e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAI

计算机辅助创新驱动的产品概念设计创新设想产生过程模型(一)

2017/10/24    来源:互联网    作者:张建辉  檀润华  张鹏  曹国忠      
关键字:创新设想产生  发明问题解决理论  计算机辅助创新  产品概念设计  过程模型  
创新设想产生是产品概念设计阶段的关键环节,影响该阶段设想产生的障碍是设计人员不能很好地利用多学科领域的知识。鉴于此,基于发明问题解决理论的计算机辅助创新软件系统提供了应用多学科领域知识的一个平台。提出了计算机辅助创新驱动的创新设想产生原理,以计算辅助创新软件为设计场景进行问题求解,基于源设计中的未预见的发现建立扩展解空间,驱动创新设想产生,进而建立了计算机辅助创新驱动的产品概念设计创新设想产生过程模型。通过安全隔离蝶阀创新设想产生验证了该模型的可行性。

    第三级映射是基于类比的概念设计过程,也需要人工完成。类比是一种推理方法,该方法根据源设计和目标设计(以往成功设计和待设计系统)在某些特征上的相似,得出它们在其他特征上也可能相似的结论。基于该方法的设计称为基于类比的设计(Analogy-Based Design,ABD),简称类比设计。在第三级映射过程中,TRIZ解和相关的实例都是源设计。TRIZ解比较抽象,其抽象性为将其有效利用,转化为领域解带来了困难。因此,第三级映射过程对设计人员自身有较强的依赖性,与设计者自身的领域知识、工程经验密切相关。将TRIZ解转化为领域解,是有效运用CAI软件实践创新的关键。

    表1 CAIs中不同问题的解决方法

    4

    3.2 基于CAIs的产品创新设想产生设计场景

    设计是基于场景的,与设计者所处的环境、自身的知识和经验,以及设计者与环境之间在设计过程中的交互作用都有关系。图4是基于CAI的产品创新设想产生设计场景示意图。CAI软件系统在领域问题的转化、TRIZ问题的求解及领域解的产生过程中起到设计场景的作用,为设计者提供具体的设计环境。设计者首先将领域问题转化为TRIZ问题,可以是表1中的一种。CAIs内置的TRIZ工具和大量的工程实例可使设计者快速获得问题的解,得到匹配的类比源。类比源可以是发明原理及其相关实例、技术进化模式和路线及其相关实例、效应及其相关实例、标准解及其相关实例。类比源可有效激发设计者的灵感产生尽可能多的设想,并对设想的有效性起到约束作用。

    基于CAIs的设计场景是实现“人机技术结合”的基础环境,CAIs起着驱动创新设想产生设计场景的作用,软件中的知识库使设计人员很容易获取不同领域的知识,将激发设计者的灵感,使驱动创新设计问题的成功解决成为可能,且容易产生高质量的创新设想。

    3.3 计算机辅助创新驱动的领域解产生的类比过程

    创新设想可通过类比获得,因此,类比可以用于创新设计。在领域解的产生过程中,CAI软件的知识库资源所含有的大量成功工程实例可使设计者获得对原理的理解,并以此作为类比源产生领域解。其实质是根据待设计系统和实例在某些特征上的相似,通过类比推理,得出它们在其他特征上也可能相似的结论,从而可用其中一个领域求解问题的推理思想和方法,指导另一个领域的问题求解。

    5

    图4 基于CAIs的产品创新设想产生设计场景

    Bonnardel认为,类比设计过程中受限制的认知场景将激发设计者的灵感,从而产生更多的新设想。Gero等提出了“基于场景的类比”概念,将基于场景的设计过程总结为 :首先,设计智能体(设计人员或专用智能设计软件)感知领域问题并确定目标设计与源设计;然后,设计智能体通过源设计与目标设计的匹配,发现源设计中未预见的发现(Unexpected Discoveries,UXD);UXD 是源设计中能传递给目标设计的特征,能使设计智能体产生新目标,并经过映射将UXD传递给目标设计,得到修改的目标设计。源设计可能有多个,经过不断修改目标设计,最后得到修改的目标设计即为解决领域问题的创新概念。

    在上述过程中,UXD启发创新并使设计智能体突现新概念,因此,发现及传递UXD成为类比创新成功的关键。按上述基于场景的类比设计原理,设图3的第二级映射结果提供创新设计场景,即TRIZ解和设计实例是后续创新的场景。设计智能体依据自身的设计经验、对领域问题的理解及提供的场景,提出多个UXD,并不断修改目标设计,最后修改过的若干个目标设计为领域解。该过程即为领域解产生的类比设计过程,其原理图如图5所示。

    类比设计过程既包含对源设计(设计实例)继承性的同时又具有创新性。源设计的确定关系到UXD的产生,对领域解产生的类比过程的进行起到关键的驱动作用。将设计实例库中的实例与目标设计相匹配可确定源设计,基于CAI软件的源设计与目标设计匹配常采用如下四个类比过程的原理实现,从而产生相应类型的UXD:

    (1)源设计与目标设计的发明原理相似。

    (2)源设计与目标设计的进化模式与进化路线相似。

    (3)源设计与目标设计的功能实现效应相似。

    (4)源设计与目标设计的标准解相似。

    综上,CAI软件驱动类比设计过程,求解领域解的前提是首先要确定出源设计,即TRIZ通用解及与目标设计相匹配的设计实例。

    6

    图5 CAI驱动的领域解产生的类比过程

    3.4 扩展解空间的建立

    CAI驱动的TRIZ通用解向领域解转化的过程中,基于类比的设计将源设计中的某些特征传递给目标设计,从而扩展了解空问。扩展了的解空间包含了问题的解,是定义了一切与问题有关的因素所组成的集合。解空间一般由设计者的需求、设计场景的约束和限制、企业需求、功能、结构和意图等构成。

    TRIZ采用程式化的方法解决问题,其逻辑性和系统性强,能加快创新解决问题的进程,得到高质量的创新解,但将TRIZ解转化为领域解环节的过程实施操作难度较大。产品设计具有科技特征、艺术特征和经济性质,因此,仅利用逻辑思维的方法,或利用现有的经验和知识进行创新是不够的l1 。问题的创造性解决离不开设计者的创新性思维。创新性思维是逻辑思维、直觉思维、发散思维和收敛思维等多种思维方式的有机结合,它们之间相互依赖、相互补充,能有效地支持创新过程。

    将直觉、发散与收敛等思维形式与TRIZ的逻辑思维方式相结合,用于支持TRIZ标准解向领域解的转化过程,有利于激发人们的创造力。同时在UXDs、个人知识和经验的作用下,产生尽可能多的创新概念设想,建立起扩展解空问。此处的扩展解空间是由TRIZ解的源空间,扩展到主要包括扩展的发明原理空间、扩展的技术进化模式及路线空间、扩展的效应空间和扩展的标准解空间共同组成的解空间。同时又利用TRIZ通用解规范和引导思维方向,约束领域解的收敛方向,快速找到问题的最优解。该求解模式如图6所示,最后得到的最优解为领域解。

    7

    图6 创新性思维在领域解求解过程中的应用

责任编辑:张纯子
本文来源于互联网,e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供,并以尽力标明作者与出处,如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐