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赵敏先生是中国发明协会常务理事，发明方法研究分会会长，国内著名创新方法专家、两化融合/智能制造专家，《三体智能革命》副主编，《走向智能论坛》核心专家顾问团队成员
TRIZ：研究智能制造的方法论
伴随着工业4.0和中国制造2025的兴起，智能制造已经成为了未来新工业革命的主题词。深入研究和理解智能制造，离不开经典的创新理论，离不开新工业哲学，离不开适用的方法论。笔者认为，熊彼得在一百多年前创立的经济发展理论中所奠定的创新定义，以及阿奇舒勒在70年前发现并总结出来的发明方法论，可以作为研究今天的智能制造的理论之选。

一、TRIZ发明方法中的进化法则

TRIZ发明方法，是前苏联海军工程师、发明家根里奇·阿奇舒勒在其所从事的专利工作中，发现了发明创新可能是有规律的，于是在1946年开始了一场对高水平发明专利的艰苦卓绝的分类与研究。经过对数千份发明专利的“大数据”分析，两年后他得出了一个惊人的结论：发明是有规律的，是有方法的！之所以说是惊人的结论，是因为即使到了今天，仍然有很多人不知道发明是有规律的，解决疑难复杂问题是有方法的。
在阿奇舒勒分析了4-5万份高水平的发明专利之后，TRIZ发明方法论诞生了。
TRIZ发明方法，可能是所有的创新方法论中唯一一个给出符合事物发展的客观规律的发明方法论，因为在众多的发明方法中，只有TRIZ理论具备了技术系统进化的完整内容，构成了TRIZ独特的理论体系。
TRIZ理论认为，所有的人工制造物（产品、设备、组织等）都是可以看作是人造的“技术系统”，是由元件和运作所组成的实现某种功能的事物的集合。技术系统是功能的载体，构建技术系统的目的就是实现预设功能——如飞机的功能是利用空气动力学在空气中飞翔，汽车的功能是利用摩擦在路面上奔跑，钻床的目的是以去除材料的方式在工件上打孔。
阿奇舒勒通过对大量发明专利的分析发现，所有技术系统都是运动的、发展变化的，他把这种变化称之为进化。而技术系统的进化并非是随机的，都是遵循着一定的客观规律进化的，一旦掌握了这些规律，就能主动预测未来技术的发展趋势，掌握技术发展可能的方向，使企业今天能设计出明天的产品，在激烈竞争的市场中一直处于最有利的领先地位。
在70年代中期，由阿奇舒勒开发的技术系统进化法则已经在他的两篇论文“生命线”和“技术系统发展的规律”中发布。随后阿奇舒勒在他撰写的《创造是精确的科学》一书中详细阐述了这些进化法则。他把那些必然遵守的进化趋势与发展模式归结和定义为技术系统的8个进化法则。它们是：1）完备性法则；2）能量传递法则；3）协调性进化法则；4）提高理想度法则；5）子系统不均衡进化法则；6）向超系统进化法则；7）向微观及增加场应用进化法则；8）动态性进化法则。
至此，经典TRIZ的技术系统进化法则体系基本成型。
后来经过他的学生和其他TRIZ专家的研究与完善，结合技术系统的S-曲线进化趋势，形成了由9个技术系统进化法则所构成的经典TRIZ进化法则体系结构。如图1所示。

图1 经典TRIZ的技术系统进化法则体系结构

二、工业革命的推动力——技术革命

关于工业革命阶段的划分，可以参考这张由德国人定义的、广泛流传的图片。资料来源于《保障德国制造业的未来：关于实施工业4.0战略的建议》。如图2所示。

图2 德国人的四次工业革命阶段划分（原图照抄）
笔者认为，之所以出现工业革命，是因为技术革命导致新的生产工具（如机器、产品等技术系统）出现，新的工具快速扩散到了其它领域，使生产力得到了快速发展，同时更重要的是，生产关系发生了不可逆转的改变。如果仅仅有新工具的出现和生产力的大幅度提升，但是生产关系没有明显变化，尚不足以称之为一场工业革命。
关于工业革命与技术革命、新工具的关系，请参见表1所示。


所谓的技术革命和工具革命，其实就是技术系统的革命。新的技术系统替代了老的技术系统，例如第一次工业革命时水力机、蒸汽机替代了手工机械，或者第二次工业革命时电力驱动的机械替代了蒸汽机。毫无疑问，工业革命的孕育与发端，首先是从技术系统的变革开始的。

三、TRIZ与工业革命的关系

TRIZ与工业革命有着密切的关系。工业革命是各种新技术、新工具（即新技术系统）相互作用的结果。而新技术与新工具，则是技术系统的主要构成。TRIZ可以分析和预测所有的技术系统的发展趋势，由新技术、新工具的诞生与发展规律而预测和知晓工业革命的诞生与发展规律。本节介绍两个技术系统进化法则。
1、技术系统完备性法则：
一个技术系统在实现预设功能的时刻，必须具备“动力装置、传动装置、执行装置和控制装置”四个子系统，各自完成其主要的子功能，才能实现技术系统的总体预设功能，四个子系统缺一不可，否则导致整个技术系统局部失效或整体失效，无法实现其预设功能。如图3中虚线框所示。

图3 一个系统要素完备的技术系统
例如大约在唐朝时期中国人发明的桨轮船，动力装置是人脚来踏，传动装置是曲柄连杆，执行装置是桨轮，控制装置是人力和舵。桨轮船曾经在第一次工业革命时期得到普遍应用，促成了航运交通的大发展，只不过动力装置变成了柴油机（新技术向成熟领域扩散），控制装置变成了制动、加速和转向系统。直到今天，桨轮船仍然用于某些国家的旅游观光领域。
现代TRIZ认为，技术系统的总体进化趋势是系统装置逐渐趋于完备，即从不完备系统逐渐发展到完备系统。提高技术系统的完备性法则是技术系统的进化方向之一。技术系统诞生之初，初始的系统首先具备完成基本功能的执行装置（通常是某种工具，例如钻头），在实现功能的时刻，必须借助技术系统外部（叫作“超系统”）的资源来形成完备的技术系统（例如手摇把）。然后，随着系统的进化并逐渐获得资源（如电机、进给装置等），初始系统按照以下时序，逐渐把超系统中的资源（或替代组件）纳入到自己的技术系统中来提高其完备性（如形成钻床），如图4所示。

图4 技术系统逐渐提高完备性的进化过程
一根钻头作为执行装置（工具），其基本功能是在工件（作用对象）上钻孔。钻头自己无法实现该功能，只有借助系统外部的资源，如与系统外部的超系统组件（如人手、摇臂、电机、钻床等具备动力装置、传输装置和控制装置的组件）组合成一个完备的技术系统，各系统组件共同作用，来实现钻孔功能。钻孔工具不断进化，不断增加新的系统组件，其系统完备性不断提升，钻孔工具的效率和精度都越来越高，即干同样的钻孔工作所需要的时间越来越短，或者说在同样的时间内成十倍、成百倍地提高了钻孔的工作效率。如图5所示。

图5 钻孔工具提高技术系统完备性进化过程
一个技术系统在进化的过程中，是在多个进化法则的约束下来进化发展的。至于哪一个方面进化得比较快，是与系统内、外部所能提供的超系统环境资源密切相关的。例如超系统资源丰富，技术系统就会更多地向超系统进化发展，否则就会向其它方向（如微观）发展。
2、向超系统进化法则
向超系统进化法则的要点是“单系统→双系统→多系统”，即一个技术系统与其外部的另外一个、两个或更多的技术系统（即超系统）相互组合，形成功能更强、更高级别的技术系统——当技术系统从一个单系统发展到双系统或多系统时，有可能经过优化、裁剪后重组为更高级别的单系统，然后在更高的层级上再与其它技术系统进行集成。如图6所示。

图6 向超系统进化法则
在向超系统进化法则的作用下，机器越发展系统组件越多，体积越大，功能越综合，效率越高。例如刚才提到的钻床，可以从单钻床，发展到双钻床组合、三钻床组合、多钻床组合，由此让多个钻头一起工作，同时钻出大大小小不同的孔。而且，钻床还可以与其它设备组合，组成产品的生产线，例如生产汽车发动机缸体或缸盖的生产线，就集成了铣、磨、镗、钻、铰、测等不同的设备，形成了一套完整的技术系统（生产线）。
很多我们常见的产品都是遵循向超系统进化法则而得到的。如果把功能属性上有差异的系统组件以双系统或多系统方式集成，可以组合出我们经常见到的“平台”类产品：把军舰和飞机作为子系统集成后，就有了航空母舰这个海上作战平台；把手机、计算机、电话、游戏机、电子书、平板电脑、摄像机、电视、U盘、时钟、软件等数字化软硬设备作为子系统集成后就有了智能手机个人终端平台。
笔者仅仅介绍了上述两个进化法则，就可以解读与阐述某一类机器设备的发明与形成过程。正是在两百多年的工业革命历程中，在技术系统进化规律的制约与引导下，新的机器和工具不断地被发明出来，才有了生产力的爆发和生产关系的变革，才有了工业革命的诞生与发展，才有了今天以智能化为标识的、已经在酝酿中的第四次工业革命，才有了今天的智能制造。

四、TRIZ与智能化的关系

在TRIZ中，解决问题的有效工具知识之一是科学效应（简称效应）。而科学效应是形成技术系统之“人造智能”的基本构成。可以这样说，没有科学效应，就没有工业智能，当然也没有人工智能。对这个问题，工业界和信息业界一直没有引起足够的注意。对效应的研究，一直由科学界缓慢进行；对效应的应用，一直由工业界和信息业界散漫践行。发现和创造效应的科学界与实际应用效应的工业界和信息业界之间，长期以来缺乏足够的互动与沟通。而对效应的归纳与整理，唯有TRIZ发明方法论领域，进行了长期的整理与归纳！
科学效应是几何效应、物理效应、化学效应、生物效应的统称。效应来源于科学研究与发现，但是在工业领域获得了极为广泛的应用。如果仔细分解一个机器设备，其中每一个关键子功能都是由效应实现的，例如洗衣机靠离心力脱水甩干，空调靠相变制冷，晶体管靠电场实现高低电平（数字1和0）。
效应是工程技术的实现依据和解决技术问题的根本，用好一个效应可以获得几十项发明专利。发明家爱迪生的1023项专利里只用到了23个效应；飞机设计大师图波列夫的1001项专利里只用到了35个效应。
科学效应：效应物质在外部物质属性输入作用影响下所形成的属性输出，输入和输出形成了特定的因果现象。例如离心力、相变、热膨胀、双金属结构、形变、电场、磁场、电磁场、电致伸缩、磁致伸缩、电致变色、磁流体、压电效应、传导、对流、辐射、毛细管、衍射、电解、爆炸、磁热效应、超导、多普勒效应、马格努斯效应、珀耳贴效应、韦森堡效应等（了解更多的效应，可参阅笔者今年1月出版的《TRIZ进阶及实战》一书，介绍了922个效应）。
笔者在前不久撰写的“构建智能系统  注重工业智能”一文中，已经介绍了效应的重要作用，并且列举了物理效应、生物效应等在工业和科技界的应用。
电是人类最伟大的发明之一，其本身就是一个物理效应。强电的应用，促成了第二次工业革命；弱电（电子学）的应用，促成了第三次工业革命。在计算机信息科学领域，二进制（数字化或数位化）的所有的基本功能，都是由效应来实现的：电场形成了计算的0和1，磁场形成了存储的0和1，电磁场形成了无线网络的0和1，等等。而我们常用的软件，不过是调用低层硬件通过科学效应来执行各种芯片功能的计算机指令的程序集合。而主要依靠软件算法和推理规则所形成的人工智能，其存在的基础，就是建立在科学效应的基础上的，因为没有科学效应，就没有由晶体管组成的大规模集成电路，也就没有软件赖以生存的数字虚体空间，当然也就没有软件本身，更遑论人工智能了。
一个重要的事实是，工业4.0和智能制造中的使能技术CPS（赛博物理系统），其基本构建机理是，把算法和推理规则等知识嵌入软件，把软件嵌入硬件（如芯片），形成计算内核，再把计算内核嵌入物理设备，并且让计算内核之间相互联接、形成网络。而上述一系列“嵌入”和“互联”的基础，就是上面介绍的科学效应：电场、磁场和电磁场。
另外一个重要的事实是，所有的传感器都是利用了各种物理、化学、生物效应的结果。十大类传感器（“热敏、光敏、气敏、力敏、磁敏、湿敏、声敏、放敏、色敏、味敏”共计十类）无一不是利用科学效应来实现的。没有科学效应，就没有各式各样的传感器。而没有传感器，就没有各式各样的人造智能系统，因为一个智能系统的首要特征就是“状态感知”！
第三个可以佐证的事实是，所有技术系统的重要进化阶段，表面上看是克服了系统中矛盾的结果，其实其内在动因是引入了驱动技术系统转型升级（进化）的新的科学效应，即换了系统运行的基本原理。如特斯拉电动汽车，不过是把作为动力装置的汽柴油发动机换成了电机，把由化学燃料燃烧（化学效应）产生的气体膨胀驱动，变成了电磁感应（物理效应）式的电机驱动。
由此可见，无论是工业智能还是人工智能，所有的人造智能都是以科学效应为基础的。而对于研究科学效应，只有在TRIZ发明方法论中得到了较为充分的汇总、分类、研究与应用。这个研究过程可以追溯到上个世纪，1971年TRIZ创始人阿奇舒勒编辑了第一版“物理效应指南”，并于1987年正式出版发布；1988年发布了“化学效应指南”； 1989年发布了“几何效应”。至此，效应库的构建工作基本成型。后人又在此基础上做了若干补充，形成了今天的效应知识库。根据若干TRIZ大师介绍，为了促进发明创新，阿奇舒勒及其合作者开放了所有效应及检索表格工具，任何人都可以免费使用效应知识库。由此在任何技术系统的功能设计中，我们可以更方便地以查询效应知识的方式来检索和构建某个所需要的零部件功能。
科学效应还在不断地发展、更新和补充。现在大家所熟知的“3D打印”，也已经被归类为一个综合的科学效应。

五、小结

在众多的发明方法中，只有TRIZ理论具备了技术系统进化的完整内容。
TRIZ与工业革命有着密切的关系。工业革命是各种新技术、新工具（即新技术系统）相互作用的结果。所有技术系统的进化，表面上看是克服了系统中矛盾的结果，其实其内在动因是引入了驱动技术系统转型升级（进化）的新的效应，即换了系统运行的基本原理。这种技术系统发展演变的客观规律，正是TRIZ理论的核心内容之一。
无论是工业智能还是人工智能，所有的人造智能都是以科学效应为基础的。而对于研究科学效应，只有在TRIZ发明方法论中得到了较为充分的研究与应用。
笔者认为，之所以出现工业革命，是因为技术革命导致更新的生产工具（如机器、产品等技术系统）出现，新的工具快速扩散到了其它领域，使生产力得到了快速发展，同时更重要的是，生产关系发生了不可逆转的改变。
正是在两百多年的工业革命历程中，在技术系统进化规律的制约与引导下，在科学效应的驱动下，新的机器和工具不断地被发明出来，才有了生产力的爆发和生产关系的变革，才有了工业革命的诞生与发展，才有了今天以智能化为标识的、已经在酝酿中的第四次工业革命，才有了今天的智能制造。
作者简介：赵敏——中国发明协会常务理事，发明方法研究分会会长，英诺维盛公司总经理。国内著名创新方法专家、两化融合/智能制造专家。高级工程师。34年来一直致力于企业如何实现创新、转型的研究与实践，对TRIZ发明方法学、CAI、PLM、KE/KM、精益研发、智能制造、工业4.0等企业技术创新、管理创新和企业信息化专题有着深入的研究和独到的见解，在国内外媒体和国际国内学术会议发表文章和论文百余篇，为企业解决众多技术难题。著有《创新的方法》、《TRIZ入门及实践》、《知识工程与创新》、《TRIZ进阶及实战》、《三体智能革命》等专著、合著。
声明：本文转发自微信订阅号“英诺维盛公司”，文章原名“TRIZ：研究智能制造的方法论”，由赵敏先生原创，并享有全部著作权。赵敏先生是《三体智能革命》副主编，是《走向智能论坛》核心专家顾问团队成员。本文由作者审阅校订后授权《走向智能论坛》微信转发。
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