1.2 TRIZ基本概念及工具介绍

本节对本书中用到的TRIZ基本概念及工具进行介绍，明确相关概念。有关TRIZ更多详细的介绍，请参阅《工程师创新手册》（姚威等，2015）。

1.2.1 发明等级

在阿奇舒勒开始对大量专利进行分析、研究之初，他就遇到了一个无法回避的问题：如何评价一个专利的创新水平？海量的专利之中，有的是在原有基础上，对技术系统内某个性能指标进行简单改进；有的专利则是提出了原来根本不存在的全新技术系统（如蒸汽机、飞机、互联网的发明），这些是人类科技发展史上的里程碑，具有极高的技术含量。显然，这两种专利在创新水平上是有差距的，那么该如何制订一个相对客观的标准来评价它们在创新水平上的差异？这样的标准可以将专利分门别类，以便更加科学、有效地进行剖析。阿奇舒勒认为，克服技术系统中存在的矛盾，是创新的最主要特征之一。基于这样的思想，阿奇舒勒提出了发明专利的五个级别，如表1.1所示。

下面以飞机设计和制造领域的案例具体比较和解释这五级发明的内涵：

第一级发明：解决方案明显，属于常规设计问题或者是技术系统的简单改进，可以利用个人的、本领域的相关专业知识加以解决，大约35%的问题属于这一级。例如将单层玻璃改成双层玻璃，以增加飞机客舱的保温和隔音效果；再比如运用高强度工程塑料代替飞机上的某些传统金属部件，既能够保证材料强度，又能够减轻重量，易于加工，方便个性化定制——这是技术系统的简单改进，属于一级发明。

第二级发明：对技术系统的局部进行改进，所需知识仅涉及单一工程领域，常常利用折中设计思想降低技术系统内存在矛盾的危害性，大约45%的问题属于此等级。例如，需要增加某型号飞机的发动机功率，然而问题在于，发动机功率越大，工作时需要的吸入空气越多，发动机整流罩的直径就要增大。整流罩增大，从而机罩离地面的距离就会减小，而该距离的减小是不允许的，此为一对矛盾。折中解决方案的思路是这样的：增大整流罩直径，以便增加空气的吸入量，但为了不减少与地面之间的距离，将整流罩底部的曲线变为直线，以增加离地面的距离，这样的解决方案属于二级发明，如图1.1以及图1.2所示。

第三级发明：对技术系统进行本质性的改进，大大提升了系统性能，这其中所需的知识涉及不同工程领域，设计过程需解决矛盾，大约16%的问题属于此等级。例如，将传统的活塞式发动机改进为喷气式发动机，能够把吸气、压缩、燃烧、做功四个工作过程连接起来，增加了能量密度，属于三级发明。

第四级发明：全面升级现有技术系统，引入完全不同的体系和全新的工作原理来完成技术系统的主要功能，这需要不同科学领域的知识，大约3%的问题属于此等级。例如，在制造飞机高强度部件时，需要用到金刚石刀具进行切割，此时不希望金刚石内部有微小裂纹。因此需设计一种设备，可以将大块金刚石沿已存在的微小裂纹的方向将其分解为小块，保证每个小块内部没有裂纹。

该问题的解决，需要用到其他领域的知识。在食品工业中，将胡椒的皮与籽分开采用升压与降压原理。首先将胡椒放在容器中，将容器中的空气升至八个大气压，之后快速降压，胡椒的皮与籽就分开了。采用同样的道理，设计一个耐压容器，将大块的金刚石放入，之后升压（具体压力值可由实验得到），突然降压，大块金刚石将沿内部微裂纹分开。通过升压/降压分解金刚石的原理来自于机械行业以外其他科学领域的知识，属于四级发明。

第五级发明：通过发现新的科学现象或新物质来建立全新的技术系统，所需知识涉及整个人类的已知范畴，只有约1%的问题属于此等级。在这个过程中，新的技术系统逐步融合到社会发展过程中，原有技术系统被逐步淘汰。例如，电磁感应的发现成为发电机发明的基础，蒸汽机和内燃机逐步退出历史舞台；质能方程的提出为后续原子弹的发明做了根本性铺垫，这些都是人类科技发展史上的里程碑，属于五级发明。磁流体发动机的飞速发展将有可能取代现有的涡轮或冲压发动机，使低成本的超音速飞行成为可能，但为适应超音速飞行，飞机的气动布局、航控系统等都将进行相应调整，从而颠覆整个传统的飞机制造领域，也将对人类的出行方式造成影响，因此可视为五级发明。

阿奇舒勒认为，第一级的发明只是对现有的系统的某些参数进行简单改进，并没有针对性地解决矛盾，因此归类为一级发明；而对于第五级的发明，通常起源于重大的科学或者技术的进步，进而引起人类社会的巨大变革，而这样的发明不到发明总数的1%。研究表明，TRIZ可以帮助人们完成至少80%的创新产品技术课题；通过不断地、充分地实践，学会综合利用TRIZ所有工具，则实际上可以帮助人们程序化地迅速解决95%的课题。

1.2.2 技术系统

技术系统，是指人类为了实现某种目的而设计、制造出来的一种人造系统。该定义阐述了技术系统的两点本质：第一，技术系统是一种人造系统，它是人类为了实现某种目的而创造出来的，这也是与自然系统的最大差别；第二，技术系统能够提供某种功能，实现人类期望的某种目的，因此，技术系统具有明显的“功能”特征，在对技术系统进行设计、分析的时候，应该牢牢地把握住“功能”这个概念。

一个技术系统，往往是由多个组件（这个概念不仅仅局限于实体组件，虚拟的也可以）按照一定的关系组合在一起形成的。系统中最小的组件或组件之间的连接关系，通常被称为系统的元素。由这些元素组成的、具有一定功能的集合体通常被称作子系统。一个能够完成一定功能的技术系统往往是由多个子系统构成的。

任何技术系统包括一个或多个子系统，每个子系统执行自身功能，它又可分为更小的子系统。TRIZ中，最简单的技术系统由两个元素以及两个元素间传递的能量组成。例如，技术系统“汽车”由“引擎”“换向装置”和“刹车”等子系统组成，而“刹车”又由“踏板”“液压传动装置”等子系统组成。所有的子系统均在更高层系统中相互连接，任何子系统的改变将会影响到更高层系统。当解决技术问题时，常常要考虑与其子系统和更高层系统之间的相互作用。

子系统是当前系统的一部分，而超系统为可影响整个分析系统的外部要素。需要注意的是，“超系统”的概念与“环境”的概念是不同的，系统边界外的要素都可以算为环境要素，但只有系统外部环境要素与系统或系统组件发生关系时才作为超系统来考虑，不发生关系就不是超系统。例如以一部手机为当前系统进行研究，其子系统为“触摸屏”“信号收发系统”“CPU”等等，如果要研究的问题涉及无线网络信号的传输，则“无线路由发射器”肯定与系统有关，所以将其纳入超系统考虑。如果要研究的问题是触摸屏灵敏度的问题，不涉及信号发射与传输，此时“无线路由发射器”没有与系统发生作用，就不是超系统组件。

1.2.3 功能及功能的抽象表述SVOP

19世纪40年代，价值工程理论的创始人、美国通用电气的工程师迈尔斯首先关注功能的概念，迈尔斯认为，顾客买的不是产品本身，而是产品的功能。例如：冰箱具有满足人们“冷藏食品”的属性；起重机具有帮助人们“移动物体”的属性。因此企业实际上生产的是产品的功能，用户购买的实际上也是产品的功能。也就是说，功能是产品存在的目的。从系统科学的观点来看，功能是系统存在的理由，是系统的外在表现；结构是系统功能的载体，是系统的客观存在；功能是结构的抽象，结构是功能的具体。

功能（function）是指某组件（子系统、功能载体）改变或保持另一组件（子系统、功能对象）的某个参数的行为或作用（action）。关于这个概念，有以下几个要点需要注意：

（1）功能载体以及对象都必须是实体，不能是虚拟的物质或者参数，因为根据定义功能的载体和对象都是必须是组件（子系统、功能载体）。

（2）功能必须“改变或保持”对象的“某个参数”，因此功能是一种“客观存在”并“产生了影响”的行为或作用，因此，未发生的、推测或臆想的行为或作用都不是功能。此外，没有效果的行为或作用，即没有“改变或保持”对象的“某个参数”的行为或作用，不算功能。以人靠着墙站为例：墙改变了人的状态（不然人会摔倒），那么此时墙对人有支撑的功能，但如果人仅仅是贴墙站着，墙没有改变人的状态，此时墙对人没有功能。

在TRIZ中，功能是产品或技术系统特定工作能力抽象化的描述，任何产品都具有特定的功能。根据功能的定义，功能一般用“SVOP”的形式来规范定义功能，其中S表示技术系统或功能载体，V表示施加动作，O表示作用对象，P表示作用对象的“被改变或保持”的参数。在S（技术系统或功能载体）不言自明的情况下，可以将功能定义为VOP的简化形式。具体关系如图1.3所示。

其中施加的动作V建议尽量用抽象的动词表达，避免使用专业术语和直觉表达。TRIZ的功能定义建议采用抽象表达，是因为功能定义越抽象，引发的构想就会越多。而直觉表达其实描述的不是功能，而是功能执行的结果。直觉表达和抽象表达的区别如表1.2所示。

1.2.4 属性

属性是物质相互作用的本质（Sickafus,1997），功能（包括有用功能、有害功能、不足或过量功能等等）是不同属性间的相互作用所产生的（张武城等，2015），但在很多情况下人类难以对属性进行直接的观察和影响，这就需要借助参数。参数是有量纲的，能够被有效地检测、分析以及改变。因此参数能够体现特定条件下属性的量值及其变化过程。对属性应有以下的认识（张武城等，2015）：

①不同类型的对象具有不同的属性。

②同种类型的对象具有相同的属性，但是量值不同。

③同一个对象常表现出多种属性。如内燃机系统中油的属性有流动性、黏度、可压缩性、润滑性、与系统材料的兼容性、化学稳定性、抗腐蚀性、快速释放空气、良好的反乳化性、良好的传导性、电绝缘性、密封性等等。

④属性会随不同时间而有所改变，并具有方向性。

牛津大学的属性知识效应库以解决工程问题中常用的属性（37个，如表1.3所示）为基础，将对属性的操作分成五类（改变、稳定、减少、增加、测量），构建了属性库表格。通过该表格作为索引，查找属性效应库，构建问题的解决方案。关于属性效应库的详细内容可见本书第四章。

1.2.5 理想度

技术系统是人类为了实现某种功能而设计、制造出来的一种人造系统，在技术系统使用和改进的过程中，其优劣需要得以评价和比较。在日常生活中这样的实例俯拾即是，如我们需要购置一台笔记本电脑，在下单之前会综合考虑其功能、外观、售价、重量、散热性等多方面因素，然后做出最优选择——简而言之，我们用“性价比”的概念来评价产品。用类似的思路来考察技术系统，则在TRIZ理论体系中引入了“理想度”的概念。其基本思路为，技术系统能够提供一个或多个有用功能（useful function），也会附带若干我们不希望出现的副作用，称为有害功能（harmful function）。同时，构建技术系统必须要付出一定的时间、空间、材料、能量等成本（cost）——综合考察，技术系统的理想度（ideality）等于系统实现的有用功能之和除以有害功能之和加成本之和：

技术系统不断改进的过程，表现为理想度的不断提升。以我们最熟悉的手机为例，其诞生初始被人们戏称为“大砖头”，质量和体积较大（零件多，制造成本高），信号不稳定（有害功能多），而且也只能实现打电话的功能（有用功能少）。经过若干年的改进，如今的手机已经彻底改头换面，有用功能大大增强（通话、短信、4G网络、App应用、智能终端等），有害功能得到削减（手机辐射、零部件发热等），成本降低也使得手机普及到每一个人手中——这些都表明手机系统的理想度得到了大幅提升。

提升系统的理想度方法，被称之为理想化设计。上一段的实例已经表明，增加有用功能、减少有害功能、降低成本等思路均可提升系统理想度，具体来讲理想化设计包括以下思路：

第一，增加有用功能的数量，或者提升现有有用功能的质量。通过优化提升系统参数，应用新的材料和零部件，给系统加入调节或反馈系统，通过系统与环境的互动引入额外的有用功能，均可达到此目标。

第二，减少有害功能的数量，或者减低现有有害功能的危害。通过预先防范、变害为利、变废为宝等，这样的过程既可以发生在系统内部的子系统之间，也可以发生在系统与环境之间。

第三，减小系统的体积和质量，降低系统实现功能所需的时间、能量，以及充分利用系统内可用资源（包括未占用的空间、空闲时间、储存的能量、信息甚至废料等），利用自然界已有的资源、现象以及科学效应，均可达到降低成本的目标，从而提升理想度。

1.2.6 理想化最终结果

随着技术系统的不断进化，其理想度会不断提高，极限的情况是系统的有用功能趋向于无穷大，有害功能和成本则趋近于零，二者的比值（即理想度）为无穷大。此时，技术系统能够实现所有既定的有用功能，但却不占据时间、空间（不存在物理实体），不消耗资源（能量），也不产生任何有害功能——这样的技术系统就是理想系统，这样的状态称为理想化最终结果（ideal final result，本书以后均称其为IFR），而基于理想系统的概念而得到的针对一个特定技术问题理想化解决方案的过程，称为最终理想解。

最终理想化的状态（即IFR）在现实生活中是不存在的，但是对解决发明问题具有极其重要的意义——首先，IFR为我们指明了创新的方向，能够保证在问题解决过程中始终沿着理想化的方向前进，从而避免了狭隘的视野以及盲目无头绪的试探，破除了传统方法中缺乏目标引导的弊端。其次，对IFR的追求也能规避因客观条件限制而被迫做出折中妥协的弊端，避免了心理惯性，提高了创新设计的效率。

1.2.7 资源

资源最初的含义更多是指金属、木材、煤炭、石油等自然资源。在TRIZ理论中，资源是一切可被人类开发和利用的物质、能量和信息的总称。

为什么要进行资源分析？因为TRIZ理论认为，解决发明问题必须指明“给定的条件”和要求“应得的结果”，而发明创造的过程就是从分析发明情景开始，包括技术、生产、研究、生活、军事等各种资源情景，对系统资源分析得越详细，越容易找到成本低甚至免费的资源，来实现或增加有用功能，以及降低负面功能，从而提升系统的理想度。因此，围绕理想度的定义，“理想”的资源有以下三个特征：

1．成本低：尽量廉价，免费最好。

2．功能好：能产生有用功能或抑制及消除有害功能。

3．数量多：要足够用，无限的资源最好。

因此，对资源进行合理分类，并以此为基础加以分析和理解是解决创新问题的必经之路。根据来源不同，可以分为来自系统内部的资源，以及来自外部环境（超系统）的资源。而根据类型不同可将资源分为以下六种：

1．物质资源。自然界、系统以及超系统中存在的任何物质和材料，如金属、塑料、煤炭、石油等等，都是物质资源。

2．信息资源。系统中任何存在或是能产生的信号，系统中累积的任何知识、信息、技能等，常用于检测和测量。与其他种类的资源相比，信息资源更加抽象，但是却具有非常重要的意义。例如，通过汽车发动机传出的声音来获取发动机的运行情况，中医通过望闻问切来估计患者的病情，人们通过一个人的脸色来判断其健康状况。这其中发动机的声音、患者的脉搏、个人的脸色都是信息资源，能够被人们获取并加以有效利用。

3．能量资源。能量资源是指系统中存在或能产生的场或能量流。一般能够提供某种形式能量的物质或物质的转换运动过程都可以称为能源。能源主要可分为三类：一是来自太阳的能量，除辐射能外，并经其转化为很多形式的能源；二是来自地球本身的能量，如热能和原子能；三是来自地球与其他天体相互作用所引起的能量，如潮汐能。

应用建议：考虑使用过剩能量，系统中或系统周围可用作其他用途的任何可用能量，都可看作一种资源，例如：机械资源（旋转、压强、气压、水压等）、热力资源（蒸汽能、加热、冷却等）、化学资源（化学反应）、电力资源、磁力资源、电磁资源。建议在使用过程中减少量损失，变害为利。例如：利用汽车的废气来升高温度；汽车发动机既驱动后轮或前轮，又驱动液压泵使液压系统工作；发电厂余热供工厂生产或居民取暖。

4．时间资源。包括了动作开始前、结束后以及动作周期中的时间间隔。有效利用时间资源有以下几个方法：第一，在动作开始前可以采取预先作用；第二，在动作结束之后进行相应的补偿或者辅助工作，拆除、修复、精加工或者清洗均可；第三，可以在动作进行的间歇中进行测量、调整、重置等工作；第四，在动作的进行过程中同时完成其他功能，可以提高时间资源的利用率。

5．空间资源。系统及周围可用的闲置空间如系统的内、外，上、下，正、反面，系统未用的空间以及其他维度，如反面、嵌套、空腔等。采用嵌套式结构的俄罗斯套娃、采用层叠式结构的组合衣柜等物品，都是充分利用空间资源的典型实例。

6．功能（效应）资源是一种特殊的资源，系统或是环境能够实现辅助功能的能力，或利用系统的已有组件以及改变子系统之间的连接、超系统引进新的独立技术时，所获得的有用功能或新技术。其源自于某一物质自身的特性，或者两个物质之间的相互作用，这种功能（效应）能够被利用，故称之为资源。例如，劈木材时要沿着其本身的纹路劈最省力，这就是木材本身所体现的特性，能够被人们利用；一个零件内部结构的不同，会表现为对声波不同的反射性能，这使得超声探伤成为可能；再比如，不同类型的血液相遇会发生凝血效应，将吸有不同血型的医用棉覆盖在伤者的出血部位，可以实现快速止血——这些都是应用功能（效应）资源解决问题的实例。

1.2.8 矛盾与工程参数

通过对大量发明专利的研究，阿奇舒勒发现，真正的“发明”往往需要解决隐藏在问题当中的矛盾。因此，矛盾是发明问题的核心，是否存在矛盾是区分发明问题与普通问题的标志，解决矛盾就成为TRIZ最根本的任务。

科学合理地刻画和描述矛盾，是解决矛盾的关键步骤之一。因此，阿奇舒勒在对大量的发明专利进行分析后，总结出39个适用范围广泛的通用工程参数（包括了质量，体积，速度，功率，结构的稳定性、可靠性等等），近年来被研究者扩充为48个工程参数。于是TRIZ使用者就可以将具体问题中的矛盾用合适的通用工程参数进行描述。例如，在坦克装甲加厚导致机动性下降这一矛盾上，可用“运动物体的质量”（改善的参数）和“速度”（恶化的参数）两个工程参数进行描述，从而将具体问题转化为典型问题，进而通过查询矛盾矩阵以及发明原理加以解决。

需要加以说明的是，用工程参数描述矛盾，这个过程没有标准答案，也不必拘泥于唯一的答案，可将你认为的矛盾统统列出，最终你会发现，对于同一问题，不同的矛盾可能会用到相同的发明原理，颇有所谓“殊途同归”之妙。

TRIZ理论明确地将矛盾分为两种类型，第一种为“技术矛盾”，也就是当技术系统的某个工程参数得到改善时，可能会引起另外工程参数的恶化，这种情况下存在的矛盾被称为“技术矛盾”（technical contradiction），即“此消彼长”。例如，增加坦克装甲的厚度，使得其抗打击能力得到提升，然而却引发了速度、机动性、耗油量等一系列指标的恶化。

技术矛盾出现的几种常见情况如下：

①引入或实现一种有用功能，同时导致或带来了一种有害功能；

②消除一种有害功能，导致另一个子系统有用功能减退；

③通过有用功能的加强或者有害功能的减少，使系统变得太复杂。

与技术矛盾相对应的另一种矛盾类型是“物理矛盾”（physical contradiction）。其定义为，为了实现某种功能，对同一个对象（或者同一个子系统）的某个工程参数提出了互斥的要求。例如，为了增加飞机的巡航距离，需要携带更多的燃油以提供能源。但同样是为了增加飞机的巡航距离，需要减轻飞机的重量，在飞机整体材料重量不变的情况下就要求携带更少的燃油——于是就对“物质的量（携带燃油量）”这一参数提出了互斥的要求，产生了物理矛盾。

物理矛盾出现的几种常见情况如下：

①一个子系统中有用功能加强的同时导致该子系统有害功能的加强；

②一个子系统中有害功能降低的同时导致该子系统有用功能的减退。

最后需要重点强调的是，技术矛盾的背后往往隐含着物理矛盾，技术矛盾可以转化为物理矛盾加以解决。如坦克耐打击性的提升，与机动性减退构成一对技术矛盾，但是其背后隐藏着的物理矛盾是“既要求坦克重量提升（装甲厚），又同时要求坦克重量减小（装甲薄）”。通过此种方式，技术矛盾能够转化为物理矛盾，因而物理矛盾是最尖锐、最核心的矛盾类型。

1.2.9 矛盾矩阵及发明原理

如前所述，TRIZ理论认为“矛盾是发明问题的核心”。阿奇舒勒通过对大量专利进行分析，提炼并总结出了常用的40个发明原理，同时他发现，相同的矛盾可用相同的发明原理解决。于是为了方便使用者更有效地分析技术矛盾并且应用相应的发明原理，阿奇舒勒构建了一个39×39（称之为经典矩阵，本书使用的为48×48的2003矩阵）的二维矩阵，矩阵的纵轴表示希望得到改善的参数，横轴则表示某技术特性改善引起恶化的参数，横纵轴各参数交叉处的数字表示用来解决技术矛盾时所使用创新原理的编号。使用者通过查表（如表1.4所示），得到TRIZ建议的某典型问题的典型解法（即若干条发明原理），然后根据这些原理的提示开发具体解决方案。

在矩阵中，对角线处的空格代表同一个参数既是改善的参数，也是恶化的参数，即物理矛盾。在经典矩阵（39×39）中，对角线是空白的。在2003矩阵（48× 48）中，TRIZ研究者们进行了补充，因此，应用2003矛盾矩阵，既可以像经典矩阵一样解决技术矛盾，也对解决物理矛盾大有帮助。

1.2.10 科学知识效应库

随着人类社会的发展，现代科技的分工越来越细，从求学阶段开始，工程师们就分别接受不同专业领域的训练。因此，一个领域的工程师往往不知道，也不会运用其他领域中解决问题的技巧或方法。同时，随着现代工程系统复杂程度的增加，一个技术领域中的产品往往包含了多个不同专业的知识。要想设计一个新产品或改进一个已有产品，就必须整合不同专业领域的知识才能解决问题。但是，绝大部分工程师都缺乏系统整合的训练。他们往往不知道，在其所面对的问题中，90%已经在其所不了解的其他领域被解决了。由于知识领域的限制，他们无法运用其他技术领域的解题技巧和知识。因此，可以说，工程师缺乏跨领域知识是创新的重大障碍之一。

正如阿奇舒勒在《创造是精确的科学》一书中所论述的：

“不难发现，简单的综合方法（如分割、反转、组合等），在宏观水平上占优势。在微观水平上占优势的那些方法，差不多总是用到物理（或者化学）效应和现象。因此，为发明家们提供关于物理学以及化学方法的系统资料就显得尤为重要，这可以大大提高他们将科学效应和现象用于发明的可能性。”

科学效应（简称效应）是在科学理论的指导下，实施科学现象的技术结果，即按照定律规定的原理将输入量转化为输出量，以实现相应的功能。阿奇舒勒在对大量高水平专利的研究过程中发现了这样一个现象：那些不同凡响的发明专利都是利用了某种科学效应，或者是出人意料地将已知的效应（或几个效应组成的效应链）应用到以前没有使用过该效应的技术领域中。例如，在食品工业中，将胡椒的皮与籽分开采用升压与迅速降压原理。同样的操作可应用于分割大块的金刚石。

阿奇舒勒及后续研究者通过对海量专利的分析，将自然科学及工程领域涉及的近千种常用科学效应按照从功能到知识的原则来进行编排，形成了基本学科知识效应库。后来按功能分类的实现预期功能的效应知识库（简称功能库），以及按属性分类的改变对象属性的效应知识库（简称属性库）也相继问世。

科学效应和现象知识库可能是TRIZ体系中最容易应用的工具。就像为浩瀚的知识海洋装上了准确高效的搜索引擎，只要使用者确定了需要实现的功能或需要改变的属性（就好像在搜索引擎中输入关键词一样），然后就可以看到相应的知识，非常便利。在CAI软件的帮助下，TRIZ中的知识库更是得到了极大的丰富，搜索使用也更加便捷。科学效应所体现的自然规律本性和固有可靠性（严格遵守自然法则），使效应成为获得解决问题资源（新属性）的绝佳方式。