0、引  言
    評(píng)估產(chǎn)品現(xiàn)有技術(shù)的成熟度，預(yù)測(cè)未來技術(shù)進(jìn)化的過程，快速開發(fā)新一代產(chǎn)品，迎接未來產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，對(duì)任何制造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的提高都起著重要的作用。在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)當(dāng)前產(chǎn)品的技術(shù)水平以及新一代產(chǎn)品的可能進(jìn)化方向，有助于企業(yè)作出科學(xué)的研發(fā)決策，減少研發(fā)周期，避免落后于新技術(shù)或競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
    技術(shù)預(yù)測(cè)的研究起始于半個(gè)世紀(jì)以前，在長(zhǎng)期的研究過程中，理論界提出了多種技術(shù)預(yù)測(cè)的方法，其中最有效的是TRIZ（發(fā)明問題解決理論）的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則。
1 、TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論
    技術(shù)系統(tǒng)是TRIZ中最重要、最基本的概念之一。技術(shù)系統(tǒng)是由物質(zhì)組件組成，為滿足人們（社會(huì)）的需求而實(shí)現(xiàn)某種功能的系統(tǒng)。技術(shù)系統(tǒng)可以是產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝，也可以是勞動(dòng)組織系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等等。TRIZ創(chuàng)始入Altshuller在分析大量專利的過程中發(fā)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)是在不斷發(fā)展變化的，產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展總是遵循著一定的客觀規(guī)律，而且同一條規(guī)律往往在不同的產(chǎn)品或技術(shù)領(lǐng)域被反復(fù)應(yīng)用。即任何領(lǐng)域的產(chǎn)品改進(jìn)、技術(shù)的變革都是有規(guī)律可循的。如果人們能夠掌握這些規(guī)律，就能進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)并預(yù)測(cè)產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢(shì)。
    所謂技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化，就是指實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)功能的各項(xiàng)內(nèi)容，從低級(jí)向高級(jí)變化的過程。屬于技術(shù)系統(tǒng)范疇的任何一種人工制造物（產(chǎn)品、工藝或技術(shù)），隨著時(shí)間的變化，都在不斷地向著更高級(jí)的方向發(fā)展和進(jìn)化。在過程上，它們的進(jìn)化都會(huì)經(jīng)歷相同的幾個(gè)階段，形成S-曲線；在模式上，它們都會(huì)遵循8個(gè)進(jìn)化法則。
1.1 S-曲線
    每個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化一般經(jīng)歷如圖1中S-曲線所示的4個(gè)階段：初始期、成長(zhǎng)期、成熟期、衰退期。在初始期，新的技術(shù)系統(tǒng)剛剛誕生，它能提供一些前所未有的功能或技術(shù)系統(tǒng)的改進(jìn)，但存在效率低，可靠性差的問題，缺乏人力、物力的投入，系統(tǒng)發(fā)展緩慢。在成長(zhǎng)期，價(jià)值和潛力顯現(xiàn)，有大量的人、物、財(cái)力的投入，效率和性能得到提高，系統(tǒng)高速發(fā)展。在成熟期，系統(tǒng)日趨完善，性能水平達(dá)到最佳，所獲得利潤(rùn)達(dá)到最大并有下降趨勢(shì)。此時(shí)大量投入所產(chǎn)生的研究成果，多是一些較低水平的系統(tǒng)優(yōu)化和優(yōu)化改進(jìn)。在衰退期，各項(xiàng)技術(shù)已發(fā)展到極限，很難有新突破。
    s-曲線描述了一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的完整生命周期，當(dāng)一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化完成4個(gè)階段后，必然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的技術(shù)系統(tǒng)來替代它，如此不斷的替代。
    預(yù)測(cè)產(chǎn)品和技術(shù)所處的生命周期階段，有4個(gè)主要的判別指標(biāo)，即性能參數(shù)、專利數(shù)量、發(fā)明級(jí)別、利潤(rùn)，它們和S-曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。
    分析技術(shù)系統(tǒng)的S-曲線可以幫助企業(yè)評(píng)估現(xiàn)有技術(shù)的成熟度，有利于合理的研發(fā)投入和分配，幫助企業(yè)作出正確的研發(fā)與引進(jìn)決策，避免因缺乏客觀數(shù)據(jù)而“憑感覺拍腦瓜決策”的現(xiàn)象。
1.2技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則
    在新一代產(chǎn)品和技術(shù)的開發(fā)中，可以應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則的內(nèi)容，主要體現(xiàn)了技術(shù)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能的過程中，技術(shù)系統(tǒng)改進(jìn)和發(fā)展的趨勢(shì)。在經(jīng)典TRIZ中，有八大類技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則。運(yùn)用這些法則，可以幫助人們判斷當(dāng)前研發(fā)的產(chǎn)品處于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的哪個(gè)位置，提供開發(fā)新一代產(chǎn)品的新概念和新思路。
1.2.1完備性法則
    技術(shù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)功能的必要條件是在整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中一定包含4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的基本子系統(tǒng)，即動(dòng)力裝置、傳輸裝置、執(zhí)行裝置和控制裝置。
    基于該法則去分析技術(shù)系統(tǒng)，可以判斷現(xiàn)有的技術(shù)系統(tǒng)是否完整，有助于在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，確定實(shí)現(xiàn)所需技術(shù)功能的方法，并達(dá)到節(jié)約資源的目的。系統(tǒng)的進(jìn)化方向是不斷自我完善，減少人的參與，以提高技術(shù)系統(tǒng)的效率。
1.2.2能量傳遞法則
    技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(shù)系統(tǒng)的所有元件。如果技術(shù)系統(tǒng)的某個(gè)元件接受不到能量，它就不能產(chǎn)生應(yīng)有的效用。
    基于該法則在設(shè)計(jì)和改進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)時(shí)，首先要保證能量可以流向系統(tǒng)的各個(gè)元件。系統(tǒng)的進(jìn)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(fā)展。
1.2.3動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則
技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化應(yīng)該沿著結(jié)構(gòu)柔性、可移動(dòng)性、可控性增加的方向發(fā)展，以適應(yīng)環(huán)境狀況或執(zhí)行方式的變化。應(yīng)用該法則可以指導(dǎo)人們花費(fèi)很小的代價(jià)而取得通用性、高度適應(yīng)性、可控性的技術(shù)系統(tǒng)。
1. 2.4提高理想度法則
    技術(shù)系統(tǒng)是沿著提高其理想度的方向進(jìn)化的。通常采用如下公式來衡量產(chǎn)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(shù)系統(tǒng)是作為物理實(shí)體并不存在，但卻能夠?qū)崿F(xiàn)所有必要的功能。理想化最終結(jié)果是技術(shù)系統(tǒng)某參數(shù)的改進(jìn)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其他參數(shù)產(chǎn)生不利影響。明確問題的理想化最終結(jié)果，有可能引導(dǎo)人們得到最優(yōu)的、有遠(yuǎn)見的問題解決方案。提高理想度的進(jìn)化路線是去掉實(shí)現(xiàn)有用功能的特定設(shè)備，利用現(xiàn)有的能量和資源來實(shí)現(xiàn)有用功能。
1. 2.5子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則
    任何技術(shù)系統(tǒng)所包含的各個(gè)子系統(tǒng)都不是同步、均衡進(jìn)化的。整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)化速度取決于系統(tǒng)中發(fā)展最慢的子系統(tǒng)。這種不均衡的進(jìn)化經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致子系統(tǒng)之間的矛盾出現(xiàn)，解決矛盾將使整個(gè)系統(tǒng)得到突破性的進(jìn)化。
    基于該法則可以幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)中不理想的子系統(tǒng)，并以較先進(jìn)的子系統(tǒng)替代，從而能以最小的成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定參數(shù)的改進(jìn)。
1. 2.6向超系統(tǒng)進(jìn)化法則
    所謂超系統(tǒng)，廣義上講是超過這個(gè)系統(tǒng)之外的其他系統(tǒng)。技術(shù)系統(tǒng)在進(jìn)化過程中，可以和超系統(tǒng)組件合并來獲得大量可用資源，或者將某項(xiàng)功能的子系統(tǒng)剝離出來，轉(zhuǎn)移至超系統(tǒng)中，這樣，能夠使該子系統(tǒng)擺脫自身在進(jìn)化過程中遇到的限制，更好地實(shí)現(xiàn)原來的功能。
1.2.7向微觀級(jí)進(jìn)化法則
    技術(shù)系統(tǒng)在進(jìn)化發(fā)展過程中，沿著減小元件尺寸的方向進(jìn)化。技術(shù)系統(tǒng)的元件，傾向于達(dá)到原子和基本粒子的尺度，進(jìn)化的終點(diǎn)是不作為物理實(shí)體存在，而是通過場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)其必要的功能。向微觀級(jí)進(jìn)化的路線是由整體-多個(gè)部分一粉末-液體一氣體-場(chǎng)-虛空。
1. 2.8協(xié)調(diào)性進(jìn)化法則
    技術(shù)系統(tǒng)向著子系統(tǒng)各參數(shù)協(xié)調(diào)、系統(tǒng)參數(shù)與超系統(tǒng)參數(shù)相協(xié)調(diào)的方向發(fā)展進(jìn)化�；�于該法則設(shè)計(jì)和改進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)時(shí)，某一組件的參數(shù)值的選擇要參考系統(tǒng)其他組件參數(shù)的值。子系統(tǒng)各參數(shù)之間的協(xié)調(diào)，包括結(jié)構(gòu)形狀、頻率、材料性質(zhì)、質(zhì)量上的相互協(xié)調(diào)等。
1.3產(chǎn)品預(yù)測(cè)流程
    第1步，分析系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能、可用資源、矛盾。
    第2步，選擇一條技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化路線，分析當(dāng)前系統(tǒng)特征，確定系統(tǒng)所處的位置。
    第3步，按照第二步路線對(duì)應(yīng)的趨勢(shì)和方向，預(yù)測(cè)下一代產(chǎn)品應(yīng)具有的特征，尋找構(gòu)思。
    第4步，參照每個(gè)進(jìn)化路線，依次對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行步驟2和3，進(jìn)行系統(tǒng)定位和預(yù)測(cè)。
    第5步，將步驟4得到的所有構(gòu)思集中組合分析，得到完整的新一代產(chǎn)品概念方案。
    第6步，根據(jù)步驟5得到的概念方案，選擇需要進(jìn)行可行性研究的范圍，列入產(chǎn)品規(guī)劃。
1.4 S-曲線和進(jìn)化法則
    8個(gè)進(jìn)化法則在S-曲線各個(gè)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(xié)調(diào)性法則；在成長(zhǎng)期使用頻率較高的是提高理想度法則、動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則和子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則；在成熟期使用頻率較高的是向微觀級(jí)進(jìn)化法則；在衰退期使用頻率較高的是向超系統(tǒng)進(jìn)化法則。
2、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則在粉碎機(jī)創(chuàng)新
    安全設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
2.1問題描述
    隨著能源需求壓力加大和林木質(zhì)能源顯著優(yōu)勢(shì)的逐漸突出，國(guó)內(nèi)外加快了對(duì)林木再生能源研發(fā)的步伐。而大部分林木生物質(zhì)原料在開發(fā)利用前期都需要進(jìn)行粉碎加工處理，以便進(jìn)一步加工利用。迄今市場(chǎng)上還沒有專為林木生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)制造的粉碎機(jī)，多用秸稈還田粉碎機(jī)、林業(yè)碎木機(jī)械以及飼料產(chǎn)業(yè)的牧草秸稈粉碎揉搓設(shè)備等替代，其中錘片式粉碎機(jī)應(yīng)用最為廣泛。
    錘片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作時(shí)，將物料由進(jìn)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(shí)以較高的速度甩向固定在粉碎室內(nèi)部的齒板和篩網(wǎng)上，受到齒板的碰撞和篩網(wǎng)的搓擦而進(jìn)一步粉碎。在粉碎室中如此重復(fù)進(jìn)行，直至粉碎到可通過篩孔為止。
    粉碎機(jī)在工作過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很高且有多把刀具同時(shí)高速切削物料，極易發(fā)生安全事故。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮安全性。鑒于安全系統(tǒng)具有非線性、混沌、分形、模糊性等復(fù)雜特性，而安全科學(xué)具有高度綜合、跨學(xué)科和橫斷、交叉以及復(fù)雜的系統(tǒng)性，因此，筆者嘗試應(yīng)用TRIZ進(jìn)化理論進(jìn)行創(chuàng)新安全設(shè)計(jì)。
2.2 S-曲線分析
    所設(shè)計(jì)的林木生物質(zhì)粉碎機(jī)是一種為滿足新需求出現(xiàn)的新產(chǎn)品，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)有許多設(shè)計(jì)問題和難題，可靠性差、效率低，缺乏人力、物力、財(cái)力的投入，發(fā)展緩慢。按照S-曲線各個(gè)階段的特征，現(xiàn)有產(chǎn)品處于初始期。
    建議加大研發(fā)力度，設(shè)法提高系統(tǒng)的有用功能，降低成本和有害功能。
2.3技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化預(yù)測(cè)
    應(yīng)用完備性法則、能量傳遞法則、協(xié)調(diào)性法則、提高理想度法則和動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則分析當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)特征，確定系統(tǒng)所處的位置；預(yù)測(cè)下一代產(chǎn)品可能的結(jié)構(gòu)狀態(tài)或應(yīng)用的原理，產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。
2.3.1應(yīng)用完備性法則
    系統(tǒng)的動(dòng)力裝置是電動(dòng)機(jī)，傳輸裝置足主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，執(zhí)行裝置是粉碎刀具，缺少控制其他組件協(xié)調(diào)動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的控制裝置。應(yīng)用完備性法則進(jìn)行進(jìn)化預(yù)測(cè)和產(chǎn)品構(gòu)思，可以增加系統(tǒng)的控制裝置，向人工更少介入的方向發(fā)展。
    構(gòu)思方案：應(yīng)用變速電動(dòng)機(jī)，根據(jù)產(chǎn)量和粉碎粒度的不同要求選擇不同的主軸轉(zhuǎn)速。
2.3.2應(yīng)用能量傳遞法則
    系統(tǒng)的進(jìn)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(fā)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(chǎng)貫穿系統(tǒng)的整個(gè)工作過程，減少能量形式的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的能量損失；③如果系統(tǒng)組件可以更換，可將不易控制的場(chǎng)更換為更易控制的場(chǎng)，按照機(jī)械場(chǎng)一聲場(chǎng)一熱場(chǎng)一化學(xué)場(chǎng)一電場(chǎng)一磁場(chǎng)／電磁場(chǎng)的順序，場(chǎng)的可控性增加，能量傳遞效率提高。
    目前粉碎設(shè)備用的是機(jī)械場(chǎng)，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(huì)產(chǎn)生發(fā)熱、振動(dòng)和摩擦等作用，約有95%~99%的能量轉(zhuǎn)化為熱而逸散，使能源大量消耗。
    構(gòu)思方案：可采用熱場(chǎng)，利用爆炸、壓力方式粉碎物料，提高能量傳遞效率。
2.3.3應(yīng)用協(xié)調(diào)性進(jìn)化法則
  技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化是沿著各個(gè)子系統(tǒng)相互之間更加協(xié)調(diào)，以及系統(tǒng)與環(huán)境更加協(xié)凋的方向發(fā)展。子系統(tǒng)形狀協(xié)調(diào)進(jìn)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(jìn)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(zhì)的表面；內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進(jìn)化路線為實(shí)心物體-物體內(nèi)部中空-+內(nèi)部結(jié)構(gòu)多孔結(jié)構(gòu)_毛細(xì)結(jié)構(gòu)-+動(dòng)態(tài)內(nèi)部結(jié)構(gòu)；幾何形狀的進(jìn)化路線為點(diǎn)一線一面一體，幾何形狀復(fù)雜化。
    由形狀協(xié)調(diào)進(jìn)化路線得到構(gòu)思方案：粉碎刀具由現(xiàn)在的規(guī)則平面、實(shí)心錘片（圖4a）進(jìn)化為曲面、內(nèi)部中空的形狀（圖4b），增加刀刃的數(shù)量，使單位時(shí)間內(nèi)單位面積上有效粉碎次數(shù)增加，提高粉碎效率。
2.3.4應(yīng)用提高理想度法則
    要提高系統(tǒng)的理想度，可以在不削弱系統(tǒng)主要功能的前提下，將系統(tǒng)的某些組件操作簡(jiǎn)單化。
    現(xiàn)有的有篩粉碎機(jī)，在粉碎粒度小于20目的物料時(shí)，篩網(wǎng)極容易堵塞，使粒度合格的物料不能及時(shí)通過篩網(wǎng)，造成過粉碎。由于物料過篩能力下降，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率急劇降低，功耗大幅度增加，并且容易造成電機(jī)超負(fù)荷、卡死，增加安全隱患。
    由提高理想度進(jìn)化路線得到構(gòu)思方案：采用無篩結(jié)構(gòu)，可通過風(fēng)選或粉碎后再篩分來獲得所需粒度的物料。
2.3.5應(yīng)用動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則
    增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性可以通過以下方法：①將固定狀態(tài)變?yōu)榭蓜?dòng)狀態(tài)；②將系統(tǒng)分割成可動(dòng)元件；③引進(jìn)一個(gè)可動(dòng)物體；④應(yīng)用物理效應(yīng)。
    由動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則得到構(gòu)思方案：利用振動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)篩網(wǎng)高頻微幅振動(dòng)，提高合格物料的過篩能力。
2.4新產(chǎn)品的概念方案
    1)在物料規(guī)�；�細(xì)粉碎過程中，最突出的問題是細(xì)粉碎粒度和過篩能力的矛盾�？赏ㄟ^改變刀具結(jié)構(gòu)，來提高粉碎效率；采用振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)篩網(wǎng)高頻微幅振動(dòng)，來提高過篩能力；采用變速電動(dòng)機(jī)，滿足產(chǎn)量和粉碎粒度的不同要求。
    2)當(dāng)細(xì)粉碎粒度和過篩能力的矛盾加劇，可采用無篩結(jié)構(gòu)粉碎機(jī)，通過風(fēng)選或粉碎后再篩分來獲得所需粒度的物料。
  3)采用熱場(chǎng)，考慮利用爆炸、壓力方式粉碎物料。
3、結(jié)論
    1)產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展遵循著一定的客觀規(guī)律，在進(jìn)化過程中一般會(huì)經(jīng)歷初始期、成長(zhǎng)期、成熟期和衰退期4個(gè)階段，形成s-曲線。分析技術(shù)系統(tǒng)的S-曲線可以幫助企業(yè)評(píng)估現(xiàn)有技術(shù)的成熟度，作出正確的研發(fā)與引進(jìn)決策。
    2) TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則可以提供開發(fā)產(chǎn)品的新概念和新思路，預(yù)測(cè)新一代產(chǎn)品可能的結(jié)構(gòu)狀態(tài)或應(yīng)用的原理，使產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程更具有可操作性。
    3)筆者將TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論與產(chǎn)品創(chuàng)新安全設(shè)計(jì)相融合，運(yùn)用TRIZ理論的S曲線分析現(xiàn)有產(chǎn)品處于初始期，應(yīng)加大研發(fā)力度，設(shè)法提高系統(tǒng)的有用功能，降低成本和有害功能。應(yīng)用完備性法則、能量傳遞法則、協(xié)調(diào)性法則、提高理想度法則和動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則得到了多個(gè)新產(chǎn)品的概念方案。