基于U-TRIZ的SAFC分析模型，本文主要内容关键词为：模型论文,TRIZ论文,SAFC论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 经典TRIZ面临的问题 经典TRIZ是由G.S.Altshuller(1926-1998)本人及其所认可的学生们(从20世纪40年代中期到80年代中期)开发、完善的一套系统化创新方法[1]，其伟大之处在于使发明创新从此走上了一条遵循客观规律、应用发明方法的道路。前苏联解体后，随着经典TRIZ的研究人员移居到欧美等西方国家，TRIZ开始向世界扩散，受到了各国学术界和企业界的极大关注和热捧，被认为是20世纪以来最重大的发明，可与达尔文的生物进化论和马克思的人类社会进化论相提并论[2-4]。 尽管在过去的20多年TRIZ应用取得了很大进展，但是总体来说尚未达到人们预想的推广效果。从学员处经常听到的反馈是：老师讲得激情四射，学员听得热血沸腾，但回到企业解决问题时却不知如何使用。 21世纪初，国际上不少学者开始对经典TRIZ提出质疑并呼吁改革。通过总结，笔者认为经典TRIZ存在以下问题： 第一，经典TRIZ本身体系过于庞大，虽拥有多套定义和分析问题的工具但不够简洁明了，虽拥有多套解题工具但彼此间缺乏联系，既缺乏公理，又缺乏统一结构，并且在技术系统进化的真正动力和解题的核心理念方面缺乏明确的概念[5]。上述特点导致初学者难懂，特别是难以真正掌握和运用。日本TRIZ专家中川彻在日本理工大学曾对日本企业家做过2天培训，而学员们的反映是——似一头雾水，没有听懂[6]。英国TRIZ专家曼恩曾做过调查统计：在经过3天的培训后，只有5％的人能真正地深入理解和掌握TRIZ，多数人不能深入理解[7]。 第二，体系的复杂性导致培训时间过长且难以掌握。在俄罗斯，早期一些研究TRIZ的学者认为，真正掌握TRIZ至少需要5～8年。在中国，部分高端培训班的培训周期长达4个月——每月开展为期1周的集中培训，其余时间回单位练习应用。学员们普遍反映时间过长、难以坚持到底。Altshuller在一生中的后期曾提出经典TRIZ的下一阶段的开发目标：“如何将无限量的创造性问题统一为一种规范形式并提供相应的解决方案”。2014年年初，国际TRIZ协会(MA TRIZ)的TRIZ研究开发委员会(TRIZ R&D Council，TRDC)认为：“现在已经到了对经典TRIZ的主要基本理论进行修订的时刻了。其中一些最初的基本理论必须予以纠正，以适应新的实际情况。为了进一步推进，TRIZ界必须在新的基本理论下进行……”。 2 U-TRIZ与SAFC模型 2.1 U-TRIZ概述 笔者基于自身多年来努力学习经典TRIZ和长期深入科研院所、工矿企业开展应用培训的实践经验，结合对当前活跃在以色列、欧美等国家和地区的，包括SIT、USIT等流行版本在内的现代TRIZ的学习，提出了一个新的TRIZ的分支理论——U-TRIZ。“U”的全拼是Unified，意译为统一的TRIZ。U-TRIZ的重点在于： 第一，汲取了经典TRIZ以及现代TRIZ各分支理论的精华，建立了“物质—属性—功能—因果”(substance-attribute-function-result，SAFC)分析模型和U-TRIZ解题流程； 第二，统一并准确定义了各种常用技术术语； 第三，建立了强大的功能属性效应知识库； 第四，摸索出一套易学习、易弄懂、易应用、易出成果的培训方法，有助于在全国范围内推动创新方法教育的开展，迅速提高全民族的创新意识和创新水平。 U-TRIZ的解题流程如图1所示。
图1 U-TRIZ解题流程 人们总是乐于“解决”问题，而不愿在思考定义问题上多花时间。事实上，解决问题必须从“分析系统定义问题”开始。建立一个较好的、用于分析问题的统一模型，由此对技术系统进行深入、严谨的分析，可使我们全面认识组成技术系统的每个组件的属性和功能，梳理问题中隐含的逻辑链及其形成机制，为找出问题的根源奠定基础；从梳理出的逻辑链及其形成机制中，找出解决问题的所有可能的“突破点”；从所有可能的突破点中，找出“最优”的突破点，即在现有的资源条件下(知识、技术、时间和成本等)以最小的代价最高效地获得“理想化最终结果”(ideal final result，IFR)。 在U-TRIZ解题流程中，技术系统分析环节被特别加强，SAFC分析模型——它是实现迭代创新(产品改进求解)和原始创新的重要工具——就是为此而创建的。 改进的公理化设计理论(axiomatic design theory，ADT)和质量功能展开(quality function deployment，QFD)是实施原始创新(或突破性创新)不可缺失的工具：运用改进的公理化设计理论，通过需求、功能、原理、结构和参数链的反复迭代，准确定位市场需求；通过质量功能展开，将市场需求转化为客户最希望获得产品的属性参数。 限于篇幅，本文无法对U-TRIZ展开全面介绍，仅重点介绍U-TRIZ的独创分析工具——SAFC模型。 2.2 SAFC分析模型的基本构成 SAFC分析模型中各种符号的中英文全称见表1。
属性是用来阐明物质特性的一个重要概念，可用物质的物理、化学或几何参数来表达(如物质具有质量属性，其参数就是重量度量值)。属性会随时间的推移、空间的变化而改变，并具有方向性。人们常说“买商品就是买功能”，事实上，人们不仅仅需要功能，还要具有优良属性的产品。 物质分优良属性物质、场属性物质和效应物质。“功能”和“结果”都是两个物质属性相互作用的产物。一种物质有多种属性，同一种属性由多种物质具有，一种功能可以延展多种属性。 场是以某一特定物质为载体的一种特殊属性，某种场也可以由多种物质引起，如磁铁能够产生磁场，电流感应能产生磁场，超导环能形成更稳定、更强大的磁场。 效应是属性的输入和输出，是两个物质属性相互作用的结果。效应施加在被作用物质上即形成了功能。由于这种施加是必然发生的，因此通常我们认为两个物质的属性相互作用形成功能。多个效应组合可形成效应链。找到效应后就要找到效应的载体——效应物质，并将效应链转换为SAFC模型链。充分运用效应是实现创新发明的一条重要路径。 在SAFC分析模型中，
和
是两个相互作用的物质，各自对应的属性为
和
。习惯上，将物质
作为功能载体——发出动作的主体，将物质
作为接受动作的客体；
是实现功能后延展产生的、具有属性
的第三物质；
是物质
的属性
与物质
的属性
相互作用形成的、可能有用或有害的功能。标准的SAFC分析模型如图2所示。
图2 SAFC分析模型 2.3 SAFC分析模型的产生 应用SAFC分析模型，首先要接受一个公理：物质之间的相互作用是一种客观存在。物质之间必然发生相互作用是公理。恩格斯在《自然辩证法》一书中对两个有联系物质的属性的“相互作用”给予了精湛的说明：“当我们以当代自然科学的观点，从总体上观察运动着的物质时，相互作用是在我们面前最先发现的东西。我们观察到了一系列的运动形式：机械运动、热、光、电、磁、化学的化合与分解、聚合态的过渡、有机生命。所有它们(如果将有机生命暂时除外)，都在相互转变、互为条件，在一处是原因，在另一处是作用，热、光、磁、化学是物质的属性，两个有联系物质的相互作用形成功能”。 基于该公理，我们用如下5个推理来表示相互作用的逻辑关系。 推理一：功能是两个有联系物质的属性相互作用的结果，形成一个有用功能或有害功能，如图3所示。
图3 推理一 推理二：两个物质相互作用后形成的功能衍生属性可传递给第三个物质，如图4所示。
图4 推理二 推理三：因果是两个有联系物质的属性相互作用的结果，如图5所示(下层为因，上层为果)。例如，双金属片温控结构受热后之所以会变弯，是因为两个有联系的金属片1和金属片2具有不同的热膨胀性。
图5 推理三 推理四：功能和因果都是两个有联系物质的属性相互作用的结果。 由推理一和推理二形成的功能结果与推理三形成的因果结果具有完美的一致性，即物质
的属性
与物质
的属性
相互作用，既形成了功能结果
，也形成了因果结果
，并且功能结果
通过属性
与因果结果
相关联，
既是物质
的属性，也是
的衍生属性。将经典TRIZ中的物场、功能、属性和因果等多种创新要素整合到一个SAFC分析模型中，正是U-TRIZ的最大创新亮点，如图6所示。
图6 推理四 推理五：因果两个方面是相互依存、相互联接的。一个结果的产生，意味着一轮相互作用的结束，也意味着新一轮相互作用的开始。而前一轮相互作用的结果，正是新一轮相互作用的原因，预示着新的要素或全新事物的不断产生，如图7所示。
图7 推理五 2.4 SAFC分析模型的应用步骤 SAFC分析模型实质上是功能分析模型与因果分析模型的组合体(同时兼顾了物场分析和属性分析)。 绘制SAFC分析模型的步骤如下： 第一步，在界定的、有问题的技术系统范围内，识别并标注出所有相关的物质/组件，如
和
。 第二步，按照两两相互作用的物质/组件关系，将
和
作为三角形底端的两个顶点，分别向上标出导致两个物质产生功能的属性
和
。 第三步，在两个物质的上方(三角形中心位置)，标出两个物质的属性相互作用后产生的功能
并以实线连接，识别功能的类别，找出有害的、过渡的或不足的功能，确定需要解决的问题。 第四步，找到相互作用的两个物质的衍生物质
，并将之置于三角形的顶端。 第五步，用虚线连接
与
以及
与
，这两段虚线表示物质属性的传递次序和上层结果
的成因，再以
作为下一个SAFC三角形模型分析的起点之一，找到其属性
与另一个物质属性的相互作用，由此形成因果功能链。因果功能链的终止条件是：当不能继续找到下一层的原因时；当达到自然现象时；当达到制度/法规/权利/成本等的极限时。 第六步，实施对SAFC分析模型的转换，消除有害的或不足的功能，实现技术系统创新。 2.5 SAFC分析模型的转换 当
与
的属性相互作用而产生有害功能
以及不理想的物质
时，通过转换SAFC分析模型可以变有害功能
为有用功能
，同时可使不理想的物质
转变为较理想的物质
。通过以下3种途径可实现SAFC分析模型的转换(见图8)：①引入效应物质(E)；②引入新的场物质(F)；③引入新的、具有特殊优良属性的物质(A)，引入的新属性分别与
、
或
相互作用，从而形成新的功能和较理想的物质
。
图8 SAFC分析模型的转换 新属性可能来自外部引入的新物质属性，也可能来自物质
和
内部未被认识的或尚未被利用的隐性属性(不是藉由引入外部物质而获得)。对SAFC分析模型进行转换的实质是：人们在不同的时空条件下对不同相态的物质属性实施改变、增加、减少、测量和稳定等精心操作。 举例说明SAFC分析模型的转换：为了使带有衬垫紧固件中的楔子从难以拔出转换为可以轻易拔出，用具有属性
的低熔点合金衬垫替换原先的具有属性
的衬垫，如图9所示。
图9 SAFC分析模型转换——以带有衬垫紧固件中的楔子为例 3 SAFC分析模型的应用实例 3.1 实例1：工程难题解决——杰克逊纪念堂外墙腐蚀问题 杰克逊纪念堂的外墙因总有许多鸟粪而需要经常利用清洗剂清刷。久而久之，杰克逊纪念堂的外墙出现了被腐蚀的迹象。然而，与杰克逊纪念堂相距不远的林肯纪念堂却未出现过这种情况。这是什么原因？如何解决？ 学过TRIZ的大多数人都知道这个分析案例。作为比较，我们先用现代TRIZ中的经典因果分析、因果属性分析梳理出其因果链，如图10和图11所示。经典功能分析模型如图12所示。
图10 经典因果分析结果
图11 因果属性分析结果 在图10(经典因果分析)中，很多长方框被用线条串接到一起而形成因果链。每个下层长方框是上层长方框的原因，每个上层长方框是下层长方框的结果。每层的原因都可以是问题成因，但是唯有最低层的原因是根本原因。在图11(改进的因果属性分析)中，下层属性向上传递，默认两个物质属性的相互作用为“与”的关系，下层物质属性是上层结果的成因，而上层结果的属性又是更上一层结果的成因之一。即：“破损的外墙”源于“清洗剂”腐蚀了“肮脏的外墙”；“肮脏的外墙”源于“洁净的外墙”沾上了“大量的鸟粪”；“大量的鸟粪”是“饥饿的鸟”吃了“大量的蜘蛛”而留下的；“大量的蜘蛛”是因为“饥饿的蜘蛛”来吃了“大量的小虫”；“大量的小虫”是因为“充足的阳光”为之提供了可供食用的“灰尘”。无论是图12还是图13，一路将原因分解下来，不难看出，去掉一个最低层的根本原因即可解决问题，即设法不产生“有机的灰尘”或没有“充足的阳光”照射。在开放式大厅里想做到没有灰尘是不可能的，但是没有“充足的阳光”却不是难事。因此，为避免杰克逊纪念堂必须经常用清洗剂清洗墙面的最终解决办法竟是一个意想不到的、廉价的、极其有效的方案——只需给纪念堂的所有窗户拉上窗帘! 图12 经典功能分析模型 在经典功能分析(见图12)中，从功能分析的逻辑关系来看，鸟粪“污染外墙”和清洗剂“腐蚀外墙”是最终造成外墙破损的有害功能。一路追踪下去，充足的阳光是有机灰尘滋生虫卵的“温床”，如果没有阳光，也就没有鸟粪，也就没有清洗剂“腐蚀外墙”的有害功能了。解题结论同上。 如果采用U-TRIZ的SAFC模型分析这个问题，则可得到如图13所示的分析结果。
图13 SAFC分析模型实例——杰克逊纪念堂外墙腐蚀问题 从SAFC分析模型可以看出，因果属性分析和功能属性分析是同时进行的，完全可以得出同样的解题方案。在SAFC分析模型的因果属性分析部分，由于必须是两个物质属性的相互作用，因此两个物质属性之间只有“与”的关系，相互作用关系更为严谨。 3.2 实例2：技术预测——医学用核磁共振成像技术的产生历程 效应是指应用本领域或其他领域的有关定律或科学原理。按照定律规定的原理，将输入流转化为输出流即可实现需要的功能。单一效应往往不足以实现所需功能，多个效应的组合(“效应链”)会使系统功能更为强大。效应应用模式有多种形式，SAFC分析模型就可以很好地表示这种效应组合与更替关系。 医用核磁共振成像技术先后获得了5个诺贝尔奖，是应用效应链实现不断突破创新的典范之一。图14为医用核磁共振成像技术诞生历程的效应链；图15为医用核磁共振成像技术诞生历程的因果链；图16为医用核磁共振成像技术的SAFC分析模型。
图14 医用核磁共振成像技术诞生历程的效应链
图15 医用核磁共振成像技术诞生历程的因果链
图16 医用核磁共振成像技术的SAFC分析模型 Isidor Isaac Rabi发现，磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波后，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类对原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。Rabi于1944年首先获得了诺贝尔物理学奖；Felix Bloch和Edward Purcell共同开发了核磁精密测量的新方法并由此发现了核磁共振效应，于1952年获得了诺贝尔物理学奖。瑞士物理化学家R.R.Ernst在发展高分辨核磁共振波谱学方面做出了杰出贡献——包括脉冲傅利叶变换核磁共振谱、二维核磁共振谱核磁共振成像，于1991年获得了诺贝尔化学奖。瑞士科学家Kurt Wüthrich、美国科学家John B.Fenn和日本科学家田中耕因“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”，于2002年共同获得诺贝尔化学奖；美国科学家Paul Lauterbur和英国科学家Peter Mansfield凭借在核磁共振成像技术领域的突破性成就，于2003年共同获得诺贝尔生理学和医学奖。 3.3 实例3：产品改进——肾结石提取器的改进 传统的肾结石提取器(如图17a所示)通过手控金属线拉动夹钳提取结石，但因手易抖动且夹持力较小而无法破碎较大结石。如何开发一种新的结石提取器以实现对大结石的破碎？问题的关键是：必须在小空间内产生一个相对较大的力。而要将原来不稳定的小夹持力变为稳定的大夹持力，需要引入新的效应物质记忆合金，用“热量”和“伸缩性”两个物质属性替换原有属性——“抖动性”和“拉力”。现代的肾结石提取器(如图17b所示)将金属线改为形状记忆合金传力线，用热水加热形状记忆合金线至80摄氏度，使之处于超弹性相变收缩状态，其结果是形状记忆合金线能瞬间缩短，带动夹钳产生很大的夹持力，从而可以破碎较大的肾结石。传统的和现代的肾结石提取器的SAFC分析模型转换如图18所示。
注：图片来自网络，版权归原作者所有。 图17 传统的和现代的肾结石提取器示意图
图18 传统和现代肾结石提取器的SAFC分析模型转换 4 结语 由于SAFC分析模型将技术系统的物质、属性、功能和因果四个方面的分析融合在统一的结构中，因此用它来定义和分析问题会获得意想不到的效能： 第一，SAFC分析模型以相互作用的两个物质属性为核心要素，通过结构化、程序化的分析，从因果链或功能结构中的每个环节找到解决问题的突破口。 第二，SAFC分析模型可帮助工程师们准确地找到导致技术系统中产生有害功能的物质或组件的属性，借助于“效应知识库”对那些不需要的属性进行变、增、稳、减、测的有效操作。在如今的大数据时代，SAFC分析模型与效应知识库是上佳匹配。 第三，简洁明了的SAFC分析模型可使广大初学者迅速理解、掌握和运用。 对任何错综复杂的技术系统分析透彻之日，即获得理想化解题结果之时。参照“U-TRIZ解题流程图”开展的TRIZ创新方法培训，一般经历3个阶段、为期80个小时，之后就能独立地解决相应的发明问题。与过去通常举办的200学时的培训相比，培训时间实现了大幅缩短，从而使发明创新的时间和周期降至最短、成本降至最低。
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