C-K理论视角下的理想化创新方法CAFE-TRIZ

1 背景及文献综述

发明问题解决理论(Theory of inventive problem solving，英文简写为TRIZ)是由前苏联科学家阿奇舒勒开创的，后经世界各国研究者深化并加以推广的系统性创新方法。其以“理想化的方向”“系统化的流程”以及“结构化的知识库”为基本特征[1]，旨在以“非折衷”的方式，为现实工程问题提供大量的概念解决方案。TRIZ理论在全球的传播推广已有数十年，其在实际工程问题解决领域发挥的积极作用已经得到充分报道[2-3]，而同时也存在对其效果的质疑声，包括：Rese等[4]发现TRIZ很少应用在创新体系中，并且提出了若干不成功的应用案例；Sakao[5]研究了一个环保设计方面的案例，在该案例中TRIZ工具的效果被其他创新工具所赶超；Howard等[6]分析指出TRIZ工具只有在熟练掌握的情况下才能发挥其效力。这就暴露出一个问题，TRIZ理论形成和发展的初期缺少同行评议过程[7]，在现今的应用过程中，其效度也有待进一步的验证和增强。

公路桥梁养护工作作为一项长期性工作，需要耗费大量的人力、物力。因此，为了提高公路桥梁养护工作的开展效率与开展质量，就必须要加大公路桥梁养护工作的经费投入。首先，有关部门要设立专门的公路养护经费管理中心并让专业人员对公路养护的资金进行集中管理，根据公路桥梁养护的实际建设情况与加固维修状况进行资金的划拨，以此保证公路桥梁养护后续工作资金的充裕性；其次，公路桥梁养护工作需要不断引进高科技维修设备，以此保证公路桥梁养护工作的高效开展；与此同时，公路桥梁养护工作还需要引进具备较强技术性的专业人才，以此保证公路桥梁养护工作的正常运行[8]。

此外，在对经典TRIZ及其副产品(如发明问题解决算法，英文简写为ARIZ)的功效予以肯定的基础上，许多研究者及TRIZ使用者也深感TRIZ工具体系的庞杂[8]，想要熟练掌握TRIZ所学要的训练时间太长[9-10]，因此，对TRIZ进行简化，并与其他创新工具相结合，形成多方法集成的创新辅助工具链的呼声愈发高涨。对此，已经有研究者做出了有益的尝试——对TRIZ体系进行改进比较典型的有USIT[11]、ASIT[12]，将TRIZ工具与其他创新方法进行整合的有与六西格玛方法[13]的结合，与TOC理论[14]、与质量功能展开[15]的结合等——有大量案例对上述工作进行了实践层面的检验。

在TRIZ体系不断自我更新及与其他创新方法整合的过程中，计算机辅助创新(computer aided innovation，CAI)因为可以极大地提升TRIZ的使用效率[16-17]，正逐渐成为研究的热点之一。国内外出现了大量的为TRIZ服务的计算机辅助创新平台或软件，比较具有代表性的有Goldfire，亿维讯公司开发的Pro-Innovator，河北工业大学开发的IKC等。这些软件或平台将经典TRIZ软件的基本功能(如矛盾矩阵、功能分析、标准解等)模块化，使得使用者可以利用软件或平台进行问题分析及问题解决工作，提升效率。然而，牛津大学于2002年推出的功能库、属性库，对经典TRIZ的知识库做了极大程度的补充和完善，现今却仍没有理论体系或相应的辅助创新平台予以支撑。

2 C-K理论及其应用简介

2.1 C-K理论简介

C-K理论将工程设计以及问题解决视为设计命题在概念空间(concept space，C空间)以及知识空间(knowledge space，K空间)中相互转化，逐渐产生可行的解决方案的过程[18]。其中K空间的元素为客观存在的知识或者已经得到验证的设计命题，C空间的元素为未得到验证的设计命题，设计命题在两个空间中相互转化通过4个算子来实现，分别为：(1)c→k：本算子的功能是在K空间中搜寻有关的知识和属性，以验证某个命题Ci是否在K空间中成立。能够确认成立与否，则宣告某一个设计命题完结，若仍不能确认，则发展出位于C空间的命题Ci+1；(2)k→c：本算子的功能是实现设计命题从K空间向C空间的转化。k→c算子的常见表现形式为头脑风暴，从创新方法解决问题流程或者结构化的知识库获得提示构建概念解等；(3)c→c：本算子的功能是在C空间内进行设计命题的细分，通过引入已有知识的提示或开发全新的设计方案，细化设计命题或问题的概念解；(4)k→k：本算子的功能是在K空间内进行知识的扩展。具体表现形式为传统的推理过程，包括分类、演绎、回溯推理、逻辑推理等；另外一种是在问题解决过程中所产生的知识扩展。

2.2 C-K理论的应用

C-K理论自提出以来得到了广泛的关注，其应用大体可总结为3个方向：

3) 自然风速小于5m/s时，气流辅助的能够有效地防止雾滴飘移；自然风速大于5m/s时，气流辅助防飘效果不明显，雾滴飘移率大于40%。

第一，将C-K理论应用在具体工程设计情境中并加以验证。例如Hatchuel等[19]通过实证研究表明，引入C-K理论能够有效地识别工程专业学生在合作完成设计项目的过程中经常存在的思维固化效应，并基于4个算子提出了克服这些障碍的解决方案；此外，Blanchard等[20]进行了对照分析，结果表明C-K理论能够有效提升团队成员打破跨领域知识边界，进而提升创新设计的能力和效果。

进行教学反思后，能帮助教师A更细致思考教学中的问题，使教师积极思考解决途径，在不断思考的过程中，新教师会不断为日后的教学活动积累更多经验，提高教学效果。

4.2.2 第二步：功能分析

半置组实施半髋关节置换术,手术入路及股骨头假体的置入操作与全置组一致,此术中保留了大部分的关节囊,故不需置入臼假体[4],当股骨头复位后,进行同样的上述检查及操作。

为了更好地规避现有系统化创新方法的弊端，进一步提升创新方法分析问题的深度以及产生概念解的能力。本文基于C-K理论的视角，对经典TRIZ矛盾矩阵法以及统一结构化创新思维(USIT)进行了分析，分别指出二者的优势和不足。并在此工作的基础上开发了C-K理论视角下的更加理想化创新方法CAFE-TRIZ，并以解决“绷缝机机体过热问题”的案例验证新方法的可行性并展现其效果。

3 基于C-K理论的系统性创新方法评述

3.1 对经典TRIZ的矛盾矩阵法的评述

经典矛盾矩阵是一个二维表格，使用者首先从纵向排列的39个工程参数中选出得到改进的一个，再从横向排布的39个工程参数中找到恶化的一个，在行列相交的一栏中找到对应的发明原理，根据发明原理的提示构建概念方案。

基于C-K理论的视角对矛盾矩阵的应用流程进行评述，可以重新表述为以下步骤：首先，基于现实中已经存在的矛盾，例如某工程系统中“A性能改善，B性能恶化”，这是已知的K0。进而基于问题解决的目标，在K0的基础上增加或改变某一属性，提出“A性能改善的同时B性能不恶化/改善”，此时c→k算子α发挥作用，形成暂时无法证实的初始命题C0；

之后运用39个工程参数描述矛盾。39个工程参数是已知的知识K1，通过引入K1，使得初始命题C0在k→c算子β的作用下，产生限制性细分，成为用工程参数表述的形式C1。然后通过引入矛盾矩阵(已知的知识K2)以及40个发明原理(已知的知识K3)构建概念解，使得设计命题C1演变成概念解C11，C12，…，C1n，此时在k→c算子β作用下的限制性细分和c→c算子作用下的扩展性细分共同存在，成为创造性解决方案产生的关键步骤。

因此，以C-K理论的视角剖析经典TRIZ矛盾矩阵法的流程后，可以发现：矛盾矩阵法的优点在于流程清晰简单，知识空间K中的元素比较便于查询和使用，但是在实际操作过程中，不同的使用者查询对应的工程参数往往彼此不一致，这是K空间内元素(即知识库里的知识)自身的属性造成的结果。此外，K空间元素的数量和质量也成为决定最终解题的效果的关键。

现今对经典TRIZ矩阵法的改进也正是遵循上述思路：大量研究者对K空间中的元素(即工程参数、矛盾矩阵以及发明原理等知识)进行了深化和扩展。例如Darrel Mann [26]开发了基于48个工程参数的2003矛盾矩阵(现最新版以扩充到50个工程参数)。此外，研究者尝试将矛盾矩阵应用到生物领域、信息技术领域、商业管理领域，开发出了一系列面向特定学科领域的矛盾矩阵以及发明原理[27-28]，也是对经典TRIZ理论的改进。

5.3.3 打破约束

3.2 对USIT理论的评述

1995年，Sickafus[29]将SIT理论进行结构化形成USIT理论(unified structured inventive thinking)[29]。此外，日本学者Nakagawa[30]对USIT流程的完善也做出了很大贡献。概括来讲，USIT理论从功能和属性的视角出发，将TRIZ的众多工具和方法重新整合成统一结构化的体系，能够帮助使用者在较短时间内接受和掌握该体系。Sickafus将整个USIT程序分为问题定义、问题分析和概念产生3个阶段。在问题分析阶段引入了闭世界法(以物体-属性-功能分析为核心)和粒子法(以追求最终理想解为核心)；在概念产生阶段则提供了五大类技巧(独特性、属性维度法、物体多元法、功能配置法以及功能转换法)，五大类技巧中包含了200多条具体的建议，在实际应用的过程中，使用者需要遍历这200多条具体的建议，以产生尽可能多的创新方案。

利用C-K理论可将USIT的应用流程重新表述为以下步骤：在问题分析阶段，基于属性以及功能的视角，通过闭世界法将工程系统的已知知识Ks展开成为Ka(a代表attribute，属性)以及Kf(f代表function，属性)，在此过程中k→k算子发挥作用；或者采用粒子法，通过虚拟的粒子构想问题得到解决的理想状态，从而提出概念设计方案C0，此过程中则是k→c算子α发挥作用。

在后续的概念产生阶段，问题解决者运用USIT提供的五大类技巧，依次尝试200多条具体的建议，细化概念解决方案。在此过程中，五大类技巧(200多条具体建议)是来自K空间的已知知识，我们将其命名为Ku。在Ku的指导下，对位于C空间的概念设计方案进行细分，k→c算子β和c→c算子α接连发生作用，形成的k→c→c的连续算子。与此同时，在对若干处于C空间的概念解进行整合以及发散的时候，会运用到问题解决者的创造力，这是c→c算子β发生作用的过程。

4.2.5 第五步：进一步从属性分析的角度寻找更高等级的解决方案

4 基于C-K理论的理想化创新方法构建

4.1 理想化创新方法应该具备的特征

根据以上的分析，C-K视角下理想化的系统性创新方法应该完整地包含C-K理论所提出的4个算子，并能在算子之间构建起有逻辑地连接，具体来讲，在流程方面应该包括：

第一，能够提炼和发现新问题(来自工程实践的现实问题)，可以认为问题来自于客观现实、工程实践(也就是已知的知识空间K)，但是问题的解决是一个新的命题，不能肯定或否定其存在性，因此处于概念空间C(对应k→c算子)。

第二，能够提供问题分解和转化(化归)的工具，通过概念细分，将初始问题逐渐分解，并最终转化为已经得到解决的标准化问题，通过查询相应的知识库，使得初始问题得到解决(对应c→c算子)。

第三，能够提供验证方案可行性的过程，在此过程中，可能需要CAI或者CAX辅助以及行业领域专家的参与及协作(对应c→k算子)。

第四，保证新知识的引入，帮助在探索过程中所得到的新知识以及最终解决方案保留在知识空间中，并且能够尝试在知识空间元素之间建立新的链接，保证知识体系的开放性，形成可拓展的结构化知识库(对应k→k算子)。

4.2 CAFE-TRIZ：C-K理论视角下一种理想化的创新方法

综合功能分析和因果分析确定问题关键点：(1)缝纫机刺布机构过热/针杆与导向套管摩擦；(2)电磁铁温度过高；(3)冷却润滑液冷却效率不高。

4.2.1 第一步：问题背景陈述

明确待解决的工程问题以及背景描述，了解基本的工作原理。

第二，在理解并应用C-K理论的基础上对其进行改进，或者基于C-K理论开发一系列新的理论或方法。 Masson等[21]基于C-K理论提出了KCP理论。该方法关注集体创造过程，现有的设计理论(包括C-K理论)没有一个能够充分融合设计过程中的认知因素和社会因素，而作者提出的KCP理论则填补了这一空白。此外Kazakci等[22]尝试将C-K理论应用到计算机辅助设计工具的开发过程中，发现在C和K空间之外需要引入一个全新的环境空间(E空间)，并基于这样的理念开发了新的C-K-E理论，其面对特定领域的设计过程更加具有解释力。

首先选定问题区域，然后从问题区域的功能着手分析。确定核心研究对象系统所实现的主要功能(primary function，PF)以及系统所存在的负面功能 (unwanted function，UF，包括有害、不足以及过度功能)，用牛津大学功能知识库表格中的规范动词进行描述；进一步寻找功能U1的施加物质S1以及承受物质S2(名词)。 需要说明的是，如果没有明显的负面功能，例如对于概念开发类的问题，先用功能库表格中的规范动词描述所需要的有用功能，然后与现有系统进行比较，找到现有系统的UF。(例如想增加某一功能，那原系统就是功能不足模型)

在完成对核心对象的功能分析之后，着重思考S1、S2是否与其他物质发生了相互作用(实现了功能)，S1、S2都可能是其他功能的施加物质或者承受物质。通过这种方式，将功能分析扩展至子系统、超系统层面。也就是说，在该分析步骤中，系统中存在的负面功能UF可以有多个，其对应的施加物质和承受物质可以各不相同。要求在功能分析表中列举组件以及相互之间的功能，并在聚焦问题区域的功能分析图中予以展示。

模型图某一个分支终止的标准是：第一，发生作用的物质已经属于自然界的客观存在(非人工物)；第二，物质之间的相互作用(功能)已经明显与核心研究对象所实现的主要功能以及存在的负面功能无关。第三，对于非技术类的问题来讲，终止标准则是达到制度、法规、权利或者成本等的极限。

康熙帝在位时一贯为政“尚宽”，因而“不生事为贵”的思想便长期盛行官场之中，官员们习惯安逸倦怠，以致到了康熙后期政事重积废弛。而继位的雍正有较为清醒的认识，遂自即位时便一改康熙的“宽尚”政风，推行新政，整顿吏治，力图扭转康熙末年的腐败局面。雍正推行新政的工作十分庞杂，因而更为重视人才，田文镜便是在此时开始被雍正所注意的。

4.2.3 第三步：寻找约束

数学知识具有较强的实用性，在小学数学教学中，为更好的渗透抽象思想，教师需为学生提供恰当的学以致用机会，使其体会到数学知识在实际生活中的价值和作用，让他们在后续深入学习中形成正确的认知态度，并养成良好的学习习惯。小学数学教师可以通过对定理、公式的讲解主动渗透抽象思想，让学生对数学概念的认知由表层逐步上升至深层，深化理解理论知识，而且他们在实践活动中有助于对抽象思想的熟练应用，真正实现学以致用。

约束理论(Theory of Constraints，缩写为TOC)是美籍以色列物理学家、企业管理顾问戈德拉特博士(Dr. Goldratt)在他开创的优化生产技术基础上创立和发展起来的。该理论最早提出了在制造业经营生产活动中识别和消除瓶颈因素的一系列规范化的流程和工具，后来成为一种从系统角度实现管理改善的新思维[31]。

约束理论认为，对于由一个或多个环节组成的系统而言，系统的产出水平由产出率最低的环节决定[32]，进而将“约束”的概念引入工程问题的解决过程中，可以认为工程系统中约束主要可分为两类：一是资源不足类约束，意味着系统核心功能实现过程中所需的特定资源的匮乏导致了一系列工程问题的出现；二是负面功能类约束，意味着系统核心功能实现所需要的资源是充足的，但是系统在实现核心功能的条件下，同时又存在着负面功能(如有害、不足、过度功能)导致了一系列工程问题。例如，经典TRIZ所重点强调的“矛盾”就是约束的一种比较广泛存在的表现形式。在识别出这两类约束之后，后面将给出针对性的方法予以解决。

4.2.4 第四步：打破约束

针对负面功能类约束，首先需要确定是否要改变实现核心功能的工作原理。如只考虑降低负面功能的影响，不想或不能改变改变实现核心功能的工作原理，则采用功能配置法。具体方式包括：变更原有负面功能以消除影响；引入新的功能以抵消原有负面功能的影响；向不同的物体或组件重新配置功能(组合、分离、转移以及系统裁剪)，从而裁剪产生负面功能的组件。

如可以改变实现核心功能的工作原理，直接消除负面功能，则以“动词+对象的物态”的形式表述系统索要实现的核心功能(如移动+液体)，查询牛津大学功能库，根据里面提供的原理尝试构建概念化解决方案。

针对资源限制类约束，采用搜寻资源法，即引入有潜力的资源解决系统现有问题，主要包括物质-场资源、空间资源、时间资源等。在引入资源的过程中，注重资源的属性及其进化规律，例如物质资源的微观级进化方向、柔性进化方向，场资源的可控性增强的进化方向。

基于C-K理论的视角可以发现USIT理论流程包含了C-K理论提出的所有算子，在问题分析、方案产生、知识扩展以及方案验证等方面比较完善，但是，在概念产生阶段需要遍历200多个涉及到属性或功能变化的原理，这意味着使用者需要不断重复k→c→c的方案产生连续算子。这样做的优点固然是可以产生大量的概念解决方案，但是缺乏在概念产生过程中提供流程化的筛选机制，使用者遍历知识空间Ku，解题效率会因此降低，这也是USIT理论所提供的流程需要改进的方面。

属性是物质相互作用的本质[29]，功能(包括有用功能、有害功能、不足或过量功能等等)则是不同属性间的相互作用所产生的[34]，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。基于这样的理念，将功能分析模型在元件(物质)层面进行参数/属性展开。属性/参数可分成三类进行列举和展开：相容参数、特有参数、矛盾参数。重点关注对矛盾参数以及特有参数的操作和利用，将会有明显的效果。属性/参数展开的具体过程参见[35]。

通过上述方法建立完整的系统模型，确定要改变的功能或属性，确定系统对属性/参数的操作模式(增加、减少、稳定、改变、测量、简称增减稳改测)，最后查询牛津大学属性效应库，构建相应解决方案。

4.2.6 第六步：为新的概念方案画出新的功能分析图

在若干种新的概念方案中，引入考察指标，并赋予权重综合各个方案的总得分，选取位于前几位的方案进行下一步的功能分析和改进。同时考虑以下问题：新的方案引入了哪些原系统没有利用的资源来克服约束？新的方案是否有新的约束和限制？可利用的潜力资源或者能够采取的预防措施有哪些？不满足于仅仅提出初步的概念解决方案，而是要形成对产生的解决方案不断改进，持续提高的过程，有效评价新方案的质量和可行性。

5 使用CAFÉ-TRIZ和经典triz方法解决绷缝机机体过热问题

5.1 问题背景描述

绷缝机的工作原理是在驱动电机的驱动和控制系统的控制下，带动机械传动结构动作，最终将运动传递给执行机构(刺布机构与送布机构)在执行机构的协同运动作用下，完成缝纫动作功能，与此同时带动润滑油路对相关元件进行润滑。

绷缝机在高转速连续运转下，经过3～4个小时的时间，会造成机器表层温升大概20℃左右，当夏季普遍室温在30℃以上时，表层温度将会达到50℃以上，给用户的使用造成诸多不便和潜在危害。

除刺布机构磨擦振动所引起的发热，机器驱动部分的两个电磁铁，在大电流状态下的状态造成电磁铁发热严重，同时由于电磁铁的(电磁蜗流效应)力热特性，在温度上升到一定程度时，保持力将大幅下降，造成电磁铁驱动力不够的问题，这也是由于发热所引起的负面危害。

4.23世界读书日期间图书馆可利用活动管理平台发布读者活动，读者在网上或微信上报名某项特定活动后即有机会参与抽奖，带动读者参与活动的热情。也为图书馆的各项活动活跃气氛，提高与读者的互动性，尤其是具有重大意义的文化活动进行重点宣传。

在目前处理绷缝机减少温升的主流思路是提高材料导热率，如机器的油盘采取铝制材料加快散热，或者以全自动气液蒸汽相结合点对点散热方法，在缝纫机电磁铁发热源和缝纫机刺布机构发热源，以及在缝纫机机身安装气液蒸汽相结合的点对点散热器；或对一些有相对滑动、容易卡死的元件进行供油润滑，同时也起到一部分的降温作用。但是目前对于降低机身温升/(保持机器温度不变)这一根本问题，依旧没有很好的解决方案。

对新系统的要求：要求新系统无论处于何种工况，机器的温度能够处于操作者体验舒适的人体适应性温度范围内(35℃～45℃)。

5.2 经典TRIZ工具解题流程及方案展示

系统功能分析图如图1所示。因果分析图如图2所示。

  

图1 系统功能分析图

  

图2 系统因果分析图

通过融合经典TRIZ，ASIT，尤其是USIT等系统性创新方法的优点，有针对性地对牛津大学的功能知识库和属性知识库加以应用，本研究尝试开发出一种C-K理论视角下符合上述特性的更理想的系统性创新方法CAFE-TRIZ。其中，CAFE是4个英文单词constrain(约束)、attribute(属性)、function(功能)以及effect(效应)的缩写，也概括了CAFE-TRIZ方法的核心概念。其使用流程如下所示。

付军科认为，ERAS不仅仅是一项技术，更多的是一种理念的更新，其核心就是围绕患者围手术期的加速康复采取一系列优化措施。“这和国家讲的时刻为患者利益考虑，让患者获得优质医疗服务的理念是高度契合的。”付军科说，本着这样的核心理念，以患者为中心，想办法预防一些并发症的发生，就会自然启动ERAS的各个程序，伴随而来的便是医疗质量的提升及对精细化医疗管理的践行。

以问题关键点1——“缝纫机刺布机构过热”为入手点解决问题，转换成两个矛盾：改善的参数——No.17温度；恶化的参数——No. 39 生产率。

“静秋，真的对不起。”楚墨握着静秋的手，静秋的手如同一只瑟瑟发抖的小鸽子，“我发誓我仍然爱你，我发誓我每天都想看到你，可是我们没有权力伤害无辜的人。我爱人，念蓉，她是无辜的。你爱人，萧健，他也是无辜的。”

查找矛盾矩阵，得到如下发明原理：No.15动态化；No. 28机械系统的替换；No.35物理或化学参数改变原理。

改善的参数：No.17温度；恶化的参数：No. 23 物质损耗。

查找矛盾矩阵，得到如下发明原理：No.21急速作用； No.36相变原理；No. 39惰性气体；No. 31多孔材料。根据原理提示构建解决方案，如表1所示。

 

表1 根据发明原理构建的解决方案

  

序号创新方法解决方案1IP15动态化原理在套环内壁上添加滚珠，撞杆上预留导槽，这样变滑动摩擦为滚动摩擦，从而减少摩擦，进而降温2IP35物理状态改变气管里加喷雾装置，通过润滑冷却液的喷雾实现散热3IP28机械系统替换原理应用磁铁效应代替针管和导向套管的机械运动4IP36相变原理利用超导液降温

以问题关键点3——“冷却润滑液冷却效率不高” 为入手点解决问题，构建物质-场模型如图3所示。

解决企业内部管控人才的问题，首先要增强企业内部管控人才的质量。加强对相关管控工作人员的上岗培训工作，增加对企业内部核心控制的成本投入，最大程度地满足企业正常运行的需求。企业以及集团方面要进一步加强对控制体系管理建设的重视，现阶段，仍有大部分人认为只有传统意义上的“管控工作”才是“好工作”，这种对于工作选择的偏见导致企业内部管控人才匮乏，得不到群众的普遍认可，工作就难以进一步发展。社会宣传的不到位、相关部门的不重视、工作人员的忽视等，这些因素从多个角度不同程度地影响着企业内部管控体系建设工作的人才队伍，不利于我国相关行业的长足进步，也不利于相关产业链的持续发展。

  

图3 系统物-场模型

该物场模型是“作用效应不足”模型，按照物-场模型及标准解之间的对应关系，该类型的问题应该采用第二级标准解，产生的概念方案如表2所示。

 

表2 根据标准解构建的解决方案

  

序号创新方法解决方案5标准解226构造物质换润滑冷却液6211引入物质向串联式复合物-场模型转换在套环内壁上加摩擦系统较小的垫子实现降温，如聚四氯乙烯7标准解222加大对工具物质的分割程度向微观控制转换在外壁上喷陶瓷，应用粉末铸造技术8标准解241引入固体铁磁物质，建立原铁磁场模型创造一个磁悬浮状态，让撞杆和套环内壁不产生接触

5.3 CAFÉ-TRIZ解题流程及方案展示

有别于传统的系统功能分析/因果分析以及构建解决方案的过程，CAFÉ-TRIZ以“聚焦问题区域的功能分析”为出发点，识别出系统内存在的两类约束，后续用相应的知识库信息打破约束。

5.3.1 聚焦问题区域的功能分析

系统所要实现的主要功能PF为“刺缝”，所产生的负面功能UF1为“摩擦”(有害作用)，其作用对象为S1针杆，承受对象为S2导向套管；此外，系统中还存在的负面功能UF2为“散热”(不足作用)，其作用对象为S3冷却液或S4空气，承受对象为S5机身或S6针杆。上述一系列对象构成了问题的核心区域，进一步详细地列出问题区域元件列表及相互作用关系，如表3所示。聚焦问题区域CAFÉ的功能分析图如图4所示。

 

表3 系统问题区域的功能分析表

  

组件名称针杆布料机身人机身加热及振动—加热及振动烫伤导向套管控制及摩擦—控制及摩擦—传动机构驱动———布料刺缝———冷却液降温—降温—送布机构—运输加热—针杆—刺缝——空气——降温—电机——加热—

  

图4 系统问题区域的功能分析

5.3.2 约束识别

第三，基于C-K理论对其他设计理论进行评价。Kroll等[23]基于C-K理论考察了参数分析法(parameter analysis method，PAM)，阐述了PAM的概念产生、实施以及评价过程，并且进一步挖掘出PAM所提供的创造力主要来源于C空间的逆向细分。Babara等[24]面向工程设计非专家型学习者开展了有关TRIZ、SCAMPER以及C-K理论的实际效果对照实验，结论表明3种方法都产生了正面的效果，其中TRIZ理论受到欢迎，SCAMPER容易理解和学习，而C-K理论流程清晰，未来潜力巨大。Reich 等[25]则基于C-K理论对先进结构化创新思维(ASIT)的优势与缺陷进行了深入的分析，认为其优势在于ASIT坚持闭世界原则，产生概念解的过程中不需要引入新知识或对系统进行大幅度的改动，因此最大程度地挖掘了系统内部的潜力(穷尽系统内资源)，在现实中可能具有一定的可行性，而缺点也同样源于此，ASIT不允许知识的扩展和新知识的引入，为了可行性牺牲了一部分概念解，这恰恰又是问题解决与产品创新的重要一步。

在本案例中，系统中存在的约束即上述分析步骤中所发现的UF1(负面功能类约束——摩擦发热)以及UF2(资源限制类约束——散热不足)，下面将针对不同类型的约束构建概念解决方案。

学生已经知道“遗传因子”的概念，但不清楚“遗传因子”的本质是什么以及如何起作用。另外，部分学生的实验设计能力还不够完善。因此，教师在讲课时应适时布置任务，启发学生思考实验设计的思路，引导学生独立设计实验，培养其实验设计的能力。

(1)针对负面功能类约束，有两种基本方法解决。

方法一：功能配置(避免或消除负面功能的影响，不改变核心工作原理)。导向套管发挥“控制”针头运动以及与针头“摩擦”功能，现通过增加或削减元件进行功能配置，保留其“控制”功能而去除或减弱其“摩擦”功能，得到两个方案——方案1：加入“小垫子”；方案2：变滑动摩擦为滚动摩擦。

此外，机身发挥“保护”机器的作用，但是有“烫伤”人的问题，通过功能配置保留有益功能，消除有害功能，得到方案3：在机器外壁上喷涂陶瓷保护层，防止烫伤。

方法二：应用牛津大学功能库(直接改变实现核心功能的工作原理)。核心功能的表述方式为“动词+对象”，这一点将影响到问题的解决。对于本案例可以将想要达成的核心功能表述为“冷却固体”，或者“刺穿布料”(用规范化的语言则表述为“破坏固体”)。但因为对布料缝制的诸多工艺限制，不能对布料进行破坏，所以该表述不利于问题的解决，采用前一种“冷却固体”的表述更为适合。

查询牛津大学功能库，可以得到16个知识(气射流冲击冷却、毛细管多孔材料、传导、对流、电晕放电、吸热反应、液喷射、流化床、能斯特效应、珀尔帖效应、热管、压电风扇、辐射、斯特林效应、热声效应和蒸腾冷却)。

根据以上效应，可以构建的概念方案包括：方案4，气射流冲击冷却，有大量专利运用于金属磨削以及电子器件发热冷却过程中；方案5，毛细管多孔材料，对机身外壁以及发热元件加以改造，使用散热性好的多孔材料；方案6，吸热反应，采用无机或有机化学热泵，提升余热品味；方案7，热声效应，采用驻波型或者行波型热声热机，将热能转化为机械能(斯特林电机)或者电能(温差发电机——有炉子及风扇的例子)；方案8，帕尔贴效应，采用温差电致冷器；方案9，热管传热，热管采用介质相变传热，具有低噪音、传热能力高于任何已知金属的优点；方案10，压电风扇，通常被用来管理LED发热。

(2)针对资源限制类约束，也有两种基本方法解决。

方法三：引入资源(在该过程中需注意资源的进化规律)。

物质资源：使用中介物的思路，引入“小垫子”(同方案1)；喷涂陶瓷保护层，例如泡沫陶瓷被广泛应用早航空飞机隔热层上(同方案3)。

使用物质分割规律的思路，引入流动的空气(比较简单不计入方案)，引入喷雾状冷却液(方案11)，引入超导液降温(方案12)。

场资源：使用磁场的思路，采用磁铁或者磁悬浮装置，减弱或消除针头与套管的机械摩擦，彻底消除发热(方案13)。

空间资源：使用曲面化的思路，从滑动摩擦变为滚动摩擦(同方案2)。

作为现代社会大众消费的主流平台，互联网也深受广大社会群众的欢迎。在当前社会中，会使用网络的人也越来越多，而网络也在逐渐地改变人们的日常生活形式。而在乡村生态旅游这一方面，旅游网络平台的开发也大大地加强了乡村生态旅游的宣传，为了游客们提供了更多更优质的服务。越来越多的人开始倾向于通过手机终端来选择乡村生态旅游线路、预定食宿等，并且在消费之后还会写下自己的看法。

培养新型人才，对教师素质的要求也就更高。教师既要具备理论教学素质，也应具备实践教学素质。培养与引进新型师资力量是进行教学改革的关键。学校每年选派计算机网络教师参加思科网络技术学院CCNA的培训，对提高计算机网络教师的实践经验起到重要作用。参与计算机网络教学的四位教师均取得了CCNA培训教师资格，并且完成了多期CCNA学员培训工作。同时，学校也从企业引进了实践经验丰富的工程师进行讲座和授课。这种理论与实践并重的授课对提高学生理论知识与实践经验起到重要作用，连续多年在计算机网络课程中学生对授课教师的评教中取得优异成绩。

时间资源：暂无方案。

5.3.4 属性分析

接下来进一步从属性分析的角度寻找更高等级的解决方案。对本问题进行属性分析，确定问题可表述为 “降低温度”(同样，如果将本问题表述为“减少摩擦阻力”，查询牛津大学属性库，可以获得81个知识，因工艺限制也没有可行的解决方案，在此不再赘述)。查询牛津大学属性库，可以查询到90个知识。根据查到的知识构建如下解决方案——方案14，Bong冷却器(钟型冷却器)，通过蒸发使水温低于室温，蒸发冷却器条目也可以构建类似的概念方案；方案15，磁致冷，在低温领域大有用途；方案16：脉冲管制冷机；方案17：兰克赫尔胥效应(涡流制冷)。

部分方案与功能库已经取得的方案一致或类似，包括：鳍以及毛细多孔材料——增大表面积，增强散热，与方案5一致；泡沫陶瓷——与方案3一致；潜热——利用相变吸热，与热管所构建的方案9一致；吸热反应——与方案6一致；塞贝克效应、汤普森效应、珀尔帖效应、斯特林循环、热声发动机等效应都已经得到应用。

6 总结及未来展望

6.1 CAFÉ-TRIZ与经典TRIZ的概念解对比

通过表4的对比可以得知，知识库方案的引入极大地扩展概念解的数量(经典TRIZ能够得到7～8个概念方案，而café方法能够得到17～18个概念方案)。且对牛津大学知识库的使用导致产生了很多可能产生高级(3～5级)发明的解。为节省篇幅，本文并未对CAFÉ-TRIZ所得到的概念方案做进一步的筛选和优化。

 

表4 不同方法取得概念解对比

  

CAFÉ-TRIZ所取得的方案经典TRIZ所取得方案方案1：加入“小垫子”对应方案6：在套环内壁上加摩擦系统较小的垫子实现降温，如聚四氯乙烯方案2：变滑动摩擦为滚动摩擦对应方案1：在套环内壁上添加滚珠，撞杆上预留导槽，这样变滑动摩擦为滚动摩擦，减少摩擦生热进而降温方案3：在机器外壁上喷涂陶瓷保护层，防止烫伤对应方案7：在外壁上喷陶瓷，应用粉末铸造技术方案4：气射流冲击冷却。有大量专利运用于金属磨削以及电子器件发热冷却过程中方案5：毛细管多孔材料。对机身外壁以及发热元件加以改造，使用散热性好的多孔材料方案6：吸热反应。采用无机或有机化学热泵，提升余热品味方案7：热声效应。采用驻波型或者行波型热声热机，将热能转化为机械能(斯特林电机)或者电能(温差发电机———有炉子及风扇的例子)方案8：帕尔贴效应。采用温差电致冷器方案9：热管传热。采用热管(heatpipe)，该元件采用介质相变传热，具有低噪音、传热能力高于任何已知金属的优点方案10：压电风扇。通常被用来管理LED发热方案11：引入喷雾状冷却液对应方案2：气管里加喷雾装置，通过润滑冷却液的喷雾实现散热对应方案5：换润滑冷却液方案12：引入超导液降温对应方案4：利用超导液降温方案13：使用磁场的思路，采用磁铁或者磁悬浮装置，减弱或消除针头与套管的机械摩擦，彻底消除发热对应方案3：应用磁铁效应代替针管和导向套管的机械运动对应方案8：创造一个磁悬浮状态，让撞杆和套环内壁不产生接触方案14：Bong冷却器(钟型冷却器)，通过蒸发使水温低于室温。蒸发冷却器条目也可以构建类似的概念方案；方案15：磁致冷，在低温领域大有用途方案16：脉冲管制冷机方案17：兰克赫尔胥效应(涡流制冷)

6.2 CAFÉ-TRIZ方法的优势分析

以c-k理论的视角看来， CAFE-TRIZ方法的优势在于，首先，在满足了C-K理论所提出的4个算子全面性的同时，更加注重了其合理性，使得提出创新方案的效率更高、效果更好。具体来讲，相比于ASIT闭世界法限制导致K空间不能扩展[36]，以及USIT方法在概念产生阶段遍历200多种方法的效率低下，CAFE-TRIZ理论的K空间提供的流程清晰明确，可以根据问题系统的属性和功能产生具有针对性的概念方案(k→c以及c→c算子有效发挥作用)，且K空间具可扩展性(k→k算子发挥作用意味着可以引入外部知识丰富解决方案),最后，通过引入约束和对概念解持续改进的步骤来保证可行性(c→k算子有效发挥作用)。

其次，传统的因果分析，着力寻找系统中问题产生的根原因并予以解决，在实际应用过程中取得了一定的效果，但是也可能会陷入到两种常见的偏差中，也即“已知因果偏差”以及“相关关系取代因果偏差”两种。已知因果关系偏差指的是，在因果分析的过程中，分析者只能根据已有的经验和知识分析出已知因果的关系，但无法分析出超出经验和知识范围的未知因果关系，故造成分析偏差。相关关系代替因果关系偏差指的是，以相关关系取代因果关系，从而导致偏差。

以约束分析代替传统的因果分析，从保证有用功能、消除和减弱系统有害功能设计的角度出发寻找客观约束，不再依赖对因果关系的主观判断，从而在规避了因果分析固有弊端的同时，也对解决实际问题大有帮助。应用约束分析能够有效地解决多种类型的问题，除了经典的矛盾类型问题(矛盾是负面功能约束的一种表现形式)之外，还可以应用于概念开发、检测测量乃至管理问题。在实际中，管理问题的问题系统错综复杂，能够得到的解决方案也许并不唯一。归根结底，管理问题的解决，本质就是寻找约束，并运用新资源加以解决，因此约束分析具有较大的应用潜力。

6.3 CAFÉ-TRIZ未来展望

虽然C-K理论视角下相对来讲CAFÉ-TRIZ是更为“理想”的一种系统化创新方法，但该方法在实际使用过程中仍然存在亟待改进的地方：

(1)知识库本身的组织形式有待优化，从C-K理论的视角来看，当前知识库中元素数量较多，单纯从功能/属性到知识的组织方式实际使用起来较为困难(K空间的结构不合理)。未来应借助CAI以及频次统计、人工智能等方法，将最常用的科学效应进行动态推送，提高知识空间元素的遍历效率。

(2)约束分析需进一步深化。将“约束”的概念运用在工程系统及其问题解决过程中，已经得到了许多学者的关注，然而如何将相关概念运用在非技术系统中还有待探索。本文提出的CAFE-TRIZ流程做出了先行性的尝试，未来约束分析的流程还需要进一步深化和明确。

(3)属性分类及展开流程需进一步深化。进一步优化属性/参数展开的结构化流程是应用属性知识库的基础。属性参数展开的前提是对物质属性的科学分类，而现今对物质属性的分类研究尚未达成明确共识。尤其是未来将创新方法应用在非技术领域问题解决过程中，其系统内元素“属性”的界定将更加复杂，有必要投入更多的精力进行研究。

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