3.4 TRIZ理论

3.4.1 TRIZ理论的形成

产品设计是要解决问题。如果产品的初始状态与理想状态之间存在距离，则称之为问题。设计过程是解决问题的过程，是使产品由初始状态通过单步或多步变换实现或接近理想状态的过程。如果实现变换的所有步骤都已知，则称为“常规问题”（Routine problem），如果至少有一步未知，则称为“发明问题”（Inventive problem）。解决常规问题的设计是常规设计，解决发明问题的设计是创新设计。

TRIZ（The Theory of Innovation Problem Solving）是俄语“发明问题解决理论”的首字母英语置换词，它是由前苏联学者根里奇·阿奇舒勒（Genrich.S.Altshuller）和他的同事从1946年开始，在研究了250万份高水平专利的基础上，提出的一套具有完整体系的发明问题解决理论和方法。

通过对大量的专利研究，阿奇舒勒发现，只有大约20%的理论是真正的创新。许多宣称为专利的研究，其实早已经在其他的行业中出现过或被应用过。所以，阿奇舒勒认为跨产业缺乏交流阻碍了创新，发明问题的原理一定是存在的，掌握了这些原理，就能够提高发明的效率，缩短发明的周期，并且使发明问题的解决更具有可预见性。

举个例子，在做简单的算术乘法问题时我们能利用乘法口诀很快得到答案，如果乘法的数字复杂一些，我们可以借助于计算器来进行计算。但是如果我们遇到的是发明问题，世界上还没有这项发明，我们想要将它创造出来，我们应该借助于什么工具呢？TRIZ提出了发明问题的解决理论和工具。

假设我们遇到一个发明问题，使用通常的方法不能直接找到此问题的具体解，那么，就将此问题先转换为一个TRIZ问题，然后利用TRIZ体系中的理论和工具来解决TRIZ问题，获得TRIZ问题的解，最后将TRIZ问题的解与具体问题相对照，考虑实际情况，转化为具体问题的解，如图3-1所示。

阿奇舒勒这样形容TRIZ在创新中的作用：你能等100年得到启发，或者你能用TRIZ原则在15min内解决问题。TRIZ这个强而有力的工具消除在不同性能测量之间的冲突所引起对妥协和交换的需要，为创新带来了可执行的方法论。

当阿奇舒勒对250万个专利进行研究时，发现可以根据创新程度的不同，将这些专利技术解决方法分为5个“创新等级”。

第1级：技术系统的简单改进，所要求技术在系统相关的某行业范围内（32%）；

第2级：包括技术矛盾解决方法的发明，要求系统相关的不同行业知识（45%）；

第3级：包含物理矛盾解决方法的发明，要求系统相关行业以外的知识（18%）；

第4级：包含突破性解决方法的新技术，要求不同科学领域知识（4%）；

第5级：新现象的发现（1%）。

注：括号中数字为占总专利的比重。

对于第1级，阿奇舒勒认为不算是创新，而对于第5级，他认为“如果一个人在旧的系统还没有完全失去发展希望时，就选择一个完全新的技术系统，则成功之路和被社会接受的道路是艰难而又漫长的。因此发明几种在原来基础上的改进是更好的策略”。他建议将这两个等级排除在外，TRIZ工具对于其他3个等级的创新作用更大。一般来说，等级2、3称为“革新（Innovative）”，等级4称为“创新（Inventive）”。

3.4.2 TRIZ理论的发展与应用

自TRIZ理论诞生以来，国外就一直比较注重TRIZ理论的研究、教育和实践工作。

前苏联把注重国民创新能力的开发写入到前苏联宪法中，并在大学中开设“科学研究原理”、“技术创造原理”等相关的创新课程，以提高学生的创新思维能力。

从20世纪60年代末开始，前苏联就建立了各种形式的发明创造学校，成立了全国性和地方性的发明家组织，在这些组织和学校里，可以试验解决发明课题的新技巧，并使它更加有效。在俄罗斯80多座城市里，大约有100所这样的学院及学校在做培训工作。每年都有几千名科学工作者、工程师和大学生们学习TRIZ理论。

美国也有大学开设了TRIZ课程，而且成立了有关TRIZ的研究、咨询机构。自1993年以来，一些著名公司如通用汽车、克莱斯勒、施乐、罗克维尔和强生等已经开始研究和应用TRIZ理论，并有成功案例的报道。

欧洲以瑞典皇家工科大学（KTH）为中心，集中了十几家企业，已经开始实施利用TRIZ进行创造性设计的研究计划。

日本从1996年开始不断有杂志介绍TRIZ的理论以及应用实例。东京大学的烟村洋太郎教授也开始将TRIZ引入教学中提高学生创造力的尝试，开设了“机械创造学”等课程，在日本介绍TRIZ理论的书籍陆续开始出版。

最著名的TRIZ培训机构就是1971年在阿塞拜疆创办的世界上第一所发明学校。该大学的任务是训练学生具备解决各种发明创造性课题的能力，培养具有各种发明创造才能的人才。事实上，前苏联及东欧各国大都开设了以TRIZ作为发明创造的工具的课程，不仅在大学理工科中进行传授，甚至在中、小学阶段也有普及TRIZ理论的教材。

在创新的实践方面，前苏联在设计部门要求所配备的设计工程师和创新发明工程师的比例为7∶1，即7名工程师就需配备1名创新发明工程师，并规定，凡担任经济、科技领导职务者必须先获得发明教育文凭，从而使前苏联在20世纪70年代中期专利申请量和批准量跃居世界第二，在冷战时期保持了对美国的军事力量平衡。

前苏联解体后，TRIZ理论系统地传入西方，在美、欧各地得到了广泛的研究与应用，在亚洲的日本和韩国也得到广泛重视。目前，TRIZ已成为最有效的创新问题求解方法和计算机辅助创新技术的核心理论。

如今TRIZ已在全世界广泛应用，创造出成千上万项重大发明。经过半个多世纪的发展，TRIZ理论和方法已经发展成为一套解决新产品开发实际问题的成熟的理论和方法体系，并经过实践的检验，为众多知名企业和研发机构取得了重大的经济效益和社会效益。

这样的例子举不胜举。2001年，波音公司邀请25名前苏联TRIZ专家，对波音450名工程师进行了两星期培训加讨论，取得了767空中加油机研发的关键技术突破，最终波音公司战胜空客公司，赢得了15亿美元空中加油机的订单。

2003年，“非典”肆虐时，新加坡的研究人员利用TRIZ的40条创新原理，提出了防止非典流行的一系列方法，许多措施为新加坡政府采用，收到了很好的效果。

2004年，UT斯达康通讯有限公司利用TRIZ解决机顶盒天线连接问题和电磁兼容问题，缩短了新产品研发周期，节省大量研发经费。

TRIZ创新理论现在已经在欧美和亚洲发达的国家和地区的企业得到广泛的应用，大大提高了创新的效率。据统计，应用TRIZ理论与方法，可以增加80%～100%的专利数量并提高专利质量；可以提高60%～70%的新产品开发效率；可以缩短产品上市时间50%。

3.4.3 TRIZ理论的主要内容

1.技术系统进化论

技术系统进化论属于TRIZ的基础理论，其主要观点是：科技产品的进化并不是随意的，也同样遵循着一定的客观规律和模式。所有技术的创造与升级都是向最强大的功能发展的。

阿奇舒勒通过对大量发明专利的分析，发现所有产品向最先进的功能进化时，都有一条“小路”引领着它前进。这条“小路”就是进化过程中的规律，表示出来就是一条S形的“小路”，即所谓的S曲线。任何一种产品、工艺或技术都在随着时间向着更高级的方向发展和进化，并且它们的进化过程都会经历相同的几个阶段，分别是诞生期、成长期、成熟期和衰退期。

阿奇舒勒通过研究给出了技术系统演变的8个模式，它们对于产品的创新具有重要的指导作用。

1）技术系统演变遵循产生、成长、成熟和衰退的生命周期。

2）技术系统演变的趋势是提升理想状态。

3）矛盾的导致是由于系统中子系统开发的不均匀性。

4）首先是部件匹配，然后失配。

5）技术系统首先向复杂化演进，然后通过集成向简单化发展。

6）从宏观系统向微观系统转变，即向小型化和增加使用能量场演进。

7）技术向增加动态性和可控性发展。

8）向增加自动化减少人工介入演变。

2.矛盾

在TRIZ中，工程中所出现的种种矛盾可以归结为3类：一类是物理矛盾，一类是技术矛盾，一类是管理矛盾。

（1）物理矛盾 通俗来讲，物理矛盾就是指系统（系统指的是机器、设备、材料、仪器等的统称）中的问题是由一个参数导致的。其中的矛盾是，系统一方面要求该参数正向发展，另一方面要求该参数负向发展；例如，系统要求温度既要升高，也要降低；质量既要增大，也要减小；缝隙既要窄，也要宽等。这种矛盾的说法看起来也许会觉得荒唐，但事实上在多数工作中都存在这样的矛盾。物理矛盾一般来说有两种表现：一是系统中有害性能降低的同时导致该子系统中有用性能的降低；二是系统中有用性能增强的同时导致该子系统中有害性能的增强。

（2）技术矛盾 所谓的技术矛盾就是由系统中两个因素导致的，这两个参数相互促进、相互制约。解决技术矛盾问题的传统方法是在多个要求间寻求“折中”，也就是“优化设计”，但每个参数都不能达到最佳值。而TRIZ则是努力寻求突破性方法消除冲突，即“无折中设计”。TRIZ将导致技术矛盾的因素总结成通用参数。阿奇舒勒总结出工程领域内常用的表述系统性能的39个通用参数，通用参数一般是物理、几何和技术性能的参数。尽管现在有很多对这些参数的补充研究，并将个数提高到了50多个，但在这里我们仍然只介绍核心的这39个参数，见表3-2。

39个工程参数中常用到运动物体（Moving objects）与静止物体（Stationary objects）两个术语，运动物体是指自身或借助于外力可在一定的空间内运动的物体；静止物体是指自身或借助于外力都不能使其在空间内运动的物体。

为了应用方便，上述39个通用工程参数可分为如下3类：

物理及几何参数：（1）～（12），（17）～（18），（21）。

技术负向参数：（15）～（16），（19）～（20），（22）～（26），（30）～（31）。

技术正向参数：（13）～（14），（27）～（29），（32）～（39）。

负向参数（Negative parameters）指这些参数变大时，使系统或子系统的性能变差。如子系统为完成特定的功能所消耗的能量（第19，20条）越大，则设计越不合理。

正向参数（Positive parameters）指这些参数变大时，使系统或子系统的性能变好。如子系统可制造性（第32条）指标越高，子系统制造成本就越低。

（3）管理矛盾 所谓管理矛盾是指，在一个系统中，各个子系统已经处于良好的运行状态，但是子系统之间产生不利的相互作用、相互影响，使整个系统产生问题。比如：一个部门与另一个部门的矛盾，一个工艺与另一个工艺的矛盾，一个机器与另一个机器的矛盾，虽然各个部门、各个工艺、各个机器等都达到了自身系统的良好状态，但对其他系统产生副作用。

例如，一个车间突然接到在油中淬火一批大尺寸零件的订单，但车间没有单独的地方对零件进行淬火，只能在公用的地方进行。桥式起重机从煅炉中吊起来炽热的零件放入油槽中淬火，零件刚一接触到油槽中的油，车间马上充满了刺鼻的浓烟。浓烟向上漂浮，严重地影响到起重机驾驶员的工作，使其无法呼吸。

在这个例子中，起重机驾驶员的工作和淬火的工作本身都没有很大的问题，但是淬火已经严重影响到起重机驾驶员，这就可以看成车间这个系统中的管理矛盾。对于管理矛盾是要依靠具体子系统的物理矛盾或是技术矛盾来解决的。在该例中，可以将管理矛盾转变成淬火的技术矛盾，即淬火能正常经行，而不产生浓烟。最后的解决办法可以是在油的表面放置二氧化碳气体，当炽热的零件接触到油的时候，就不会使空气中的氧气和油相接触，于是就产生不了浓烟。

3.40个发明原理

阿奇舒勒工作的结果是每个科学家不必研究所有的专利来寻找解决问题的方法。研究者只需看清矛盾，用相关内容找到解决问题的方法。为了解决矛盾矩阵中每个参数对应构成的矛盾，TRIZ提供了40个解决这些矛盾的创新原则，如分割、抽取、组合等，见表3-3。

4.阿奇舒勒矛盾矩阵

前面已经讲过，两个通用工程参数导致了系统的技术矛盾，那么将这两个参数相结合就能够找出解决矛盾的办法，于是TRIZ用了数学上比较常见的矩阵的方式来简单地表述出找到解决办法的途径，见表3-4，为阿奇舒勒矛盾矩阵（局部）。

在阿奇舒勒的矛盾矩阵中，将39个通用工程参数横向、纵向顺次排列，横向代表恶化的参数，纵向代表改善的参数，在工程参数纵横交叉的方格内的数字代表建议使用的40个发明原理的序号。矩阵共组成了1521个方格，其中有1263个方格内有数字。在没有数字的方格中，“+”方格处于相同参数的交叉点，系统矛盾由一个因素导致，这是物理矛盾，不在技术矛盾应用范围之内。“-”方格表示没有找到合适的发明原理来解决问题，当然只是表示研究的局限，并不代表不能够应用发明原理。

5.综合应用实例

下面以开口扳手（美国专利5406868）举例说明通用工程参数、阿奇舒勒矛盾矩阵、40个发明原理的综合应用。

例 专利开口扳手如图3-2所示。当我们使用开口扳手拧开六角螺栓时，扳手受力集中在螺栓的2条棱边，见局部图3-3，棱边容易变形而造成扳手打滑。

下面使用TRIZ的阿奇舒勒矛盾矩阵和发明原理来解决此问题。

1.首先确定工程参数

现在存在的主要问题是：扳手受力集中在螺栓的两条棱边，棱边容易变形而造成扳手打滑，这是欲改善的特性。对应到通用工程参数中选择“31物体产生的有害因素”，以此作为改善的参数。

为避免打滑，扳手的开口尺寸需要做到合适，在确保可卡入螺栓头的前提下，扳手开口与螺栓头之间的间隙尽可能地小。因此，在扳手的制造过程中，对开口尺寸需要进行严格的控制，保证尺寸精度，这就是被恶化的特性。对应到通用工程参数中选择“29制造精度”，作为被恶化的参数。

2.然后查找阿奇舒勒矛盾矩阵

欲改善的参数：31物体产生的有害因素；被恶化的参数：29制造精度。查找阿奇舒勒矛盾矩阵，见表3-4。

从矩阵表查找31和29对应的方格，得到方格中推荐的发明原理序号共4个，分别是：4，17，34，26。与表3-3的发明原理目录对应，得到这4条发明原理依次是：

4——增加不对称性；

17——一维变多维；

34——抛弃或再生；

26——复制。

3.发明原理的分析

4——增加不对称性：可能的设计是，扳手的开口可以设计成不对称的，此方案对问题的彻底解决贡献有限。

17——一维变多维：从点—线—面一体，从单—双—多的进化路径看，增大扳手开口的接触面积对问题的彻底解决贡献最大。

34——抛弃或再生：此方案对问题的彻底解决无贡献。

26——复制：此方案对问题的彻底解决无贡献。

4.发明原理的应用

综合以上4条发明原理的分析，一维变多维是最具有价值的发明原理，其次是增加不对称性原理。

而美国专利5406868，正是基于发明原理17“一维变多维”来进行了扳手的结构改进，增大扳手与螺栓头的接触面积，从而解决了开口扳手存在的问题，如图3-4所示。