创新思维与创造技法

１４ 系统分析型创造技法

　　现代科学技术呈现绚丽多彩的态势、蓬勃创新的气象、高度综合和高度分化的特征。系统思维方法是从整体出发把握整体与部分、整体与环境之间的关系，揭示系统的本质和规律，科学地解决系统中复杂问题而获得最佳功能的思维方法。创造活动是一种涉及多种要素的实践活动，人们从系统思维方法出发构建求解创造问题的手段。本章介绍的形态分析法、等价变换法、物场分析法和价值分析法就是这种手段。它们依赖系统思维对创造对象进行整体结构分析，全面而又深入地揭示事物各构成要素之间的相关关系，并提出解决矛盾或革新系统功能的创造性思考方法。

　　１４。１ 形态分析法

　　１４。１。１ 形态分析法的基本原理

　　形态分析法是一种借助形态学中概念和原理进行系统搜索和程式化求解的创造技法。它是对创造对象进行因素分解和形态集合的过程，先将创造课题分解为若干个相互独立的基本因素，找出实现每个因素要求的所有可能的形态，然后加以系统聚合而得到多种可行解，经过筛选可获得最佳方案，即：

　　分解因素—寻找可能形态—系统聚合—得到多种解—筛选—最佳方案

　　这里所说的因素是指构成某种事物的特性因子（产品特定用途、功能等），所谓形态是指实现某事物各功能的技术手段。

　　１４。１。２ 形态分析的基本步骤

　　１。因素分析

　　因素分析是指分解创造对象的构成要素，对构成要素进行详细的分析，它是获取创造性设想的基础。在因素分析时，要使确定的因素满足３个基本要求。

　　一是各因素在逻辑上彼此独立。

　　二是各因素在本质上是重要的。

　　三是各因素在数量上是全面的。

　　如果确定的因素不满足第一、二条，就会影响最终聚合方案的质量，使数量无谓增加，为评选工作带来困难。如果不满足第三条，则会导致有价值的创造性设想的遗漏。

　　要满足三条要求，一方面要参考创造对象所属类别的其他所有技术系统，分清哪些是可能影响最终方案的重要因素；另一方面要与可能的方案联系起来理解因素的本质及重要性。

　　２。形态分析

　　形态分析是按照创造对象对因素所要求的功能属性，用发散思维列出各因素可能的全部技术手段，无论是本专业领域的还是其他领域的。

　　３。方案聚合

　　在因素分解和形态分析的基础上，可以采用表格的形式进行方案聚合，理论上可以聚合出５×５×５＝１２５个方案，在聚合后的全体方案中，既包含了有意义的方案，也包含了不可能聚合成有意义的虚假方案。

　　４。方案评选

　　聚合后的方案往往很大，要进行评选，以找出最佳方案。评选时，首先要制定评选标准，一般用新颖性、先进性和实用性三个标准进行初评，再用技术经济指标进行综合评价，最后，用收敛思维选出最优方案。

　　例如，探索单缸洗衣机的设计方案。

　　（１）因素分析。从洗衣机的总体功能出发，分析实现“洗涤衣物”功能的手段，可得到：盛装衣物、分离脏物、洗涤控制等基本分功能。

　　（２）形态分析。对应分功能的形态是实现这些功能的各种技术手段或方法。在３个功能中，“分离脏物”是最关键的功能因素，要针对“分离”两字广思、深思和精思，从多个技术领域进行发散思维。

　　盛装衣物———从桶体材料上去分析。

　　分离脏物———从机、电、热、声等方面进行发散思维。

　　洗涤控制———从手工控制、机械控制、电脑控制等方面去思考。

　　（３）方案聚合（列表分析）。经过一系列的分析与思考，建立起洗衣机形态分析表。

　　（４）方案评选。现将４个方案叙述如下。

　　方案１：Ａ１－Ｂ１－Ｃ１是最原始的洗衣机。

　　方案２：Ａ１－Ｂ１－Ｃ２是最简单普及型的半自动洗衣机。通过洗衣桶底部的拨轮旋转，使水产生涡流，在衣物之间和水与衣物之间产生摩擦，再借助于洗衣粉的化学作用达到洗净衣物的目的。洗涤时间靠机械定时器控制。

　　方案３：Ａ１－Ｂ１－Ｃ３是全自动洗衣机，洗涤原理与方案２一样，但控制洗涤时间、漂洗时间、甩干时间及三个功能之间的转换都由电脑自动控制。

　　方案４：Ａ１－Ｂ４－Ｃ２是超声波洗衣机，利用超声波的性质使衣物纤维产生振动，使衣物纤维之间产生摩擦，超声波还会使水温有所提高，再借助于洗衣粉的化学作用达到洗净衣物的目的。

　　……

　　通过上述逐个方案的分析，用收敛思维并可挑选出少数方案作进一步的研究，最终选出一个可行方案进行详细的技术经济分析，设计出基本原理图，并进行具体细节的设计，进而开发出新型单缸洗衣机。

　　１４。２ 等价变换法

　　１４。２。１ 等价变换法的基本原理

　　等价变换法最初是由日本的市川龟久弥教授提出的，经日本创造学家们不断完善而成为一种体系较为完善的创造技法。

　　等价变换法的理论基础是等价变换原理，它认为事物之间的等价性不仅仅表现在形状的相似、类别和属性的相同，而且存在更广泛的原理的等价。

　　就创造而言，许多创造事物都不是凭空想象，而是在已有事物基础上的再创造，即创造事物与已有事物之间存在某种等价关系。等价变换法就是寻找这种等价关系，通过等价变换抛弃原有事物的落后性或不适应新需要的部分，演变出先进的、更适应需要的新事物。其实质是在继承基础上的进化，在量变基础上的质变。

　　１４。２。２ 等价变换的操作步骤

　　１。问题的提出

　　提出问题是创造的起点，可以利用其他创造技法，将模糊的创意转化为明确的创造任务。

　　２。设定技术要求

　　设定技术要求是将抽象的创造任务具体化，对同一任务可提出有关功能或性能的多项技术要求，但要抓住最主要的技术要求作为等价变换法中的给定目标。

　　３。抽出等价因素

　　通过对所要解决的复杂事物进行简化，抽象出事物变化中的不变因素，一般以事物所具有的功能或职能为等价因素比较方便。

　　４。寻找等价事物集

　　利用发散思维，针对事物抽出的等价因素去寻找具有这种功能的所有技术手段与方法。可以运用其他创造技法来寻找，也可以通过信息检索来完成。

　　５。选出已知事物原型

　　利用收敛思维方式，从等价事物集中筛选出已知的事物，要保证所选的事物具有新颖性、先进性和实用性。

　　６。确定约束条件

　　任何一种技术手段都受到某些条件的约束，确定这些条件就是要求人们进行定向思维，一般约束条件是指技术、经济、环境等方面的条件。

　　７。确定新的原理

　　这是一个弃旧图新的过程，把已知事物中落后的、不适应新技术要求的部分抛弃，引入先进的、适应性更好的新技术、新方法、新装置等内容，从而确定新的原理。

　　８。技术方案设计

　　通过一系列的设计工作（设计计算、结构设计、实验等）将抽象的原理和设想具体化。

　　９。检验方案

　　针对提出的设计方案，从一定的标准出发进行评价。评价方法可以是专家评议法，也可以是实验评议法。对于可行方案，则作为等价变换法的成果，对于不可行的方案，则反馈到第四步或第二步再进行等价变换思考。

　　例如，开发新型餐桌的设想（自动旋转、点菜自动化等）。

　　（１）提出问题。

　　现有餐馆的餐桌和点菜存在以下问题：餐桌不能旋转、点菜时需要有服务员在旁边记录，有时还会因为菜是否上够的问题出现顾客与服务员吵架的现象。所以，需要对餐馆现有的餐桌进行改进设计。

　　（２）确定技术要求。

　　① 同一桌的顾客能方便地吃到桌上所有的菜。

　　② 点菜时，不需要服务员在旁边记录。

　　（３）抽出等价因素。

　　通过上述分析，抽出的等价因素为：餐桌旋转、更方便的点菜办法。

　　（４）寻找等价事物集。

　　餐桌旋转的办法有：手动旋转、自动旋转。

　　点菜的办法有：顾客报菜名服务员记录、顾客自己在点菜单上画勾、点菜自动化。

　　（５）确定合适的事物原型。

　　餐桌旋转原型：自动旋转。

　　点菜原型：顾客自己敲击键盘，点菜实现电脑管理。

　　（６）确定约束条件、新的方案。

　　自动旋转：桌面需要旋转，不能直接联电线，要实现自动旋转。

　　点菜自动化。

　　方案１：把桌面分成若干小块，每小块桌面上有菜谱，局部有点菜输入装置，每按一个点菜按钮，菜谱桌面上相应位置的灯就会亮，顾客知道自己点了几个菜，甚至可以显示累计点菜金额；同时，确认的点菜结果通过计算机系统进入操作间的大屏幕，以便厨师及时加工；菜端上餐桌时，通过服务员按某一按钮，相应菜名的灯就会灭，使顾客一目了然地知道自己点的菜是否上齐。餐馆的管理层通过计算机管理系统可以随时了解经营情况。

　　方案２：除了点菜的过程有差别外，其他与方案１相同。顾客点菜时，桌面就是计算机的触摸屏，顾客可以在触摸屏上进行点菜、查看累计点菜金额等的操作。

　　（７）新方案的技术设计。

　　把上述方案进行必要的技术设计，使设想具体化。

　　１４。３ 物场分析法

　　１４。３。１ 物场分析法的基本原理

　　物场分析法是前苏联学者Г·С·阿利特舒尔首创的一种创造技法。

　　所谓物场是指物质与物质之间相互作用与相互影响的一种联系。世界上的物体本身是不能实现某种作用的，只有同某种场发生联系后才会产生对另一物体的作用或承受相应的反作用，就科学领域而言，温度场、机械场、声场、引力场、磁场、电场等是物场的存在形式。构成一个物场体系需要三个要素：两个物质和一个场。例如，人站在既公转又自转的地球表面不会被甩出去，就是一个物场体系的作用，两个“物”分别是人和地球，一个场为引力场。这三者中缺任何一个都不能构成完整的体系，如果没有引力场，人就会在离心力的作用下被转动的地球甩离地球表面，难以在地面上立足，也就是人和地球通过引力场建立起了联系。

　　物场有以下３种类型。

　　１。完全物场体系

　　满足物场体系的三要素，能实现物质之间的相互作用和影响的完整技术体系。

　　２。不完全物场体系

　　只有两种物质或一物一场的体系，是一种不完全的物场体系。

　　３。非物场体系

　　只有一物或只有一场的体系，是非物场体系，不存在相互作用和影响，不发生任何技术功能作用。

　　物场分析法就是在判别物场类型的前提下进行创造性思考。对非物场体系或不完全物场体系，根据需要补充物质或补充场，称为补建，使其物和场之间能够建立起联系和相互作用；对完全物场体系，对其不能很好发挥作用的物和场进行替换，称为变换。无论是补建还是变换，最终目的都是使物场三要素之间的相互作用更为有效、功能更加完全和可靠。

　　１４。３。２ 物场分析的操作步骤

　　１。课题分析

　　分析创造课题的出发点与期望达到的目的。例如：搞清课题的技术领域、已知什么、未知什么、限制条件等。

　　２。分析物场类型

　　按三要素的要求，判断创造课题的已知条件能构成何种类型的物场体系。

　　３。进行物场的改造性思考

　　（１）补建。对非物场体系和不完全物场体系进行补建，引进作为完全物场体系所不可缺少的元素，引进的元素应当能够与已有元素发生相互作用；或者如果引进了元素，不能发生相互作用，若另外再引进一种元素就可以使物场发生相互作用，则可以用这两种元素的混合体来代替原来已有的那一种元素。

　　（２）置换。对完全物场体系进行要素置换。引进一个更有效的场来取代效能较差的场；或用更有效的物质来置换效能较差的物质。

　　４。形成新的技术体系形态

　　对确定的新物场体系进行技术性构思，使之成为具有技术形态的新技术体系。

　　例如，磨损颗粒分离系统的改进。

　　油液监测技术之一的铁谱分析是利用磁场分离原理，把润滑油中的磨损颗粒分离在玻璃基片上，通过分析玻璃基片上磨损颗粒的浓度、尺寸大小的变化等来判断摩擦付是否存在故障。由于是以磁性原理分离磨损颗粒，因此，对铁磁性磨损颗粒的分离效果很好，而对非磁性和弱磁性磨损颗粒（如铝、铜等）的分离效果比较差，为了提高这些颗粒的分离效果，用物场分析法对该体系进行分析和改进。

　　（１）物场分析。物：弱磁性或非磁性颗粒，玻璃基片。场：磁场。

　　（２）物场体系存在的问题。铝、铜等是非磁性金属，其磨损颗粒也是非磁性的，如果铝、铜等非磁性金属与铁磁性金属配对的摩擦副，由于金属接触过程中的材料转移，使铝、铜等磨损的颗粒也带有一定的弱磁性。不管是弱磁性还是非磁性颗粒，用磁性分离原理进行分离的效果肯定不理想。

　　（３）物场体系改进。对于这样的体系，由三个改进的途径可以考虑：① 置换场；② 置换物；③ 添加一物，以增加作用效果。由于该系统既要适用于分离铁磁性颗粒的场合，又要适用于分离弱磁性颗粒和非磁性颗粒的场合，还要适用于几种颗粒共存的场合，所以，不能利用置换场的办法。弱磁性颗粒和非磁性颗粒是需要分离的物，不能被置换。所以，只能用添加一物的办法来提高该系统的作用效果。为此，提出在润滑油样中添加磁化液的办法，在磁化液的作用下，使弱磁性颗粒和非磁性颗粒的磁性得到加强，以达到磁性分离的要求。

　　１４。４ 价值分析法

　　１４。４。１ 价值分析法的基本原理

　　价值分析法是建立在价值分析或价值工程技术上的一种创造技法。它以降低成本为主要目的，运用定量化的方法，系统地分析研究人力、物力和资源的合理运用，以提高物美价廉的、能够满足用户要求的产品。

　　现代创造的任务与价值分析的目的在很大程度上是接近的。发明新方法，无非是要提高劳动生产效率，节省人、财、物力，用最小的投入获得最大的产出；发明新产品，同样是为了带来新的社会经济效益。因此，创造发明的目的，决定了它具有运用价值分析方法解决问题的客观基础，在方法内容和进行程序上也几乎可以沿用一般价值工程方法的模式。

　　开展价值分析的总目标是提高产品的价值，即提高产品的功能与成本的比值。可以用式子

　　价值（Ｖ）＝功能（Ｆ）／总成本（Ｃ）

　　来表示，提高价值Ｖ可以有５个途径。

　　（１）Ｆ／Ｃ↓＝Ｖ↑：在保持产品的功能不变的前提下，着眼于降低成本。

　　（２）Ｆ↑／Ｃ＝Ｖ↑：在不增加成本的前提下，提高产品的功能质量。

　　（３）Ｆ↓／Ｃ↓↓＝Ｖ↑：去掉多余功能，或者使功能稍有降低，但能满足需要，而使成本大幅度降低。

　　（４）Ｆ↑↑／Ｃ↑＝Ｖ↑：使成本略有提高，但功能大幅度提高。

　　（５）Ｆ↑／Ｃ↓＝Ｖ↑：产品的功能增加，而成本下降。这是追求的最高目标。

　　１４。４。２ 价值分析的操作步骤

　　１。价值分析对象的选择

　　价值分析的目的是提高产品的设计价值，那么，价值分析的对象就是待开发的新产品的设计方案，即新产品的价值分析就是对各种初步拟定的设计方案进行技术经济优化。

　　对于一个较复杂的产品来说，一般都有许多零部件，将每个零部件都作为价值分析的具体对象，事实上是没有必要的，为了减轻工作量以提高设计效率，需要确定应重点分析改进的零部件的对象范围。其选择原则如下。

　　（１）造价高的零部件。

　　（２）结构复杂的零部件。

　　（３）体积重量大的零部件。

　　具体方法如下。

　　１）成本比重法（ＡＢＣ分析法）

　　首先，将产品的零件成本组成进行逐个分析，将每一个零件占多少成本从高到低排出一个顺序；其次，进行分类，少数零件占多数成本的为Ａ类，零件成本比例占２０%左右的为Ｂ类，多数零件占少数成本的为Ｃ类，其中Ａ类零件为分析的重点。

　　一个产品中，零件相当多，凭一般观察不容易把Ａ、Ｂ、Ｃ三类零件分得清楚。因此，常常需要列出零件成本分析计算表。例如，一个产品有７个零件，用ＡＢＣ分析法进行分析，可以按下述步骤进行。

　　第一步：按各零件估算成本的高低从大到小排序，并列表。

　　第二步：自上而下地选择数量累计比率在１０%—２０%，而成本比率在７０%—８０%的划为Ａ类零件。

　　第三步：自下而上地选择数量累计比率在７０%—８０%，而成本比率在１０%～２０%的划为Ｃ类零件。

　　第四步：把处于Ａ类和Ｃ类之间的零件划为Ｂ类。

　　由此得到的ＡＢＣ分类表，从而可以确定价值分析的重点。

　　２）强制确定法

　　强制确定法就是把产品的零件列表排列起来，一个对一个地相互比较，相对重要的零件得１分，相对次要的零件得０分，并计算每个零件的累计得分，而后计算功能评价系数（每个零件的累计得分／全部零件的总得分），以表示每个零件的重要性程度。

　　根据估算的每个零件的成本，计算出成本系数（单件成本／总成本），最后求出价值系数（功能评价系数／成本系数）。

　　计算结果有３种可能。

　　（１）价值系数等于１：说明零件的重要程度与成本是适应的，其结构设计、材料选择、加工方法是合理的，这是追求的目标。

　　（２）价值系数大于１：说明零件的成本比重偏低，可考虑适当提高成本，使实际功能有所提高，从而提高产品质量。

　　（３）价值系数小于１：说明零件的成本比重偏高，应设法降低成本，它是价值分析的重点。

　　２。功能分析

　　功能分析一般应包括功能定义、功能整理、功能评价。针对所要分析的对象，从技术和经济两方面进行系统的思考。

　　１）功能定义

　　确定每个零部件的各种功能，使设计者从具体的技术形体中解脱出来，集中精力思考满足功能要求的其他更好办法，为方案的改进提供依据。

　　２）功能整理

　　鉴别功能的必要性和有无功能过剩或不足的现象，为排除重复功能或过剩功能打基础。

　　３）功能评价

　　用一定的技术方法定量表示功能的重要程度，对实现功能要求的成本进行估算，确定价值分析的重点对象、降低成本的期望值。

　　功能评价的一般步骤如下。

　　① 估算零件的现实成本。

　　② 把零件的现实成本分摊到它的各个功能上去。

　　③ 找出完成功能的必要费用。指出当时社会上实现该功能应支付的最高费用。

　　④ 计算功能价值，即将各个功能的必要费用除以现实成本，通常现实成本总高于必要费用，二者之差就是该功能的成本降低幅度，也就是期望值。

　　４）技术方面的考虑

　　（１）这个零件有什么作用？

　　（２）各个功能是否必要，有无过剩功能？

　　（３）是否有更简便的方法来实现该功能？

　　（４）能否采用标准化零件？

　　５）经济方面的分析

　　（１）各个零件的价值是否同它的成本成相应的比例？

　　（２）能否用成本更低的材料来代替？

　　（３）能否采用新的工艺方法？

　　３。方案的改进与评价

　　功能分析只提出了改进产品设计的方向和可能性，并没有提出改进办法。为了提高产品的价值，关键是提出比原方案更好的新方案并予以实施。实施时应围绕以下３个问题进行。

　　（１）有无其他办法实现此功能？以进一步开拓思路。

　　（２）它的成本如何？需要进行经济性评价，即实现经济优化。

　　（３）新的改进方案确实能满足规定的功能要求吗？需要进行技术评价，即实现技术优化。

　　经过方案改进后，必须要对新的方案进行比较和评价。同时，对两个方案进行比较，如果两个方案功能相同，应比较各方案的成本；如果成本相同，应比较各功能；如果功能和成本都不同，用定量评价方法进行评估。

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