基于TRIZ理论和TOPSIS方法的生产流程优化研究

摘要：文章基于TRIZ理论和TOPSIS方法，结合经典IE方法，以PZ公司减速器主轴生产线为例，根据经典IE流程分析方法发现影响生产效率的工序，通过对发明问题的解决理论（TRIZ理论）中的矛盾矩阵和TOPSIS决策方法的应用来确定优化方案，提高生产减速器主轴的效率、降低成本、提高企业竞争力。

关键词：TRIZ理论；TOPSIS方法；生产流程；流程优化

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）28-0019-04

1 概述

TRIZ理论是“发明问题解决理论”（Theory of Inventive Problem Solving），俄语含义的单词首字母（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）组成，在欧美等西方国家也可缩写为TIPS。于1946年由前苏联发明家阿利赫舒列尔（G.S.Altshuller）首次提出，并开始研究。TRIZ理论应用的主要思想是对现有问题的技术矛盾和物理矛盾根据技术进化原理建立了消除冲突的基于知识的逻辑方法。利用TRIZ解决问题的过程是设计者首先将待设计的产品表达成TRIZ问题。接着利用TRIZ中的工具，如矛盾矩阵、标准解、40个创新原理、39个工程技术特性等，求出该TRIZ问题的普适解或称模拟解（Analogoussolution）。最后设计者把该解转化为该领域的解或特解，最后依据求出的解或者特解就可以解决用户需要解决的特殊问题。TRIZ理论不同于传统的概念设计方法（试错法）来确定设计方案，它利用其特有的一套方法论按照事物客观发展规律提出解决问题的标准方法，使解决问题的工作系统化、条理化、科学化，实现有章可循、有理可依。

经过半个多世纪的发展，TRIZ理论已经发展成为一门成熟的解决发明问题的方法论，该理论已经在日本、美国、欧洲等一些发达国家成熟运用并解决了许多重要的新产品开发中的重要难题。例如飞机制造企业的飞机起落架的三种方式——自动、机械、人工，后两种是对前一种的补充。火箭冲出大气层时燃料箱与箭体的分离等等。从经济效益方面来讲运用最成功的当属福特汽车，TRIZ理论为福特汽车带来超过10亿美元的销售利润。

对于企业来说，创新涉及到企业的工程领域与经营管理领域，在以往的TRIZ理论应用上多偏向于工程领域，在工程领域确实取得了丰硕的成果。进入21世纪以来，美国的兰德公司曾经这样形容企业管理：世界上每100家倒闭大企业中，有85%是因为管理不当造成的。由此可见，将TRIZ理论应用于管理领域具有实际意义，目前TRIZ理论正向非工程领域扩展。

TOPSIS的全名是“逼近与理想值的排序方法”（Technique for Order Preference bv Similarity to Ideal Solution），是1981年提出的一种根据多项指标、对多个方案进行比较选择的数学分析方法。这种方法的中心思想是首先进行归一化处理确定各项指标的正负理想值，正理想值各个属性值都达到各候选方案中最好的值，而负理想值是与正理想值相反的另一设想的最坏值，然后由拉格朗日函数求出各个方案的加权欧式距离，建立标准欧式距离矩阵，据此得出各方案与最优方案的接近程度，作为评价方案优劣的标准，选择最优方案。

TRIZ理论只是在理论上规范了发明问题的原则与方法论，TOPSIS理论只是运用数学的方法根据多项指标对多个方案进行比较计算、选择。在应用的时候缺少一种工具将TRIZ理论和TOPSIS理论与具体的领域结合起来。因而本文在研究生产流程优化时运用工业工程（IE）的方法论与此两种方法相结合解决流程优化中遇到的问题。生产流程优化是提高制造系统的效率、质量、成本等各性能指标的重要途径。

本文提出了将TRIZ理论、TOPSIS理论与经典工业工程（IE）相结合进行流程分析与优化的思路和方法，并以减速器主轴的生产为背景，阐述应用TRIZ、TOPSIS解决流程优化的过程，为实际生产提供理论依据与科学方法。基于TOPSIS、TRIZ与IE相结合的生产流程优化的方法模型如图1所示。

TRIZ理论解决发明问题（本文指生产流程优化中要改善的工序问题）的基本流程是：首先将要解决的具有个案特性的问题加以明确定义；然后根据TRIZ理论的39参数、矛盾矩阵对照40原则将问题转化为标准问题；最后归纳、总结出类似标准解决方法，依据类似标准解决方法应用TOPSIS方法（多目标决策方法）建立数学模型求出标准解，解决用户需要解决的实际问题。

图1 基于IE与TRIZ、TOPSIS的生产流程优化问题求解方法

在问题的初步分析过程中应用经典IE的流程分析技术，通过6W1H和ECRS方法对生产流程进行优化，但此方法的缺点是没有一个定量的标准来解决技术问题，因此可以用TRIZ理论中的实用工具与TOPSIS方法相结合来弥补IE的不足。基于以上分析得出了如图1所示的问题求解基本流程。

按照此流程合理地将三种实用方法论结合在一起，弥补各自不足，从定量与定性两个方面有效解决生产流程优化中难以解决的问题。基本原理是定性提出问题，定量解决问题，最后通过评价方法确定最终优化方案。

2 基于TRIZ、TOPSIS的生产流程优化实证分析

2.1 案例背景与问题分析

PZ公司是一家主要按照客户订单研发生产各种减速器的西北地区最大的模具制造类企业，其中减速器的主要部件大带轮轴的产量最大（每月32000件）。减速器主轴的主要工艺流程如图2所示：

图2 减速器主轴主要工艺流程图

其中定长、车加工、铣键槽、检修在机加工部进行；去毛刺、外磨、热处理、清洗在表面处理部进行。其中去毛刺是由人工用锉刀将加工过程中产生的毛头锉去，以方便外磨的进行，使产品表面干净、有质感，提高产品的质量。热处理是为了增强工件的强度与应力，达到机器对零件的基本要求。清洗是将产品加工过程中产生的污渍清洗干净，防止因为污渍降低产品精度。

应用基础工业工程（IE）的流程分析方法与技术对机加工车间以及表面处理车间的加工、搬运、检查、等待、存储进行记录与统计分析，可得出如下结论：（1）在加工键槽时不能做到同时加工，且加工两次键槽时校准时间较长，严重影响操作进度与产品质量；（2）相对其他产品，去毛刺时间较长，占整个加工过程时间的30%。

图3 去毛刺时间冗长原因分析鱼骨图

对于问题（1）用两块三角铁将轴进行固定，加工键槽时可以让轴在同一条母线上进行运动，一次加工，可以大大提高加工精度。本文主要讨论第二个问题的解决方案。用鱼骨图对去毛刺时间冗长的原因进行分析，即从人、机、料、法、环等方面进行寻找（如图3所示）：（1）人：士气低落，容易疲劳；（2）机：精度不够，机台不稳；（3）料：毛刺多且大，用料过剩；（4）法：工具不合适，操作不合理；（5）环：噪音过大，湿度偏高。

2.2 根据矛盾矩阵制定方案

去毛刺是一种将加工过程中产生的毛头去掉的过程。而毛头的产生是在车圆与铣键槽过程中因为车刀的剖沟在耳朵处和铣刀旋转过程中在零件表面产生的大块钢屑。PZ公司在处理这类问题是只是简单地让人工用锉刀锉掉，效率低下，精度远远不够，不适合作为轴生产的工艺，我们需要找到一种方便简单效率高的加工方法来代替人工去毛刺，因此我们引入TRIZ的实用工具——矛盾矩阵来提供解决思路。根据39原则，我们将矛盾的双方转化为TRIZ可以识别的语言。矛盾的双方为静止物体的质量（毛头量）与可操作性、组件的复杂性（加工不方便，加工工具结构复杂）。其中改善方是静止物体的重量（毛头量），恶化方是可操作性与组件的复杂性（加工不方便，加工工具结构复杂）。对照标准矛盾矩阵表（表1），查询相关发明原则代号，对照四十原则，选择合适的发明原则：

（2，33）6普遍性，13反置，1分割，32改变颜色。

（2，36）1分割，10事先动作，26复制，39采用惰性介质原则。

优先考虑：原则6“普遍性”原则和原则10“事先动作原则”得到以下三个解决方案。

方案一：滚磨（采用滚磨机器对产生的毛头进行滚磨，去掉毛头）。

方案二：高压水喷射（采用高压喷射水枪喷射毛头，将多余毛头去掉）。

方案三：改进加工机器（在车外圆机器上加设道具，在毛头产生初预切沟槽，防止毛刺产生；在铣键槽机器上，将铣刀外形进行设计，刀头细，刀尾粗，细刀头长度与键槽深度一致，可以有效降低毛头率）。

2.3 应用TOPSIS法定量求解方案最优解

由于这三个方案各有优缺点，方案一对零件精度影响不占优势，方案二加工时间、方便性不占优势，方案三矛头减少量不占优势。为了得到最优的解决方案，我们使用多目标决策方法TOPSIS对三个方案进行计算筛选。各方案的指标情况见表2。

2.3.1 上述各项指标，显然在评价标准中矛头减少量、方便性、零件精度影响是作为效益指标处理；噪音度、机器成本、加工时间、零件精度影响是作为成本型指标处理的。这些指标构成决策矩阵

X=（xij）3×6（i=1，2，3；j=1，2，3，4，5，6），将矩阵统一为效益型指标，得到标准化指标。

对于效益型指标：

（1）

对于成本型指标：

（2）

由此可见，对于矩阵R已经转化成效益型指标了，如表3所示。

2.3.2 指标权重的确定：设有指标Y1，Y2，…，Yn，对应的权重分别为W1，W2，…，， 各方案正理想解的加权距离平方和为：

（3）

其中，wj≥0，j=1，2，…，n。

在距离意义下，越小越好，由此建立如下的多目标规划模型：

minf（w）=[f1（w），f2（w），…fm（w）]

由于上述多目标规划可以化为单目标规划：

构造拉格朗日函数：

（4）

令 （5）

解之得权重为：

其中

由上述函数模型可求得权重=（0.1692，0.1692，0.1656，0.1612，0.1692，0.1656）。

2.3.3 计算欧式距离：根据式（3）可以计算欧氏距离，得[]=（0.1183，0.1381，0.1667）。

由于距离是越短越好，故比较之后不难看出方案一最优，方案二次之，方案三最劣。即采用滚磨是最优方案。

3 结语

将TRIZ理论、TOPSIS方法与经典工业工程对生产流程的分析方法相结合对生产流程进行定量优化改进，可以客观地对生产流程进行分析，做到科学、合理、有序，较传统分析方法更具有说服力。将三种方法相结合丰富了工业工程基本理论与方法。实践表明，这是可行的。

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基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201210695032）

作者简介：徐华（1990—），男，山东临沂人，民族学院信息工程学院本科学生，研究方向：生产流程分析及优化；李杨杨（1990—），男，山东德州人，民族学院信息工程学院本科学生，研究方向：工业工程-生产优化；马林（1992—），男，山东兖州人，民族学院信息工程学院本科学生，研究方向：工业工程-生产优化。