發明問題解決理論TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)是阿奇舒勒(Genrich S Altshuller)提出的一整套具有完整體系的發明問題解決理論和方法。他在研究了世界近250萬份高水平專利的基礎上，發現了發明背后存在的模式并形成了TRIZ理論的原始基礎。國內外學者對TRIZ理論進行了大量深入的研究，目前的研究方向主要有：針對實際問題的TRIZ理論應用研究；基于TRIZ理論的創新設計方法研究，針對一個具體的問題，將之轉化為問題模型，依靠進化模式、進化路線和TRIZ工具獲得通用解，最后結合實際，加以實現。但其在產品創新過程中未能與設計者的創造力、想象力緊密結合，也難以在概念設計的層面發散求解。
Function-Behavior-Structure(FBS)是Gero教授提出的用于描述認知設計過程的理想模型。該方法可以將一個復雜系統進行模塊化、層次化剖析，將其分解為相互聯系而功能獨立的多個模塊，并在此基礎上層層遞進，對各功能模塊進行發散，得到眾多解，最終通過評估求得最優解。但該方法在評判最優解的過程中，使得“發散求解過程”更多地取決于設計者的個人素質和能否使用有效工具，研究者的主觀臆斷占了很大的比例，影響了所得到的最優解的質量。
在設計過程中，將TRIZ和FBS結合起來解決產品創新的問題，利用TRIZ的“S曲線”預判FBS功能模塊的創新概率；用“TRIZ進化模式和進化路線”指導FBS確定產品創新設計的方向；通過“TRIZ矛盾矩陣”有效地收斂及評價FBS的眾多發散解，為尋求設計最優解提供重要的評價依據；而且在概念設計的層面，FBS可以對TRIZ得出的進化方向進一步補充和完善。
1 基于TRIZ和FBS的閉環框架
如圖1所示，在設計過程中TRIZ和FBS會形成兩個閉環，在兩閉環的循環過程中，能產生更多符合進化方向和用戶需求的“行為-結構”解，這對產品的創新設計有極大的促進作用。
圖1 TRIZ和FBS的閉環關系
第1閉環。利用TRIZ進化理論，歸納并預測產品的進化方向，依此抽象得到的目標功能不僅符合用戶需求，而且符合進化方向。在抽象到目標功能后，基于FBS的概念設計又可以反過來指導和完善TRIZ進化方向的預測，兩者互相服務，相輔相成。
第2閉環。在FBS理論中，尋找最優解是最為復雜、最為困難的一個過程，而TRIZ的矛盾矩陣使得問題解決者可以根據矛盾矩陣得到發明原理，在發散思維所得到的眾多“行為-結構”里對主要問題進行改善。如果改善后的“行為-結構”解收斂于最優解，則確定其方案為最優解；如果改善后的“行為-結構”解不收斂，則再通過設計者的經驗對其進行評估和判斷，這樣縮小尋求最優解的范圍。
2 聯合TRIZ和FBS的創新方法步驟
根據TRIZ和FBS之間的交互關系，聯合TRIZ和FBS創新設計方法的框架如圖2所示，共分為5個基本步驟：
圖2 基于TRIZ和FBS的創新設計方法框架
(1)基于TRIZ進化S曲線確定問題：從顧客需求出發，找到擬定的問題，通過S曲線判斷創新概率，如果初擬的問題在成熟期/衰退期就重新擬定，如果在嬰兒期/成長期就確定原來擬定的問題。
(2)歸納并預測進化方向：從確定問題的進化模式和TRIZ進化潛能圖中歸納和預測進化方向。
(3)在概念設計層面抽象考慮用戶需求，完善進化方向：對照用戶需求和已經歸納和預測的進化方向，在概念設計層面，考慮并確認用戶需求是否全面，如果有新的用戶需求，那么就可以按得到新的進化方向，TRIZ和FBS理論在此形成閉環。
(4)提取目標功能，發散得到“功能行為”解：依靠設計者的想象力、創造力等自身屬性，利用有效的工具也很重要，如功能模型(Functional Modeling)、QFD(Quality Function Deployment)等。
(5)用TRIZ矛盾矩陣得到FBS最優解：TRIZ矛盾矩陣可以對N個“行為-結構”解進行主要問題的改善，不論改善后的“行為-結構”解集是否收斂，此方法都縮小了尋求最優解的范圍，簡化了尋求最優解過程。TRIZ和FBS理論在此形成第2個閉環。
2.1 用TRIZ理論確認問題
采用TRIZ理論進化曲線可以使產品開發具有可預見性，而且對于提高產品創新的成功率和縮短發明周期都具有重要意義。目前，判斷研究方向在S曲線位置的方法主要依靠TRIZ的進化預測理論。產品生命周期的基本發展過程可用“S曲線”描述，如圖3所示。
圖3 產品生命周期的發展過程
處于嬰兒期和成長期的產品，應加大投入，盡快使其進入成熟期，以獲得最大效益。處于成熟期的產品，人們應對其替代技術進行研究，即開發新的核心技術來替代現有的核心技術，以形成產品新的核心競爭力。處于衰退期的產品，研究前景不大。
TRIZ的進化預測理論要先總結出特定時間內與產品相關的專利數量、專利級別、利潤和產品性能的基本變化規律，通過分析當前產品的相關參數變化情況，就可以確定該產品處于生命周期的哪個階段，從而為制定產品開發策略提供參考。圖4即為專利數量、專利等級、利潤和產品性能隨時間變化的曲線圖。
圖4 專利數量、專利等級、利潤和產品性能隨時間變化的曲線圖
2.2 歸納并預測進化方向
由于研究方向處于嬰兒期和成長期，就可以分析已有的方案，發掘該方案的優缺點，利用TRIZ進化理論歸納并預測進化方向，此過程可通過以下兩種方式中的任何一種實現進化。
(1)技術進化模式
該模式是指技術系統在發展過程中所呈現出的復雜進化趨勢。隨TRIZ理論的發展，先后有Altshuller的10種進化模式、Zusman的8種進化模式和Darrell的11種進化模式。
從產品開發角度，前兩種進化模式使用方法模糊、難以操作，后一種進化模式考慮了產品設計的結構問題，相較而言易于操作使用，如圖5所示。
圖5 進化模式層次圖
(2)進化潛能圖
如圖6所示，圖中每一條射線表示與構件或系統相關的進化模式，外周表示進化模式沿各條進化路線的進化極限，陰影面積表示目前產品沿進化路線已完成的進化，而進化極限與陰影面積之間的面積差就代表該系統的進化潛能。
圖6 進化潛能圖
2.3 抽象并確認用戶需求，完善進化方向
以上技術進化模式和潛能圖指導的產品進化過程實質上就是產品結構的進化過程。因此，此步驟即是實現從功能(Function)到行為(Behavior)再到結構(Structure)的過程。FBS理論從功能出發，從總結和預測的進化方向中抽象出用戶更多的需求，從而提取出更準確的目標功能，發散得到更多的“行為-結構”解，該方法在此生成第一個閉環。
2.4 提取目標功能，發散得到“行為-結構”解
在進化方向被再次確定后，可以依靠概念設計的方法提取到準確的目標功能，并發散思維找到實現功能的眾多行為方法和結構設計。此步驟主要取決于研究者的經驗、創造力、想象力和能否利用有效的工具。比如發散思維求多個“行為一結構”解的過程，可以借助質量功能配置(QFD)模式中的“重要性分值”、“關系矩陣”、“相關矩陣”和各種評估手段進行逆向推理，得到相關的發散解；也可以通過功能模型(Functional modeling)，在三維建模軟件CATIA界面上利用各種功能鍵(Imagine&Shape/Functional Modeling Part等)設計產品，即時地觀察各種視角下的產品模型，甚至獲得復雜多面的內部截面視圖以校驗設計方案。
2.5 用TRIZ矛盾矩陣法求得最優解
TRIZ理論的核心方法就是用通用工程參數將各種矛盾沖突進行標準化歸類，通過通用工程參數來進行問題的表述。由此可見，通用工程參數是連接具體問題與TRIZ理論的橋梁。
基于以上方法，Altshuller將工程參數的矛盾與40項原理建立了對應關系，整理成一個39×39的矩陣，這個矩陣稱為阿奇舒勒矛盾矩陣。它使得問題解決者可以根據系統中產生矛盾的2個工程參數，從矩陣表中直接查找化解該矛盾的發明原理，并使用這些原理來解決問題。利用TRIZ矛盾矩陣，由“進化模式”和“進化潛能圖”發散得到的任何一個“行為-結構”解，都可以對其存在的主要問題進行改善，并在對應的發明原理中得到解決方案。依此對多個“行為-結構”解進行改善分析，并最終利用設計者的經驗對所有改善后的“行為-結構”進行評估、排序，即可得到產品創新結構的最優解。
在FBS理論里，尋找最優解是最為復雜、最為困難的一個過程。TRIZ矛盾矩陣在此過程的應用極大地簡化最優解的求解過程。這是FBS和TRIZ理論的第二個閉環。
基于TRIZ和FBS的閉環設計方法（下）
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本文標題：基于TRIZ和FBS的閉環設計方法（上）
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