CN101526973A - 计算机辅助策略化产品创新设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机辅助策略化产品创新设计系统及方法，建立符合设计者创新思维与设计行为的计算机辅助创新设计系统，充分利用信息、知识、设计方法及创造性思维方法对设计者创造力的促进作用建立相应的辅助工具；系统的关键作用是辅助和支持设计者的创造性行为；系统主要辅助设计者完成从需求分析、问题定义、策略选择、概念产生、方案生成到方案评价的整个过程，并提供设计过程管理、产品创新设计、网络信息检索、知识资源管理、项目总结报告生成及电子帮助等六组功能。本发明从设计者的认知角度出发，强调设计者在创新设计中的主体作用，强调人机协同的创新机制，具有较强的实用价值。

Description

计算机辅助策略化产品创新设计方法及系统

技术领域

本发明涉及一种产品辅助设计系统，特别是一种计算机辅助策略化产品创新设计系统。

背景技术

在知识经济时代，世界科技的发展将更加迅速，产品的技术含量不断提高，产品生命周期将更加缩短。产品创新设计意味着需要更多的跨学科的知识结构，更复杂的技术支撑和更完善的创新理论。

目前，对于产品的创造设计方法研究虽然已取得一定成果，但各种创造法则、创造技法大都从单一的角度进行研究，并且理论方法研究多而工具手段研究少。工程技术人员在进行产品创新时，往往过多地依赖过去的经验，偏重于个人的专业领域知识，难以克服心理惰性和摆脱思考问题的特定概念框架，不能完全把握产品创新的关键问题，造成产品开发目标的偏差，难以实现产品创新设计。正像CAD、CAM技术极大地推进了产品的设计和制造技术的发展一样，计算机辅助创新技术可以将多个领域的科学知识有机地综合起来，有助于设计者拓宽思考空间，打破思维定势，引导设计者综合应用各学科的知识，获得突破性的创新知识，为产品创新源源不断地提供富有创造性的设计方案，成为企业提高新产品开发能力和经济效益的重要手段。目前，已经研究和开发的计算机辅助创新设计系统由于着眼点不同，系统设计的指导思想也各不相同，大体可分为两类：

(1)基于工程技术发展规律的创新设计系统。这类系统以Altshuller的发明问题解决理论(TRIZ)为核心原理。

发明问题解决理论(Theory of Inventive Problem Solving——TRIZ)是Altshuller及其领导的一批研究人员，在历经1500年·人的研究基础上，吸收了辩正法、唯物主义和唯心主义的有关哲学概念和认知科学对发明家创造性思维的研究成果，并通过对250万件自然科学技术专利的详细分析，最终提出了创新问题解决理论，它由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、工具和算法组成，其目标是使TRIZ成为指导人们进行创新活动的科学。

目前，TRIZ技术包括分析工具和基于知识的概念开发工具。其中，分析工具提供了辨认和形式化问题的方法和计算机工具，其包括物质一场分析、发明问题的解决算法(ARIZ)。物质一场分析是一种对具体问题进行定义并将问题模型化的方法，而发明问题解决算法则是根据物质一场分析定义的问题模型来导出解决问题的具体方法。概念开发工具包括克服系统对立问题的典型技法、发明问题标准解决方法、物理化学几何效应知识库等，其中，克服系统对立问题的典型技法是利用40个发明原理指明解决问题的关键和解决对策的探索方向，而发明问题的标准解决方法则是首先将发明问题按其物质一场模型进行分类，然后再将各类相似问题的解决方法标准化、体系化。在探索具体问题的解决对策时，实现某些功能所需的物理、化学、几何学等具体原理，则由物理化学几何效应知识库提供。

由于TRIZ理论是以已有系统为主要研究对象，因此，基于这一理论建立的创新设计系统更适合于产品的适应性设计或改进设计，应用于新产品创新设计有所不足，对需要发挥想象力的原创性产品创新是不利的。

(2)基于智能技术的创新设计系统。这类系统将专家系统、类比推理、实例推理、神经网络、遗传算法等智能技术应用于产品概念设计过程以提高设计构想数量。

由于产品概念设计在很大程度上是一种人的智能行为，特别需要设计人员的创造性思维以及丰富的领域知识，而人工智能技术目前还缺乏人类的创造性思维和决策机理的基本理论，并且至今还没有一个统一的概念设计的定义和完善的概念设计理论作指导，因此基于人工智能技术的创新设计系统的发展受到很大限制。

如何在设计过程中将设计者的创造性思维和计算机的高效处理技术有机融合，利用计算机辅助系统进行产品创新设计成为目前急待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提出一种会聚认知科学、信息技术、设计理论与方法的研究思想，提供一种计算机辅助策略化产品创新设计方法及系统。

本发明的技术方案是：

一种计算机辅助策略化产品创新设计方法，包括以下步骤：

A、用户根据设计任务的性质决定是否进行需求分析：若目标是设计一个全新的产品或改进现有产品的性能或外观，则进行需求分析以获取用户潜在需求；若目标是对现有产品的次要功能进行开发和改进，则直接转B步骤，进行需求分析时，对输入的用户需求信息采用层次分析法及模糊聚类分析法进行用户需求预处理，然后采用质量功能展开方法将获取的用户需求信息转换成产品设计要求信息，并确定技术冲突、技术目标值、需求竞争力指数及技术竞争力指数；

B、对A步骤输出的产品设计问题，进行问题定义/表征处理，包括利用资源分析法进行描述设计问题情境、分析可利用资源、确定约束影响及确定问题初级表征，然后利用扩大/缩小问题方法对资源分析法处理后的结果进行扩大和缩小表征，确定和输出要解决的产品设计问题的简要表征；

C、对B步骤获得的要解决的产品设计问题模式进行创新设计问题求解，创新设计问题类型分为4类，即现有系统改进问题，全新系统创新问题、成熟产品次要功能开发和产品形态及造型创新设计问题，用户根据问题模式选择4类中的一类，其中，现有系统改进问题是对现有产品或系统进行发明问题求解理论中的系统建模、冲突求解和功能求解、根据冲突问题和功能问题查询知识资源库，并输出创新设计案例及创新设计方案处理，全新系统创新问题是采用对待设计产品的总功能进行功能分解处理，并依据分解后的功能分解树查询知识资源库输出创新设计案例及创新设计方案，成熟产品次要功能开发子模块对成熟产品利用反向鱼图与系统探求法进行产品的特征提取，建立产品的属性列表与组件列表，并将列表内容作为创造性模板法中的属性关联模板、替换模板、去除模板及元素控制模板的操作信息，由用户根据模板操作获得创新设计方案，产品形态及造型创新设计问题利用随机激励或电子头脑风暴法或检核表法或强制联想法对设计问题进行处理并获得创新设计方案；

D、对C步骤形成的创新设计方案采用树形结构记录，并进行方案评价及方案输出。

一种计算机辅助策略化产品创新设计系统，包括用户输入输出界面层、应用程序服务器层、知识资源层，其特征在于：该系统包括与用户输入输出界面层及知识资源层进行数据存储交换的需求分析模块、问题定义/表征模块、创新设计问题求解模块、设计方案管理模块。

其中，由用户输入界面层输入用户需求信息；对于设计全新产品或改进现有产品的性能或外观的需求信息，则由需求分析模块处理，对于现有产品的次要功能进行开发和改进，则直接进入问题定义/表征模块的处理；进行需求分析模块的获取操作时，对已有用户需求信息进行编辑或通过输入界面进行用户需求信息的输入，并且对获取的信息采用层次分析法及模糊聚类分析法进行用户需求预处理，然后采用质量功能展开方法将预处理后的用户需求信息转换成产品设计要求信息，再根据用户输入确定的技术冲突及计算机计算后自动获得的技术目标值、需求竞争力分析结果、技术竞争力分析结果自动生成产品设计问题；

问题定义/表征模块获取产品设计问题，包括利用资源分析法和扩大/缩小问题方法两处理子模块，利用资源分析法子模块包括描述设计问题情境、分析可利用资源、确定约束影响及确定问题初级表征，扩大/缩小问题方法子模块对利用资源分析法子模块处理后的结果进行扩大和缩小表征，确定和输出要解决的产品设计问题的简要表征(问题模式)；

创新设计问题求解模块根据要解决的产品设计问题模式进行处理输出创新设计方案，创新设计问题求解模块包括现有系统改进问题子模块，全新系统创新问题子模块、成熟产品次要功能开发子模块和产品形态及造型创新设计问题子模块，创新设计问题求解模块根据系统提供的创新策略向导或用户的输入信息选择相应的子模块进行处理，其中，现有系统改进问题子模块对现有系统进行发明问题求解理论中的系统建模、冲突求解和功能求解，根据冲突问题和功能问题查询知识资源库，并输出创新设计案例及创新设计方案，全新系统创新问题子模块采用对待设计产品的总功能进行功能分解处理，并依据分解后的功能分解树查询知识资源库输出创新设计案例及创新设计方案，成熟产品次要功能开发子模块对成熟产品利用反向鱼图与系统探求法进行产品的特征提取，建立产品的属性列表与组件列表，并将列表内容作为创造性模板法中的属性关联模板、替换模板、去除模板及元素控制模板的操作信息，由用户根据模板操作设计输出创新设计方案，产品形态及造型创新设计问题子模块对设计问题利用随机激励或电子头脑风暴法或检核表法或强制联想法进行处理并输出创新设计方案；

设计方案管理模块采用树形结构记录生成的创新设计方案，并根据用户输入的评价参数及评价公式自动进行方案评价，由系统提供的项目报告生成器进行设计流程、设计策略、设计方案的输出。

本发明的附加技术方案如下：

优选地，所述系统还包括设计过程管理模块，设计过程管理模块通过树形图与流程图相结合的方式记录设计过程，并提供返回需求分析模块、问题定义/表征模块、创新设计问题求解模块、设计方案管理模块相应操作界面。

优选地，所述知识资源库包括用户需求信息库、企业创新方案库、科学原理知识库、发明原理实例库及多层Web信息检索引擎。

优选地，所述系统还包括项目总结报告生成模块，项目总结报告生成模块包括可定制的报告模板，项目总结报告生成模块获取设计方案管理模块输出的创新设计方案，由用户输入界面获取定制的报告模板，按定制的报告模板输出需求分析模块、问题定义/表征模块、创新设计问题求解模块、设计方案管理模块中的内容。

优选地，所述系统还包括电子帮助模块，电子帮助模块包括软件理论基础说明、软件使用说明、培训教程三部分。

本发明中涉及的一些术语如下：

质量功能展开(QFD)：实施QFD的关键是将用户需求分解到产品形成的各个过程，即通过适当的分解模型，将提取的用户需求转换成产品开发与制造中各个阶段的对应技术需求信息，以使用户需求贯穿于从产品概念设计到产品工艺设计的各个阶段。QFD的基本工具是质量屋(Quality House)，采用矩阵的形式，将用户需求逐步展开，分层地转换为产品的技术需求、零部件特征、工艺特征和质量控制方法。通常，QFD的分解通过以下四个矩阵实现：产品规划矩阵、零件配置矩阵、工艺规划矩阵、工艺/质量控制矩阵。产品规划矩阵是QFD的核心，它利用矩阵展开方式，将用户需求转换为产品技术需求，并根据顾客竞争性评估和技术竞争性评估确定各技术特征目标值。

创造性模板理论(Creativity Templates——CT)：Jacob Goldenberg和David Mazursky以及他们的小组成员经过多年的研究，从数年来成功的产品设计中总结出来的一种模板理论。他们认为，产品开发方面的一些规律是可以被认识的客观存在，它们可以被学会，并且稳定不变，它们能够被用来指导创作的构思过程，从而使人们更具创造力，更为专注。这些规律被Jacob Goldenberg称为“创造性模板”。创造性模板法的理论基础是产品固有信息折射市场需求、受限范围原理及功能遵循形式原理，包括属性依赖模板、替换模板、去除模板、组件控制模板等四个操作模板。

●属性依赖模板

属性依赖模板是在两个独立的变量(即一个变量的改变不会造成另外一个变量的改变)之间创建一个新的相关链接，从而形成新的产品。

●替换模板

将产品中的一个固有组件从组态中移走，但是被移走组件和其他组件之间的链接仍然保留，这样产生了一个悬挂的链接，然后标记出与被移除的组件具有相似特征和功能的外部组件列表，将适合的外部组件与失去组件的功能相链接，产生了新的方案。

●去除模板

将产品中一个组件及它的所有产品功能链接一起从系统中去除，从而创造出一个新的产品，瞄准一个新的市场。

●元素控制模板

这个模板的基础是识别外部组件和产品组态之间的负面链接。首先选择产品的外部组件，然后寻找被选组件和产品组件之间存在的问题，通过建立新的链接来消除。该模板的特点在于产品的一个内部组件和它的环境中的外部组件之间建立了新的链接。

用户需求信息库：存储经过需求预处理的用户需求信息及其权重，以及质量规划矩阵中的相关信息，包括技术措施、关系矩阵、相关矩阵、市场竞争能力评估矩阵、技术竞争能力评估矩阵、技术措施指标及权重等内容。当用户对同类型产品进行需求分析时，可根据产品名称调用用户需求信息库中已有信息进行编辑。

企业创新方案库：当系统用户希望将经过方案评价后的设计方案进行保存，以便于企业员工共享，可将需要保存的设计方案按照企业名称、部门名称、工程名称、工程描述、创建者、软件操作流程、方案描述等项目内容进行保存，并提供按照检索项(工程名称或创建者)进行工程文件检索的功能。

科学原理知识库：科学原理知识是关于应用本领域和其它领域的有关定律来解决设计中的问题的知识，该类知识有助于设计者打破专业局限，获得具有学科交叉性质的创新解。科学原理知识库的构建机制如图5所示。

发明原理实例库：存储TRIZ理论中40个发明原理及4个分离原理的实际工程应用实例，实例内容包括原理应用说明、实例说明、实例动画演示、实例来源及相关实例链接等内容，便于用户运用类比思维进行方案设计。

多层Web信息检索引擎：面向创新设计的多层次Web信息检索引擎主要是为设计人员进行设计工作时提供多种查询Internet信息的方法，能够使设计人员根据创新设计的需要尽可能地查询到紧密相关的知识以及似乎不相干的信息，最后使得查询的知识和信息有助于设计人员的创新思维。多层Web信息检索引擎的结构模型如图6所示。

用户通过需求分析/问题定义确定查询对象，并利用系统提供的自然语言搜索→引导式搜索→关键词搜索→分类浏览→随机搜索等五种搜索方式实现从紧密到宽松的多层次网上信息检索。这种检索方式有利于设计人员创新思维，对信息的需求是从查找具体的相关知识到不相关信息的激发。

●自然语言搜索的目标是让用户以自然语言的方式表达自己对知识和信息的需求，它比关键词搜索有更人性化的搜索方式和更高的查询精度。

●引导式搜索是采用格式化的模式引导用户提出问题进行搜索，方便用户在不能准确表达搜索词时使用，能够帮助用户准确地搜索相关知识和信息，搜索结果更为贴切。

●关键词搜索是目前网上的主流搜索方式，使用方便，但是搜索结果往往比较分散。本系统提供的关键词搜索是采用元搜索引擎，集合多个搜索引擎，能够搜索到更为全面、准确的信息。

●分类浏览建立了一种分类链接，能够让设计者方便地浏览和查阅各个方向的权威网站，它包括专利库、专业数据库等，并可方便地收藏相关的网站。

●随机搜索通过随机产生的方式让设计者在网上随机搜索，利用似乎不相干的信息激发创新思维，寻求思维的突破，是一种极其宽松的搜索方式。

本发明的有益效果主要表现在：

1、本系统以人为主体，通过研究人的认知机理，建立有助于发挥设计者创造力的人机合作模式，避免了设计自动化存在的根本问题，解决了当前计算机辅助创新设计研究面临的困境，有利于计算机辅助创新设计系统的推广和发展；

2、本系统根据不同的创新设计类型提供相应的创新求解工具，不仅适用于现有产品的改进创新，亦适用于全新产品的创新及产品的形态创新设计，具有适用面广、实用性强等特点，具有良好市场价值和推广前景；

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明实施例的系统逻辑体系结构。

图2是本发明实施例的系统运行流程图。

图3是一个实施例。

图4是实施例2中进行功能分解和功能结构建模后的功能结构图。

图5是科学原理知识库的构建机制图。

图6是基于Web的多层信息检索引擎图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述。

如图1、图2，本发明的一种计算机辅助策略化产品创新设计系统，包括用户输入输出界面层、应用程序服务器层、知识资源层。该系统包括与用户输入输出界面层及知识资源层进行数据存储交换的需求分析模块、问题定义/表征模块、创新设计问题求解模块、设计方案管理模块。

其中，由用户输入界面层输入用户需求信息；对于设计全新产品或改进现有产品的性能或外观的需求信息，则由需求分析模块处理，对于现有产品的次要功能进行开发和改进，则直接进入问题定义/表征模块的处理；进行需求分析模块的获取操作时，进行已有用户需求信息的编辑或通过输入界面进行用户需求信息的输入，并且对获取的信息采用层次分析法及模糊聚类分析法进行用户需求预处理，然后采用质量功能展开方法将预处理后的用户需求信息转换成产品设计要求信息，再根据用户输入确定的技术冲突及计算机计算后自动获得的技术目标值、需求竞争力分析结果、技术竞争力分析结果自动生成产品设计问题。

问题定义/表征模块获取自动生成的产品设计问题，包括利用资源分析法和扩大/缩小问题方法两处理子模块，利用资源分析法子模块包括描述设计问题情境、分析可利用资源、确定约束影响及确定问题初级表征，扩大/缩小问题方法子模块对利用资源分析法子模块处理后的结果进行扩大和缩小表征，确定和输出要解决的产品设计问题的简要表征(问题模式)。

创新设计问题求解模块根据要解决的产品设计问题模式进行处理输出创新设计方案，创新设计问题求解模块包括现有系统改进问题子模块，全新系统创新问题子模块、成熟产品次要功能开发子模决和产品形态及造型创新设计问题子模块，创新设计问题求解模块根据系统提供的创新策略向导或用户的输入信息选择相应的子模块进行处理，其中，现有系统改进问题子模块对现有系统进行发明问题求解理论中的系统建模、冲突求解和功能求解，根据冲突问题和功能问题查询知识资源库，并输出创新设计案例及创新设计方案，全新系统创新问题子模块采用对待设计产品的总功能进行功能分解处理，并依据分解后的功能分解树查询知识资源库输出创新设计案例及创新设计方案，成熟产品次要功能开发子模块对成熟产品利用反向鱼图与系统探求法进行产品的特征提取，建立产品的属性列表与组件列表，并将列表内容作为创造性模板法中的属性关联模板、替换模板、去除模板及元素控制模板的操作信息，由用户根据模板操作设计输出创新设计方案，产品形态及造型创新设计问题子模块对设计问题利用随机激励或电子头脑风暴法或检核表法或强制联想法进行处理并输出创新设计方案。

设计方案管理模块采用树形结构记录生成的创新设计方案，并根据用户输入的评价参数及评价公式自动进行方案评价，由系统提供的项目报告生成器进行设计流程、设计策略、设计方案的输出。

在上述系统的基础上，为了方便设计过程管理，所述系统还包括设计过程管理模块，设计过程管理模块通过树形图与流程图相结合的方式记录设计过程，并提供返回需求分析模块、问题定义/表征模块、创新设计问题求解模块、设计方案管理模块相应操作界面的功能。优选地，所述知识资源包括用户需求信息库、企业创新方案库、科学原理知识库、发明原理实例库及多层Web信息检索引擎。优选地，所述系统还包括项目总结报告生成模块，项目总结报告生成模块包括可定制的报告模板，项目总结报告生成模块获取设计方案管理模块输出的创新设计方案，由用户输入界面获取定制的报告模板，按定制的报告模板输出需求分析模块、问题定义/表征模块、创新设计问题求解模块、设计方案管理模块中的内容。上述系统还可以提供设计资源管理功能，包括创新设计方法导航、网络信息资源检索、数据库知识库调用，用于支持创新问题求解过程，上述系统还可以提供设计知识管理功能，用于提供规则型知识管理、实例型知识管理和推理知识管理数据。

所述系统的应用程序接口环境除了负责用户与系统的交互外，还可以提供二次开发接口、Pro/E或CAD等应用软件接口，用于所述系统的功能拓展，并方便用户继续进行创新方案的详细设计。

本发明的具体实施例1：利用本实施例的计算机辅助策略化产品创新设计方法及系统解决现有系统改进问题。

例如：应用该系统对传统立式真空吸尘器进行创新设计，实施步骤如下：

步骤A：设计任务分析与用户需求分析

传统立式真空吸尘器主要由电动机、离心式风机、滤尘器、集尘袋、吸尘附件等几部分组成，其工作原理为：吸尘器接通电源后，电动机高速驱动风机叶轮旋转，带动叶片对空气不断做功，将吸尘器内的空气不断从出气口排出，使其内部形成瞬时真空，即吸尘器内部和外界大气之间形成一个相当高的负压差。在此负压差的作用下，进气口附近的垃圾灰尘随着气流进入滤尘室进行过滤，垃圾灰尘留在集尘袋内，过滤后的清洁空气经排气室从出风口排出。

在保持吸尘器基本工作原理不变的情况下，以提高吸尘器工作性能为目标，借助已建立的计算机辅助产品创新设计系统对吸尘器进行创新设计。该项设计任务需要进行用户需求分析，通过市场调查和顾客反馈获得笼统、定性的原始用户需求，利用模糊聚类分析法对这些信息按照性能需求、约束需求及操作需求进行归纳整理，形成系统的、有层次的用户需求。用户需求主要包括节能、吸尘能力强、吸尘速度快、可靠性高、功能多、使用寿命长、噪音小、重量轻、尺寸小、易于操作、环保等。利用层次分析法(AHP)法给出各项需求的量化权重值，并输入到质量规划矩阵，在人机交互作用下实现吸尘器的需求质量到工程特性的匹配，得到技术要求重要度、技术要求目标值、冲突的技术要求列表、竞争力曲线对比图，最后生成吸尘器设计任务书。

步骤B：设计问题确定、问题表征及求解策略选择

根据需求分析结果可知，市场上现有主流品牌的吸尘器在噪音、耗电量、吸尘效果、多功能、易清洁、易使用、无故障运行等7项指标方面存在较大差别，若要提高产品整体性能，需要从这些方面加以考虑。由于吸尘效果是用户选择产品的主要指标，因此，提出设计问题，并采用扩大/缩小问题表征工具对该设计问题进行表征。

设计问题——如何提高吸尘器的吸尘效果？

扩大化的问题——如何从被清洁表面分离污物？是否有其它方法可以实现？

缩小化的问题——什么原因导致吸尘效果不好？通过改善这些影响因素，是否可提高该指标？

对同一设计问题采用不同的表征方式会影响解决问题的思维模式，如采用扩大化的问题表征，会使我们思考设计的最终目的(功能)是什么，是否有其它更好地方法达到此目的，吸尘器的功能是从被清洁表面清除污物，可寻求其它科学原理和效应对吸尘器的工作原理进行创新。而采用最小化的问题表征，会使我们找出导致吸尘器吸尘效果不好的原因，并消除这些影响吸尘器主要功能的问题。根据设计任务，设计分类属于现有系统改进问题，采用解决最小化问题的求解策略，利用系统建模工具对吸尘器进行功能分析，以确定影响吸尘效果的小问题列表，如图3所示。

步骤C：按照创新求解策略进行创新设计

通过功能分析，可以确定下列可能影响吸尘器吸尘效果的问题：(1)吸尘器整体密封性不好；(2)电动机转速过低或叶轮与主轴滑动；(3)集尘袋尘满堵塞，导致吸力下降；(4)经过过滤的空气中仍然携带着灰尘微粒，造成空气的二次污染；(5)滤尘器微孔被灰尘堵塞，造成吸尘强度下降；(6)旋转刷疏松灰尘的能力不够。其中，第(1)和第(2)项问题属于常规性问题，运用技术手段即可解决，而后几项问题均属于创造性问题，需要进行创新设计。

解决问题(3)时产生物理冲突，即集尘袋应有大的容积，以便容纳更多的垃圾，但又应该小，以减小吸尘器的整体尺寸。调用系统中的物理冲突模块，查询可用的分离原理及应用实例，利用空间分离原理获得设计构思：将集尘袋分为两部分，一部分在机壳内(体积略小)，另一部分在机壳外(体积稍大)，这样既保证了集尘袋大容积的要求，又不会增大吸尘器体积。

问题(4)和问题(5)存在一对技术冲突，即减小滤尘器微孔尺寸，会改善滤尘效果，防止灰尘泄露，但同时易使滤尘器微孔被堵塞，从而吸力降低。调用系统中的技术冲突模块，选择改善的参数“27-可靠性”和恶化的参数“31-物体产生的有害因素”，可得到四条发明原理“#2分离原理、#26复制、#35参数变化、#40复合材料”。

根据发明原理#2获得设计构思：减小滤尘器微孔尺寸，并利用声波或机械振动的方式将附着在滤尘器上的灰尘颗粒去除，防止滤尘器微孔被堵塞。

根据发明原理#26获得设计构思：利用简单的、低廉的物质(水雾)代替复杂的、昂贵的物质(滤尘器)，参与对污垢的过滤，从而既提高了滤尘效果，又避免了堵塞现象。

根据发明原理#40获得设计构思：利用具有一定抗拉强度、抗磨损性、良好的灰尘滞留性能和较低的空气阻力的复合材料过滤灰尘，从而保证良好的滤尘效果和吸尘效果。

问题(4)和问题(5)也可通过查询科学效应库，寻找能够实现“分离”这一基本功能的科学效应，根据离心力原理可获得设计构思：使进入吸尘器的气流高速旋转，在离心力的作用下，灰尘颗粒从空气中分离，从而既实现了过滤灰尘的功能，又避免了滤尘器被堵塞，导致吸力下降的隐患。

问题(6)的关键在于“预操作”强度不够，即旋转刷不能很好地疏松黏附在清洁表面上的灰尘，从而无法有效地提高清洁质量。我们可以通过提高电动机功率或旋转刷的转速来改善此功能，但同时会增加噪音和耗电量。因此，我们考虑利用其它科学效应来实现此功能，查询科学效应库，搜索能够实现“移动”这一基本功能的支持效应，有机械振动、超声波振动、搅动、摩擦、轻拍、吸附、磁场、静电场等等。根据这些效应可获得多种设计构思：将旋转刷换成小锤轻轻拍打地毯或沙发等容易吸附灰尘的表面，增大疏松灰尘的强度；利用超声波使旋转刷上的刚毛件振动，从而有效地从被清洁表面将灰尘分离，并将灰尘从其自身分离；在吸入口附近安装一个刮擦装置，有效地去处黏附在被清洁表面的污物；利用搅动原理，将排出的清洁空气引入到吸入口附近，帮助提高吸尘效果。

步骤D：创新设计方案的评价与输出

根据上述立式真空吸尘器的创新设计可知，计算机支持工具可有效地辅助设计者获得多种创造性的构想。将这些设计构想与需求分析阶段获得的设计约束相结合，选择出较有前途的设计构想进行工作原理的构造和实体结构的设计，形成一个或多个符合具体应用条件的设计方案，最后进行设计方案的评价，并输入创新设计结果。

实施例2：利用本实施例的计算机辅助策略化产品创新设计方法及系统解决全新系统创新问题。

例如：应用该系统对金属切割机的功能原理进行创新设计，实施步骤如下：

步骤A：设计任务分析与用户需求分析

通过需求分析可知，传统切割机采用火焰高温切割技术，加工温度高，加工过程中容易使材料切口造成融化和烧伤，并且在加工过后还存在后序的退火、去毛刺等问题，其次是加工过程需要消耗大量的能源燃料，成本高、污染大。

步骤B：设计问题确定、问题表征及求解策略选择

因此，提出设计问题，并采用扩大/缩小问题表征工具对该设计问题进行表征。

设计问题——如何解决传统切割技术产生的问题？

扩大化的问题——是否有其它方法可以实现金属切割？

缩小化的问题——通过何种方式可改善火焰高温切割技术产生的不利因素？

根据需求分析可以了解到采用火焰高温切割技术的切割机的发展空间已经很小，主要功能改进已经趋于极限。因此，设计应该跳出现有产品的系统和功能，采用全新系统的创新策略，思考产品的最终设计目的和最终功能是什么。从产品的最终设计目的功能出发，对切割机的工作目的进行抽象和问题表述最大化。

步骤C：按照创新求解策略进行创新设计

根据功能本体库中功能的抽象与具体关系，可以得到切割机的最终目的功能是分割物质。对通过功能本体定义的总功能“分割物质”对应知识库系统中的科学效应库，查找到实现“分割物质”的效应方法有：激光分割、高压等离子气体分割和水射流分割等方法。在搜索结果中把实现功能的效应解和切割机的创新设计相结合，得到可能的解决方案有激光切割机、等离子切割机和水射流切割机等。

激光和等离子在切割工艺上和火焰切割一样属于热态切割，而水射流切割采用水作为切割介质，属于冷态切割。这样在加工过程中切缝小、切割精度高、光洁度高、节能、环保、不产生热变形和热影响。在对各种可能方案分析基础上，选用水射流实现分割物质的效应方法。

在得到满足总功能效应的基础上，利用功能本体库对“分割物质”进行功能分解和功能结构建模，建立起满足设计需求的功能结构。功能分解过程从抽象到具体，首先把总功能分解为操作本体+“物质流/能量流/信息流”的形式，得到“供给能量”、“供给物质”和“检测信息”，再对其利用功能本体进行细分，得到图4所示的功能结构图，最终得到完整的方案解。

实施例3：利用本实施例的计算机辅助策略化产品创新设计方法及系统解决成熟产品次要功能开发。

步骤A：设计任务分析及求解策略选择

目前国内摩托车企业自主开发能力不足，产品同质的现象日趋明显，如何在不改变产品主要功能的条件下，对产品的次要功能和辅助功能进行开发和改进，以吸引更多的消费者成为企业急待解决的问题。

踏板式摩托车作为摩托车发展的一支主要力量，由于其采用无级变速系统、具有操作简单、上下方便、安全性高等优点，成为摩托车企业生产、销售的重点对象，企业为了进一步提高该产品的卖点，针对该产品提出创新任务。设计者根据设计任务直接进行问题表征并利用成熟产品次要功能开发的创新求解策略进行创新问题求解。

步骤B：按照创新求解策略进行创新设计

①产品属性特征提取：对踏板式摩托车的基本框架、车体外壳及功能附件等三个辅助功能模块的构成元件进行分析，并确定产品的内部组件及与产品在某一时间或某一地点上有直接接触，且不受制造商控制的外部组件。从内部组件和外部组件中提取属性信息，建立如表1所示的特征列表。

表1特征列表

②利用属性预测矩阵进行属性关联：由于属性众多，为了方便的获取独立属性之间的依赖关系，利用辅助工具进行属性输入操作，软件将自动生成属性预测矩阵。矩阵的行代表自变量(内部属性或外部属性)，而列为因变量(内部属性)。在矩阵里，一个单元表示一个连接关系。对于己存在连接关系的变量，标记为1，目前还无连接的则标记为0。同样的元素之间不能产生连接，标记为X。此外，软件还通过信息提取功能将矩阵中无连接的变量对提取出来，如胎面材料与行驶时间、减震器强度与路况、尾箱体积与货物尺寸、刹车片与天气等等。设计者需要设法为这些无连接关系的独立变量对建立依赖关系，如考虑是否可以让减震器强度随路况的变化而变化？胎面材料是否可以随着行驶时间的增加而改变？尾箱体积是否可以随货物尺寸的变化而改变？刹车片是否可以随天气状况的改变而改变？

步骤C：寻求市场效用

为独立变量对设置连接后，考虑该连接关系对产品有什么好处？能实现什么功能？解决了用户的什么问题？这个过程就是为步骤3产生的预发明结构寻找市场效用的过程，其依据就是功能遵循形式(FFF)原理。

①减震器本身起到的是一个缓冲的作用，但是减震器的刚性太大则减震效果不好，刚性太小则高速转向不容易把握平衡。根据减震器强度与路况的连接关系，可以得到一个创新想法一一开发一种新型的减震装置，它的强度可以随路面状况的改变而改变，调整方式既可以采用电脑自动控制，也可以设计一套可换档的机械装置手动调整。

②随着行驶时间的增加，摩托车轮胎会逐渐产生磨损，尤其在路面状况不好的环境下使用磨损将更加严重。根据胎面材料与行驶时间的连接关系，可以得到一个创新想法一一设计一种新型的胎面材料，它由多种材料分层次构成，随着行驶时间的增加，外层材料磨损后，内层材料仍可保证轮胎的正常使用。

③踏板式摩托车的尾箱主要用于方便用户放置物品或工具，但由于空间限制，尾箱体积通常比较小，如果用户希望携带大体积的货物将很难实现。根据尾箱体积与货物尺寸的连接关系，可以得到一个创新想法一一将尾箱设计成可折叠、可嵌套的结构形式，它的形状和体积可以随着货物尺寸的变化而变化，方便用户的不用需求。

④高性能的刹车片是提高刹车制动力最直接、有效、简单的方法，但在不同的天气环境下，刹车片的制动效果是不同的。在雨雪天气，路面摩擦系数减小，对于摩托车用户来说，需要更强的制动效果来保证行驶安全。根据刹车片与天气的连接关系，可以得到一个创新想法一一针对不同的天气，设计不同性能的刹车片，用户可根据需要利用手动装置进行更换。

利用发明的计算机辅助策略化产品设计方法及系统解决产品形态、造型创新问题，其步骤如图2所示，其中随机激励或电子头脑风暴法或检核表法或强制联想法为现有技术，并已经被充分研究。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1、一种计算机辅助策略化产品创新设计方法，包括以下步骤：

A、用户根据设计任务的性质决定是否进行需求分析：若目标是设计一个全新的产品或改进现有产品的性能或外观，则进行需求分析以获取用户潜在需求；若目标是对现有产品的次要功能进行开发和改进，则直接转B步骤，进行需求分析时，对输入的用户需求信息采用层次分析法及模糊聚类分析法进行用户需求预处理，然后采用质量功能展开方法将获取的用户需求信息转换成产品设计要求信息，并确定技术冲突、技术目标值、需求竞争力指数及技术竞争力指数；

B、对A步骤输出的产品设计问题，进行问题定义/表征处理，包括利用资源分析法进行描述设计问题情境、分析可利用资源、确定约束影响及确定问题初级表征，然后利用扩大/缩小问题方法对资源分析法处理后的结果进行扩大和缩小表征，确定和输出要解决的产品设计问题的简要表征；

C、对B步骤获得的要解决的产品设计问题模式进行创新设计问题求解，创新设计问题类型分为4类，即现有系统改进问题，全新系统创新问题、成熟产品次要功能开发和产品形态及造型创新设计问题，用户根据问题模式选择4类中的一类，其中，现有系统改进问题是对现有产品或系统进行发明问题求解理论中的系统建模、冲突求解和功能求解、根据冲突问题和功能问题查询知识资源库，并输出创新设计案例及创新设计方案处理，全新系统创新问题是采用对待设计产品的总功能进行功能分解处理，并依据分解后的功能分解树查询知识资源库输出创新设计案例及创新设计方案，成熟产品次要功能开发子模块对成熟产品利用反向鱼图与系统探求法进行产品的特征提取，建立产品的属性列表与组件列表，并将列表内容作为创造性模板法中的属性关联模板、替换模板、去除模板及元素控制模板的操作信息，由用户根据模板操作获得创新设计方案，产品形态及造型创新设计问题利用随机激励或电子头脑风暴法或检核表法或强制联想法对设计问题进行处理并获得创新设计方案；

D、对C步骤形成的创新设计方案采用树形结构记录，并进行方案评价及方案输出。

2、一种计算机辅助策略化产品创新设计系统，包括用户输入输出界面层、应用程序服务器层、知识资源层，其特征在于：该系统包括与用户输入输出界面层及知识资源层进行数据存储交换的需求分析模块、问题定义/表征模块、创新设计问题求解模块、设计方案管理模块；

其中，由用户输入界面层输入用户需求信息；对于设计全新产品或改进现有产品的性能或外观的需求信息，则由需求分析模块处理，对于现有产品的次要功能进行开发和改进，则直接进入问题定义/表征模块的处理；进行需求分析模块的获取操作时，进行已有用户需求信息的编辑或通过输入界面进行用户需求信息的输入，并且对获取的信息采用层次分析法及模糊聚类分析法进行用户需求预处理，然后采用质量功能展开方法将预处理后的用户需求信息转换成产品设计要求信息，再根据用户输入确定的技术冲突及计算机计算后自动获得的技术目标值、需求竞争力分析结果、技术竞争力分析结果自动生成产品设计问题；

问题定义/表征模块获取产品设计问题，包括利用资源分析法和扩大/缩小问题方法两处理子模块，利用资源分析法子模块包括描述设计问题情境、分析可利用资源、确定约束影响及确定问题初级表征，扩大/缩小问题方法子模块对利用资源分析法子模块处理后的结果进行扩大和缩小表征，确定和输出要解决的产品设计问题的简要表征；

创新设计问题求解模块根据要解决的产品设计问题模式进行处理输出创新设计方案，创新设计问题求解模块包括现有系统改进问题子模块，全新系统创新问题子模块、成熟产品次要功能开发子模块和产品形态及造型创新设计问题子模块，创新设计问题求解模块根据系统提供的创新策略向导或用户的输入信息选择相应的子模块进行处理，其中，现有系统改进问题子模块对现有系统进行发明问题求解理论中的系统建模、冲突求解和功能求解，根据冲突问题和功能问题查询知识资源库，并输出创新设计案例及创新设计方案，全新系统创新问题子模块采用对待设计产品的总功能进行功能分解处理，并依据分解后的功能分解树查询知识资源库输出创新设计案例及创新设计方案，成熟产品次要功能开发子模块对成熟产品利用反向鱼图与系统探求法进行产品的特征提取，建立产品的属性列表与组件列表，并将列表内容作为创造性模板法中的属性关联模板、替换模板、去除模板及元素控制模板的操作信息，由用户根据模板操作设计输出创新设计方案，产品形态及造型创新设计问题子模块对设计问题利用随机激励或电子头脑风暴法或检核表法或强制联想法进行处理并输出创新设计方案；

设计方案管理模块采用树形结构记录生成的创新设计方案，并根据用户输入的评价参数及评价公式自动进行方案评价，由系统提供的项目报告生成器进行设计流程、设计策略、设计方案的输出。

3、根据权利要求2所述的计算机辅助策略化产品创新设计系统，其特征在于，所述系统还包括设计过程管理模块，设计过程管理模块通过树形图与流程图相结合的方式记录设计过程，并提供返回需求分析模块、问题定义/表征模块、创新设计问题求解模块、设计方案管理模块相应操作界面。

4、根据权利要求2所述的计算机辅助策略化产品创新设计系统，其特征在于，所述知识资源包括用户需求信息库、企业创新方案库、科学原理知识库、发明原理实例库及多层Web信息检索引擎。

5、根据权利要求2所述的计算机辅助策略化产品创新设计系统，其特征在于，所述系统还包括项目总结报告生成模块，项目总结报告生成模块包括可定制的报告模板，项目总结报告生成模块获取设计方案管理模块输出的创新设计方案，由用户输入界面获取定制的报告模板，按定制的报告模板输出需求分析模块、问题定义/表征模块、创新设计问题求解模块、设计方案管理模块中的内容。

6、根据权利要求2所述的计算机辅助策略化产品创新设计系统，其特征在于，所述系统还包括电子帮助模块，电子帮助模块包括软件理论基础说明、软件使用说明、培训教程三部分。

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