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0、引  言
    評估產(chǎn)品現(xiàn)有技術(shù)的成熟度，預測未來技術(shù)進化的過程，快速開發(fā)新一代產(chǎn)品，迎接未來產(chǎn)品競爭的挑戰(zhàn)，對任何制造企業(yè)競爭力的提高都起著重要的作用。在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中，準確地預測當前產(chǎn)品的技術(shù)水平以及新一代產(chǎn)品的可能進化方向，有助于企業(yè)作出科學的研發(fā)決策，減少研發(fā)周期，避免落后于新技術(shù)或競爭對手。
    技術(shù)預測的研究起始于半個世紀以前，在長期的研究過程中，理論界提出了多種技術(shù)預測的方法，其中最有效的是TRIZ（發(fā)明問題解決理論）的技術(shù)系統(tǒng)進化法則。
1 、TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進化理論
    技術(shù)系統(tǒng)是TRIZ中最重要、最基本的概念之一。技術(shù)系統(tǒng)是由物質(zhì)組件組成，為滿足人們（社會）的需求而實現(xiàn)某種功能的系統(tǒng)。技術(shù)系統(tǒng)可以是產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝，也可以是勞動組織系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等等。TRIZ創(chuàng)始入Altshuller在分析大量專利的過程中發(fā)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)是在不斷發(fā)展變化的，產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展總是遵循著一定的客觀規(guī)律，而且同一條規(guī)律往往在不同的產(chǎn)品或技術(shù)領域被反復應用。即任何領域的產(chǎn)品改進、技術(shù)的變革都是有規(guī)律可循的。如果人們能夠掌握這些規(guī)律，就能進行產(chǎn)品設計并預測產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢。
    所謂技術(shù)系統(tǒng)的進化，就是指實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)功能的各項內(nèi)容，從低級向高級變化的過程。屬于技術(shù)系統(tǒng)范疇的任何一種人工制造物（產(chǎn)品、工藝或技術(shù)），隨著時間的變化，都在不斷地向著更高級的方向發(fā)展和進化。在過程上，它們的進化都會經(jīng)歷相同的幾個階段，形成S-曲線；在模式上，它們都會遵循8個進化法則。
1.1 S-曲線
    每個技術(shù)系統(tǒng)的進化一般經(jīng)歷如圖1中S-曲線所示的4個階段：初始期、成長期、成熟期、衰退期。在初始期，新的技術(shù)系統(tǒng)剛剛誕生，它能提供一些前所未有的功能或技術(shù)系統(tǒng)的改進，但存在效率低，可靠性差的問題，缺乏人力、物力的投入，系統(tǒng)發(fā)展緩慢。在成長期，價值和潛力顯現(xiàn)，有大量的人、物、財力的投入，效率和性能得到提高，系統(tǒng)高速發(fā)展。在成熟期，系統(tǒng)日趨完善，性能水平達到最佳，所獲得利潤達到最大并有下降趨勢。此時大量投入所產(chǎn)生的研究成果，多是一些較低水平的系統(tǒng)優(yōu)化和優(yōu)化改進。在衰退期，各項技術(shù)已發(fā)展到極限，很難有新突破。
    s-曲線描述了一個技術(shù)系統(tǒng)的完整生命周期，當一個技術(shù)系統(tǒng)的進化完成4個階段后，必然會出現(xiàn)一個新的技術(shù)系統(tǒng)來替代它，如此不斷的替代。
    預測產(chǎn)品和技術(shù)所處的生命周期階段，有4個主要的判別指標，即性能參數(shù)、專利數(shù)量、發(fā)明級別、利潤，它們和S-曲線的對應關(guān)系如圖2所示。
    分析技術(shù)系統(tǒng)的S-曲線可以幫助企業(yè)評估現(xiàn)有技術(shù)的成熟度，有利于合理的研發(fā)投入和分配，幫助企業(yè)作出正確的研發(fā)與引進決策，避免因缺乏客觀數(shù)據(jù)而“憑感覺拍腦瓜決策”的現(xiàn)象。
1.2技術(shù)系統(tǒng)進化法則
    在新一代產(chǎn)品和技術(shù)的開發(fā)中，可以應用技術(shù)系統(tǒng)進化法則。技術(shù)系統(tǒng)進化法則的內(nèi)容，主要體現(xiàn)了技術(shù)系統(tǒng)在實現(xiàn)其相應功能的過程中，技術(shù)系統(tǒng)改進和發(fā)展的趨勢。在經(jīng)典TRIZ中，有八大類技術(shù)系統(tǒng)進化法則。運用這些法則，可以幫助人們判斷當前研發(fā)的產(chǎn)品處于技術(shù)系統(tǒng)進化的哪個位置，提供開發(fā)新一代產(chǎn)品的新概念和新思路。
1.2.1完備性法則
    技術(shù)系統(tǒng)要實現(xiàn)某項功能的必要條件是在整個技術(shù)系統(tǒng)中一定包含4個相互關(guān)聯(lián)的基本子系統(tǒng)，即動力裝置、傳輸裝置、執(zhí)行裝置和控制裝置。
    基于該法則去分析技術(shù)系統(tǒng)，可以判斷現(xiàn)有的技術(shù)系統(tǒng)是否完整，有助于在設計系統(tǒng)時，確定實現(xiàn)所需技術(shù)功能的方法，并達到節(jié)約資源的目的。系統(tǒng)的進化方向是不斷自我完善，減少人的參與，以提高技術(shù)系統(tǒng)的效率。
1.2.2能量傳遞法則
    技術(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)其基本功能的必要條件之一是能量能夠從能量源流向技術(shù)系統(tǒng)的所有元件。如果技術(shù)系統(tǒng)的某個元件接受不到能量，它就不能產(chǎn)生應有的效用。
    基于該法則在設計和改進技術(shù)系統(tǒng)時，首先要保證能量可以流向系統(tǒng)的各個元件。系統(tǒng)的進化是沿著縮短能量傳遞路徑、減少能量損失、提高能量傳遞效率的方向發(fā)展。
1.2.3動態(tài)性進化法則
技術(shù)系統(tǒng)的進化應該沿著結(jié)構(gòu)柔性、可移動性、可控性增加的方向發(fā)展，以適應環(huán)境狀況或執(zhí)行方式的變化。應用該法則可以指導人們花費很小的代價而取得通用性、高度適應性、可控性的技術(shù)系統(tǒng)。
1. 2.4提高理想度法則
    技術(shù)系統(tǒng)是沿著提高其理想度的方向進化的。通常采用如下公式來衡量產(chǎn)品的理想化程度：理想度=所有有用功能／（所有有害功能+成本）
    最理想的技術(shù)系統(tǒng)是作為物理實體并不存在，但卻能夠?qū)崿F(xiàn)所有必要的功能。理想化最終結(jié)果是技術(shù)系統(tǒng)某參數(shù)的改進，不會對系統(tǒng)的其他參數(shù)產(chǎn)生不利影響。明確問題的理想化最終結(jié)果，有可能引導人們得到最優(yōu)的、有遠見的問題解決方案。提高理想度的進化路線是去掉實現(xiàn)有用功能的特定設備，利用現(xiàn)有的能量和資源來實現(xiàn)有用功能。
1. 2.5子系統(tǒng)不均衡進化法則
    任何技術(shù)系統(tǒng)所包含的各個子系統(tǒng)都不是同步、均衡進化的。整個系統(tǒng)的進化速度取決于系統(tǒng)中發(fā)展最慢的子系統(tǒng)。這種不均衡的進化經(jīng)常會導致子系統(tǒng)之間的矛盾出現(xiàn)，解決矛盾將使整個系統(tǒng)得到突破性的進化。
    基于該法則可以幫助設計人員及時發(fā)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)中不理想的子系統(tǒng)，并以較先進的子系統(tǒng)替代，從而能以最小的成本，實現(xiàn)對特定參數(shù)的改進。
1. 2.6向超系統(tǒng)進化法則
    所謂超系統(tǒng)，廣義上講是超過這個系統(tǒng)之外的其他系統(tǒng)。技術(shù)系統(tǒng)在進化過程中，可以和超系統(tǒng)組件合并來獲得大量可用資源，或者將某項功能的子系統(tǒng)剝離出來，轉(zhuǎn)移至超系統(tǒng)中，這樣，能夠使該子系統(tǒng)擺脫自身在進化過程中遇到的限制，更好地實現(xiàn)原來的功能。
1.2.7向微觀級進化法則
    技術(shù)系統(tǒng)在進化發(fā)展過程中，沿著減小元件尺寸的方向進化。技術(shù)系統(tǒng)的元件，傾向于達到原子和基本粒子的尺度，進化的終點是不作為物理實體存在，而是通過場來實現(xiàn)其必要的功能。向微觀級進化的路線是由整體-多個部分一粉末-液體一氣體-場-虛空。
1. 2.8協(xié)調(diào)性進化法則
    技術(shù)系統(tǒng)向著子系統(tǒng)各參數(shù)協(xié)調(diào)、系統(tǒng)參數(shù)與超系統(tǒng)參數(shù)相協(xié)調(diào)的方向發(fā)展進化。基于該法則設計和改進技術(shù)系統(tǒng)時，某一組件的參數(shù)值的選擇要參考系統(tǒng)其他組件參數(shù)的值。子系統(tǒng)各參數(shù)之間的協(xié)調(diào)，包括結(jié)構(gòu)形狀、頻率、材料性質(zhì)、質(zhì)量上的相互協(xié)調(diào)等。
1.3產(chǎn)品預測流程
    第1步，分析系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能、可用資源、矛盾。
    第2步，選擇一條技術(shù)系統(tǒng)進化路線，分析當前系統(tǒng)特征，確定系統(tǒng)所處的位置。
    第3步，按照第二步路線對應的趨勢和方向，預測下一代產(chǎn)品應具有的特征，尋找構(gòu)思。
    第4步，參照每個進化路線，依次對產(chǎn)品進行步驟2和3，進行系統(tǒng)定位和預測。
    第5步，將步驟4得到的所有構(gòu)思集中組合分析，得到完整的新一代產(chǎn)品概念方案。
    第6步，根據(jù)步驟5得到的概念方案，選擇需要進行可行性研究的范圍，列入產(chǎn)品規(guī)劃。
1.4 S-曲線和進化法則
    8個進化法則在S-曲線各個階段使用頻率不同，在初始期使用頻率較高的是完備性法則、能量傳遞法則和協(xié)調(diào)性法則；在成長期使用頻率較高的是提高理想度法則、動態(tài)性進化法則和子系統(tǒng)不均衡進化法則；在成熟期使用頻率較高的是向微觀級進化法則；在衰退期使用頻率較高的是向超系統(tǒng)進化法則。
2、技術(shù)系統(tǒng)進化法則在粉碎機創(chuàng)新
    安全設計中的應用
2.1問題描述
    隨著能源需求壓力加大和林木質(zhì)能源顯著優(yōu)勢的逐漸突出，國內(nèi)外加快了對林木再生能源研發(fā)的步伐。而大部分林木生物質(zhì)原料在開發(fā)利用前期都需要進行粉碎加工處理，以便進一步加工利用。迄今市場上還沒有專為林木生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化設計制造的粉碎機，多用秸稈還田粉碎機、林業(yè)碎木機械以及飼料產(chǎn)業(yè)的牧草秸稈粉碎揉搓設備等替代，其中錘片式粉碎機應用最為廣泛。
    錘片式粉碎機結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作時，將物料由進料口送人粉碎室，首先被錘片打擊，得到一定程度的粉碎，同時以較高的速度甩向固定在粉碎室內(nèi)部的齒板和篩網(wǎng)上，受到齒板的碰撞和篩網(wǎng)的搓擦而進一步粉碎。在粉碎室中如此重復進行，直至粉碎到可通過篩孔為止。
    粉碎機在工作過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很高且有多把刀具同時高速切削物料，極易發(fā)生安全事故。因此，在產(chǎn)品設計時必須充分考慮安全性。鑒于安全系統(tǒng)具有非線性、混沌、分形、模糊性等復雜特性，而安全科學具有高度綜合、跨學科和橫斷、交叉以及復雜的系統(tǒng)性，因此，筆者嘗試應用TRIZ進化理論進行創(chuàng)新安全設計。
2.2 S-曲線分析
    所設計的林木生物質(zhì)粉碎機是一種為滿足新需求出現(xiàn)的新產(chǎn)品，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)有許多設計問題和難題，可靠性差、效率低，缺乏人力、物力、財力的投入，發(fā)展緩慢。按照S-曲線各個階段的特征，現(xiàn)有產(chǎn)品處于初始期。
    建議加大研發(fā)力度，設法提高系統(tǒng)的有用功能，降低成本和有害功能。
2.3技術(shù)系統(tǒng)進化預測
    應用完備性法則、能量傳遞法則、協(xié)調(diào)性法則、提高理想度法則和動態(tài)性進化法則分析當前技術(shù)系統(tǒng)特征，確定系統(tǒng)所處的位置；預測下一代產(chǎn)品可能的結(jié)構(gòu)狀態(tài)或應用的原理，產(chǎn)生創(chuàng)新設計方案。
2.3.1應用完備性法則
    系統(tǒng)的動力裝置是電動機，傳輸裝置足主軸傳動系統(tǒng)，執(zhí)行裝置是粉碎刀具，缺少控制其他組件協(xié)調(diào)動作以實現(xiàn)系統(tǒng)功能的控制裝置。應用完備性法則進行進化預測和產(chǎn)品構(gòu)思，可以增加系統(tǒng)的控制裝置，向人工更少介入的方向發(fā)展。
    構(gòu)思方案：應用變速電動機，根據(jù)產(chǎn)量和粉碎粒度的不同要求選擇不同的主軸轉(zhuǎn)速。
2.3.2應用能量傳遞法則
    系統(tǒng)的進化是沿著縮短能量傳遞路徑，減少能量損失，提高能量傳遞效率的方向發(fā)展。
    減少能量損失的途徑有：①縮短能量傳遞路徑，減少傳遞過程中的能量損失；②最好用一種能量或場貫穿系統(tǒng)的整個工作過程，減少能量形式的轉(zhuǎn)換導致的能量損失；③如果系統(tǒng)組件可以更換，可將不易控制的場更換為更易控制的場，按照機械場一聲場一熱場一化學場一電場一磁場／電磁場的順序，場的可控性增加，能量傳遞效率提高。
    目前粉碎設備用的是機械場，有效能量的利用率大約僅占0. 3%~0.6%。這是由于在物料粉碎過程中，會產(chǎn)生發(fā)熱、振動和摩擦等作用，約有95%~99%的能量轉(zhuǎn)化為熱而逸散，使能源大量消耗。
    構(gòu)思方案：可采用熱場，利用爆炸、壓力方式粉碎物料，提高能量傳遞效率。
2.3.3應用協(xié)調(diào)性進化法則
  技術(shù)系統(tǒng)的進化是沿著各個子系統(tǒng)相互之間更加協(xié)調(diào)，以及系統(tǒng)與環(huán)境更加協(xié)凋的方向發(fā)展。子系統(tǒng)形狀協(xié)調(diào)進化路線為相同形狀-自兼容形狀_兼容形狀一特殊形狀；表面形狀的進化路線為平滑表面一帶有突起的表面一粗糙表面-帶有活性物質(zhì)的表面；內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進化路線為實心物體-物體內(nèi)部中空-+內(nèi)部結(jié)構(gòu)多孔結(jié)構(gòu)_毛細結(jié)構(gòu)-+動態(tài)內(nèi)部結(jié)構(gòu)；幾何形狀的進化路線為點一線一面一體，幾何形狀復雜化。
    由形狀協(xié)調(diào)進化路線得到構(gòu)思方案：粉碎刀具由現(xiàn)在的規(guī)則平面、實心錘片（圖4a）進化為曲面、內(nèi)部中空的形狀（圖4b），增加刀刃的數(shù)量，使單位時間內(nèi)單位面積上有效粉碎次數(shù)增加，提高粉碎效率。
2.3.4應用提高理想度法則
    要提高系統(tǒng)的理想度，可以在不削弱系統(tǒng)主要功能的前提下，將系統(tǒng)的某些組件操作簡單化。
    現(xiàn)有的有篩粉碎機，在粉碎粒度小于20目的物料時，篩網(wǎng)極容易堵塞，使粒度合格的物料不能及時通過篩網(wǎng)，造成過粉碎。由于物料過篩能力下降，會導致生產(chǎn)率急劇降低，功耗大幅度增加，并且容易造成電機超負荷、卡死，增加安全隱患。
    由提高理想度進化路線得到構(gòu)思方案：采用無篩結(jié)構(gòu)，可通過風選或粉碎后再篩分來獲得所需粒度的物料。
2.3.5應用動態(tài)性進化法則
    增加系統(tǒng)動態(tài)性可以通過以下方法：①將固定狀態(tài)變?yōu)榭蓜訝顟B(tài)；②將系統(tǒng)分割成可動元件；③引進一個可動物體；④應用物理效應。
    由動態(tài)性進化法則得到構(gòu)思方案：利用振動電機，帶動篩網(wǎng)高頻微幅振動，提高合格物料的過篩能力。
2.4新產(chǎn)品的概念方案
    1)在物料規(guī)模化細粉碎過程中，最突出的問題是細粉碎粒度和過篩能力的矛盾。可通過改變刀具結(jié)構(gòu)，來提高粉碎效率；采用振動電機帶動篩網(wǎng)高頻微幅振動，來提高過篩能力；采用變速電動機，滿足產(chǎn)量和粉碎粒度的不同要求。
    2)當細粉碎粒度和過篩能力的矛盾加劇，可采用無篩結(jié)構(gòu)粉碎機，通過風選或粉碎后再篩分來獲得所需粒度的物料。
  3)采用熱場，考慮利用爆炸、壓力方式粉碎物料。
3、結(jié)論
    1)產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展遵循著一定的客觀規(guī)律，在進化過程中一般會經(jīng)歷初始期、成長期、成熟期和衰退期4個階段，形成s-曲線。分析技術(shù)系統(tǒng)的S-曲線可以幫助企業(yè)評估現(xiàn)有技術(shù)的成熟度，作出正確的研發(fā)與引進決策。
    2) TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進化法則可以提供開發(fā)產(chǎn)品的新概念和新思路，預測新一代產(chǎn)品可能的結(jié)構(gòu)狀態(tài)或應用的原理，使產(chǎn)品創(chuàng)新設計過程更具有可操作性。
    3)筆者將TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進化理論與產(chǎn)品創(chuàng)新安全設計相融合，運用TRIZ理論的S曲線分析現(xiàn)有產(chǎn)品處于初始期，應加大研發(fā)力度，設法提高系統(tǒng)的有用功能，降低成本和有害功能。應用完備性法則、能量傳遞法則、協(xié)調(diào)性法則、提高理想度法則和動態(tài)性進化法則得到了多個新產(chǎn)品的概念方案。