鮑 宏， 張 雷， 卞本羊， 彭宏偉

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)，創(chuàng)新成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的核心，國內(nèi)外大量學(xué)者對產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)展開了研究。文獻(xiàn)［1］為開發(fā)環(huán)境友好型綠色產(chǎn)品，提高綠色產(chǎn)品的創(chuàng)新效率，提出了基于TRIZ和實(shí)例推理原理的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)［2］提出了一種將全生命周期評價(jià)（LCA）與TRIZ相結(jié)合的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，結(jié)合生態(tài)設(shè)計(jì)要求與TRIZ理論中的技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理完成產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)，最后對模型進(jìn)行生命周期評價(jià)，從而確定產(chǎn)品整個生命周期是否符合生態(tài)設(shè)計(jì)的要求；文獻(xiàn)［3］提出了一種結(jié)合公理化設(shè)計(jì)、TRIZ和混合整數(shù)規(guī)劃來解決工程設(shè)計(jì)問題的方法，以一種機(jī)車的鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證了該方法的有效性；文獻(xiàn)［4］提出了基于不同視角的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程統(tǒng)一模型，并將TRIZ進(jìn)化理論集成到產(chǎn)品創(chuàng)新解的產(chǎn)生環(huán)節(jié)，利用TRIZ進(jìn)化理論，確定產(chǎn)品進(jìn)化較差的進(jìn)化路線，預(yù)測未來技術(shù)的可能結(jié)構(gòu)狀態(tài)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)者沿著正確的方向產(chǎn)生創(chuàng)新解，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

上述關(guān)于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究取得了一系列的研究成果，但是在如何利用相關(guān)理論生成創(chuàng)新問題解決方案的研究方面還較為匱乏。本文運(yùn)用TRIZ矛盾分析理論，通過對待解問題進(jìn)行綜合分析，尋找出解決問題的入手點(diǎn)；通過定義技術(shù)矛盾和查找矛盾矩陣確定發(fā)明原理，并基于知識重用理論，在已有的創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識庫中生成創(chuàng)新備選方案集；以產(chǎn)品的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能、綠色性能為評價(jià)指標(biāo)對創(chuàng)新備選方案集進(jìn)行評價(jià)，最終篩選出最優(yōu)解決方案，指導(dǎo)創(chuàng)新問題的解決。以純電動汽車電機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)為例，說明該方法具體的實(shí)施過程。

1 TRIZ矛盾分析理論

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）又名萃智，最早于1946年由前蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒先生和他的團(tuán)隊(duì)提出［5］。TRIZ問題的一般解題模式：首先對待解決問題進(jìn)行問題分析，建立標(biāo)準(zhǔn)TRIZ問題模型；然后利用TRIZ中的解題工具進(jìn)行求解，形成備選解決方案集；最后對備選方案集進(jìn)行評價(jià)，篩選出最優(yōu)解決方案，指導(dǎo)解決創(chuàng)新問題。

TRIZ理論認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)和消除矛盾是產(chǎn)品進(jìn)化和發(fā)展的主導(dǎo)力量，解決問題的關(guān)鍵是對矛盾進(jìn)行消解，而找到矛盾、準(zhǔn)確地定義矛盾是解決問題的前提條件［6］。本文采用矛盾分析理論對創(chuàng)新問題進(jìn)行分析，找出系統(tǒng)中存在的技術(shù)矛盾，繼而查找矛盾矩陣，確定出對應(yīng)的發(fā)明原理，根據(jù)發(fā)明原理得到的啟迪，利用知識重用理論生成備選方案集。

（1）問題分析。對待解決問題進(jìn)行分析，明確產(chǎn)品的工作環(huán)境以及需要解決的問題，分析問題產(chǎn)生的根本原因，尋找出解決問題的入手點(diǎn)。

（2）定義技術(shù)矛盾。定義技術(shù)矛盾可分為3步：① 在問題分析過程中明確需要解決的問題；② 為解決該問題，提出一種解決方案，該解決方案改進(jìn)了A參數(shù)；③ 該解決方案改進(jìn)了A參數(shù)，但同時(shí)惡化了B參數(shù)，由此產(chǎn)生了技術(shù)矛盾。

（3）查找矛盾矩陣，確定對應(yīng)發(fā)明原理。確定出技術(shù)矛盾之后，便可查找矛盾矩陣表，找出對應(yīng)的發(fā)明原理，根據(jù)TRIZ發(fā)明原理提供的解題思路，利用知識重用理論，綜合相關(guān)的專利和創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識庫形成創(chuàng)新問題備選方案集。

2 基于知識重用的備選方案集生成

通過TRIZ中的矛盾分析理論對創(chuàng)新問題進(jìn)行求解，確定出解決問題的可用發(fā)明原理。然而，如何利用TRIZ給出的發(fā)明原理，形成具體的可行的創(chuàng)新問題解決方案，便成為解決問題的關(guān)鍵。產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識重用是指對產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程以及該過程中形成的設(shè)計(jì)信息、設(shè)計(jì)規(guī)則和設(shè)計(jì)方法與經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行一系列的知識獲取、表達(dá)、存儲等處理，最終重復(fù)應(yīng)用到當(dāng)前的設(shè)計(jì)活動中，用于解決新的設(shè)計(jì)問題［7］，因此，本文在對問題進(jìn)行矛盾分析的基礎(chǔ)上，利用知識重用理論輔助生成創(chuàng)新問題備選方案集。

2.1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的本體知識表達(dá)

創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識是指產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一切活動所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和法則，包括在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段所獲得的經(jīng)驗(yàn)、形成的案例以及文檔知識等。本體論［8］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。在此引入本體目的之一是使術(shù)語“標(biāo)準(zhǔn)化”，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識的規(guī)范化及有效地共享知識；其次是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新知識的“可重用性”。

定義1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)本體可以用一個四元組Ont＝（D，Con，Att，Ass）表示。其中，D 為本體應(yīng)用的領(lǐng)域集；Con為領(lǐng)域D中的概念實(shí)體的有限集；Att為概念實(shí)體屬性的有限集；Ass為概念實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)［9］。

為了便于創(chuàng)新知識的規(guī)范表達(dá)和存儲，根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識概念和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)容，基于本體思想，將創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識分為：

其中，Bk為產(chǎn)品基本設(shè)計(jì)知識概念集，是指設(shè)計(jì)一個產(chǎn)品應(yīng)包含的全部的設(shè)計(jì)信息，包括所屬產(chǎn)品類別、產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)組成、材料類型和外觀設(shè)計(jì)等；Gk為產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)知識概念集；Tk為TRIZ原理知識概念集，包括物－場分析、矛盾分析、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則和ARIZ算法等；Ck為創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例知識概念集，包括產(chǎn)品實(shí)例名稱、實(shí)例類型、實(shí)例使用說明、產(chǎn)品實(shí)例部件和功能等。

綠色設(shè)計(jì)知識［10］概念集Gk是指產(chǎn)品在進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)的過程中所獲得的設(shè)計(jì)知識，包括產(chǎn)品的材料選擇、可拆解設(shè)計(jì)、可回收設(shè)計(jì)以及低碳設(shè)計(jì)等，可形式化表述為：其中，Gki為產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)知識空間中某一項(xiàng)知識元素概念；Gaj為綠色設(shè)計(jì)知識中某一屬性概念。

根據(jù)上述對創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域本體的形式化描述，按照自上而下的方法建立創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識領(lǐng)域本體類層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識領(lǐng)域本體層次結(jié)構(gòu)

2.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識的重用方法

構(gòu)建本體的最終目的在于支持創(chuàng)新知識的表示和檢索。通過對領(lǐng)域本體及其概念屬性進(jìn)行形式化描述，將以往的設(shè)計(jì)實(shí)例通過語義標(biāo)注方法，以本體的形式存儲在知識庫中，從而按照設(shè)定的檢索算法在知識庫中進(jìn)行知識檢索，獲得排序的目標(biāo)知識實(shí)例集合。本文采用基于Word net的名稱相似度檢索算法［11］進(jìn)行目標(biāo)創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識的檢索，計(jì)算公式可以表示如下：

其中，x1i∈X1，x2j∈X2，X1和X2為概念a和b在Word net中的所有同義詞集合；x為概念a和b的名稱在Word net中公共父節(jié)點(diǎn)；count（x）為節(jié)點(diǎn)x及其子節(jié)點(diǎn)所包含的單詞個數(shù)；total為Word net詞典單詞總數(shù)。通過（3）式計(jì)算得到知識庫中各實(shí)例與檢索詞的相似度大小，獲得排序的知識實(shí)例集合，對該集合進(jìn)行篩選、分析、重用和修改，形成創(chuàng)新備選方案集。

3 創(chuàng)新備選重用方案集的評價(jià)

設(shè)備選方案集為P，其中有t個備選方案，記為P＝（p1，p2，…，pt）；以產(chǎn)品的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能以及綠色性能為評價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法［12］計(jì)算出評價(jià)指標(biāo)的相對權(quán)重，分別記為W＝（w1，w2，w3）；利用專家打分法對備選方案進(jìn)行打分，形成3×t階的判斷矩陣A，記為：

其中，A12表示第2個備選方案關(guān)于第1個評價(jià)指標(biāo)的評分值，依此類推。

依據(jù)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重對各個創(chuàng)新備選方案進(jìn)行加權(quán)處理，篩選出得分最高的備選方案為最優(yōu)方案。第i個備選方案的綜合得分值SPi為：

基于TRIZ矛盾分析理論，通過對待解決問題進(jìn)行問題分析，尋找出解決問題的入手點(diǎn)；通過定義技術(shù)矛盾，查找矛盾矩陣，獲得目標(biāo)發(fā)明原理，利用知識重用理論，生成備選方案集；對形成的備選方案集進(jìn)行篩選評價(jià)，獲得最優(yōu)解決方案，從而指導(dǎo)實(shí)際問題的求解。綠色產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法流程如圖2所示。

圖2 基于知識重用理論的綠色產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

4 應(yīng)用實(shí)例

以純電動汽車電動發(fā)動機(jī)（以下簡稱電機(jī)）的改進(jìn)設(shè)計(jì)為例，說明該方法的具體實(shí)施過程。

4.1 問題分析

純電動汽車中的車載空調(diào)壓縮機(jī)一般裝配在電機(jī)上，通過在電機(jī)上預(yù)留凸臺完成與電機(jī)的緊固連接，電機(jī)樣圖如圖3所示。

根據(jù) QC－T 413－2002［13］中產(chǎn)品耐振動性能規(guī)定：電機(jī)產(chǎn)品應(yīng)能經(jīng)受X、Y、Z3個方向的掃頻振動試驗(yàn)。根據(jù)產(chǎn)品的安裝部位，其掃頻振動試驗(yàn)的嚴(yán)酷等級應(yīng)符合表1所列的規(guī)定。

圖3 改進(jìn)前的電機(jī)樣機(jī)圖

表1 掃頻振動試驗(yàn)嚴(yán)酷度等級

從表1可以看出，電機(jī)由于其特殊的工作環(huán)境應(yīng)具有良好的耐沖擊和耐振動等性能，而圖3所示圓柱形凸臺在工作一段時(shí)間后會出現(xiàn)疲勞受損或斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)噪音增大、震動劇烈等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞電機(jī)；同時(shí)，由于電動汽車屬于綠色類產(chǎn)品，其綠色性能如產(chǎn)品的能耗、可拆卸性、回收率等需嚴(yán)格遵守相關(guān)環(huán)保法律法規(guī)的規(guī)定。

4.2 定義技術(shù)矛盾

（1）找出問題。為滿足特定的工作要求，電機(jī)與壓縮機(jī)完成裝配且需要耐振動沖擊。

（2）現(xiàn)有解決方法。在電機(jī)的機(jī)身上安裝凸臺，完成壓縮機(jī)與電機(jī)的限位與緊固連接。

（3）產(chǎn)生新問題，確定技術(shù)矛盾。圓柱形凸臺的疲勞強(qiáng)度不夠，經(jīng)常出現(xiàn)疲勞受損或斷裂現(xiàn)象；同時(shí)，由于圓柱形凸臺通常采用機(jī)加工方式進(jìn)行加工，雖然加工工藝簡單，但是加工效率較低，難以滿足批量定制的加工要求，而且綠色性能較差。因此，可確定技術(shù)矛盾如下：① 需改善的技術(shù)參數(shù)，即結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（No.13）和可靠性（No.27）；② 惡化的參數(shù)，即強(qiáng)度（No.14）和生產(chǎn)率（No.39）。

4.3 查找矛盾矩陣，確定發(fā)明原理

根據(jù)以上定義的技術(shù)矛盾，查閱阿奇舒勒矛盾矩陣，得到表2所列的發(fā)明原理。

表2 目標(biāo)發(fā)明原理

對得到的發(fā)明原理進(jìn)行可行性篩選，確定可用發(fā)明原理為：發(fā)明原理1（分割）、發(fā)明原理10（預(yù)先作用）和發(fā)明原理17（一維變多維）。

4.4 基于知識重用的備選方案集生成

對上述可用發(fā)明原理“分割”、“預(yù)先作用”和“一維變多維”進(jìn)行基于本體的語義轉(zhuǎn)化處理，采用（3）式計(jì)算相似度，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識實(shí)例庫中進(jìn)行知識的檢索，相似度閾值設(shè)為0.80，從而得到符合要求的知識實(shí)例見表3所列。

表3 知識庫實(shí)例與需求實(shí)例的相似度

通過對表3中各設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行分析，綜合考慮實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和綠色設(shè)計(jì)知識，生成創(chuàng)新備選方案集。

（1）方案1。在原有數(shù)量凸臺的基礎(chǔ)上，增加1個凸臺，同時(shí)在凸臺上安裝加強(qiáng)筋，提高凸臺的疲勞強(qiáng)度；改變原來的圓柱形凸臺的物理形狀和參數(shù)，對圓柱形凸臺進(jìn)行拔模和倒圓角處理，方便進(jìn)行開模具生產(chǎn)和報(bào)廢后的拆卸回收。

（2）方案2。在原有數(shù)量凸臺的基礎(chǔ)上，增加1個凸臺并選用強(qiáng)度更高、綠色性能更好的材料進(jìn)行凸臺的生產(chǎn)制造。

（3）方案3。除去凸臺，全部采用螺紋連接的方式完成與壓縮機(jī)的限位與緊固連接，使得產(chǎn)品的可拆卸性能得到一定的提高。

（4）方案4。改變原有圓柱形凸臺形狀，采用螺栓連接完成與壓縮機(jī)的限位與緊固連接；對螺栓進(jìn)行加工預(yù)處理，提高其疲勞強(qiáng)度。

4.5 方案評價(jià)，篩選出最優(yōu)方案

用層次分析法計(jì)算產(chǎn)品技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能及綠色性能3項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的相對權(quán)重，記為W＝（0.54，029，0.17）。以“1”“3”“5”“7”“9”表示各個方案相對于評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣程度，“1”表示差，“3”表示較差，“5”表示一般，“7”表示較好，“9”表示好，“2”“4”“6”“8”介于各個評價(jià)等級之間。采用（2）式、（3）式對各備選方案進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果分別為：SP1＝7.49，SP2＝5.54，SP3＝4.75，SP4＝4.95，可知方案1的綜合得分最高，故采用方案1中的方法對電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的樣機(jī)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的電機(jī)樣機(jī)

方案1中，在電機(jī)的機(jī)身上增加了1個凸臺，在各個凸臺上安裝加強(qiáng)筋，提高了凸臺的疲勞強(qiáng)度，使得電機(jī)的耐振動性有了顯著的提高；對凸臺進(jìn)行拔模和倒圓角處理，便于采用開模具生產(chǎn)，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，減少了產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段的能耗；同時(shí)，對凸臺進(jìn)行拔模和倒圓角處理，使得產(chǎn)品的可拆卸性有了一定程度上的提高，有利于產(chǎn)品的拆解回收。

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用TRIZ矛盾分析理論，通過對待解決問題進(jìn)行分析和矛盾求解，找出解決問題的契機(jī)：目標(biāo)發(fā)明原理；利用知識重用理論，綜合考慮創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識庫及實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，獲得創(chuàng)新問題的備選方案集，以產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟(jì)性能以及綠色性能等作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，篩選出最優(yōu)解決方案，指導(dǎo)創(chuàng)新問題的解決。利用基于本體對設(shè)計(jì)知識進(jìn)行本體表達(dá)，從而方便對于目標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)例的檢索，提高了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的效率。以純電動汽車電機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)為例，說明該方法的有效性，并為如何利用知識重用理論進(jìn)行產(chǎn)品的綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供可借鑒的方法和經(jīng)驗(yàn)。

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