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基于TRIZ理论的计算机辅助创新设计方法探讨
2016-11-14 21:02:00  作者:赵秀  来源:互联网
  •   1 引言   创新是企业得以生存和持续发展的内在动力,是当今之企业核心竞争力的重要标志。在知识经济时代,世界科技的发展将更加迅速,产品的技术含量不断提高,产品生命周期将更加缩短。一个新产品的设计 ...

  1 引言

  创新是企业得以生存和持续发展的内在动力,是当今之企业核心竞争力的重要标志。在知识经济时代,世界科技的发展将更加迅速,产品的技术含量不断提高,产品生命周期将更加缩短。一个新产品的设计过程,包括许多复杂推理及作出决定的过程。产品创新意味着需要更多的跨学科的知识结构、更复杂的技术支撑和更完善的创新理论。

  目前,CAD软件在产品的分析、计算、绘图以及制造等方面发挥了很大的作用,但在产品创新构思阶段,更多、更重要的是非数据计算的通过想象、推理和判断来解决的创新活动,现有CAD软件不能支持概念设计阶段的创新活动,更不可能支持创新设计,因此,一个能支持产品创新设计的模型、方法和相应的计算机软件系统,将有助于产品创新设计技术的发展。

  2 创新设计和计算机辅助创新技术的概念

  2.1 创新设计的定义

  产品创新设计是指充分发挥设计者的创造力,利用人类已有的相关科学技术成果(含理论、方法和技术原理)进行创新构思,设计出具有科学性、创造性、新颖性及实用性的产品的一种实践活动,是创造具有市场竞争优势商品的过程。

  2.2 计算机辅助创新的定义

  计算机辅助创新(Computer-Aided Innovanovation)简称(CAI),该技术是近年来在欧美迅速发展起来的新技术。它集发明问题解决理论(TRIZ) ,现代设计方法学、本体论、语义处理技术以及计算机软件技术为一体,填补了CAX领域的技术空白,成功地把信息化技术应用到了产品生命周期的最前端。在产品研发过程的开始,尤其在概念或方案设计阶段,提供先进的创新理论、方法及多学科知识的支持,使研发人员能够有效地运用创新的科学规律,打破思维定势,全面地分析问题,从不同学科领域中借鉴有效的技术和方法,从而构建出科学的创新设计方案,优化研发进程,减少后期的重复开发和资源浪费。

  正像CAD,CAM技术极大地推进了产品的设计和制造技术的发展一样,计算机辅助创新技术可以将多个领域的科学知识有机地综合起来,有助于设计者拓宽思考空间,打破思维定势,引导设计者综合应用各学科的知识,获得突破性的创新知识,为产品创新源源不断地提供富有创造性的设计方案,成为企业提高新产品开发能力和经济效益的重要手段。

  3 计算机辅助创新设计系统的实现

  3.1 TRIZ理论

  TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)是“发明问题解决理论”俄文的缩写,是研究创新的科学规律的理论。它是由前苏联发明家G.S.Altshuller在1946年创立的。TRIZ理论的基本原理是:①所有具有某种功能的技术系统都是按照相同的规律进行演化和发展的;②在一个技术系统的发展过程中,对系统中任何一部分进行改进,将会导致与系统中其他部分发生冲突。解决这一冲突,可使系统整体性能得到改善,重复这个过程,使系统更接近理想状态。

  20世纪90年代开始,TRIZ理论研究与实践在美国、欧洲、日本和韩国迅速发展,应用也遍及许多领域。例如,将TRIZ工具应用到安全气袋设计,开发者通过应用TRIZ工具发现问题之后产生的突破性方案和处理其中的冲突,把TRIZ进化模式加到他们当前技术知识去发现新的可能解。

  3.2 计算机辅助创新设计系统的实现

  目前已有的CAD软件不能为设计者提供产品创新支持,开发CAI软件具有广泛应用前景。

  基于TRIZ理论的CAI软件在发达国家的企业,特别是大企业应用效果较好,已成为CAI软件开发的一个热点。美国Inventionmachine及Ideation International基于TRIZ理论分别开发了商品化软件Tech0ptimizer及Innovation WorkBench(IWB) ;德国的TriSolve:公司2001年推出了基于TRIZ理论的CAI软件TirSolver2.1;荷兰的Insytec B.V 公司开发了TRIZ Explorer(tm)软件;新的软件还不断出现。这些软件使TRIZ中的概念、原理、工具与知识库紧密结合,应用这些软件设计者能充分利用优秀的工程设计实例,为正在开发中的产品提供设计参考,使设计快速、有效、高质量地完成。

  计算机辅助产品创新设计有三个基本条件:一是有一个方法论;二是有一个足够大的信息空间以充分获取适用的知识和激发创新灵感;三是有一个符合创新设计思维方法的辅助设计系统。

  计算机辅助创新设计系统一般都包含以下几个模块:项目导航、技术系统分析、问题分解、解决方案、创新原理、专利查询、方案评价和报告生成、知识库扩充、专利申请等模块。计算机辅助创新设计系统的流程图如图1所示。

  

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  图1 计算机辅助创新设计系统流程图

  3.2.1 项目导航

  项目导航模块主要是研发人员对项目和问题初始情境进行描述,支持导人多幅图像方便对问题的理解和描述。在项目导航中管理整个的创新问题求解流程。

  3.2.2 技术系统分析

  技术系统分析模块主要是研发人员通过对技术系统进行分析,建立功能模型来理解一个系统;并通过系统分析找出当前系统的不足,定义系统存在的问题。

  技术系统的功能模型主要描述四部分内容:零部件、(系统/产品)对象、超系统、有用或有害功能。各零部件部件在系统中具有不同的角色,包括能量源、能量传递(传导器)、能量转换(转换器)、能量放大(放大器)、工具、控制工具、传感器、信号比较器、编码/解码器、记忆单元、信号指示器、容器等。各模块之间通过某种连结完成特定功能,这种连结通过线条表示,主要分为主能量流(mainline),控制流(control line),结构流(case lines) ,和有害能量流(undesirable line)。

  通过系统建模,便于研发人员全面系统了解技术系统的工作原理以及各组成部分的功能角色,为研发人员交流讨论提供了共同语言,它也是一种结构化的技术系统方案描述方式,有利于创新成果的知识表达和将来的知识重用。

  技术系统的系统分析通过所建功能模型的分析和评价,可以有效地揭示并解决技术系统中存在的问题,从而进一步提升和改进技术系统功能。基于所建功能模型,自动生成一系列要解决的问题,帮助研发人员找出当前系统的不足,支持已有系统的改进和新系统的设计。

  3.2.3 问题分解

  运用三轴问题分析法、系统层次轴和因果关系轴等方法对初始问题进行分析与重定义,将复杂的工程问题分解成为多个子问题。帮助用户发现隐藏在表层问题背后的真正问题。

  3.2.4 解决方案

  实践证明 ,研发人员遇到的80%的问题其实在其它领域已经被解决。解决方案模块帮助用户及时发现已有的成功的解决方案,提供给用户在原有方案基础上快速寻求自己问题的合理解决办法。计算机辅助创新软件中的解决方案大部分是基于对欧美高水平发明专利的分析,形成涵盖众多领域的创新方案知识库。运用语义处理技术和本体论技术,构建起描述工程领域知识的本体论词典,提供包括语法扩展、语义扩展、本体论扩展和关键词在内的多种查询方式。基于本体论的直接问题求解,利用本体论对创新方案知识库进行搜索,提供给用户直接的可付诸实施的解决方案。

  3.2.5 创新原理

  在技术系统的改进和设计过程中,通常会出现改进某一特性导致其他特性恶化的情况,即出现矛盾。创新原理为研发人员解决技术系统中存在的矛盾提供了方向和思路。该模块提供研发人员基于TRIZ理论的启发式问题求解。创新原理是在大量专利分析研究基础上总结出来的、解决不同工程领域矛盾问题的有效工具。每个创新原理中均包含数个来自于专利的实例帮助用户理解和使用。

  3.2.6 专利查询

  基于专利知识解决实际问题是一种重要的创新方式。计算机辅助创新软件提供专利查询技术,即通过一种语义扩展方式,对一个具体问题,能够提供不同相关程度的专利信息,为创新问题解决提供更加全面的知识支持。专利查询支持在线对美国、欧洲和日本专利局数据库的自动查询。工程师可以根据自己需要,选择合适的专利,加人到自己的解决方案中,还可以在此基础上进行语义提取和整理,添加到系统的解决方案知识库中,使得系统知识库更加强大和专业。

  3.2.7 方案评价

  计算机辅助创新软件提供了两种解决方案评价模式:客观评价和主观评价。客观评价是基于每个解决方案来自的专利的引用次数来确定。如果一个专利被引用次数越多,就说明这个专利越基础、越适用、越重要。

  解决方案的主观评价分为两种:基于参数评价模型的单专家评价和多专家评价。这两种评价方式首先要构建一个评价参数模型,评价参数包括正面参数和负面参数,正面参数就是值越大越好的参数,例如噪声减小的程度;负面参数就是值越小越好的参数,例如解决方案实施的成本和时间。在参数模型中也可以按照每个参数的重要程度设置每个参数的权重。而多专家评价则需要在此基础上还要构建专家组模型,包括参与评价的专家信息,根据他们的评价意见对最终结果重要性分别设定其权重。

  3.2.8 报告生成

  计算机辅助创新软件根据用户的不同需求提供不同的报告生成模板。在生成的报告中可以包含整个问题的求解流程,如项目的管理信息,问题分解,找到的多个候选方案,方案评价等内容。

  3.2.9 知识库扩充

  一个企业的持续成功依赖于有效地利用和管理智力资产。计算机辅助创新软件提供创新方案库扩充功能。用户可以将自己经过长期的业务实践而掌握的专业知识、成功的经验甚至失败的教训按照一定的格式组织起来,并构建其中的本体关系,让宝贵的企业经验从个体的知识变成公有的、可以共享的、有组织的知识,让中、青年研发队伍有效地继承学习老专家的经验,为进一步的创新提供巨大的知识源泉,实现智力资产在企业内部的有效管理和传递。

  3.2.10 专利申请

  知识经济时代,智力资产已经成为企业最重要的资源。智力资产保护也成为企业最关心的问题。计算机辅助创新软件提供有专利生成模板,支持申请的辅助生成。针对用户最终形成的解决方案,提供了快速生成专利申请报告的模板,满足用户申请专利的需要。同时还提供新颖性检(Invention Originality Query)功能。可以根据专利分类号/索引,专利索引等进行查询,以查找与所要申请的专利相关的专利号和已有专利。

  4 计算机辅助创新设计方法应用探讨

  计算机辅助创新设计平台能够使研发人员者在短时间内了解并掌握最先进的创新理论和方法,以全新的思维方式分析问题。在此平台上,研发人员能打破思维定势,根据行业特点,为企业量身定制符合实际情况的创新能力拓展训练平台。但该平台能否使企业在短期内提高全员创新能力还取决于以下几个方面的因素:

  4.1 完善的创新能力培训模式

  计算机辅助创新设计平台是一种计算机支持的数字化学习与培训平台。要想使研发人员尽快用起来,必须加强TRIZ理论为代表的发明创造方法学及其他常用设计方法学的理论培训、案例讲解、练习巩固、实战演练和水平测试。采用循序渐进的学习方法,以帮助学员更好的理解创新原理,提高学习效果。

  4.2 扩展知识库所须的人力和物力投入

  计算机辅助创新软件的一个重要特点就是开放性,即它是一个可以扩展的知识平台。企业如能投人一定的人力和物力把自己行业领域知识中的成功经验和案例,甚至失败教训植人到知识库中,不仅可实现知识的积累、共享和重用,防止智力资产流失,而且将大大提高新产品研发速度,缩短研制周期。

  4.3 健全企业技术创新的激励机制

  为提高广大科技人员技术创新的积极性,企业要有健全的技术创新激励机制。在对研发人员技术创新绩效正确评价的基础上采取适当的激励措施。激励措施可分为三类:物质激励、精神激励和情感激励。物质激励是最重要的激励手段。物质激励也可根据实际情况采用资金、科技股份、出国培训等手段。但物质激励也有一些缺陷,美国管理学家皮特曾指出,重赏会使大家彼此孤立,影响工作的正常开展。而且大部分研发人员都非常重视企业的发展前景、团队工作气氛及领导的管理风格,因此精神激励和情感激励也是必不可少的。

  5 结束语

  本文简述了创新设计和计算机辅助创新设计的概念,阐述了计算机辅助创新设计系统的模型和模块功能,对计算机辅助创新系统的应用进行了探讨,为工程技术领域新产品的创新提供了新的设计方法,也为计算机辅助创新软件的推广和应用打下良好的基础,有利于设计人员在产品的概念设计、方案设计阶段高效率、高质量地提出创新设计方案,从而达到提高产品竞争力的目的。



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