1多冲突网络的构建
产品创新设计过程中往往包含多对互相交织、互相影响的冲突，这些冲突由于相互影响的关系，可以构建多冲突网络。多冲突网络的构建可以帮助设计者梳理冲突之间的关系，建立求解问题的模型，以降低问题的复杂性。1．1ENV模型为构建创新问题及其解决方案的规范形式，OTSM借鉴人工智能理论开发出了面向对象的ENV模型。该理论认为，解决问题的前提是对其进行系统而规范的描述。任何问题的描述都必须聚焦于问题产生根源，明确界定主要元素、元素的评价性参数及其相应量值，以及导致问题产生的元素及其相应参数与量值［2］，如图1所示。在ENV模型中，OTSM构建了两类参数：一类称为评价参数（EvaluationParameters），类似于经典TRIZ技术冲突中的工程参数，主要用于描述问题情形；另一类称为控制参数（ControlParameters），类似于经典TRIZ物理冲突中涉及的参数，它具有一对相反的量值，当其取定某个量值时，将对两个评价参数分别产生正向和负向影响，控制参数是解决技术创新问题的关键参数。区分评价参数和控制参数，不仅可将经典TRIZ的技术冲突和物理冲突联结成一个整体，而且可以表示更多的复杂冲突类型。因此，运用ENV模型能够直观而系统地描述任何初始问题情形，并根据两类参数的影响关系将各个冲突构建为多冲突网络，有利于降低多冲突问题的求解难度［5］。1．2冲突之间的内部联系复杂问题中的多冲突并不是单独存在的，往往是相互联系的。ENV模型认为，一个冲突往往包含一个控制参数和一对评价参数，多冲突网络中的不同冲突往往共用一个控制参数、一个评价参数或者一对评价参数，或者一个冲突的评价参数是另一个冲突的控制参数。同时冲突之间还存在因果关系，一个冲突的发生往往会引起另一个或多个子冲突的出现，或者一个子冲突的产生是由于一个或多个冲突的发生引起的。根据冲突之间的关系，利用ENV模型可以构建冲突网络。1．3多冲突网络的构建世界上的产品千差万别，冲突的表现形式也不尽相同，多冲突网络的结构形式更是多种多样。在对ENV模型深入研究的基础上，根据冲突之间的内部联系，构建多冲突网络，其中节点代表冲突，节点之间的连线代表冲突之间的相互联系。将多冲突网络的结构形式归为零星冲突、串联冲突、反馈冲突、并联冲突、混联冲突几类。（1）零星冲突：多冲突网络中的某些冲突之间无任何关联，也不在同一系统或者子系统中。（2）串联冲突：多冲突网络中的冲突存在因果关系，冲突A的发生往往会导致冲突B的出现，冲突B的发生又导致冲突C的出现，形成一个串联的冲突链，如图2所示。（3）并联冲突：多冲突网络中的某几个冲突共用一对评价参数，或者共用一个控制参数，形成一个并联的冲突网，如图3所示。（4）混联冲突：多冲突网络中的冲突存在着复杂的关系，将同时存在串联及并联冲突的多冲突网络。（5）反馈冲突：多冲突网络中的冲突存在因果关系，冲突A的发生往往会导致冲突B的出现，冲突B的发生又导致冲突C的出现，而冲突C又对冲突A产生了影响，形成了一个具有反馈影响的冲突环。当然，冲突环中不仅可以包含串联冲突，也可以包含并联冲突或者混联冲突，如图5所示。
2多冲突网络的求解策略
多冲突网络求解较复杂，需要确定冲突求解的顺序，首先选取最关键的冲突解决，以降低求解难度。可根据多冲突之间的联系对多冲突网络进行重新构建，将复杂的多冲突网络梳理成几个简单的网络，但冲突网中的冲突数量并没有减少。下面针对不同的冲突网提出不同的策略进行求解，以得到关键冲突。策略一：重要度排序。求解复杂的冲突网络，成百上千的冲突不知先选取哪一个解决为好，这时需要对多冲突进行重要度排序，选取最关键冲突解决。一个产品由多个子系统组成，先判断冲突属于哪个子系统，再判断产品的子系统对产品主要功能的影响程度，分为强、中、弱3级。从而对冲突进行重要度排序，以确定关键冲突。策略二：根原因分析。根原因是指导致事故发生的根本原因。根原因分析是一种结构化问题处理方法，用以逐步找出问题发生的根本原因并加以解决。根原因分析对于解决链式冲突，寻求链式冲突产生的根本原因意义重大。策略三：冲突合并。如果几个冲突共用一对评价参数，但彼此的控制参数不同，可以寻找一个中介的控制参数将这几个冲突合并为一个冲突，用一个冲突表示几个冲突［7］。如图6所示，冲突1和冲突2共用一对评价参数，将它们进行比较，看是否属于同一个系统。如果属于同一个系统，寻找中介参数———控制参数3，将两个冲突合并为一个新的冲突，如图7所示。下面根据五类冲突的特点采取不同的策略进行求解：（1）零星冲突：由于零星冲突之间没有任何关系，不能决定选取哪一个或哪几个冲突来解决，可以应用策略一，根据各个冲突对整个系统的影响程度，对冲突进行重要度排序，来选择最关键冲突来解决。（2）串联冲突：在串联冲突中，冲突A的发生会导致冲突B的产生，相继会导致更多冲突的产生，所以冲突A是其他冲突产生的根原因，一旦冲突A得到解决，其他冲突自然得到解决。应用策略二确定冲突A为关键冲突。（3）并联冲突：对于并联冲突，可以应用策略三，将几个冲突合并为一个冲突解决，最终化简了冲突网，得到一个关键冲突。（4）混联冲突：由于混联冲突同时存在并联和串联冲突，首先要采用策略三对并联冲突合并，然后再利用策略二进行根原因分析，得到关键冲突。（5）反馈冲突：如果反馈冲突中存在并联冲突，先应用策略三对并联冲突合并，整合成一个简单的链式冲突，再利用策略二进行根原因分析，寻求关键冲突。3种策略同时进行求解，定性定量的分析冲突结构，化简冲突网络，得到几个或多个关键冲突，如果得到关键冲突的数量为多个，仍需要采用策略一，进行重要度排序，最终得到几个最关键的冲突为求解目标，来简化求解过程，为求解关键冲突做准备。
3面向多冲突网络求解的产品创新设计过程模型
借助ENV模型定性定量分析了冲突之间的关系，构建了多冲突网络，并针对不同的冲突网络提出不同的求解策略，为下一步关键冲突的求解奠定了基础。在此基础上建立了面向多冲突网络求解的产品创新设计过程模型，如图8所示。该模型的实施步骤解释如下：第1步：已有产品问题分析。通过企业调研及市场调研收集现有产品的相关问题，对问题进行初步了解，确定产品的有用功能、主要功能、辅助功能及有害功能，并确定产品问题的相关系统及元素，为问题描述做准备。第2步：需求分析与预测。可综合运用市场需求，企业需求及技术需求对产品进行需求分析与预测，并发现其中的问题。市场需求是产品从低级向高级进化的根本驱动力，用户需求一定程度上决定了未来产品进化的方向和趋势；而企业致力于提高自己产品的功能的可用性，提升产品的质量，以期提高企业的知名度，为市场提供更好的产品及服务；技术需求则是产品进化的一种驱动方式，TRIZ中所总结的技术进化模式及进化路线能够从产品结构的进化趋势预测下一代产品的结构及工作原理，可以利用技术成熟度预测、进化模式与进化路线等分析工具来实现产品需求信息的提取和发现［8］。第3步：问题描述。综合第1步和第2步进行问题描述。经过已有问题分析，获得了现有产品使用中出现的问题，及产品的有害功能，并通过需求分析与预测，挖掘未来产品进化过程中可能遇到的设计障碍、潜在问题及隐性问题。再运用ENV模型描述问题的初始情形，全面、准确地进行问题描述，确定问题产生的相关系统及元素。第4步：确定冲突。产品进化的过程就是不断解决冲突螺旋交替式上升的过程［1］。所以要进行产品创新设计，解决复杂问题，首先应该从问题描述出发确定冲突。文献［8］归纳了四类冲突确定方法：物质-场分析法、质量屋（QualityFunctionDeployment，QFD）分析法、约束理论（TheoryofConstraints，TOC）思维流程分析、公理设计分析法（AxiomaticDesign，AD）［9］。应用这些方法，可以找到复杂问题中相互关联的多个冲突。第5步：构建冲突网络。复杂问题中的多冲突并不是单独存在的，往往是相互联系的，在对ENV模型深入研究的基础上，根据冲突之间的内部联系和上述构建多冲突网络的方法构建冲突网络。其中节点代表冲突，节点之间的连线代表冲突之间的相互联系。构建的多冲突网络可包括零星冲突、串联冲突、反馈冲突、并联冲突、混联冲突几类。第6步：求解冲突网络。经过多冲突网络的重新构建，原本复杂的多冲突网络被梳理成几个简单的网络，应用上述的3种策略对5种冲突网络同时进行求解，以得到关键冲突，简化求解步骤。第7步：求解关键冲突。经过冲突网络的求解，得到了几个亟待解决的关键冲突，应用TRIZ工具来解决这些冲突，得到初步解。首先，需要分辨冲突的类型，然后利用TRIZ的分离原理和发明理论分别予以解决。对于物理冲突选择TRIZ中的分离原理解决冲突。TRIZ中分析归纳出4条物理冲突解决原理：空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分的分离。对于技术冲突则根据TRIZ中的冲突矩阵选用40条发明原理予以解决。第8步：收集并评价初步解。多冲突问题的解决是一个反复迭代的过程，归纳上一步骤得到的初步解，设计人员评价初步解是否满意，并判断是否产生了新的问题，如果达到了设计目标则为最终方案；否则返回第3步，重新进行问题描述，进行下一次的迭代求解，直到获得令人满意的最终方案。
4卷扬机的改进设计
卷扬机主要用于建筑、桥梁、冶金、矿山和油田等施工领域，其工作原理是动力装置产生转矩带动主轴和固定在主轴上的滚筒旋转，缠绕钢丝绳，但由于安装空间及环境条件的限制，使得钢丝绳的入绳角偏大，且钢丝绳在无负载时，卷筒上缠绕的钢丝绳容易松动，从而排绳不齐，易造成钢丝绳压绳、乱绳、互相挤压等情况，导致缠绳混乱，工作效率不高，钢丝绳的使用寿命缩短，并且存在安全隐患。现运用上述设计过程模型对卷扬机进行创新设计。第1步：已有产品问题分析。经过施工现场勘查，了解到市场上现有的卷扬机的主要功能是提升、下降重物，但在使用过程中发现卷扬机容易出现乱绳现象，且钢丝绳寿命很短，并且存在安全隐患。虽然部分卷扬机增加了自动排线装置，但属于被动排绳，加剧了钢丝绳的磨损程度。第2步：需求分析与预测。根据调研，客户需要一种没有乱绳现象的卷扬机，工作效率高，减少人工干预，能够延长钢丝绳的使用寿命，且卷扬机能适应多种工况，不仅能短距离作业，更能满足油田、矿山等施工领域长距离作业的需要。而企业希望生产一种新原理的卷扬机，改变排绳器被动排绳的缺陷，以满足市场的需求。第3步：问题描述。经过前两步的分析，发现卷扬机存在以下几个问题：（1）安全隐患；（2）钢丝绳乱绳；（3）钢丝绳松动；（4）钢丝绳使用寿命；（5）适用多种工况；（6）工作效率低；（7）需要人工干预。第4步：确定冲突。应用现有冲突的确定方法，经过ENV模型分析，得到以下几个冲突：冲突1：如果卷扬机不出现乱绳现象，则卷扬机的安全性能好，低水平的用户就能熟练操作卷扬机；相反，如果卷扬机乱绳，则说明其安全性能差，需要用户有高超的使用技能。如图9所示。冲突2：现有的卷扬机如果没有乱绳现象，钢丝绳的使用寿命就会大大提高，可是此时需要人工的干预：相反，如果没有了人工的干预，钢丝绳很可能出现乱绳现象，缩短钢丝绳的使用寿命。如图10所示。冲突3：现有的卷扬机如果不出现钢丝绳松动现象，钢丝绳的使用寿命就会大大提高，可是此时需要人工的干预；相反，如果没有了人工的干预，钢丝绳很可能出现松动现象，缩短钢丝绳的使用寿命。如图11所示。冲突4：如果钢丝绳的入绳角很小，卷扬机很少出现乱绳现象，但是卷扬机的安装位置会受到限制，无法提供很长的距离减小入绳角；相反，如果用户想把卷扬机安装在任意位置，则可能增大入绳角，造成卷扬机乱绳。如图12所示。冲突5：如果钢丝绳卷出点不变，那么钢丝绳的入绳角就会很小，但此时需要卷扬机整体移动；相反，如果卷扬机位置不变，随着钢丝绳的缠绕，自然导致钢丝绳卷出点位置发生变化，入绳角也会增大。如图13所示。冲突6：如果需要卷扬机适应多种工况能够长距离作业，则需要增大卷筒的直径，能够缠绕更多的钢丝绳，但是卷扬机总体尺寸将增多，安装空间就会受限；相反，如果用户想把卷扬机安装在任意位置，当然卷扬机的尺寸越小越好，但是此时不能满足长距离作业的要求。如图14所示。冲突确定后，经过ENV模型分析，得到了两个零星冲突（冲突3和6）及一个串联冲突，如图15所示。第6步：求解冲突网络。根据策略一，进行重要度排序，零星冲突3和6属于不同的子系统，且冲突3对于主功能造成的影响更为强烈，所以冲突3亟待解决。根据策略二，进行根原因分析，冲突5是产生其他冲突的祸根，需要亟待解决。经过冲突网络的求解，得到了两个关键冲突3和5。第7步：求解关键冲突。经过判断，冲突3和5都属于技术冲突，需要发明原理解决。对于冲突3，如果需要延长钢丝绳使用寿命，则需要人工的干预，一方面需要改善“23物质损失”，一方面“38自动化程度”却降低。由冲突矩阵确定的发明原理为：No．10预操作、No．18振动、No．35参数变化。对于冲突5，如果需要入绳角减小，消除钢丝绳的横向力，则需要卷扬机适应钢丝绳一起移动，一方面需要改善“10力”，一方面“35适应性及多用性”却降低。由冲突矩阵确定的发明原理为：No．15动态化、No．17维数变化、No．18振动、No．20有效作用的连续性。经过比较，发现发明原理No．10预操作和No．15动态化可以解决这两个冲突。卷扬机随着钢丝绳的缠绕，钢丝绳卷出点的位置时刻变化，导致入绳角不断变化。通过动态化，将卷扬机主轴改为花键轴，在其一侧加装一个丝杠套筒，令卷筒随着钢丝绳的缠绕一边旋转一边轴向运动，保证钢丝绳卷出点的位置不变，这样就消除了入绳角，使钢丝绳紧密、整齐地缠绕在卷筒上，如图16所示。卷扬机在无负载时容易造成钢丝绳松动，通过预操作，给钢丝绳加装一个张紧装置，保证钢丝绳卷出点与张紧轮处钢丝绳的张力恒定，这样钢丝绳就不会松动。第8步：收集并评价初步解。设计人员通过对上述方案的评价，发现了一个新的问题，卷筒在轴向运动过程中，与花键主轴啮合部分越来越少，到丝杠套筒右端时达到极限，长此以往花键很容易变形。并且卷扬机适合长距离作业的问题仍没有解决，所以需要继续迭代，重新进行问题描述。重复第3步~第7步，得到一个物理冲突和一个技术冲突。花键主轴与卷筒的啮合越来越少属于物理冲突，利用分离原理，将丝杠套筒分为两部分，并置于花键主轴的两侧，这样就能保证卷筒在轴向移动过程中至少有一半的长度与花键主轴啮合，变形程度明显减小。卷扬机适合长距离作业这一冲突属于技术冲突，一方面需要改善“3运动物体的长度”，一方面“31物体产生的有害因素”却升高。由冲突矩阵确定的发明原理为No．15动态化、No．17维数变化。通过维数变化，将单向丝杠套筒改为双向丝杠套筒，使卷筒能在轴向左右往复运动，从而达到多层缠绕钢丝绳的目的，使卷扬机适应长距离作业。经设计人员评价，此方案为最终满意方案。图17为卷扬机的最终概念方案，其工作原理为：此卷扬机包括机架及安装于机架上的钢丝绳卷扬装置和钢丝绳张紧装置。钢丝绳卷扬装置的卷筒在运行时相对于机架可以一边旋转，一边左右往复轴向移动，保证钢丝绳的卷出点位置相对于机架始终保持不变，从而消除了入绳角，还可满足卷筒多层紧密排列钢丝绳的需求。钢丝绳张紧装置能调节钢丝绳卷出点与两张紧轮之间绳子的张紧，避免了卷扬机在无负载时因为钢丝绳松动造成的乱绳，提高了生产效率。
5结论
提出了面向多冲突网络求解的产品创新设计过程模型，该模型操作简单，适合多数创新人才使用，降低了多冲突问题的求解难度，优化了求解路线。根据ENV模型提出了多冲突网络的几种结构形式，并应用不同的策略并行求解，得到几个亟待解决的关键冲突，并利用TRIZ工具解决关键冲突，反复迭代获得产品最终满意的设计方案。通过工程实例对该过程模型进行了验证，证明该模型具有一定的实用性．
作者：杨洪超 张建辉 梁金豹 檀润华 韩波 徐浩 单位：河北工业大学机械工程学院 渤海石油装备承德石油机械有限公司
