機械創(chuàng)新設計

0703010318 曾令國 機械三班

機械創(chuàng)新設計是一個極其重要而又困難的實踐性較強的研究課題,。目前創(chuàng)新設計方法研究雖然已取得一些成果,，但創(chuàng)新學還處于發(fā)展初期，各種不同理論及工具不斷涌現(xiàn),，遠沒有形成普遍可以接受的統(tǒng)一的理論體系,。

本文認為,，要進行機械創(chuàng)新設計要有兩個必要條件：一是充分獲取適用的知識；二是要使用符合創(chuàng)新設計思維并能激發(fā)創(chuàng)新思維的設計系統(tǒng),。設計過程充滿了矛盾,，所獲取的知識應有助于矛盾的迅速解決，這就要求知識獲取工具緊密集成到設計過程中,，因此要統(tǒng)一研究知識獲取工具與設計系統(tǒng),。另外，人類的創(chuàng)新設計思維模式是在長期的成功設計經(jīng)驗中總結形成的,，因此設計系統(tǒng)必需符合創(chuàng)新設計思維規(guī)律,。創(chuàng)新設計思維規(guī)律應作為算機輔助創(chuàng)新設計系統(tǒng)的理論基礎。

基于上述考慮,，本文從創(chuàng)新設計思維的研究出發(fā),，融合知識獲取方法，研究創(chuàng)新設計理論,，進而開發(fā)機械產(chǎn)品創(chuàng)新設計系統(tǒng),。

1 機械創(chuàng)新設計思維規(guī)律

我們常把思維的過程稱為“思路”，是因為可用路徑問題來說明人類思維過程,。本文提出兩個機械創(chuàng)新設計思維原則：

一是最短路徑原則,。設計者得到產(chǎn)品的功能要求后，往往首先檢索出最佳設計實例,，這樣可以最迅速接近目標,，然后運用價值工程方法，找出價值較低的極少數(shù)組件作為研究對象,，再分析所得對象存在的矛盾,，嘗試作最小變動以解決矛盾，如矛盾沒有解決則擬作更大變動或擴大研究對象范圍,，最后得出最優(yōu)結果,。通過這樣途徑所消耗的能量最少，體現(xiàn)了最短路徑原則,。

二是相似性聯(lián)想,。湯川秀樹的定同理論認為，聯(lián)想能力就是找出事物彼此相似性的創(chuàng)造力，相似性是指事物間的內(nèi)在聯(lián)系,。

要用計算機系統(tǒng)來輔助設計師從自然界中發(fā)現(xiàn)形態(tài)各異的事物的相似性是很困難的,，因此本文只研究從機械產(chǎn)品實例中挖掘相似性，以促進機械創(chuàng)新設計,。

機械設計過程是從功能要求到作用原理,，再到物理結構的映射過程[1]。在CBR系統(tǒng)中,，功能要求,、作用原理與物理結構可作為實例索引，因此可統(tǒng)稱它們?yōu)樗饕椖?。同一索引的不同類索引項目之間的聯(lián)想可稱為縱向聯(lián)想,，而不同索引的同類索引的聯(lián)想可稱為橫向聯(lián)想。

判斷聯(lián)想是否合理的依據(jù)是相似性,，相似性由已有產(chǎn)品實例確定,。比如，“超聲波研磨機產(chǎn)品實例”使“超聲波振動”作用原理與“研磨”功能要求縱向地產(chǎn)生了內(nèi)在聯(lián)系,；又如,，多種產(chǎn)品實例可滿足同一功能要求，那么它們用于實現(xiàn)該功能的作用原理及物理結構具有相似性,。

功能要求是聯(lián)想的起點,，經(jīng)驗豐富的設計師通常記憶有大量的設計實例，因而掌握縱向及橫向相似性,，所以能迅速地進行橫向及縱向的聯(lián)想,，能觸類旁通，得出具有相似作用原理及物理結構的實例（簡稱相似實例）并進行組合優(yōu)化,，最后得到最優(yōu)解,。

這兩項原則已被多種設計方法不自覺地采用了，基于實例推理不但能迅速接近最優(yōu)解,，體現(xiàn)最短路徑原則,；物場分析法（簡稱TRIZ）分析了上百萬設計實例，確定功能要求與作用原理及物理載體的內(nèi)在聯(lián)系,，以及不同作用原理或物理載體的可替代關系,，使設計師可根據(jù)功能要求找到適當?shù)淖饔迷砑拔锢磔d體，體現(xiàn)相似性聯(lián)想原則,。

2 計算機輔助創(chuàng)新設計系統(tǒng)

兩項創(chuàng)新設計思維原則充分體現(xiàn)在計算機輔助創(chuàng)新設計系統(tǒng)的設計中,，系統(tǒng)還利用了多種創(chuàng)新設計方法及人工智能技術。計算機輔助創(chuàng)新設計系統(tǒng)的流程如圖1所示,，它包含如下關鍵技術：

2.1 實例檢索

?

利用基于實例推理（CBR）技術時首先要深入研究它的優(yōu)缺點,。CBR是一種以實例為知識載體的知識供應方法。當前它仍有如下不足：首先，系統(tǒng)為了達到實用通常建立龐大的實例庫,，這導致管理困難,，系統(tǒng)運行效率低,；其次,，通過檢索得到的只是一個或很少實例，而其它不符合檢索要求但含有適用知識的實例沒有利用,，支持創(chuàng)新的力度不夠,；最后，實例調(diào)整嚴重依賴領域知識,，難度大,，所以很多CBR系統(tǒng)簡化為實例檢索系統(tǒng)[2]。導致這三項缺點的深層原因是實例是獨立的,，不同實例所蘊含的知識難以組合利用,。為了克服這個矛盾本文提出通過相似性聯(lián)想找出相似實例，并利用遺傳算法進行組合優(yōu)化,，實現(xiàn)實例知識的重用,。

本系統(tǒng)的實例檢索功能用商品化PDM系統(tǒng)IMAN中的產(chǎn)品結構與配置管理功能及搜索功能來實現(xiàn)，實例的可視化表示與管理依靠IMAN的產(chǎn)品結構樹功能實現(xiàn),。

2.2可視化的實例模型表達及矛盾分析

概念設計技術的發(fā)展方向為研究一種統(tǒng)一的設計方案表達方法[3],。文獻[4]對日本學者吉川弘之提出的FBS圖進行擴充，使用兩個框架分別描述一個設計方案的功能層次與結構層次,，并存儲功能單元與結構單元的對應關系,，使計算機理解產(chǎn)品的結構及其功能。這種方法的缺點是結構與功能的關系不夠直觀,，因此本系統(tǒng)在功能層次圖與結構層次圖的基礎上增加功能關系圖,，以語義網(wǎng)絡的方式描述結構及之間的作用關系，使結構與功能處于同一張圖中,，設計者可直觀地理解產(chǎn)品原理,，根據(jù)功能關系圖并運用價值工程方法分析實例存在的矛盾。

實現(xiàn)創(chuàng)新的關鍵是正確分析產(chǎn)品中所存在的矛盾[5],。產(chǎn)品設計中的基本矛盾是產(chǎn)品功能成本比不能滿足用戶要求,，它有兩種表現(xiàn)形式，一是未能實現(xiàn)某些產(chǎn)品功能質量目標,；二是某些功能質量得到改善而某些功能質量卻惡化,。

矛盾分析結果用于指導新作用原理、新物理結構的聯(lián)想,，進而找出相似實例,。

2.3基于WEB的創(chuàng)新設計知識庫

本系統(tǒng)的創(chuàng)新設計知識庫包括作用原理庫、物理結構庫與實例庫。當系統(tǒng)根據(jù)相似性搜索到新作用原理或物理結構后,，相應的實例自動調(diào)出,。

作用原理庫與物理結構庫的開發(fā)借鑒了TRIZ的成果，再針對機械領域補充整理出二百四十余種作用原理（其中包括五十余種基本措施）,。在每種作用原理下分別存儲多種物理結構,，形成物理結構庫。實例庫主要針對幾種常見的家電產(chǎn)品進行開發(fā),。

創(chuàng)新設計知識庫是創(chuàng)新設計系統(tǒng)的核心部件,，它是一種WEB文本知識庫，文本經(jīng)過筆者開發(fā)的機械知識XML標記處理,，使知識庫建立在國際標準XML文本之上,，因此可實現(xiàn)知識資源的異地共享，并且在此知識庫之上可建立基于WEB的機械產(chǎn)品計算機輔助創(chuàng)新設計系統(tǒng),，滿足異地協(xié)同設計的需要,。

2.4相似性的量化方法及改進的遺傳算法

每種產(chǎn)品的結構不同，需要不定相同的遺傳算法編碼,。本系統(tǒng)為了提高運行效率,，采用浮點數(shù)編碼方式。

在傳統(tǒng)的遺傳算法中,，初始群體是通過用隨機的方法來產(chǎn)生的[6],，這具有一定的盲目性。因此本文提出利用實例的作用原理或物理結構的相似性作為篩選實例產(chǎn)生初始群體的依據(jù),。

實現(xiàn)該途徑的關鍵在于相似性的量化也即相似度的計算方法,。相似度實質是實例的關聯(lián)知識，必須以一定的算法在實例集合中挖掘得到,?？v向聯(lián)想的相似度實質是功能目標與實現(xiàn)手段的關系程度，橫向聯(lián)想的相似度實質是實現(xiàn)手段的可替代關系程度,。相似度越高意味著得到已有產(chǎn)品實例的更多支持,。根據(jù)相似度來篩選初始群體就等于利用以前的設計經(jīng)歷，使初始群體的產(chǎn)生有合理的基礎,，因此能加快遺傳算法的收斂,。本文根據(jù)相似性聯(lián)想原理提出如下縱向及橫向聯(lián)想的相似度計算方法。

設產(chǎn)品實例集合為C,，功能元素集合為F,，作用原理或物理結構元素集合為G。分別記為：C={Ci|i=1,2,…,n}; F={Fj|j=1,2,…,m}; G={Gk|k=1,2,…,q},。實例集合中的實例Ci以不同的隸屬度uij及uik分別隸屬于Fj及Gk,。 設元素Gk到元素Fj的縱向聯(lián)想相似度為rkj,，則：

?

rkj =

又設G空間中有元素Gk和Gm。實例Cji分別以隸屬度uik和uim隸屬于元素Gk和Gm,，設從Gk到Gm的橫向聯(lián)想相似度為rkm,，則：

rkm =?

隸屬度作為實例對象的一項屬性來存儲。系統(tǒng)根據(jù)以上算法從實例集合中挖掘相似度知識,，輔助設計師從相似度較高的方向進行聯(lián)想,，并用于指導遺傳算法初始群體的產(chǎn)生，從而促進設計創(chuàng)新,。

3 結論

本文研究創(chuàng)新設計思維規(guī)律并用于指導機械產(chǎn)品創(chuàng)新設計系統(tǒng)的開發(fā),，系統(tǒng)的成功應用證明了關于創(chuàng)新設計思維規(guī)律論斷的正確性以及多種新技術的可行性,。系統(tǒng)可通過矛盾分析與聯(lián)想,，搜索到適用的作用原理、措施,、物理結構及實例以解決矛盾,，完成概念設計階段的功能優(yōu)化與原理優(yōu)化，是實現(xiàn)機械廣義優(yōu)化設計方法的新成果,。