1.北京奧運火炬祥云

近日，北京奧運會火炬樣式正式公布（如圖1）。這一火炬名為“祥云”，造型的設計來自中國傳統的紙卷軸。從科技含量上，北京奧運會火炬在燃燒穩定性與外界環境適應性方面達到了新的技術高度，能在每小時65公里的強風和每小時50毫米的大雨情況下保持燃燒。在工藝方面使用錐體曲面異型一次成型技術和鋁材腐蝕、著色技術。燃料采用丙烷，更加符合環保要求，順應"綠色奧運"的理念，北京奧運會的火炬外形制作材料還是可回收的環保材料。

“祥云”火炬不僅外形設計具有濃烈的中國特色，其內部系統也是現代高科技的結晶，充分體現了北京2008年奧運會“綠色奧運、科技奧運、人文奧運”的舉辦理念。在北京奧運火炬的設計中，創造性的解決了很多技術難題，其中很多關鍵性的問題解決的方法與TRIZ理論中的經典理論也不謀而合。

2.TRIZ理論

2.1 TRIZ理論體系#p#分頁標題#e#

TRIZ是“發明問題解決理論”的俄文單詞首字母的縮寫。TRIZ理論是1946年由前蘇聯發明家G. S. Altshuller在1946年創立的。Altshuller通過分析大量專利發現任何領域的產品改進、技術的變革、創新和生物系統一樣，都存在產生、生長、成熟、衰老、滅亡，是有規律可循的。在分析了世界近250萬份高水平的發明專利，總結出各種技術發展進化遵循的規律模式，以及解決各種技術矛盾和物理矛盾的創新原理和法則，建立一個由解決技術，實現創新開發的各種方法、算法組成的綜合理論體系，并綜合多學科領域的原理和法則，建立起TRIZ理論體系（如圖2所示）。

圖2 TRIZ理論體系

這一方法學體系是以辯證法、系統論和認識論為哲學指導，以自然科學、系統科學和思維科學的分析和研究成果為根基和支柱，以技術系統進化法則為理論基礎，以技術系統（如產品）和技術過程（如工藝流程）、（技術系統進化過程中產生的）矛盾、（解決矛盾所用的）資源、（技術系統的進化方向——）理想化為四大基本概念，包括了解決工程矛盾問題和復雜發明問題所需的各種分析方法、解題工具和算法流程。

2.2 基于TRIZ理論的創新軟件平臺——Pro/Innovator

#p#分頁標題#e#計算機輔助創新設計平臺——Pro/Innovator繼承了TRIZ理論中獨特有效的技術創新問題解決技法，又將本體論所描述的對象關系應用于行業創新方案庫的組織中，提供了快速及準確的獲得創新知識有效途徑。并融合了多領域技術難題解決的方法、現代設計方法學及計算機技術。從正確的描述問題、深入分析問題產生的根源、創造性解決問題，及評價解決方案，直至保護創新成果，實施知識管理等各個階段提供了全面而系統的軟件平臺。如圖所示3為Pro/Innovator軟件的各個模塊及其問題解決流程。本文中所應用的軟件平臺即為Pro/Innovator。

2.3 TRIZ理論的創新原理

TRIZ理論的體系涉及的內容眾多，這其中非常核心的內容之一就是TRIZ創新原理。Altshuller再分析了大量發明專利之后發現，很多發明其實所涉及的問題是類似的，而對于這類問題，背后所應用的方法都存在某種共性的東西。因此，Altshuller將其總結概括，形成一系列的方法、工具，這里主要就是：矛盾矩陣與創新原理等。這樣使得我們在遇到技術難題的時候，不至于陷入千頭萬緒，大大提高了我們問題求解的效率。

TRIZ創新原理由39個工程參數構成的矛盾矩陣、40個解決技術矛盾的創新原理以及11個解決物理矛盾的分離原理等組成。針對工程中的技術難題，提煉出存在技術矛盾的矛盾對，或物理矛盾，映射到矛盾矩陣的相應位置，即可得到TRIZ理論所推薦的創新原理來創造性的解決技術難題。“祥云”火炬設計中的幾個關鍵難題的解決也深刻的包含了TRIZ理論中的創新原理。#p#分頁標題#e#

3. TRIZ理論看火炬設計關鍵技術難題

奧運火炬除了外觀設計，其內部燃燒系統是整個火炬的“心臟”。而如圖4所示是用Pro/Innovator軟件建立的火炬燃燒系統的功能模型。圖5是對火炬燃燒不穩定的問題在軟件中進行問題分解，得到整個問題的因果關系和系統資源，來全面的考察問題，尋找解決方案。從上述兩個圖中看出，對于火炬燃燒系統來說，燃料選擇和保證火炬穩定燃燒的問題是其最關鍵性的問題。

 圖4 火炬的功能模型                                                      圖5 問題分解模型

3.1 #p#分頁標題#e#燃料

燃料是火炬內部系統設計首要解決的問題。此次，北京奧運會火炬選擇了丙烷作為燃料。它燃燒后主要產生水蒸氣和二氧化碳，不會對環境造成污染。而且丙烷可以適應比較寬的溫度范圍，在零下40攝氏度時仍能產生1個以上飽和蒸氣壓，高于外界大氣壓，形成燃燒；丙烷可在低溫保持一定的壓力，像丁烷在低溫時壓力就變得很低了，很難噴出來。以往很多火炬傳遞需要跟著保溫車，在保溫車里保溫，點燃的時候再把燃氣罐拿出來，而丙烷燃料適應的溫度范圍比較寬。加上它產生的火焰呈亮黃色，火炬手跑動時，動態飄動的火焰在不同背景下都比較醒目。因此，它非常符合作為火炬燃料的各項技術指標。

但是丙烷也存在問題：在低溫時壓力較小，噴出相對困難，而且在丙烷液體變成氣體時需要吸收熱量，導致燃氣罐溫度降低。對于這個技術難題來說，需要提高燃氣罐的壓力，一般來說，只有充入更多的丙烷氣體，或者增加對燃氣罐加熱的裝置，這樣就額外的損失了能量。

TRIZ理論認為，這里實際存在著“應力，壓強”與“能量損失”這一對技術矛盾。根據這一矛盾對，在TRIZ理論的矛盾矩陣表中找到相應位置（如圖6所示）,得到TRIZ理論所推薦的創新原理是：

l         第#p#分頁標題#e#2號抽取原理（Principle of isolation）：

從物體中抽出產生負面影響的部分或屬性，或者僅抽出物體中必要的部分或屬性。

l         第36號相變原理（Principle of using phase transition）：

利用物質相變時產生的某種效應。如體積改變，吸熱或放熱。

l         第25號自服務原理（(Principle of self-service）：

使物體通過執行輔助或維護功能為自身服務，或者利用廢棄的能量與物質。

其中，根據#p#分頁標題#e#TRIZ第25號自服務原理（如圖7所示），我們可以利用到火炬燃燒時本身會釋放出熱量，設計增加回熱管(heat regenerative pipe)，用火炬火焰的熱量來加熱燃氣罐，這樣就可以使得丙烷始終保持一定的溫度，很好的解決了這一技術難題。

3.2 不滅的火焰――雙火焰方案

火炬在傳遞過程中要求不能熄滅，而且不論刮風還是下雨，都必須保持火炬燃燒的狀態。盡管大家過去也都想了很多方法，但是在奧運會歷史上還是經常出現意外。例如：上一屆雅典奧運會在火炬傳遞的兩個最重要的儀式上都曾出現熄火現象。與此不同，在悉尼奧運會上，奧運火炬還首次實現在海底傳遞。

對于一般的奧運火炬來說，要保證火焰不滅，那么必須要能夠始終足夠的產生大量的熱才能維持火焰的在各種極端情況下，相應的要求氣體燃料足夠多，燃燒室中產生火焰熱量足夠大才能抵御各種情況。這樣以來勢必要求燃燒系統所占的體積很大，相應火炬的重量也會增加。但是對于奧運火炬傳遞手來說，從安全的角度考慮，不希望火焰的熱量過大，同時為了使用方便，也不希望火炬的體積和重量過大的。因此，技術系統中對同一參數出現了完全相反的要求，在TRIZ理論中將這種情況稱為“物理矛盾”。在TRIZ理論中，由第41號到51號創新原理來專門解決物理矛盾。

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對于火焰不滅問題，TRIZ理論所推薦的第41號創新原理：矛盾空間分離原理(Separation of contradicting properties in space)（如圖8所示），與此次北京奧運火炬所采用的是“雙火焰方案”設計思想是完全一致的，將整個燃燒系統分為：預燃室(precombustion chamber)和主燃室(main combustion chamber)。

整個火炬燃燒系統的工作方式是：當穩壓閥打開以后，燃氣以氣態形式從氣罐里出來，然后經過穩壓閥。氣體從穩壓閥出來后，會經過回熱管，到達閥門后氣體“兵分兩路”，一路流到燃燒器的預燃室，另外一路流到主燃室。到達預燃室的氣體與空氣形成預混火焰；到達主燃室的氣體，將進行空氣的補燃，形成飽滿的火焰。在預燃室，在火炬內保持一個比較小的但十分穩定的火焰，如果出現極端情況，主燃室火焰熄滅，預燃室仍能保持燃燒，保證火炬不熄滅。

另外，火炬的燃氣罐和穩壓閥是連接在一起的，穩壓閥的作用是使從氣罐里出來的氣體經過穩壓閥后，保持一定的壓力。如果氣體壓力穩定的話，在各種氣候變化時，火炬的火焰能保持一定高度。#p#分頁標題#e#

這樣的設計使得北京奧運會火炬在燃燒穩定性與外界環境適應性方面達到了新的技術高度，能在每小時65公里的強風和每小時50毫米的大雨情況下保持燃燒。

3.3 防止風的回旋

火炬頂端的紙卷形狀（如圖9所示）容易形成風的回旋，因此，需要改進燃燒系統的抗風性。而實際上，只要預燃室不滅，整個火焰也就不會滅。那么對于提高預燃室抗風性的問題，需要改進的火炬燃燒系統的可靠性，但要提高火焰的可靠性，那么必須提供更大的熱量，這樣就造成了火炬能量損失。根據“可靠性”和“能量損失”這一矛盾，再由TRIZ理論的矛盾矩陣表，得到推薦的創新原理是：

l         第10號預先作用原理（Principle of preliminary action）；

a)         預先對物體（全部或至少部分）施加必要的改變；

b)        預先安置物體，使其在最方便的位置開始發揮作用而不浪費運送時間。

#p#分頁標題#e#l         第11號事先防范原理（Principle of in-advance prepared emergency means）；

采用事先準備好的應急措施，來補償物體相對較低的可靠性。

l         第35號物理化學參數改變原理（Principle of change of physical or chemical parameters）；

a)         改變聚集態（物態）；

b)        改變濃度或密度；

c)        改變柔度；

d)        改變溫度。

#p#分頁標題#e#其中，根據第11號事先防范原理（如圖10所示）的建議，可以在預燃室上方加了蓋板(cover plate)，提高了它的抗風性能。遇到瞬時的風變，火炬已然可以正常燃燒。

        圖9      圖10

4 從TRIZ理論技術進化曲線看歷屆奧運火炬沿革

現代奧運火炬從第11屆柏林奧運會之后，此后歷屆奧運火炬（如圖#p#分頁標題#e#11所示）的各項技術指標、性能 也不斷發展、突破。奧運火炬的發展也深刻的體現了TRIZ理論中另一核心內容――“技術系統進化理論”。

4.1 TRIZ的技術系統進化理論

發明問題解決理論( TRIZ) 認為,技術系統的進化要經歷嬰兒期、成長期、成熟期和退出期4 個階段。在此發展過程中，技術系統都遵循一定的客觀發展規律。TRIZ理論在大量分析以往專利的基礎上，將這些規律概括總結而成八大技術系統進化法則。以下，我們從奧運火炬的發展歷史，來看TRIZ理論的技術系統進化法則。

4.2 火炬燃料的進化#p#分頁標題#e#

TRIZ理論中的八大進化法則中——向微觀級升遷法則（Law of Transition of a Micro-Level）（如圖12所示）。“向微觀級升遷法則”指出，技術系統及其子系統在進化發展過程中減小它們的零件尺寸。技術系統的零件傾向于達到原子和基本粒子的尺度。在極端情況下，技術系統零件的小型化意味著向相互作用場升遷。

在奧運火炬歷史上，曾經出現過使用鎂、火藥、樹脂、橄欖油……各種材料作為火炬的燃料（關于各屆奧運火炬情況參見附錄中的表格）。1936年柏林奧運會制作了第一把火炬，由鎂為主的燃料供燃。但是在1956年奧運會火炬的最后一棒，采用鎂和鋁做燃料，火焰很亮，但劇烈燃燒產生的灰燼卻灼傷了火炬手的手臂。 因此，這種采取固體鎂的燃燒方式，逐漸被替代。1960年羅馬奧運會的火炬用天然樹脂松香作燃料。天然的樹脂是一種彈性體。后來，到1972年慕尼黑奧運會首次引入了液體燃料。在壓力作用下，燃料以液態存貯，燃燒時則是氣體，這樣既安全又易于儲存，以后的奧運會火炬大都采用了這種方式。

從以上奧運火炬發展的歷史，與TRIZ理論中的“向微觀級變化法則”的內涵高度一致。這樣的例子比比皆是，切削刀具，計算機……的發展都是非常好的例證。我們可以根據技術進化法則，大膽預測未來火炬的燃料發展方向是以“場”的形式存在。因此，掌握了技術系統自身進化發展的規律，可以預測產品未來的發展方向，把握產品開發的方向。#p#分頁標題#e#

5. 結論

TRIZ理論（發明問題解決原理）是在分析了大量專利的基礎上，形成的一門系統化創新的理論，是進行產品創新的有效工具。針對具體的技術難題，可以在TRIZ理論的指導下，設計者可以得出問題求解的方向，再根據相關的領域知識和實踐經驗，創造性的解決問題。北京奧運火炬設計中技術難題的解決以及歷屆奧運火炬發展的歷史，都是TRIZ理論豐富的例證。基于TRIZ理論的計算機輔助創新軟件，將TRIZ理論與軟件技術相結合，使得TRIZ理論不僅僅是一門研究“創新的科學”，更成為工程師進行“科學的創新”必不可少的有效工具。