从完备性法则认识技术系统进化

杨得成 曹福全 孙兴威 曲凤成

(黑河学院，黑龙江 黑河 164300)

TRIZ被称为技术系统进化论，TRIZ的核心思想就是技术系统进化法则[1]。技术系统自诞生之日起就踏上了进化之路，进化过程中遵循一定的客观规律。TRIZ创始人G.S.Altshuller在研究已有技术系统进化轨迹和大量专利后，将这些客观规律总结为三个类型，八大进化法则，一条曲线。S-TRIZ进一步总结了经典TRIZ进化法则应用路线，如图1所示。本文重点研究以完备性法则来展示技术系统进化。

图1 S-TRIZ进化法则应用路线

一、基础法则

在进化法则中，完备性法则、提高理想度法则和S曲线法则是系统进化的基础或者说是战略性法则[2]95。这些法则保证系统的“诞生”和“生存”，然后系统“慢慢成长起来”，开始或多或少地积极进化。

(一)系统完备性法则

系统是为了实现其功能而建立，履行功能是系统存在的目的。为了实现功能，系统必须具备最基本的要素，各要素之间必须存在物质、能量、信息和职能联系[2]61。经典TRIZ认为，完备性法则作用于系统建立之初，在建立一个新的技术系统时，重点是要通过这个系统实现某个功能。为了实现功能，那么必须得有作用，必须有一个“执行装置”作用一个“作用对象”上才能产生功能。实现了功能，也就实现了建立系统的目的。“执行装置”作用于“作用对象”必须有能量的来源，因此需要有动力装置。动力装置必须得通过一个非常有效的途径，把能源能量传递给执行装置，这就是传统装置。从动力装置到传统装置到执行装置，要想协调做好工作，必须得有好的控制装置，当然简单系统可能是通过外部控制实现，但必须得有控制装置来控制过程的运作。组成系统的基本要素如图2所示。

图2 组成系统的基本要素

一个可以运行的系统必须具备以上4个主要部分及相应功能，这样才能正常运行[2]61。动力装置转换能量，传递装置传递能量，执行装置执行系统的主要功能，控制装置设置和控制参数。4个部分可以分别完成4项相应的功能。如果其中一个部分能够完成2项功能，那么系统只需要3个部分就能完成4项功能。同样，系统也可以只有2个、1个甚至0个部分，但却能够完成4项功能。以自行车为例，要实现的是代步的功能。首先需要一个执行装置也就是车轮，来实现所需功能。车轮作用于谁？作用于路面产生了这样的一个功能。车轮通过静摩擦作用于地面的转动使自行车前进，那么必须得有动力。自行车动力从哪来？那就是骑行者自身。通过谁传递的呢？从现在的自行车来说，主要是通过铰链来传递能量，也就是传递装置。除此之外，自行车还应该有制动、转弯等需求，所以，需要有相应的转向装置及制动装置，那么就形成了一套控制系统。这样满足了自行车系统具备保障最低工作能力的基本组成要素和基本联系。

(二)能量传递法则

1.保证能量有效传递

在任何一个技术系统内部，都需要有能量的传递和转换，保证能量传递到技术系统的各个装置。如果能量不能有效流通于整个系统，那么某个装置就不能获得能量，系统不能工作，以致整个技术系统无法正常实现其相应的功能。控制装置设置和控制着能量流、物质流及信息流的流向和流量。“能量”是一个广义的概念，包括流通于系统中的物质流和信息流。能量传递过程如下图3所示。

图3 能量传递过程

2.优化能量传递路径

通过完备性法则认识能量传递法则，其核心为技术系统在演进过程中不断优化能量传递的路径。一是缩短能量在系统内流经的路径，二是减少能量损耗，三是减少能量转换次数。比如第一种方式，系统不再包括传递装置，动力装置直接与执行装置相连。“动力装置”与“执行装置”共同完成“传递能量”的功能。在这种情况下，能量在系统内流经的路径是最短的。以电动脚踏车为例，脚踏车没有了传递装置，动力装置直接与执行装置(车轮)相连。如图4所示。

图4 优化能量传递路径

(三)提高理想度法则

提高理想度法则是系统进化的黄金法则，系统进化的方向提高理想化程度。系统诞生之后就进入了生长期，在其建立时可能并不十分理想，因此可借助完备性法则，逐渐完善系统各部分，实现一个提高理想度的过程。

系统在进化过程中，要发展任何一个子系统，它不是静态的，是要往提高理想度的方向发展。不仅仅是实现功能的理想度，也要符合人(用户)的理想，符合人的使用功能发展方向。从宏观上来看，整个系统运行效率越来越高，耗费越来越低，有用功能越来越多，有害功能越来越少，甚至把有害功能转化成有用功能。具体来说，提高理想度，就是系统内部资源的不断优化。如果系统内部资源没有充分优化利用，而借助外部资源，系统就肯定不是最理想的系统。内部资源存在什么地方？存在于执行装置、传动装置、动力装置、控制装置，以及各部分之间的联系之中，如图5所示。这里包括物质资源、能量资源、信息资源等各种资源，也就是“能量流”。

图5 提高理想度法则

执行装置通过提升效率、质量，降低有害成本来提高理想度。传动装置最好是简化，越简单越好，传递的中间环节越小越好，越少越好，动力直接传递给执行装置最好。动力装置也要优化，包含其使用能源来源的优化、利用能源利用率的优化、产生动力成本的优化等。控制装置理想度主要是往自动化控制、发展。因此，通过完备性法则认识提高理想度法则，核心就是内部资源的优化。

二、成长法则

在进化法则中，矛盾产生及克服法则、协调失调法则、子系统不均衡法则、动态化法则及向微观级进化法则是系统成长阶段法则。这个阶段最重要的是确定技术系统进化的促进因素——系统中产生的矛盾，此时矛盾产生及克服法则开始工作。但不是用工具去简单发现矛盾，矛盾必须解决，而不利用系统资源就无法解决。然后开始“打磨”系统，其他法则开始工作。限于篇幅，本文只简要讨论协调失调法则在系统成长过程的主要作用机制。

系统刚一开始建立的时候，实现的功能是协调的。后来发现其实现功能时效率、成本、耗能等都存在着这样或那样的问题，即失调。要不断通过对内部资源的优化应用，对内部构件的改进来实现内部协调，逐渐使系统优化，向理想度更高的方向发展，主要包括形式协调、节律协调、材料协调、参数协调，这就是内部协调的过程。凡是发生在系统内部的就是内部协调，但在内部协调的同时，还需要外部协调，外部协调是系统跟周围环境的协调、系统与超系统的协调，超系统发生变化的时候，就要实现外部协调。因此，通过完备性法则认识协调失调法则，核心是技术系统进行内部协调到外部协调的动态过程。协调失调过程如图6所示。

图6 协调失调过程

以手机为例，手机最初的功能是传送和接收信息的功能。为了实现基本功能，手机需要屏幕、外壳、电池、按键等系统组件，需要将模拟信号转换成数字信号等，包括后来新增短信功能，这都是在手机内部协调。

随着互联网的兴起，人们有了移动上网的需求。这时，为了适应移动上网，手机内部各种部件，包括屏幕、电池、键盘、天线、存储等，都需适应移动上网的要求而发生改变。为了获得更好移动上网交互体验，屏幕操作经过了手写、触摸屏、多点触摸，屏幕颜色色阶指数经过了单色、256色、4096色、65536色。屏幕材质经过了STN、TFT、TFD、UFB和OLCD。屏幕的物理尺寸越来越大，屏幕分辨率由最初的128×128，发展到现在的1920×1080。当前，互联网已经有了更高效率的传输速率，从2G发展到3G、4G，到目前5G时代。为了适应5G网络，手机的屏幕分辨率必须达2K以上，数据交换量越来越大，手机存储也需相应提高，为了适应万物互联，手机作为中心控制端，手机提供的接口需越来越丰富。这都是在手机外部进行协调。

三、成熟法则

在进化法则中，向超系统进化法则是系统“成熟”法则。系统自身资源进化消失是此阶段主要特征，系统同其他系统联合，转向超系统，进一步发展资源。

通过内部协调、外部协调提高了手机的理想度。内部协调是内部通过协调失调这个过程打磨系统，使这个系统向理想度高的程度发展。系统通过内外协调方式协调到一定程度的时候，系统的内部资源已全部耗尽，没有更好的外部资源补充进来的时候，就需要向超系统发展，系统进入了“成熟期”。在系统整个协调的过程中，向微观级进化、动态性和可控性的进化、子系统的不均衡进化，这都是造成协调失调的原因。当前系统资源一旦耗尽了以后，就要向超系统转化。自身的系统终结了，新的系统产生，这就是超系统进化法则。