约束理论中当前实现树与冲突解决图表驱动创新设计研究

引言

利用约束理论（theory of constraints，TOC）分析产品冲突问题时，找出影响生产实际系统的关键性因素并加以解决是关键。TOC现已发展成一种逻辑化与系统化解决问题的思维流程（thinking process，TP），TP利用TOC系统化方法构建问题逻辑图表，确定解决根原因的步骤。TOC能指导设计者构造问题、确认问题、建立求解模型、确定要克服的障碍和实施解的基本过程。

发明问题解决理论（TRIZ）是从不同角度研究人类发明创新与解决冲突难题的一种科学原理与方法，其39个标准工程参数、40条发明原理、4个分离原理及冲突解决矩阵等在驱动产品创新方面起着重要作用。

TOC与TRIZ相结合的研究始于20世纪90年代初，其后的研究表明，它的应用领域在不断扩大。本文提出一种将TOC与TRIZ相结合的设计方法并将其用于驱动产品创新。

1、TOC思维流程

TP技术工具由5个逻辑图表组成，用于检查和纠正冲突问题中的错误，从而保证分析的严密性。

1.1 当前实现树

当前实现树（current reality tree，CRT）用于描述给定系统的现实状况，反映给定系统在某些特定环境下的因果关系链，从系统的不良结果中推断根原因并确定核心问题，其构造模式见图1。它回答TP技术的第1类问题：改进什么？

图1 CRT构造模式

CRT用于理解复杂系统的条件、确定系统的不良结果、确定哪个核心问题最终导致70％以上的不良结果、确定在何位置根原因或核心问题位于设计者的控制范围之外、隔离为数很少的约束因素、尽可能改进系统以利于冲突问题的快速解决。

1.2 冲突解决图表

冲突解决图表（contradiction resolution diagram，CRD）用于确定冲突环境中所有相关要素，并找出解决问题的方法。CRD反映1个共同目标与2个需要、2个需要与2个先决条件、以及2个先决条件之间的假设关系，其构造模式见图2。CRD利用注入方式找到解决问题的突破点，它回答TP技术的第2类问题：改成什么样？

图2 CRD构造模式

CRD用于确定冲突存在、识别导致主要问题的冲突、深入分析问题的原因、确定问题和冲突之间的所有假设、确定避免折中的单个双赢解。

1.3 将来实现树

将来实现树（future reality tree，FRT）用来检验注入是否能产生期望结果及是否产生新的不良结果。FRT描述实施“注入”后的未来图景，展示当前系统的改变和产生结果之间的因果关系。FRT采用自底向上的方式，从当前推断将来，提出解决核心问题的方案，获得理想的结果。当FRT中出现不良结果（即负效应枝条）时，可通过改变原注入或加入新注入来消除。FRT用于测试解的有效性、确定系统改变所产生理想的结果、确定局部对整个系统的影响、支持理想的行为过程、采取附加措施来防止负面效应。

1.4 必备树

必备树（prerequisite tree，PRT）用来确定目标实现过程中的各种障碍和克服这些障碍所采取的措施及必要条件，即它是用来显示克服障碍路径的逻辑图。同时，还确定实现理想行为过程所需的行为序列、确定未知的步骤、有效地建立FRT和转变树（transition tree，TRT）之间的联系。PRT和TRT一同解决TP技术的第3类问题：如何使转变得以实现？

1.5 转变树

TRT用于指导设计者实现从直觉到行为的转变。执行工具TRT是一个将连续期望结果与随后措施结合产生新结果的累积过程，直至实现最终目标。TRT起初由4个元素构成：事实、需要、措施和期望的结果，后来，其提出者Goldratt在原有基础上加入1个新元素——导致上层需要的基本原因。

这5个逻辑图表既可以单独使用，又可以相互结合应用。TOC用来确定系统约束及产生约束的条件、寻找约束突破点、改进或消除所确定的不合理约束，为最终解决冲突问题打下基础。

2 TOC与TRIZ结合过程模型

Lukem提出了概念框架结构设计过程模型。这种简单化、系统化的概念设计方法将设计过程分为四步：初步分析问题；构造逻辑图表（构造问题）；分析逻辑图表（确定解决问题的方向）；产生问题解。前三步通过TOC来实现，最后一步是利用TRIZ得到领域解，如图3所示。

图3 T0C与TRIZ结合过程模型

在该模型中，构造CRT是整个概念设计过程的关键。CRT以系统中存在的问题为输入，通过因果逻辑将有用功能、有害功能和潜在的假设等联系起来，实现输入到输出的转换，确定并解决问题。CRT的功能类似于TRIZ功能模型及关联问题的陈述，其逻辑性强、层次分明，是一种很好的问题分析工具。设计者构造CRT后，应明确认识问题解决的过程，同时一些未考虑的因素会通过逻辑图表表达出来，最后分析图表和确定真正要解决的问题。

3 实例分析

利用逻辑图表CRD模型来分析动态水力旋流器旋流分离系统中的冲突问题，并结合TRIZ中40条发明原理找出与之相对应的能产生最佳综合性能的创新方案。

3.1 动态水力旋流器的结构及工作原理

动态水力旋流器利用外部动力（电动机）驱动混合液流旋转，从而分离有密度差且不互溶的两相介质，其结构及工作原理见图4。

图4 动态水力旋流器结构及工作原理

3.2 冲突问题存在描述

当动态水力旋流器旋流分离系统的入口流量及入口压力确定后，冲突问题是：电动机高速转动使装置自身剧烈振动以及与地基共振导致系统分离效率由于振动而达不到预期效果，即一个有效参数或功能不充分，系统整体能需进一步改进和提高。要解决的该问题属于第2类。

3.3 构造CRT及CRD流程模式

依据图1～图3进行系统分析，建立图5所示的CRT系统流程模式。通过分析来发现问题，找到影响分离效率达不到指标要求的各项影响因素及根原因，从而为利用TRIZ发明原理打下基础。同时，构造出当前提高系统使用寿命及降低噪声的CRD（图6a）和提高动态旋流系统分离效率的CRD（图6b）。电动机高转速引起旋流器样机振动及地基产生共振是导致分离效率下降的关键性因素。为此增加注入（改进措施）来解释冲突问题。

图5 旋流分离的CRT系统流程模式

图6 动态旋流分离系统CRD构造模式

来源：万方数据