□任工昌 □山 旭

陕西科技大学 机电工程学院 西安 710021

发明问题解决理论中物质-场模型及分析方法的研究＊

□任工昌 □山 旭

陕西科技大学 机电工程学院 西安 710021

物质-场模型是发明问题解决理论中重要的问题分析工具，但存在功能分析不足、缺乏针对性、分析效率低等问题。以提高模型分析问题的针对性为突破口，采用一种模型分析一类问题的思路，将问题分为不完整问题、效应不足/过度完整问题、有害效应完整问题、测量与检测问题共四类。针对每类问题分别使用物质-场模型、物元模型、物质-属性-功能-因果模型、物质-场-信息模型进行分析，发挥每类分析模型的优势，归纳出基于问题分类的创新设计流程，并用实例验证模型分类的合理性和设计流程的实用性。

发明问题解决理论；物质-场模型；研究

1946年，苏联学者Altshuller领导一批发明问题专家，在研究了世界上高水平专利的基础上，提出了一套具有完整体系的创新设计理论——发明问题解决理论（TRIZ），1979年，《创造是一门精密的科学》一书发表，书中论述了物质－场分析法原理，为发明创造提供了一个重要的问题分析工具[1]。此理论最早应用在苏联，使得苏联的工业在那段时期迅猛发展。目前，TRIZ在全世界范围内得到了广泛应用，帮助许多企业实现了技术创新。

1 物质-场模型

1.1 物质-场模型简介

物质 - 场模型由一种场（ F）和两个物质（ S1、S2）组成,模型中S1是被动物体，是希望发生变化的物体；S2是主动物体，通过F的作用使被动物体发生改变；F是连接主动物体与被动物体的桥梁，从而组成完整的系统[2]。物质-场基本模型如图1所示。

图1 物质-场模型

常用的表达物质-场中物质之间彼此相互作用的图示化符号如图2所示。

图2 物质-场中图示化符号

1.2 物质-场模型现状

王秋月等[1]基于物质-场模型和相似性对标准解进行了重新分类。简兆辉等[3]提出了结合减件-运行法和功能分析系统技术法的物质-场建模过程，提高了功能建模能力。Royzen[4]强调了功能分析在问题描述中的作用，提出了工具-对象-产品分析，提高了模型功能分析的能力。Kim[5]利用排队理论模型代替物质-场模型，将问题分析和对应解都包含在模型内，提高了问题分析效率。Bultey等[6]对物质-场模型分析过程中的术语进行了规范，有助于利用计算机语言实现物质-场模型的分析过程。张武城等[7]提出了物质-属性-功能-因果模型分析法，将物质、属性、功能、因果四部分集成到分析模型内，提高了问题分析效率。Wu[8]对可拓学和物质-场模型分析过程进行集成，提高创新的效率和广度。Petrov[9]针对信息系统的分析开发了元素-动作-信息结构分析法。Li[10]针对76个标准解中的第四类（检测与测量）利用模型进行了分析。

以上文献在物质-场模型功能分析不足、术语缺少规范化、分析效率低、复杂问题的表示等方面做了研究，并取得一定的成果。多数学者都致力于寻找一种功能强大的模型，可以完美地分析各类问题。实际应用中，不同类型的问题分析过程存在差异，一种分析模型很难兼顾各类问题。对问题进行分类，针对每类问题选用对应的模型，充分发挥每类模型的优势很有必要，因此笔者提出了基于问题分类的创新设计流程。

2 基于问题分类的创新设计流程

2.1 问题分类

经典TRIZ中，物质-场模型分为四类。

（1）有效的完整模型。

（2）不完整模型。

（3）效应不足的完整模型。

（4）有害效应的完整模型。

以上分类是根据模型本身的特征进行的，物质-场模型分析问题、标准解解决问题，本质都在于对问题特性的把握，对问题进行分类，再考虑相对应的分析模型。因此，应以标准解为出发点，基于物质-场模型分类的基本思路，采用逆推的方法，进行问题的分类，新的分类中将不再考虑有效的完整模型问题，因为其本身不存在问题，可作为问题的理想解或目标系统，增加测量与检测这一大类。测量与检测问题不同于一般的问题，更加侧重于信息与功能的正向传递。新的分类如下。

（1）不完整的问题。

（2）效应不足/过度的完整问题。

（3）有害效应的完整问题。

（4）测量与检测问题。

以上问题的定义与物质-场模型的基本定义类似，如锤子敲钉子，只有锤子没有钉子的话，问题的物质-场模型就是一个不完整模型，相对应的，此问题就是不完整的问题，其它类似。

2.2 创新设计流程

图3为基于问题分类的创新设计流程，具体步骤如下。

（1）分析系统，确定问题，对问题进行简述。

（2）若为测量与检测问题，利用物质-场-信息模型进行分析，采用第四类标准解解决；若不是测量与检测问题，建立物质-场模型。

（3）利用物质-场模型确定问题类型。

（4）不同类型问题，采用相应的分析解决方法：①若为不完整问题，则直接使用第一类标准解解决；②若为效应不足/过度的完整问题，采用物元模型进行进一步分析，利用第二类标准解解决；③若为有害效应的完整问题，采用物质-属性-功能-因果模型进行分析，利用第三类标准解来解决。

（5）若需要对解进行优化，使用第五类标准解。

3 创新设计流程的分析及应用

3.1 不完整问题

不完整问题即利用物质-场分析时缺少物质或场，无法构成一个完整的物质-场模型，此类问题相对于其它三类问题比较简单，直接应用物质-场模型进行分析，按照缺物补物、缺场补场的思路，利用第一类标准解[1]解决。

3.2 效应不足/过度完整问题

效应不足/过度完整问题中最重要的是存在不足或过度的效应，都是对量值的定性描述，传统的物质-场模型在分析时不考虑量值的问题，而可拓学物元分析法具有量值分析的优势。

可拓学是由蔡文教授开创的交叉学科，以矛盾问题为研究对象，通过定性和定量的描述和分析问题，使用可拓学中的创新工具解决问题。在可拓学物元模型 B=[O，C，V]中，O 为对象，C 为特征，V 为特征值。基元中包含对量值的描述，因此以可拓学的物元分析模型来对效应不足/过度的完整问题进行分析。

例如，随着智能手环的普及，越来越多的人习惯在运动时佩戴智能手环，但续航能力成为其使用上的一大障碍，经常会出现使用过程中没有电或忘记充电的情况，希望能得到续航能力更强的智能手环。

首先利用物质-场模型分析此问题为效应不足的问题，使用物元模型进行分析，如图4所示。M1为问题的物元模型，M2为约束条件的物元模型，A为事元模型。模型提供手环特征量值上的描述，即解决问题过程中的约束条件。使用者选择关键的特征量值，从标准解中选择合适的解使其首先满足关键特征的要求，解的选择更具目的性和针对性。利用物质-场模型无法体现重力、外形等特征量值上的要求，即M2。若不考虑M2，使用体积更大的电池也可实现目标，但是这显然不符合小、轻等条件。再如续航能力，如果只是扩展到3天，优化电池或降低手环耗电量就可实现，但是扩展到一个星期或一个月就得开发新电池，如果是永久供电就需要考虑手环的自发电。以永久供电为例，利用第二类标准解在系统中引入铁磁材料、磁场[1]。

图4 可拓学物元模型

创新解如图5所示。

图5 智能手环创新设计方案

图5中，磁感应线圈上穿有导轨，导轨上设置有配重块，系统还包括蓄电池、发光模块。运动时手臂肯定会自然摆动，作为智能手环发电的动力源，利用磁生电的原理，在智能手环内部嵌入磁感应线圈，通过导轨上的配重块来回运动，切割磁感线产生电量，产生的电量存储于蓄电池中，用于发光模块的供电。

利用物元分析有效地弥补了物质-场模型无法体现特征量值的缺点，问题分析得更加全面，使用者可以在综合考虑各因素的条件下，直接选择最优的解，而不是在已得到解的基础上再选择最优解，提高了问题解决的效率。

3.3 有害效应完整问题

存在有害效应的完整问题一般属于比较复杂的问题，且存在有害效应的系统相当一部分都会伴随着技术矛盾或物理矛盾，可用TRIZ中的矛盾矩阵去解决。其余的就可用76个标准解去解决，但是无论是矛盾矩阵或是标准解，都需要对存在有害效应系统的功能进行深入分析，但是物质-场模型并没有侧重于功能分析。张武城等[7]认为功能是两个物质属性相互作用的产物，提出了物质-属性-功能-因果模型分析法，从属性的角度对问题功能进行深入分析，对于此类问题的分析具有较强优势。物质-属性-功能-因果模型如图6所示。

图6 物质-属性-功能-因果模型

在物质-属性-功能-因果分析模型中，S1和S2是相互作用的两个物质，对应的属性分别为A1和A2，通常，将物质S1作为功能载体，将物质S2作为接受动作的客体。S3是实现功能后衍生的具有属性A3的第三物质。Fuh是物质S1的属性A1与物质S2的属性A2相互作用而形成的、可能有用或有害的功能。

以炼焦中的高温焦炭运输问题为例，焦炭是原煤隔绝空气高温加热后的产物。在炼焦炉内，原煤在料床上，隔绝空气进行加热使其分解后变为焦炭。推焦车将焦炭推出，由传送带将其输送至特定的容器中。这就存在一个问题：高温焦炭对下面的传送带会产生很大的热应力，传送带在这种工作环境下很容易疲劳损坏，需经常更换。进行物质-场模型分析，确定焦炭运输为有害效应的完整问题，利用物质-属性-功能-因果模型进行分析。

由图7可明显看出，由于焦炭具有高温性，对起运输作用的传送带进行加热，而传送带具有疲劳性，在受热后容易疲劳损坏，为实现传送带正常的运输性，需从高温性和疲劳性两方面进行分析。

图7 高温焦炭运输的物质-属性-功能-因果模型

为减小焦炭高温的影响，参考标准解引入物质S3消除有害效应[1]，可利用已经冷却后的焦炭敷在传送带表面，从而隔离高温焦炭的热量，对传送带起到保护作用。

为提高传送带的疲劳强度，参考标准解不允许增加新物质，改变物质以消除有害效应[1]，可利用耐热的金属链式传送带，提高传送带在高温下的抗疲劳强度。

可见，物质-属性-功能-因果模型不仅展现了问题中的有害作用，而且分析了各物质的属性，通过属性之间的相互作用分析了系统的功能，使用者可从功能的基础——属性出发，迅速找到相应的标准解，从而解决问题。

3.4 测量与检测问题

测量与检测问题属于比较特殊的一类问题，测量与检测过程中一般都会涉及时间和顺序上的递增，信息的正向传递是比较明显的，且普遍存在对所获数据的反向反馈。测量过程一般涉及三种物质和两个场，普通的物质-场模型无法表示。此类问题使用创新的物质-场-信息模型（图8）进行分析，有利于快速确定问题出现的环节，进行有针对性的改进。

图8 物质-场-信息模型

物质-场-信息模型中，F1和F2为测量与检测过程中的场，S1为被测量或检测的物质，S2为测量检测工具，S3为接收系统，D1、D2和D3为测量与检测过程中的信息。

以曹冲称象为例，如图9所示，大象通过重力场将重力信息传递给秤，秤通过视觉场将刻度信息传递给人，人将信息返回与大象进行对比，确定测量结果的误差。在曹冲称象的故事中，由于大象过重，秤的测量值有限，从而无法测量出大象的重力，通过图9可迅速确定出现问题的环节为重力信息环节，而重力信息不仅仅是大象的特有属性，于是利用第四类标准解，替代系统中的测量与检测，使之不再需要；假如上一条不可能实现，则测量一个复制品或肖像[1]，即将大象的重力复制成等重的石头、沙子、一队人等，考虑到可测物的灵活性，利用一队人为最佳解决方案。

图9 曹冲称象物质-场-信息模型

4 结论

根据问题的特性将待解决问题分为四类，借助物质-场模型确定问题类，针对每类问题使用特定的分析模型，充分发挥不同分析模型的优势，解决了物质-场模型分析所有类型问题时分析不够充分、缺乏针对性、功能分析不足等缺点，提高了问题分析效率，增强了问题分析的针对性，并用实例论证了基于问题分类的创新设计流程的优势，为创建新理论提供了一种全新的问题分析思路。当然，更加完善的问题分类和模型创新有待进一步研究。

[1] 王秋月,杨伯军,段秀玲.基于物质-场模型及相似性的标准解重新分类研究[J].工程设计学报,2015，22（6）:520-527.

[2] 张建辉,檀润华,陈子顺.采用物质—场的功能分析法[J].机械设计与研究,2009,25（ 1）:19-23.

[3] 简兆辉,刘晓敏,王自伟.基于扩展物质-场分析法的标准解应用过程[J].机械设计与研究,2010,26（6）:15-18.

[4]ROYZENZ.Tool，Object，Product（TOP）FunctionAnalysis[C].TRIZCON99，Novi，1999.

[5]KIM SK.Innovative Design of Substance-Field Notationsfor Reformulating the Seventy-Six Standard Solutionsin TRIZ[J]International Journal of Systematic Innovation,2011,1（ 4）：19-26.

[6]BULTEY A,YAN W,ZANNI C.A Proposal of a Systematic and Consistent Substance-field Analysis[J].Procedia Engineering,2015,131:701-710.

[7] 张武城,赵敏,陈劲,等.基于 U-TRIZ的 SAFC分析模型[J].技术经济,2014（ 12）:7-13.

[8]WU C T.Identi fying an Innovative Su-Field Modeling Design Processes[J].International Journal of Mathematical Models and Methods in Applied Sciences,2011,5（ 3）:704-712.

[9]PETROV V.A NewApproach toSu-Field:Structural Analysis[EB/OL].http:triz-journal.com/a-new-approach-to-su-filed-structural-analysys/.

[10]LI H J.Substance-field Models for Fourth Class Standards[EB/OL].http://www.metodolog.ru/triz-journal/archives/2009/02/03/index.html.

The substance-field model is an important tool for problem analysis in the TRIZ,but there are some problems such as lack of functional analysis,lack of pertinence and low efficiency of analysis.In order to improve the pertinence of the model analysis problem,adopted an idea that was use a sort of model to analyze a category of problems.The problem was divided into four categories:incomplete problem,insufficient effect/over-complete problem,ill-effect complete problem,measurement and detection problem.The substance-field model,substance-element model,substance-attribute-function-causal model and substance-field-information model were used to analyze each category of problems to call into play the advantages of each type of analytical model and induce the innovative design flow based on the classification of the problems.The rationality of the rationality of model classification and thepracticality of thedesign processwould betoverified by casestudy.

TRIZ；Substance-field Model；Research

TH122

A

1672-0555（2017）03-010-05

＊国家自然科学基金资助项目（编号：51175314）；

国家科技支撑计划项目（编号：2012BAF02B01）

2017年5月

任工昌（1962—），男，博士，教授，主要从事机械产品创新理论与实践工作

（编辑：启 德）