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0、引  言
    評估產品現有技術的成熟度，預測未來技術進化的過程，快速開發新一代產品，迎接未來產品競爭的挑戰，對任何制造企業競爭力的提高都起著重要的作用。在新產品的開發過程中，準確地預測當前產品的技術水平以及新一代產品的可能進化方向，有助于企業作出科學的研發決策，減少研發周期，避免落后于新技術或競爭對手。
    技術預測的研究起始于半個世紀以前，在長期的研究過程中，理論界提出了多種技術預測的方法，其中最有效的是TRIZ（發明問題解決理論）的技術系統進化法則。
1 、TRIZ技術系統進化理論
    技術系統是TRIZ中最重要、最基本的概念之一。技術系統是由物質組件組成，為滿足人們（社會）的需求而實現某種功能的系統。技術系統可以是產品或生產工藝，也可以是勞動組織系統、生產系統、控制系統等等。TRIZ創始入Altshuller在分析大量專利的過程中發現技術系統是在不斷發展變化的，產品及其技術的發展總是遵循著一定的客觀規律，而且同一條規律往往在不同的產品或技術領域被反復應用。即任何領域的產品改進、技術的變革都是有規律可循的。如果人們能夠掌握這些規律，就能進行產品設計并預測產品的未來發展趨勢。
    所謂技術系統的進化，就是指實現技術系統功能的各項內容，從低級向高級變化的過程。屬于技術系統范疇的任何一種人工制造物（產品、工藝或技術），隨著時間的變化，都在不斷地向著更高級的方向發展和進化。在過程上，它們的進化都會經歷相同的幾個階段，形成S-曲線；在模式上，它們都會遵循8個進化法則。
1.1 S-曲線
    每個技術系統的進化一般經歷如圖1中S-曲線所示的4個階段：初始期、成長期、成熟期、衰退期。在初始期，新的技術系統剛剛誕生，它能提供一些前所未有的功能或技術系統的改進，但存在效率低，可靠性差的問題，缺乏人力、物力的投入，系統發展緩慢。在成長期，價值和潛力顯現，有大量的人、物、財力的投入，效率和性能得到提高，系統高速發展。在成熟期，系統日趨完善，性能水平達到最佳，所獲得利潤達到最大并有下降趨勢。此時大量投入所產生的研究成果，多是一些較低水平的系統優化和優化改進。在衰退期，各項技術已發展到極限，很難有新突破。
    s-曲線描述了一個技術系統的完整生命周期，當一個技術系統的進化完成4個階段后，必然會出現一個新的技術系統來替代它，如此不斷的替代。
    預測產品和技術所處的生命周期階段，有4個主要的判別指標，即性能參數、專利數量、發明級別、利潤，它們和S-曲線的對應關系如圖2所示。
    分析技術系統的S-曲線可以幫助企業評估現有技術的成熟度，有利于合理的研發投入和分配，幫助企業作出正確的研發與引進決策，避免因缺乏客觀數據而“憑感覺拍腦瓜決策”的現象。
1.2技術系統進化法則
    在新一代產品和技術的開發中，可以應用技術系統進化法則。技術系統進化法則的內容，主要體現了技術系統在實現其相應功能的過程中，技術系統改進和發展的趨勢。在經典TRIZ中，有八大類技術系統進化法則。運用這些法則，可以幫助人們判斷當前研發的產品處于技術系統進化的哪個位置，提供開發新一代產品的新概念和新思路。
1.2.1完備性法則
    技術系統要實現某項功能的必要條件是在整個技術系統中一定包含4個相互關聯的基本子系統，即動力裝置、傳輸裝置、執行裝置和控制裝置。
    基于該法則去分析技術系統，可以判斷現有的技術系統是否完整，有助于在設計系統時，確定實現所需技術功能的方法，并達到節約資源的目的。系統的進化方向是不斷自我完善，減少人的參與，以提高技術系統的效率。
1.2.2能量傳遞法則
    技術系統實現其基本功能的必要條件之一是能量能夠從能量源流向技術系統的所有元件。如果技術系統的某個元件接受不到能量，它就不能產生應有的效用。
    基于該法則在設計和改進技術系統時，首先要保證能量可以流向系統的各個元件。系統的進化是沿著縮短能量傳遞路徑、減少能量損失、提高能量傳遞效率的方向發展。
1.2.3動態性進化法則
技術系統的進化應該沿著結構柔性、可移動性、可控性增加的方向發展，以適應環境狀況或執行方式的變化。應用該法則可以指導人們花費很小的代價而取得通用性、高度適應性、可控性的技術系統。
1. 2.4提高理想度法則
    技術系統是沿著提高其理想度的方向進化的。通常采用如下公式來衡量產品的理想化程度：理想度=所有有用功能／（所有有害功能+成本）
    最理想的技術系統是作為物理實體并不存在，但卻能夠實現所有必要的功能。理想化最終結果是技術系統某參數的改進，不會對系統的其他參數產生不利影響。明確問題的理想化最終結果，有可能引導人們得到最優的、有遠見的問題解決方案。提高理想度的進化路線是去掉實現有用功能的特定設備，利用現有的能量和資源來實現有用功能。
1. 2.5子系統不均衡進化法則
    任何技術系統所包含的各個子系統都不是同步、均衡進化的。整個系統的進化速度取決于系統中發展最慢的子系統。這種不均衡的進化經常會導致子系統之間的矛盾出現，解決矛盾將使整個系統得到突破性的進化。
    基于該法則可以幫助設計人員及時發現技術系統中不理想的子系統，并以較先進的子系統替代，從而能以最小的成本，實現對特定參數的改進。
1. 2.6向超系統進化法則
    所謂超系統，廣義上講是超過這個系統之外的其他系統。技術系統在進化過程中，可以和超系統組件合并來獲得大量可用資源，或者將某項功能的子系統剝離出來，轉移至超系統中，這樣，能夠使該子系統擺脫自身在進化過程中遇到的限制，更好地實現原來的功能。
1.2.7向微觀級進化法則
    技術系統在進化發展過程中，沿著減小元件尺寸的方向進化。技術系統的元件，傾向于達到原子和基本粒子的尺度，進化的終點是不作為物理實體存在，而是通過場來實現其必要的功能。向微觀級進化的路線是由整體-多個部分一粉末-液體一氣體-場-虛空。
1. 2.8協調性進化法則
    技術系統向著子系統各參數協調、系統參數與超系統參數相協調的方向發展進化。基于該法則設計和改進技術系統時，某一組件的參數值的選擇要參考系統其他組件參數的值。子系統各參數之間的協調，包括結構形狀、頻率、材料性質、質量上的相互協調等。
1.3產品預測流程
    第1步，分析系統（產品）的功能、可用資源、矛盾。
    第2步，選擇一條技術系統進化路線，分析當前系統特征，確定系統所處的位置。
    第3步，按照第二步路線對應的趨勢和方向，預測下一代產品應具有的特征，尋找構思。
    第4步，參照每個進化路線，依次對產品進行步驟2和3，進行系統定位和預測。
    第5步，將步驟4得到的所有構思集中組合分析，得到完整的新一代產品概念方案。
    第6步，根據步驟5得到的概念方案，選擇需要進行可行性研究的范圍，列入產品規劃。
1.4 S-曲線和進化法則
    8個進化法則在S-曲線各個階段使用頻率不同，在初始期使用頻率較高的是完備性法則、能量傳遞法則和協調性法則；在成長期使用頻率較高的是提高理想度法則、動態性進化法則和子系統不均衡進化法則；在成熟期使用頻率較高的是向微觀級進化法則；在衰退期使用頻率較高的是向超系統進化法則。
2、技術系統進化法則在粉碎機創新
    安全設計中的應用
2.1問題描述
    隨著能源需求壓力加大和林木質能源顯著優勢的逐漸突出，國內外加快了對林木再生能源研發的步伐。而大部分林木生物質原料在開發利用前期都需要進行粉碎加工處理，以便進一步加工利用。迄今市場上還沒有專為林木生物質能源產業化設計制造的粉碎機，多用秸稈還田粉碎機、林業碎木機械以及飼料產業的牧草秸稈粉碎揉搓設備等替代，其中錘片式粉碎機應用最為廣泛。
    錘片式粉碎機結構如圖3所示。工作時，將物料由進料口送人粉碎室，首先被錘片打擊，得到一定程度的粉碎，同時以較高的速度甩向固定在粉碎室內部的齒板和篩網上，受到齒板的碰撞和篩網的搓擦而進一步粉碎。在粉碎室中如此重復進行，直至粉碎到可通過篩孔為止。
    粉碎機在工作過程中轉子轉速很高且有多把刀具同時高速切削物料，極易發生安全事故。因此，在產品設計時必須充分考慮安全性。鑒于安全系統具有非線性、混沌、分形、模糊性等復雜特性，而安全科學具有高度綜合、跨學科和橫斷、交叉以及復雜的系統性，因此，筆者嘗試應用TRIZ進化理論進行創新安全設計。
2.2 S-曲線分析
    所設計的林木生物質粉碎機是一種為滿足新需求出現的新產品，現有技術系統有許多設計問題和難題，可靠性差、效率低，缺乏人力、物力、財力的投入，發展緩慢。按照S-曲線各個階段的特征，現有產品處于初始期。
    建議加大研發力度，設法提高系統的有用功能，降低成本和有害功能。
2.3技術系統進化預測
    應用完備性法則、能量傳遞法則、協調性法則、提高理想度法則和動態性進化法則分析當前技術系統特征，確定系統所處的位置；預測下一代產品可能的結構狀態或應用的原理，產生創新設計方案。
2.3.1應用完備性法則
    系統的動力裝置是電動機，傳輸裝置足主軸傳動系統，執行裝置是粉碎刀具，缺少控制其他組件協調動作以實現系統功能的控制裝置。應用完備性法則進行進化預測和產品構思，可以增加系統的控制裝置，向人工更少介入的方向發展。
    構思方案：應用變速電動機，根據產量和粉碎粒度的不同要求選擇不同的主軸轉速。
2.3.2應用能量傳遞法則
    系統的進化是沿著縮短能量傳遞路徑，減少能量損失，提高能量傳遞效率的方向發展。
    減少能量損失的途徑有：①縮短能量傳遞路徑，減少傳遞過程中的能量損失；②最好用一種能量或場貫穿系統的整個工作過程，減少能量形式的轉換導致的能量損失；③如果系統組件可以更換，可將不易控制的場更換為更易控制的場，按照機械場一聲場一熱場一化學場一電場一磁場／電磁場的順序，場的可控性增加，能量傳遞效率提高。
    目前粉碎設備用的是機械場，有效能量的利用率大約僅占0. 3%~0.6%。這是由于在物料粉碎過程中，會產生發熱、振動和摩擦等作用，約有95%~99%的能量轉化為熱而逸散，使能源大量消耗。
    構思方案：可采用熱場，利用爆炸、壓力方式粉碎物料，提高能量傳遞效率。
2.3.3應用協調性進化法則
  技術系統的進化是沿著各個子系統相互之間更加協調，以及系統與環境更加協凋的方向發展。子系統形狀協調進化路線為相同形狀-自兼容形狀_兼容形狀一特殊形狀；表面形狀的進化路線為平滑表面一帶有突起的表面一粗糙表面-帶有活性物質的表面；內部結構的進化路線為實心物體-物體內部中空-+內部結構多孔結構_毛細結構-+動態內部結構；幾何形狀的進化路線為點一線一面一體，幾何形狀復雜化。
    由形狀協調進化路線得到構思方案：粉碎刀具由現在的規則平面、實心錘片（圖4a）進化為曲面、內部中空的形狀（圖4b），增加刀刃的數量，使單位時間內單位面積上有效粉碎次數增加，提高粉碎效率。
2.3.4應用提高理想度法則
    要提高系統的理想度，可以在不削弱系統主要功能的前提下，將系統的某些組件操作簡單化。
    現有的有篩粉碎機，在粉碎粒度小于20目的物料時，篩網極容易堵塞，使粒度合格的物料不能及時通過篩網，造成過粉碎。由于物料過篩能力下降，會導致生產率急劇降低，功耗大幅度增加，并且容易造成電機超負荷、卡死，增加安全隱患。
    由提高理想度進化路線得到構思方案：采用無篩結構，可通過風選或粉碎后再篩分來獲得所需粒度的物料。
2.3.5應用動態性進化法則
    增加系統動態性可以通過以下方法：①將固定狀態變為可動狀態；②將系統分割成可動元件；③引進一個可動物體；④應用物理效應。
    由動態性進化法則得到構思方案：利用振動電機，帶動篩網高頻微幅振動，提高合格物料的過篩能力。
2.4新產品的概念方案
    1)在物料規模化細粉碎過程中，最突出的問題是細粉碎粒度和過篩能力的矛盾。可通過改變刀具結構，來提高粉碎效率；采用振動電機帶動篩網高頻微幅振動，來提高過篩能力；采用變速電動機，滿足產量和粉碎粒度的不同要求。
    2)當細粉碎粒度和過篩能力的矛盾加劇，可采用無篩結構粉碎機，通過風選或粉碎后再篩分來獲得所需粒度的物料。
  3)采用熱場，考慮利用爆炸、壓力方式粉碎物料。
3、結論
    1)產品及其技術的發展遵循著一定的客觀規律，在進化過程中一般會經歷初始期、成長期、成熟期和衰退期4個階段，形成s-曲線。分析技術系統的S-曲線可以幫助企業評估現有技術的成熟度，作出正確的研發與引進決策。
    2) TRIZ技術系統進化法則可以提供開發產品的新概念和新思路，預測新一代產品可能的結構狀態或應用的原理，使產品創新設計過程更具有可操作性。
    3)筆者將TRIZ技術系統進化理論與產品創新安全設計相融合，運用TRIZ理論的S曲線分析現有產品處于初始期，應加大研發力度，設法提高系統的有用功能，降低成本和有害功能。應用完備性法則、能量傳遞法則、協調性法則、提高理想度法則和動態性進化法則得到了多個新產品的概念方案。