ARIZ

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ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving,發明問題解決演算法）

　　ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving,發明問題解決演算法）蘇聯的阿奇舒勒（Ahshuller）提出的。是TRIZ理論中的一個主要分析問題、解決問題的方法，其目標是為瞭解決問題的物理矛盾。該演算法主要針對問題情境複雜、矛盾及其相關部件不明確的技術系統。它是一個對初始問題進行一系列變形及再定義等非計算性的邏輯過程，實現對問題的逐步深入分析和轉化，最終解決問題。該演算法尤其強調問題矛盾與理想解的標準化，一方面技術系統向理想解的方向進化，另一方面如果一個技術問題存在矛盾需要剋服，該問題就變成一個創新問題。

　　按照TRIZ對發明問題的五級分類，一般較為簡單的一到三級發明問題運用創新原理或者發明問題標準解法就可以解決，而那些複雜的非標準發明問題，如四、五級的問題，往往需要應用發明問題解決演算法ARIZ做系統的分析和求解。

　　TRIZ認為，一個創新問題解決的困難程度取決於對該問題的描述和問題的標準化程度，描述得越清楚，問題的標準化程度越高，問題就越容易解決。ARIZ中，創新問題求解的過程是對問題不斷地描述，不斷地標準化的過程。在這一過程中，初始問題最根本的矛盾被清晰地顯現出來。如果方案庫里已有的數據能夠用於該問題則是有標準解；如果已有的數據不能解決該問題則無標準解，需等待科學技術的進一步發展。該過程是通過ARIZ演算法實現的。

　　ARIZ最初由Ahshuller於1956年提出，經過多次完善才形成比較完整的體系，ARIZ是解決發明問題的完整演算法，是TRIZ中最強有力的工具，集成了TRIZ理論中大多數觀點和工具。ARIZ的主導思想和觀點如下：

　　(1)衝突理論。

　　發明問題的特征是存在衝突，ARIZ強調發現並解決問題中的衝突，Altshuller將衝突分為管理衝突、技術衝突和物理衝突。管理衝突是指希望取得某些結果或避免某些現象，需要作一些事情，但不知如何去做；技術衝突總是涉及系統的兩個基本參數A與B，當A得到改善時，B變得更差；物理衝突僅涉及系統中的一個子系統或部件，並對該子系統或部件提出了相反的要求。技術衝突可轉化為物理衝突，物理衝突更接近問題本質。

　　ARIZ採用一套邏輯過程，逐步將一個模糊的初始問題轉化為用衝突清楚表示的問題模型。首先將初始問題用管理衝突來表述，根據TRIZ實例庫中的類似問題類比求解，無解則轉化為技術衝突採用40條發明原理解決，如問題仍得不到解決則進一步深入分析發現物理衝突。特別強調由理想解確定物理衝突的方法，一方面技術系統向著理想解的方向進化，另一方面物理衝突阻礙達到理想狀態。創新是剋服衝突趨近於理想解的過程一聲。

　　(2)剋服思維慣性。

　　思維慣性是創新設計的最大障礙，ARIZ強調在解決問題過程中必須開闊思路剋服思維慣性，主要通過利用TRIZ已有工具和一系列心理演算法剋服思維慣性。

　　①將初始問題轉化為“縮小問題”(Mini-Problem)和“擴大問題”(Maxi-Problem)兩種形式。“縮小問題”是儘量使系統保持不變，達到消除系統缺陷與完成改進的目的，“縮小問題”通過引入約束激化矛盾的目的是發現隱含衝突。“擴大問題”是對可選擇的改變不加約束，目的是激發解決問題的新思路。

　　②強調應用系統內、系統外和超系統的所有種類可用資源。主要包括7種潛在的資源類型：物質、能量/場效果、可用空間、可用時間、物體結構、系統功能和系統參數，並且可用資源的種類和形式是隨著技術的進步不斷擴展的。

　　③系統運算元：考慮將系統問題擴展，系統往往不是孤立存在的，系統包含子系統，並隸屬於超系統，在過程上處於前系統和後系統之間，系統也包括過去狀態和將來狀態。系統運算元方法考慮系統內問題是否可以轉移到所在超系統、前系統、後系統及系統的不同時間段。有時系統內難解決的問題在系統以外很容易解決。

　　④參數運算元：考慮系統長度參數、時間參數，以及成本增大或減小可能出現的情況，目的是加強衝突或發現隱含問題。

　　⑤儘量採用非專業術語表述問題，因為專業術語往往禁錮人的思維。例如在“破冰船破冰”的慣性思維引導下，人們不會想到可以不用破冰而將冰移走。

　　(3)集成應用TRIZ中大多數工具。

　　ARIZ集成應用了TRIZ理論中絕大多數工具，包括理想解、技術衝突、物理衝突、物場分析、76標準解、效應知識庫。對使用者有很高要求，必須可以熟練使用TRIZ理論其他工具。

　　(4)充分利用TRIZ效應庫和實例庫，並不斷擴充實例庫。ARIZ應用效應庫解決物理衝突，並已有相應軟體支持。搜索實例庫，借鑒類似問題解決方案，並且每解決一個問題都要分析解決方案，具有典型意義及通用性的加入實例庫。但不同問題的相似性判別、原理解特征分析、實例庫分類檢索方法還有待研究。

　　ARIZ創造性思維法是前蘇聯的阿裡德休爾提出的。ARIZ法把創造性思維的程式分成三個階段：分析階段、操作階段、合成階段。ARIZ的三個階段中最關鍵的就是分析階段。操作階段和合成階段僅僅是把分析階段所得到的想法加以實施的過程。

　　ARIZ的分析階段一般遵循以下4個步驟進行：

　　第一步：明確問題解決最終要達到的目的；

　　第二步：明確要達到這個目的，取得成果會遇到什麼障礙；

　　第三步：明確起障礙作用的主要原因是什麼；

　　第四步：找出消除障礙的方法。

　　從這四個步驟來看，ARIZ創造性思維法在解決問題中總是會從解決障礙入手，以此作為基點，進行思維，消除障礙，自然問題就能得到解決。

　　ARIZ演算法主要包含六個模塊：

　　第一個模塊：情境分析，構建問題模型；

　　第二個模塊：基於物場分析法的問題模型分析；

　　第三個模塊：定義最終理想解與物理矛盾；

　　第四個模塊：物理矛盾解決；

　　第五個模塊：如果矛盾不能解決，調整或者重新構建初始問題模型；

　　第六個模塊：解決方案分析與評價。

　　首先是將系統中存在的問題最小化，原則是在系統能夠實現其必要機能的前提下，儘可能不改變或少改變系統；其次是定義系統的技術矛盾，併為矛盾建立 “問題模型”；然後分析該問題模型，定義問題所包含的時間和空間，利用物-場分析法分析系統中所包含的資源；接下來，定義系統的最終理想解。通常為了獲取系統的理想解，需要從巨集觀和微觀級上分別定義系統中所包含的物理矛盾，即系統本身可能產生對立的兩個物理特性，例如：冷——熱、導電——絕緣、透明——不透明等。

　　因此，下一步需要定義系統內的物理矛盾並消除矛盾。矛盾的消除需要最大限度地利用系統內的資源並藉助物理學、化學、幾何學等工程學原理。作為一種規則，經過分析原理的應用後如問題仍無解，則認為初始問題定義有誤，需調整初始問題模型，或者對問題進行重新定義。

　　應用ARIZ取得成功的關鍵在於在理解問題的本質前，要不斷地對問題進行細化，直至確定了問題所包含的物理矛盾。

　　下麵是用ARIZ演算法解決一個有關摩擦焊接問題的實例。

　　問題：摩擦焊接是連接兩塊金屬的最簡單的方法。將一塊金屬固定並將另一塊對著它旋轉。只要兩塊金屬之間還有空隙就什麼也不會發生。但當兩塊金屬接觸時接觸部分就會產生很高的熱量，金屬開始熔化，再加以一定的壓力兩塊金屬就能夠焊在一起。一家工廠要用每節10米的鑄鐵管建成一條通道，這些鑄鐵管要通過摩擦焊接的方法連接起來。但要想使這麼大的鐵管旋轉起來需要建造非常大的機器，並要經過幾個車間。

　　解決該問題的過程如下：

　　a） 最小問題：對已有設備不做大的改變而實現鑄鐵管的摩擦焊接；

　　b） 系統矛盾：管子要旋轉以便焊接，管子又不應該旋轉以免使用大型設備；

　　c） 問題模型：改變現有系統中的某個構成要素，在保證不旋轉待焊接管子的前提下實現摩擦焊接；

　　d） 對立領域和資源分析：對立領域為管子的旋轉，而容易改變的要素是兩根管子的接觸部分；

　　e） 理想解：只旋轉管子的接觸部分；

　　f） 物理矛盾：管子的整體性限制了只旋轉管子的接觸部分；

　　g） 物理矛盾的去除及問題的解決對策：用一個短的管子插在兩個長管之間，旋轉短的管子，同時將管子壓在一起直到焊好為止。

　　ARIZ演算法具有優秀的易操作性、系統性、實用性以及易流程化等特性，尤其對於那些問題情境複雜，矛盾不明顯的非標準發明問題，它顯得更加有效和可行。在經歷了不斷完善和發展的過程後，目前ARIZ已成為發明問題解決理論TRIZ的重要支撐和高級工具。

　　ARIZ有多個版本，ARIZ 85-AS是最具有代表性的版本。ARIZ 85-AS共有9個步驟。

　　圖1：ARIZ流程圖

　　圖1所示ARIZ的前5個步驟將初始問題轉化為衝突並解決衝突，如果問題在前5步沒有得到解決，步驟6重新定義問題並跳回到第一步，步驟7的作用是問題解的評價，步驟8由問題特解中抽取出可用於解決其他問題的通用解法，步驟9是TRIZ專家分析ARIZ求解過程，以改進ARIZ。ARIZ每個步驟包含許多子步驟，應用中不強調採用所有步驟，根據情況可跳過一些無關子步驟。詳細子步驟介紹如下，準備工作：搜集問題所在系統的相關信息。

　　(1)收集並陳述問題相關案例，瞭解已經嘗試過但沒有成功的解決方案。

　　(2)通過回答以下問題，定義問題解決後應達到的目的及能接受的最大成本。

　　①評價問題解決的技術和經濟指標是什麼?

　　②問題解決後帶來的好處?

　　③要解決問題，技術系統哪些特性和參數必須改變?

　　④可以接受的成本是多少?

　　步驟1：問題分析與表述。

　　問題分析步驟的主要作用是搜集技術系統相關信息，定義管理衝突，分析問題結構，以“縮小問題”的形式表述初始問題。

　　(1)按照如下文本形式，表述技術系統。技術系統的主要目的是__，主要子系統包括__，技術系統和它的主要子系統的有用功能包括__，有害功能包括__。

　　(2)回答如下問題，判斷問題是常規問題還是衝突問題，常規問題不需應用ARIZ。

　　①應用已知方法提高有用功能，有害功能是否同時提高?

　　②消除或減弱有害功能，有用功能是否同時減弱？如果兩個問題答案都是否定的，則是常規問題，不需應用ARIZ。

　　(3)採用管理衝突和“縮小問題”形式表述原問題。“縮小問題”模板：如何通過系統最小的改動實現有用功能消除有害功能，或如何通過系統最小改動消除有害功能並不影響有用功能。

　　(4)圖形表示“縮小問題”的結構。根據有用功能有害功能的相互作用關係，分為點結構、成對結構、網狀結構、線結構、星形結構等，圖2為幾種結構的表示方法。複雜結構的“縮小問題”簡化為標準的點結構，複雜結構問題分析理論還不成熟，是現在TRIZ研究的熱點之一。

　　圖2：問題結構示意圖

　　(5)TRIZ實例庫應用，尋找是否可利用類似問題解。

　　(6)問題發散。假設初始問題不可能解決，應用系統運算元，考慮在超系統、前系統、後系統及系統的不同時間段尋找替代解決方案，達到同樣目的。問題解決則轉到步驟7。

　　步驟2：系統分析與衝突表述。

　　該步驟分析問題所在技術系統各要素，構建技術衝突表述問題，並嘗試採用發明原理與標準解法解決技術衝突。詳細子步驟如下：

　　(1)陳述問題所在技術系統的主要要素：TRIZ認為技術系統包括輸入原料要素、工具要素、輔助工具要素和輸出產品要素。

　　(2)通過分析系統要素作用過程，發現衝突，衝突一般發生在工具、輔助工具要素作用於原材料要素的過程中。

　　(3)根據技術衝突的兩種形式，構建技術衝突TC1和TC2。

　　TC1：增強有用功能，同時增強有害功能；

　　TC2：降低有害功能，同時降低有用功能；

　　(4)如果衝突涉及到輔助工具要素，可以嘗試去除輔助工具要素構建技術衝突(TC3)。

　　(5)確定衝突，選擇合適的技術衝突(TC1，TC2，TC3)來表述問題(原則是解決哪一個衝突可以更好地實現系統主要功能)。嘗試用衝突矩陣與40條發明原理解決技術衝突，衝突解決則轉到步驟7。

　　(6)採用參數運算元方法，加強衝突，直到原問題出現質變出現新的問題，並重新分析問題。

　　(7)構建技術衝突的物質-場模型，嘗試用標準解法解決問題。如果技術衝突得不到解決，繼續步驟3。

　　步驟3：確定理想解和物理衝突。

　　確定最終理想解，發現阻礙實現理想解的物理衝突。

　　(1)結合設計草圖，定義操作區域、操作時間。

　　(2)定義理想解1：在不使系統變複雜的情況下，實現有用功能，並不產生和消除有害功能，並不影響工具要素有用行動的執行能力。

　　(3)加強理想解：引入附加條件，不能引入新的物質和場，應用系統內可用資源實現理想解。

　　①列出系統內所有可用資源清單；

　　②選擇一種資源(x資源)作為利用對象。依次選擇衝突區域內的所有資源，選用的順序為工具要素、其他子系統的資源、環境資源、原材料要素和產品；

　　③思考利用x資源如何達到理想解，並思考如何能夠達到理想狀態(x資源可作為假想衝突元素可具有相反的兩種狀態或屬性，不必考慮是否可實現)；

　　④遍歷所有資源以後，選擇一個最可能實現理想解的x資源作為衝突元素。

　　(4)表述物理衝突。物理衝突模板：在操作空間和時間內，所選石資源應該具有某一狀態以滿足衝突一方，又應該具有相反的狀態以滿足衝突另一方。

　　(5)構建理想解2。所選x資源在操作時間和空間內，具有相反的兩種狀態或屬性。

　　(6)嘗試解決理想解2指出的問題，如果問題沒有解決，選擇另外一種資源。

　　步驟4：可用資源分析。

　　在步驟3系統內資源分析的基礎上，進一步拓展可用資源的種類和形式(包括派生資源)。

　　(1)使用物質資源的混合體來解決問題。

　　例如稀薄的空氣可以看作是空氣與真空區的混合體，並且真空是一種非常重要的物質資源，可以與可利用物質混合產生空洞、多孔結構、泡沫等。

　　(2)應用派生資源。

　　(3)將產品作為一種可用資源，常見如下幾種應用形式。

　　①產品參數和特性的改變；

　　②產品暫時改變；

　　③多層結構。

　　(4)應用超系統資源。

　　(5)使用場資源和場敏物質，典型的是磁場和鐵磁材料、熱與形狀記憶合金等。

　　(6)在應用新資源的情況下，重新考慮採用標準解解決問題。

　　(7)經過以上步驟問題仍沒有解決，進入步驟5應用TRIZ知識庫，經過以上分析步驟，問題表述更接近問題本質，有助於問題解決。

　　步驟5：應用TRIZ知識庫(包括實例庫、效應、分離原理等)解決物理衝突。

　　(1)採用類比思維，參考ARIZ已經解決的類似問題的解決方案。

　　(2)應用效應庫解決物理衝突，新效應的應用常可獲得跨學科高級別的發明解。

　　(3)嘗試應用分離原理解決物理衝突。

　　步驟6：轉換或替代問題。

　　問題沒有解決的重要原因是發明問題很難得到正確表述，解決問題過程中經常需要修改問題表述。

　　(1)問題解決則跳轉到步驟7。

　　(2)問題沒有解決，返回步驟l，分析初始問題是否可分為幾個小問題，重新分析確定主要問題。

　　(3)檢查步驟2中衝突要素分析是否正確，是否可以選擇其他產品或工具要素。

　　(4)選擇步驟2中的其它衝突表述TGI，TC2，TC3。

　　步驟7：原理解評價，主要目標是檢查解決方案的質量。

　　(1)檢查每一種新引入的物質或場，是否可以用已有物質和場代替。

　　(2)子問題預測：預測解決方案會引起哪些新的子問題。TRIZ所得到衝突的解分為兩類：①離散解：徹底消除了技術衝突，或新解使得原有技術衝突已不存在；②連續解：新解部分消除了衝突，但衝突仍然存在，不斷地消除衝突的同時產生一系列新的衝突，這些衝突構成衝突鏈。

　　(3)方案解評估，主要採用如下評價標準。

　　①是否很好實現了理想解l的主要目標；

　　②是否解決了一個物理衝突；

　　③方案是否容易實現；

　　④新系統是否包含了至少一個易控元素?如何控制?

　　所有標準都不滿足則回到步驟1。

　　(4)檢索專利庫檢查解決方案的新穎性。

　　步驟8：原理解利用。

　　原理解具體工程實現方法，以及評價該方法是否可以應用於其它問題。

　　(1)定義改變：定義包含改進系統的超系統應如何改變。

　　(2)可行性分析：檢查改進後的系統和超系統是否可以按新方式工作。

　　(3)考慮應用解決方案採用的原理解決其他問題。

　　①陳述解法的通用原理；

　　②考慮該解法原理對其他問題的直接應用；

　　③考慮使用相反的解法原理解決其他問題。

　　步驟9：對全過程合理性的分析。

　　主要是面向TRIZ專家，用於評估改進ARIZ。

　　(1)將問題解決實際過程與ARIZ的理論過程比較，記下所有偏離的地方。

　　(2)將解決方案與TRIZ知識庫比較，如果TRIZ知識庫沒有包含該解決方案的原理，考慮在ARIZ修訂時擴充。

　　現階段ARIZ的主要問題及改進方向如下：

　　(1)TRIZ主要是基於知識與經驗的創新方法理論，ARIZ首次採用系統化的分析推理過程引導人類的創新思維，在此基礎上應進一步結合其它領域關於問題分析、知識表示、邏輯推理的相關研究成果，完善ARIZ的分析推理決策過程。

　　(2)產品設計中會遇到各種形式的問題，要實現通用的問題解決方法，首先要提供通用的問題表示及分析方法，併在此基礎上劃分問題類型，研究不同種類問題的解決方法。

　　(3)ARIZ比較適用於解決詳細設計階段和改進設計遇到的問題，針對概念設計階段問題的理論方法有待研究。

　　(4)複雜問題往往包含多個衝突，今後應在TRIZ衝突理論基礎上研究如何解決多衝突問題。

　　(5)改進ARIZ使其應用更加方便，並開展軟體實現方法研究。

　　雖然TRIZ還處於發展之中，但其成熟部分已成功地解決了設計中的很多難題，得到越來越多的企業認同，隨著TRIZ的不斷發展和推廣，必將加強我國企業在技術創新中的主體地位，推動技術創新，提高企業在世界市場上的競爭力。