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问题解决理论

创新问题解决理论－TRIZ研究综述

∙2011-3-14

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∙南京理工大学经济管理学院丁俊武韩玉启南京大学商学院郑称德

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导读：

摘要：

创新已经成为当今时代的重要特征且具有规律可循。

对创新问题解决理论（TheoryofInventiveProblemSolving—TRIZ）的发展历史,理论内容进行了介绍,给出了问题解决流程,讨论了其发展趋势。

TRIZ的应用不限于技术领域,对非技术领域的创新活动也具有指导意义。

TRIZ是俄文创新问题解决理论的词头缩写,是由前苏联A1tshuller及其领导的一批研究人员,在分析研究世界各国专利的基础上,提出的一种创新问题解决理论,它由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、工具和算法组成,最终目标是使TRIZ成为指导人们进行创新活动的科学。

最初,TRIZ主要用于解决技术领域中的创新问题,如新产品概念设计等,后来逐渐向经营管理、教育和政治等非技术领域扩展,应用范围不断扩大。

本文主要以工程技术领域的应用为主,对TRIZ的历史发展,理论基础,工具方法及其发展趋势等基本内容进行了介绍,旨在推进TRIZ理论在我国的传播和发展。

一、历史回顾

TRIZ起源于20世纪40年代后期,其创始人为苏联的Altshuller。

Altshuller始终坚信创新活动有着内在规律,他通过对世界各国专利的分析研究,创立了TRIZ理论。

TRIZ创建初期,没有得到苏联政府部门的支持和认可,也没有用于商业实践。

A1tshuller主要以开办学校,培养学生的方式研究和传播TRIZ理论,直到1998年去世。

他为苏联青少年撰写的教材《突然,发明家出现了》被视为TRIZ界的圣经。

TRIZ的发展主要分为以下几个阶段：

（1）1946~1980年Altshuller创建了TRIZ的理论基础,并建立了TRIZ的一些基本概念和分析工具。

（2）1980~1986年TRIZ开始得到公众注意,研究队伍不断扩大,很多学者成为Altshuller的追随者,TRIZ学术研讨会开始召开,很多TRIZ学校得以建立,同时,TRIZ开始了在非技术领域的应用探索。

这期间的TRIZ研究资料大量累积,但质量良莠不齐。

（3）1986–~1991年。

从1986年开始,Altshuller因健康原因研究兴趣转移到其他方面,他的学生继续对TRIZ理论进行研究和推广。

伴随者TRIZ应用实践的不断丰富,传统TRIZ理论暴露出很多不足和缺陷,对TRIZ的改进和提高开始活跃。

（4）1991以后。

前苏联解体和冷战的结束使许多TRIZ专家移居到了欧美等西方国家,在西方市场经济高度发达的环境中,TRIZ获得了新的生命力,受到质量工程界,产品开发人员和管理人员的高度重视。

摩托罗拉公司,波音,克莱斯乐,福特,通用电气等世界级大公司已经利用TRIZ理论进行产品创新研究,并取得了很好的效果。

很多西方大学为本科生开设了TRIZ课程,用于培养学生的创新思维。

进入21世纪以来,TRIZ的发展和传播处于加速状态,研究TRIZ的学术组织和商业公司不断增多,学术会议也频频召开,TRIZ正处于发展的黄金时期。

目前,TRIZ正从产品开发等传统技术领域向企业管理,政治,教育,等非技术领域急速扩展。

二、经典TRIZ理论

为了讨论的方便,我们把TRIZ理论分为古典TRIZ和现代TRIZ,分别对应于在前苏联发展时期和西方发展时期。

1.古典TRIZ的理论基础

通过对大量专利的研究比较,Altshuller发现仅有1﹪的解决方案具有原创性,其余都是对已知方案或概念在新领域的应用。

不同技术领域有着相同理论模型的问题,往往解决方案类似,而且解决方案具有可传递性。

这说明,我们遇到的大多数问题都存在已知的解决方案。

在分析专利的基础上,Altshuller总结出了古典TRIZ的四大理论基础：

创新问题定义,创新模式,创新等级划分和技术系统演化模式。

（1）创新问题（DefinitionofanInventiveProblem）

TRIZ把人类需要解决的问题分为两类,一类是解决方案已知,只需按固定步骤即可解决,属于常规问题。

另外一类则是某一关键解决步骤或解决方案未知,存在冲突,属于创新问题,TRIZ就是解决创新问题的理论。

（2）创新模式（PatternsofInvention）

解决相同理论模型问题的创新解决方案会重复使用,在TRIZ中,这些解决方案称为创新模式,把这些创新模式建立数据库,可以缩短类似问题的解决时间,缩短创新周期。

（3）创新等级划分（LevelsofInvention）

对所研究问题进行分类是科学研究的通用方法。

通过对专利中大量解决方案的考察和方案所需知识的分析研究,TRIZ把创新问题分为五个等级。

①解决方案明显,属于常规设计问题,可以利用个人的专业知识解决,大约32﹪的问题属于这一级。

TRIZ理论认为该等级不属于真正的创新。

②对技术系统的少量改进,所需知识仅涉及到单一工程领域,常常利用折衷设计思想降低技术系统内相关矛盾（contradictions）的危害性,大约45﹪的问题属于此等级。

③对技术系统的根本改进,所需知识涉及不同工程领域,设计过程必须解决矛盾,大约18﹪的问题属于此等级。

④设计新一代系统,利用全新的工作原理来完成技术系统的主要功能,需要不同科学领域的知识,大约4﹪的问题属于此等级。

⑤真正的科学发现,对新系统本质上的先驱式的革新,所需知识涉及到整个人类已知范畴,只有1﹪的问题属于此等级。

TRIZ理论认为等级创新问题解决理论－TRIZ研究综述

∙2011-3-14

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∙南京理工大学经济管理学院丁俊武韩玉启南京大学商学院郑称德

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2－5为真正的创新。

需要说明的是,创新问题等级划分基于对专利的统计分析,判断具体创新问题属于哪一等级依赖于人的主观性和时间,不能靠简单计算决定,而且这个问题本身并不重要。

因此我们说,等级划分的理论意义大于其实践意义。

Altshuller认为TRIZ理论对于等级2、3和4作用更大,效果最好。

（4）技术系统演化模式（patternsofevolution）

相对于生物系统和经济系统而言,对技术系统的进化研究刚刚起步,其实,技术系统也如生命系统一样处于不断地进化之中,并遵循其独特的规律。

Altshuller总结出了技术系统演化的模式（规律）,用于指导产品开发创新,进行市场预测等。

系统演化模式是TRIZ理论的总纲。

①技术系统有自己的生命周期,分为孕育,产生、成长、成熟、退出几个阶段；

②技术系统向增加理想化水平或提高理想度的方向进化；

③技术系统不同部件/子系统之间的进化并不同步,这是导致矛盾的主要原因；

④技术系统演化过程中动态性和可控性逐渐增加；

⑤技术系统的功能不断增加导致系统复杂性增加,随之集成度增加,系统得以简化,这个过程不断交替进行；

⑥系统部件的匹配与不匹配交替出现；

⑦由宏观系统向微观系统进化,增加场资源的利用；

⑧系统不断增加自动化程度,逐渐减少人的介入。

与创新问题等级划分一样,技术系统演化模式也具有统计规律性,这些规律并没有经过严格的逻辑证明,有些甚至是研究人员的直觉,因此不能等同于物理,数学等学科中经过严密论证的科学定律。

不过,TRIZ中的这些进化模式都经过大量专利分析的验证,对于我们理解技术系统的本质,预测其发展走向具有重要的意义。

现在,每条进化模式下面都发展出很多子进化路线,利用进化定律解决问题时,可以根据问题的特点,选择不同的进化路线。

2.古典TRIZ的基本概念

著名的TRIZ专家Savransky博士认为,矛盾（contradiction）,演化（evolution）,资源（resources）和理想度（ideality）概念是TRIZ理论的基石。

演化主要指技术系统的演化模式,即技术系统一直处于进化之中并遵循固有规律,比较容易理解,我们主要对矛盾,资源和理想度概念进行介绍。

（1）理想度（Ideality）

理想度是TRIZ最重要的概念之一,也有学者称其为理想化水平。

技术系统向提高理想度的方向进化是最重要的一条进化模式,它为创新问题的解决指明了努力方向。

在TRIZ中,理想度概念的应用包括：

理想系统（解）、理想过程、理想资源、理想方法、理想机器和理想物质等,如理想机器指没有质量、没有体积,但能完成所需工作的机器；理想物质指没有物质但功能却得以实现。

理想度的定义：

式中：

Ideality-----理想化水平,（usefulfunction）----系统有益功能之和,（harmfulfunction）----系统有害功能之和。

从公式可以看出,技术系统的理想化水平与有益功能之和成正比,与有害功能之和成反比,当分子增加,分母减小时,系统的理想化水平提高,直至完全达到理想状态,达到理想状态的系统称为理想解（IFR,IdealFinalResult）。

解决创新问题很重要的一步就是分析系统的理想解是什么,虽然完全理想化的系统不存在,但寻求理想解仍然是一种强有力的工具,在创新过程中起着重要作用。

（2）矛盾（或者冲突）（contradiction）

辩证法（dialectics）认为矛盾无处不在,是事务发展的基本动力,TRIZ理论的矛盾概念也来源于斯。

从广义上讲,矛盾可分为自然、社会和工程矛盾三类,TRIZ主要研究工程矛盾,并把其分为技术矛盾和物理矛盾两类。

技术矛盾是指一个操作（action）同时导致有益和有害两种结果,也可指有益作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或整个系统恶化。

技术矛盾的表现形式为一个系统中两个子系统之间的矛盾,一般涉及到两个参数A和B,即当A得到改善时,B则变得恶化。

技术矛盾的例子很多,例如,增加系统重量,提高稳定性,则降低其移动速度。

图1为技术矛盾示意图,传统解决技术矛盾的方法是折衷设计法,A,B取不同值时得到不同的折衷方案,但是不能从根本上消除参数A和B的矛盾。

图1技术矛盾示意图

物理矛盾是指为了实现某种功能,对一个子系统或元件具有互相矛盾的状态要求。

物理矛盾常常表现为一个子系统中有益功能的加强同时导致该子系统有害功能的加强,或者一个子系统中有害功能的降低同时导致该子系统有益功能的降低。

例如,软件功能要完善可以处理复杂事务,同时要易于使用,二者之间存在物理矛盾。

需要强调的是,物理矛盾是问题的核心矛盾,也是最尖锐的矛盾,必须加以解决。

另外,技术矛盾的存在往往隐含着物理矛盾,并可以转化为物理矛盾。

（3）资源（resources）

TRIZ理论认为,任何没有达到理想状态的系统都有可用资源。

资源可分为自然资源、时间资源、空间资源、系统资源、物质资源、能量/场资源、信息资源和功能资源八类。

从问题解决的角度又可分为系统内和系统外资源两类。

对资源进行分类,详细分析和深刻理解是解决创新问题的有效途径。

TRIZ解决创新问题的基本思路是深入分析问题的基本状况,结合系统演化模式来确认问题的理想解和系统的矛盾,然后找到可用资源消除矛盾从而解决问题。

TRIZ理论认为创新问题的核心是解决矛盾,没有矛盾的问题不是创新问题。

3.古典TRIZ的主要方法和工具

（1）矛盾矩阵（ContradictionMatrix）和创新原理（InventivePrinciple）

为了消除技术矛盾,必须找到形成技术矛盾的工程参数。

在研究专利的基础上,Altshuller总结出39个通用工程参数来描述技术矛盾和40条创新原理来消除技术矛盾,从而创建了矛盾矩阵。

矛盾矩阵为一40×40矩阵,第一行代表39个需要改进的技术参数,第一列代表39个引起恶化的技术参数,行与列的交叉处构成技术矛盾,并列有解决技术矛盾所推荐的创新原理序列号。

当针对具体问题确认了一个技术矛盾后,根据对矛盾的描述选择通用工程参数,由工程参数在矛盾矩阵中的位置选择可用创新原理来消除矛盾。

表1为矛盾矩阵的一部分,参数3为恶化参数‘运动物体的长度’,5为优化参数‘运动物体的面积’,二者产生矛盾,推荐解决原理为4,14,15,和16号创新原理。

表1矛盾矩阵示意图

对于物理矛盾,TRIZ采用分离原理来解决,主要有从时间、空间上分离,部分与整体分离,按条件分离四类解决方法。

（2）物质场分析模型（Substance-FieldAnalysis）和76个标准解（StandardSolution）

技术系统是功能的实现,物质场模型就是分析系统功能的工具。

TRIZ认为所有的功能都可以拆分为三个基本元件,一个功能必须同时具有三个基本元件才能存在,三个基本元件的组合构成一个功能。

三个基本元件分别为两种物质S2,S1和物质间相会作用的场F（field）。

因此功能可以这样描述：

物质S2通过场F作用于物质S1,图2（a）为其示意图。

TRIZ中的物质可以是任何复杂程度的对象,如茶杯,轿车,宇宙飞船等,场是能量的总称,如核能,机械能,热能,电磁能等。

根据物质场模型可以对系统功能进行详细分析,如功能三元件是否完备,是否有有害功能存在等。

图2（b）所示,物质S2对S1.1产生有益功能的同时,对物质S1.2产生有害功能,功能需要改善。

在模型分析的基础上,TRIZ给出了76个标准解来解决技术系统的功能缺陷问题,例如功能元件缺失、有害功能、过度功能和不充分功能等情况。

标准解共分为5类：

①构建或破坏物质场；②开发物质场；③向超系统或微观系统转变；④检查与测量；⑤描述如何引入物质或场。

物质场分析模型是最简单和最受欢迎的TRIZ工具之一,RLI公司的总裁Kowalick认为Altshuller最伟大的发现就是发现功能的三元件原理,这足以让他获得诺贝尔奖。

（3）创新问题解决算法（ARIZ－Algorithmtosolveaninventiveproblem）

ARIZ是俄语创新问题解决算法的词头缩写,它是TRIZ的一种重要工具,是创新问题解决的完整算法,TRIZ中的很多概念都集成在ARIZ里面。

该算法采用一套逻辑过程逐步将初始问题程式化,不断对问题进行细化,直到找到问题解决方案。

一般而言,只有1﹪的创新问题才能用到ARIZ,大多数的技术创新问题都可以应用TRIZ的各个工具分别解决。

ARIZ是对创新问题的系统化思考,它不是通常意义上的方程式。

直到1986,Altshuller本人一直控制着ARIZ的开发和版本公布,不允许别人涉及。

ARIZ－85C是Altshuller自己开发的最后一个版本,后来,其他TRIZ专家和商业公司陆续推出ARIZ的新版本,如ARIZ－KE-89/90,ARIZSMVA91（E）,ARIZ2000。

现在,ARIZ的一些早期版本已经不再使用。

ARIZ每一个版本都是对前面版本的提高和改进,其解决问题的基本思路一致,只是步骤有所不同。

（4）科学和技术知识效应库（ScientificandTechnicalEffectDatabase）

所谓效应就是不同科学领域里的一些自然定律,如热胀冷缩是典型的物理效应。

专利研究显示,很多创新方案就是在特定工程领域应用没有使用过的自然效应得到的。

一般而言,一个工程人员只能掌握100个左右的效应,而自然界的效应总数却超过10000个。

为了帮助工程人员更好的应用效应解决创新问题,TRIZ创建了知识效应库。

在TRIZ中,效应被当作“黑箱”系统,没有内部结构,不能进一步分解,只对特定输入产生特定响应。

效应的排列依据功能原则,而不是传统的技术领域排列,工程人员首先决定创新问题需要解决的功能,然后根据相应功能很容易选择所需要的效应。

由于研究人员对本专业以外的领域知识往往不太熟悉,这种新的组织方式可以大大缩短所需效应的搜索时间,提高效应库的使用效率。

古典TRIZ效

应库集中了物理、化学和几何学等方面的效应,对1980年代效应库应用的统计显示,它们之间的应用频率之比为9:

0.8:

0.2。

目前成熟的TRIZ商业软件集成的效应超过了6000个。

三、代TRIZ的发展

1.古典TRIZ理论的缺陷

古典TRIZ诞生于前苏联计划经济时代,缺乏成熟商业实践,本身有很多不足和缺陷,总结起来主要有二个方面：

（1）理论不严谨,结构松散和复杂

TRIZ发展有点类似于自由软件Linux,TRIZ的使用者可以根据自己的需要和经验任意修改TRIZ理论,每个TRIZ大师都力图构建自己的TRIZ理论体系,这从某种程度上发展了TRIZ,但也带来了某些混乱。

例如,很多TRIZ工具没有集成为一个整体系统；不同的创新问题需要不同的处理方式,但是如何选择TRIZ特定工具来解决特定问题,TRIZ并没有给出清晰的建议；TRIZ工具不支持创新问题解决的某些阶段；各种方法和工具之间存在大量重叠交叉现象等。

TRZI的自由化发展虽然说明他的生命力,也证明了其不成熟的一面。

古典TRIZ理论松散,结构复杂的特点,导致其学习成本居高不下,一俄罗斯TRIZ专家曾经指出,需要20年的学习和实践才能真正掌握TRIZ的精髓。

显然古典TRIZ很难适应竞争激烈的商业社会,对其进行简化势在必行。

（2）工具和方法的不完善

TRIZ的很多工具功能非常强大,但是也存在很多缺陷。

例如,当今世界电子化特点越来越明显,能量场应用越来越多,而机械特征相对减弱,要求技术系统能与环境和谐共处,设计中的风险和安全受到更多关注,面对这些新的变化,古典TRIZ矛盾矩阵所能提供的帮助很有限,因此需要增加新的通用技术参数和创新原理描述如安全、噪声、环境等新技术因素。

另外,效应库缺乏描述信息技术和生物技术的效应；ARIZ存在版本太多,解决问题步骤冗长,学习界面不够友好,产生的解决方案没有可选择性等不足；物质场分析模型可以用于加速解决方案的寻找,但是其本身具有不完备性,单独应用SF模型,有时候不能得到理想的解决方案,另外,该模型描述系统多个功能时并不方便。

2.对古典TRIZ的改进与提高

古典TRIZ的缺陷和不足正是现代TRIZ理论的发展方向。

大批移居西方国家的TRIZ专家,在传播TRIZ理论的同时与西方学者一起着手对古典TRIZ的缺陷进行改进。

（1）完善理论体系,增加系统严谨性

这方面的提高主要有：

发展集成工具使得所有创新问题可以采用相同的处理路径；研究开发新的TRIZ工具,使TRIZ支持创新问题解决的各个阶段,例如问题分析和格式化,功能分析和裁剪,效果测试、执行等；进一步结构化和扩展TRIZ知识效应库,增加信息技术和生物技术成果；推出结构严谨,包容广泛的ARIZ新版本。

（2）主要理论工具的改进

①矛盾矩阵

2000年开始,Creax公司和IdeationInternational公司的科学家共同合作,对1985年到2002年的150,000个专利进行了分析,在此基础上,推出了2003版面向工程领域的矛盾矩阵,新矩阵在形式和内容上都得到更新,通用技术参数增加到48个,补充了37个组合创新原理,应用更加方便,与特定问题的联系也更紧密。

另外,面向软件领域和商业领域的矩阵也在发展之中。

虽然新版矛盾矩阵的形式和内容变化很大,但专利分析结果证明,Altshuller提出的TRIZ基本原理并没有过时。

②物质场模型和ARIZ

RLI公司的LeonardodaVinci分部针对物质场分析模型的不完备性,提出了新物质场三元分析法－Triads。

Triads把系统功能定义为三个物质的相会作用,即使能物质,主动物质和被动物质,主动物质通过使能物质作用于被动物质,每两个物质之间的作用可以看作是古典TRIZ的物质场模型。

另外,该公司还开发了八个问题解决算法,用于简化古典ARIZ的问题解决步骤。

采用新算法可大大缩短解决方案产生时间,而且产生的方案不止一个,便于从不同的视角对解决方案进行优劣比较。

③其他改进

IdeationInternational公司开发了预期失效判定（AnticipatoryFailureDetermination）新工具用于分析,预测和消除系统、产品和工艺过程中可能的失效机理,以及直接进化模式（DirectedEvolution）来描述技术系统演化模式。

（3）研究方法和手段的改进

很多学者认为,TRIZ理论的继续完善和提高,仅仅通过研究技术专利是不够的。

TRIZ的强大来自于其结构化的知识方法论,因此现代TRIZ应该广泛地从管理科学,自然科学和艺术等全人类的知识遗产吸取营养,才能真正成为指导创新活动的科学。

TRIZ理论虽然经过50多年的发展,但是仍然没有发展成熟,对TRIZ的发展和完善仍在进行当中。

3.TRIZ问题解决流程

对大量专利的统计分析表明,95﹪以上的创新问题存在已知解决方案。

TRIZ的目标就是把创新问题转换为常规问题,利用前人的经验快速获得创新问题解。

图3为TRIZ问题解决流程的简化示意图。

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图3创新问题解决流程示意图

需要指出的是,TRIZ并不是解决创新问题的灵丹妙药,TRIZ也不能解决所有的创新问题。

TRIZ理论仅仅提供了一种新的思路和方法,成功解决创新问题还需要提高技术人员的综合素质。

4.TRIZ发展新趋势

进入21世纪以来,TRIZ出现了新的发展趋势,一是向非技术领域应用扩展加速,二是与其他西方创新设计理论的比较整合研究。

（1）向非技术领域不断扩展【29】【30】【31】【32】【33】【41】

TRIZ理论传入西方之初,主要应用于产品设计等传统技术领域,与QFD和稳健设计并称为产品设计三大方法。

不过,学者们很快发现,TRIZ理论有着更广阔的适用前景,可以应用于企业管理,社会政治,教育等非技术领域,近年来,非技术领域的应用案例不断增多。

但是,TRIZ在非技术领域的应用效果仍然有待检验,很多工具和方法也需要根据非技术领域的特点予以修改。

据有关学者统计,可用于非技术领域的TRIZ工具集有：

创新原理、矛盾分析、物质场模型、理想度、系统演化趋势等。

例如矛盾矩阵可以用于解决管理和组织矛盾；物质场模型可使高度复杂问题变得可视化；预期失效判定工具（anticipatoryfailurerecognition）可以预测和评估决策风险；系统演化定律可以预测未来的商业模式等。

另外,互联网的发展产生了一个很大的矛盾即：

信息量巨大和处理信息的时间太少（Toomuchinformation,toolittletimetoprocessit）,有的学者正在研究利用TRIZ解决这个矛盾,也许该矛盾的解决会创造新的商业模式。

（2）与其他设计理论的整合

TRIZ理论要想在产品全生命周期中发挥更大作用,必需与其他方法整合。

一般来讲,在产品开发周期中,TRIZ在技术战略选择和产品新概念产生阶段作用最大。

TRIZ与其他方法的比较整合研究是产品设计界的一个热点,这些方法主要包括：

质量功能展开（QFD）,稳健设计,价值工程,约束理论,公理化设计,田口方法和并行工程等。

很多学者尝试以一种设计方法为骨架,融入其他方法,从而克服其他设计方法的缺陷,创造一种适用于所有产品设计的理想模型。

但是,由于存在极高的学习成本,整合模型的推广并不理想,而且到目前为止,也没有一个公认的,理想的产品设计模型,对此的探讨也是本文作者的一个重点研究方向。

四、从整体把握TRIZ

TRIZ发展到现在,已经成为一个庞杂的理论体系,出现了很多研究分支,为了从整体上把握TRIZ,Bath大学的DarrellMann教授提出了TRIZ的层次说。

层次说把TRIZ分为三个层次,如图4所示,即哲学层,方法论层和工具层。

图4TRIZ理论层次图

从哲学层次上来说,TRIZ是一种新的哲学