ARIZ

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ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving,发明问题解决算法）

　　ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving,发明问题解决算法）苏联的阿奇舒勒（Ahshuller）提出的。是TRIZ理论中的一个主要分析问题、解决问题的方法，其目标是为了解决问题的物理矛盾。该算法主要针对问题情境复杂、矛盾及其相关部件不明确的技术系统。它是一个对初始问题进行一系列变形及再定义等非计算性的逻辑过程，实现对问题的逐步深入分析和转化，最终解决问题。该算法尤其强调问题矛盾与理想解的标准化，一方面技术系统向理想解的方向进化，另一方面如果一个技术问题存在矛盾需要克服，该问题就变成一个创新问题。

　　按照TRIZ对发明问题的五级分类，一般较为简单的一到三级发明问题运用创新原理或者发明问题标准解法就可以解决，而那些复杂的非标准发明问题，如四、五级的问题，往往需要应用发明问题解决算法ARIZ做系统的分析和求解。

　　TRIZ认为，一个创新问题解决的困难程度取决于对该问题的描述和问题的标准化程度，描述得越清楚，问题的标准化程度越高，问题就越容易解决。ARIZ中，创新问题求解的过程是对问题不断地描述，不断地标准化的过程。在这一过程中，初始问题最根本的矛盾被清晰地显现出来。如果方案库里已有的数据能够用于该问题则是有标准解；如果已有的数据不能解决该问题则无标准解，需等待科学技术的进一步发展。该过程是通过ARIZ算法实现的。

　　ARIZ最初由Ahshuller于1956年提出，经过多次完善才形成比较完整的体系，ARIZ是解决发明问题的完整算法，是TRIZ中最强有力的工具，集成了TRIZ理论中大多数观点和工具。ARIZ的主导思想和观点如下：

　　(1)冲突理论。

　　发明问题的特征是存在冲突，ARIZ强调发现并解决问题中的冲突，Altshuller将冲突分为管理冲突、技术冲突和物理冲突。管理冲突是指希望取得某些结果或避免某些现象，需要作一些事情，但不知如何去做；技术冲突总是涉及系统的两个基本参数A与B，当A得到改善时，B变得更差；物理冲突仅涉及系统中的一个子系统或部件，并对该子系统或部件提出了相反的要求。技术冲突可转化为物理冲突，物理冲突更接近问题本质。

　　ARIZ采用一套逻辑过程，逐步将一个模糊的初始问题转化为用冲突清楚表示的问题模型。首先将初始问题用管理冲突来表述，根据TRIZ实例库中的类似问题类比求解，无解则转化为技术冲突采用40条发明原理解决，如问题仍得不到解决则进一步深入分析发现物理冲突。特别强调由理想解确定物理冲突的方法，一方面技术系统向着理想解的方向进化，另一方面物理冲突阻碍达到理想状态。创新是克服冲突趋近于理想解的过程一声。

　　(2)克服思维惯性。

　　思维惯性是创新设计的最大障碍，ARIZ强调在解决问题过程中必须开阔思路克服思维惯性，主要通过利用TRIZ已有工具和一系列心理算法克服思维惯性。

　　①将初始问题转化为“缩小问题”(Mini-Problem)和“扩大问题”(Maxi-Problem)两种形式。“缩小问题”是尽量使系统保持不变，达到消除系统缺陷与完成改进的目的，“缩小问题”通过引入约束激化矛盾的目的是发现隐含冲突。“扩大问题”是对可选择的改变不加约束，目的是激发解决问题的新思路。

　　②强调应用系统内、系统外和超系统的所有种类可用资源。主要包括7种潜在的资源类型：物质、能量/场效果、可用空间、可用时间、物体结构、系统功能和系统参数，并且可用资源的种类和形式是随着技术的进步不断扩展的。

　　③系统算子：考虑将系统问题扩展，系统往往不是孤立存在的，系统包含子系统，并隶属于超系统，在过程上处于前系统和后系统之间，系统也包括过去状态和将来状态。系统算子方法考虑系统内问题是否可以转移到所在超系统、前系统、后系统及系统的不同时间段。有时系统内难解决的问题在系统以外很容易解决。

　　④参数算子：考虑系统长度参数、时间参数，以及成本增大或减小可能出现的情况，目的是加强冲突或发现隐含问题。

　　⑤尽量采用非专业术语表述问题，因为专业术语往往禁锢人的思维。例如在“破冰船破冰”的惯性思维引导下，人们不会想到可以不用破冰而将冰移走。

　　(3)集成应用TRIZ中大多数工具。

　　ARIZ集成应用了TRIZ理论中绝大多数工具，包括理想解、技术冲突、物理冲突、物场分析、76标准解、效应知识库。对使用者有很高要求，必须可以熟练使用TRIZ理论其他工具。

　　(4)充分利用TRIZ效应库和实例库，并不断扩充实例库。ARIZ应用效应库解决物理冲突，并已有相应软件支持。搜索实例库，借鉴类似问题解决方案，并且每解决一个问题都要分析解决方案，具有典型意义及通用性的加入实例库。但不同问题的相似性判别、原理解特征分析、实例库分类检索方法还有待研究。

　　ARIZ创造性思维法是前苏联的阿里德休尔提出的。ARIZ法把创造性思维的程序分成三个阶段：分析阶段、操作阶段、合成阶段。ARIZ的三个阶段中最关键的就是分析阶段。操作阶段和合成阶段仅仅是把分析阶段所得到的想法加以实施的过程。

　　ARIZ的分析阶段一般遵循以下4个步骤进行：

　　第一步：明确问题解决最终要达到的目的；

　　第二步：明确要达到这个目的，取得成果会遇到什么障碍；

　　第三步：明确起障碍作用的主要原因是什么；

　　第四步：找出消除障碍的方法。

　　从这四个步骤来看，ARIZ创造性思维法在解决问题中总是会从解决障碍入手，以此作为基点，进行思维，消除障碍，自然问题就能得到解决。

　　ARIZ算法主要包含六个模块：

　　第一个模块：情境分析，构建问题模型；

　　第二个模块：基于物场分析法的问题模型分析；

　　第三个模块：定义最终理想解与物理矛盾；

　　第四个模块：物理矛盾解决；

　　第五个模块：如果矛盾不能解决，调整或者重新构建初始问题模型；

　　第六个模块：解决方案分析与评价。

　　首先是将系统中存在的问题最小化，原则是在系统能够实现其必要机能的前提下，尽可能不改变或少改变系统；其次是定义系统的技术矛盾，并为矛盾建立 “问题模型”；然后分析该问题模型，定义问题所包含的时间和空间，利用物-场分析法分析系统中所包含的资源；接下来，定义系统的最终理想解。通常为了获取系统的理想解，需要从宏观和微观级上分别定义系统中所包含的物理矛盾，即系统本身可能产生对立的两个物理特性，例如：冷——热、导电——绝缘、透明——不透明等。

　　因此，下一步需要定义系统内的物理矛盾并消除矛盾。矛盾的消除需要最大限度地利用系统内的资源并借助物理学、化学、几何学等工程学原理。作为一种规则，经过分析原理的应用后如问题仍无解，则认为初始问题定义有误，需调整初始问题模型，或者对问题进行重新定义。

　　应用ARIZ取得成功的关键在于在理解问题的本质前，要不断地对问题进行细化，直至确定了问题所包含的物理矛盾。

　　下面是用ARIZ算法解决一个有关摩擦焊接问题的实例。

　　问题：摩擦焊接是连接两块金属的最简单的方法。将一块金属固定并将另一块对着它旋转。只要两块金属之间还有空隙就什么也不会发生。但当两块金属接触时接触部分就会产生很高的热量，金属开始熔化，再加以一定的压力两块金属就能够焊在一起。一家工厂要用每节10米的铸铁管建成一条通道，这些铸铁管要通过摩擦焊接的方法连接起来。但要想使这么大的铁管旋转起来需要建造非常大的机器，并要经过几个车间。

　　解决该问题的过程如下：

　　a） 最小问题：对已有设备不做大的改变而实现铸铁管的摩擦焊接；

　　b） 系统矛盾：管子要旋转以便焊接，管子又不应该旋转以免使用大型设备；

　　c） 问题模型：改变现有系统中的某个构成要素，在保证不旋转待焊接管子的前提下实现摩擦焊接；

　　d） 对立领域和资源分析：对立领域为管子的旋转，而容易改变的要素是两根管子的接触部分；

　　e） 理想解：只旋转管子的接触部分；

　　f） 物理矛盾：管子的整体性限制了只旋转管子的接触部分；

　　g） 物理矛盾的去除及问题的解决对策：用一个短的管子插在两个长管之间，旋转短的管子，同时将管子压在一起直到焊好为止。

　　ARIZ算法具有优秀的易操作性、系统性、实用性以及易流程化等特性，尤其对于那些问题情境复杂，矛盾不明显的非标准发明问题，它显得更加有效和可行。在经历了不断完善和发展的过程后，目前ARIZ已成为发明问题解决理论TRIZ的重要支撑和高级工具。

　　ARIZ有多个版本，ARIZ 85-AS是最具有代表性的版本。ARIZ 85-AS共有9个步骤。

　　图1：ARIZ流程图

　　图1所示ARIZ的前5个步骤将初始问题转化为冲突并解决冲突，如果问题在前5步没有得到解决，步骤6重新定义问题并跳回到第一步，步骤7的作用是问题解的评价，步骤8由问题特解中抽取出可用于解决其他问题的通用解法，步骤9是TRIZ专家分析ARIZ求解过程，以改进ARIZ。ARIZ每个步骤包含许多子步骤，应用中不强调采用所有步骤，根据情况可跳过一些无关子步骤。详细子步骤介绍如下，准备工作：搜集问题所在系统的相关信息。

　　(1)收集并陈述问题相关案例，了解已经尝试过但没有成功的解决方案。

　　(2)通过回答以下问题，定义问题解决后应达到的目的及能接受的最大成本。

　　①评价问题解决的技术和经济指标是什么?

　　②问题解决后带来的好处?

　　③要解决问题，技术系统哪些特性和参数必须改变?

　　④可以接受的成本是多少?

　　步骤1：问题分析与表述。

　　问题分析步骤的主要作用是搜集技术系统相关信息，定义管理冲突，分析问题结构，以“缩小问题”的形式表述初始问题。

　　(1)按照如下文本形式，表述技术系统。技术系统的主要目的是__，主要子系统包括__，技术系统和它的主要子系统的有用功能包括__，有害功能包括__。

　　(2)回答如下问题，判断问题是常规问题还是冲突问题，常规问题不需应用ARIZ。

　　①应用已知方法提高有用功能，有害功能是否同时提高?

　　②消除或减弱有害功能，有用功能是否同时减弱？如果两个问题答案都是否定的，则是常规问题，不需应用ARIZ。

　　(3)采用管理冲突和“缩小问题”形式表述原问题。“缩小问题”模板：如何通过系统最小的改动实现有用功能消除有害功能，或如何通过系统最小改动消除有害功能并不影响有用功能。

　　(4)图形表示“缩小问题”的结构。根据有用功能有害功能的相互作用关系，分为点结构、成对结构、网状结构、线结构、星形结构等，图2为几种结构的表示方法。复杂结构的“缩小问题”简化为标准的点结构，复杂结构问题分析理论还不成熟，是现在TRIZ研究的热点之一。

　　图2：问题结构示意图

　　(5)TRIZ实例库应用，寻找是否可利用类似问题解。

　　(6)问题发散。假设初始问题不可能解决，应用系统算子，考虑在超系统、前系统、后系统及系统的不同时间段寻找替代解决方案，达到同样目的。问题解决则转到步骤7。

　　步骤2：系统分析与冲突表述。

　　该步骤分析问题所在技术系统各要素，构建技术冲突表述问题，并尝试采用发明原理与标准解法解决技术冲突。详细子步骤如下：

　　(1)陈述问题所在技术系统的主要要素：TRIZ认为技术系统包括输入原料要素、工具要素、辅助工具要素和输出产品要素。

　　(2)通过分析系统要素作用过程，发现冲突，冲突一般发生在工具、辅助工具要素作用于原材料要素的过程中。

　　(3)根据技术冲突的两种形式，构建技术冲突TC1和TC2。

　　TC1：增强有用功能，同时增强有害功能；

　　TC2：降低有害功能，同时降低有用功能；

　　(4)如果冲突涉及到辅助工具要素，可以尝试去除辅助工具要素构建技术冲突(TC3)。

　　(5)确定冲突，选择合适的技术冲突(TC1，TC2，TC3)来表述问题(原则是解决哪一个冲突可以更好地实现系统主要功能)。尝试用冲突矩阵与40条发明原理解决技术冲突，冲突解决则转到步骤7。

　　(6)采用参数算子方法，加强冲突，直到原问题出现质变出现新的问题，并重新分析问题。

　　(7)构建技术冲突的物质-场模型，尝试用标准解法解决问题。如果技术冲突得不到解决，继续步骤3。

　　步骤3：确定理想解和物理冲突。

　　确定最终理想解，发现阻碍实现理想解的物理冲突。

　　(1)结合设计草图，定义操作区域、操作时间。

　　(2)定义理想解1：在不使系统变复杂的情况下，实现有用功能，并不产生和消除有害功能，并不影响工具要素有用行动的执行能力。

　　(3)加强理想解：引入附加条件，不能引入新的物质和场，应用系统内可用资源实现理想解。

　　①列出系统内所有可用资源清单；

　　②选择一种资源(x资源)作为利用对象。依次选择冲突区域内的所有资源，选用的顺序为工具要素、其他子系统的资源、环境资源、原材料要素和产品；

　　③思考利用x资源如何达到理想解，并思考如何能够达到理想状态(x资源可作为假想冲突元素可具有相反的两种状态或属性，不必考虑是否可实现)；

　　④遍历所有资源以后，选择一个最可能实现理想解的x资源作为冲突元素。

　　(4)表述物理冲突。物理冲突模板：在操作空间和时间内，所选石资源应该具有某一状态以满足冲突一方，又应该具有相反的状态以满足冲突另一方。

　　(5)构建理想解2。所选x资源在操作时间和空间内，具有相反的两种状态或属性。

　　(6)尝试解决理想解2指出的问题，如果问题没有解决，选择另外一种资源。

　　步骤4：可用资源分析。

　　在步骤3系统内资源分析的基础上，进一步拓展可用资源的种类和形式(包括派生资源)。

　　(1)使用物质资源的混合体来解决问题。

　　例如稀薄的空气可以看作是空气与真空区的混合体，并且真空是一种非常重要的物质资源，可以与可利用物质混合产生空洞、多孔结构、泡沫等。

　　(2)应用派生资源。

　　(3)将产品作为一种可用资源，常见如下几种应用形式。

　　①产品参数和特性的改变；

　　②产品暂时改变；

　　③多层结构。

　　(4)应用超系统资源。

　　(5)使用场资源和场敏物质，典型的是磁场和铁磁材料、热与形状记忆合金等。

　　(6)在应用新资源的情况下，重新考虑采用标准解解决问题。

　　(7)经过以上步骤问题仍没有解决，进入步骤5应用TRIZ知识库，经过以上分析步骤，问题表述更接近问题本质，有助于问题解决。

　　步骤5：应用TRIZ知识库(包括实例库、效应、分离原理等)解决物理冲突。

　　(1)采用类比思维，参考ARIZ已经解决的类似问题的解决方案。

　　(2)应用效应库解决物理冲突，新效应的应用常可获得跨学科高级别的发明解。

　　(3)尝试应用分离原理解决物理冲突。

　　步骤6：转换或替代问题。

　　问题没有解决的重要原因是发明问题很难得到正确表述，解决问题过程中经常需要修改问题表述。

　　(1)问题解决则跳转到步骤7。

　　(2)问题没有解决，返回步骤l，分析初始问题是否可分为几个小问题，重新分析确定主要问题。

　　(3)检查步骤2中冲突要素分析是否正确，是否可以选择其他产品或工具要素。

　　(4)选择步骤2中的其它冲突表述TGI，TC2，TC3。

　　步骤7：原理解评价，主要目标是检查解决方案的质量。

　　(1)检查每一种新引入的物质或场，是否可以用已有物质和场代替。

　　(2)子问题预测：预测解决方案会引起哪些新的子问题。TRIZ所得到冲突的解分为两类：①离散解：彻底消除了技术冲突，或新解使得原有技术冲突已不存在；②连续解：新解部分消除了冲突，但冲突仍然存在，不断地消除冲突的同时产生一系列新的冲突，这些冲突构成冲突链。

　　(3)方案解评估，主要采用如下评价标准。

　　①是否很好实现了理想解l的主要目标；

　　②是否解决了一个物理冲突；

　　③方案是否容易实现；

　　④新系统是否包含了至少一个易控元素?如何控制?

　　所有标准都不满足则回到步骤1。

　　(4)检索专利库检查解决方案的新颖性。

　　步骤8：原理解利用。

　　原理解具体工程实现方法，以及评价该方法是否可以应用于其它问题。

　　(1)定义改变：定义包含改进系统的超系统应如何改变。

　　(2)可行性分析：检查改进后的系统和超系统是否可以按新方式工作。

　　(3)考虑应用解决方案采用的原理解决其他问题。

　　①陈述解法的通用原理；

　　②考虑该解法原理对其他问题的直接应用；

　　③考虑使用相反的解法原理解决其他问题。

　　步骤9：对全过程合理性的分析。

　　主要是面向TRIZ专家，用于评估改进ARIZ。

　　(1)将问题解决实际过程与ARIZ的理论过程比较，记下所有偏离的地方。

　　(2)将解决方案与TRIZ知识库比较，如果TRIZ知识库没有包含该解决方案的原理，考虑在ARIZ修订时扩充。

　　现阶段ARIZ的主要问题及改进方向如下：

　　(1)TRIZ主要是基于知识与经验的创新方法理论，ARIZ首次采用系统化的分析推理过程引导人类的创新思维，在此基础上应进一步结合其它领域关于问题分析、知识表示、逻辑推理的相关研究成果，完善ARIZ的分析推理决策过程。

　　(2)产品设计中会遇到各种形式的问题，要实现通用的问题解决方法，首先要提供通用的问题表示及分析方法，并在此基础上划分问题类型，研究不同种类问题的解决方法。

　　(3)ARIZ比较适用于解决详细设计阶段和改进设计遇到的问题，针对概念设计阶段问题的理论方法有待研究。

　　(4)复杂问题往往包含多个冲突，今后应在TRIZ冲突理论基础上研究如何解决多冲突问题。

　　(5)改进ARIZ使其应用更加方便，并开展软件实现方法研究。

　　虽然TRIZ还处于发展之中，但其成熟部分已成功地解决了设计中的很多难题，得到越来越多的企业认同，随着TRIZ的不断发展和推广，必将加强我国企业在技术创新中的主体地位，推动技术创新，提高企业在世界市场上的竞争力。