创新方法第2章 发明问题的情景分析与描述

创新方法原理第二章

第2章发明问题的情境分析与描述2.1发明问题的情境分析与描述 2.2理想设计 2.3实例分析

2.1发明问题的情境分析与描述发明情境：任何一种工作情境或环境、资源。设计中的可用系统资源对创新设计起着重要的作用，问题的解越接近理想解，系统资源就越重要。任何系统，只要还没达到理想解，就应该具有系统资源。对系统资源进行必要的详细分析，深刻理解对设计人员是十分必要的。

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2.1发明问题的情境(资源)分析与描述系统资源的分类直接应用资源导出资源差动资源

一、系统资源的分类系统资源可分为：内部资源与外部资源。内部资源是在冲突发生的时间、区域内存在的资源。外部资源是在冲突发生的时间、区域外部存在的资源。内部资源和外部资源又可分为：直接应用资源导出资源差动资源

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二、直接应用资源直接应用资源指在当前存在状态下，可被应用的资源。如物质、场(能量)、空间和时间资源都是可被多数系统直接应用的资源。物质资源：木材可用作燃料。能量资源：汽车发动机即驱动后轮或前轮，又驱动液压泵，使液压系统工作。场资源：地球上的重力场及电磁场。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 5

二、直接应用资源信息资源：汽车运行时所排废气中的油或其他颗粒，表明发动机的性能信息。空间资源：仓库中多层货架中的高层货架。时间资源：双向打印机。功能资源：人站在椅子上更换屋顶的灯泡时，椅子的高度是一种辅助功能的利用。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 6

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三、导出资源通过某种变换，使不能利用的资源成为可利用的资源，这种可利用的资源成为导出资源。原材料、废弃物、空气、水等，经过处理或变换都可在设计的产品中采用，而变成有用的资源。在变成有用资源的过程中，必要的物理状态变化或化学反应是需要的。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 7

三、导出资源导出物质资源：由直接应用资源，如物质或原材料变换或施加作用所得到的物质。如毛坯是通过铸造得到的材料，相对于铸造的原材料已是导出资源。导出能量资源：通过对直接应用能量资源的变换、或改变其作用的强度、方向及其他特性所得到的能量资源。如变压器将高压变为低压，这种低电压的电能成为导出资源。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 8

三、导出资源导出场资源：通过对直接应用场资源的变换、或

改变其作用的强度、方向及其他特性所得到的场资源。导出的信息资源：通过变换设计不相关的信息，使之与设计相关。如地球表面电磁场的微小变化可用于发现矿藏。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 9

三、导出资源导出空间资源：由于几何形状或效应的变化所得到的额外空间。双面磁盘比单面磁盘存储信息的容量更大。导出时间资源：由于加速、减速或中断所获得的时间间隔。被压缩的数据在较短时间内可传递完毕。导出功能资源：经过合理变化后，系统完成辅助功能的能力。锻模经适当修改后，锻件本身可以带有企业商标。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 10

四、差动资源通常，物质与场的不同特性(差异性)是一种可实现某种功能的资源，这种资源称为差动资源。差动资源分为：差动物质资源差动场资源安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 11

1.差动物质资源1)结构各向异性各向异性是指在不同的方向上物理性能不同。这种特性有时是设计中实现某种功能的需要。光学特性：金刚石只有沿对称面做出的小平面才能显示出其亮度。电特性：石英板只有当其晶体沿某一方向被切断时才具有电致伸缩的性能。声学特性：一个零件内部由于其结构有所不同，表现出不同的声学特性，使超声探伤成为可能。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 12

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1.差动物质资源机械性能：劈木材时一般是沿最省力的方向劈。化学性能：晶体的腐蚀往往在有缺陷的点处首先发生。几何性能：只有球形表面符合要求的药丸才能通过药机的分检装置。不同的材料特性：不同的材料特性可在设计中用于实现有用功能。例1:合金碎片的混合物可通过逐步加热到不同合金的居里点，然后用磁性分拣的方法将不同安徽合肥东北大学的合金分开。赵新军 2009.06.09 13

2.差动场资源场在系统中的不均匀可以在设计中实现某些新的功能。 1)场梯度的利用。例2:在烟筒的帮助下，地球表面与具有一定高度的炉子烟筒产生的压力差使炉子中的空气流动。 2)空气不均匀的利用。例3:为了改善工作条件，工作地点应处于声场强度低的位置。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 14

2.差动场资源3)利用场的值与标准值的偏差例4:病人的脉搏与正常人不同，医生通过对这种不同的分析为病人看病。在设计中认真分析各种系统资源将有助于开阔设计者的眼界，使其能跳出问题本身，这对设计者解决问题特别重要。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 15

侦探小说片段我没有杀死他，郡长先生，您应该相信我，您必须相信我！”“我

只相信事实。”郡长反驳道：“事实与你说的不一样，小伙子。在那星期有人见过你威胁普尔顿先生。普尔顿是被科尔特手枪打死的。与你用的那支科尔特手枪一样。我们没找到子弹，这倒是事实，但我们的专家断定两支手枪的口径一样。何况你没有不在现场的证据。”安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 16

侦探小说片段“您应该相信我!”尼克绝望地说：“我没开过枪，我向您发誓。不信您看，我的手枪完全是干净的……。”郡长笑了笑。“谋杀是在两天前发生的，”他说：“你有时间把枪擦干净……。”假若请您当专家，您一定会从发明立场解决课题。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 17

解决方案

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2.2理想设计理想设计的基本介绍

一、理想设计的基本介绍1.理想化把所研究的对象理想化是一种最基本的自然科学方法。理想化是对客观世界中所存在物质的一种抽象化，这种抽象的客观世界既不存在，又不能通过试验证明。理想化的物体是真实物体存在的一种极限状态，对于某些研究有很重要的作用。19安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 20

利用理想设计实现创新

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1.理想化在TRIZ中，理想化的应用与描述包括：理想机器：没有质量，没有实体，但能完成所需要的工作。理想方法：不消耗能量和时间，但通过自身调节，能够获得所需的效应。理想过程：只有过程的结果，而无过程本身，突然就获得了结果。理想物质：没有物质，功能得以实现。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 21

1.理想化技术系统是功能的实现，同一功能存在多种技术实现形式，任何系统在完成所需的功能时，都产生有害功能。为了对正、反两方面作用进行评价，采用如下的公式：

有用功能之和理想化(度)=有害功能之和安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 22

1.理想化系统的理想化提高，产品的竞争能力将提高。增加理想化有以下四种方法： 1)分子增加的速度高于分母增加的速度。即有用功能和有害功能都增加，而有用功能增加的快一些。 2)分子增加，分母减少。即有用功能增加，有害功能减少。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 23

1.理想化3)分子不变，分母减少。即有用功能不变，而有害功能减少。 4)分子增加，分母不变。即有用功能增加，有害功能不变。

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2.理想设计概念现实设计和理想设计之间的差距理论上应该可以减少到零。理想系统可以实现人们理想中的某种功能，而实际上该系

统并不必存在。所以，这个理想的模型理所应当成为人们追求的目标。理想设计打破了很多传统的认为最有效的系统。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 25

2.理想设计概念一个主要的，有用的功能，可以用一个并不存在的系统来实现，这种思维方式可以使创新设计在短时间内完成。设计在月球车上使用的探照灯的人遇到一个棘手的问题，他们想为灯找一个灯罩，这样可以防止灯丝承受冲击和氧化。

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2.理想设计概念理想设计可以使设计者的思维跳出问题的传统解决方法，在更广泛的空间里寻找最优方案。例1:理想的容器就是没有体积的容器在实验过程中，需要将待试验物放入一个盛满酸的容器里。在预定的时间后，打开容器。酸对待试验物的作用可以被测量出来。但是，酸会腐蚀容器壁，容器壁上应该涂一层玻璃或者一些其它的抗酸材料。但是，这样的设计将使试验费用猛增。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 27

例1:理想的容器就是没有体积的容器一切可利用的资源就是待试验物，空气，重力，支持力等等。理想设计是将待试验物暴露在酸中，而不需要容器。转化后的问题就是找到一种方法可以保持酸和待试验物接触，而不需要容器。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 28

例1:理想的容器就是没有体积的容器

例2:太空船额外的重量问题在去金星的太空方案确定以后，一位很有影响力的科学家想把自己重10千克的试验设备装在这次太空旅行中。但是，他被告知已经太晚了，因为太空船所承受的每克质量都已计算安排好了。答案：这位科学家把太空船上16千克的压舱物，用他的10千克试验设备来替换。在这里，压舱物是一种未经确认的资源。这样，这个问题就得到最优的解决方案，即没有改变原计划，又满足了科学家的要求。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.0930

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没有体积的容器

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二、利用理想设计实现创新1.提高理想化程度的六种方法1)去除辅助功能 2)去除元件 3)识别与自服务 4)替换零部件或者整个系统 5)改变操作原理 6)利用资源安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 31

1.提高理想化程度的六种方法1)去除辅助功能辅助功能就是支持或辅助主功能执行的功能。在很多情况下，辅助功能可以被去除 (还有和辅助功能有关的零件或部件)它们的去除并不恶化主功能的执行。

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1)去除辅助功能例3:不需要溶剂的颜料用普通的颜料给金属表面着漆时，颜料溶剂就会发出有

害气体。用粉末状的颜料和静电场就可以解决这个问题。将颜料粉末撒在金属表面上，然后加热金属零件，颜料就会熔化，这样就可以实现金属表面的涂漆，同时也不会有有害气体放出。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 33

例3:不需要溶剂的颜料

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2)去除元件考虑用自然资源实现某种功能，进而可以去除某些系统元件。 (1)物质资源物质资源包括组成系统和系统环境的所有资源。迅速可用资源包括：废弃物、衍生资源和变形态物质

1)物质资源例4:利用物理效应提高化学焊接精度不能承受高温的工件可以通过化学焊接方法被焊接起来。和两个工件都能发生反应的材料可以用来实现这种焊接效果。为了提高化学焊接的精度，常常将起反应的反应物暴露在紫外线下产生作用。将工件和反应物的相互位置安排好后，用紫外线照射焊接部位，紧接着焊接就发生了。35安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 36

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例4:紫外线被用于化学焊接

(2)功能资源功能资源包括系统功能和系统所处环境完成的附加功能。一个最优的设计结果就是能得到额外(意外的)益处，这样可以提高创新的程度。比如，通过锻炼一只胳膊而想使另一只胳膊也得到锻炼。最优结果是全身都得到一定程度得锻炼。资源包括：已实现功能的运用，最优方案的应用，有害功能的应用。37安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 38

(1)选择焊接材料(2)暴露在紫外线下(3)完成焊接安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09

例5:利用血液的不相溶性(有害功能的运用)不同类型的血液相遇时，就会产生血液凝块。这种效应可用于防止流血的紧急情况。把一块浸透了不同类型血液的衬垫物放在伤口上，就可以止血。

(3)场资源利用(例6)可用场资源代替系统元件例6:地面和电离层之间的电势差可以产生大约100V/m的低电容电场。这就意味着，当一个人在户外时，从他的头部到脚部的电压在数值上等于他的身高,当飞机在低海拔处飞行时,建议使用电场来控制飞机。

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3)识别与自服务为了同时完成辅助功能，有可能牺牲某些主要功能，也可能将实现主要功能的方法用在实现辅助功能上。很多时候，如果没有辅助元件，系统将会变的更有效率。将容器做在待试验物上的腐蚀试验就是一个自服务的例子。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 41

例7:在运输过程中转动回转轴电器，涡轮喷气机的发动

机和其他机器都有已经和球形轴承装配好的重型回转轴，运输很困难。因为运输过程中，不可避免要引起振动，而振动会使固定承载的一定部位产生凹陷。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 42

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例7:在运输过程中转动回转轴为了避免出现这种情况，回转轴必须周期性的转动。所需要的特殊机械装备很昂贵。实际上，振动本身就可以驱动回转轴转动。将一个钟摆挂在回转轴上，同时，钟摆还要被连在一个棘轮上，棘轮只允许一个方向上的运动。振动产生的力使钟摆来回摆动，当它回到原位置时，就会驱动棘轮转动，然后回转轴就会转动。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 43

例7:在运输过程中转动回转轴

一个钟摆可以用于运输重型机械安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 44

4)替换零部件或者整个系统考虑用一个模型或复制品。考虑用一个简单的复制品替换一个复杂的零件 (或一部分)。考虑暂时或长久的用一个物体的复制品。考虑用一个与实物一样大或与实物成比例的物体代替功能性不强的元件。特别应考虑应用仿制品。

例8:模拟着陆轮胎的牵引力下雨天，飞机在着陆过程中其轮胎上的牵引力是一个不确定的数值。为了得到着陆轮胎牵引力的即时数值，用测试车上的一个车轮模仿飞机着陆轮的运动，测试轮的速度是其它轮速度的90%。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 46

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例8:模拟着陆轮胎的牵引力当测试车通过飞机跑道时，一个电脑程序就会从测试轮上采集数据，转换信号。然后，测试结果就会通过无线电装置传送给正在着陆的飞机。华盛顿、哈特福德、布法罗、底特律和亚特兰大的飞机上都采用这种测控系统。

例8:模拟着陆轮胎的牵引力

用测试车可以提供着陆飞机轮胎牵引力的瞬间数值安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 47安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 48

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5)改变操作原理为了简化系统或操作过程，考虑改变最基本的操作原理。例9:使软玻璃片保持平面状态玻璃片在传送带上运输时，热的、软玻璃片 (用来生产玻璃板)总是在辊子中间的空隙地方松弛下垂。这样玻璃片就不能保持其平面状态。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 49

例9:使软玻璃片保持平面状态理想系统是不能产生松弛下垂现象，如果辊子直径很小,就可以避免出现松弛下垂现象。那么什么样的辊子直径最小? TRIZ解决方案：为了运输热的玻璃片并保持其平面状态，就把它飘浮在融化的锡池上。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 50

6)利用资源资源就是物质、场

(能量)、场特性、功能特性和存在于系统或系统环境中的其它属性，这些资源对一个系统的改进都很有用。资源：物质资源、场资源、空间资源和时间资源对于大多数系统而言都是有用资源。

(1)物质资源的利用物质资源包括组成系统和系统环境的所有资源，那么任何一个没有达到理想化的系统都应该有可利用的物质资源。例10:利用一种污染物(废弃物)消除另一种污染为了防止污染，从热力发电站排出的污水都要用碱性化学物质(碱性炉渣)处理。这种碱性炉渣本身来自以煤为燃料的发电站，在那里，这种炉渣也是一种污染物。通过应用碱性废水(清洗炉渣所得)处理废气，两种有害的废弃物相互中和。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 52

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例10:利用一种污染物(废弃物)消除另一种污染

例11:用一种产品(系统元件)防止污染一辆卡车的承载物，比如矿石材料，就可以被用来吸收有害废气。在北方，雪就可以被用作一种过滤器。

碱性污水可以用来消除废气，两者互相中和。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 53安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 54

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例12:用一个系统元件测试温度为了防止系统零件(如，轴承)过热，需要把一个含有热电偶的温度控制装置安装在最容易产生热量的地方。滑动轴承包括一种插在金属环里的导电物。金属环和其他主体零件安装在一起。通过应用金属环和主体之间的热电偶关系可以防止过渡发热。也就是说，如果热电偶检测到的温度高于一定的数值时，自动启动冷却系统。

例12:用一个系统元件测试温度

滑动轴承可以和热电偶组合起来阻止过渡发热安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 55安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 56

例13:用一种自然资源来预防危险在煤井里，可能发生的一种危险就是煤粉引起的爆炸。在北方的煤井里，雪被吹进煤井，就可以防止发生爆炸。因为雪聚积在煤井里，然后慢慢融化，这样煤井里的温度就会降低，从而可以起到防止爆炸的作用。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 57

例13:用一种自然资源来预防危险雪可以通过降低煤井里的温度来防止煤粉所引起的爆炸。

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例14:用一种自然资源测量一种属性在生产具有不规则形状或细颈的工业用陶瓷容器时，容器的壁厚必须准确测量。水常用于这项测量。为了完成测量，容器里盛满由于放入盐而具有更强导电性的水。电阻表的一个电极插入水中，另一个电极接触容器的外表面。通过这种方法，就可以

获得和容器厚度成比例的电阻值，进而可以得到壁厚的准确值。

例14:用一种自然资源测量一种属性

利用水和电阻表测量容器壁安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 59安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 60

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(2)导出(衍生)资源导出(衍生)资源是经过某种转化后才可以利用的资源。原材料、产品、废弃物和其它系统元件，包括水、空气等等，它们都是不能在存在状态可以直接利用的资源，一般都要经过某种变化才能成为可利用资源。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 61

例15:转变废弃物从而可以节约有用资源餐馆，酒吧和咖啡馆都要用大量的洗涤剂洗盘子。为了节约肥皂，在清洗之前，餐具常常要浸泡在重碳酸钠溶液里，这样餐具上残余的脂肪就会和重碳酸盐发生反应生成脂肪酸盐。换句话说就是安徽合肥洗涤剂。东北大学赵新军 2009.06.09

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(3)改变物质形态通过改变现存系统的某些元件来寻找克服障碍的方法；通过改变系统中的某一个元件从而获得空间、时间或某种有用的物质；或者通过改变某一个物质消除一种负面效应。比如：可以通过升华、蒸发、烘干、研磨、熔化或者溶解的方法改变物体状态，从而可以使过程简单化。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 63

例16:物体完成有用功能后，使其消失飞碟射击中的飞碟是粘土做成的。射击后地面丢满了粘土碎片。如何降低成本？用冰或肥料能否做飞碟呢？

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例17:双向翻转梨

(4)时间资源时间资源包括动作开始的时间间隔、结束后的时间间隔、工艺循环过程的时间间隔，这些时间部分或全部都是没用的。有效利用时间资源有一下几种方法：改变物体的预备布置时间有效利用暂停时间段使用并行操作除去无价值的动作安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 65

使物体具有可调方向性，因此当它在两个方向上运动时，仍然可以正常工作，而不是仅仅在一个方向上。具有左右刃片的犁可以实现连续耕地。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 66

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2.实现理想设计的四步骤第一步：描述需要改进的系统性能熔炉里的温度很高，为了防止炉壁温度过高，需要用水来降温。降温系统所需要的水是用管子抽出来的。如果管子出现裂缝，水就会漏出来，这样就可能使熔炉发生爆炸事故。第二步：描述理想的性能当出现裂缝时，水要保持在管子里。描述的更准确一些就是：水不能离开管子。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 67

2.实现理想设计的四步骤第三步：能想出怎样的方案实现理想性能？换句话

说，就是有没有一个现成的方法来实现这种功能。如果你的回答是肯定的，那么就是说你已经有了新的方法，不过，务必要证明一下。如果你的回答是否定的，那么，应该考虑一下怎么更有效的利用资源。如果你的回答是肯定的，但是这种方法还有一些其它的冲突和矛盾，那么应该去解决该矛盾。68

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2.实现理想设计的四步骤如果有一个障碍物阻止你去实现理想状态，那么描述该物体并搞清楚为什么它是一种障碍。“管子里的压力大于管外的压力。”第四步：你认为做出什么样的改动才能克服这个障碍管子里的压力应该比管外的压力小。因此，应该有一个真空抽水泵。这样，这个问题就得到了最终的解决。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 69

2.3实例分析例1:为了制作预应力钢筋混凝土，需要拉伸钢筋(钢条),然后在拉伸状态把钢筋固定在模型里并注入水泥。在水泥硬化后，把钢筋两头松开，钢筋缩短并使水泥收缩，从而提高了钢筋混凝土的强度。安徽合肥东北大学赵新军 2009.06.09 70

用耐热金属材料使钢筋得到需要的拉伸量

例2:发电的理想方法

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应用Seebeck效应为偏远山村的住户提供有限的电能

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主要内容发明问题的情境分析与描述理想设计实例分析

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