设计冲突消解方法的分析

1.TRIZ理论

TRIZ是基于大量发明专利研究的问题解决、分析、创新与预测工具，由苏联发明家Altshuller及其团队提出^[47]。TRIZ是理解和定义具有挑战性问题的系统方法，由于困难的问题通常需要创造性的解决方案，因此TRIZ提供了一系列的策略和工具，以找到这些具有创新性的解决方案。早期关于TRIZ的大量研究表明，需要创新性解决方案的问题其主要特征在于必须克服其包含的相互矛盾的元素之间存在的制约关系。因此，基于TRIZ的主要目标在于系统的应用一系列策略和工具来找到适当的解决方案，以折中或权衡两个相互矛盾元素之间的制约关系。

20世纪70年代初，在经过20多年涵盖了成千上万个专利的研究后，Altshuller对获得创新解决方案模式的观点得到了验证，并提出了基于40个发明原理的创新方法。40个发明原理几乎能够对所有专利中包含的发明方法进行解释。根据这种方法，“概念解决方案”可以通过对需要解决的矛盾进行定义来找到，并且系统地考虑对40个原理进行选择决策，以克服问题中“矛盾”的特定解决方案，从而得到更接近“最终理想结果”的解决方案。

矛盾矩阵是基于40个原则的延伸而演变的工具之一，其中根据可能彼此影响的39个因素的列表将问题的矛盾元素分类。39个元素的每个配对的组合以矩阵（如静止对象的权重、移动对象的能量使用、修复的容易程度等）来表示。矩阵的列表示恶化的元素，矩阵的行表示改善的元素，以已经发现解决两个元素之间的冲突的先例作为解决方案。矩阵中的相关单元通常包含子集，并且在获得两个元素之间矛盾的创造性解决方案中，通常会应用一组或多组原则。

随着物理冲突和分离原则逐渐成为TRIZ的核心部分，40个发明原理依然是TRIZ中最常用的创新方案解决法的基础，并仍然在广泛使用。Yuri^[48]探索了TRIZ与公理化设计相结合的方法，指出TRIZ更适用于大批量生产的冲突消解，而公理化设计则应用于生产系统的组织优化；Tom等^[49]指出面向维修工程师的37个指导方针仅提供了实现目标，而没有规定实现方法，并基于此提出了三个阶段研究计划，将每个指导方针转化为TRIZ工程参数，并找出创新原理以实现目标；Dmi-triy^[50]通过分析TRIZ的基础概念，指出其技术系统与现代科技之间的关联性，为TRIZ的未来发展指出了方向，以适应不断变化的科技环境；Abubakr等^[51]将TRIZ与遗传算法结合，通过计算机辅助创新软件AEGIS进行图形设计创新，从软件得到的结果可以看出，这样的方法可以得到更具备创新性的设计信息，并能有效加速图形设计过程；Stefano^[52]构建了将TRIZ与QFD相结合的相互设计准则框架，并将此框架融入MicrosoftAccess中，最终建立了从收集顾客需求到获得解决方案的冲突消解流程；Ahmed等^[53]提出了基于TRIZ的产品生态设计方法及其相应的定性评估矩阵，并通过大量生态设计相关专利表明该方法可以帮助设计者缩小创造思维的思考范围，从而有效提高创新针对性及设计效率；Liu等^[54]将区间灰数、QFD及TRIZ结合，提出了灰色QFD来帮助设计者识别关键质量特性，并提供潜在的创新方向。

在TRIZ的应用方面，Lorenzo等^[55]以飞船在平流层的膨胀效应为例，分别应用TRIZ与OTSM-TRIZ对飞船结构进行冲突消解，并列出了两种方法的主要区别，以及证明了OTSM-TRIZ面对复杂问题的有效性；Christian等^[56]分析了超过200多个TRIZ应用案例，总结出企业需要TRIZ的原因、TRIZ如何与其他方法结合及企业之间如何交流TRIZ的成功案例；Ivan等^[57]针对TRIZ在建筑领域鲜有应用的现象，指出了TRIZ对建筑结构、材料、生产管理及价值工程等领域的潜在应用价值，并以28个建筑工程实例说明TRIZ可以解决诸多建筑工程中遇到的难题；Vic-tor等^[58]通过对面向对象的编程范式的深入分析，找出范式中存在的冲突，指出了TRIZ能够有效解决这些冲突，并以Simula-67等为例，建议将TRIZ融入面向对象的编程语言；Wang等^[59]针对锌液腐蚀测试仪中出现的严重氧化而导致产生大量锌渣，从而影响测试结果的问题，并应用TRIZ对现有测试仪进行结构创新以降低氧化效应，其结果表明通过结构创新使氧化效应降低了68%；Abramov等^[60]将TRIZ引入到化学工业中，通过相关数据分析以实例指出TRIZ可以解决化学工业中存在的冲突消解问题，并能有效提高化工产品质量；Chen，Chi-Kuang^[61]将TRIZ应用于服务创新，即通过创新矩阵对ageing-in-place服务体系进行了改进。

通过以上研究综述可以看出，目前TRIZ已应用于多个领域，并且在各自领域中均取得了诸多富有价值的成果。

2.可拓理论

可拓学是由我国学者蔡文于1983年提出的一门原创性横断学科，其以形式化的物元模型，讨论了事物拓展的可能性及开拓创新的规律与方法，并用于解决矛盾问题，即在现有条件下无法实现既定的设计目标的问题^[62-64]。可拓学的核心是基元理论、可拓集及可拓逻辑，其理论框架如图4-12所示。

图4-12 可拓理论框架

可拓方法是在可拓学的思想指导下产生的，主要包括拓展分析方法、共轭分析方法、可拓变换方法、可拓集方法、优度评价方法及可拓思维模式。

（1）拓展分析方法 可拓学把矛盾处理过程中的事、物和关系看成可拓展的。解决矛盾问题就是根据事、物和关系的可拓展性，对问题的目标和条件通过某种变换以实现。为了标准化矛盾问题的解决过程，采用基元作为描述事物的工具。

（2）共轭分析方法 事物中包括的物质性、系统性、动态性和对立性成为事物的共轭性。利用物元关系作为形式化的工具，对物的虚部与实部、软部与硬部、潜部和显部、负部和正部进行形式化分析的方法称为共轭分析方法，其立足整体论与还原论的结合，为事物的分析提供了崭新的视角。

（3）可拓变换方法 变换可以使矛盾问题得到转化。从变换方式来讲，包括基本可拓变换方法、变换的运算方法、变换的复合方法和传导变换方法；从变换对象来讲，包括论域的变换、关联准则的变换方法及论域中元素的变换方法。

（4）可拓集 可拓集是从动态的，转化的角度对研究对象进行分类、识别和聚类的方法。可拓集是以可拓变换函数和关联函数为基础的集合。

（5）优度评价方法 优度评价方法是综合多种衡量标准对某一对象，方案或策略的优劣进行综合评估的方法。在优度评价过程中，不仅要考虑评价对象的多个方面，还要考虑评价对象的动态特征及其未来的可变性，并对潜在的利弊进行评估。可拓优度评价利用关联函数来计算各个衡量条件符合要求的程度，由于可拓关联函数的值可正、可负，因此可拓优度评价的结果更加符合实际。

（6）可拓思维模式 可拓思维模式包括菱形思维模式、逆向思维模式、共轭思维模式和传导思维模式。不同的思维模式具有不同的特点，例如菱形思维模式将拓展方法与收敛方法结合，通过将模型化、定量化结合来解决矛盾问题。

目前，可拓学已被广泛应用于诸多领域的评价与决策模型中，如张晔等^[65]运用熵权可拓物元模型，定量评价2012年湖南省土地市场成熟度；杨贵军等^[66]提出了基于熵权-可拓理论的高炉软熔带位置状态两级模糊综合评判的新方法，实现了可拓评价与层次分析法的结合；王体春等^[67]提出了基于灰色系统理论和可拓理论相融合的多属性可拓灰关联决策方法，将灰色物元引入可拓学中；李泓泽等^[68]构建了改进变权物元可拓模型的电能质量综合评价模型，对电能质量等级进行评估。

根据不同种类的变换包括可拓域与稳定域。此外，可拓学还建立了距和侧距的概念用以描述不同可拓集之间的关系。

3.公理化设计理论

公理化设计方法由Suh教授于1990年出版的《设计原理》中正式提出，其目的在于对于产品目标特征要求，设计方案能否满足满足所有的产品功能要求、满足的程度如何及不同产品设计方案的决策等问题。公理化设计的基础是“域”，包括用户域、功能域、物理域和过程域，如图4-13所示。

（1）用户域 用户域即用户需求，无论任何形式的设计方法都要根据用户需求制订相应的设计方案，后续设计特征的选取等过程都要根据用户需求进行。

图4-13 公理化设计域

（2）功能域 功能域为产品的目标功能，基于用户域确定。此外，功能域还包含产品设计约束，所有的功能需求都要满足设计约束。(www.xing528.com)

（3）物理域 物理域描述了产品功能域中不同功能参数的量值。物理域的确定需考虑设计约束以及设计成本等限制因素。

（4）过程域 过程域定义了产品设计由功能域向物理域的转化过程。公理化设计的判别公理主要有独立性公理和信息化公理。

独立性公理：当产品有两个或两个以上的功能需求时，设计方案必须在满足所有功能需求的同时，不影响其他的设计质量参数。这就要在设计质量参数的定义过程中，既能选择满足要求的设计质量参数，同时又能够保持功能的相互独立。对特定功能需求与其设计质量参数之间关系的分析能够确定功能要求之间是否保持独立。

信息性公理：在所有满足要求的公理化设计中，信息含有量最少的设计为最优化设计。信息性公理可以作为各种设计方案优劣的评价准则。根据公理2的要求，在产品的设计过程中应尽量保持产品设计信息最小化原则，以使设计过程得到简化，同时减少各个因素设计中各个因素可能的影响，最终降低产生耦合设计的可能性。

目前公理化设计的大部分应用主要是与其他设计方法相结合，例如Liu等^[69]将公理化设计与胡克模型结合，提出了面向用户惯性的产品设计方法；Modrak等^[70]通过将公理化设计与熵来衡量大规模定制化生产系统的复杂度；Ashtiany等^[71]将公理化设计与质量功能展开与健壮性设计相结合，解决了新产品设计中往往对传统特征忽略的问题；Banciu^[72]通过功能独立性准则，应用公理化设计对连接结构进行设计并对不同结构进行决策；Lee等^[73]将公理化设计应用到逆向工程中，构建了一个全新的设计改善模型及其对应的定性评估决策；Girgenti等^[74]构建了面向用户满意度的开发模型，通过基于公理化准则的评价，对产品是否满足用户要求进行决策；Salonitis^[75]提出了基于公理化设计的增材制造设计方法，以改善传统设计方法不能充分考虑增材制造工艺优势的问题；Borgianni等^[76]指出公理化设计能够以最简单的方式分析问题或结构，而TRIZ用来解决固有的设计冲突，基于两者的相关性，提出了公理化设计与TRIZ相结合的设计方法。

4.设计冲突消解方法综述

前述设计冲突消解方法中的每一种方法对解决冲突的角度均不相同。TRIZ理论侧重于主观需求与客观实际存在一定程度的不兼容性的情况，即设计矛盾；可拓理论侧重于研究事物的可变换性，强调从设计对象自身出发；而公理化设计则强调为设计活动构造一个完整的实用性框架，独立公理和信息公理为设计的合理性和优劣及方案的选择提供了有效的判断标准。

同时，不同的冲突消解方法也存在一定的局限性。TRIZ的局限性主要体现在以下几个方面^[77]：

1）由于TRIZ无法有效获取具体的设计目标，也就无法确定设计需求。

2）目前还无法应用于概念设计阶段。

3）其物质场分析模型等对复杂问题的建模能力偏弱，即难以处理过于复杂的设计冲突问题。

4）由于TRIZ过于依赖经验，故缺少有效的方案评估与决策方法，造成了方案的可行性存在不确定性。

5）TRIZ目前还没有提出具体化的设计流程，故无法引导设计者对所有设计阶段进行有效控制。

可拓理论的局限性主要体现在以下几个方面^[78]：

1）可拓学将设计冲突形式转化为物元模型，与TRIZ相比，其在解决工程实际问题的流程中存在明显差别。

2）可拓学中对形式化的模型变换较为抽象，即与工程实际结合的不够紧密，故造成有时无法消解设计冲突。

公理化设计的局限性主要体现在以下几个方面：

1）公理化设计追求功能需求的独立性，然而其又缺少使需求保持独立性的方法。

2）如果设计系统过于复杂，某一项设计参数的调整对另一项设计参数是否具有影响，需要依赖相应的数学、物理域及化学知识；而且如果系统存在过多的设计参数时，需要通过大量的计算与评估来确定两者之间相互的影响关系，造成公理化的应用过程复杂，甚至难以实现。

3）信息公理无法详细描述具体的设计需求信息。

总之，对废旧机电产品再制造设计而言，其设计冲突主要来源于原废旧机电产品与要实现的再制造设计质量参数之间。因此，这种冲突更需要追求创新性的解决方案，而TRIZ恰好能够满足对传统结构进行创新性规划的要求。然而，由于TRIZ严重依赖于设计者的思维，而且矛盾矩阵所讨论的仅仅是两个相互冲突的设计元素，还无法考虑整个系统的复杂性，这就直接造成应用TRIZ进行再制造设计时可能出现如下问题：

1）当前废旧机电产品及废旧零部件的再制造设计过程缺乏系统性、规范性，致使再制造设计目标无法有效转化为TRIZ工程特征，造成了再制造设计效率低下，设计思路混乱等现象。

2）由于废旧机电产品在原有结构、功能与材料等方面造成的阻碍，在一定程度上制约了TRIZ创新原理的实施，进而造成TRIZ创新原理向创新方案转化的过程效率低下，甚至无法转化。

综上所述，可拓变换通过置换、增删、扩缩、分解、复制等基本变换及积变换、与变换、或变换、逆变换等基本运算，能将不可知问题变为可知问题。可见应用可拓学对TRIZ中的设计冲突问题进行拓展变换，具有了一定的优势。而且可拓学将设计冲突形式转化为物元模型，其仅仅针对相应的物元模型进行可拓变换，并未增加系统的复杂性，更不会产生不可预知的问题，即使物元模型具有更高的适用性^[79，80]。因此，可拓理论是对TRIZ很好的补充，两者的结合充分适应了废旧机电产品再制造设计中的冲突消解。