,如:空位、真空或空气、气泡等,或加一种场。
  (11)有害效应是一种场引起的,则引入物质S3吸收有害效应。
  (12)在一个系统中,有用、有害效应同时存在,但S1及S2必须处于接触状态,则增加场F2使之抵消F1的影响,或者得到一个附加的有用效应。
  (13)在一个系统中,由于一个要素存在磁性而产生有害效应。将该要素加热到居里点以上,磁性将不存在,或者引入相反的磁场消除原磁场。
  第二类标准解:改变系统
  (14)串联的物-场模型:将S2及F1施加到S3;再将S3及F2施加到S1。两串联模型独立可控。
  (15)并联的物-场模型:一个可控性很差的系统已存在部分不能改变,则可并联第二个场。
  (16)对可控性差的场,用易控场来代替,或增加易控场。由重力场变为机械场或由机械场变为电磁场。其核心是由物理接触变到场的作用。
  (17)将S2由宏观变为微观。
  (18)改变S2成为允许气体或液体通过的多孔的或具有毛细孔的材料。
  (19)使系统更具柔性或适应性,通常方式是由刚性变为一个铰接,或成为连续柔性系统。
  (20)驻波被用于液体或粒子定位。
  (21)将单一物质或不可控物质变成确定空间结构的非单一物质,这种变化可以是永久的或临时的。
  (22)使F与S1或S2的自然频率匹配或不匹配。
  (23)与F1或F2的固有频率匹配。
  (24)两个不相容或独立的动作可相继完成。
  (25)在一个系统中增加铁磁材料和(或)磁场。
  (26)将(16)与(25)结合,利用铁磁材料与磁。
  (27)利用磁流体,这是(26)的一个特例。
  (28)利用含有磁粒子或液体的毛细结构。
  (29)利用附加场,如涂层,使非磁场体永久或临时具有磁性。
  (30)假如一个物体不能具有磁性,将铁磁物质引入到环境之中。
  (31)利用自然现象,如物体按场排列,或在居里点以上使物体失去磁性。
  (32)利用动态,可变成自调整的磁场。
  (33)加铁磁粒子改变材料结构,施加磁场移动粒子,使非结构化系统变为结构化系统,或反之。
  (34)与F场的自然频率相匹配。对于宏观系统,采用机械振动增加铁磁粒子的运动。在分子及原子水平上,材料的复合成分可通过改变磁场频率的方法用电子谐振频谱确定。
  (35)用电流产生磁场并代替磁粒子。
  (36)电流变流体具有被电磁场控制的黏度,利用此性质及其他方法一起使用,如电流变流体轴承等。
  第三类标准解:传递系统
  (37)系统传递1:产生双系统或多系统
  (38)改进双系统或多系统中的连接。
  (39)系统传递2:在系统之间增加新的功能。
  (40)双系统及多系统的简化。
  (41)系统传递3:利用整体与部分之间的相反特性。
  (42)系统传递4:传递到微观水平来控制。
  第四类标准解:检测系统。
  (43)替代系统中的检测与测量,使之不再需要。
  (44)若(43)不可能,则测量一复制品或肖像。
  (45)如(43)及(44)不可能,则利用两个检测量代替一个连续测量。
  (46)假如一个不完整物-场系统不能被检测,则增加单一或两个物-场系统,且一个场作为输出。假如已存在的场是非有效的,在不影响原系统的条件下,改变或加强该场,使它具有容易检测的参数。
  (47)测量引入的附加物。
  (48)假如在系统中不能增加附加物,则在环境中增加而对系统产生一个场,检测此场对系统的影响。
  (49)假如附加场不能被引入到环境中去,则分解或改变环境中已存在的物质,并测量产生的效应。
  (50)利用自然现象。例如:利用系统中出现的已知科学效应,通过观察效应的变化,决定系统的状态。
  (51)假如系统不能直接或通过场测量,则测量系统或要素激发的固有频率来确定系统变化。
  (52)假如实现(51)不可能,则测量与已知特性相联系的物体的固有频率。
  (53)增加或利用铁磁物质或磁场以便测量。
  (54)增加磁场粒子或改变一种物质成为铁磁粒子以便测量,测量所导致的磁场变化即可。
  (55)假如(54)不可能建立一个复合系统,则添加铁磁粒子到系统中去。
  (56)假如系统中不允许增加铁磁物质,则将其加到环境中。
  (57)测量与磁性有关现象,如居里点、磁滞等。
  (58)若单系统精度不够,可用双系统或多系统。
  (59)代替直接测量,可测量时间或空间的一阶或二阶导数。
  第五类标准解:简化改进系统
  从第一类解到第四类解的求解过程中,可能使系统变得更复杂,因为往往要引入新的物质或场;第五类解是简化系统的方法,以保证系统理想化。当从第一到第三类有了解以后,或解决第四类检测测量问题后,再回到第五类去解,这是正确的方法。
  (60)间接方法:①使用无成本资源,如:空气、真空、气泡、泡沫、缝隙等;②利用场代替物质;③用外部附加物代替内部附加物;④利用少量但非常活化的附加物;⑤将附加物集中到特定位置上;⑥暂时引入附加物;⑦假如原系统中不允许附加物,可在其复制品中增加附加物,这包括仿真器的使用;⑧引入化合物,当它们起反应时产生所需要的化合物,而直接引入这些化合物是有害的;⑨通过对环境或物体本身的分解获得所需的附加物。 
  (61)将要素分为更小的单元。     
  (62)附加物用完后自动消除。
  (63)假如环境不允许大量使用某种材料,则使用对环境无影响的东西。
  (64)使用一种场来产生另一种场。
  (65)利用环境中已存在的场。
  (66)使用属于场资源的物质。
  (67)状态传递1:替代状态。
  (68)状态传递2:双态。
  (69)状态传递3:利用转换中的伴随现象。
  (70)状态传递4:传递到双态。
  (71)利用元件或物质间的作用使其更有效。
  (72)自控制传递。假如一物体必须具有不同的状态,应使其自身从一个状态传递到另一状态。
  (73)当输入场较弱时,加强输出场,通常在接近状态转换点处实现。
  (74)通过分解获得物质粒子。
  (75)通过结合获得物质。
  (76)假如高等结构物质需分解但又不能分解,可用次高一级的物质状态替代;反之,如低等结构物质不能应用,则用高一级的物质代替。
  三、应用标准解法的步骤
以上的5级、18个子级、76个标准解法,给问题提供了丰富的问题解决方法,
  在物一场模型分析的基础上,可以快速有效地使用标准解法来解决那些在过去看来似乎不能解决的难题。
  标准解法共76个,数量庞大,同时给使用者带来的是另一方面的难题,如何快速找到合适的标准解法?尤其是初学者,更显得是一头雾水,不知从何处下手。而且,不恰当的选择,将导致问题解决者走上弯路而且百思不得其解,浪费了时间和隋力’从而降低应用76个标准解解决问题的效率。所以,厘清76个标准解法间的逻辑关系,掌握问题解决过程中标准解法的选择程序,是有效应用76个标准解法的必要前提。
  应用标准解法来解决问题,可遵照下列四个步骤来进行:
  1、确定所面临的问题类型。首先要确定所面临的问题是属于哪类问题,是要求对系统进行改进,还是要求对某件物体有测量或探测的需求。问题的确定过程是一个复杂的过程,建议按照下列顺序进行:
  1)问题工作状况描述,最好有图片或示意图配合问题状况的陈述;
  2)将产品或系统的工作过程进行分析,尤其是物流过程需要表述清楚;
  3)零件模型分析包括系统、子系统、超系统3个层面的零件,以确定可用资源。
  4)功能结构模型分析是将各个元素间的相互作用表述清楚,用物一场模型的作用符合进行标记;
  5)确定问题所在的区域和零件,划分出相关的元素,作为下步工作的核心。
 
  2、如果面临的问题是要求对系统进行改进。则:
  1)建立现有系统或情况的物一场模型;
  2)如果是不完整物一场模型,应用第一类标准解法中的1——8的个标准解法;
  3)如果是有害效应的完整模型,应用第一类标准解法中的9——13的5个标准解法;
  4)如果是效应不足的完整模型,应用第二类标准解法中的23个标准解法和标准解法第三类中的6个标准解法。
 
  3、如果问题是对某件东西有测量或探测的需求,应用第四类标准解法中的17个标准解法。
  4、当你获得了对应的标准解法和解决方案,检查模型(实际是系统)是否可以应用标准解法第5级中的17个标准解法来进行简化。标准解法第5级也可以被考虑为,是否有强大的约束限制着新物质的引入和交互作用。
  在应用标准解法的过程中,必须紧紧围绕系统所存在问题的最终理想解,并考虑系统的实际限制条件,灵活进行应用,并追求最优化的解决方案。很多情况下,综合应用多个标准解法,对问题的解决彻底程度具有积极意义,尤其是第5级的17个标准解法。