物质-场模型分析
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物质-场模型分析
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5.1 物质-场模型
物质－场模型是TRIZ法重要分析工具，是用来分析与现 存技术有关的模型类问题（Modeling Problems）。
所有技术系统的作用是实现某种功能，所有的系统都 可分解为由两个物质(S1,S2)和一个场(F)三个基本元件 组成。
如图所示，其中物质S1是系统动作的接受者,场F通过物 质S2作用于物质S1并改变S1。
F
S3
S2
F S3
S1
S2 S1
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5.5 物质-场组建的规则（二）
第二种情况：把易控的、具有所需特性的补充 物引入到系统，形成复合物场。
补充物可以引入到：
（1）物质内部，形成内部复合物场； （2）物质外部，形成外部复合物场。
例：下雪天汽车行驶在马路上，由于路面雪的 覆盖导致摩擦系数降低，汽车轮子打滑。此时 汽车轮胎已经既定，马路情况也不易改变。则 可以在车轮上加设铁链，利用铁链与地面的作 用增大前进阻力，使车轮打滑状况大大减少。
组成系统模型的三元件都存在，且都有效，能实现设计者所追求
的效应。
2．不完全系统模式。
组成系统模型的三元件（两个物质，一个场）中部分元件不存在， 需要增加系统元件来实现有效完整的系统功能。
3．非有效完整系统模式。
模型中的三元件都存在，但设计者所追求的效应未能完全实 现，如产生的力不够大，温度不够高等。为了实现预期的效 应，需要对原有系统进行改进。
系统、传动系统、执行系统和控制系统。其中执行 系统是其主要功能，并且自行车的轻便与否也绝大 部分取决于它。 3．建立系统的功能模型; 由于执行系统起主要作用， 功能复杂，限于篇幅，这里只讨论执行系统的改善。
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5.7 实例（一）：旧自行车车况
改善
（1）识别元件 车轮为S1，转轴为S2，车链传动来的机械能为F。 （2）构造模型 根据本问题所给出的三元件构造如图所示的物质-场模型。对系统的完整
性、有效性进行评价。系统元件不缺少，但是每个元件的运行效率没有达 到最佳。
（3）考虑解决方案,从标准解中选择一个合适的解 在附录B中所示的76种标准解中，发现第五类标准解中有引入物质的解。
因此在传动装置和车轮与转轴直接都添加润滑油，减少其摩擦损耗，从而 达到提高自行车轻便度的目标，其物场转化模型图见下图。
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5.5 物质-场组建的规则（四）
F1
F2
S2
S1+S3
S4
S3
S1
其中F代表机械场，F1为初加工的机械场，F2为精细加工的 机械场。S2为用来进行粗加工的机器，S4为用来精细加工 的机器。S1+S2为初加工后的毛坯。S1为最终产品，S3为毛 坯上多余的材料。初加工时F1作用于S2上，使S2对S1+S3进 行作用，得到初级产品。精细加工时，在F2的作用下S4将 S3从S1+S3上面去除，从而留下目标产品S1。
物质-场模型简称物场模型，相应的分析称为物场分析。 物场模型的三定律： 1. 所有的系统都可以分解为三个基本要素（S1、S2、F）； 2. 一个完整的系统必定由这三个基本要素组成； 3. 将相互作用的三个基本要素进行有机组合将形成一个功
能。
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3
5.2 物质-场模型分析模式
1．有效完整系统模式。
F
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S2
S1
2
5.1 物质-场模型
物质S1和S2：二者定义取决于每一个具体的应用，它们 可以是整个系统、子系统或单个物体，可以是材料、工 具、零件、人或环境等任何东西。
场：为系统提供能量，促使系统发生反应，从而可以实 现某种效应。这种效应可以作用于S2上，或作用在场信 息的输出物上。
根据功能类别，分析系统的功能模型,确定各基 本功能模型的类型,发现待改进的功能模型。
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步骤5:标准解分析
Altshuller等提出了76种标准解，见书中附录B，并分为如下五类：
（1）不改变或仅少量改变已有系统：13种标准解；
（2）改变已有系统：23种标准解；
（3）系统传递：6种标准解；
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5.5 物质-场组建的规则（四）
如果只需要最小的作用状态，但现有条件无法 满足，则采用大的作用状态，再把多余的部分 带走。
例：制作精细陶瓷的时候，常常先做出一个略 大于目标产物的毛坯，再通过精细加工得到目 标产物。增加的精细加工程序，保证了产品的 精密性。毛坯体积的富裕给后期加工提供了空 间。
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5.5 物质-场组建的规则（五）
上页图中F表示汽油的化学能转化成的机械能， S2为汽车的发动机，S1为汽车的运动系统。
当汽车发动机失灵的时候，汽油的化学能无法
正常的转化为汽车运行所需的机械能，因此系 统为一个作用效应不足的系统。
用虚线表示其元件之间的链接关系。当变化其 作用关联物，即将汽油放入拖拽机发动机内， 物场模型变为如上页图所示。汽油的化学能在 拖拽机发动机内转化为机械能，由拖拽机的运 动带动汽车车轮运转，从而产生有效完整的新 系统。
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5.5 物质-场组建的规则（一）
第一种情况：非物质-场系统（只包含一个组件） 或者非完整物质-场系统（包含两个组件）应该建 立完整物质-场。
例：抛锚的汽车停在马路上， 前来的拖拽车要利用机械力将 其拖走。 图中物场模型中S1为抛锚的汽 车，S3为拖拽车，F为机械场。 由于S3不直接接触S1，不能将 场的作用充分传递给S1，此物 场模型不能使全系统运转起来。
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5.5 物质-场组建的规则（五）
如果需要得到对某种物质的最大作用状态，而条 件不允许，那么可以把此作用状态作用于与之有 关联的另一个物质。
例：汽车发动机失灵，无法将汽油的化学能转化 为前进的动能，则可以将此汽油放入拖拽机发动 机内，使拖拽机运动，拉着汽车前进。
F
F
S2
S3
S1
S1
生影响，改变其所处位置状 态。
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6
物质-场模型的描述——产生有害作用
的系统
描述如右图，场F作用于S2 上，使S2对S1产生有害作 用影响。
例：车辆噪声扰民
将其用物场模型描述就是： F为振动场，S1为居民，S2 为空气。即F振动场的能量 作用于S2空气。振动场的 能量作用在空气上形成驻 波，产生噪声，噪声作用 于S1居民身上，对其正常 生活形成了干扰。
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5.7 实例（一）：旧自行车车况 改善
自行车成为了绿色环保、健康的运动，故维修自行 车，让之变得更加轻便就成为系统提出的问题。下 面将用物质－场模型分析方法来解决这个问题。
1． 定义系统的总功能； 此系统的总功能就是整体自行车系统 2．进行功能分解,并确定主要功能； 按照其功能的不同，整体自行车系统可以分为驱动
总功能
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分功能1
分功能2
分功能3
子功能11
……
子功能22
基本功能111
基本功能112 21
……
5.6 物质-场模型功能分析法的应 用
步骤3:建立系统的功能模型；
根据功能分解的结果,建立各基本功能的物质– 场模型,并有机结合建立系统整体的功能模型。
步骤4:确定待改进功能模型；
按物质–场分析方法, TRIZ中将功能分为四类:(1) 有效完整功能 (2) 不完整功能 (3) 非有效完整功 能 (4) 有害功能。
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S2
S3
S1
F1 S1 S3 S2
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5.5 物质-场组建的规则（三）
第三种情况：如果不允许将其他物质引入系统，那么 可通过引入外部环境中现有的物质，同时在外部环境 中形成物场来解决问题。
例：现代社会中的白领女性工作常年与计算机打交道， 深受电磁辐射的危害。特别是其怀孕时期，长期的电 磁辐射无疑会对将来的宝宝的健康造成影响。
S2电脑
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F能量场 （电流）
S1人
S3防辐 射服
14
F能量场 （电流）
S2电脑
S3防辐 射服
S1人
5.5 物质-场组建的规则（三）
为了降低伤害，可以引入外部物质，如人们常使用 的防辐射服装，通过引入的物质，在系统外部形成 物场，经过外部物场的作用，对原来的场起到降低 甚至屏蔽的效果。
上页图中F能量场（电流形成的能量场）作用于S2电 脑使其激发，S2激活散发出电磁波作用于要素S1人 身上。由于电磁波对人体健康会产生不利影响，因 此形成了有害作用系统。通过引入外部环境中现有 的物质S3即防辐射服装，形成了右图所示的系统。 防辐射服代替S1人与F电磁场、S2电脑组成系统，接 受S2对其的影响。从而使人从此有害系统中脱离。
4．有害完整系统模式。
模型三元件都存在，但产生的是与设计者所追求的相冲突的 有害效应。在创新设计过程中，要消除系统这种有害的效应。
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4
5.3 物质-场模型的描述
为了方便世界范围内交流以及让分析的过程更加形象化。 人们在科学研究的实践中形成了统一的物质-场模型的描 述方法。具体符号如下：
描述物场模型的符号
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5
物质-场模型的描述——完整的系统
如上页图，场F作用于S2上，
使S2对S1产生影响，从而改
变S1，达到预期效果。
F磁场
例：磁铁通过磁场吸引铁。
将其用物场模型描述就是：
F为磁场，S1为铁片，S2为 S2磁铁
磁铁。即F磁场作用于S2磁
铁上，使S2磁铁对S1铁片产
S1铁片
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10
5.5 物质-场组建的规则（一）
针对两个要素不能直接接触的问题，可以加入钢索将 两车栓到一起，形成机械场的传递，增强其可控性， 从而达到让系统运转的目的。
其中S2代表添加的钢索。S2为直接对S1产生作用的要 素，它对S1产生作用的来源为F和S3对其的作用，S2和 S3同时受F机械场的作用。
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5.6 物质-场模型功能分析法的应
用
采用物质–场模型功能分析法应用于产品创新设计过程如下： 步骤1:定义系统的总功能； 步骤2:进行功能分解,并确定基本功能和核心功能； 功能分解为解决问题基础。由于系统的复杂性,只有将总功能分解
为易于实现的基本功能,产品设计才能真正成功。总功能可分解为 分功能、子功能,直到分解到基本功能为止。即从根到枝再到叶的 分解过程，见下图。
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5.5 物质-场组建的规则（六）
如果需要得到有选择的最大作用状态（只需要 在特定区域发生最大作用，其他区域保持最小 作用状态），那么作用场的选择可以是最大或 者最小：如果场的作用是最大，那么需要集中 其作用区域，并且对其他非作用的区域引入防 护物质。
例：X射线衍射仪，将X射线集中在一条X通路 上，其他地方用铅玻璃等进行隔离保护。如果 选择的场是最小场，则在需要最大作用的地方 引入物质，用于生成局部的强化场。
S2空气
F振动场 S1居民
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7
物质-场模型的描述——对于不足的作
用和效益。
描述如右图，场F作用于S2上，使S2 对S1产生影响，从而改变S1。但场F 的作用效果不足，因此使S2对S1作用 的效果也不足。
例：冬季供暖不足，人们觉得寒冷。
其用物场描述就是：F为暖气系统产
生的热场，S1为人，S2为室内的空气。
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5.5 物质-场组建的规则（二）
下图S1表示汽车行驶的路面，S2表示汽车轮胎，F1为 发动机施加在轮子S2上的力场。由于雪的覆盖使摩 擦系数降低，S2对S1的作用不大，产生效应不足，用 虚线表示。S3为车轮上加设的铁链。
下图表示出，由于S3的加入，系统作用充足，从而 构成有效完整的系统。
即热场作用于S2室内的空气，空气
S2空气
受到激活，作用于S1人身上。但由
于F热场产生的能量不足，作用不足，
对S2空气的激发作用不够，从而导
致S2对S1作用不足，取暖效益不明显，
对S1产生的影响未能达到预计效果。
F热场 （暖气系统）
S1人
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8
5.4 物质-场模型工作流程
构造物质－场模型通常遵循下图所示的工作流程,即 1．识别元件，定义模型中的三个要素， 2．构建模型， 3．从76个标准解中选择合适的解作为解决方案， 4．进一步发展解，以达到系统的有效和完善， 5．实现具体解， 6．探求另外可行解。
（4）检查与测量：17种标准解；
（5）简化与改善策略：17种标准解。
根据每一种基本功能的“物质–场”模型来寻找相适应的标准解。
步骤6:提出新的设计概念；
根据实际工程结构,将解决问题的标准解转化为特定的解领域。
步骤7:解的评价。
对解领域进行评估,如有多个可行的解领域,根据进化的模式选取综 合最优的方案。
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5.1 物质-场模型
物质－场模型是TRIZ法重要分析工具，是用来分析与现 存技术有关的模型类问题（Modeling Problems）。
所有技术系统的作用是实现某种功能，所有的系统都 可分解为由两个物质(S1,S2)和一个场(F)三个基本元件 组成。
如图所示，其中物质S1是系统动作的接受者,场F通过物 质S2作用于物质S1并改变S1。
F
S3
S2
F S3
S1
S2 S1
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5.5 物质-场组建的规则（二）
第二种情况：把易控的、具有所需特性的补充 物引入到系统，形成复合物场。
补充物可以引入到：
（1）物质内部，形成内部复合物场； （2）物质外部，形成外部复合物场。
例：下雪天汽车行驶在马路上，由于路面雪的 覆盖导致摩擦系数降低，汽车轮子打滑。此时 汽车轮胎已经既定，马路情况也不易改变。则 可以在车轮上加设铁链，利用铁链与地面的作 用增大前进阻力，使车轮打滑状况大大减少。
组成系统模型的三元件都存在，且都有效，能实现设计者所追求
的效应。
2．不完全系统模式。
组成系统模型的三元件（两个物质，一个场）中部分元件不存在， 需要增加系统元件来实现有效完整的系统功能。
3．非有效完整系统模式。
模型中的三元件都存在，但设计者所追求的效应未能完全实 现，如产生的力不够大，温度不够高等。为了实现预期的效 应，需要对原有系统进行改进。
系统、传动系统、执行系统和控制系统。其中执行 系统是其主要功能，并且自行车的轻便与否也绝大 部分取决于它。 3．建立系统的功能模型; 由于执行系统起主要作用， 功能复杂，限于篇幅，这里只讨论执行系统的改善。
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5.7 实例（一）：旧自行车车况
改善
（1）识别元件 车轮为S1，转轴为S2，车链传动来的机械能为F。 （2）构造模型 根据本问题所给出的三元件构造如图所示的物质-场模型。对系统的完整
性、有效性进行评价。系统元件不缺少，但是每个元件的运行效率没有达 到最佳。
（3）考虑解决方案,从标准解中选择一个合适的解 在附录B中所示的76种标准解中，发现第五类标准解中有引入物质的解。
因此在传动装置和车轮与转轴直接都添加润滑油，减少其摩擦损耗，从而 达到提高自行车轻便度的目标，其物场转化模型图见下图。
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5.5 物质-场组建的规则（四）
F1
F2
S2
S1+S3
S4
S3
S1
其中F代表机械场，F1为初加工的机械场，F2为精细加工的 机械场。S2为用来进行粗加工的机器，S4为用来精细加工 的机器。S1+S2为初加工后的毛坯。S1为最终产品，S3为毛 坯上多余的材料。初加工时F1作用于S2上，使S2对S1+S3进 行作用，得到初级产品。精细加工时，在F2的作用下S4将 S3从S1+S3上面去除，从而留下目标产品S1。
物质-场模型简称物场模型，相应的分析称为物场分析。 物场模型的三定律： 1. 所有的系统都可以分解为三个基本要素（S1、S2、F）； 2. 一个完整的系统必定由这三个基本要素组成； 3. 将相互作用的三个基本要素进行有机组合将形成一个功
能。
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5.2 物质-场模型分析模式
1．有效完整系统模式。
F
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S2
S1
2
5.1 物质-场模型
物质S1和S2：二者定义取决于每一个具体的应用，它们 可以是整个系统、子系统或单个物体，可以是材料、工 具、零件、人或环境等任何东西。
场：为系统提供能量，促使系统发生反应，从而可以实 现某种效应。这种效应可以作用于S2上，或作用在场信 息的输出物上。
根据功能类别，分析系统的功能模型,确定各基 本功能模型的类型,发现待改进的功能模型。
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步骤5:标准解分析
Altshuller等提出了76种标准解，见书中附录B，并分为如下五类：
（1）不改变或仅少量改变已有系统：13种标准解；
（2）改变已有系统：23种标准解；
（3）系统传递：6种标准解；
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5.5 物质-场组建的规则（四）
如果只需要最小的作用状态，但现有条件无法 满足，则采用大的作用状态，再把多余的部分 带走。
例：制作精细陶瓷的时候，常常先做出一个略 大于目标产物的毛坯，再通过精细加工得到目 标产物。增加的精细加工程序，保证了产品的 精密性。毛坯体积的富裕给后期加工提供了空 间。
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5.5 物质-场组建的规则（五）
上页图中F表示汽油的化学能转化成的机械能， S2为汽车的发动机，S1为汽车的运动系统。
当汽车发动机失灵的时候，汽油的化学能无法
正常的转化为汽车运行所需的机械能，因此系 统为一个作用效应不足的系统。
用虚线表示其元件之间的链接关系。当变化其 作用关联物，即将汽油放入拖拽机发动机内， 物场模型变为如上页图所示。汽油的化学能在 拖拽机发动机内转化为机械能，由拖拽机的运 动带动汽车车轮运转，从而产生有效完整的新 系统。
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5.5 物质-场组建的规则（一）
第一种情况：非物质-场系统（只包含一个组件） 或者非完整物质-场系统（包含两个组件）应该建 立完整物质-场。
例：抛锚的汽车停在马路上， 前来的拖拽车要利用机械力将 其拖走。 图中物场模型中S1为抛锚的汽 车，S3为拖拽车，F为机械场。 由于S3不直接接触S1，不能将 场的作用充分传递给S1，此物 场模型不能使全系统运转起来。
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5.5 物质-场组建的规则（五）
如果需要得到对某种物质的最大作用状态，而条 件不允许，那么可以把此作用状态作用于与之有 关联的另一个物质。
例：汽车发动机失灵，无法将汽油的化学能转化 为前进的动能，则可以将此汽油放入拖拽机发动 机内，使拖拽机运动，拉着汽车前进。
F
F
S2
S3
S1
S1
生影响，改变其所处位置状 态。
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物质-场模型的描述——产生有害作用
的系统
描述如右图，场F作用于S2 上，使S2对S1产生有害作 用影响。
例：车辆噪声扰民
将其用物场模型描述就是： F为振动场，S1为居民，S2 为空气。即F振动场的能量 作用于S2空气。振动场的 能量作用在空气上形成驻 波，产生噪声，噪声作用 于S1居民身上，对其正常 生活形成了干扰。
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5.7 实例（一）：旧自行车车况 改善
自行车成为了绿色环保、健康的运动，故维修自行 车，让之变得更加轻便就成为系统提出的问题。下 面将用物质－场模型分析方法来解决这个问题。
1． 定义系统的总功能； 此系统的总功能就是整体自行车系统 2．进行功能分解,并确定主要功能； 按照其功能的不同，整体自行车系统可以分为驱动
总功能
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分功能1
分功能2
分功能3
子功能11
……
子功能22
基本功能111
基本功能112 21
……
5.6 物质-场模型功能分析法的应 用
步骤3:建立系统的功能模型；
根据功能分解的结果,建立各基本功能的物质– 场模型,并有机结合建立系统整体的功能模型。
步骤4:确定待改进功能模型；
按物质–场分析方法, TRIZ中将功能分为四类:(1) 有效完整功能 (2) 不完整功能 (3) 非有效完整功 能 (4) 有害功能。
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S2
S3
S1
F1 S1 S3 S2
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5.5 物质-场组建的规则（三）
第三种情况：如果不允许将其他物质引入系统，那么 可通过引入外部环境中现有的物质，同时在外部环境 中形成物场来解决问题。
例：现代社会中的白领女性工作常年与计算机打交道， 深受电磁辐射的危害。特别是其怀孕时期，长期的电 磁辐射无疑会对将来的宝宝的健康造成影响。
S2电脑
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F能量场 （电流）
S1人
S3防辐 射服
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F能量场 （电流）
S2电脑
S3防辐 射服
S1人
5.5 物质-场组建的规则（三）
为了降低伤害，可以引入外部物质，如人们常使用 的防辐射服装，通过引入的物质，在系统外部形成 物场，经过外部物场的作用，对原来的场起到降低 甚至屏蔽的效果。
上页图中F能量场（电流形成的能量场）作用于S2电 脑使其激发，S2激活散发出电磁波作用于要素S1人 身上。由于电磁波对人体健康会产生不利影响，因 此形成了有害作用系统。通过引入外部环境中现有 的物质S3即防辐射服装，形成了右图所示的系统。 防辐射服代替S1人与F电磁场、S2电脑组成系统，接 受S2对其的影响。从而使人从此有害系统中脱离。
4．有害完整系统模式。
模型三元件都存在，但产生的是与设计者所追求的相冲突的 有害效应。在创新设计过程中，要消除系统这种有害的效应。
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5.3 物质-场模型的描述
为了方便世界范围内交流以及让分析的过程更加形象化。 人们在科学研究的实践中形成了统一的物质-场模型的描 述方法。具体符号如下：
描述物场模型的符号
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物质-场模型的描述——完整的系统
如上页图，场F作用于S2上，
使S2对S1产生影响，从而改
变S1，达到预期效果。
F磁场
例：磁铁通过磁场吸引铁。
将其用物场模型描述就是：
F为磁场，S1为铁片，S2为 S2磁铁
磁铁。即F磁场作用于S2磁
铁上，使S2磁铁对S1铁片产
S1铁片
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5.5 物质-场组建的规则（一）
针对两个要素不能直接接触的问题，可以加入钢索将 两车栓到一起，形成机械场的传递，增强其可控性， 从而达到让系统运转的目的。
其中S2代表添加的钢索。S2为直接对S1产生作用的要 素，它对S1产生作用的来源为F和S3对其的作用，S2和 S3同时受F机械场的作用。
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5.6 物质-场模型功能分析法的应
用
采用物质–场模型功能分析法应用于产品创新设计过程如下： 步骤1:定义系统的总功能； 步骤2:进行功能分解,并确定基本功能和核心功能； 功能分解为解决问题基础。由于系统的复杂性,只有将总功能分解
为易于实现的基本功能,产品设计才能真正成功。总功能可分解为 分功能、子功能,直到分解到基本功能为止。即从根到枝再到叶的 分解过程，见下图。
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5.5 物质-场组建的规则（六）
如果需要得到有选择的最大作用状态（只需要 在特定区域发生最大作用，其他区域保持最小 作用状态），那么作用场的选择可以是最大或 者最小：如果场的作用是最大，那么需要集中 其作用区域，并且对其他非作用的区域引入防 护物质。
例：X射线衍射仪，将X射线集中在一条X通路 上，其他地方用铅玻璃等进行隔离保护。如果 选择的场是最小场，则在需要最大作用的地方 引入物质，用于生成局部的强化场。
S2空气
F振动场 S1居民
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物质-场模型的描述——对于不足的作
用和效益。
描述如右图，场F作用于S2上，使S2 对S1产生影响，从而改变S1。但场F 的作用效果不足，因此使S2对S1作用 的效果也不足。
例：冬季供暖不足，人们觉得寒冷。
其用物场描述就是：F为暖气系统产
生的热场，S1为人，S2为室内的空气。
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5.5 物质-场组建的规则（二）
下图S1表示汽车行驶的路面，S2表示汽车轮胎，F1为 发动机施加在轮子S2上的力场。由于雪的覆盖使摩 擦系数降低，S2对S1的作用不大，产生效应不足，用 虚线表示。S3为车轮上加设的铁链。
下图表示出，由于S3的加入，系统作用充足，从而 构成有效完整的系统。
即热场作用于S2室内的空气，空气
S2空气
受到激活，作用于S1人身上。但由
于F热场产生的能量不足，作用不足，
对S2空气的激发作用不够，从而导
致S2对S1作用不足，取暖效益不明显，
对S1产生的影响未能达到预计效果。
F热场 （暖气系统）
S1人
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5.4 物质-场模型工作流程
构造物质－场模型通常遵循下图所示的工作流程,即 1．识别元件，定义模型中的三个要素， 2．构建模型， 3．从76个标准解中选择合适的解作为解决方案， 4．进一步发展解，以达到系统的有效和完善， 5．实现具体解， 6．探求另外可行解。
（4）检查与测量：17种标准解；
（5）简化与改善策略：17种标准解。
根据每一种基本功能的“物质–场”模型来寻找相适应的标准解。
步骤6:提出新的设计概念；
根据实际工程结构,将解决问题的标准解转化为特定的解领域。
步骤7:解的评价。
对解领域进行评估,如有多个可行的解领域,根据进化的模式选取综 合最优的方案。