TRIZ理论在展项设计中的应用———以北京天文馆“宇宙灯塔”展项为例

———以北京天文馆“宇宙灯塔”展项为例赵开羿 景海荣 苗 军 马 劲 王 菁 杨 冰

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/ 赵开羿 景海荣 苗 军 马 劲 王 菁 杨 冰

北京天文馆

以北京天文馆“宇宙畅游”展览中的“宇宙灯塔”展项为例,详细阐述了如何运用专注于创新的TRIZ 理论来解决展项设计中的工程技术难题。关键词 展览 设计 TRIZ 理论 引言进入 21世纪,科学技术迅猛发展,展览展示技术也随之产生了日新月异的变化。与此同时,观众的参观需求也逐渐提升,不再满足于简单、静态的实物陈列,更希望在科技类博物馆里收获多样化的乐趣。因此,当今科技类博物馆的展览设计中,运用多种展示手段进行综合展示成为趋势。 而国内的科技类展项多为相互借鉴模仿,原创性展项很少。

对于新颖的原创展项, 需要从众多高新展示技术中选出主题,并用合适的展示手段予以实现。在展览策划创意初期, 未必能预见到之后与展示手段相关的工程技术问题, 但这些问题需要在后期具体实施时予以妥善解决。作为展览的设计人员,如何利用科学的方法准确而迅速地找到相应的解决方案,对于实现优秀的创意设计至关重要。 本文以北京天文馆“宇宙畅游”展览中的“宇宙灯塔”展项在实施过程中遇到的技术难题为例, 分析如何利用 TRIZ 理论得到最优解决方案,并最终达到预期设计效果。1 TRIZ 理论简介

粹智理论( Triz,theory of the Solution of In ventive problems),即解决发明问题的理论。 该理论是苏联科学家阿奇舒勒等人研究世界各国250 多万件发明专利后提出的,是一套体系完整的、解决发明问题的理论和方法。TRIZ理论给出了解决问题的一般流程,即先将具体问题表达成 TRIZ 问题,然后利用 TRIZ 的解题工具,如发明原理、技术进化理论、标准解等求出该 TRIZ 问题的标准解(普适解),最后再把标准解转化为具体问题的特解。展项中需要解决问题近年来,北京天文馆正全面更新常设展览。在前期设计阶段, 设计人员提出以天文中比较独特的天体———脉冲星为主题制作展项。 脉冲星是一种典型的致密天体,直径大多为 20 km左右,会周期性发射脉冲信号。这种天体具有强磁场并且高速自转,它的磁轴与自转轴往往不重合, 因此脉冲星的辐射从两个磁极发出后,在空间中传播,成形 两个圆锥形的辐射束。如果地球刚好在这束辐射的方向上,就能接收到辐射,且脉冲星每自转一周,这束辐射就扫过地球一次,形成我们接收到的周期性的脉冲信号。

脉冲星的辐射无法用肉眼观测, 我们希望展项用实物化的方式呈现出“辐射”与“磁力线”,使其更

加直观,便于观众理解抽象概念;并且让展项转动,呈现出因自转而导致辐射在实际空间中周期性运动的过程。 然而,脉冲星的自转速度过高,如果完全还原辐射的真实情况,设备的使用时间就会缩短,且有可能存在安全隐患。综上所述,该展项中需要解决的问题可以表述为: 如何在保证展项的安全性的前提下,提高展项中刚体旋转速度,给观众带来较好的参观感受。 3 TRIZ 解题过程

针对在展项设计和实施过程中出现的工程技术问题,我们利用 TRIZ 理论,对该问题进行分析并求解。3.1 问题的背景和描述

北京天文馆“宇宙畅游”展览中的“宇宙灯塔”展项位于层高 30 m 的展示空间里, 空间外侧为玻璃幕墙。 展项设计高度为 9.2 m,底部为圆形,直径为6 m,顶部较底部略窄。 展项主体为长约5 m 可旋转的脉冲星及表示辐射束的刚体组成, 展项整体由电机带动轴承进行牵引, 使刚体沿既定的轨道进行旋转运动,模拟辐射束的自转效果(见图1)。

整个展项系统由脉冲星、刚体、电机、轴承以及路径轨道组成。电机控制着刚体的速度,沿着既定的路径轨道进行旋转。 展项简单的工作原理如图2 所示:

图 2 展项工作原理示意图

针对技术系统存在的这个两难的问题, 设计团队通过头脑风暴等方式讨论出一些解决思路, 比如调整实物化展示的设计, 通过在脉冲星附近放置激光发射器, 用可见光的快速旋转来代替辐射刚体的旋转。但该展项所处的环境过亮,正午甚至有太阳光直射,无法满足所需光源亮度。

因此,我们对于新系统提出的要求是:既让刚体的旋转速度低,又保证观众的参观感受好,也就是让观众的视觉上觉得刚体旋转的速度快。同时,保证系统的安全性。3.2 问题分析

如图 3 所示,TRIZ的解题步骤中的第步是一 就问题分析,其中包括功能分析、因果分析,确定冲突存在的区域,找到问题的标准解,寻找可用的资源。(1)功能分析功能分析的目的是将抽象的系统转化为具体的图表, 或者通过定义与描述系统元件所需达到的功能,以及元件之间、与环境之间、与外界环境的相互作用来分析整体系统。

在具体操作中, 首先应对系统的各种组成成分

图 3 问题求解流程

进行分析,确定系统中的制品、系统元件和超系统元件。系统是由功能元件及作用组成的功能网络,该网络与超系统及制品共同构成产品的功能模型。 制品是系统的目的所在,也叫做系统的作用对象;系统元件指的是系统的组成分子,比如产品的组成零件;超系统是影响系统的要素, 但是设计者不能针对这类要素改进,如果将其作为系统资源加以利用,甚至可能是解决问题的工具。“宇宙灯塔”展项系统功能分析的结果如表1 所示。 接着,根据功能分析结果,建立系统的功能模型(见图4)。最后,通过分析功能模型,我们对系统元件及其之间的相互关系进行描述,并得出导致旋转刚体转速过快问题的功能因素。 待解决的问题如下:第一,旋转刚体高速旋转后,对于观众有危险性(属于有害问题,优先解决);第二,旋转刚体旋转后,给观众带来的参观感受(逼真程度)不足。

表 1 功能分析结果

制品 系统元件 超系统观众 脉冲刚体、电机、轴承、路径轨道、脉冲星 空气

(2)因果分析因果分析, 即应用因果链分析法确定产生问题的原因。 现在的系统中根本问题在于观众参观感受 不足。 如图5所示,此问题的产生有两方面原因,一方面是使用刚体来表示脉冲星的脉冲, 表现效果不佳;另一方面则是刚体的旋转速度受到了限制,这是由多方面因素造成的,其中包括刚体本身的性质,如刚体强度不足、质量过大等,同时还与刚体所处的环境有关,如刚体离观众过近、与观众无隔离等。3.3 问题求解3.3.1 冲突解决理论

我们选用的第一个解题工具是冲突解决理论,包括技术冲突和物理冲突。 TRIZ 理论中归纳了 48个工程参数。在应用中,需要将冲突的双方内部性能用至少2个工程参数来表示。通过查找冲突矩阵,得到解决冲突的发明原理。 发明原理是研究人员对创新成果进行分析总结得到的具有普遍意义的经验,常用的有 40 条。 当确定了发明原理之后,可以根据这些发明原理来考虑具体的解决方案。(1)技术冲突解决首先, 我们对冲突进行描述: 为了改善展项的“刚体高速运动对观众产生危险”, 需要降低刚体的旋转速度, 但这会导致系统中脉冲刚体对观众激发的参观感受变弱。 将冲突的语言转化成 TRIZ 标准冲突后可以发现,我们希望改善的参数为“物体产生的有害因素 / 可靠性”; 同时造成恶化的参数为

图 4 功能模型 图 5 因果分析

“强度”。 通过查找冲突矩阵, 得到如下的发明原理(见表 2)。

表 2 技术理冲突解决方法对应的发明原理

根据上述发明原理,我们提出如下解决方案:方案一:依据第 11 条发明原理“预补偿”,可以将刚体与观众之间加上透明度极高, 且强度足够的透明钢化玻璃罩,阻隔观众和有危险性的刚体。

方案二:依据第 35 条发明原理“参数变化”,可以将原设计的刚体替换成柔性材料, 如将刚体换为钢丝,或表面使用软质的外壳,内部加龙骨,减少系统的重量,提高系统的安全性。(2)物理冲突解决为了保证辐射束的旋转速度和展项的安全性,考虑到参数“旋转速度”在不同“条件”下具有不同的特性,因此该冲突可以从“条件”上进行分离。可选用“基于条件的分离”原理,选择第 1 条发明原理和 5条发明原理得到解决方案。 解决方案如下:

方案三:依据第1条发明原理“分割”,可以将传动系统和支撑系统分割, 增加单独的旋转传动轴作为支撑和传动系统,再将刚体与轴连接,随轴转动。

方案四:依据第5条发明原理“合并”,可以将原

设计的独立刚体合并成圆锥体。 将圆锥体的表面密布 LED灯具,通过编程,让光源有规律地变换颜色,实现旋转效果。3.3.2 “物质 - 场”分析

我们选用的第二个工具是“物质- 场”分析。“物质 -场”分析是通过功能模型,发现有害作用、不足作用以及过剩作用等问题。 该方法适用于已有产品中发生的冲突以便改进设计。在使用该工具时,设计人员需要根据问题的类型来确定问题的性质, 然后参考 76个标准解,从而得到解题的思考方向,最终提出解决办法。

根据脉冲星系统的功能模型, 我们首先需要建立问题的“物质- 场”模型(见图 6)。 然后,根据所建问题的模型,应用标准解解决流程(见图7)。

如图 7所示,由于本问题属于“有害”作用,所以采用 1.2 类标准解。通过查找标准解,我们得到第一条标准解为:当前设计中同时存在有用和有害作用,引入 S3消除有害效应。 依据选定的标准解,我们提出如下解决方案:

方案五:依据标准解,可以在刚体外部增加一个透明的钢化玻璃外罩,将观众和刚体隔离开来。改进后的“物质 - 场”模型如图8 所示。

同时,我们还得到第二条标准解:当前设计中同时存在有用和有害作用,通过修改S1 或者 S2,消除有害作用。 依据选定的标准解,提出如下解决方案:

方案六:将单一的刚体分拆成多根较细的刚体,减少刚体的质量,降低刚体高速旋转后的危险性。3.3.3 裁剪

裁剪是 TRIZ理论中的一种改进系统的方法。通过裁剪,可以把问题功能所对应的元件删除,达到改善整个功能模型的目的。 这种方法既可以降低成 本,还能够消除过度、有害、重复作用,简化系统。

通过观察功能模型, 我们发现脉冲刚体对观众带来的危险性属于有害作用。 针对功能模型中存在有害作用的问题,依据第三条裁剪规则“主动元件的作用由其他元件或超系统替代”,将脉冲刚体、轴承、

电机、路径轨道等元件进行裁剪,改为固定的投影机进行投影, 通过光影效果营造出脉冲星快速旋转的参观感受。裁剪后的功能模型如图9所示。按照功能裁剪过程,可以提出如下解决方案:

方案七:将刚体取消,脉冲星的辐射采用透明的亚克力材料制成圆锥壳, 壳顶部内部高流明的投影机,在圆锥壳上成像,实现高速运动的效果。

此外,系统中还存在一个不足问题,即刚体给观众带来的参观感受不足。 我们首先采用技术系统进化定律进行分析。技术系统进化定律有9 条,包括完整性定律、 增加理想化水平定律、 动态化增长定律等。这 9条定律表明系统进化是由低级到高级,同时也提供了从进化角度思考解题方案的可能性。 通过分析现有技术系统的进化过程, 选择合适的技术进化定律“动态化增长”。

科普展览展项的发展经历了静态展板、 静态陈列品或模型展示、动态模型展示(目前发展水平)、动态交互体验模型展示(潜在状态)四个阶段。 依据现有技术系统的进化发展过程,我们选择了“向连续状态变化系统传递”技术进化路线,按照选定的技术进化路线,确定潜力状态。 按照技术进化分析,我们提出如下解决方案:

方案八:增加人机交互途径,观众可控制脉冲星的转速变化以及LED的光影变化,模拟出多种不同的脉冲星的转动效果。

我们还尝试使用“物质-场”分析来解决这个问

图 7 “物质 -场”模型解题流程 图 8 改进后的“物质- 场”模型

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