面向产品设计的计算机辅助创新技术

    上世纪四十年代以来，以CAD技术为代表，面向产品设计与开发的计算机辅助技术不断出现，如CAM，CAE，CAPP等。这些支撑技术能够帮助工程师大大提升设计和制造质量，提高工作效率，对现代产品开发起到巨大的推动和支撑作用，也是推动工业技术信息化的重要标志.但对于产品设计过程中富有创新性的概念设计或者方案设计阶段，依然缺少有效的辅助工具，帮助设计师快速形成高质量的创意和方案。
    本文提出的计算机辅助创新技术(Computer Aided Innovation，CAI)，就是针对产品设计的概念设计阶段，通过提供先进的创新理论、方法与知识的支持，帮助设计师拓宽思路，快速分析和发现问题本质，寻求创新性的概念或方案，提高产品设计的创新水平（如图1）。

1 计算机辅助创新技术及其理论基础
    计算机辅助创新技术将著名的发明问题解决理论TRIZ、本体论、现代设计方法学、自然语言处理技术、以及计算机软件技术集为一体，帮助设计人员在新产品概念设计阶段以及现有产品改进过程中，有效地利用多学科领城的知识，打破思维定势、拓宽思路，正确地发现现有产品中存在的问题，找到具有创新性的解决方案，保证产品设计开发方向正确的同时实现创新。
    TRIZ理论中文名字叫发明问题解决理论，它是由前苏联发明家G. S. Altshuller在1946年创立的。该理论是在前人创新成果（专利）与创新方法基础上的知识提升和集成，它成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，相对于传统的创新方法，它着力澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，而不是采取折衷或者妥协的做法，而且它是基于产品技术的发展演化规律研究整个设计与开发过程，而不再是随机的行为。其核心思想在于它采用科学的问题求解方法，首先将特殊的问题归结为TRIZ的一般性问题，然后应用TRIZ理论寻求标准解法，在此基础上演绎形成初始问题的具体方案（见图2）。

    本体论是一种对客观存在的概念及其关系的描述方法。联想与类比来自于事物间的某种关联，可以说事物间的普遍联系是实现创新思维的基础，而通过本体论构建起各种知识技术之间的关系，就为我们实现创新思维提供了重要途径和手段。基于本体论的语义扩展技术能够自动实现概念扩展，帮助我们打破思维定势和知识领域的界限，实现技术突破和创新。
2 计算机辅助创新技术在产品设计中的应用
    以TRIZ创新理论、方法和基于本体论的概念扩展技术为核心，计算机辅助创新技术为产品设计和开发提供了全面的支持。具体来说，它主要体现在以下四个方面:
    （l）系统的产品需求分析技术  通过系统客观的问题分析方法，深入分析产品需求或现有产品存在的问题，帮助设计师打破思维定势；从更广的视角看待产品，快速发现问题本质，准确定义创新性问题或矛盾。
    （2）基于TRIZ创新原理的产品创新技术  应用TRIZ理论中的40个创新原理以及各种矛盾转换和消解工具，如矛盾矩阵，发明问题标准解法，发明问题解决算法等，能够有效地激发设计师的创新思维，充分利用各种可能资源，彻底解决存在的矛盾和冲突，寻求创新性解决方案，或者创造性地改进现有产品。
    （3）基于本体论的创新思维扩展技术  基于本体论的概念扩展能够帮助设计师实现产品有关功能和技术问题的快速扩展，针对扩展结果，都可以通过强大的方案知识库得到合理的解决方案。知识库也是基于本体论组织构建。世界上的专利库可以作为方案的重要来源，它们来自不同技术领域，有助于打破知识领域界限，实现技术突破。
    （4）基于技术系统进化原理的技术预测与新产品开发技术研究表明，产品及其技术的发展总是遵循一定的客观规律，而且同一条规律往往在不同产品领域被反复应用。在大量专利分析基础上形成的著名的技术系统进化法则，构成TRIZ理论的主要内容之一。应用TRIZ理论包含的技术系统进化法则，确认目前产品所处的发展状态，发现产品存在的缺陷和问题，并预测其未来发展趋势，制定产品开发战略，开发新一代具有竞争力的产品。
    （5）产品设计方案评价技术  针对得到的大量创新性技术方案，可以通过专家打分的评价方式确定最佳选择。分别构建评价模型和专家模型后，由专家分别打分，对打分结果进行统计综合形成最终评价结果。
3 结论
    本文介绍了计算机辅助创新技术，以及该技术在产品设计中的应用。随着各种创新方法与技术（如QFD，专利分析技术等）的不断融入，计算机辅助创新技术会不断完善和发展成熟。计算机辅助创新技术的意义在于它有效地弥补了人类创新活动中的不足，针对一般的创新过程，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。就像CAD技术有效提升详细设计的质最和效率一样，计算机辅助创新技术必将全面提升设计人员的创新水平，降低产品开发成本，缩短开发周期和上市时间，增强企业核心竞争力。