产品发明创意提出的关键技术研究

产品发明创意提出的关键技术研究 赵克 , 敖炎 , 胡 纲 伟 () 西安电子科技大学 机电学院 ,陕西 西安 710071 摘要 : 探讨了抽象概念与相对具体概念之间的关系 ;从资源模型出发 ,给出了针对抽象概念操作的二义定理 ;研究了抽象概念在需求提出与设计中的作用 ,并将需求分成静态和动态两类 ; 指出在计算机 上针对动态需求实现产品发明是完全可能的. 关键词 : 智能 CAD ;创新设计 ;创意提出 ;发明 () 中图分类号 :N19 文献标识码 :A文章编号 :100122400 20010520607205 Research on key technology of ra ising product invention originality ZHAO Ke , AO Yan , HU Gang2wei ( )School of Electromechanical Engineering , Xidian Univ. , Xi′an 710071 , China Abstract : The relationship between the abstract concept and the relative abstract one is discussed first . Based on the resource model , the double2meaning theorem for the operation of abstract concept is given. A further research about the role of abstract concept in the requirement raising and product design is made . Requirement is divided into the static one and the dynamic one . The main viewpoint that it is possible to achieve product invention for dynamic requirement in computer is presented finally. Key Words : intelligent CAD ;innovation design ;originality discovering ;invention 在产品设计中 ,创意提出是产品的创新设计中最重要的一环 ,尽管其已不再神秘 ,但到目前为止 ,产品的 创新设计还不是任何人都可以完成的 ,而利用计算机实现产品发明创意提出就更加困难. 创意的提出涉及两方面的内容 :一个是需求发现 ,另一个是初始方案的形成. 其中需求发现最为重要 ,但 目前还没有成熟的方法可用 ,相关的研究也不多见. 实际上它并非完全无规律可寻 ,例如TRIZ的研究成果中 就认为技术系统的进化遵循客观的法则群 ,任何领域 、范围的产品都遵循普遍的法则而进步 ,由此可以预测 1 已有产品的发展方向 ,也就是说能够给出将来产品的需求形式. 并抽象出这些法则对于发现客户的需 求有着重要的作用. 笔者认为 ,抽象的思维方式 、抽象概念 、抽象与具体概念之间关系的描述是实现产品需求 发现乃至相应的计算机实现的重要一环 ,同样的道理也适用于初始方案的形成 ,因此 ,抽象概念的使用在二 者的实现中都有重要的作用. 1 抽象概念及相对抽象概念的作用 一个概念是事物或事物间相互关系的描述. 在一个抽象概念与具体事物之间还存在多个相对抽象的概 念 ,例如在三角形与具体的三角形之间还存在有等腰三角形 、直角三角形与钝角三角形等概念 ,正是这些概 念的存在使事物间关系的描述得到了简化 、提高了效率. 因而抽象概念及相对抽象概念在人类的知识体系中 有重要的作用 ,这主要表现在以下几个方面. 收稿日期 :2000210219()基金项目 :国家自然科学基金资助项目69604008 () 作者简介 :赵 克19642,男 ,副教授 ,博士. 相对抽象概念本体 ? 抽象概念本体 ?构成相对抽象概念事实 ,实际上 ,相对抽象概念本体在继承抽象概念本体的同时 ,利用构成相 对抽象概念事实 ,经过推理又使相对抽象概念本体的事实简单化 ,如 图 1 . 例如三角形中的余弦定理就简化为直角三角形的勾股定理 ,而 这正是相对抽象概念存在的作用. 相对抽象概念的变体是其抽象概念变体的子集 ,即相对抽象概 念的变体是其抽象概念变体所对应的笛卡尔空间在构成相对抽象概 图 1 概念本体间的演化念事实约束下的笛卡尔空间 ,即 抽象概念变体所对应的笛卡尔空间 = 相对抽象概念变体所对应的笛卡尔空间 , 实际上 ,从抽象概念到相对抽象概念的演化过程也就是概念内涵扩大和外延缩小的过程. 下面给出一个简单 的例子. ( 例 1 将直角三角形细化为等腰直角三角形. 设 Q 代表三角形本体 , ?C 为直角 , d′= a , b , c , ?a ) ?b为变体中满足本体约束的任一点. 则细化操作过程为 σ( ) 直角三角形= { Q , d| ′ d′=〈 a , b , c , ?a , ?b〉? a = b ( ) Q , d′?直角三角形 ? a = b } = { Q ? a = b , d | d = ( 〈 a , b , c , ?a , ?b〉?Q ? a ) = b , d?直角三角形 }. 对直角三角形进行选择操作 ,命题公式 F 为 a = b , 即对变体的变化范围增加这样的约束 :两条直角边相等. 在操作过程中 ,直角三角形的本体与变体产生如下变化 : ?本体事实增加 当新事实 a = b 加入本体 , 推理可得相关新事实 , 如 ?a = ?b 等 , 同时直角三角形 2 中的事实经推理后也得到简化 , 如面积 S = a/ 2 . () ?随着本体约束 事实增加 ,变体变化范围缩小. 由于直角三角形变体 5 个变量的线性相关性 ,只有两 个变量为设计变量 ,其余 3 个为派生变量. 设设计变量 为 a 和 b , 则变体所对应的变化范围为二维笛卡尔空 间第一象限内的所有点 ,如图 2 ϖ所示. 在本体内增加 了 a = b 的约束后 ,变体所对应的变化范围仅为二维 图 2 概念间变体的演化笛卡尔空间第一象限内的一条直线 ,如图 2 ω所示. 对那些没有完整数学模型的概念 ,其变体可以采用关系模型进行描述 ,其过程与上述过程类似. 这样概 念的演化就完全可以在计算机上实现. 213 二义定理 抽象命题 抽象命题是那些只涉及抽象概念本身而不涉及其变体内容的命题. ( 二义定理 设有资源 R , S 为资源 R 的子资源 , 若关于 S 的命题都是抽象命题 , 则对 S 的细化操作 例化 ) 或选择所引起的变化不会影响资源 R 中命题的永真性. ( ) 证明 设 A S 是资源 R 中关于 S 的抽象命题集和由该命题集推理得出的抽象命题集 , T 为对 S 的细化 γ( σ( ) ) ( ) 操作所形成的资源. 因为 T = S ? T =S , 所以 T ?S . 由此命题“T 是 S ”为真. 因为 A S 是抽象命i F ( ) 题集 , 所以 A S R 中的任一命题为真. 中的任一命题为真 , 则 该定理说明细化操作有两方面的意义 :从具体上说 ,由于对 S 的细化操作 , 使其发生了变化 , 生成了新资 源 T , 因而导致了抽象资源 R 所对应的具体资源的变化; 从抽象上说 , T 是 S 的事实存在 , 因为 S 是一抽象资 源 , 因此 R 中与 S 相关的事实依然成立 , 抽象资源 R 没有发生变化. 抽象资源 S 的存在使人们能够从不同角度看待关于 S 的细化操作 :从具体上看 , 资源 R 由于 S 的变化而 311 资源模型在需求发现中的应用 3 , 用户需求是新产品产生的条件. 在深入讨论需求之前首先讨论什么是新产品. 当然 ,采用新知识 () 发的满足用户需求的产品是新产品 这属于发明创造,而利用已有资源开发的满足用户需求的市场上 存在的产品也是新产品 ,因此新产品与是否使用新知识没有必然的联系. 新产品与用户需求密切相关 , 用户的需求 ,使用了现有产品没有使用的技术开发的东西 ,或只是市场上没有的即使使用了新知识的东 称不上产品. 需求因人而异 ,需求差异导致了对抽象需求的进一步细化 ,形成了对同一需求的不同分类 ,因而导 同一抽象需求下满足不同用户群的不同产品 ,例如人们口味虽差异很大 ,但可以大致分为中餐 、西餐等 种类型 ,在这些种类型之下又可进一步细分为若干类型 ,这些类型都能形成不同的市场. 因此 ,一个产品 是满足所有人需要的才叫产品. 用户的多少决定市场的大小 ,这就是说只要有一部分人有需求 ,就有可成相应的产品. 人们的工作 、习惯 、生活环境等因素都不尽相同 ,这就决定了多种多样的 、丰富多彩的需 化这些需求 ,找出能用现有技术实现的 、市场还没有的产品的需求 ,是实现产品发明的一种形式. 新产品最终由用户需求决定 ,能否满足用户既有的需求或发现用户的新需求是问题的关键 ,人的需 及人的生理 、精神需求等一些因素 ,从抽象的角度说需求主要分为静态需求与动态需求两类. 第一类需求称为静态需求 ,千百年来没有什么变化 ,尤其是在抽象层次上的需求是不变的. 那些存 很长时间却没有被满足的需求就成为新产品和新知识产生的动力 ,如人们对长寿 、聪明等要求千百年来 上并无很大的变化 ,对这类需求 ,发现新知识 、给出产品的实现方案是关键 ,但新知识一般是通过大量实 5 到的,并不能从现有资源中找到或仅仅通过推理得到. 另外 ,静态需求还有从抽象角度对产品的要求 , 全 、方便和物美价廉等. 第二类需求称为动态需求 ,有些需求尤其是非常具体的需求会随着环境的变化而变化. 一般来说一 品有功能 、价格 、美观等多方面因素 ,其中某个因素的变化都有可能产生新的需求 ,例如 ,在水的使用费 吨一分钱时 ,人们对节水设备的需求并不迫切 ,这类产品的市场不会很大 ,水费大幅度上涨后 ,必须要节 () 节水市场会随之大幅度扩大 ,节水新产品的需求随之增加 ,而支持这类新产品开发的资源 含技术可能 存在 ,只是在水费上涨后 ,才有了将这些资源转化为产品的市场. 可能导致动态需求的因素有 : ?构成产品的某些因素发生了变化 ,例如上述的水费问题 ; ?新产品 生一方面满足了人们的某些需求 ,另一方面也可能由于其不完善或副作用而导致新的需求 ,如电器产品 射问题 ; ?随着社会的进步 ,人类或部分人的生活习惯发生变化 ,而出现了与人需求相矛盾的问题 ,如室 身器材的出现 ; ?在已知一个新产品的情况下 ,根据该产品所涉及的人类需求的若干因素推测产品的发 势 ,例如在计算机的发展初期 ,提高计算机速度的问题. 在动态需求发现中 ,关键的问题是能及时把握可能导致新需求的变化因素 ,根据二义定理 ,首先找 () 些对用户有影响的具体变化因素及该具体变化因素所对应的长期不变的抽象概念 因素,然后推理得 人类已有抽象需求矛盾的部分 ,进而提出需求 ,其过程如图 3 . 而对与现有需求相关的 、不变的抽象概念 相对抽象概念 ,如安全 、方便等 ,经验性抽象概念的建模是实现需求发现乃至实现需求发展计算机化的 由于这些相对抽象概念早已存在 ,其工作只是将其总结 、细化并在计算机上进行描述. 当然 ,个人 、人类 的总结 、描述与建模并不是一个简单的工作 ,它需要长期 、艰苦与踏实的工作. 抽象推理( ) 具体变化因素 抽象因素 与已有抽象需求矛盾产生 需求提出 图 3 二义定理在需求发现中的作用 下面以抽象概念“整洁”“、使用方便”为例 ,给出需求发现的一个例子. 及 ?不相同操作步数 , ?操作重复次数 , ?操作间的距离 , ?操作间的最短距离 , ?准确性要求.“思考因素 又涉及 ?思考难度 , ?选择范围 , ?选择难度等. 当家庭中遥控器日益增多时 ,用户的选择难度增加导致使用不方便 ;增加了屋内的必需品数量 ,如果用 后随意放 ,容易引起屋内可动物品乱堆放 ,因而导致不整洁 ,所以减少遥控器是新时期的新需求 ,而通过一个 遥控器选择设备控制所有电器并无技术上的障碍 ,因而一家一个遥控器的创意应运而生. 在这里既使用了遥控器乱堆放的具体概念 ,也使用了室内不整洁的抽象概念 ,而这两个概念是对同一事 物的不同描述. 前者帮助人们发现了问题 ,后者是推理并最终发现需求的出发点. 前者会随着问题的变化而 变化 ,后者却基本不变 ,这正是二义定理在知识灵活运用中的体现. 312 资源模型在方案提出中的应用 创新设计是要将设计从不熟悉的性质利用通过分解及综合过程导入设计师所熟悉的性质利用的过程 实际上就是以人们所熟悉的结构或方法来解决问题. 产品设计不可能完全从头开始 ,要利用人类现有知识与 3 概念 ,因为只有继承 ,才能在更高层次上有所作为 ,并把已知推向前进,抽象概念的存在方便了这一思想的 实现 ,方便了知识的灵活运用. 二义定理说明抽象概念的存在使操作有了两种意义. 对用户来说 ,用户关心的是该操作导致的变化 ,是 不是创新 ,这取决于是否满足了用户需求 ,并且该产品是否是市场上还没有的 ;对方案设计人员来说 ,关心的 是操作引起的变化哪些需要处理 ,哪些不需要. 二义定理说明 ,在方案设计 ,只要方案中使用的是足够抽象的概念 ,其中的概念都有相应的实现 ,对其中 一个抽象概念的改进只要不超出该抽象概念的变体所限制的变化空间 ,该改进就是一个局部改动 ,不会引起 整个方案的变动 ,其改动只涉及具体用到该抽象概念的地方 ,其工作量就可限制在一定范围内 ,尤其是有益 于缩小知识库的规模 ,提高知识库的推理效率及知识的适用范围. 采用抽象概念容易使设计人员在方案构成 期间 ,将注意力集中在产品实现的核心部分而不是具体的细枝末节 ,提高方案形成的效率. 313 面向动态需求的创意提出 对动态需求而言 ,其发明创意的提出有时并不复杂 ,其实现仅仅是对现有物质 、技术等资源的利用与重 组 ,发现其需求是实现新产品的关键. 因而及时掌握与用户需求相关因素的变化 ,并从关于需求的抽象描述 4 推理得到那些可以为用户接受的需求 ,然后通过知识的灵活运用 ,通过现有资源的微观重组实现产品的方 案设计 ,就能够最终给出产品的发明创意 ,而这一过程在计算机上实现并没有不可逾越的技术障碍. 因此在 计算机上实现这一类新产品的发明是完全可能的 ,但抽象需求的总结及抽象与相对抽象需求关系的描述工 作是艰巨的. 4 结论 () 笔者从资源模型出发 ,探讨了抽象概念 资源在产品创新设计的需求发现和方案设计中的作用 ,并给出 了用于描述知识灵活应用的二义定理 ,从一个侧面说明了知识灵活运用在产品开发中的重要作用. 在实际工作中 ,运用文章所述方法 ,在一年的时间内提出了一批产品发明创意 ,其中技术含量较低的有 干净油瓶 、便携式电度表 、安全插座与插头等 ,另外还有高技术含量的产品正在开发之中. 参考文献 : 1 Fey V S , Rivin E I ,烟村洋太郎 1TRIZ 如门M 1 东京 :日刊工业新闻社 ,1997. 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