孫建廣，李浩宇，王 康，王 宇，張路路

(1.河北工業(yè)大學 國家技術創(chuàng)新方法與實施工具工程技術研究中心，天津 300401； 2.河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300401)

1 問題的提出

作為解決科學技術問題的重要途徑，跨學科研究的發(fā)展處于明顯的上升階段[1]。PORTER等[2]認為跨學科是從不同知識領域集成研究所需要素和解決超出單一學科研究的問題；ALLEN[3]認為跨學科是試探式、反復式、反省式的決策進程；章成志等[4]認為相關定義雖然不統(tǒng)一，但是都強調(diào)跨學科的組織過程具有集成、共享與合作的特點。在工程設計過程中，ERTAS[5]認為實現(xiàn)跨學科創(chuàng)新需要在多個工程領域之間形成一個協(xié)同網(wǎng)絡。

TERNINKO等[6]認為專利主要包括機械、電磁學、化學和熱力學4個技術學科，設計人員可從如圖1所示的4個學科領域擴展知識。王朝霞等[7]指出從專利提取重要技術方案信息可以避免重復設計；劉龍繁等[8]指出知識范圍越大，知識層次越高，越有助于從不同角度認識問題。

GOOCH等[9]認為跨學科既提供創(chuàng)新機會，也面臨如何實現(xiàn)協(xié)同的困難；ARROYAVE等[10]認為跨學科工程設計需要一個普適化的框架。因此，有必要探索解決工程技術方面跨學科問題的技術創(chuàng)新方法。

ALTSHULLER通過分析大量高級專利提出發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving, TRIZ)[11]，在如圖2所示的模型中，采用類比將具體領域問題表征為問題模型，利用TRIZ工具找到原理解；然后在第二次類比過程中注入跨學科知識，將原理解轉(zhuǎn)化為具體領域解。因此，設計人員利用TRIZ可以從多領域知識獲得啟發(fā)，突破自身思維限制[12]。Altshuller開發(fā)一套解決發(fā)明問題算法——ARIZ，用于感知-分析-響應決策流程中解決有序領域問題頗有成效[13-14]。然而，跨學科問題內(nèi)含大量對象與參數(shù)聯(lián)系，其背后的沖突為動態(tài)性變化，利用ARIZ逐個解決沖突時產(chǎn)生的方案缺少關聯(lián)性[15]?？梢夾RIZ雖然能夠從多元視角分析跨學科問題，但是難以促進協(xié)同，因此KHOMENKO等[13]和CAVALLUCCI等[16]發(fā)展了一種用于管理與解決跨學科問題的強勢思維一般理論(General Theory of Powerful Thinking, OTSM)。

OTSM[13]旨在從描述初始問題到獲得滿意概念解的過程中，通過網(wǎng)絡描述跨學科問題的復雜情況，利用“元素-名稱-量值”(Element-Name-Value,ENV)模型規(guī)范表達多個沖突。國內(nèi)外研究分為構建問題網(wǎng)、選擇關鍵問題、管理沖突網(wǎng)、描述沖突4個方面。

在構建問題網(wǎng)方面，KHOMENKO等[17]首先提出問題網(wǎng)的構建步驟；CAVALLUCCI等[16,18]將問題網(wǎng)分為問題域和半效解域，分別提取不滿意的評價參數(shù)和改變設計的行動參數(shù)，并提出4種網(wǎng)絡發(fā)展方式；張建輝等[19]利用物元模型規(guī)范描述問題的對象、特征和量值。

在選擇關鍵問題方面，KHOMENKO等[17]考慮底層網(wǎng)絡有許多未知情況，優(yōu)選接近改善目標的子問題；BORGIANNI等[20]引入層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)篩選最佳半效解；張建輝等[19]提出5種判別關鍵問題的依據(jù)。

在管理沖突網(wǎng)方面，ELTZER等[21]通過挖掘中間參數(shù)收斂網(wǎng)絡;CAVALLUCCI等[16,22]通過計算沖突之間影響子序列數(shù)確定關鍵沖突,并利用“沖突云”模型定量分析與篩選關鍵沖突群；BALDUSSU等[23]考慮“最大滿足需求”與“最小改動設計”提取核心沖突；張建輝等[19]提出定性和定量組合分析沖突；WANG等[24]引入層次分析法分析沖突與參數(shù)權重，并結合最短路徑算法(Floyd-Warshall algorithm)搜索求解路徑。

在描述沖突方面，KHOMENKO等[25]指出行動參數(shù)有兩個不相容取值范圍，分別滿足兩個評價參數(shù)，并在沖突網(wǎng)中利用雙目標ENV模型表達沖突；為了突出行動參數(shù)的相反取向，CAVALLUCCI等[15-16]將雙目標ENV模型轉(zhuǎn)換至陰陽魚模型；張建輝等[19]與BALDUSSU等[23]認為多目標ENV模型中同一元素的行動參數(shù)可以影響多個評價參數(shù)，形成多目標沖突；周賢永[26]認為OTSM的ENV模型與可拓學的OCV模型有等價關系，可將沖突轉(zhuǎn)化為對立問題或不相容問題，通過可拓創(chuàng)新方法拓展雙目標沖突的求解方向。

現(xiàn)有研究很少從跨學科角度構建問題網(wǎng)、關注橫向參數(shù)影響以及確定關鍵節(jié)點，現(xiàn)有問題網(wǎng)模型缺少層次性，模糊了因果邏輯關系和參數(shù)之間的影響聯(lián)系。選擇關鍵節(jié)點標準沒有考慮不同學科之間的聯(lián)系，因此求解方向比較發(fā)散。目前還沒有一個完整地圍繞參數(shù)展開從定量分析到獲取沖突求解路徑的方法，難以協(xié)同不同學科領域研究成員客觀評價沖突重要度并有順序地求解沖突。另外，為了滿足不同學科領域研究成員的技術要求，跨學科問題不可避免地包含多目標沖突，采用多目標ENV模型有利于構建收斂的沖突網(wǎng)，但難以轉(zhuǎn)換至雙目標陰陽魚模型，并在使用沖突矩陣時面臨選擇參數(shù)問題，形成如圖3所示的兩種模型表達方式之間的沖突。

本文研究意義在于提高OTSM在求解跨學科問題過程的收斂性，根據(jù)跨學科研究的協(xié)同特點整合與改進現(xiàn)有研究方法，構建跨學科問題流網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)化過程模型，體現(xiàn)在如下方面：①初步提出一個縱向體現(xiàn)子問題域、半效解域、深層域，橫向體現(xiàn)跨學科參數(shù)聯(lián)系的問題網(wǎng)構建方法，并確定具有協(xié)同性關鍵節(jié)點的標準；②為提高定量分析沖突的有效性，改進沖突網(wǎng)的層次結構模型并改進沖突求解路徑算法；③進一步闡明沖突網(wǎng)的管理作用與參數(shù)網(wǎng)的求解作用，并提出四相參數(shù)模型，解決ENV模型兩種表達方式之間的沖突。

本文在消除問題背景差異化方面的研究仍然存在短板。在跨學科問題網(wǎng)中僅利用可拓基元模型規(guī)范描述節(jié)點內(nèi)容，為了體現(xiàn)彼此之間的差異性，需要利用個性化參數(shù)描述節(jié)點，并在后續(xù)構建與管理一個收斂的沖突網(wǎng)，再將關鍵節(jié)點的個性化參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?9個通用工程參數(shù)。另外，在構建半效解域方面通過專利搜索獲取外部知識，然而人工分析與提取專利文本的效率較低，研究搭建網(wǎng)絡參數(shù)之間的聯(lián)系依賴研究成員的學習和認識。

2 跨學科問題網(wǎng)的構建

2.1 現(xiàn)有OTSM問題網(wǎng)及其發(fā)展方式

KHOMENKO等[17]認為問題網(wǎng)作為一種描述多個問題與連接關系的語義網(wǎng)絡，包括子問題和半效解兩種節(jié)點。CAVALLUCCI等[18]在問題網(wǎng)的基礎上提出如圖4所示的4種構建網(wǎng)絡的方式，包括問題分解、問題求解、方案分解和衍生問題挖掘。在問題分解過程中將初始問題分解為子問題和更深層次的子問題，在問題求解過程中針對子問題試探性地構想解決方案，在方案分解過程中進一步細化半效解方案，以形成不同的子方案。相對于整體系統(tǒng)，僅解決子問題、有待完善細化和具有衍生問題的方案稱為半效解，問題網(wǎng)中的半效解節(jié)點針對每個半效解都可以挖掘相應的衍生問題，形成新的問題節(jié)點。通過構建問題節(jié)點和半效解節(jié)點之間的聯(lián)系，逐漸形成有向網(wǎng)絡。

2.2 跨學科問題網(wǎng)的層次結構

KHOMENKO等[27]建議研究團隊將初始問題分解為不同學科的子問題并發(fā)展各自的子網(wǎng)絡，但未明確具體方法。本文為進一步明確描述網(wǎng)絡中因果邏輯關系與參數(shù)之間的影響聯(lián)系，在原有問題網(wǎng)的構建步驟[17]與發(fā)展方式[18]基礎上提出一種面向跨學科的網(wǎng)絡層次結構，將網(wǎng)絡縱向分為子問題域、半效解域和深層域3個層次。

本文利用根原因分析方法[11]，根據(jù)研究成員掌握的個人知識和研究過程中學習的外部知識逐步分解問題，同時界定子問題的學科領域，從而將工作分配給研究成員，并定義由一群具有因果邏輯關系的節(jié)點組成的網(wǎng)絡為子問題域。在分解問題的過程中，不針對自然科學極限、法律與成本極限等因素進行深入分析，因此不超出研究成員所掌握的技術知識范圍?？鐚W科問題網(wǎng)中節(jié)點之間的聯(lián)系如圖5所示，圖中“Or”和“And”表示子問題域中的“或”和“與”邏輯關系，Pb表示子問題，PS表示半效解。子問題Pb.3和Pb.4為“或關系”，只要其中一個存在就會造成問題Pb.1，因為二者屬于不同學科領域，所以分配相應的研究成員發(fā)展后續(xù)網(wǎng)絡；子問題Pb.5和Pb.6為“與”關系，只有二者同時存在才會引發(fā)子問題Pb.3。

本文選擇將研究團隊知識范圍內(nèi)、具有可控性和可操作性的子問題作為根原因，搜索現(xiàn)有相關專利技術方案作為半效解，并構建半效解之間的聯(lián)系，以形成半效解域，例如圖5中根原因Pb.5的半效解PS.1，PS.2，PS.4，PS.5組成的中部網(wǎng)絡為半效解域。從整體系統(tǒng)角度考慮，由于某一學科領域的研究成員所掌握的知識范圍有限，所采取的半效解會引發(fā)其他學科領域的問題，例如圖5中半效解PS.2不僅具有本學科領域的衍生問題Pb.9,還衍生超出個別研究成員知識范圍的子問題Pb.10，需要其他掌握相關知識的研究成員協(xié)同解決，在半效解PS.2與子問題Pb.10之間產(chǎn)生跨學科橫向參數(shù)影響聯(lián)系。本文定義如圖5中以Pb.8，Pb.9，Pb.10，Pb.11為代表的衍生問題所組成的底部網(wǎng)絡為深層域，通過逐層構建網(wǎng)絡與挖掘橫向參數(shù)聯(lián)系，形成如圖6所示的金字塔式層次結構。在子問題域中，為了改善其中一個根原因問題，需要從半效解域中獲得技術方案，但會引發(fā)深層域中的衍生問題，其中隱藏著必須解決的沖突。

2.3 基于可拓基元模型的問題與半效解描述

跨學科問題網(wǎng)匯聚了不同學科的知識資源，研究成員的自然語言難以清楚表達子問題與半效解的本質(zhì)，需要一種規(guī)范表達形式來突出重點內(nèi)容。可拓學[28]建立了物元、事元、和關系元的概念，將其統(tǒng)稱為基元，基元將質(zhì)與量、動作與關系的相應特征置于一個三元組中，可以形式化地描述物、事和關系。研究成員通過學習基元模型并進行交流，人工分析文本和提取三元組，建立問題與半效解列表，從而消除學科背景，突出所要描述的對象、參數(shù)及其量值。

2.3.1 基于物元模型的問題描述

通過式(1)所示的物元模型，以物Om為對象，cm為特征，Om關于cm的量值vm構成三元組描述問題[28]。如表1所示，問題Pb.1的描述對象為接口端子，特征為安全載流量，其量值較低，因此需要提高。

M=(Om,cm,vm)。 (1)

表1 問題規(guī)范描述

2.3.2 基于事元模型的半效解描述

通過如式(2)所示的事元模型三元組描述半效解，Oa，ca和va分別表示動作、動作的特征以及關于特征所取的量值，動作基本特征有支配對象、施動對象、接受對象與位置等[28]。表2表示半效解PS.1的技術方案為冷卻液對接口端子的尾部外表面位置施加降溫動作，即“降低”為動作，“冷卻液”和“接口端子”分別是動作的施加和接受對象，“溫度”是接口端子被期望改善的參數(shù)，是動作的支配對象，“尾部外表面”則進一步描述施加動作的具體位置。

A=(Oa,ca,va)。 (2)

表2 半效解規(guī)范描述

2.4 關鍵節(jié)點的選擇

文獻[29]認為研究團隊應從整體和局部認識跨學科問題，把握問題內(nèi)在的關聯(lián)，研究團隊從多個學科視角分析問題，拓展問題網(wǎng)的構建規(guī)模與求解方向。然而現(xiàn)有關鍵節(jié)點的確定方法較少考慮學科彼此之間的關聯(lián)，容易將單學科視角中的關鍵問題均轉(zhuǎn)化為沖突，偏離問題流轉(zhuǎn)化過程的收斂思想，因此本文提出一種確定關鍵節(jié)點的方法。

因為頂部子問題域描述因果邏輯關系，所以先確定每個局部子問題域的根原因。中部半效解域描述各種解決根原因問題的技術方案，針對同一個根原因，可能有多個在技術結構方面存在巨大差異的半效解，例如圖5中根原因Pb.5的半效解PS.1與PS.2代表兩種技術路線，研究團隊需要根據(jù)實際研發(fā)情況選擇主要研發(fā)方向。深層域描述各子問題之間的橫向參數(shù)聯(lián)系，考慮到跨學科研究所需的協(xié)同特點，本文優(yōu)先選擇與替它節(jié)點有較多關聯(lián)并與不同學科領域中的子問題有橫向參數(shù)聯(lián)系的節(jié)點，例如圖5中半效解PS.2可作為關鍵節(jié)點。研究團隊通過三步法在規(guī)模較大和求解方向發(fā)散的跨學科問題網(wǎng)中找到關鍵節(jié)點，將其轉(zhuǎn)換為沖突網(wǎng)，以促進協(xié)同研究。

3 沖突網(wǎng)的構建與評價

3.1 基于ENV模型沖突網(wǎng)的構建

關鍵節(jié)點內(nèi)含各學科研究成員所采取的不同半效解之間的沖突，半效解之間通過參數(shù)互相關聯(lián)和影響，解決關鍵節(jié)點內(nèi)部沖突有利于協(xié)同不同學科成員的求解方向，即關鍵節(jié)點是解決跨學科問題的入手點。因此，研究成員需要提取關鍵節(jié)點及其關聯(lián)節(jié)點規(guī)范描述中的元素、行動參數(shù)、評價參數(shù)和量值，并填入ENV模型，以規(guī)范形式描述沖突，并將原有個性化描述的評價參數(shù)轉(zhuǎn)化為39個通用工程參數(shù)，以進一步消除評價參數(shù)的學科背景。

TCi=(APi,EP1,EP2)；

(3)

TCi=(APi,EP1,EP2,…,EPj)。

(4)

為了明確沖突之間的相互影響方式，本文將橫向參數(shù)聯(lián)系分為3種：①行動參數(shù)之間存在影響子序列，如圖7中的空心箭頭聯(lián)系S1；②不同沖突之間共有相同評價參數(shù)，如圖7中的虛線聯(lián)系S2；③評價參數(shù)之間存在影響子序列，如圖7中的實心箭頭聯(lián)系S3。

3.2 參數(shù)與沖突的定量評價方法

跨學科問題所在的技術系統(tǒng)是一個由眾多因素相互影響且需要不同學科知識理解的復雜系統(tǒng)[11,13]，為了綜合考慮不同學科領域的需求并協(xié)同解決相應的沖突，需要通過網(wǎng)絡詳細表達內(nèi)在的參數(shù)關聯(lián)，并定量分析參數(shù)的相對權重與沖突的影響范圍，考慮不同研究成員在評價過程中存在一定的主觀性和學科領域傾向性，以及需要同時評價多目標與雙目標沖突，本文在“沖突云”模型[22]基礎上加以改進并引入AHP[30]，為后續(xù)搜索路徑算法提供權重。行動參數(shù)、評價參數(shù)與沖突的定量評價分為如下4部分。

3.2.1 行動參數(shù)的重要度OXAPi

沖突網(wǎng)的層次結構模型如圖8所示，其以協(xié)同提升整體技術系統(tǒng)性能為評價目標，將行動參數(shù)、評價參數(shù)分別列于方案層、準則層。每個研究成員將自己所關注的評價參數(shù)與其他同類參數(shù)兩兩比較，以1～9及其倒數(shù)為評價尺度建立相對重要判斷矩陣。經(jīng)過一致性檢驗后，獲取評價參數(shù)相對權重REPj和優(yōu)化值OREPj。 由于每個評價參數(shù)受不同學科領域研究成員所采取半效解行動參數(shù)的影響，研究成員需兩兩比較影響自己所關注評價參數(shù)的行動參數(shù)，形成相應判斷矩陣并計算相對權重RAPi，在互相對比評價過程中激發(fā)研究成員之間的跨學科交流。最終行動參數(shù)的相對權重RAPi分別乘以相關評價參數(shù)的相對權重REPj，將所得計算結果相加，獲得行動參數(shù)的重要度OXAPi。

3.2.2 技術沖突的影響范圍OYTCi

從協(xié)同的角度考慮，由于已被解決沖突中的評價參數(shù)被改善，而與已被解決沖突有參數(shù)影響子序列關系和共有評價參數(shù)關系的待解決沖突應在前者解決方案的基礎上尋求后續(xù)解決方案。因此，有必要統(tǒng)計每個沖突之間的影響范圍并將其轉(zhuǎn)化為相對權重。用如下公式計算技術沖突的影響范圍：

(5)

(6)

式中：QCEPj和QSEPj分別為沖突中第j個評價參數(shù)EPj的出現(xiàn)次數(shù)和影響子序列數(shù)；Yi和OYTCi分別為第i個技術沖突的絕對影響與相對影響。

3.2.3 物理沖突的影響范圍OZPCi

行動參數(shù)是解決沖突的核心，研究成員應將技術沖突轉(zhuǎn)化為物理沖突，并將關注點從技術沖突中的評價參數(shù)轉(zhuǎn)移至物理沖突中的行動參數(shù)。同理，行動參數(shù)之間的相互影響也會影響后續(xù)物理沖突的解決，有必要考慮解決物理沖突中行動參數(shù)的影響范圍，即

(7)

式中：QSAPi為第i個物理沖突的行動參數(shù)影響其他同類參數(shù)的影響子序列數(shù)；OZPCi為第i個物理沖突在網(wǎng)絡中的相對影響。

3.2.4 沖突綜合權重RCi

由于參數(shù)彼此關聯(lián)，在綜合考慮行動參數(shù)重要度與沖突的兩種影響范圍的情況下，研究成員將從提升整體技術系統(tǒng)的角度進行協(xié)同定量分析。本文通過式(8)綜合上述3種評價權重，獲得沖突的綜合權重RCi，并定義權重最大的沖突為核心沖突，其余按照權重由大到小的排序分為重要沖突和一般沖突。

(8)

3.3 參考求解路徑的確定

在協(xié)同解決跨學科問題中，優(yōu)先解決核心和重要沖突，而每解決一個沖突所產(chǎn)生的方案都會影響后續(xù)沖突的參數(shù)改善狀況與求解思路，參數(shù)之間的矢量聯(lián)系則代表沖突節(jié)點之間的路徑。為了協(xié)同不同學科領域研究成員有序解決沖突，需要在網(wǎng)絡中確定一個有效的求解路徑。因此，本文將核心沖突作為路徑起點，重要沖突作為途經(jīng)指定節(jié)點，在網(wǎng)絡中關聯(lián)數(shù)量少和參數(shù)相對權重較小的沖突作為路徑終點。如圖9所示，沖突C1的評價參數(shù)相對權重值為10，沖突C1與C2的共有評價參數(shù)相對權重值為5，沖突C2的行動參數(shù)相對權重值為2，取參數(shù)相對權重的倒數(shù)，將如圖7所示的S1，S2，S33類參數(shù)聯(lián)系的影響方向作為沖突之間的路徑方向，將路徑權重的加和結果轉(zhuǎn)化為如式(9)所示的權值矩陣W，再利用MATLAB運算途經(jīng)指定節(jié)點的Floyd算法[31]，避免原有搜索路徑方法[24]可能繞開重要沖突的缺陷。

(9)

4 參數(shù)網(wǎng)的構建與求解

按照3.3節(jié)方法獲取的參考求解路徑，將原有基于ENV模型表達的沖突網(wǎng)轉(zhuǎn)化為基于四相參數(shù)模型的參數(shù)網(wǎng)。依次判別求解路徑上的沖突類型，如果求解路徑上的沖突為多目標沖突，則采用可拓創(chuàng)新方法，而求解雙目標沖突采用發(fā)明原理或分離原理，最終形成滿意概念解。

5 跨學科問題流網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)化過程

跨學科團隊利用跨學科問題流網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)化過程從多個學科視角分析跨學科問題，搜索專利獲取可應用的半效解，在確定關鍵節(jié)點后構建沖突網(wǎng)；然后定量分析參數(shù)相對權重與沖突綜合權重，利用途經(jīng)指定節(jié)點的Floyd算法獲取參考求解路徑，將參考求解路徑轉(zhuǎn)化為基于四相參數(shù)模型描述的參數(shù)網(wǎng)；再根據(jù)沖突類型選擇相應的工具求解沖突?？鐚W科問題流網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)換過程如圖11所示。

6 研究案例

電動汽車快速充電技術成為汽車行業(yè)的研究重點，然而高載流量充電產(chǎn)生的大量焦耳熱會縮短電纜使用壽命并引發(fā)事故[32]，電纜涉及結構設計、電學、熱學等學科領域，因此有必要從跨學科角度，針對現(xiàn)有直流充電槍的安全載流量限制進行技術創(chuàng)新。充電線纜如圖12a所示，充電槍插口如圖12b所示。

6.1 安全載流量限制問題網(wǎng)的構建

針對安全載流量限制進行根原因分析，構建子問題域，充電設備的絕緣材料具有較大熱阻系數(shù)，通電導體熱量在短時間內(nèi)難以傳導至系統(tǒng)外部，通電導體與絕緣材料之間的溫差逐漸減小難以形成傳熱條件，導致Pb.12接口端子和Pb.27導體快速溫升的問題，相繼引發(fā)Pb.2和Pb.22電阻隨溫度變大的惡性循環(huán)。因此，針對根問題Pb.12和Pb.27搜索相關專利方案并構建半效解域，再挖掘衍生問題與橫向參數(shù)的聯(lián)系，分別構建問題網(wǎng)、問題列表與半效解列表，如圖13、表3和表4所示。

6.2 關鍵節(jié)點的確定

在如圖13所示的子問題域中，研究成員根據(jù)因果邏輯關系確定關鍵問題節(jié)點Pb.12和Pb.27。通過搜索相關的專利技術方案，分別找到PS.4高位充電弓傳輸電能、PS.17無線傳輸電能、PS.1和PS.5添加冷卻液為代表的方案。本文研究團隊根據(jù)技術問題提出者的最小改動設計要求，選擇利用冷卻液消除有害作用作為首要技術路線，因此在圖13中主要對冷卻專利技術方案進行展開分析。

續(xù)表3

表4 半效解列表

續(xù)表4

出于跨學科協(xié)同研究的目的，優(yōu)選關聯(lián)其他節(jié)點數(shù)量較多且與不同學科子問題有橫向參數(shù)聯(lián)系的節(jié)點，例如循環(huán)液體冷卻接口端子與充電線纜的半效解PS.2和PS.9，以及冷卻液的選型問題Pb.56，這3個節(jié)點有較多關聯(lián)且涉及熱學、電學、結構設計等學科，將其作為關鍵節(jié)點。

6.3 關鍵節(jié)點轉(zhuǎn)換為沖突網(wǎng)

將關鍵節(jié)點的相關規(guī)范描述轉(zhuǎn)變?yōu)镋NV模型，以Pb.56中冷卻液的選型問題為例，鎵基液態(tài)金屬雖然具有較高的熱導率和導電性，但是在正負極導體串聯(lián)冷卻條件下存在短路問題；水作為冷卻液雖然具有黏性系數(shù)小和成本低的優(yōu)點，但是其存在熱導率較低和短路問題；以氟化液為代表的冷卻液的優(yōu)點在于良好的絕緣性，缺點是熱導率低、黏性系數(shù)大。將個性化描述的評價參數(shù)轉(zhuǎn)化為TRIZ的39個通用工程參數(shù)，形成圖14中的多目標沖突C6。逐一挖掘關鍵節(jié)點PS.5，Pb.15，Pb.56背后的各個沖突，以及確定各個沖突之間的行動參數(shù)的影響子序列S1、共有參數(shù)聯(lián)系S2和評價參數(shù)的影響子序列S3，形成如圖14所示的沖突網(wǎng)。

6.4 參數(shù)與沖突的定量評價

6.4.1 計算行動參數(shù)重要度

利用Yaahp軟件搭建如圖15所示的沖突網(wǎng)層次結構模型，對比表5中的評價參數(shù)，構造如表6所示的判斷比較矩陣，并對具有相同評價參數(shù)的行動參數(shù)進行比較，分別構造如表7～表12所示的相對權重表，最終獲得如表13所示的行動參數(shù)重要度。

表5 參數(shù)信息表

表6 評價參數(shù)的判斷比較矩陣

表7 溫度的行動參數(shù)相對權重

表8 運動物體面積的行動參數(shù)相對權重

表9 應力的行動參數(shù)相對權重

表10 流速的行動參數(shù)相對權重

表11 靜止物體面積的行動參數(shù)相對權重

表12 物體產(chǎn)生有害因素的行動參數(shù)相對權重

表13 行動參數(shù)的重要度

6.4.2 統(tǒng)計技術沖突影響范圍

統(tǒng)計圖14每個沖突中評價參數(shù)的出現(xiàn)次數(shù)和影響子序列數(shù)，根據(jù)式(5)和式(6)可得影響范圍，如表14所示。

表14 技術沖突影響范圍

6.4.3 統(tǒng)計物理沖突影響范圍

統(tǒng)計圖14每個沖突中行動參數(shù)的影響子序列數(shù)，根據(jù)式(7)可得影響范圍，如表15所示。

表15 物理沖突影響范圍

6.4.4 計算沖突綜合權重

根據(jù)式(8)計算沖突綜合權重(如表16)，結合上述列表中參數(shù)的相對權重，為后續(xù)Floyd算法選擇路徑起點、途經(jīng)節(jié)點、終點提供相應的數(shù)據(jù)。

表16 沖突綜合權重

6.5 參考求解路徑的獲取

根據(jù)表16確定C2為核心沖突，本文設置途經(jīng)節(jié)點數(shù)為2，即C6和C1為重要沖突，與節(jié)點C6和C1聯(lián)系數(shù)最少且參數(shù)相對權重小的節(jié)點C3為路徑終點。根據(jù)表6中評價參數(shù)優(yōu)化值OREPj的倒數(shù)、表13中行動參數(shù)重要度OXAPi的倒數(shù)與圖14沖突網(wǎng)中3類參數(shù)的聯(lián)系，構建如圖16所示的參數(shù)聯(lián)系與權重圖，將其轉(zhuǎn)化為式(10)所示的權值矩陣，最后利用MATLAB獲得參考求解路徑C2→C1→C5→C6→C4→C3。

(10)

6.6 構建參數(shù)網(wǎng)

利用四相參數(shù)模型簡化行動參數(shù)與評價參數(shù)之間的聯(lián)系，突出行動參數(shù)的取值范圍，構建如圖17所示的參數(shù)網(wǎng)，然后根據(jù)圖11中第3階段的過程，按照沖突求解路徑和沖突類型逐個選擇相應的求解工具。

6.7 沖突求解

TRIZ的特殊性公理為：盡可能地利用技術系統(tǒng)已有的屬性或資源解決問題[15]。在后續(xù)沖突解決過程中，本文據(jù)該公理，利用充電槍技術系統(tǒng)和半效解中已經(jīng)存在的資源和屬性，選擇合適的發(fā)明原理。

6.7.1 沖突C2的解決

C2為雙目標沖突(G21∧G22)↑L2，其中：

根據(jù)沖突矩陣獲得4條發(fā)明原理：NO.10，NO.15，NO.36,NO.28。

NO.15-動態(tài)化的第3條提示：如果一個物體是剛性的，使其變?yōu)榭苫顒踊蚩筛淖儭Ｓ捎陔娎|的絕緣層和纖芯組為柔性，可作為正負極導體之間的中間介質(zhì)替代原有方案中的聚四氟乙烯墊片。本文將細導線在薄壁導流管上絞合成正極導體，將絕緣層在正極導體上擠塑成形；在正極主導體外部均布其余纖芯組，繞包鋁塑復合定形帶，絞合若干層導線并擠壓形成若干有豁口的負極導體后，擠塑形成負極絕緣層；在豁口放置填充物，再安裝護套層；冷卻液在第1和第2導流道內(nèi)冷卻正負極導體。方案如圖18所示。

6.7.2 沖突C1的解決

C1為雙目標沖突(G11∧G12)↑L1，其中：

根據(jù)時間分離原理，周期性地改變冷卻液的流動方向，在串聯(lián)冷卻條件下減少正負極導體散熱的差異性，無需較大地改變結構和引入外部資源，方案如圖19所示，圖中t表示某一時刻，T為換向周期。

6.7.3 沖突C5的解決

C5的沖突類型為雙目標沖突(G51∧G52)↑L5，其中：

為了降低接口端子頂部的溫度，需要設計可拆接口端子，但拆解件的有效載流面積較小。根據(jù)沖突矩陣獲得發(fā)明原理NO.35和NO.38，選擇NO.35-參數(shù)變化，根據(jù)第1條提示：改變物體的物理狀態(tài)，使物體在氣、固、液三態(tài)之間變化。PS.17方案所采用的冷卻劑鎵基液態(tài)金屬具有流動性和導電性，能夠填充可拆式接口端子內(nèi)部并同時滿足兩個目標，方案如圖20所示。

6.7.4 沖突C6的解決

C6為多目標沖突(G61∧G62∧G63∧G64)↑L6，其中：

針對條件基元L10構造分隔式轉(zhuǎn)折部Z，使得TL10=L101|Z|L102，其中：

在正負極冷卻通道之間增加隔液轉(zhuǎn)子裝置，該裝置包括進液、移液和排液3個工作相位。液態(tài)金屬流入相鄰兩個轉(zhuǎn)子扇葉之間的開口內(nèi)并擠壓此處的彈性氣膜，由于氣室的氣壓穩(wěn)定，使得排液位置處的彈性氣膜向外膨脹，以使液態(tài)金屬能夠沿轉(zhuǎn)子順利流動。每個轉(zhuǎn)子扇葉嵌有密封條，密封條與缸體緊密貼合，從而防止相鄰相位內(nèi)的液態(tài)金屬貫通形成導電回路。隔液轉(zhuǎn)子裝置設計方案如圖21所示。

6.7.5 沖突C4的解決

C4為雙目標沖突(G41∧G42)↑L4，受已解決沖突C2采取同軸導體結構的影響，目標G41中運動物體面積小的需求已滿足。因為采用同軸導體結構，絕緣層需要滿足目標G43中兩極導體之間的穩(wěn)定支撐作用，所以采用擠塑絕緣層與導體緊密結合。然而，該方案中擠塑絕緣層阻礙導體散熱，難以實現(xiàn)目標G42，因此對目標G42進行蘊含分析。套接絕緣層之所以滿足導體的散熱需求，在于其有足夠的空間體積引入冷卻液，因此確定目標G42的下位目標為G44。由此形成新的沖突C′4=(G43∧G44)↑L40，其中：

目標G43和G44要求條件L40中v40的取值分別為“有”和“無”，即為物理沖突。根據(jù)空間分離原理，內(nèi)軸導體的絕緣層采用擠塑方法形成，對外層導體具有良好的支撐和絕緣作用；外層導體采用的套接絕緣管可形成導流空間，能夠滿足冷卻需求。設計方案如圖22所示。

6.7.6 沖突C3的解決

沖突C3為雙目標沖突(G31∧G32)↑L3，其中：

原有方案將多股細導線在薄壁導流管上絞合形成復合導體，如果采用波紋管可增加電纜柔性，則因波紋管內(nèi)壁的波紋結構不平滑而降低冷卻液的流速；如果采用內(nèi)壁平滑的薄壁直管，則可增加冷卻液的流速。根據(jù)沖突矩陣獲得3條發(fā)明原理 NO.6,NO.35,NO.36。

NO.6-多用性的第1條指示：使一個物體能完成多項功能。電纜中絞合導體為柔性物質(zhì)，可在導電功能基礎上再增加導流功能，將多根銅導線絞合壓制形成長條形的瓦狀導體，并均布圍合而成，使其中間自形成導流通道，無需在電纜中額外設置導流管，方案如圖23所示。

由于沖突C5與沖突C6解決，剩余沖突C7隨之消失。

6.8 概念設計方案

本文綜合形成兩種方案。融合圖19～圖23所示的方案，形成如圖24和圖25所示的第一種方案，圖25中“F”表示安培力，“B”表示磁場，“×”和“·”分別表示磁場的兩個相反的方向，“I”表示電流，“↑”表示電流方向。每個C形電磁鐵形成方向垂直于冷卻液流向與導電端子電流方向所在平面的磁場，由于兩個C形電磁鐵的磁場方向相反，液態(tài)金屬受到方向一致的安培力；液態(tài)金屬在經(jīng)過充電端子組件和電纜主導體時吸收充電產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過冷卻箱時散熱；通過周期性地改變磁場方向，進而改變液態(tài)金屬的流動方向，減弱串聯(lián)冷卻條件下散熱效果的差異性，因此將電纜設計為串聯(lián)冷卻電纜，相比并聯(lián)冷卻電纜，串聯(lián)冷卻電纜的直徑較??；導體由多根瓦形銅絞線組成并在中部自形成導流通道，相比添加導流管的電纜柔性更高；串聯(lián)冷卻方式下，在正負兩極冷卻通道之間設置隔液轉(zhuǎn)子裝置，液態(tài)金屬冷卻液電流在正負極冷卻通道之間不能直接連通，可以避免電流短路。

第二種方案主要綜合圖18、圖22和圖23所示的方案，設計一種如圖26所示的同軸導體結構，冷卻液經(jīng)過正極導流通道和充電端子組件的冷卻回路后，流入同軸導體結構內(nèi)的負極導流通道，從而有效利用電纜內(nèi)部空間。

7 結束語

本文針對現(xiàn)有OTSM解決跨學科問題過程中收斂性不足的缺陷，提出一種面向跨學科的問題流網(wǎng)絡轉(zhuǎn)化過程模型，其中具體提出三層次跨學科問題網(wǎng)構建方法、關鍵節(jié)點選擇方法、改進沖突網(wǎng)的層次評價結構模型、改進沖突求解路徑的搜索算法以及四相參數(shù)模型。通過應用本文提出的面向跨學科問題流網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)化過程模型，提出一種液態(tài)金屬兩相流串聯(lián)冷卻電纜和一種同軸導體電纜結構，用于改善高載流量充電槍及線纜的發(fā)熱問題。

參數(shù)作為一種聯(lián)系不同學科認知的設計信息十分重要，本文跨學科問題流網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)換過程圍繞參數(shù)展開。在子問題數(shù)量繁多的問題網(wǎng)中，如果用抽象程度較高的39個工程參數(shù)描述子問題與半效應解，則很難體現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點中的差異性，對沒有深入學習TRIZ的人員是個挑戰(zhàn)。因此，本文認為原有OTSM研究在構建問題網(wǎng)過程中采用個性化的參數(shù)表述有利于研究成員的對跨學科問題的初步理解，在研究案例中采用了這種表達方法。雖然OTSM沒有明確要求在ENV模型使用39個工程參數(shù)，但是在基于ENV模型構建沖突網(wǎng)的過程中，研究成員更傾向用39個工程參數(shù)表達，所構建的沖突網(wǎng)更加收斂且符合跨學科協(xié)同的特點。在最終沖突解決過程中，研究成員可以通過可拓設計思維突破39個工程參數(shù)表達方式的思維限制來靈活求解沖突。

本文主要面向跨學科技術創(chuàng)新，協(xié)同具有不同學科背景研究成員解決跨學科技術問題。未來將進一步研究消除不同學科問題背景的差異，完善跨學科問題的分析過程，進而促進協(xié)同創(chuàng)新。