機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)

0703010318 曾令國(guó) 機(jī)械三班

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一個(gè)極其重要而又困難的實(shí)踐性較強(qiáng)的研究課題。目前創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究雖然已取得一些成果,，但創(chuàng)新學(xué)還處于發(fā)展初期,，各種不同理論及工具不斷涌現(xiàn),，遠(yuǎn)沒(méi)有形成普遍可以接受的統(tǒng)一的理論體系,。

本文認(rèn)為,，要進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)要有兩個(gè)必要條件：一是充分獲取適用的知識(shí),；二是要使用符合創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維并能激發(fā)創(chuàng)新思維的設(shè)計(jì)系統(tǒng),。設(shè)計(jì)過(guò)程充滿了矛盾,，所獲取的知識(shí)應(yīng)有助于矛盾的迅速解決,，這就要求知識(shí)獲取工具緊密集成到設(shè)計(jì)過(guò)程中，因此要統(tǒng)一研究知識(shí)獲取工具與設(shè)計(jì)系統(tǒng)。另外,，人類(lèi)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維模式是在長(zhǎng)期的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)形成的,，因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)必需符合創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維規(guī)律。創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維規(guī)律應(yīng)作為算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ),。

基于上述考慮,，本文從創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維的研究出發(fā)，融合知識(shí)獲取方法,，研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論,，進(jìn)而開(kāi)發(fā)機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維規(guī)律

我們常把思維的過(guò)程稱(chēng)為“思路”,，是因?yàn)榭捎寐窂絾?wèn)題來(lái)說(shuō)明人類(lèi)思維過(guò)程,。本文提出兩個(gè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維原則：

一是最短路徑原則。設(shè)計(jì)者得到產(chǎn)品的功能要求后,，往往首先檢索出最佳設(shè)計(jì)實(shí)例,，這樣可以最迅速接近目標(biāo)，然后運(yùn)用價(jià)值工程方法,，找出價(jià)值較低的極少數(shù)組件作為研究對(duì)象,，再分析所得對(duì)象存在的矛盾，嘗試作最小變動(dòng)以解決矛盾,，如矛盾沒(méi)有解決則擬作更大變動(dòng)或擴(kuò)大研究對(duì)象范圍,，最后得出最優(yōu)結(jié)果。通過(guò)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(shù)的定同理論認(rèn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)輔助設(shè)計(jì)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(jī)械產(chǎn)品實(shí)例中挖掘相似性,，以促進(jìn)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程是從功能要求到作用原理,，再到物理結(jié)構(gòu)的映射過(guò)程[1],。在CBR系統(tǒng)中，功能要求,、作用原理與物理結(jié)構(gòu)可作為實(shí)例索引,，因此可統(tǒng)稱(chēng)它們?yōu)樗饕?xiàng)目。同一索引的不同類(lèi)索引項(xiàng)目之間的聯(lián)想可稱(chēng)為縱向聯(lián)想,，而不同索引的同類(lèi)索引的聯(lián)想可稱(chēng)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(shí)例確定。比如,，“超聲波研磨機(jī)產(chǎn)品實(shí)例”使“超聲波振動(dòng)”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(shí)例可滿足同一功能要求,，那么它們用于實(shí)現(xiàn)該功能的作用原理及物理結(jié)構(gòu)具有相似性,。

功能要求是聯(lián)想的起點(diǎn)，經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師通常記憶有大量的設(shè)計(jì)實(shí)例,，因而掌握縱向及橫向相似性,，所以能迅速地進(jìn)行橫向及縱向的聯(lián)想，能觸類(lèi)旁通,，得出具有相似作用原理及物理結(jié)構(gòu)的實(shí)例（簡(jiǎn)稱(chēng)相似實(shí)例）并進(jìn)行組合優(yōu)化,，最后得到最優(yōu)解。

這兩項(xiàng)原則已被多種設(shè)計(jì)方法不自覺(jué)地采用了,，基于實(shí)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(chǎng)分析法（簡(jiǎn)稱(chēng)TRIZ）分析了上百萬(wàn)設(shè)計(jì)實(shí)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(guān)系，使設(shè)計(jì)師可根據(jù)功能要求找到適當(dāng)?shù)淖饔迷砑拔锢磔d體,，體現(xiàn)相似性聯(lián)想原則,。

2 計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)

兩項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維原則充分體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)還利用了多種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法及人工智能技術(shù),。計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的流程如圖1所示,，它包含如下關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 實(shí)例檢索

?

利用基于實(shí)例推理（CBR）技術(shù)時(shí)首先要深入研究它的優(yōu)缺點(diǎn)。CBR是一種以實(shí)例為知識(shí)載體的知識(shí)供應(yīng)方法,。當(dāng)前它仍有如下不足：首先,，系統(tǒng)為了達(dá)到實(shí)用通常建立龐大的實(shí)例庫(kù)，這導(dǎo)致管理困難,，系統(tǒng)運(yùn)行效率低,；其次，通過(guò)檢索得到的只是一個(gè)或很少實(shí)例,，而其它不符合檢索要求但含有適用知識(shí)的實(shí)例沒(méi)有利用,，支持創(chuàng)新的力度不夠；最后,，實(shí)例調(diào)整嚴(yán)重依賴(lài)領(lǐng)域知識(shí),，難度大，所以很多CBR系統(tǒng)簡(jiǎn)化為實(shí)例檢索系統(tǒng)[2],。導(dǎo)致這三項(xiàng)缺點(diǎn)的深層原因是實(shí)例是獨(dú)立的,，不同實(shí)例所蘊(yùn)含的知識(shí)難以組合利用。為了克服這個(gè)矛盾本文提出通過(guò)相似性聯(lián)想找出相似實(shí)例,，并利用遺傳算法進(jìn)行組合優(yōu)化,，實(shí)現(xiàn)實(shí)例知識(shí)的重用。

本系統(tǒng)的實(shí)例檢索功能用商品化PDM系統(tǒng)IMAN中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置管理功能及搜索功能來(lái)實(shí)現(xiàn),，實(shí)例的可視化表示與管理依靠IMAN的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)功能實(shí)現(xiàn),。

2.2可視化的實(shí)例模型表達(dá)及矛盾分析

概念設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)檠芯恳环N統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方案表達(dá)方法[3]。文獻(xiàn)[4]對(duì)日本學(xué)者吉川弘之提出的FBS圖進(jìn)行擴(kuò)充,，使用兩個(gè)框架分別描述一個(gè)設(shè)計(jì)方案的功能層次與結(jié)構(gòu)層次,，并存儲(chǔ)功能單元與結(jié)構(gòu)單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使計(jì)算機(jī)理解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及其功能,。這種方法的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系不夠直觀,，因此本系統(tǒng)在功能層次圖與結(jié)構(gòu)層次圖的基礎(chǔ)上增加功能關(guān)系圖，以語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的方式描述結(jié)構(gòu)及之間的作用關(guān)系,，使結(jié)構(gòu)與功能處于同一張圖中,，設(shè)計(jì)者可直觀地理解產(chǎn)品原理，根據(jù)功能關(guān)系圖并運(yùn)用價(jià)值工程方法分析實(shí)例存在的矛盾,。

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

矛盾分析結(jié)果用于指導(dǎo)新作用原理,、新物理結(jié)構(gòu)的聯(lián)想,，進(jìn)而找出相似實(shí)例。

2.3基于WEB的創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)

本系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)包括作用原理庫(kù),、物理結(jié)構(gòu)庫(kù)與實(shí)例庫(kù),。當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)相似性搜索到新作用原理或物理結(jié)構(gòu)后，相應(yīng)的實(shí)例自動(dòng)調(diào)出,。

作用原理庫(kù)與物理結(jié)構(gòu)庫(kù)的開(kāi)發(fā)借鑒了TRIZ的成果,，再針對(duì)機(jī)械領(lǐng)域補(bǔ)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(chǔ)多種物理結(jié)構(gòu),，形成物理結(jié)構(gòu)庫(kù),。實(shí)例庫(kù)主要針對(duì)幾種常見(jiàn)的家電產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)是創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心部件,，它是一種WEB文本知識(shí)庫(kù),，文本經(jīng)過(guò)筆者開(kāi)發(fā)的機(jī)械知識(shí)XML標(biāo)記處理，使知識(shí)庫(kù)建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)XML文本之上,，因此可實(shí)現(xiàn)知識(shí)資源的異地共享,，并且在此知識(shí)庫(kù)之上可建立基于WEB的機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng),，滿足異地協(xié)同設(shè)計(jì)的需要。

2.4相似性的量化方法及改進(jìn)的遺傳算法

每種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不同,，需要不定相同的遺傳算法編碼,。本系統(tǒng)為了提高運(yùn)行效率，采用浮點(diǎn)數(shù)編碼方式,。

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

實(shí)現(xiàn)該途徑的關(guān)鍵在于相似性的量化也即相似度的計(jì)算方法。相似度實(shí)質(zhì)是實(shí)例的關(guān)聯(lián)知識(shí),，必須以一定的算法在實(shí)例集合中挖掘得到,。縱向聯(lián)想的相似度實(shí)質(zhì)是功能目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)手段的關(guān)系程度,，橫向聯(lián)想的相似度實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)手段的可替代關(guān)系程度,。相似度越高意味著得到已有產(chǎn)品實(shí)例的更多支持。根據(jù)相似度來(lái)篩選初始群體就等于利用以前的設(shè)計(jì)經(jīng)歷,，使初始群體的產(chǎn)生有合理的基礎(chǔ),，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(jì)算方法,。

設(shè)產(chǎn)品實(shí)例集合為C,，功能元素集合為F，作用原理或物理結(jié)構(gòu)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(shí)例集合中的實(shí)例Ci以不同的隸屬度uij及uik分別隸屬于Fj及Gk。 設(shè)元素Gk到元素Fj的縱向聯(lián)想相似度為rkj,，則：

?

rkj =

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

rkm =?

隸屬度作為實(shí)例對(duì)象的一項(xiàng)屬性來(lái)存儲(chǔ),。系統(tǒng)根據(jù)以上算法從實(shí)例集合中挖掘相似度知識(shí)，輔助設(shè)計(jì)師從相似度較高的方向進(jìn)行聯(lián)想,，并用于指導(dǎo)遺傳算法初始群體的產(chǎn)生,，從而促進(jìn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

3 結(jié)論

本文研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維規(guī)律并用于指導(dǎo)機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),，系統(tǒng)的成功應(yīng)用證明了關(guān)于創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維規(guī)律論斷的正確性以及多種新技術(shù)的可行性,。系統(tǒng)可通過(guò)矛盾分析與聯(lián)想，搜索到適用的作用原理,、措施,、物理結(jié)構(gòu)及實(shí)例以解決矛盾,，完成概念設(shè)計(jì)階段的功能優(yōu)化與原理優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的新成果,。