创新思维与方法第7章TRIZ创新方法基础课件.pptx

目 录,第7章 TRIZ创新方法基础,相对于传统的创新方法，比如试错法、头脑风暴法等，作为一套成熟的理论和方法体系，TRIZ（发明问题解决理论）具有鲜明的特点和优势。实践证明，运用TRIZ理论，可大大加快人们创造发明的进程，帮助人们系统地分析问题情境，突破思维障碍，快速发现问题本质或矛盾，确定问题探索方向。,TRIZ起源与发展,7.1,7.1 TRIZ起源与发展,TRIZ是“发明问题解决理论”俄文单词的首字母缩写，按照国际标准“ISO/R9-1968E”的规定，把俄文转换成拉丁字母以后，就成为“TRIZ”。“发明问题解决理论”有两个基本含义，表面的意思是强调解决实际问题，特别是发明问题；隐含的意思是由解决发明问题而最终实现（技术和管理）创新，因为解决问题就是要实现发明的实用化，这符合创新的基本定义。60多年前（1946年），前苏联军方技术人员、发明家根里奇阿奇舒勒（Genrich S. Altshuller，见图7-1）和他的同事们，在研究了来自于世界各国的上百万个专利（其中包含二十多万个高水平发明专利）的基础上，提出了的一套体系相对完整的“发明问题解决理论”，为TRIZ的问世和发展奠定了基础。,7.1 TRIZ起源与发展,图7-1 发明家阿奇舒勒,7.1.1 理论体系,阿奇舒勒在分析专利的过程中，从不同的角度，利用不同的分析方法对这些专利进行分析，总结出了多种规律。如果按照抽象程度由高到低进行划分，可以将经典TRIZ中的这些规律表示为一个金字塔结构（见图7-2）。,7.1.1 理论体系,图7-2 经典TRIZ中的规律,7.1.1 理论体系,随着TRIZ的不断发展和完善，TRIZ不仅增加了很多新发现的规律和方法，还从其他学科和领域中引入了很多新的内容，从而极大地丰富和完善了TRIZ的理论体系。TRIZ的理论体系可以表示如图7-3所示。,7.1.1 理论体系,图7-3 经典TRIZ的理论体系结构,7.1.1 理论体系,从上图中可以看出：（1）TRIZ的理论基础是自然科学、系统科学和思维科学。（2）TRIZ的哲学范畴是辩证法和认识论。（3）TRIZ来源于对海量专利的分析和总结。（4）TRIZ的理论核心是技术系统进化法则。（5）TRIZ的基本概念进化、理想度、系统、功能、矛盾和资源。（6）TRIZ的创新问题分析工具包括：根本原因分析、功能分析、物-场分析、资源分析和创新思维方法。（7）TRIZ的创新问题求解工具包括：发明原理、分离方法、科学效应库、标准解系统和创新思维方法。（8）TRIZ的创新问题通用求解算法是发明问题求解算法（ARIZ）。,7.1.2 发展历程,1946年，年仅20岁的阿奇舒勒成为苏联里海舰队专利部的一名专利审查员，也就是从这个时候开始，他有机会接触并对大量的专利进行分析研究。在研究中阿奇舒勒发现，发明是有一定规律的，掌握了这种规律有助于做出更多、更高级别的发明。从此，阿奇舒勒共花费了将近50年的时间，揭示出隐藏在专利背后的规律，构建了TRIZ的理论基础，创立并完善了TRIZ。,7.1.2 发展历程,在阿奇舒勒看来，人们在解决发明问题过程中，所遵循的科学原理和技术进化法则是一种客观存在。大量发明所面临的基本问题是相同的，其所需要解决的矛盾（在TRIZ 中称为技术矛盾和物理矛盾），从本质上说也是相同的。同样的技术创新原理和相应的解决问题的方案，会在后来的一次次发明中被反复应用，只是被使用的技术领域不同而已。因此，将那些已有的知识进行整理和重组，形成一套系统化的理论，就可以用来指导后来者的发明和创造。正是基于这一思想，阿奇舒勒与前苏联的科学家们一起，对数以百万计的专利文献和自然科学知识进行研究、整理和归纳，最终建立起一整套系统化的、实用的、解决发明问题的理论和方法体系（见图7-4）。,7.1.2 发展历程,图7-4 TRIZ的来源与内容,7.1.2 发展历程,冷战 期间，TRIZ 的内容并不为西方国家所掌握。直至前苏联解体后，在20世纪90年代初、中期，随着部分TRIZ研究人员移居到欧、美等西方国家，TRIZ才系统地传到了西方并引起学术界和企业界的关注。特别是在TRIZ传入美国后，在密歇根州等地成立了TRIZ研究咨询机构，继续对TRIZ进行深入的研究，使TRIZ得到了更加广泛的应用和发展。在我国学术界，一些研究专利的科技工作者和学者在20世纪80年代中期就已经初步接触TRIZ，并对其做了一定的资料翻译和技术跟踪。在20世纪90年代中后期，国内部分高校开始研究TRIZ，并在本科生、研究生课程中介绍TRIZ，在一定范围内开展了持续的研究和应用工作。进入21世纪，TRIZ开始从学术界走向企业界。,7.1.2 发展历程,2008年，国家科技部、发展改革委、教育部、中国科协联合发布了关于加强创新方法工作的若干意见，明确了创新方法工作的指导思想、工作思路、重点任务及其保障措施等。截止目前，全国已分批在几乎所有省（区、市）开展了以TRIZ理论体系为主的创新方法的推广应用工作。,TRIZ重要概念,7.2,7.2 TRIZ重要概念,在学习TRIZ的过程中，首先需要了解它的许多基本概念，包括TRIZ中的一些通用表述名词及其含义，例如技术系统、功能、矛盾、理想度等，以便于进一步深入学习TRIZ中的工具和方法。,7.2.1 技术系统,“系统”一词源于古希腊语，是由部分构成整体的意思。亚里士多德 说：“整体大于部分之和。”由此可见，对系统的研究从古代就已经开始了。“宇宙、自然、人类，一切都在一个统一的运转系统之中！世界是关系的集合体，而非实物的集合体。”这是人们早期对系统最朴素的认知。随着人们对自然系统认知的加深，形成了系统的原始概念。再由自然系统到人造系统和复合系统，逐渐深入，形成了系统的概念。,7.2.1 技术系统,朴素的系统观是指一个能够自我完善，达到动态平衡的元素集合（生物链、环境链），如一个池塘。系统一般是一个可以自我完善的，并且能够动态平衡的物品集合。系统的概念发展大致经历了四个阶段：古代整体系统观，近代机械系统观（实现单一功能），辩证系统观（整体与部分、运动与静止、联系与制约），现代复杂系统观（多功能的组合体、多功能相互交互的结果），如季节周而复始的变化形成的气象系统、动物种群相互依存的食物链系统、水循环系统等。,7.2.1 技术系统,对自然科学学科和工程技术的研究表明：任何系统（生物学系统、技术系统、信息系统、社会系统等）的发展，在本质上都是相同的。人类通过研究，已经建立了关于生物学系统和经济系统的进化理论，而对技术系统的类似研究才刚刚开始。,7.2.1 技术系统,研究表明，作为一类特殊的系统，与自然系统（如自然生态系统、天体系统等）相比，技术系统应该具有如下两个鲜明的特征：（1）技术系统是一种“人造”系统。不同于自然系统，技术系统是人类为了实现某种目的而创造出来的。因此，技术系统与自然系统的最大差别就是明显的“人为”特征。（2）技术系统能够为人类提供某种功能。人类之所以创造某种技术系统，就是为了实现某种功能。因此，技术系统具有明显的“功能”特征。在对技术系统进行设计、分析的时候，应该牢牢地把握住“功能”这个概念。,7.2.1 技术系统,于是，我们对技术系统的定义如下：技术系统是指人类为了实现某种功能而设计、制造出来的一种人造系统。作为一种特殊的系统，技术系统符合系统的定义，具有系统的五个基本要素（输入、处理、输出、反馈和控制），也具有系统应该拥有的所有特性。技术系统是相互关联的组成成分的集合。同时，各组成成分有其各自的特性，而它们的组合具有与其组成成分不同的特性，用于完成特定的功能。技术系统是由要素组成的，若组成系统的要素本身也是一个技术系统，即这些要素是由更小的要素组成，称之为子系统。反之，若一个技术系统是较大技术系统的一个要素，则称较大系统为超系统。这是技术系统的层次性。,7.2.1 技术系统,例如：汽车是一个技术系统，它的子系统有汽车发动机、汽车轮胎、外壳等，同时我们还可以把整个交通系统看作是它的超系统。而如果汽车发动机是一个技术系统，它的子系统就有变速齿轮、引擎、传动轴等，汽车则是它的超系统。技术系统进化是指实现技术系统功能的各项内容，从低级向高级变化的过程。技术系统的进化过程可以描述为：新的技术系统在刚刚诞生的时候，往往是简单的、粗糙的和效率低下的。随着人类对其要求的不断提高，需要不断地对技术系统中的某个或某些参数进行改善。,7.2.2 功能,19世纪40年代，美国通用电气公司的工程师迈尔斯首先提出功能（function）的概念，并把它作为价值工程研究的核心问题。功能的由来有两种：一种是人们的需求，另外一种是人们从实体结构中抽象出来的。人们的需求是主动地提出功能，结构中抽象是被动地挖掘出功能。如汽车、飞机的出现，最初不是人们想要利用其运载人或物，而是随着时代的发展，人们逐渐发掘出其功能。因此，广义的功能定义为：研究对象能够满足人们某种需要的一种属性。例如：冰箱具有满足人们“冷藏食品”属性；起重机具有帮助人们“移动物体”的属性。企业生产的实际上是产品的功能，用户购买的实际上也是产品的功能。如用户购买电冰箱，实际上是购买“冷藏食品”的功能。,7.2.2 功能,在TRIZ中，功能是产品或技术系统特定工作能力抽象化的描述，它与产品的用途、能力、性能等概念不尽相同。例如：钢笔，它的用途是写字，而功能是存送墨水；铅笔，它的用途是写字，而功能是摩擦铅芯；毛笔，它的用途是写字，而功能是浸含墨汁。任何产品都具有特定的功能，功能是产品存在的理由，产品是功能的载体；功能附属于产品，又不等同于产品。,7.2.2 矛盾与冲突,现实生活中，人们用“矛盾”来比喻相互抵触，互不相容的关系。工程中同样存在矛盾。如在飞机制造中，为了增加飞机外壳的强度，很容易想到的方法是增加外壳的厚度，但是厚度的增加势必会造成重量的增加，而重量增加却是飞机设计师们最不想见到的。在很多其他行业中，这样的矛盾也十分常见。TRIZ中的技术问题可以定义为技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾是指为了改善系统的一个参数，而导致了另一个参数的恶化。技术矛盾描述的是两个参数的矛盾。例如，改善了汽车的速度，导致了安全性发生恶化。这个例子中，涉及的两个参数是速度和安全性。,7.2.2 矛盾与冲突,所谓物理矛盾就是针对系统的某个参数，提出两种不同的要求。当对一个系统的某个参数具有相反的要求时就出现了物理矛盾。例如，飞机的机翼应该尽量大，以便在起飞时获得更大的升力；飞机的机翼应该尽量小，以便减少在高速飞行时的阻力；钢笔的笔尖应该细，以便用钢笔能够写出较细的文字；同时钢笔的笔尖应该粗，以避免锋利的笔尖将纸划破。可见，物理矛盾是对技术系统的同一参数提出相互排斥的需求时出现的一种物理状态。无论对于技术系统的宏观参数，如长度，导电率及摩擦系数，还是对于描述微观量的参数，如粒子浓度，离子电荷及电子速度等，都可以对其中存在的物理矛盾进行描述。,7.2.2 矛盾与冲突,通过对大量发明专利的研究，阿奇舒勒发现，真正的“发明”（指发明级别为第二、第三和第四级的专利）往往都需要解决隐藏在问题当中的矛盾。于是，阿奇舒勒规定：是否出现矛盾（又称“冲突”，冲突可以理解为是必须解决的矛盾），是区分常规问题与发明问题的一个主要特征。由此我们可以简单地认为，如果问题中不包含矛盾，那么这个问题就不是一个发明问题（或TRIZ问题）。与一般性的设计不同，只有在不影响系统现有功能的前提下成功地消除矛盾，才能认为是发明性地解决了问题。也就是说，矛盾应该是这样解决的：在完善技术系统的某一部分或是优化某一参数的同时，其他部分的功能或其他参数不会被影响。,7.2.4 物-场模型,在科学研究中，模型是对系统原型的抽象，通过抽象，就可以利用模型来揭示研究对象的规律性。TRIZ中的“物质-场”模型（简称“物-场模型”）是一种用图形化语言对技术系统进行描述的方法，也是理解和使用其标准解系统的基础。,7.2.4 物-场模型,1. 物质任何工具，无论是简单的还是复杂的，它之所以出现，都是为了实现某种目的。通常，工具所要达到的目的就是工具功能的具体体现。同时，任何工具都需要有一个作用对象。只有当该工具作用于这个作用对象上的时候，工具的功能才得以实现。因此，从这个角度来讲，工具是功能的载体，作用对象是功能的受体，而作用就是联系工具和作用对象的桥梁。例如，当我们用锤子砸钉子的时候，锤子是工具，钉子是作用对象，而“砸”就是将锤子和钉子联系起来的作用。,7.2.4 物-场模型,所谓“物质”是指工程系统中包含的任意复杂级别的具体对象，可以是任何实质性的东西，例如，基本粒子、铅笔、车轮、电话、汽车、航天飞机等。物-场模型中所说的物质比一般意义上的物质含义更广一些：它不仅包括各种材料，还包括技术系统（或其组成部分）、外部环境甚至活的有机体。这样设置的目的在于利用物-场模型来简化解决问题的进程。,7.2.4 物-场模型,2. 场在物理学中，人们把实现物质微粒之间相互作用的物质形式叫做场。目前已经发现的基本场共有四种：重力场、电磁场、强作用场和弱作用场。在技术系统中，物质之间的作用是多种多样的，能量的供给形式也是千变万化的。于是，阿奇舒勒对场这个物理学概念进行了泛化，将存在于物质之间的各种各样的作用都用场来表示，并使用了更细的分类法，如：力场（压力、冲击、脉冲）、声场（超声波、次声波）、热能场、电场（静电、电流）、磁场、电磁场、光学场（紫外线、可见光、红外线）、电离辐射场、放射性辐射场、化学场（氧化、还原、酸性、碱性环境）、气味场等。,7.2.4 物-场模型,TRIZ指出，系统的进化本质上就是向着更高级、更复杂的场的进化。按照可控性由低到高的顺序，可以将场依次排列为：重力场机械场声场热场化学场电场磁场辐射场。因此，如果某个技术系统当前采用的是机械场的方式，接下来，可以考虑用声场、热场、化学场、电场或磁场来替代机械场，从而推动技术系统向更高级的形式进化。在TRIZ中，技术系统是由“物质”和“场”这两种元素所构成的集合体。物-场模型就是从功能的角度对技术系统进行抽象和建模，从而使我们能够将注意力集中在问题发生的那个点上（最小范围）。对问题的模型描述，就是对问题所处情境的模型化抽象，也就是对需要改进的最小限度的可工作的技术系统的模型化描述。,7.2.4 物-场模型,3. 物-场分析TRIZ理论中的功能一般遵循以下两条原理：（l）任何一个系统，经过分解后，其底层的功能都可以分解为3个基本元素，即物质1、物质2和场。（2）将相互作用的3个基本元素进行有机组合将形成一个功能。表达一个系统的功能，主要使用三角形形式，它简单实用且应用广泛（见图7-5）。在三角形物-场模型中，两个下角通常分别表示两种物质（S），上面的一个角通常表示场（F）。场是物-场模型分析中的一个术语，通常表示物质之间的相互作用或效应。一个复杂的系统，经过分解后，可以运用多个组合三角形模型表示（见图7-6）。,7.2.4 物-场模型,图7-5 简单三角形的物-场模型 图7-6 复杂三角形的物-场模型,7.2.4 物-场模型,例7-1 用洗衣机洗衣服。S1衣服，S2洗衣机，F1清洗（机械场）。用洗衣机洗衣服的物-场模型如图7-7所示。图7-7 洗衣机洗衣服的物-场模型,7.2.4 物-场模型,图7-8 奔驰列车的物-场模型例7-2 奔驰的列车。S1列车，S2铁轨，F1支撑（机械场）。奔驰的列车的物-场模型如图7-8所示。图7-8 奔驰列车的物-场模型,7.2.4 物-场模型,4. 物-场模型根据物-场分析，可以将技术系统中的物理矛盾或技术矛盾，归结为以下4种类型：（1）有效模型。这是一种理想的状态，也是设计者追求的状态。功能的3个元素都存在，且相互之间的作用充分。（2）不充分模型。功能的3个元素齐全，但设计者追求或预期的相互作用未能实现或只是部分实现。（3）缺失模型。功能的3个元素不齐全，可能缺少物质，也可能缺少场。（4）有害模型。虽然功能的3个元素齐全，但是产生的相互作用是一种与预期相反的作用，设计者不得不想办法消除这些有害的相互作用。,7.2.4 物-场模型,对于第一种情况，系统一般不存在问题；而如果是属于后三种模型中的任何一种，系统就会出现各种问题，因此，后三种模型自然是TRIZ理论重点关注的情况。为了能够简单、方便地描述物-场模型，推荐采用表7-1中的图形符号表示系统中存在的物-场类型。,7.2.4 物-场模型,表7-1 常用的相互作用表示符号,7.2.4 物-场模型,例7-3 加贴玻璃纸。为了保护个人隐私，在浴室的玻璃上贴上不透明的玻璃纸。在这个例子中，没有贴玻璃纸之前，其物-场模型可以用图7-9左图所示。显然S2与S1之间的相互作用是我们不期望的作用，为了抑制这种作用，引入S3（玻璃纸）。引入玻璃纸之后，其物-场模型可以用图7-9右图表示。,7.2.4 物-场模型,图7-9 贴玻璃纸前后的浴室物-场模型,7.2.4 物-场模型,5. 标准解系统阿奇舒勒从20世纪70年代初开始着手进行物-场分析、物-场模型和标准解的开发，到1977年他总结出了10个标准解，其后标准解的数量逐渐增加到32个、48个，并最终增加到76个。为了方便大家使用，阿奇舒勒按照功能的不同，将这些标准解分为5级，18子级，每一级都针对一种特定类型的问题，从而将标准解组织成一个系统，称为标准解系统。1985年，阿奇舒勒正式发布了包含76个标准解的标准解系统。,7.2.4 物-场模型,标准解系统各级中解法的先后顺序也反映了技术系统必然的进化过程和方向。标准解适用于解决标准问题并能快速获得解决方案，在生产实践中通常用来解决概念设计的开发问题。标准解是阿奇舒勒后期进行TRIZ理论研究的重要成果，也是TRIZ高级理论的精华之一。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,阿奇舒勒在研究中发现，所有的技术系统都在沿着增加其理想度的方向发展和进化。对于理想度（Ideality）的定义，阿奇舒勒是这样描述的：系统中有益功能的总和与系统有害功能和成本的比率。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,1）理想度技术系统的理想度与有用功能之和成正比，与有害功能之和成反比，理想度越高，产品的竞争能力越强。可以说，创新的过程，就是提高系统理想度的过程。因此，在发明创新中，应以提高理想度的方向作为设计的目标。人类不断地改用技术系统使其速度更快、更好和更廉价的本质就是提高系统的理想度。以理想度的概念为基础，引出了理想系统和最终理想解的概念。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,每个技术系统之所以被设计、制造，就是为了提供一个或多个有用功能（useful function , UF）。一个技术系统可以执行多种功能，在这些有用功能中，有且只有一个最有意义的功能，这个功能是技术系统存在的目的，称为主要功能（primary function，PF），主要功能也被称为首要功能或基本功能。注意：一个系统往往具有多个有用功能，但是到底哪个有用功能才是主要功能，就要具体问题具体分析了。另外，为了使主要功能得以实现，或提高主要功能的性能，技术系统往往还会具有多个辅助性的有用功能，称为辅助功能（auxiliary function，AF）或称伴生性功能。同时，每个技术系统也会有一个或多个我们所不希望出现的效应或现象，称为有害功能（harmful function，HF）。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,例如，坦克的主要功能是消灭敌人。同时，为了使这个主要功能得以实现，且能够更好地实现，坦克还需要防护、机动、瞄准、自动装弹等有用功能的辅助。在实现有用功能的同时，坦克在运行过程中也会引起空气污染，放出大量的热，产生振动，发出噪声，这些在TRIZ中都被看作是有害功能。对于一个技术系统来说，从它诞生的那一刻起，就开始了其进化的过程。在进化过程中具体表现为：在数量上，技术系统能够提供的有用功能越来越多，所伴生的有害功能越来越少；在质量上，有用功能越来越强，有害功能越来越弱。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,下面的公式就是理想度的定义，它表示了技术系统的进化趋势： 其中，I为理想度，U为有用功能，H为有害功能，i为变量U的数量，j为变量H的数量。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,从上式可以看出，随着技术系统的进化，系统的理想度不断增大，最终趋向于无穷大。在工程实践中，为了更好地进行理想化水平分析，常将上式中的因子细化，如下式所示。其中，I为理想度；B为技术系统的效益；C为成本；H 为有害功能；i为变量B的数量；j为变量C的数量；k为变量H的数量。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,将上式中的有用功能用技术系统的效益来表示，将有害功能细化为系统的成本（如时间、空间、能量、重量）和系统产生的有害作用之和。明确指出了在技术系统的进化过程中，其效益不断增加，有害作用不断降低，成本不断减小（系统实现其功能所需要的时间、空间、能量等不断减少，同时，系统的体积和重量也不断减小），系统的理想度不断增大，最终趋向于无穷大。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,根据定义，可以用以下三种方法来提高系统的理想度：（1）增加有用功能。（2）降低有害功能或成本。（3）将上述（1）与（2）结合起来。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,2）理想系统随着技术系统的不断进化，其理想度会不断提高，即技术系统变得越来越理想。当技术系统的有用功能趋向于无穷大，有害功能为零，成本为零的时候，就是技术系统进行的终点。此时，由于成本为零，所以技术系统已经不再具有真实的物质实体，也不消耗任何的资源。同时，由于有用功能趋向于无穷大，有害功能为零，表示技术系统不再具有任何有害功能，且能够实现其应该实现的一切有用功能。这样的技术系统就是理想系统（ideal System）。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,在TRIZ中，理想系统是指，作为物理实体它并不存在，也不消耗任何的资源，但是却能够实现所有必要的功能。即系统的质量、尺寸、能量消耗无限趋近于零；系统实现的功能趋近于无穷大。因此，也可以说，理想技术系统没有物质形态（即体积为零，重量为零），也不消耗任何资源（消耗的能量为零、成本为零），却能实现所有必要的功能。理想系统只是一个理论上的、理想化的概念，是技术系统进化的极限状态，是一个在现实世界中永远也无法达到的终极状态。但是，理想系统就像北极星一样，为设计人员和发明家指出了技术系统进化的终极目标，是寻找问题解决方案和评价问题解决方案的最终标准。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,在现实世界中，设计人员和发明家的使命就是通过不断地改善系统的有用功能、消除有害功能和降低成本，使技术系统逐步向理想系统逼近。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,3）最终理想解产品创新的过程，就是产品设计不断迭代，理想化的水平不断由低级向高级演化的过程，无限逼近理想状态。当设计人员不需要额外的花费就实现了产品的创新设计时，这种状况就称为最终理想结果（Ideal Final Result, IFR），或者，基于理想系统的概念而得到的针对一个特定技术问题的理想解决方案，称为最终理想解。最终理想解IFR的实现可以这样来表述：系统自己能够实现需要的动作，并且同时没有有害作用的参数。通常IFR的表述中需包含以下两个基本点：系统自己实现这个功能；没有利用额外的资源，并且实现了所需的功能。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,最终理想解是从理想度和理想系统延伸出来的一个概念，是用于问题定义阶段的一种心理学工具，是一种用于确定系统发展方向的方法。它描述了一种超越了原有问题的机制或约束的解决方案，指出了在使用TRIZ工具解决实际技术问题时应该努力的方向。这种解决方案可以看作是与当前所面临的问题没有任何关联的、理想的最终状态。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,例如：高层建筑物玻璃窗的外表面需要定期清洗。目前，清洁工作需要在高层建筑物的外面进行，是一种高危险、高成本的工作，只有那些经过特殊培训和认证的“蜘蛛人”才能够胜任。能不能在高层建筑物的内部对玻璃进行清洁呢？针对该问题，其最终理想解可以定义为：在不增加玻璃窗设计复杂度的情况下，在实现玻璃现有功能且不引入新的有害功能的前提下，玻璃窗能够自己清洁外表面。通过这个例子可以看出，最终理想解是针对一个已经被明确定义出来的问题，所给出的一种最理想的解决方案。通过将问题的求解方向聚焦于一个清晰可见的理想结果，最终理想解为后续使用其他TRIZ工具来解决问题创造了条件。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,最终理想解的确定和实现可以按下面提出的问题，分作6个步骤来进行：（1）设计的最终目的是什么？（2）IFR是什么？（3）达到IFR的障碍是什么？（4）出现这种障碍的结果是什么？（5）不出现这种障碍的条件是什么？（6）创造这些条件时可用的资源是什么？上述问题一旦被正确地理解并描述出来，问题也就得到了解决。当确定了创新产品或技术系统的最终理想解后，检查其是否符合最终理想解的特点，并进行系统优化，以确认达到或接近最终理想解为止。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,最终理想解同时具有以下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）没有引入新的不足。因此，设定了最终理想解，就是设定了技术系统改进的方向。最终理想解是解决问题的最终目标，即使理想的解决方案不能100的获得，但会引导你得到最巧妙和有效的解决方案。,7.2.5 理想度、理想系统与最终理想解,以定义最终理想解作为解决问题的开端，有以下好处：（1）有助于产生突破性的概念解决方案。（2）避免选择妥协性的解决方案。（3）有助于通过讨论来清晰地设立项目的边界。这个强有力的工具不仅可以用在TRIZ中，也可以用于其他的科学领域。它是研发人员确定理想目标的有效方法如何在不增加系统复杂度的前提下得到所需的功能。,发明的五个级别,7.3,7.3 发明的五个级别,在人类进化发展的历史长河中，无数的先贤们创造性地推动了人类社会的发展。今天，当回顾历史的时候，我们往往只注意到那些给人类社会发展带来巨大影响的发明创造，例如：制陶技术为人类提供了最早的人造容器；冶炼技术为人类提供了最早的金属制品青铜器；十进位计数法为科学的发展奠定了基础；造纸术对人类文化传播产生了广泛、久远的影响；指南针对航海产生了深远的影响；火药改变了整个世界事物的面貌和状态等。但很少有人会注意到那些对已有事物进行的修修补补式的小发明、小创造。而正是由于有了这些小发明、小创造，才有了我们现在所看到的各种各样功能相对完善、结构相对简单的生产工具和生活用品。,7.3 发明的五个级别,所以，伟大的发明给社会的发展提供了巨大的推动力，但是那些看似小得多的发明创造却是伟大发明的基础，只有在无数小发明、小创造的推动下，伟大的发明才得以出现，并逐步趋于完善。,7.3.1 发明的创新水平,在18世纪，为了鼓励、保护、利用发明与创新成果，以促进产业发展，各个国家纷纷制定了专利法。在阿奇舒勒开始对大量专利进行分析、研究之初，他就遇到了一个无法回避的问题：如何评价一个专利的创新水平？我们都知道，一项技术成果之所以能通过专利审查，获得专利证书，必定有其独到之处。但是，在众多的专利当中，有的专利只是在现有技术系统的基础上进行了很小的改变，改善了现有技术系统的某个性能指标；而有的专利则是提出了一种以前根本不存在的技术系统。显然。这两种专利在创新水平上是有差别的，但是如何制定一个相对客观的标准来评价它们在创新水平上的差异呢？,7.3.1 发明的创新水平,从法律的角度来看，专利的定义会随着时间的变化而改变。即使在同一历史时期，不同国家对专利的定义也有所差异。专利的作用就是准确地确定一个边界，只有在这个范围之内，用法律的形式对技术领域的创新进行经济利益的保护才是有意义的。但是，从技术的角度来看，判断一个产品或一项技术是否具有创新性，其创新的程度有多高，更重要的是要识别出该产品或技术的创新的核心是什么，这个本质从来没有变过。,7.3.2 发明级别的划分,发明的独特之处就在于解决矛盾，解决现有技术系统中存在的问题。但是在通过专利局审核并颁发了专利证书的专利当中，也有大量简单的、毫无意义的、类似于常规设计的专利。如何从多如牛毛的专利中将那些具有分析价值的专利找出来呢？阿奇舒勒在研究中提出了一种评价专利创新性的标准。按照创新性的不同，阿奇舒勒将专利分为五个级别（见表7-2）。,7.3.2 发明级别的划分,表7-2 发明的五个级别,7.3.2 发明级别的划分,1）第一级发明这种发明是指在本领域范围内的正常设计，或仅对已有系统作简单改进与仿制所做的工作。这一类问题的解决，主要依靠设计人员自身掌握的常识和一般经验就可以完成，是级别最低的发明，即不是发明的发明。利用试错法解决这样的问题通常需要进行10次以下的尝试。例如，增加隔热材料，以减少建筑物的热量损失；将单层玻璃改为双层玻璃，增加窗户的保温和隔音效果；用大型拖车代替普通卡车，以实现运输成本的降低。该类发明大约占人类发明总数的32。,7.3.2 发明级别的划分,2）第二级发明这种发明是指在解决一个技术问题时，对现有系统某一个组件进行改进，是解决了技术矛盾的发明。这一类问题的解决，主要采用本专业内已有的理论、知识和经验，设计人员需要具备系统所在行业中不同专业的知识。解决这类问题的传统方法是折中法。这种发明能小幅度地提高现有技术系统的性能，属于小发明。利用试错法解决这样的问题通常需要进行10100次尝试。例如，把自行车设计成可折叠（见图7-10）等。该类发明约占所有发明的45。,7.3.2 发明级别的划分,图7-10 折叠自行车,7.3.2 发明级别的划分,3）第三级发明这种发明是指对已有系统的若干个组件进行改进。这一类问题的解决，需要运用本专业以外但是一个学科以内的现有方法和知识（如用机械方法解决机械问题，用化学知识解决化学问题）。在发明过程中，人们必须解决系统中存在的技术矛盾。设计人员需要来自于其他行业的知识。这些是解决了物理矛盾的发明。如果系统中的一个组件彻底改变，就是很好的发明（如改变某物质状态，由固态变成液态等）。可以用一些人们熟知的物理效应的组合（可能是不为人们所熟知的）来解决这类问题。,7.3.2 发明级别的划分,例如，利用电动控制系统代替机械控制系统；汽车上用自动换挡系统代替机械换挡系统；在冰箱中用单片机控制温度等。这种发明能从根本上提升现有技术系统的性能，属于中级发明。利用试错法解决这样的问题通常需要进行1001000次尝试。该类发明约占所有发明的18。,7.3.2 发明级别的划分,4）第四级发明这种发明一般是在保持原有功能不变的前提下，用组合的方法构建新的技术系统，属于大发明，通常是采用全新的原理来实现系统的主要功能，属于突破性的解决方案，能够全面升级现有的技术系统。利用试错法解决这样的问题通常需要进行100010000次尝试。,7.3.2 发明级别的划分,由于新的系统不包含技术矛盾，所以给人的错觉是新技术系统在发明过程中并没有克服技术矛盾。实际上并非如此，因为在原有的技术系统系统原型中是有技术矛盾的，这些矛盾通常是由其他科学领域中的方法来消除的，设计人员需要来自于不同科学领域的知识。需要多学科知识的交叉，主要是从科学底层的角度而不是从工程技术的角度出发，充分挖掘和利用科学知识、科学原理，来实现发明。,7.3.2 发明级别的划分,在解决第四级发明问题时所找到的原理通常可以用来解决属于第二级发明和第三级发明的问题。例如，数码相机代替胶卷相机，内燃机替代蒸汽机，核磁共振技术代替B超和X光技术，第一台内燃机的出现、集成电路的发明、充气轮胎等。该类发明在所有发明中所占比例小于4。,7.3.2 发明级别的划分,5）第五级发明这种发明催生了全新的技术系统，推动了全球的科技进步，属于重大发明。利用试错法解决这样的问题通常需要进行10万次以上的尝试。对于这类发明来说，首先是要发现问题，然后再探索新的科学原理来解决发明任务。问题的解决方法往往不在人们已知的科学范围内，是通过发现新的科学现象或新物质来建立全新的技术系统。本级发明中的低端发明为现代科学中许多物理问题的解决带来了希望。支撑这种发明的新知识为开发新技术提供了保证，使我们可以用更好的方法来解决现有的矛盾，使技术系统向最终理想解迈进了一大步。,7.3.2 发明级别的划分,设计人员通常没有能力解决这类问题。这一类问题的解决，主要是依据人们对自然规律或科学原理的新发现。例如，计算机（见图7-11）、蒸汽机、激光、晶体管等的首次发明。例如，轮子、半导体、形状记忆合金、X光透视技术、微波炉、蒸汽机、飞机。该类发明大约占人类发明总数的1或者更少。,7.3.2 发明级别的划分,图7-11 世界上第一台电子计算机ENIAC,7.3.3 发明级别的意义,在发明的五个级别中，第一级发明其实谈不上创新，它只是对现有系统的改善，并没有解决技术系统中的任何矛盾；第二级和第三级发明解决了矛盾，可以看作是创新；第四级发明也改善了一个技术系统，但并不是解决现有的技术问题，而是用某种新技术代替原有技术来解决问题；第五级发明是利用科学领域发现的新原理、新现象推动现有技术系统达到一个更高的水平。阿奇舒勒认为，第一级发明过于简单，不具有参考价值；第五级发明对于工程技术人员来说又过于困难，也不具有参考价值。于是，他从海量专利中将属于第二级、第三级和第四级的专利挑出来，进行整理、研究、分析、归纳、提炼，最终发现了蕴藏在这些专利背后的规律。,7.3.3 发明级别的意义,从来源上来看，TRIZ是在分析第二级、第三级和第四级发明专利的基础上，归纳、总结出来的规律。因此，利用TRIZ只能帮助工程技术人员解决第一级到第四级的发明问题。而无法利用TRIZ来解决第五级的发明问题。阿奇舒勒曾明确表示：利用TRIZ方法可以帮助发明家将其发明水平从一、二级提高到第三级和第四级水平。,7.3.3 发明级别的意义,“发明级别”对发明的水平、获得发明所需要的知识以及发明创造的难易程度等有了一个量化的概念。总体上，我们对“发明级别”有以下几方面的认识：（l）发明的级别越高，完成该发明时所需的知识和资源就越多，这些知识和资源所涉及的领域就越宽，搜索所用知识和资源的时间就越多，因此就要投入更多、更大的研发力量。（2）随着社会的发展、人类的进步、科技水平的提高，已有“发明级别”也会随时间的变化而不断降低。因此，原来级别较高的发明，逐渐变成人们熟悉和容易掌握的东西。而新的社会需求又不断促使人们去做更多的发明，生成更多的专利。,7.3.3 发明级别的意义,（3）统计表明，一、二、三级发明占了人类发明总量的95%，这些发明仅仅是利用了人类已有的、跨专业的知识体系。由此，也可以得出一个推论，即人们所面临的95的问题，都可以利用已有的某学科内的知识体系来解决。,7.3.3 发明级别的意义,（4）四、五级发明只占人类发明总量约5%，却利用了整个社会的、跨学科领域的新知识。因此，跨学科领域的知识获取是非常有意义的工作。当人们遇到技术难题时，不仅要在本专业内寻找答案，也应当向专业外拓展，寻找其他行业和学科领域已有的、更为理想的解决方案，以求获得事半功倍的效果。人们从事创新，尤其是进行重大的发明时，就要充分挖掘和利用专业外的资源，正所谓“创新设计所依据的科学原理往往属于其他领域”。TRIZ源于专利，服务于生成专利（应用TRIZ 产生的发明结果多数可以申请专利）, TRIZ与专利有着密不可分的渊源。充分领会和认识专利的发明级别，可以让我们更好地学习和领悟TRIZ的知识体系。,TRIZ核心思想,7.4,7.4 TRIZ核心思想,阿奇舒勒发现：技术系统进化过程不是随机的，而是有客观规律可以遵循，这种规律在不同领域反复出现。TRIZ的核心思想是：（1）在解决发明问题的实践中，人们遇到的各种矛盾以及相应的解决方案总是重复出现；（2）用来彻底而不是折中解决技术矛盾的创新原理与方法，其数量并不多，一般科技人员都可以学习、掌握；（3）解决本领域技术问题的最有效的原理与方法，往往来自其他领域的科学知识。,7.4 TRIZ核心思想,阿奇舒勒发现，“真正的”发明专利往往都需