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运用CAI工具提升创新设计能力
高常青 马士军 李长春
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提高企业的产品创新设计能力，是各国各行业面临的重大课题。本文全面分析了制约创新设计的瓶颈因素，系统地研究了TRIZ理论在产品创新设计中的应用。
1 技术创新的需求及其制约因素
知识经济的高速发展，使企业面临的竞争越来越激烈。仅靠扩大生产规模，利用优化技术完善现有产品已不能保证企业获得竞争优势。利用有限的资源，快速实现产品的创新设计，成为制造业企业生存的关键。
我们从现实中审视国人的创造力，现状令人担优。据统计，我国发电设备、机床和汽车等产品的产量居世界前列，却没有一家装备制造企业能跻身世界500强；我国汽车年产量已达300万辆，可具有自主知识产权的设计极少；2001年我国信息业(不含半导体)产值达255亿美元，仅次于美、日，但仍然是无“芯”产业；我国光电子制造设备的100％、IC制造装备的85％、高档数控机床的70％都需进口。另外，从发明专利的数量上看，根据世界知识产权组织(WIPO)的统计，1995年我国发明专利授权量是美国或日本的1/30，远远落后于西方发达国家。
然而，产品的创新设计的实现并不容易，通常受到以下4个方面的制约。
1)有限的知识领域。知识与技术是创新设计的依托，其可以将概念转化为产品，并解决工程系统中存在的冲突。每个工程人员所掌握的知识都是极其有限的，且产品创新常涉及大量该产品领域外的知识，难以充分利用产品领域内外的相关知识，成为产品创新设计的首要瓶颈。
2)“心理惯性”。人们在思考问题时，必然的将所掌握的知识和信息之间建立某种联系，这种联系每发生一次就会得到加强，最终形成一种习惯性思维。设计人员形成的习惯性思维，极易限制创新性思维的产生。
3)设计方法。产品创新设计的成功，与设计方法密不可分。良好的方法可以更好的运用天赋的能力，而拙劣的方法会抑制产品创新的实现。能否把握技术创新系统的整体性，以动态的观点分析各种相关因素，成为创新设计方法有效性的关键。
4)技术风险。由于创新产品从某种程度上必然存在不可控性，并缺乏实践等因素，创新产品的实施有一定的技术风险。该因素使得企业对产品创新极其谨慎，甚至回避产品创新。产品的更新换代需要有效的产品技术预测理论作指导。
2 TRIZ理论
TRIZ是俄文“发明问题解决理论”的缩写，其英文翻译为“Theory of Inventive Problem Solving(TIPS)”。TRIZ的创立者G.S.Altshuller从开始就坚信发明问题的基本原理是客观存在的。任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡的过程，是有规律可循的。人们如果掌握了这些规律，就可以能动的进行产品设计，并能预测产品的未来发展趋势。TRIZ正是这些规律的综合。运用这一理论，可大大加快人们创造发明的进程，而且能得到高质量的创新产品。TRIZ理论认为，发明问题的核心是解决冲突，未克服冲突的设计不是创新设计。TRIZ理论中的冲突主要有技术冲突和物理冲突两种形式。TRIZ解决冲突的方式与传统的“折中法”不同，在选择冲突参数A与B时，既要使参数A所影响的质量提高，又要使参数B所影响的质量提高或无影响，即要解决冲突。两种解决方法的区别如图1所示。

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图1 冲突解决方案的比较

TRIZ的问题解决工具可以分成两组：
①分析工具。分析工具帮助工程人员定义与描述问题，辅助问题的分析过程，它包括：ARlZ、物质——场分析法、理想解等。
②知识库工具。其来源于关于人类创新经验知识的积累与整理，为使用者提供了最高水平的问题解决工具，它包括：产品的技术进化模式、40条发明原理、分离原理、76个标准解、经挑选的创新实例、效应等。
基于TRIZ的问题解决模型如图2所示。

（图片）

图2 基于TRIZ的问题解决过程模型

基于此问题解决模型，综合运用TRIZ的分析工具和知识库工具，可以帮助设计人员克服心理惯性，建立问题分析模型，扩展设计人员的知识积累，降低新产品的开发的技术风险。
3 计算机辅助创新设计
计算机辅助创新(CAI：Computer Aided Innovation)技术是新产品开发设计中的一项关键基础技术，在概念设计阶段对研发加以支持，成功地把信息化技术应用到了产品生命周期的最前端。
Pro/Innovator是亿维讯公司开发的计算机辅助创新设计平台。其针对中国企业技术创新的现状与需求，基于TRIZ理论和领域知识本体，构建了CAI技术平台的功能框架，包括专利分析、系统分析、问题定义、系统进化预测和问题求解、方案评价及专利的计算机辅助生成等部分，对企业技术创新活动提供有力的支持。
Pro/Innovator系统在定义创新问题后可以通过以下多种途径对问题进行求解，如：问题分解、解决方案、创新原理、专利查询等。每一个问题求解模块都为工程人员提供一组有效的问题解决方法。如创新原理模块中提供了40多条常用的发明原理，每条发明原理都有若干相对应的工程实例应用说明，对于问题的解决有重要的启发意义。
石油产品中含有石蜡，当环境温度降低时，石蜡会沉积在石油产品的容器内壁上，此现象发生的温度称为浊点。浊点对于石油产品的性能十分重要，准确的、快速的测量石油产品的浊点有重要的工程意义。
我们利用Pro/Innovator求解工程问题。在问题定义后，在解决方案模块中，我们通过关键词查询相关的工程解决实例，在查询窗口中输入“petroleumchemical”，其中、、<0R>等操作符定义了各关键词之间的逻辑关系。

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图3 全反射型波导传感器

在众多推荐的工程实例中，我们检索到一条和本工程目标十分相近的工程实例。如图3所示。实例建议采用全反射型波导传感器测定石油产品的浊点。波导层包括光纤光束的射入和射出通道，通道与测定面呈一定角度相交，测定面与没有达到浊点的石油产品接触。入射光束在波导/样品边界处折射，并进入石油产品。传感器和样品用装有温度传感器的冷却/加热装置逐渐冷却，冷却使得石蜡沉淀在测定面上。石蜡的折射率低于石油产品的折射率。如果温度达到浊点，光束会被全部反射，光束通过射出通道进入光电探测器。这样，就可以用全反射光束测定石油产品的浊点了。
4 总结
通过计算机辅助创新工具，将领域知识与创新方法有效的结合起来，有效的提高了工程人员的创新能力。计算机辅助创新设计平台--Pro/Innovator为技术创新提高了有力的支持。 3/1/2009

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