萬延見，李 彥，李文強(qiáng)，熊 艷，閆喜強(qiáng)

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

創(chuàng)新是企業(yè)進(jìn)步的靈魂，是推動企業(yè)持續(xù)、高效發(fā)展的重要保證。在產(chǎn)品創(chuàng)新實(shí)踐中，創(chuàng)造力是決定這一活動能否順利開展的重要因素［1］。創(chuàng)造力是設(shè)計者通過創(chuàng)造性思維，產(chǎn)生新穎適用產(chǎn)品、想法或服務(wù)的能力［2］。而對于創(chuàng)造性思維的過程大多較為復(fù)雜，是比較、分類、歸納等邏輯思維和形象、聯(lián)想、靈感等非邏輯思維的綜合運(yùn)用［3］。該過程既需要對已有的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域知識加以靈活運(yùn)用，更需要及時捕捉并有效利用產(chǎn)生的感性理解和認(rèn)識。研究表明，最具創(chuàng)造性、最有價值的設(shè)計思路，通常都蘊(yùn)藏于這些較為模糊、非定量的感性理解和認(rèn)識中［4］。

為了使設(shè)計者在創(chuàng)新構(gòu)思過程中能夠得到更多適用的設(shè)計思路，增強(qiáng)創(chuàng)造力，學(xué)者們提出了數(shù)百種創(chuàng)新方法［3］。這些方法本質(zhì)上是服務(wù)于創(chuàng)造性思維，引導(dǎo)/輔助/激勵設(shè)計者更好地進(jìn)行創(chuàng)新思考的創(chuàng)造性思維的工具［5］。但在具體創(chuàng)新應(yīng)用時，這些方法都存在一定的不足，或過于依賴于設(shè)計者的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域知識積累，或僅適用于部分問題類型、局部創(chuàng)新過程的情況。方法集成應(yīng)用正是解決這些問題的重要途徑之一。

目前已有一些基于多方法集成思想構(gòu)建出的應(yīng)用過程研究。例如：Malkin等創(chuàng)立的融合功能分析系統(tǒng)技術(shù)法（Function Analysis System Technique，F(xiàn)AST）方法、發(fā)明問題解決理論（Theory of Invention Problem Solving，TRIZ）、頭腦風(fēng)暴思想的引導(dǎo)式創(chuàng)新思維模型［6］；Yao等集成6W1H、功能分析、裁剪方法，構(gòu)建了面向問題型產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法［1］；Li等在“四個面向”問題分類框架下，提出了集成TRIZ、功能—行為—結(jié)構(gòu)（Function Behavior－Structure，F(xiàn)BS）、創(chuàng)造性模板、檢核表法等方法的策略化創(chuàng)新模式［7］。但已有研究大多都是基于方法應(yīng)用盲區(qū)的相互補(bǔ)充，而不是出于對設(shè)計者創(chuàng)新認(rèn)知思維過程及規(guī)律的綜合考慮。而且對于創(chuàng)造性思維本身來說，方法集成更應(yīng)基于對整個創(chuàng)新認(rèn)知思維過程加以綜合規(guī)劃，結(jié)合不同方法的應(yīng)用特點(diǎn)，對這些方法進(jìn)行再組合和再構(gòu)造，使之邏輯互聯(lián)、彼此協(xié)調(diào)，以形成一個有機(jī)的方法應(yīng)用整體，并為計算機(jī)輔助創(chuàng)新（Computer Aided Innovation，CAI）集成工具開發(fā)提供相應(yīng)的框架模型支持。

基于這一思想，本文在對設(shè)計者的創(chuàng)新認(rèn)知思維過程及規(guī)律加以較為系統(tǒng)的理解和認(rèn)識的基礎(chǔ)上，總結(jié)提煉出創(chuàng)新問題的一般解決過程及相應(yīng)的創(chuàng)新思維操作過程，進(jìn)而提出一種基于認(rèn)知思維過程的多方法集成式產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計策略，并進(jìn)行CAI實(shí)現(xiàn)，以體系化、導(dǎo)向性地輔助設(shè)計者較好地進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。

1 結(jié)構(gòu)化產(chǎn)品創(chuàng)新認(rèn)知思維過程

1．1 創(chuàng)新問題一般解決過程

從認(rèn)知角度來看，產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計是設(shè)計者通過大腦從外部攝入任務(wù)信息，使之轉(zhuǎn)化為工作記憶，并調(diào)用和提取以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)產(chǎn)生新記憶，然后再經(jīng)人腦綜合處理后輸出方案信息的思維往復(fù)操作過程［8－9］，即針對獲取的創(chuàng)新問題加以創(chuàng)造性解決的思維操作過程。

創(chuàng)造性解決問題的思維過程通常需要創(chuàng)新方法的支持。對于已有方法，根據(jù)思維特征的不同，本文將其分為思維流動型、思維操作型、思維程序型三類。其中，思維流動型方法將發(fā)明創(chuàng)造視為聯(lián)想、直覺和靈感等非邏輯思維活動的結(jié)果，包括頭腦風(fēng)暴法和檢核表法等；思維操作型方法注重邏輯思維與非邏輯思維在思考過程中的交互性操作，包括形態(tài)分析法和思維導(dǎo)圖等；思維程序型方法強(qiáng)調(diào)對客觀規(guī)律的運(yùn)用和對思維活動的組織，包括TRIZ理論和FBS方法等。前兩類方法的問題求解過程可抽象為如圖1a所示的規(guī)律，都側(cè)重于對設(shè)計者自身創(chuàng)新思維能力的挖掘，但存在對設(shè)計者的主觀依賴性強(qiáng)、創(chuàng)新結(jié)果隨意性大、數(shù)據(jù)繁雜等不足；思維程序型方法則遵循如圖1b所示的求解過程，通過規(guī)律運(yùn)用和思維組織，在一定程度上拓展了創(chuàng)新思考空間，規(guī)范了思考過程，但其中很多方法僅適用于部分問題類型、局部創(chuàng)新過程的情況［1］。

在秉承以上兩種問題求解過程優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過適度彌補(bǔ)已有應(yīng)用的不足，本文提煉出較為全面的問題求解過程模型，如圖2所示。它是對創(chuàng)新問題一般解決過程的抽象描述，通過獲取各種類型創(chuàng)新問題→問題核心（本質(zhì)）探究→轉(zhuǎn)化為一般問題→一般問題映射求解→領(lǐng)域內(nèi)類比思考→方案評價、組合、優(yōu)化處理等一系列的思維操作實(shí)現(xiàn)。

1．2 復(fù)合菱形思維操作過程

從思維形式來看，產(chǎn)品創(chuàng)新認(rèn)知思維過程既包括發(fā)散性思維操作，也包括收斂性思維操作。前者是從廣度上對設(shè)計信息進(jìn)行有益探索，以獲取更多的有益思考方向；后者則是從深度上對得到的信息加以評定、組合和遷移等更深層次的探討，以及時縮減分析的范圍，進(jìn)而增強(qiáng)思考的針對性和效率。且整個創(chuàng)新思考過程通常包括多個菱形思維單元［10］。其中，菱形思維是發(fā)散—收斂的思維形式組合。

在遵循提煉出的創(chuàng)新問題一般解決過程模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計和新產(chǎn)品的開發(fā)實(shí)際，將產(chǎn)品創(chuàng)新思考過程細(xì)化為問題確定、問題求解、方案發(fā)展三個階段，以及問題分析、問題發(fā)展、概念求解、領(lǐng)域求解、方案評價、組合優(yōu)化六個主要思維操作步驟。這些思維操作在思維形式上可形成如圖3所示的復(fù)合式菱形思維操作過程。其中：I表示初始信息，O表示機(jī)會信息，P表示創(chuàng)新問題，C表示概念方案，D表示領(lǐng)域方案，S表示創(chuàng)新方案，F(xiàn)表示最終創(chuàng)新方案。

問題分析的思考職能在于獲取到進(jìn)行創(chuàng)新思考的初始問題；問題發(fā)展是對問題作進(jìn)一步探究，以確定問題根本所在的操作；概念求解的職能在于實(shí)現(xiàn)問題空間向解空間的映射轉(zhuǎn)換，即生成一般解；領(lǐng)域求解是將一般解轉(zhuǎn)化為特殊解的操作；方案評價是對生成的方案進(jìn)行選優(yōu)的操作；組合優(yōu)化的職能則在于對優(yōu)選后的方案加以組合、改進(jìn)和完善處理。

此外，圖3還展現(xiàn)了問題再定義、概念激勵和方案重用三個主要創(chuàng)新信息反饋的操作。這些反饋性操作在創(chuàng)新思考過程中也經(jīng)常出現(xiàn)，是對思考過程的有益補(bǔ)充。

2 基于認(rèn)知思維過程方法策略及應(yīng)用

針對提出的復(fù)合菱形思維操作過程模型，結(jié)合不同設(shè)計階段及思維操作單元，集成應(yīng)用多種方法策略，以推動創(chuàng)新活動的順利開展。

2．1 創(chuàng)新問題確定

問題分析是通過對獲取的初始信息（主要包括市場調(diào)研信息和已有產(chǎn)品信息［11］）加以系統(tǒng)分析，以捕捉蘊(yùn)藏其間的創(chuàng)新機(jī)會的操作。本文采用質(zhì)量功能配置（Quality Function Deployment，QFD）方法對獲取到的市場調(diào)研信息進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)用戶需求信息向具體的產(chǎn)品技術(shù)特性的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而識別出較具創(chuàng)新潛力的技術(shù)需求特征、技術(shù)沖突、設(shè)計約束等創(chuàng)新機(jī)會信息，即得到缺陷問題、功能問題和感性問題三類進(jìn)行創(chuàng)新思考的問題。其中，缺陷問題指已有產(chǎn)品中存在的影響其主要功能發(fā)揮的功能結(jié)構(gòu)失效、沖突等問題；功能問題指對全新產(chǎn)品/已有產(chǎn)品的功能開發(fā)、改進(jìn)、替代需求；感性問題則指關(guān)于產(chǎn)品美感、觸感等官能性需求以及人文性需求。

針對已有產(chǎn)品信息，本文將失效模式分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）、物場分析以及進(jìn)化路線分析三種常用的方法相結(jié)合，從可靠性、完備性、理想性三個較為互補(bǔ)的角度，對蘊(yùn)藏其間的創(chuàng)新機(jī)會信息進(jìn)行全面挖掘。FMEA通過對產(chǎn)品潛在的失效及其原因進(jìn)行逐級分解，從失效事件的發(fā)生度、嚴(yán)重度和檢測度三方面進(jìn)行預(yù)估，計算得到重要程度較高的失效事件及特性，即缺陷問題；物場分析是結(jié)合產(chǎn)品中的關(guān)鍵功能和結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建物場模型，分析得到不完整、不足作用和有害作用三類非正常模型問題；進(jìn)化路線分析則對產(chǎn)品中的關(guān)鍵功能、結(jié)構(gòu)單元的進(jìn)化狀態(tài)和發(fā)展方向，結(jié)合TRIZ理論中的多條進(jìn)化路線加以預(yù)測和確定。

對整個創(chuàng)新設(shè)計過程來說，分析到問題的本質(zhì)通常比解決問題更為重要。問題發(fā)展正是針對經(jīng)QFD分析和FMEA分析得到的缺陷問題、功能問題所做的進(jìn)一步探究，以尋求到實(shí)現(xiàn)/解決這些創(chuàng)新機(jī)會的根本問題。對于缺陷問題，結(jié)合其問題的特點(diǎn)，采取尋根式追問思考的方式，利用根源分析的方法，對導(dǎo)致缺陷發(fā)生的根本原因加以探究；對于功能問題，利用系統(tǒng)功能分析的方法，結(jié)合構(gòu)建的功能組件鏈圖，對目標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析。而對于經(jīng)物場分析和進(jìn)化路線分析得到的問題，由于它們都有標(biāo)準(zhǔn)的概念解體系與之對應(yīng)，經(jīng)QFD分析得到的感性問題較為明確，都不需要進(jìn)行發(fā)展分析。

2．2 創(chuàng)新問題求解

如前所述，創(chuàng)新問題求解過程主要包含概念求解和領(lǐng)域求解兩步操作。概念求解是對問題發(fā)展分析后的缺陷問題、功能問題以及經(jīng)物場分析得到的非正常模型問題進(jìn)行映射求解，以得到進(jìn)一步創(chuàng)新思考的方向。對缺陷問題的求解包括兩條途徑：①結(jié)合TRIZ理論中的39個通用工程參數(shù)對其加以標(biāo)準(zhǔn)化處理，再利用沖突矩陣進(jìn)行發(fā)明原理求解；運(yùn)用FAST分析法，結(jié)合構(gòu)建的FAST分析模型，分析出與缺陷問題對應(yīng)的關(guān)鍵功能問題。②利用功能問題求解方法加以實(shí)現(xiàn)。對于功能問題，主要運(yùn)用FBS方法進(jìn)行功能映射求解，過程如圖4所示，即先結(jié)合功能基對功能問題進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再結(jié)合可獲取到的知識資源，針對目標(biāo)功能進(jìn)行知識檢索，進(jìn)而映射求得相應(yīng)的概念方案。對于非正常模型問題，則直接利用76個標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行求解。

領(lǐng)域求解是結(jié)合創(chuàng)新產(chǎn)品，對求得的概念方案信息（包括進(jìn)化路線分析的結(jié)果）做進(jìn)一步思考和轉(zhuǎn)換，對問題發(fā)展操作得到的感性問題加以求解，以得到較為具體的領(lǐng)域內(nèi)問題解決方案的過程。對于概念方案信息，可利用類比法，將概念方案信息及其他已有過程信息作為類比情景，再結(jié)合問題本身、產(chǎn)品特點(diǎn)及自身設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行類比關(guān)聯(lián)思考，進(jìn)而激勵產(chǎn)生相應(yīng)的領(lǐng)域方案。對于感性問題，則直接利用形態(tài)分析法，從外觀、質(zhì)感和人文等角度對產(chǎn)品的重要屬性進(jìn)行形態(tài)列舉，然后再結(jié)合生成的形態(tài)矩陣進(jìn)行形態(tài)組合、評價和篩選分析，以得到實(shí)現(xiàn)感性問題的最優(yōu)組合創(chuàng)新方案。

2．3 創(chuàng)新方案發(fā)展

經(jīng)上述兩個階段的操作，通?？梢缘玫蕉鄠€問題對應(yīng)下的多個領(lǐng)域方案。方案評價正是對這些方案（感性問題解決方案除外）加以整理、評定和篩選的操作，采用親和圖和系統(tǒng)評價的策略加以實(shí)現(xiàn)。首先，利用親和圖法，針對不同創(chuàng)新問題，將與相對應(yīng)的創(chuàng)新方案加以歸類處理；然后，針對每一問題，在淘汰絕對不合適的方案解后，再依據(jù)系統(tǒng)化設(shè)計中的若干優(yōu)選準(zhǔn)則（如表1），按 A、B→C、D→E、F的評價順序，逐級對方案進(jìn)行評價篩選［12］。

表1 系統(tǒng)化設(shè)計的評價準(zhǔn)則

對于組合優(yōu)化操作，則通過先應(yīng)用形態(tài)分析法，將各問題作為獨(dú)立要素，將篩選后的方案作為形態(tài)（含感性問題解決方案），構(gòu)建相應(yīng)的形態(tài)分析矩陣；然后進(jìn)行形態(tài)組合評價和篩選分析；最后對得到的最優(yōu)組合方案的功能/結(jié)構(gòu)間的輸入、輸出邏輯加以思考，以探究存在/可能存在的邏輯缺失、沖突等新問題，思考并解決這些問題（也可直接進(jìn)行問題分析操作），以對原有方案做相應(yīng)的補(bǔ)充、修正、改進(jìn)等優(yōu)化處理，進(jìn)而生成最終的產(chǎn)品創(chuàng)新方案。

2．4 多方法集成式創(chuàng)新設(shè)計流程

結(jié)合以上幾個階段方法應(yīng)用的闡述，構(gòu)建出相應(yīng)的方法集成化創(chuàng)新應(yīng)用流程，如圖5所示，具體步驟如下：

步驟1 結(jié)合設(shè)計背景、產(chǎn)品需求、目標(biāo)成本等信息，構(gòu)建創(chuàng)新項(xiàng)目，并編寫相應(yīng)的項(xiàng)目任務(wù)書。

步驟2 選取創(chuàng)新問題的來源，即根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書，確定是從市場調(diào)研信息挖掘開始，還是直接針對已有產(chǎn)品進(jìn)行分析。

步驟3 確立問題來源后，若從市場調(diào)研信息入手，則直接利用QFD方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析，以獲取相應(yīng)的創(chuàng)新機(jī)會信息；若從已有產(chǎn)品角度出發(fā)，則先選取問題分析的方法，再利用選取方法的分析工具及策略加以探究。其中，經(jīng)物場分析后，直接跳轉(zhuǎn)到步驟6進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)解求解分析；經(jīng)進(jìn)化路線分析后，則直接跳轉(zhuǎn)到步驟7加以類比思考。

步驟4 對分析得到的機(jī)會信息進(jìn)行問題分類，以確定其問題類型。

步驟5 針對缺陷問題和功能問題，分別利用對應(yīng)的方法對其進(jìn)行深入探討，以得到解決問題的根本所在。而對于感性問題，則直接跳轉(zhuǎn)到步驟7，進(jìn)行形態(tài)組合分析。

步驟6 選取創(chuàng)新問題，并選擇問題類型下對應(yīng)的概念求解方法，利用這些方法對應(yīng)的分析工具及策略進(jìn)行求解分析，映射得到相應(yīng)的概念方案。

步驟7 選取概念方案，結(jié)合具體產(chǎn)品和問題進(jìn)行領(lǐng)域類比思考，使之轉(zhuǎn)化為能解決特殊問題的領(lǐng)域方案。而對于感性問題，則進(jìn)行形態(tài)組合分析，然后跳轉(zhuǎn)到步驟11。

步驟8 將經(jīng)初步篩選的領(lǐng)域方案按不同問題、不同方案分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行親和圖分類處理。

步驟9 利用系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)，針對不同問題枝節(jié)下的多個方案進(jìn)行逐級評價篩選。

步驟10 結(jié)合篩選后的方案，根據(jù)其所解決的不同問題構(gòu)建形態(tài)分析矩陣，并進(jìn)行方案組合思考，以生成最優(yōu)組合方案解。

步驟11 針對得到的組合方案，從協(xié)調(diào)性、完整性等多個方面對其做進(jìn)一步的優(yōu)化處理，進(jìn)而得到創(chuàng)新性和適用性俱佳的最終創(chuàng)新方案。

3 多方法集成式創(chuàng)新原型系統(tǒng)

在創(chuàng)新思考過程中，尤其在構(gòu)思新產(chǎn)品概念時，僅靠設(shè)計者的自身經(jīng)驗(yàn)和知識結(jié)構(gòu)往往是不夠的，很難獲得高水平的創(chuàng)新成果，需要來自多學(xué)科的知識儲備、多領(lǐng)域的技術(shù)工具做支撐［13］。針對提出的多方法集成式創(chuàng)新應(yīng)用過程模型，通過融合認(rèn)知科學(xué)、信息技術(shù)及創(chuàng)新設(shè)計理論，開發(fā)出相應(yīng)的CAI原型系統(tǒng)。限于篇幅，本文僅對系統(tǒng)的體系架構(gòu)加以闡述。如圖6所示，該體系架構(gòu)主要包含用戶交互層、應(yīng)用接口層、推理服務(wù)層、基礎(chǔ)資源層。

（1）用戶交互層主要給用戶提供一個友好的人機(jī)交互界面，提供多角色參與者登錄、信息輸入和輸出的界面，對整個設(shè)計過程加以可視化。支持對空間對象進(jìn)行直接查詢和分析，并針對不同角色的設(shè)計權(quán)限，提供不同的創(chuàng)新視圖。同時，也包含管理員對系統(tǒng)及知識庫進(jìn)行的日常維護(hù)操作界面。

（2）應(yīng)用接口層為系統(tǒng)的使用者提供多種模塊功能及相關(guān)接口，是推理層與用戶層的中間轉(zhuǎn)換層。該層提供不同專業(yè)應(yīng)用接口、不同環(huán)境管理工具以及重構(gòu)和配置創(chuàng)新資源工具等。采用超文本鏈接標(biāo)記語言（HyperText Markup Language，HTML）、Java伺服端網(wǎng)頁（Java Server Page，JSP）、Web2．0等技術(shù)進(jìn)行原型系統(tǒng)開發(fā)，支持用戶以文本、圖形、超文本等方式向系統(tǒng)請求服務(wù)交互。

（3）推理服務(wù)層整個系統(tǒng)的核心包括支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程各個階段應(yīng)用模塊的實(shí)現(xiàn)性操作，如檢索/匹配、整合/調(diào)度、綜合/評價等。主要根據(jù)設(shè)計過程中用戶輸入的設(shè)計信息，為其提供所需的設(shè)計原理及過程推理方法、工具支持，是搜索引擎、Web service、自然語義本體、智能推送服務(wù)等工具和技術(shù)的應(yīng)用。最后，以服務(wù)指令的形式，規(guī)則調(diào)用相應(yīng)的創(chuàng)新資源。既包括系統(tǒng)功能建模、類比思考等人機(jī)交互式和選擇性信息接入操作，也包括信息轉(zhuǎn)換、映射求解、評價計算等多個推理應(yīng)用模塊，以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新信息映射轉(zhuǎn)換和智能調(diào)用相應(yīng)資源的操作。

（4）基礎(chǔ)資源層主要為創(chuàng)新設(shè)計過程提供數(shù)據(jù)支持，包括計算資源、軟件資源、知識資源、廣域網(wǎng)絡(luò)資源和專家資源等。其中，知識資源是系統(tǒng)的主體資源，由需求信息庫、本體庫、效應(yīng)庫和評價庫等多個知識庫及多層信息檢索引擎組成。這些庫主要以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的形式存在，而對于大量文件、圖表、聲音和視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，則用文檔數(shù)據(jù)庫的形式加以管理。

4 示例

敲釘機(jī)是將緊固件推入工件裝置的常用工具之一，通常使用的范圍從手工藝品加工到建筑構(gòu)造的工程中，但目前這一工具仍以手動為主［14］。為滿足大工程作業(yè)的要求，迫切需要開發(fā)一種新型的手握式自動敲釘機(jī)。

經(jīng)前期市場調(diào)研獲取到大量的市場信息。故選用QFD方法對已獲取的用戶需求信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化整理，構(gòu)建的質(zhì)量屋如圖7所示。通過對質(zhì)量屋加以評定計算分析，得到自動敲釘機(jī)的創(chuàng)新機(jī)會點(diǎn)主要在于增加打釘力、增加打釘速度、減小噪聲等技術(shù)特性，以及“打釘力與使用壽命”等技術(shù)沖突信息。

選取增加打釘速度、增加打釘能量等創(chuàng)新價值較高的功能問題，利用系統(tǒng)功能分析方法對其做進(jìn)一步功能細(xì)化和挖掘。首先，結(jié)合已有的無線敲釘機(jī)產(chǎn)品信息構(gòu)建相應(yīng)的功能模型，如圖8所示。然后，再結(jié)合問題及構(gòu)建的模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可將問題進(jìn)一步轉(zhuǎn)化并抽象為多個功能創(chuàng)新問題，如“存儲/吸收能量”、“將動能傳遞給釘子”等。

針對上一步操作得到的創(chuàng)新問題，運(yùn)用FBS方法進(jìn)行知識映射求解，可得到：①“彈簧效應(yīng)”、“易彎曲筋條吸收沖擊能”、“勒沙特列原理”等效應(yīng)知識；②“螺紋式磁水器”、“一種電機(jī)驅(qū)動的雙飛輪自動敲釘機(jī)”、“二氧化碳?xì)馄堪l(fā)射水槍”等專利知識；③“蝸輪傳動”、“往復(fù)液壓缸”、“扭轉(zhuǎn)推動”等領(lǐng)域知識；等等。然后，結(jié)合敲釘機(jī)及具體創(chuàng)新問題，運(yùn)用類比法對生成的原理解進(jìn)行領(lǐng)域具體化思考，進(jìn)而激勵產(chǎn)生“液壓缸增壓”、“運(yùn)動的質(zhì)量塊”、“纏繞彈簧”等蓄積動能，以及“沖錘單次沖擊”、“推動釘子”等施加動力的多個解決方案，如圖9所示。

按所解決的創(chuàng)新問題及對應(yīng)的能量形式（化學(xué)能、風(fēng)能、水力能、電能等）不同，將得到的領(lǐng)域方案分成多個子類，進(jìn)行方案親和圖分析。利用前文的評價準(zhǔn)則逐級對方案加以評價，篩選得到較優(yōu)的方案集。結(jié)合篩選的結(jié)果，構(gòu)建相應(yīng)的方案形態(tài)矩陣（如表2）。組合這些形態(tài)，進(jìn)而激勵產(chǎn)生多個組合方案，如圖10所示。其中，方案1通過螺線管不斷“壓縮—松開”彈簧，以實(shí)現(xiàn)多次沖擊驅(qū)動釘子；方案2利用線性馬達(dá)推動一個質(zhì)量錘，使之吸收并積蓄動能，再通過單次沖擊將動能傳遞給釘子；方案3則通過馬達(dá)轉(zhuǎn)動凸輪，凸出端推動撞桿向上運(yùn)動，壓縮彈簧使之吸收并存儲潛在能量，再以單次沖擊的形式將能量傳遞給釘子。

表2 敲釘機(jī)創(chuàng)新方案形態(tài)分析矩陣

設(shè)計師再結(jié)合自身工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)、企業(yè)實(shí)際情況及現(xiàn)有材料，從相容性、創(chuàng)新性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和社會性五個方面，對得到的組合方案進(jìn)行評價，篩選出方案3為較優(yōu)組合方案。最后，對方案3做進(jìn)一步補(bǔ)充和優(yōu)化處理，得到最終創(chuàng)新方案。

5 結(jié)束語

本文在創(chuàng)新問題一般解決過程模型和復(fù)合菱形思維操作過程模型的基礎(chǔ)上，提出一種多方法集成式產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計策略。針對模型中的思維操作單元、應(yīng)用方法、創(chuàng)新流程及原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為全面的闡述。結(jié)合敲釘機(jī)創(chuàng)新示例，對策略及系統(tǒng)的應(yīng)用過程、實(shí)用性和有效性進(jìn)行了演示與驗(yàn)證。后續(xù)研究將繼續(xù)結(jié)合創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)際，對提出的創(chuàng)新策略及原型系統(tǒng)做進(jìn)一步改進(jìn)和完善，以更好地輔助設(shè)計者開展產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計活動。

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