1 計算機輔助創(chuàng)新理論的研究動態(tài)
目前計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計的研究內(nèi)容主要有以下幾方面:①計算機輔助創(chuàng)新理論及方法學的研究;②創(chuàng)新模型及基于模型的創(chuàng)新設(shè)計求解方法的研究;③CAI工具軟件開發(fā),具體表現(xiàn)為:
(1)針對物質(zhì)場模型分析問題效率不高而作的改進
James Kowalick在文章中提出用triads模型取代TRIZ的物質(zhì)場模型,在世界500強企業(yè)中應(yīng)用并得到很好的效果。ToruNakagawa也提出了3種系統(tǒng)功能模型。法國斯特拉斯堡工業(yè)自動控制研究實驗室及福特公司等都將此作為一項重要的研究課題。
(2)集成其他創(chuàng)造性思維技法
頭腦風暴法、6-3-5法、奧斯本檢核表法、5W2H法、希望點列舉法、組合法、模仿法、six sigma、9 wingdows、forced analogy等90多種思維技法已被用來彌補問題分析與矛盾矩陣以及發(fā)明原理與實際解決方法之間的距離,賈黎峰等提出了網(wǎng)上頭腦風暴法的設(shè)想。
(3)概念延伸及領(lǐng)域的擴展
這方面的研究強調(diào)概念設(shè)計在創(chuàng)新中的核心地位,產(chǎn)品創(chuàng)新包括7個方面的內(nèi)容:功能創(chuàng)新、原理創(chuàng)新、布局創(chuàng)新、形態(tài)創(chuàng)新、色彩創(chuàng)新、人機工程創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。文獻從人機界面和人機系統(tǒng)優(yōu)化創(chuàng)新2方面,針對不同的設(shè)計內(nèi)容,給出了面向產(chǎn)品創(chuàng)新的人機工程計算機輔助設(shè)計的應(yīng)用圖表。目前,TRIZ的應(yīng)用已擴展到管理、生物學、人際關(guān)系、教學、建筑、軟件工程、微電子和生態(tài)等領(lǐng)域,其中商業(yè)領(lǐng)域的軟件已出現(xiàn),但這些領(lǐng)域的矛盾矩陣及相應(yīng)的發(fā)明原理仍不完備。文獻提出了一種基于專利知識的計算機輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng),以鉆夾頭為例系統(tǒng)分析了專利文獻中可供創(chuàng)新設(shè)計參考的專利技術(shù)知識,開發(fā)出基于專利知識的計算機輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)。
(4)39個矛盾屬性和40條創(chuàng)新原理的抽象和擴充
39個矛盾屬性經(jīng)實踐證明還不完備,40條創(chuàng)新原理的抽象層次也不一致,且互有交叉。當矛盾屬性增刪時,發(fā)明原理如何變化是一個不容回避的問題。有關(guān)學者擴充了矛盾矩陣、發(fā)明原理,用生物進化、自然界利用資源的方式引入TRIZ的研究。
(5)理想解和產(chǎn)品進化理論的擴展
產(chǎn)品進化、理想解、技術(shù)成熟度和預(yù)測失敗等領(lǐng)域的研究也比較多。
(6)輔助創(chuàng)新設(shè)計軟件工具的開發(fā)
目前,以TRIZ理論為基礎(chǔ)設(shè)計開發(fā)的計算機輔助創(chuàng)新軟件按功能多少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及用途的不同有數(shù)10種之多,軟件所用開發(fā)語言以英文為主,也有用俄文、中文等其他語言開發(fā)的軟件。
2 現(xiàn)有的產(chǎn)品創(chuàng)新理論及輔助工具軟件開發(fā)中亟待解決的問題
(1)豐富創(chuàng)新設(shè)計理論,從整體的角度來把握對創(chuàng)新問題規(guī)律性的認識
現(xiàn)有的創(chuàng)新設(shè)計方法及工具大多基于TRIZ理論,過分強調(diào)邏輯思維在創(chuàng)新中的作用。創(chuàng)新設(shè)計是人類高級而復(fù)雜的創(chuàng)造性活動,除了邏輯思維之外,直覺思維在創(chuàng)新中的作用也不可忽視。直覺思維是一種在下意識狀態(tài)下,對事物內(nèi)在復(fù)雜關(guān)系突發(fā)性的領(lǐng)悟過程,它是一種跳躍式尋求問題解的方式,包括形象思維、抽象思維、發(fā)散思維、聯(lián)想、靈感與頓悟、創(chuàng)造性想象等多種方式,主要使用非邏輯思維法。而邏輯思維是找出事物內(nèi)在規(guī)律,采用概念、判斷、推理的思維形式,包括展開、分解、綜合、歸納演繹和數(shù)理邏輯的方法,主要采用收斂思維的方式,TRIZ理論是其典型代表。對于創(chuàng)造性思維全過程來說,直覺思維與邏輯思維都是必不可少的,它們相互聯(lián)系,相互依賴,相互補充。同時創(chuàng)新設(shè)計問題涵蓋范圍廣泛,為減少求解的盲目性和發(fā)散性,需要對創(chuàng)新設(shè)計問題加以分類,以縮小求解空間,提高求解效率。在當前的創(chuàng)新設(shè)計方法的研究中,雖然有一些針對某一特定類型的設(shè)計方法,但大多數(shù)都沒有從整體角度對所有創(chuàng)新設(shè)計問題的分類做出詳細的研究。文獻在這方面做了較為深入的探討,將創(chuàng)新設(shè)計問題分為4類,并提出了每種類型相應(yīng)的求解方法及思路,如圖1所示。這方面的研究還有待于進一步的深入。
圖1 創(chuàng)新設(shè)計的分類及策略
(2)多種理論和方法的集成及與現(xiàn)有CAD系統(tǒng)的集成
近年來在現(xiàn)代設(shè)計方法學的研究中出現(xiàn)了諸如并行設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、綠色設(shè)計、協(xié)同設(shè)計和數(shù)字化設(shè)計等設(shè)計新方法,并部分地應(yīng)用于創(chuàng)新設(shè)計中,提出了諸如協(xié)同環(huán)境中的創(chuàng)新設(shè)計、基于資源優(yōu)化利用的創(chuàng)新設(shè)計方法及工具研究、面向產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)研究等方面的設(shè)想。但不可否認,上述現(xiàn)代設(shè)計方法雖然從一方面反映了設(shè)計的綜合性和集成性,但它們實現(xiàn)的仍是局部的“并行”和局部的“優(yōu)化”,它們相互獨立,缺乏一個系統(tǒng)的理論體系將這些先進思想、方法集成,并有效應(yīng)用于創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)中。同時,傳統(tǒng)意義上的創(chuàng)新設(shè)計軟件,其輸出多是概要設(shè)計的方案,表達的是設(shè)計方案總體方面的信息,它不可能對局部細節(jié)有很深入的表達,而詳細設(shè)計階段的輔助工具在局部細節(jié)表達方面可提供很好的支持,如何實現(xiàn)兩者的有機集成將是以后的一個值得探索的課題。鑒于此,初步想法是:利用統(tǒng)一的、基于廣義特征的產(chǎn)品信息模型來完成這一任務(wù)。
(3)合理高效的知識庫的構(gòu)建
產(chǎn)品設(shè)計所需知識的獲取、組織和運用能力是決定一項創(chuàng)新設(shè)計能否成功的關(guān)鍵。在紛繁多樣的學科領(lǐng)域里,要求設(shè)計師從不計其數(shù)的信息數(shù)據(jù)庫中找到與設(shè)計方案求解相關(guān)的大量知識信息顯得格外重要。但僅有少量數(shù)據(jù)庫的信息功能在設(shè)計問題的解決過程中得以使用。按照百科全書中系統(tǒng)化排列的關(guān)鍵詞字母順序來查找具體設(shè)計問題的方法對設(shè)計者來說將很難有很大的幫助。但書本知識、編撰雜志和網(wǎng)絡(luò)搜索引擎等作為獲取設(shè)計的可能信息來源對設(shè)計者的幫助將是很大的,表1說明了這一問題。對設(shè)計者來說,一個理想的數(shù)據(jù)庫將是一個滿足功能或結(jié)構(gòu)特征的、涵蓋不同學科知識領(lǐng)域、展示具有解決實際相關(guān)問題的高度專業(yè)化的知識庫。但少量系統(tǒng)化信息在結(jié)構(gòu)化的同時,還要尋找跨學科集成的概念信息。所以,高效率的信息獲取與搜集是構(gòu)建一個知識庫的重要前提,這方面可以利用當今發(fā)達的網(wǎng)絡(luò)資源,但必須豐富其信息檢索能力,以提高所搜集的信息與領(lǐng)域的聯(lián)系程度,為此,可以通過構(gòu)建多層次Web信息檢索模型來有效解決這一問題。
表1 各種不同信息數(shù)據(jù)類型的典型特征分析
除了信息的獲取外,如何高效地組織和運用所獲取的信息則是知識庫構(gòu)建的另一個重要方面。設(shè)計過程涉及多種不同類型知識的表達和應(yīng)用,包括經(jīng)驗性、常識性以及結(jié)構(gòu)性知識等。任何單一的知識表示方式都不足以有效地表達各種設(shè)計知識。所以需采用多層知識表達模式,從表達能力、推理效率與可維護性等方面綜合考慮。這里,可考慮在傳統(tǒng)的基于規(guī)則、基于實例的知識庫構(gòu)建方式的基礎(chǔ)上融人人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的部分特性的方法來進行。
3 結(jié)語
當前,提高企業(yè)創(chuàng)新能力的需求日益突顯。以日漸成熟的創(chuàng)新理論作為支撐的計算機輔助創(chuàng)新技術(shù)填補了CAX領(lǐng)域的技術(shù)空白,成功地把信息化技術(shù)應(yīng)用到了產(chǎn)品生命周期的最前端,為產(chǎn)品創(chuàng)新提供了切實可行的可操作工具。然而產(chǎn)品創(chuàng)新輔助軟件的開發(fā)是一項涉及諸多方面的系統(tǒng)工程,其中存在許多關(guān)鍵性問題有待解決:從整體的角度來把握對創(chuàng)新問題規(guī)律性的認識;多種理論和方法的集成及與現(xiàn)有CAD系統(tǒng)的集成;合理高效的知識庫的構(gòu)建等。這些關(guān)鍵性問題的解決將有助于產(chǎn)品創(chuàng)新輔助軟件工具的成功開發(fā),從而為企業(yè)自主創(chuàng)新能力的提高提供可靠的技術(shù)手段。
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本文標題:計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計理論及工具開發(fā)的研究現(xiàn)狀與展望
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