技术系统完备性分析
曹福全 姜占民 常丽坤 曹纪明
(黑河学院黑龙江省TRIZ理论研究所 黑龙江黑河 164300)
基金项目：黑龙江省教育厅人文社科项目《TRIZ理论本土化策略研究》（11552176）；黑龙江省哲学社会科学规划项目《TRIZ本土化理论体系研究》（13D056）
摘要：技术系统进化法则是TRIZ的核心内容之一，但传统TRIZ进化法则工具化水平较低，不易于操作。本文对两个相关法则“完备性法则”和“能量传递法则”的工具化应用模式进行了探讨，分别给出了系统创建阶段和系统进化阶段完备性分析的方法步骤，并用实例加以说明。
关键词：TRIZ 完备性法则能量传递法则
TRIZ被称为技术系统进化论，TRIZ的核心就是技术系统进化法则。技术系统进化法则是TRIZ的核心内容之一。TRIZ的创始人G.S. Altshuller认为技术系统的进化并非随机的，而是遵循一定的客观进化模式，所有的系统都是向“最终理想解（IFR）”进化的，系统进化的模式可以在过去的专利发明中发现，并可以应用于新系统的开发，从而避免盲目的尝试和浪费时间[1]。
进化法则在系统演进过程中发挥着重要作用，但应用于具体创新环节时会发现其可操作性较弱，尤其初学者，往往无所适从。究其原因，一方面是对法则的理解程度，再者是多数进化法则更具“指导”意义，工具化水平较低。近年来笔者致力于TRIZ“本土化”的“S-TRIZ”理论体系构建研究，在“进化法则工具化”方向进行了探索。本文仅就应用TRIZ“完备性法则”和“能量传递法则”进行技术系统的完备性分析作以探讨。
一、完备性法则与能量传递法则
1.完备性法则
技术系统的建立是为实现一定的功能，只有当技术系统的每一个部分均达到最低工作能力，且所有部分共同形成的统一系统的最低工作能力得到保障时，该技术系统才有生命力。为此，系统必需具备能够实现其功能最基本的要素：执行装置、传动装置、动力装置、控制装置，各要素之间必须存在必要的物质、能量、信息和职能联系（图1）。图中箭头方向表示系统中能量传递的路径。
图1完备性法则示意图
完备性法则可以简单描述为：系统为实现功能，必需具备保障最低工作能力的基本组成要素和基本联系。
2.能量传递法则
技术系统是一个有效的能量传递系统，技术系统要实现其功能，必须保证能量能够贯穿系统的所有部分：能源—动力装置—传动装置—执行装置—产品，能量流向和流量由控制装置控制。能量流动路径缩短是技术系统进化的方向。该法则中“能量”的概念是广义的，包括来自于能源的动力流，也包括贯穿系统的信息流、物质流等。
3.完备性法则和能量传递法则的关系
由上述可知，完备性法则侧重于系统完成功能的必要组成和必要联系，能量传递法则侧重于联系的有效性和贯通性。或者说，前者是系统结构完整性考察，后者是组件联系协调性考察。按经典TRIZ理论，完备性法则作用于技术系统创立之初，用以保障系统最低工作能力，系统成功“生存”后，各功能组件已经基本“完备”，完备性法则就完成了其使命，由其他法则“打磨”系统开始进化；能量传递法则作用于系统的整个发展时期，不断缩短能量传递路径以提高理想度。
笔者认为，完备性法则事实上已经包含了能量传递法则的基本内容，二者即有区别又联系。可共同作用于系统创立之初，也可在进化阶段，用完备性分析的方法，结合能量传递法则定位系统问题，建立问题模型。
二、技术系统完备性分析
完备性法则和能量传递法则在系统创建阶段和进化阶段作用机制有所不同：在系统创立阶段，完备性法则致力于完善系统基本组件，能量传递法则致力于组件间联系的贯通；在系统进化阶段，完备性法则主要可用于定位操作区域，能量传递法则致力于优化能量传递路径。
1.技术系统创建的完备性分析
TRIZ认为，技术系统基于某种需求，为实现某种功能而创建。一开始，创建者并不清楚应该采用什么样的系统结构，或是有了基本思路却存在种种限制，此时完备性法则和能量传递法则开始作用，告诉我们系统必需具备的要素和联系。TRIZ划分了两个与实现功能直接相关的概念：“工件”和“工具”：“工件”即系统执行主要功能的“作用对象”，“工具”即作用于工件的“执行装置”。在完备性法则引导下，依据作用对象（工件）确定合适的执行装置（工具）和所需能量，继而确定保障执行装置最低工作能力的传动装置、动力装置和能量来源，以及协调和控制系统的控制装置。系统基本组件及基本联系确定后，依据能量传递法则规划能量传递路径。
技术系统创立的完备性分析简要步骤如下：
①定义新系统的名称；
②简述新系统要实现的主要功能和作用对象，阐述新系统（应具备的）特性；
③依据作用对象，确定执行装置和其所需的能量；
④依据执行装置和能量确定传动装置、动力装置及能源；
⑤考察系统的控制参数,确定控制装置；
⑥考察各装置间联系（能量传递）的连续性与有效性；
⑦确定外部控制；
⑧建立系统完备性分析结构图。
例1 铁牛打捞问题：我们以大家耳熟能详的宋朝年间怀丙和尚捞铁牛的故事为例，分析一下技术系统建立的完备性法则与能量传递法则应用过程。原“浮桥系统”由八只上万斤重的固定浮桥的铁牛、搭建浮桥的船、固定船的绳索、桥板等构成。洪水冲跨了浮桥，铁牛被冲入河底，深陷泥沙之中。
问题（管理矛盾）：为修好浮桥，铁牛需要尽快打捞，但笨重的铁牛陷于河底泥沙中，单凭人力很难打捞上来。
限制条件：铁牛过重；水制约了打捞行动。
可用资源：现成物质资源包括铁牛、水、（河底与岸边的）沙石、（水边常见的）船、绳索；现成场资源包括重力场、水的浮力场。
完备性分析过程如下：
①系统名称：铁牛打捞系统；
②主要功能：捞出；作用对象：铁牛；系统特性：克服铁牛重量，水中或水上作业；
③确定执行装置：沉重的铁牛需要足够的力量才能捞出，水的限制不能使足够多的人直接潜入水中打捞，很容易想到的是：少数熟悉水性的人用绳索拴牢铁牛，操作者在水面上通过绳索执行打捞作业，所以，确定执行装置为绳索；确定执行装置能量：本系统中能量用于产生绳索对铁牛的“牵引力”以克服铁牛的重量；
④传动装置：对铁牛的牵引力由绳索本身传递给铁牛，因而绳索本身兼为传动装置；动力装置和能源：谁能为绳索提供足够的“牵引力”？显然不能单纯依靠人力。考察系统及环境的能源资源和物质资源，水的浮力是克服铁牛重量的最有价值能源资源，因此确定能量来源为“浮力”，而物质资源中将浮力转化为“牵引力”的有效装置（动力装置）确定为“船”；
⑤控制参数与控制装置：本例中控制参数确定为船的重量：在用绳索固定铁牛时，船应“重”，以保证足够的吃水深度，打捞作业时要求船应“轻”，以保证产生克服铁牛重量的足够的浮力——船上应载有易于装卸的廉价的重物，据此确定控制装置为沙石；
⑥考察能量传递的连续性与有效性：系统可以保障固定铁牛时系统各组件的可靠联系，捞铁牛时能量（浮力）能够在船体产生后通过绳索有效传递致铁牛。为缩短能量传递路径，固定铁牛时应尽量收紧绳索；
⑦外部控制：装卸沙石的人；
⑧建立系统完备性分析结构图：
图2 铁牛打捞系统守备性分析结构图
由上例可知，技术系统创建的完备性分析一般是沿能量传递的逆向路径进行的，组件间能量传递应保证连续和有效。
2.技术系统进化的完备性分析
系统从创立走向成熟，是一个不断克服矛盾，优化资源，向最终理想解（IFR）目标进化的过程。在此过程中，由于系统基本结构和联系已经确定，完备性法则不再是引导我们怎样“组装”系统，而是可以通过当前系统完备性分析帮助我们确定问题所在的位置，能量传递法则与不再告诉我们如何“贯通”联系，而是帮助我们不断地优化联系。
技术系统进化的完备性分析简要步骤如下：
①阐述当前系统存在的问题（管理矛盾）；
②确定系统的动力装置、传动装置、执行装置、控制装置，绘制系统结构图；
③确定操作区域（问题所在的位置）、操作时间（问题发生的时间）；
④考察能量传递路径；定义工具和工件；
⑤如问题由工具或工件参数特性变化引起，则尝试用矛盾分析方法解决问题；
⑥如问题由工具和工件间能量传递（联系）因素引起，则尝试用物-场分析方法解决问题；
⑦如问题未解决，则重新描述问题。
图3为笔者在S-TRIZ中建立的技术系统进化的完备性分析算法：
图3技术系统进化的完备性分析算法
例2 移动电子设备充电系统的改进：不同移动电子设备，如手机、MP3、数码相机等充电器不能通用，造成使用不便和浪费。
根据描述，我们确定存在问题的当前系统为“移动电子设备充电系统”。
① 管理矛盾：移动电子设备充电器互用性差；
② 根据管理矛盾的描述，我们从非电气结构角度确定手机充电系统组成，动力装置：充电器；传动装置：充电线；执行装置：接头；控制装置：控制电路。系统结构如图4所示：
图4 充电系统结构图
③ 操作区域：执行装置（接头）部分；操作时间：充电器连接时；
④ 矛盾分析（简析）：确定矛盾为接口形状参数的物理矛盾，应用空间分离原理，将充电线与接头分离，一只充电器可配多个不同型号的接头。
接下来尝试系统新的改变。
⑤ 能量传递路径：电源→充电器→充电线→接头→移动电子设备。
⑥ 物-场分析（简析）：系统实现主要功能的部件是充电器，充电线和接头保障充电器与设备的连接。按能量传递法则要求，应向传递路径缩短方向发展，所以可考虑连接部分的缩减。最终理想解为：无需充电线和接头，充电器可直接为设备充电。由于此时缺少连接，则初始物-场模型为“无效完整物-场模型”应找到新的场建立连接，或改造现有场实现能量无连接传递。设备为工件S1，充电器为工具S2，充电电场为F1，新场为F2。物-场转换如图5。
⑦
⑧ 图5 缩短能量传递路径物-场分析模型
⑨ 方案：利用无线技术实现充电，如磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振[2]。
三、结论
TRIZ技术系统完备性法则主要作用于系统创建之初，沿能量传递的逆向路径引导新系统的建立。在系统进化阶段，完备性法则依然起作用，帮助我们定位冲突的位置。完备性法则与能量传递法则密切相关，可在系统创立阶段和系统进化阶段以不同方式协同作用。
参考文献
[1] 曹福全.创新思维与方法概论——TRIZ理论与应用[M].哈尔滨：黑龙江教育出版社，2009.
[2]360百科：http://baike.so.com/doc/4801849.html
