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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。

    0 引言

    概念设计是产品创新的核心阶段,创新设想产生是产品概念设计阶段最重要的活动。高质量设想的产生是在充分运用已有大量知识的基础上发散思维所产生的具有原始特征的设想,也就是要在产品的概念设计阶段产生具有原始创新的概念和原理。不断产生高质量的创新设想是企业增强产品研发创新能力的关键,因此企业目前迫切需要有关创新设想产生的使能技术。

    关于如何产生创新设想吸引了很多学者的研究,这些研究主要分为两类:①基于人工的方法,研究如何产生创新设想的方法;②开发计算机软件系统,自动产生创新设想。传统的创新设想产生方法属于第一类研究,如头脑风暴法、思维导图法、横向思维法等。这些传统方法基本上是头脑风暴驱动的,没有太多的规则可循,BENAMI认为这些方法对于经验不足的设计人员不一定有效。开发计算机软件系统用于概念设计的创新设想自动产生也已有应用,但这些系统普遍缺乏支持概念设计的知识库,使得计算机软件系统应用受限。

    因此,寻求更有效的使设计者产生创新设想的方法,一直是研究的热点。在诸多创新方法中,发明问题解决理论(Theory of Inventive ProblemSolving,TRIZ)为设计者解决发明问题产生创新设想提供了系统化的方法,属于第①类研究。近年兴起的以TRIZ为核心理论基础的计算机辅助创新软件系统(Computer-Aided Innovation system,CAIs)是计算机辅助技术的新领域技术,为设计者提供了全新的设计场景,非常便于在产品研发过程有效打开设计人员的思路,产生创新设想。

    CAIs已在产品创新设计过程中有很多应用,但涉及计算机辅助创新驱动的产品概念设计创新设想产生原理、过程模型及系统化方法尚属少见。本文首先论述产生高质量设想需要运用大量知识的重要性以及CAIs的体系结构,之后研究计算机辅助创新(Computer-aided Innovation,CAI)驱动的创新设想产生原理,形成CAI驱动的产品概念设计创新设想产生过程模型,并用一工程实例验证了该模型。

    1 产品创新设想产生过程中的知识利用的重要性

    1.1 知识资源

    产品创新设计需要运用大量的知识,真正具有高质量的创新是不同学科甚至相距甚远学科之间交叉、综合的结果。专利文献是专利产品核心技术创新活动的完整记录,它反映了各个技术领域当时最新颖、最先进的有关技术成果。TRIZ理论就是对世界专利库中250万件高水平专利进行深人研究的基础上形成的,其创始人Altshuller指出 :只有百分之一的专利是真正的首创发明,其余的皆是以一种全新的方法使用前人的已知想法或概念。因此,以专利为主的已有知识是进行产品创新最合适的主要深度知识资源,可以使创新从一开始就处于较高的起步阶段,从而大大提高创新设计的效率和质量。

    1.2 知识利用的障碍

    专利通常是按工程领域分类,相应的专利知识也被划分为多个领域。但从产品创新的角度看,按此对专利分类是不可取的。因为在不同工程领域有许多相似问题,并且它们的解也常常是相同的,然而某一问题的解在其他工程领域可能是已知的普通解,而在该领域却被视为专利。这一现象就是由于专利分类过于专业化,造成不同领域的知识利用产生障碍。同时每个知识领域又分为不同的掌握范围,熟悉问题所在领域的设计人员往往不熟悉多领域的知识。因此,不同领域中的知识利用成为高质量创新方案产生的主要障碍,发现及应用不同领域知识的方法,成为设计者在产品创新过程中产生高质量创新方案的桥梁。

    2 计算机辅助创新体系结构

    2.1 计算机辅助创新技术体系构成

    目前的CAIs已从最初的计算机化TRIZ工具发展成为以TRIZ理论为核心,融合现代创新方法、计算机技术、多领域科学知识为一体的综合创新系统。CAI技术的体系构成如图1所示,以TRIZ理论为核心的现代设计方法论体系和大量的知识库组成了CAI技术体系的核心基础。

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    图1 CAI技术体系构成

    CAIs是一个既基于方法又基于知识的软件,它本身就是一个知识管理平台,为创新活动提供了强大的计算机环境下的方法、工具和知识支持。cAIs中包含若干个知识库,知识库主要是对专利和不同科学领域知识进行抽象得到的。另外,企业长期以来积累的智力成果都可以纳入到CAI知识平台中,如创意、经验、原理等,为设计者应用不同领域的知识提供了框架。随着质量功能配置(Quality Func—tion Deployment,QFD)、公理设计(Axiomatic De—sign,AD)、约束理论(Theory of Constraints,ToC)、失效预测(Anticipatory Failure Determina—tion,AFD)等理论和方法的逐渐融人,以及计算机技术的不断发展,CAI技术逐渐形成完善的CAI技术体系。

    因此CAIs的出现和发展补充了传统的CAx技术,它可辅助设计者有效地利用多学科领域的知识和前人已有的研究成果,结构化地分析问题,并针对不同行业的技术特点进行产品创新。

    2.2 CAI体系下的工程实例知识

    专利库中的知识是隐性知识,很难被不同领域的设计者用于产品概念设计阶段的创新设想产生。如果其中的专利被抽象并被存储在TRIZ的知识库中,这些专利被转变为显性知识,设计者可较容易的运用这些知识。如图2所示为CAI体系下冲突解决方法的专利知识抽象过程,冲突解决方法中有39个标准工程参数及40条发明原理,冲突矩阵将工程参数及发明原理有机结合。通过矩阵及一对标准工程参数,设计者可以找到该对工程参数对应确定的发明原理,每条原理对应下的工程实例就是对有代表性的专利进行抽象精选得到的,该专利的创新点在于应用发明原理解决了某些冲突问题,将其工作原理、方法抽象后得到由标题、问题描述、方案描述以及动画等几部分组成的解决方案。这样的解决方案即为显性知识,具有结构化清晰、提示性很强的特点,非常便于在研发过程有效打开设计人员的思路。

    当今世界范围内应用较多的CAIs,如Gold—fire Innovator,Innovation Workbench(IWB)等,国内应用较多的CAIs为InventionTool。这些CAIs中都包含若干个知识库,如InventionTool 3.0软件就有冲突解决知识库、效应知识库、技术进化知识库和标准解知识库。每个库中都包含多条知识,通过关键字的检索进行结构化查询,可得到一系列解决方案供参考。

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    图2 CAIs冲突模块中专利知识抽象过程示例

    3 计算机辅助创新驱动的创新设想产生原理

    3.1 基于计算机辅助创新的问题解决过程

    基于CAI软件的解决创新设计问题的过程模型如图3所示,依据该模型,四个域间的映射过程是指领域问题域一TRIZ问题域间的映射、TRIZ问题域一TRIZ解域间的映射和TRIZ解域一领域解域之间的映射,因此有三个映射过程。

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    图3 基于CAI的发明问题解决过程模型

    第一级映射需要设计者自己将领域问题转化为TRIZ标准问题。第二级映射过程中,CAIs为求解原理解过程的知识应用提供了若干种方法,如表1所示。通常,TRIZ中有四类标准问题,相对应的有四类解决问题的方法,称为TRIZ解。表1是TRIZ中的问题、解决问题的操作(检索)、TRIZ解的对应关系。对应于某个问题,在CAIs中通过相应的操作,可得到问题的解,同时与TRIZ解相关的实例就会自动出现,设计者就可以浏览学习相关的实例或知识。

责任编辑:张纯子
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