TRIZ打开创新之门的金钥匙(之十六)技术矛盾和矛盾矩阵
TRIZ ——打开创新之门的金钥匙（十六）
技术矛盾和矛盾矩阵
文\孙永伟刘江南
作者简介：孙永伟，博士，国际TRIZ协会副主席，国际TRIZ协会中国大陆地区协调人，中国发明协会发明方法研究分会常务副理事长，获得MATRIZ（国际TRIZ协会）三级证书、DFSS（六西格玛设计——黑带大师，全国六西格玛管理工作推进委员会专家委员，中国神华集团北京低碳清洁能源研究所黑带大师。曾任通用电气（GE）中国研发中心研发工程师，GE能源集团黑带，GE油气集团NPI项目经理等职，具有丰富的企业内部推行TRIZ理论和六西格玛设计的经验，并利用这些方法论解决或者指导解决了多个新产品研发项目中的难题，并获得多项专利。
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刘江南，工学博士，湖南大学机械与运载工程学院教授，University of California,San Diago访问学者，先后通过了MATRIZ(国际TRIZ协会)主席Sergei Ikovenko先生主持的国际TRIZ二级、三级认证和“基于TRIZ的专利策略与产品开发策略”高级研修班培训。主要社会兼职：2013-2017教育部机械基础课程教学指导委员会委员、创新方法研究会技术创新方法专业委员会理事、湖南省创新方法研究会副秘书长等。目前主持国家自然科学基金、国家重大科技支撑计划、中央国有资本经营预算项目、国家军工专项、
湖南省自然科学基金和科技计划项目等课题。在指导学生科技创新活动和参加学科竞赛、主持国家精品课程建设和国家级精品资源共享课、向社会推广科技创新方法等方面做出了突出成绩，获得多项国家发明专利。
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上一期中，我们介绍了一个解决问题的工具，功能导向搜索，这一期中，我们将介绍另外一个问题的模型及其解决方法，技术矛盾和矛盾矩阵。这一部分是早期经典TRIZ理论中最重要的内容之一，也非常有名，在TRIZ理论发展的过程中起到了非常重要的作用。
什么是矛盾
首先我们需要知道一个概念，什么是矛盾？我们在解决技术问题的时候，经常会遇到这样的这种情形，为了达到某种目的，我们需要调整某个参数，如果这个参数的调整，不会带来其他的问题，那么调整这个参数，就是一个解决方案，这种解决方案是一般的工程的解决方案，工程师利用学到的常规的解决方案就可以解决这类问题。比如说，为了笔记本电脑使用方便，我们加大了笔记本电脑屏幕的尺寸；为了提高汽车的安全性，我们增加汽车底盘钢板的厚度。这些解决方案都是显而易见的，工程师利用自己的经验，就可以解决的这些问题。经典TRIZ理论中解决问题的工具，并不是为各类问题而产生的。
如果说我们在调节这个参数的时候，却遇到了另外的问题，也就是说，我们不能调节的参数，这就是矛盾。比如说笔记本电脑屏幕，我们希望笔记本电脑的屏幕大一点，因为我们
使用起来很方便，但是又带来一个新的问题，那就是携带起来不方便，所以笔记本的屏幕不能太大。这就是矛盾。再比如，我们希望小轿车的底盘的钢板厚一些，这样会比较安全，但是如果底盘的钢板很厚，又会增加车的重量，油耗也是会相应增加，所以钢板又不能太厚，这也是一对矛盾。对于这种矛盾的问题，常规的解决方案就是优化或者折中。也就是说，将笔记本电脑屏幕做得不大不小，把底盘钢板的厚度做的不厚不薄。试图找到一个最佳值。而经典TRIZ理论中解决问题的工具，却是让工程师彻底抛弃折衷的企图，彻底地解决矛盾，让笔记本电脑的屏幕使用起来很方便，同时又具有便携性的优势；让小轿车同时具备安全性，还有低油耗的经济性。
什么是技术矛盾？
为了解释这个概念，我们先来思考这样一个问题，例如，在一个航空项目中，如果增加飞机机翼的尺寸，那么提高飞机的升力，但是飞机的重量也增加了。这种情况就是技术矛盾。为了改善一个参数而导致另一个参数的恶化。为了改善飞机的升力，导致飞机的重量恶化了。技术矛盾一般来说用如果…，那么…，但是…来描述，如下列表格所示。
在上表中，A为工程的解决方案，改善的参数为B，恶化的参数为C。为了验证这个技术矛盾描述得是否正确，一般还要采用技术矛盾-2的方法进行再次描述，如果技术矛盾-1和技术矛盾-2都成立，才能说明我们所描述的技术矛盾是对的，否则，说明我们描述得不正确。
上述机翼的例子中，我们可以用以下表格来描述：
是能够同时产生一个发明的解决方案，彻底解决这个矛盾，同时满足飞机升力大，重量又降低这二个参数。
发明原理
发明原理是由前苏联工程师、发明家根里奇·阿奇舒勒所提出的。他和弟子们在分析了数以万计的专利后发现：虽然每个专利所解决的问题是不一样的，但是，在解决这些问题的时候，所用到的原理是基本类似的，也就是说，尽管在不同领域的解决方案千差万别，但是，
所用到的原理基本上是类似的，就是这些少数的原理，被一次又一次重复的使用来产生了大量的发明。阿奇舒勒对这些通用的原理进行了总结，并进行了编号，这就是被人所熟知的40个发明原理。其后，数目众多的专利分析中，也进一步得到了证实。关于40个发明原理的具体解释，可以参考附录。
由于这些发明原理是大量的发明中提取出来的，具有普遍代表性，所以如果我们掌握了这些原理，同样可以利用它们来解决我们自己的问题。但是如何有效的利用这些发明原理呢？如果我们遇到一个问题就去一条一条的查询这些发明原理，效率是比较低的。所以需要开发一些工具，来有效地利用这些原理。这个工具就是非常有名的阿奇舒勒矛盾矩阵。
通用工程参数
阿奇舒勒在分析大量专利的时候的另一发现是，所有工程问题都可以使用一系列有限的通用工程参数来描述。我们所用到的参数可能是行业特定的具体参数，但是这些参数太多，而且还在不断的扩展。所以直接用我们所遇到的工程参数，不具备很强的可操作性。
阿奇舒勒对数量众多的工程参数进行了一般化处理，最终确定了39种能够表达所有技术矛盾的通用工程参数，并对它们进行了编号处理。在技术矛盾中确定的欲改善和被恶化参数应该被一般化处理为阿奇舒勒39个通用工程参数。
阿奇舒勒矛盾矩阵
正如前面所提到的，为了提高40个发明原理的运用效率，他提出了矛盾矩阵。这是一个39行39列的矛盾矩阵。每行、每列的表头包含39个通用工程参数中的一个参数。行中的参数为欲改善参数，而列中的参数为被恶化的参数。技术矛盾是由包含改善参数行与包含恶化参数列的交叉单元来表示。观察阿奇舒勒矩阵我们不难发现，在每一个矩阵单元中都有几个数字，这些数字所代表就是40个发明原理的编号。需要指出的是，那个表格是通过对大量专利的统计出来的，由于在其它领域里面也有类似的矛盾，这些发明原理能够解决它们的矛盾，多半也能解决我们所遇到的矛盾。比如，前面例子中所提到的，提高飞机升力的同时，也增加了飞机的重量。这个问题被潜艇中也可能遇到过；在气垫船中有可能遇到过；在航天飞机中也可能遇到过。通过这些发明所提取出来的发明原理，多半也可以解决飞机中升力和重量的问题。
直到39
在阿奇舒勒矩阵中我们还可以看到，有些矩阵单元中是空的，这并非意味着这对技术矛盾无解，而是在统计上没有显著倾向性的发明原理，也就是说在处理这一类技术矛盾的时候，40个发明原理运用的概率是差不多的，因此在解决这些技术矛盾的时候，需要尝试40个发明原理。有些矩阵单元以“-”填充，表示这二个参数发生矛盾的可能性比较小，但如果真的有技术矛盾存在，也没有统计上显著的发明原理，需要尝试40个发明原理。而对于那些有发明原理存在的矩阵单元，其中的数字只是意味着在解决这类技术矛盾的时候，统计上来看出现的概率比较高，对于没有在矩阵单元出现的其它发明原理，也有可能用来解决这类技术矛盾，只不过，在统计上，他们出现的概率相对较低而已。
在上面的案例中，改善的参数是飞机的升力，恶化的参数是飞机的重量。飞机的升力对应于39个通用工程参数中的力（编号为10），飞机的重量对应于39个通用工程参数中的运动物体的重量。查找矛盾矩阵中相应的单元，我们可以看到其中的数字为8，1，37，18。它们分别对应于，重量补偿原理（8），分割原理（1），热膨胀原理（37）和机械振动原理（18）。
下面这个表格中，列出了对这些原理的解释，这些原理都给了我们一些提示，我们需要根据这些原理的提示进行头脑风暴，产生概念性的想法。需要指出的是，发明原理只是指出了大体的方向，我们需要运用自己的经验，技术背景以及自己的判断，来确定最终的具体解决方案。
根据发明原理8的提示提出了解决方案如下：运用排出的废气来提高起飞升力。废气以图示的方式被释放，起到了扩展机翼的功能。它们有助于产生升力，而不增加飞机的重量。(美国专利N 4 648 571)
运用阿奇舒勒矛盾矩阵解决技术矛盾解决步骤
下面的图示列出了运用阿奇舒勒矛盾矩阵解决技术矛盾的方法
2.将这个工程问题转化为技术矛盾，用“如果-那么-但是”的形式阐述技术矛盾。如果一
个改善的参数导致不止一个参数的恶化，则对每一对改善和恶化的参数进行多种技术矛盾的阐述。为了检验技术矛盾定义得是否正确，通常将正反两个技术矛盾都写出来，进行对比。
3.确定技术矛盾中欲改善和被恶化的参数。
4.将改善和恶化的参数一般化为阿奇舒勒通用工程参数
5.在阿奇舒勒矛盾矩阵中定位改善和恶化通用工程参数交叉的单元，确定发明原理。
6.应用发明原理的提示确定最适合解决技术矛盾的具体解决方案。
示例：车床
下图显示的是由机器人服务的无人操作车床。在车削过程中产生的碎屑会卡住刀具并损坏工件，从而恶化了系统稳定性。问题是如何通过不断地（并及时地）去除切削碎屑来提高加工过程稳定性，否则会阻碍刀具并损坏工件。
由于本台机器是放置在无人操作的车间，确定的解决方案之一是使用一种配备视觉传感器和图像识别功能的特殊机器人，可以在切削碎屑形成之时将其清除。但是这种方案无法被接受，因为这种机器人极其复杂而且昂贵，所以需要找到一个更为简单的解决方法。
车床
1.描述问题
要解决的问题是“在没有复杂昂贵专用机器人配备的车床上，如何通过不断清除碎
屑来提高加工过程的稳定性”。
2.阐述技术矛盾
以技术矛盾方式阐述这个问题如下表。
车床的技术矛盾
由于我们的目标是提高加工过程的稳定性，所以我们选择技术矛盾-1。
3.识别技术矛盾的参数
我们项目的目标是要保障加工过程的稳定性。因此，加工稳定性是技术矛盾中要改善的参数。由于需要通过一个复杂的特殊机器人来清除碎屑。因此，机器人的复杂性是恶化的参数。
4.将改善和恶化的参数一般化为阿奇舒勒通用工程参数
既然项目的主要目标是使加工过程稳定，过程稳定性是需改善的参数。另外，辅助机器人的复杂性被恶化，因此，它是恶化参数。
a、在39个通用工程参数中寻找最接近的通用工程参数。
“过程稳定性”最接近通用工程参数中的“可靠性”。同样地，“机器人复杂性”最接近通用工程参数中的“装置的复杂性”。
b、如下表所示，在对应列中输入这些参数（具体参数和通用工程参数）。
表17 车床具体参数和典型参数
5.在阿奇舒勒矛盾矩阵中定位改善和恶化通用工程参数交叉的单元，确定发明原理。
a、在阿奇舒勒的矩阵行中确定改善参数“可靠性”。相同地，在阿奇舒勒的矩阵列
中确定恶化参数“装置的复杂性”。
改善参数“可靠性”在第27行，恶化参数“装置的复杂性”在第36列。
b、确定矩阵第27行第36列交叉对应的单元，如下表所示。该单元显示数字13，
35和1。每一个数字都是阿奇舒勒40个发明原理中一个发明原理的编号。
表18 车床的发明原理
c、从阿奇舒勒发明原理列表中确定发明原理，如下表所示。
阿奇舒勒发明原理
6.应用发明原理的提示确定最适合解决技术矛盾的具体解决方案
通过使用上述步骤确定的发明原理找到具体解决方案。下表所示是解决技术矛盾的发明原理及找到的具体解决方案。
车床的具体解决方案
小结
在这一章中我们学习了将利用分析工具得到的关键问题，利用如果____，那么_____，但是_____的形式转化为技术矛盾，然后利用阿奇舒勒矛盾矩阵得到发明原理，然
后在发明原理的启发下获得真正突破性而非折衷的解决方案。