基于TRIZ理论的计算机辅助概念设计研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 4.32MB 95 页 15积分
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摘 要
随着全球性竞争日趋激烈，对新一代产品有效而迅速地开发成为竞争中强有
力的武器。为了面对动态多变的市场环境及提升竞争力，制造企业需要进行产品
创新，以解决 TQCS（Time-Quality-Cost-Service）难题。设计是产品开发过程中最
重要的环节之一，而概念设计又是设计过程中最重要的阶段，因为概念设计决定
了产品的基本特征和主要框架，后续的过程只是对这些设计概念的具体化和实现。
面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑战，传统的设计手段和过程不足以很好地
满足现代产品开发的需求。
本文将 TRIZ 作为概念设计的理论与方法，同时也论证了在概念设计中引入
TRIZ 理论的重要性，利用 JSP 开发环境开发了计算机辅助概念设计软件——TRIZ
辅助创新设计平台，以帮助设计人员在不同工程领域产品的概念设计阶段，打破
思维定势、拓宽思路，高质量、高效率地提出可行的创新设计方案，将设计引向
正确方向，同时让设计过程更趋自动化。
本文简要介绍了 TRIZ 理论的产生背景、常用的概念、工具、方法及一般过程
等，并通过对 TRIZ 理论的分析介绍，提出改进的 TRIZ 方法可以协助设计师开发
创新产品、进行产品改善及解决一般的工程问题。藉由 TRIZ 矛盾矩阵表使用的改
进，建立积极或消极解决问题方法与单一工程特性创新设计方法，提出解决空矩
阵元素的方法，协助工程师，在系统缺乏矛盾信息时，找出合适的创新法则来解
决问题。
关键词：TRIZ 概念设计 矛盾矩阵 创新设计 工程参数 发明原理
JSP
ABSTRACT
As global competition becomes fiercer, effective and efficient development of new
generations of products is the mighty weapon in the competitive strugg1e. Facing the
dynamic and changing market environment, manufacture enterprises have to conduct
product innovation, and adopt for solving Time-Quality-Cost-Service (TQCS) problems
Design activity is one of key points in the products development procedure, while
conceptual design is most important in design activity. This is because the basic features
and mainframe of products are determined in the conceptual design phase, and the tasks
of follow-up steps are only to substantiate and embody these design concepts. With the
severe competition of products in 21st, century, traditional design methods and
procedures cannot meet well the demands of modern products development.
This thesis introduces the theory of innovation problem solving (TRIZ) as theory
and method of conceptual design, and it is very important to introduce TRIZ into the
conceptual design. The software of Computer Aided Conceptual Design based on TRIZ
is developed by using JSP, which help engineer break through thought pattern and open
up thinking, and present feasible innovation design project with good quality and high
efficiency, and make right design direction in product conceptual design phase of
different engineering domain.
This thesis describes briefly the background, theory, general process, conception,
tool and method of TRIZ. By analyses of TRIZ theory, improved TRIZ method
integrating the TRIZ inventive principles is put forward, which can assist designers to
develop innovative products, improve the value of products and solve the general
engineering problems. This study constructs three methods, the positive or negative
method and the method for the corresponding inventive principles of single parameter
and the method solving empty matrix element, to help engineers to solve the problems
when they lack the required contradiction analysis.
Key Words：TRIZ, Conceptual Design, Contradiction Matrix,
Innovation Design, Engineering Parameter, Inventive
Principles, JSP
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题来源与研究目标 ........................................................................................ 1
§1.2 课题的背景及意义 ............................................................................................ 1
§1.3 概念设计及其特征 ............................................................................................ 3
§1.3.1 概念设计的内涵 ...........................................................................................3
§1.3.2 概念设计的特征 ...........................................................................................3
§1.4 概念设计研究现状 ............................................................................................ 4
§1.4.1 概念设计创新性研究 ...................................................................................4
§1.4.2 概念设计建模技术研究 ...............................................................................4
§1.4.3 概念设计方案推理技术研究 .......................................................................6
§1.4.4 概念设计系统研究现状 ...............................................................................8
§1.4.5 概念设计的主要问题 ...................................................................................9
§1.5 本论文的主要研究内容 .................................................................................. 10
第二章 TRIZ 理论简介 .................................................................................................12
§2.1 TRIZ 发展背景 .................................................................................................12
§2.2 TRIZ 的定义 .....................................................................................................12
§2.3 TRIZ 的基本理论 .............................................................................................13
§2.3.1 技术系统及其演变模式 .............................................................................13
§2.3.2 理想解 .........................................................................................................14
§2.3.3 解的级别 .....................................................................................................14
§2.3.4 冲突 .............................................................................................................15
§2.3.5 工程参数 .....................................................................................................18
§2.3.6 冲突解决矩阵（矛盾矩阵表） .................................................................18
§2.3.7 冲突解决原理（创新法则或发明原理） .................................................19
§2.3.8 物－场分析法(Su-Field Analysis) ............................................................. 20
§2.3.9 标准解（Standard Solution）....................................................................21
§2.3.10 效应 ...........................................................................................................22
§2.3.11 ARIZ 算法 ..................................................................................................22
§2.4 TRIZ 理论本身的弱点 .....................................................................................23
第三章 缺乏矛盾信息的积极或消极解决问题的 TRIZ 创新方法 ............................25
§3.1 矛盾矩阵表与创新法则 .................................................................................. 25
§3.2 改善测试精度 .................................................................................................. 25
§3.3 改善工程特性或避免工程特性恶化的创新法则表 ...................................... 28
§3.4 缺乏矛盾信息的积极或消极解决问题方法 .................................................. 30
§3.5 案例分析 .......................................................................................................... 31
§3.5.1 案例一 .........................................................................................................31
§3.5.2 案例二 .........................................................................................................32
§3.5.3 案例三 .........................................................................................................34
§3.6 本章小结 .......................................................................................................... 36
第四章 单一工程特性 TRIZ 创新方法 ........................................................................37
§4.1 改善测量精度及避免测量精度恶化 .............................................................. 37
§4.2 单一工程特性对应的 TRIZ 创新方法 ............................................................37
§4.3 案例分析 .......................................................................................................... 39
§4.3.1 案例一 .........................................................................................................39
§4.3.2 案例二 .........................................................................................................40
§4.4 本章小结 .......................................................................................................... 41
第五章 解决空矩阵元素方法 .......................................................................................42
§5.1 矛盾矩阵表的空矩阵元素 .............................................................................. 42
§5.2 解决空矩阵元素的步骤 .................................................................................. 43
§5.3 解决空矩阵元素的方法 .................................................................................. 44
§5.4 范例研究 .......................................................................................................... 45
§5.4.1 范例一 .........................................................................................................45
§5.4.2 案例二 .........................................................................................................48
§5.5 结果与讨论 ........................................................................................................ 51
第六章 TRIZ 辅助创新设计平台软件实现 .................................................................52
§6.1 功能分析 .......................................................................................................... 52
§6.2 服务器配置 ...................................................................................................... 52
§6.3 逻辑结构设计 .................................................................................................. 53
§6.4 网站整体设计 .................................................................................................. 57
§6.4.1 网站设计思想 .............................................................................................57
§6.4.2 编写 JavaBean ............................................................................................ 58
§6.4.3 网站结构设计 .............................................................................................62
§6.5 软件平台的界面及运行说明 .......................................................................... 63
§6.6 本章小结 .......................................................................................................... 70
第七章 结论与展望 .......................................................................................................71
§7.1 总结 .................................................................................................................. 71
§7.2 进一步工作建议 .............................................................................................. 72
§7.3 经验与体会 ...................................................................................................... 73
附录 A 39 矛盾矩阵与 40 发明原理矩阵表 .................................................................74
附录 B改善工程特性创新法则表 ...............................................................................79
附录 C避免工程特性恶化创新法则表 .......................................................................81
附录 D单一工程特性创新法则表 ...............................................................................83
参考文献 .........................................................................................................................86
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................91
致 谢 ...............................................................................................................................92
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题来源与研究目标
本课题来源于上海市教委重点学科建设项目子项“计算机辅助概念设计”（项
目编号：T0502）以及上海理工大学与上海机床厂合作项目“磨床创新设计技术研
究”。
本文的目的是研究 TRIZ 理论在产品设计，特别是在产品概念设计阶段中的应
用。分析 TRIZ 理论中的工具、方法及其过程，讨论 TRIZ 理论中不完善的部分，
针对在使用 TRIZ 方法时经常会遇到的一些困惑，提出或建议在这些情况下的可行
方法，以提供使用者较有效率的解决方案。通过对 TRIZ 理论的研究，探讨基于
TRIZ 理论的计算机辅助概念设计系统，即 TRIZ 辅助创新设计平台系统的开发。
§1.2 课题的背景及意义
经济的全球化带来了动态多变的市场环境，同时也加剧了全球范围内企业间
的竞争。为了提升企业竞争力和获得更多的商业机会，企业需要采取核心竞争力
战略实现资源的全球优化配置。制造企业的创新能力直接影响其竞争力，以知识
为基础的产品创新竞争是 21 世纪全球化制造环境下企业技术竞争的核心。同时制
造企业还必须解决 TQCS 难题[1]，即以最快的上市速度（Timeto Market，
T）、最好
的质量（Quality，Q）、最低的成本（Cost，C）、最优的服务（Service，S）来满足
不同顾客的需求。以上的环境和要求加上以数字化和网络化为代表的信息技术，
正在使传统的制造业面临深刻的变革。
产品设计作为现代工业生产的关键环节，在产品的整个生命周期中占有极其
重要的位置，它从根本上决定了产品的内在本质，以及产品的质量和成本。图 1.1
表示了设计的作用：产品成本的 70%以上是由概念设计阶段决定的；而在运用
CAD/CAM 技术的工程阶段，只决定了 20%的产品成本；在生产过程控制和规划
阶段，则只影响成本的 10%[2]。由此可见，概念设计是决定产品命运最重要的环节。
设计作为一种创新活动始终伴随着人类的发展而存在。但是把设计提升到理
论的高度，并作为一门学科单独的提出只是最近 50 年的事。虽然目前设计学的理
论尚未有一固定的模式，但是设计所要求达到“创新”的目标己取得不同设计流
派的共识。最能体现产品设计“创新性”的是在概念设计阶段。概念设计阶段在
很大程度上决定了最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等。而
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2
概念设计 施工
成本
时间生产管理
产品开发周期
CAD/
CAM
运筹规
划生产
过程控
制
且详细设计阶段很难甚至不能纠正概念设计阶段的设计缺陷和错误。
图1.1 产品成本在开发各阶段所承担的份额
创新工程[3,4,5]作为一个新的领域，吸引了大批国内外学者从事相关研究，因为
对网络信息时代的到来，人们越来越感觉到创新的重要性。对于新产品而言，其
创新的 80%以上是在概念设计阶段完成的，而概念设计又是设计中最模糊的一个
环节。国内外对于新产品方案设计给予了很大的重视，可以说所有成功的大企业
都有自己的新产品开发队伍，有一套自己的设计方法及设计软件。由于设计本身
就是个很复杂的过程，要用定式描述指导设计很是困难。以往的设计往往偏重于
个人的专业领域知识，难以克服心里惰性和摆脱思考问题的特定概念框架，不能
完全把握产品的创新关键问题，造成产品开发目标的偏差。正如 CAD，
CAM 等技
术极大的推进了产品设计和制造的发展一样，计算机辅助创新[6,7,8]技术可以将多个
领域的科学知识有机的综合起来，有助于设计者拓宽思考空间，打破思维定势，
引导设计者综合应用学科的知识，计算机通过对大量信息的存储、准确记忆和高
速处理，为人的决策提供有益的支持和帮助，而正是由于计算机的帮助才使人的
决策在更高的层次上进行，为产品创新源源不断地提供富有创造性的设计方案。
目前，计算机辅助设计已经深入发展并得到了广泛应用，现有的许多 CAD 软
件在产品的分析、计算、绘图以及制造方面发挥了很大的作用，但是在实际应用
中仍存在着某些严重不足，尤其是对产品概念设计的支持还远远不够，对设计人
员的创新设计思维活动的辅助和支持还不能得到充分体现。新产品开发更多更重
要的是非数据计算的、通过思考、推理和判断来解决的创新活动。只有创新活动
才能真正从根本原理上进行产品革新，才能为社会提供种类更多、功能更丰富、
价格更经济、性能更有效的新产品，才能在产品的性能、质量、价格等方面产生
第一章 绪论
3
质的飞跃。尽管客观上期待一种通用的智能计算机设计系统还只是一种奢望，然
而，研究如何利用计算机技术进行产品的创新设计已成为现代产品设计领域的新
课题[9-12]。
§1.3 概念设计及其特征
§1.3.1 概念设计的内涵
在概念设计的定义上，至今还没有统一的定义，但是就其本质而言有以下两
种定义很具有代表性。
Pahl 和Beitz 于1984 年在《Engineering Design》一书中提出“在确定设计
任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，
确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计”
[13]。
French 对概念设计下了这样一个定义：“概念设计首先要弄清楚设计要求
和条件，然后生成框架式的广泛意义上的解”[14]。
概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的一系列的，可组织的，有目标
的设计活动，它表现为一个由粗到精，由模糊到清楚，由抽象到具体不断进化的
过程[15]。以上两种描述都是依据市场需求，符合人类思维的，由具体到抽象，再
由抽象到具体，产生一个具体的具有市场需求和市场竞争力的产品概念方案的过
程。
创新的核心是在概念设计阶段产生革新的、有市场竞争力的概念，TRIZ 在概
念设计中主要是用于快速地产生有市场竞争力的创新设计解决方案[16]。概念设计
的核心是确定设计产品新的、有市场竞争力的工作原理，如果己经知道某产品的
工作原理，企业中的工程技术人员就能够完成作用原理及后续的技术设计和详细
设计[17]。
§1.3.2 概念设计的特征[18,19]
1. 创新性：创新是概念设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能
优良、价格低廉的富有竞争力的产品。这里的创新可以是多层次的，如从结构修
改、结构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加等高层次的创
新活动都属于概念设计的范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中，将产生一
组可行的“新”方案。
2. 多样性：概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的
基于 TRIZ 理论的计算机辅助概念设计研究
4
多样化。不同的功能定义、功能分解和工作原理等，会产生完全不同的设计思路
和设计方法，从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。
3. 层次性：概念设计的层次性体现在两方面。设计过程的层次性和设计对象
表达的层次性。概念设计过程作用在功能、行为、结构等不同层次上，并且各层
自身包含一定的层次关系。
4. 残缺性：概念设计的残缺性表现为设计信息的不完整、不全面、不确定和
不精确，难以定性定量地统一表达设计知识。
5. 递归性：概念设计的递归性表现在不断细化、逐步求精的递归求解过程上。
递归性反映了概念设计的迭代性和反复性。
6. 智能性：概念设计的最高境界是实现设计过程的智能性，它是概念设计发
展的必然趋势。智能概念设计的目的是利用计算机全部或部分地替代设计人员从
事设计的分析和综合过程，在计算机上再现设计者的创造性设计过程。
7. 人本性：概念设计是人性化的设计，是用户全程参与的概念设计，设计师
超越用户导向的产品创新设计。“以人为本，为人所用”的理念是本世纪概念设计
创新方法的“人本论”的核心[20]。
§1.4 概念设计研究现状
§1.4.1 概念设计创新性研究
创新是概念设计的灵魂。从概念产生技术到创造性认知模型，国外做了大量
的研究工作。在常规概念产生的直觉和逻辑两大类方法中，德国开发了各种机械
功能相对应的物理效果和解，对此需要庞大的数据库支撑，靠个人与企业行为难
以实现[21]；Langley 和Jones 根据分析推理和定性构思模型，创建了科学认识的计
算机模型，但缺乏完善的空间、形状事件的定性表示，其模型具有一定的二义性；
Geneplore 模型认为创造是再生与探测构思过程的产品[22]，而该模型缺乏可操作性；
Table－Bendiab 等人应用实例推理和机器学习的技术学习设计实例并存储起来，避
免了知识获取的瓶颈，具有一定自学习的能力，但搜索时间长、对实例空间占用
量大；Adzhier 等人提出了面向代理的方法，虽有利于并行环境下各设计变量高度
一致性，但未解决代理之间的协调冲突等问体。
Sturges 通过定义功能之间的关系，
使功能图的语义更加完善，但未考虑到功能的适应性。
§1.4.2 概念设计建模技术研究
概念设计的模型研究主要围绕设计过程的描述和设计产品的信息表达展开。
第一章 绪论
5
1.4.2.1 概念设计过程模型
概念设计过程模型描述了完成概念设计所需的工作步骤，这些工作步骤由一些
已知的方法支持。大多数概念设计过程模型都是基于以下两个基本框架扩展而来。
（1）功能－结构框架认为产品功能与结构具有直接对应关系，因此这类模型
的主要思想是直接寻求能够实现对应功能的结构。这类模型通常包含功能分解、
功能映像和结构组合三个步骤，并将概念设计描述为功能层和结构层两个层次。
典型的基于功能－结构框架的概念设计过程模型有 Pahl 和Beitz 的系统设计模型
[13]、Suh 的公理设计模型[23]、韩晓建的分布层次网络模型[24]及黄洪钟的智能优化
设计模型[25]等。功能－结构框架模型表明了“结构具有功能”，却忽视了“结构如
何实现功能”，由于人类实际设计中首先考虑的是如何通过具体动作实现功能，因
此不利于产品创新。
（2）功能－行为－结构框架在功能层和结构层之间引入了行为层。行为描述
为完成功能所执行的动作，表明“结构如何实现功能”这一关系。这类模型认为
功能与结构必须通过行为才能建立联系，将概念设计看作是从功能向行为再向结
构映射的过程，更符合人类设计的思维习惯，同时也有利于产品创新。功能－行
为－结构框架最先由悉尼大学 Gero 提出[26]，Qian 等人通过对功能－行为－结构的
表达，由交互方式在领域内产生创新方案，Umeda 等人将设计知识表达为功能－
行为－状态的组合关系，以产生新方案[27]，Deng 和Zhang 则通过引入环境知识，
提出了功能－环境－行为－结构模型[28,29]。在功能结构映像中加入行为层，符合人
类的认知过程。但是该分解模型仅仅考虑局部层次关系，在一定程度上忽视了对
模型整体的认识，其行为的分解容易受人类经验及相关知识的限制。在处理物理
系统的动态行为方面，一些学者采用基于功率键图的概念设计方法[30]，不必具体
考虑各功能的实际含义，只需遵循功能元素的物理规则，有利于创新，但物理原
理与功能结构的实现往往有较大差距。这类模型也可以看作是基于功能－行为－
结构框架的。
1.4.2.2 产品信息表达建模
概念设计信息表达包括产品功能、行为和结构三个方面，其中功能描述产品
所完成的任务，行为描述实现功能所需的原理或执行的动作，结构描述产品组成
要素及其相互关系。
（1）概念设计是由功能驱动的[22]，输入/输出转换是对功能的一种数学表达形
式。第一种输入/输出转换表达是输入/输出流转换。第二种输入/输出转换表达是输
入/输出状态转换。第三种输入/输出转换表达是输入/输出特征转换。尽管输入/输
出转换表达易于实现推理和计算，但有许多功能无法表达，此外这种表达形式不
摘要：

摘要随着全球性竞争日趋激烈，对新一代产品有效而迅速地开发成为竞争中强有力的武器。为了面对动态多变的市场环境及提升竞争力，制造企业需要进行产品创新，以解决TQCS（Time-Quality-Cost-Service）难题。设计是产品开发过程中最重要的环节之一，而概念设计又是设计过程中最重要的阶段，因为概念设计决定了产品的基本特征和主要框架，后续的过程只是对这些设计概念的具体化和实现。面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑战，传统的设计手段和过程不足以很好地满足现代产品开发的需求。本文将TRIZ作为概念设计的理论与方法，同时也论证了在概念设计中引入TRIZ理论的重要性，利用JSP开发环境开发了计算机辅...

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