劉志峰 高 洋 胡 迪 張敬東

合肥工業(yè)大學，合肥，230009

0 引言

近年來，產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法及理論的研究得到了充分的發(fā)展，尤其是發(fā)明問題解決理論（theory of inventive problem solving，TRIZ）和其他產(chǎn)品設(shè)計方法的集成，成為了很多學者研究的重點。在產(chǎn)品設(shè)計沖突消解研究方面，何川等［1］將TRIZ理論應用于產(chǎn)品概念設(shè)計階段的沖突消解，解決了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方案的生成問題；劉曉敏等［2］將 TRIZ與約束理論（theory of constraints，TOC）相結(jié)合，利用所構(gòu)造的產(chǎn)品當前實現(xiàn)樹、沖突解決圖表和TRIZ矛盾沖突矩陣解決產(chǎn)品設(shè)計沖突問題。在基于知識的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計研究方面，姜亮等［3］將本體概念和語義網(wǎng)技術(shù)與TRIZ相結(jié)合，提出了基于本體的技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計方法，實現(xiàn)了知識重用和知識共享在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的應用；為了實現(xiàn)客戶知識在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的應用，楊育等［4］提出了基于TRIZ的客戶協(xié)同產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法，并建立了面向知識利用的協(xié)同產(chǎn)品創(chuàng)新框架，能夠?qū)崿F(xiàn)從客戶知識→產(chǎn)品工程參數(shù)→產(chǎn)品創(chuàng)新原理解的映射。在產(chǎn)品的快速創(chuàng)新設(shè)計研究方面，張付英等［5］將TRIZ進化理論集成到產(chǎn)品創(chuàng)新解的產(chǎn)生環(huán)節(jié)，能夠預測未來技術(shù)的可能結(jié)構(gòu)狀態(tài)，指導設(shè)計者沿著正確的方向產(chǎn)生創(chuàng)新解，實現(xiàn)產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計；高常青等［6］基于TRIZ中的問題解決工具及分解重構(gòu)原理，建立了支持原理、結(jié)構(gòu)集成化創(chuàng)新設(shè)計的實例表達機制及其編碼規(guī)則，提出了支持產(chǎn)品原理、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的統(tǒng)一設(shè)計流程，能夠支持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的快速創(chuàng)新設(shè)計。在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)方面，王冀強等［7］將TRIZ工具作為構(gòu)建實例庫的規(guī)則，并據(jù)此開發(fā)了基于TRIZ與實例的計算機輔助創(chuàng)新系統(tǒng)；楊伯軍等［8］根據(jù)標準解方法在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的應用過程和已有標準解的方法流程，開發(fā)了基于標準解方法的計算機輔助創(chuàng)新軟件；鎮(zhèn)璐等［9］開發(fā)了基于TRIZ理論創(chuàng)新知識查詢平臺，實現(xiàn)了面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的知識查詢；黃兆飛等［10］從功能、結(jié)構(gòu)和作用原理三個方面研究了專利信息的獲取方法和規(guī)范描述，構(gòu)建了專利知識庫查詢系統(tǒng)，用于支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。

上述研究取得了一系列的研究成果，但是在產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計的研究上還較為匱乏，尤其是在利用TRIZ方法與實例知識來實現(xiàn)產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計的研究方面。本文將實例推理方法和TRIZ相結(jié)合，提出了基于TRIZ與實例推理原理的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計方法，并在該方法指導下開發(fā)了產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計支持工具，用于產(chǎn)品的綠色創(chuàng)新設(shè)計。

1 基于實例推理與發(fā)明問題解決理論的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計

1.1 基于實例的推理

根據(jù)調(diào)查，產(chǎn)品設(shè)計活動中大約有75%左右的設(shè)計是基于實例的產(chǎn)品設(shè)計［11］?；趯嵗评矸椒ǎ╟ase－based reasoning，CBR）將知識的表達與實例庫建立相結(jié)合，以過去實例屬性為特征來實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計，所以CBR方法成為近年來人工智能領(lǐng)域的一個研究熱點［5］。基于實例推理的過程如圖1所示，主要分為4個步驟，即檢索、重用、修正和保存。CBR的優(yōu)點主要有：①能夠迅速檢索相關(guān)成功案例并解決新的問題，縮短產(chǎn)品開發(fā)時間；②具有學習能力，通過學習將新的案例存儲于數(shù)據(jù)庫中，便于下次案例的檢索和使用。但是將CBR方法應用于產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計中存在一些不足：①當案例庫中沒有相似案例時，不能給出問題的解決方案；②目前的CBR技術(shù)多針對某類產(chǎn)品和特定領(lǐng)域的應用而展開，不涉及所有的技術(shù)領(lǐng)域［5］；③CBR是基于以前成功案例來解決問題的，創(chuàng)新水平不高，不能系統(tǒng)地指導設(shè)計人員進行創(chuàng)新設(shè)計；④缺乏有效的實例表達機制。

圖1 基于實例的推理過程

1.2 發(fā)明問題解決理論

以 Altshuller［12－13］為首的研究人員在分析世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上，提出了發(fā)明問題解決理論，即TRIZ，它是一種創(chuàng)新性解決問題的理論。在TRIZ理論中，設(shè)計過程遇到的問題是用沖突來描述的，設(shè)計人員在設(shè)計過程中首先要保證或提高產(chǎn)品的某些內(nèi)部性能，但這種提高往往導致產(chǎn)品其他內(nèi)部性能的下降，即設(shè)計中往往存在沖突［7］，TRIZ解決沖突的流程如圖2所示。TRIZ的優(yōu)點體現(xiàn)在它為創(chuàng)新設(shè)計過程中矛盾問題的解決提供了新思路，能夠系統(tǒng)地進行創(chuàng)新設(shè)計，而且最重要的是TRIZ涉及各種技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新。但是其缺點是：①從零開始創(chuàng)新，解決問題的時間較長；②沒有自我學習能力，不能積累成功的案例；③設(shè)計人員需要具有豐富的設(shè)計經(jīng)驗和知識，以及具備能夠使用TRIZ解決實際問題的能力。

圖2 TRIZ求解的一般過程

1.3 基于CBR與TRIZ的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計

基于CBR與TRIZ的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計，是在CBR方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合TRIZ理論，利用兩者的優(yōu)點彌補相互的不足（兩種方法的比較見表1［14］）從而實現(xiàn)產(chǎn)品的綠色創(chuàng)新設(shè)計?；贑BR與TRIZ的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計流程如圖3所示，其具體步驟如下：

表1 CBR與TRIZ的比較

（1）相似案例的檢索。根據(jù)待改進的綠色性能查找案例庫中的相似案例，套用案例的解決辦法，或者借鑒案例的思路對其進行修改以形成產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計的解決方案。

（2）設(shè)計問題向TRIZ工程參數(shù)轉(zhuǎn)化。當案例庫中沒有相似案例時，需要TRIZ工具的指導來進行系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計。分析設(shè)計問題，確定沖突并明確要改進和惡化的設(shè)計屬性，然后利用關(guān)聯(lián)表將其轉(zhuǎn)化成沖突矩陣相應的工程參數(shù)。

（3）利用沖突矩陣進行創(chuàng)新設(shè)計。針對上步得到的工程參數(shù)，利用TRIZ沖突矩陣中相應的發(fā)明原理消解沖突，形成創(chuàng)新設(shè)計方案。

（4）方案的可行性分析。當有多個創(chuàng)新設(shè)計方案滿足沖突消解的要求時，需要從創(chuàng)新設(shè)計方案的經(jīng)濟性、技術(shù)性、拆卸性和回收性上對創(chuàng)新設(shè)計方案進行評價，來確定最優(yōu)的創(chuàng)新方案。

圖3 基于CBR與TRIZ的綠色產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程

2 面向綠色產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的實例推理技術(shù)

2.1 產(chǎn)品設(shè)計知識

產(chǎn)品設(shè)計知識是人類在產(chǎn)品設(shè)計過程中總結(jié)的經(jīng)驗和規(guī)律。任何產(chǎn)品設(shè)計都是利用一定的知識和經(jīng)驗、從定性到定量，綜合運用各種知識的過程［15］。因此實現(xiàn)設(shè)計知識的有效利用，能夠支持產(chǎn)品快速設(shè)計，縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，提高產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計水平。產(chǎn)品設(shè)計實例知識的表達是基于實例推理的產(chǎn)品設(shè)計方法中的關(guān)鍵部分之一，但是當前產(chǎn)品實例知識表達不能很好地滿足產(chǎn)品功能、行為等語義信息描述，不能有效地支持產(chǎn)品設(shè)計。

2.2 基于本體的綠色產(chǎn)品設(shè)計實例表達

本體論（ontology）是一種概念化的說明，是對客觀存在的概念及其關(guān)系的一種描述［16］。本體定義了共享的詞匯，提供了概念的分類和關(guān)系，有力地支持了知識的表達。另外本體能夠從形式化上描述知識，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計知識跨學科和跨領(lǐng)域的應用和共享［17］。因此基于本體的實例設(shè)計知識表示方法可以彌補CBR方法在實例表達機制上的欠缺，有效地支持綠色產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計實例的表示。文獻［16］給出了本體的定義。

定義1 本體是某一領(lǐng)域D的概念化描述，它可以用一個四元組Ont＝（D，Con，Att，Ass）表示。其中，D 為本體應用的領(lǐng)域集；Con為領(lǐng)域D中的概念實體的有限集；Att為概念實體屬性的有限集；Ass是概念實體之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)。

產(chǎn)品綠色設(shè)計屬性的改進一般通過產(chǎn)品系統(tǒng)、部件或零件的綠色性能的改進而實現(xiàn)，而系統(tǒng)、部件綠色性能的改進最終也歸結(jié)于零件綠色性能的改進，因此可以用基本元和復合元來描述產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計實例的組成，圖4給出了綠色產(chǎn)品設(shè)計實例本體結(jié)構(gòu)。

定義2 基本元（basic unit）?；驹敲枋鰧嵗淖钚』締卧?，不可再分，用BU來表示。

定義3 復合元（complex unit）。復合元由若干個基本元組成，可以再分，用CU來表示，其中CU＝（BU1，BU2，…，BUn）

定義4 復合元本體的描述。復合元是由若干個基本元組成的復合體，其描述如下：

其中，CU＿D 為綠色產(chǎn)品設(shè)計實例的復合元域；CU＿Con為綠色產(chǎn)品設(shè)計實例復合元的概念實體，具體組成見表2；CU＿Att為綠色產(chǎn)品設(shè)計實例復合元的概念實體屬性，具體組成見表2；CU＿Ass為綠色產(chǎn)品設(shè)計實例復合元的概念實體關(guān)聯(lián)，具體組成見圖4。

表2 復合元概念實體的組成

定義5 基本元的本體描述。根據(jù)本體的概念，用4元組來定義基本元的本體：

圖4 面向綠色設(shè)計的產(chǎn)品實例本體結(jié)構(gòu)

其中，BU＿D 為綠色產(chǎn)品設(shè)計實例的基本元域；BU＿Con為綠色產(chǎn)品設(shè)計實例基本元的概念實體，主要由基本信息（BC＿Con）、綠色設(shè)計屬性（GDA＿Con）和技術(shù)沖突消解（TCR＿Con）三類概念構(gòu)成，具體組成見表3；BU＿Att為綠色產(chǎn)品設(shè)計實例基本元的概念實體屬性，具體組成見表3；BU＿Ass為綠色產(chǎn)品設(shè)計實例基本元的概念實體關(guān)聯(lián)，具體組成見圖4。

表3 基本元概念實體的組成

2.3 實例的檢索

為了提高檢索效率，本文采用檢索機制和過濾機制兩種機制（圖5）相結(jié)合的方法來進行綠色產(chǎn)品設(shè)計實例的檢索。

圖5 綠色產(chǎn)品實例檢索模型

2.3.1 基于XML的實例檢索機制

本文采用XML技術(shù)表示本體，采用XMLQL查詢語言實現(xiàn)實例檢索。基于XML格式的表示方法具有很強的表達能力，易于閱讀，便于組織、管理、維護和搜索知識點，而且可以利用XML結(jié)構(gòu)中的元素類型和屬性表示本體對象和屬性，利用XML的嵌套結(jié)構(gòu)描述本體中的層次關(guān)系，從而實現(xiàn)領(lǐng)域本體在XML結(jié)構(gòu)中的映射，形成領(lǐng)域本體知識的XML表示［18］。

采用XML－QL查詢語言實現(xiàn)實例檢索，該語言基本語法結(jié)構(gòu)是 WHERE／CONSTRUCT，其中WHERE指明要檢索的對象、變量以及條件，而CONSTRUCT部分指明要檢索出的結(jié)果。

2.3.2 基于三角模糊數(shù)的過濾機制

通過檢索機制檢索到的實例雖然從綠色設(shè)計屬性和沖突消解方面滿足要求，然而這些實例可能在回收性、拆卸性、經(jīng)濟性和技術(shù)性方面不能滿足用戶的要求，因此本文建立一個基于三角模糊數(shù)的過濾機制對檢索到的實例進行篩選，提高檢索的效率?；厥招?、拆卸性、經(jīng)濟性和技術(shù)性的語言變量的三角隸屬函數(shù)如圖6所示，表4給出了三角模糊數(shù)及其與語言變量的對應關(guān)系。假設(shè)通過檢索機制得到的綠色設(shè)計實例集合為Mf。

圖6 語言變量的三角隸屬函數(shù)圖

表4 語言變量及對應的三角模糊數(shù)

（1）定義一個閾值δ，δ∈ ［0，1］。

（2）定義目標實例過濾指標集合Pf，Pf＝；定義待檢索實例過濾指標集合 Qf， Qf＝。

（3）確定目標實例與檢索實例的相似度SimPQ：

其中，L（）表示取三角模糊數(shù)左邊的數(shù)值，M（）表示取三角模糊數(shù)中間的數(shù)值，R（）表示取三角模糊數(shù)右邊的數(shù)值。D（~a，~b）為兩個三角模糊數(shù)間的距離，距離越小說明兩個三角模糊數(shù)越相似，如圖7所示。

圖7 三角模糊數(shù)的距離

（4）從實例集合Mf中過濾不滿足要求的實例，得到實例集Jf，Jf＝｛Mf｜SimPQ≥δ｝。

3 基于TRIZ的綠色設(shè)計沖突消解

如果案例庫中沒有找到相似案例，那么需要利用TRIZ來解決產(chǎn)品綠色設(shè)計過程中遇到的沖突，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的綠色創(chuàng)新設(shè)計。基于TRIZ的綠色設(shè)計沖突消解，需要先將綠色設(shè)計屬性轉(zhuǎn)化成TRIZ沖突矩陣的工程參數(shù)（表5），然后根據(jù)工程參數(shù)利用TRIZ沖突矩陣表獲得發(fā)明原理。在綠色設(shè)計屬性向TRIZ工程參數(shù)的轉(zhuǎn)化中，文獻［19］把世界企業(yè)可持續(xù)發(fā)展委員會（world business council for sustainable development，WBCSD）提出的7個環(huán)境效率要素與TRIZ的工程參數(shù)相關(guān)聯(lián)，建立了環(huán)境效率要素與TRIZ工程參數(shù)的關(guān)聯(lián)表。在此基礎(chǔ)上，筆者建立了綠色設(shè)計屬性與TRIZ工程參數(shù)的關(guān)聯(lián)表（表6），可方便、快速地將綠色設(shè)計屬性轉(zhuǎn)化為TRIZ工程參數(shù)?？紤]產(chǎn)品設(shè)計的實際情況，可能會出現(xiàn)無法確定TRIZ工程參數(shù)和遇到空矩陣（沒有發(fā)明原理）的情形，此時可以利用文獻［20－21］中的方法解決該問題。

表5 TRIZ沖突矩陣的39個工程參數(shù)

4 創(chuàng)新方案可行性評價

創(chuàng)新方案的可行性評價有兩個作用：第一，作為過濾指標的評價結(jié)果；第二，可能有多個創(chuàng)新方案可以實現(xiàn)設(shè)計沖突的消解，因此需要對創(chuàng)新方案進行可行性評價，選取最優(yōu)的方案給予實施。綠色產(chǎn)品創(chuàng)新方案的可行性評價矩陣如表7所示，用Sco表示綠色產(chǎn)品創(chuàng)新方案的可行性評價結(jié)果：

式中，w1、w2、w3、w4分別為指標 C1、C2、C3、C4的權(quán)重；w1i、w2j、w3k、w4l分別為子指標C1i、C2j、C3k、C4l的權(quán)重；ScoC1i、ScoC2j、ScoC3k、ScoC4l分 別 為 子 指 標 C1i、C2j、C3k、C4l的評分。

表6 綠色設(shè)計屬性與TRIZ工程參數(shù)的關(guān)聯(lián)表

表7 產(chǎn)品綠色設(shè)計創(chuàng)新方案的可行性評價矩陣

采用打分法對各指標進行評估，各指標的評分范圍為1（差）～9（優(yōu)）。指標權(quán)重由模糊層次分 析 法 （fuzzy analytic hierarchy process，F(xiàn)AHP）確定，其步驟可見參考文獻［22］。

5 實例研究

筆者以上述方法為基礎(chǔ)，利用可擴展標記XML語言，開發(fā)了產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計支持平臺（其基本框架組成如圖8所示），用于綠色產(chǎn)品的開發(fā)，以某型號洗碗機零部件為例闡述創(chuàng)新過程。

圖8 產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計支持平臺基本框架組成

洗碗機屬于EuP（eco－design requirements for energy－using products directive）指令監(jiān)管的第十四類產(chǎn)品，因此對產(chǎn)品綠色性能有較高的要求。產(chǎn)品維修商和回收商對洗碗機底板的拆卸性提出了要求，洗碗機銷售商要求廣東某洗碗機制造企業(yè)改進其出口洗碗機底板的拆卸性能，使其能夠?qū)崿F(xiàn)非工具拆卸，并且成本變動范圍要小。洗碗機的關(guān)鍵零部件（如水杯、洗滌泵和電熱管等）位于洗碗機底部，原洗碗機的底板與下前橫檔和側(cè)板用螺釘連接（圖9）。改進前的拆卸順序為左右側(cè)板→前提腳板→下前橫檔→下后橫檔→底板，而且洗碗機經(jīng)長時間使用后螺釘容易銹死，因此不便于洗碗機的維護和維修以及廢棄后的拆卸回收處理。

圖9 底板零件的三維模型及其連接關(guān)系

首先運用產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計支持平臺的實例檢索模塊，通過借鑒以往成功案例的經(jīng)驗對洗碗機進行改進。為了借鑒其他類別產(chǎn)品的設(shè)計知識，擴大實例檢索范圍，不限定產(chǎn)品類別、功能等參數(shù)，將材料設(shè)定為“鋼材”，將綠色設(shè)計原則設(shè)定為“拆卸設(shè)計”，設(shè)計屬性設(shè)定為“連接類型”。為了滿足成本和拆卸性能的要求，在過濾條件中，將拆卸性能和經(jīng)濟性設(shè)定為“很好”，技術(shù)性能和回收性能設(shè)定為“良好”，然后進行實例檢索。從實例庫中搜索出的實例為電腦機箱側(cè)板，特征是將螺釘連接改為卡槽連接，實現(xiàn)了非工具手工拆卸，目前卡槽連接在很多產(chǎn)品中得到廣泛應用，技術(shù)十分成熟，因此本文借鑒該類型實例。

主機箱側(cè)板的卡槽不承受主機箱的重量，主要保證連接的可靠性，而洗碗機底板需要承受洗碗機以及餐具的重量，其強度要求較高，需要對原有實例進行修改后再用。利用TRIZ對原有實例進行修改，可將其對應為改善的工程參數(shù)No14“強度”，惡化的工程參數(shù)No11“應力或壓力”。調(diào)用基于TRIZ的沖突消解模塊對這一技術(shù)沖突進行問題求解，發(fā)現(xiàn)可采用發(fā)明原理3“局部特性”來進行求解，即將一物體或外在環(huán)境（動作）由相同成分組成的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成由不同成分組成的結(jié)構(gòu)。由此產(chǎn)生的綠色創(chuàng)新方案即在底板的左邊和右邊增加卡槽，使其共同承擔洗碗機的重量，從而改善底板應力狀況。為了驗證改進后底板的可靠性，在Abaqus的環(huán)境下進行應力分析，卡槽受到的最大應力為286MPa，小于底板材料的抗拉強度500MPa，滿足強度要求。改進后，只需將洗碗機底板直接從洗碗機底部抽出就可完成拆卸操作。

利用表7對綠色創(chuàng)新設(shè)計方案進行評價，其評價結(jié)果見表8。根據(jù)各評價指標的最大值和最小值以及表4中的語言變量，建立語匯轉(zhuǎn)換標準，將評價結(jié)果轉(zhuǎn)換為評價語匯。最后根據(jù)綠色設(shè)計實例存儲結(jié)構(gòu)將該設(shè)計案例存儲到數(shù)據(jù)庫中。

6 結(jié)語

（1）將TRIZ與實例推理方法有效地集成，提出了基于TRIZ與實例推理原理的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計方法，能夠很好地實現(xiàn)產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計。

（2）以本體論為基礎(chǔ)，結(jié)合TRIZ工具，給出了綠色產(chǎn)品設(shè)計實例的描述模型和檢索模型，實現(xiàn)了綠色產(chǎn)品設(shè)計實例的檢索、重用和修正。

（3）建立了綠色設(shè)計屬性與TRIZ工程參數(shù)的關(guān)聯(lián)表，便于設(shè)計人員將綠色設(shè)計屬性轉(zhuǎn)化為TRIZ工程參數(shù)，縮短綠色創(chuàng)新設(shè)計的時間。

表8 綠色產(chǎn)品創(chuàng)新方案的可行性評價

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