邹俊俊 张 欣

（1.西安铁路职业技术学院，西安 710026；
2.陕西应用物理化学研究所，西安 710026）

发明问题解决理论（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）是前苏联学者阿奇舒勒提出的一种创新设计理论，认为任何领域的技术产品都与生物系统一样，有其自身进化发展的规律。如果掌握这些规律，人们就能能动地创新设计产品。该理论对于打破思维定势、创造性地解决问题具有较强的指导 意义。

本文以TRIZ为指导，将机械创新设计和TRIZ融合，以追求最终理想解为设计目标，按照机械系统的完备性设计选用机构，利用发明原理和发明工具优化机构设计。

利用TRIZ进行创新设计时，一般先依据工程实际提出问题，再针对问题提出理想解决方案。TRIZ认为理想化是推动系统进化的主要动力，技术系统总是要向着最终理想化的方向发展。TRIZ的理想解是不消耗资源，没有物质实体，能够实现预期功能的解决方案。事实上，理想解不可能达到，只能无限逼近，但理想解的确定往往会给机构创新设计带来意想不到的改变。例如，要清洗高楼外窗玻璃，一般的设计会聚焦在擦窗机器人或者其他机构。但是，采取TRIZ分析，理想解应该是玻璃本身能够自我清洁。利用TRIZ进行创新设计时，技术系统中各因素相互作用相互联系，一个因素的优化有时会引起另一个因素的恶化，解决此类技术矛盾其实就是创新的过程。最后，利用TRIZ进行创新设计时，需要按照系统的进化法则和可控性法则进行设计优化。

随着经济的发展，城市景观已经成为必不可少的城市名片，是体现城市文化生活品质的重要标志之一，体现了人与城市的互动。现有城市景观多在造型设计和灯光效果两个维度上进行组合，以追求“立体、动态”的美感，但从本质仍属于平面景观和静态景观，存在千城一面、景观功能单一以及无法实现人景互动等问题。根据设计参观传统人文景观，人们很难融入主题[1-2]。

2.1 最终理想结果（IFR）分析

基于前述的TRIZ，项目设计先要进行最终理想结果（Ideal Final Result，IFR）分析。技术系统的目的在于实现相关功能。同一种功能存在多种实现形式，同时一种功能的优化可能达不到预期的其他功能。TRIZ中一般将系统的理想度为

式中：I为理想度；
U为技术系统的有用功能；
Cj为成本；
Hk为有害功能。设计目标是增加有用功能，降低有害功能和成本，使I不断增大。按照此思路，设计团队针对市场上的主要景观产品进行了调研，结果如表1所示。

表1 技术系统的功能分析

按照理想度分析，采用仿真花为载体进行技术改造，达到理想度I最大的目标。此方案既保持了原系统的有用功能，也不会增加系统的成本或者新的不足。项目团队提出的技术方案如图1所示，即利用超声波传感器检测范围内是否有人或者车辆经过，将检测信号输出至单片机控制核心，根据程序算法输出控制指令，控制灯光模块产生颜色、明暗变化，同时控制运动机构控制花瓣的开合，向游客输出景观的色彩、运动姿态变化，使游客获得参与式、交互式的观景体验。

图1 产品整体设计方案

2.2 利用发明原理解决技术矛盾

按照整体方案，产品在具体功能实现上仍有多种方式，因此需要借助TRIZ进行优化。

创新的核心问题是解决矛盾。技术矛盾是指技术系统一个参数变化时引起其他参数恶化的结果。例如，坦克的装甲厚度增加可以增加坦克的安全性，使其能够轻易突破敌方的阵地，但是坦克全重的增加会引发速度、机动性及耗油量等方面出现一系列问题，此时坦克的装甲厚度与坦克的行驶速度两个参数就是一对技术矛盾。

TRIZ中对于技术矛盾给出了48个通用工程参数来描述[3]，部分参数如表2所示。

表2 TRIZ中部分通用工程参数

消除矛盾的重要途径是使用40个发明原理，但是哪一种矛盾应用哪一种原理，哪个原理是最有效的，均需要具体问题具体分析。TRIZ总结的技术矛盾矩阵是指根据矛盾的编号查阅解决此类矛盾的发明原理，以矩阵形式列出[4]。部分原理如表3所示。

表3 TRIZ理论中的部分常用发明原理

依据TRIZ列出案例的技术矛盾矩阵：如果要让普通仿真花具备开花功能，则要破坏其原有形状结构；
如果要采取3D打印的方式制作花瓣结构，则会增加制造成本和难易程度；
如果要让花卉景观与游客间产生交互，则需要对整个系统的运行进行自动化控制。列出项目的设计矛盾矩阵，如表4所示。

表4 项目的矛盾矩阵表

根据矛盾矩阵选择1号分割原理来解决，即将仿真花分割为花瓣和内部的骨架结构，利用自身的花瓣机构保持其美观，利用3D打印技术制造其内部的骨架结构来实现运动，同时选择15号动态化原理，将物体分割为两个主要部分凸轮机构和连杆机构，通过机构的组合实现由转动到移动再到转动的转换。

3.3.1 造型结构

产品通过CATIA三维设计软件和3D打印技术，根据已有的花瓣造型定制专用骨架，通过胶粘剂附着于花瓣内表面。

3.3.2 照明装置

产品采用发光二极管+太阳能电池的组合，白天利用太阳能面板吸收能量，夜间当传感检测装置检测到行人和车辆通过时，启动发光二极管。

3.3.3 检测装置

检测装置由超声波传感器和STM32F103单片机构成。利用STM32F103单片机产生脉冲信号，超声波传感器接收脉冲信号发射向外的声波，遇到障碍物发生反射，再返回至单片机[5]。

3.3.4 机械运动装置

采取组合机构的方式实现TRIZ和机械设计的结合，以凸轮—连杆机构的串联组合实现机械设计的功能。整个上部结构为曲柄滑块机构，下方为凸轮机构。凸轮机构的从动件为曲柄滑块机构的输入构件。凸轮机构采取对心直动布置形式，平底从动件采取简谐运动规律上升和下降，使得从动件在行程初始和终止位置均不会发生刚性冲击。待单片机输出指令后，在伺服电机带动下，盘形凸轮机构从远休止点开始启动，此时花瓣处于闭合状态。从动件开始回落，凸轮转角达到180°时完成回程，凸轮达到近休止点，从动件位移处为零，花瓣执行机构处于“开花”状态。一种智能花卉景观产品结构示意图，如图2所示。

图2 一种智能花卉景观产品结构示意图

产品的设计与制作是将现代科技与传统景观结合的一次大胆尝试，采用TRIZ为指导，优化工业设计到结构制造的整个流程，同时利用3D打印直观了解结构设计的弊端，及时修正，降低设计与制造之间的时间成本，有利于产品的推进与优化，提高工作效率。在控制单元上使用单片机和传感器实现产品的自动化控制，通过后续的产品软件系统完善实现“智慧夜景”的升级，具有良好的社会效益和经济效益。

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