Petrov的技术进化定律

Petrov的技术进化定律随政治、科技、经济、工业等的发展，人类的需求不断变化，为满足这些新的需求要求产品具有新的功能，而新功能的实现又要求开发新系统或改进已有系统。所以Petrov的技术进化定律系统包括三类定律[49][50]：需求进化定律、功能进化定律及系统进化定律，如图2.10所示。需求进化的一般趋势是首先满足基本需求，之后满足智能的及创造性的需求。需求进化具有多样性的特点，其定律包括需求理想化、需求动态增长、需求协调、需求合并及专门化等定律，如图2.11所示。需求进化定律可以用于预测未来的需求。由此可以定义新的功能及系统来满足这些未来的需求，需求进化所提供的知识还可帮助发现系统新的进化趋势。功能要满足需求，功能随需求的进化而进化。功能进化定律包括功能理想化、功能动态增长、功能协调、向单功能或多功能传递等定律，如图2.12所示。系统进化定律分为新系统构成定律及已有系统改进定律。新系统构成定律定义新系统具有生命力的规范，包括系统性、完整性、丰富性、连接存在性、协调性等定律。已有系统的改进定律给出了已有系统进化的方向，包括增加理想化水平、系统组成部件的不均衡发展、系统动态程度增加、协调性、向超系统传递等定律，其中的系统动态程度增加定律又由系统技术进化定律需求进化定律功能进化定律系统进化定律需求进化定律需求理想化定律需求动态增长定律需求协调定律需求合并及专门化定律图2.11需求进化定律及其组成Fig.2.11Lawsofdemandevolution功能进化定律功能理想化定律功能动态增长定律功能协调定律单功能或多功能传递定律图2.12功能进化定律及其组成Fig.2.12Lawsoffunctionchange图2.10技术进化定律系统Fig.2.10Levelsoflawsofsystemevolution向微观传递、增加物质——场相互作用、信息饱和等定律组成，如图2.13所示。2-3-3十种进化模式及进化路线本文通过对DE的八种进化模式进行分析，然后结合Petrov的技术进化定律中的已有系统改进定律，从实用性的角度对技术进化按结构、时间、功能、可控性及理想化进行分类，总结出如下十种进化模式：模式一：精简化，指系统由简单到复杂、再由复杂到简单的进化；模式二：微观化，指系统由宏观物体向微观物体的进化；模式三：柔性化，指系统向动态性增加的方向进化；模式四：曲面化，指系统几何形状的进化；模式五：多维化，指系统向维数增加的方向进化；模式六：调和化，指系统向各部件和谐的方向进化；模式七：集成化，指系统向超系统方向进化；模式八：自动化，指系统向可控性增加的方向进化；模式九：智能化，指系统向减少人的介入方向进化；图2.13系统进化定律系统Fig.2.13Lawsofsystemevolution已有系统改进定律系统进化定律系统性定律完整性定律丰富性定律连接性定律协调性定律增加理想化水平定律协调性定律向超系统传递定律系统组成部件的不均衡发展定律系统动态程度增加定律系统向微观传递定律信息饱和定律增加物质——场相互作用定律新系统构成定律模式十：理想化，指系统向增加理想化水平的方向进化。十种进化模式应用在系统已经存在并且需要改进的情况下，是技术系统发展的一般趋势，在系统改进和创新设计上应用最广，每种进化模式也包含着多条进化路线，本文中总结出的进化路线主要根据InventionMachine公司的TechOptimizer中的预测模块按进化模式归纳的，下面分别介绍：模式1：精简化系统结构首先是由简单到复杂，然后再由复杂到简单的进化。在新工程系统开发中设计者试图合并系统单元或元件达到最小数目，工程系统中包含的元件数目不断减少。一些相对不关键的元件可以从工程系统中剔除，保留下的元件实现他们的功能。在这种模式形成的进化路线：裁剪（Triming）和合并（Convolution）；路线1-1裁剪：完整系统→删除一个零件→删除两个零件→删除整个部件在新工程系统开发中设计者试图合并系统单元或元件以达到最小数目，工程系统中包含的元件数目不断减少，一些相对不关键的元件可以从工程系统中剔除，保留下的元件实现系统功能。路线1-2结构合并：多个单系统→功能交叉→功能相同的系统合并成单系统在空间上将功能相同或相似的物体连接在一起，组成一个超系统（更高层次的单系统），通过合并功能相同或相似的系统，实现精简化的进化模式。路线1-3时间合并：多个连续操作→在时间上合并相似或相连的操作在时间上合并相似或相连的操作，提高工作效率，实现加工过程精简化进化模式。模式2：微观化一个子系统或其组成元件可以用能完全实现其功能的一种材料或场来代替，例如材料的微观形式可以表现为分子、原子等，通过物理变化、化学变化或其他作用来实现向微观水平过渡，系统从宏观物体向微观物体的进化主要是由于对工具材料要求不同部位有不同特性，起不同作用，而解决这种要求冲突，可以向微观界过渡，这是因为向微观界过渡可以增加物质分离的程度和零部件结合的可能性；同时可以增加物质和空洞的结合（例如形成一种多孔的材料）；最终系统的一部分或整个部分用场来代替。在这种模式下的进化路线如下：路线2-1物质或物体的分割：整块→分成两块→分成多个部分→粉末（液体、泡沫、胶体）→悬浮微粒（气体、等离子体）→场（真空）整块实心物体在使用时效率低并且不可靠，因此设计者试图通过增加分割的程度来改善效率和可靠性。整块实心物体可以分割成几个小部分或者用粉末来代替，粉末又可以进一步分割成分子、液体或等离子体，这些又可以用场来代替，例如激光。路线2-2空间分割：实心物体→物体内部引入空洞→将空洞分割成几个小空洞→制成多孔结构→制成活性的毛孔新的工程系统可以按这样一条路线发展：它的元件占用空间要有效利用。其他材料或空洞可以引入到单块物体中，然后将空洞分割成几个部分。空洞数目增多，重量就会减少。并且催化物质和场可以引入到毛孔中。路线2-3表面分割：平坦表面→表面上有许多突起→形成粗糙表面→活性的表面改善一个工程系统时，通过分割物体表面成许多小面，可以获得很多优点。在平面上生成分割的突起，突起数数目增加，表面变得越来越粗糙。催化物质注入到粗糙之处后，表面就变成一个活性面。路线2-4流动分割：沿一方向的连续流动→分成两部分→分成几个部分→许多部分在工程系统中，一个物体对另一个物体的作用经常以连续不断的流动形式发生。为了与物体的工况协调作用，后者应分割成细小部分。在这种情况下，不同部分的流动参数可以变化，流动可以是聚合的，也可以是分散的或者彼此之间发生冲突。模式3：柔性化动态性的增加，即子系统的适应性或灵活性越来越适应对系统可变需求，一个刚硬的、不可移动的、不可流动的子系统变成动态子系统，然后形成多铰接子系统，再变成一弹性体（相当于无穷的铰接），进而又形成柔性体。通过加上场（电磁场，热场等）代替物质甚至可以达到更高的灵活性。路线3-1动态性增加：刚性体→一个铰接→两个（多个）铰接→弹性体→分子结构（液体、气体）→场具有刚性元件的工程系统对工况的适应性很差。设计者试图把刚性元件设计成柔性的，动态性更好的，在刚性元件设计中引入铰接，铰接点的数目越多，系统就柔性就越好；工程系统的元件实现分子形式或场形式，就达到了最大的柔性。模式4：曲面化将直线或平面部分用曲线或曲面代替，立方形用球形代替。如为了增加建筑结构的强度，采用弧或拱。路线4-1线的几何进化：直线→平面内弯曲→空间内弯曲→复合的3D曲线在设计一个新系统过程中，点结构向线性结构发展，在线性结构中存在冲突要求：长度要求必须增加，而又要求结构紧凑。为了解决这一冲突，最初在平面上弯曲然后在空间内弯曲。结果线性结构的组成越来越复杂。路线4-2面的几何进化：平面→单曲面→双曲面→复合曲面处于发展阶段的工程系统，其操作表面形状变得越来越复杂，平面变成带有一个或两个自由度的弯曲。最后工程系统表面形成一个复杂的复合形状。路线4-3体的几何进化：立方体→圆柱体→球体→复合体工程系统的形状不断的变得复杂，棱柱形的物体变成圆柱体、圆锥体，或者是曲面组成的其他形状体。系统更深一步发展是变成球体或更复杂的组合形状。模式5：多维化将一维空间中运动或静止的物体变成二维空间中运动或静止的物体，二维空间中的物体变成三维空间中的物体。路线5-1维数增加：零维→一维→二维→三维设计一个新系统过程中点结构向线性结构发展，更进一步，系统向二维转变——向面结构进化，然后到三维——向体结构进化。路线5-2层数增加：单层排列→双层排列→多层排列工程系统的发展过程由多层排列逐渐代替单层排列，使系统的功能得到进一步增加。模式6：调和化虽然零部件作为一个整体在不断改进，但零部件的改进是单独进行的，是不同步的。路线6-1频率调和：连续作用→有规律的振动→共振（防止共振）→联合作用→使用行进波新工程系统按照这样一条路线发展：一个物体对另一个物体的影响或者一个工件对另一个工件的作用变得更具动态性和更与工况匹配。连续作用被脉动取代，可以选择脉动的频率与系统的大部分工况相匹配；最后还可以引入附加作用力或场。路线6-2作用调和：非协调作用→部分的协调作用→并列作用→间歇作用在工程系统中，多个物件对系统的作用变得动态的和与工况相协调。首先非协调作用被部分协调作用取代，最后到完全协调的并列作用，为了节省能量，可以使用间歇作用。模式7：集成化集成化的概念来自于集成电路，现在已经扩展到各个领域，尤其在工业控制与自动化领域，“集成化”的思想、方法已渗透到多层次、多方面，如：硬件集成、软件集成、系统集成、技术集成、信息集成、功能集成。通过硬件集成、软件集成、技术集成、系统集成，最终实现功能集成。例如：将传感器、控制器、执行机构集成的“一体化”设备，可实现信息采集、信息传输、信息处理、信息利用等功能集成。因此这里讨论的是最终的功能集成。路线7-1功能相似的系统集成：单系统→引进一种与其功能相似的系统形成双系统引进两种或多种与原系统功能相似的系统形成多系统→组合的多系统在一个发展中的工程系统中，经常有这种情况发生：有些物体不能有效地完成必需的功能。在这种情况下要引入一个或几个物体加到这些（个）物体上。单系统变成双系统和多系统，或者是系统中物体数目增加，多系统的进一步发展就组成了一个更高水平的单系统（超系统），功能达到最完善。路线7-2功能不同的系统集成：单系统→引进一种与原系统功能不同的系统形成双系统→多系统→组合的多系统改善一个工程系统时，经常有这种情况发生：系统组成元件在原则上不能完成必需的功能。这种情况下，一个或几个物体在设计中引入来实现功能。随着系统的进一步改善，具有不同功能的物体组合成单个复合系统来扩充功能。模式8：自动化路线8-1可控性增加：直接控制→半自动→全自动设计者在改善系统性能时试图达到这样一个目标：系统中的大部分控制操作都能自动完成。操作员仅仅启动工程系统的传动机构。在先进的系统中，大多数控制操作都实现了自动化。模式9：智能化路线9-1减少人的介入：手工操作→机械化→智能化在二十一世纪技术进化沿着机械化——自动化——计算机化的方向发展，机械化给系统提供了巨大的动能，自动化提供了调控功能，计算机化实现运动轨迹的确定和监控。随着人工智能的出现和其他技术上的重大突破，在无人介入的情况下，先进的科技就能同时完成三种基本功能（系统的主要功能，能量提供功能和控制功能），人类只是丛事更高水平的设计。模式10：理想化理想化是对客观世界中所存在物体的一种抽象，这种抽象客观世界既不存在，又不能通过实验验证。理想化的物体是真实物体存在的一种极限状态，TRIZ中理想化是一种强有力的工具，在创新过程中起着重要作用。一个绝对理想化的系统定义为在所要求的时间内和空间范围内能100%完成所有可能的功能，并且不需要消耗任何动力、材料、能量和信息这样一个并不存在的系统。因此，绝对理想化系统能实现无限的功能并且不会产生负面效应和额外消耗。路线10-1添加新物质：物体内部添加→外部添加→环境添加→物体之间添加改善一个工程系统时，经常是添加一种物质来改善系统中两个