创新设计方法论文
本文认为进行创新机械设计有两个必要条件:一是充分获取适用知识；二是使用符合并能激发创新设计思维的设计体系。设计过程充满矛盾，获取的知识要有助于快速解决矛盾，这就要求知识获取工具与设计过程紧密结合，因此需要统一研究知识获取工具和设计系统。另外，人类的创新设计思维模式是通过总结长期成功的设计经验形成的，所以设计体系必须符合创新设计思维规律。创新设计的思维规律应该是计算机辅助创新设计系统的理论基础。
基于以上考虑，本文从创新设计思维的研究入手，整合知识获取方法，研究创新设计理论，进而开发机械产品创新设计系统。
1机械创新设计的思维规律
我们经常把思考的过程叫做“思考”，因为我们可以用路径问题来解释人类思考的过程。本文提出了机械创新设计的两个思维原则:
首先是最短路径原则。设计师在得到产品的功能需求后，往往会先检索出最佳的设计实例，这样才能最快速地接近目标。然后，他们通过运用价值工程的方法，找出几个价值较低的部件作为研究对象，然后对所得对象的矛盾进行分析，试图做出最小的改动来解决矛盾。如果矛盾得不到解决，他们就计划做出更大的改变或者扩大研究对象的范围，最终得到最优的结果。这种方式消耗的能量最少，体现了最短路径原则。
二是相似联想。根据汤川秀树的同一性理论，联想能力是找出事物之间相似性的创造力，相似性是指事物之间的内在联系。
利用计算机系统辅助设计人员从自然界中发现不同事物的相似性是非常困难的，因此本文只研究从机械产品实例中进行相似性挖掘，以促进机械创新设计。
机械设计过程是从功能需求到动作原理，再到物理结构的映射过程[1]。在CBR系统中，功能需求、动作原理和物理结构都可以作为实例索引，因此可以统称为索引项。同一指标的不同指标项之间的关联可以称为纵向关联，同一指标的不同指标之间的关联可以称为横向关联。
判断联想是否合理的依据是相似性，这是由已有的产品实例决定的。比如超声波磨床的产品实例，使超声波振动的作用原理和磨削的功能要求有了纵向的内在联系；再比如很多产品实例可以满足相同的功能需求，所以它们的功能原理和物理结构都是相似的。
功能需求是关联的起点。有经验的设计师通常会记住大量的设计实例，因此能够掌握纵向和横向的相似性，从而能够快速地进行横向和纵向的关联，能够画出作用原理和物理结构相似的实例(简称相似实例)并进行组合优化，最终得到最优解。
这两个原则已经不知不觉地被很多设计方法所采用。基于案例的推理不仅能快速逼近最优解，而且体现了最短路径原则。物质场分析法(简称TRIZ)对数百万个设计实例进行分析，确定功能需求、作用原理和物理载体之间的内在联系，以及不同作用原理或物理载体之间的替代关系，使设计者能够根据功能需求找到合适的作用原理和物理载体，体现相似联想原则。
2计算机辅助创新设计系统
计算机辅助创新设计系统的设计充分体现了两个创新设计思维原则，系统还采用了多种创新设计方法和人工智能技术。计算机辅助创新设计系统的流程如图1所示，包括以下关键技术:
2.1实例检索
在使用基于案例推理(CBR)技术时，首先要研究它的优缺点。CBR是一种基于实例的知识提供方法。目前还存在以下不足:一是系统为了达到实用性，通常会建立庞大的案例库，导致管理困难，系统效率低下；其次，通过检索只得到一个或少数几个实例，其他不符合检索要求但包含适用知识的实例没有被利用，对创新的支持不够；最后，案例调整严重依赖领域知识，难度较大，因此许多CBR系统被简化为案例检索系统[2]。这三个缺点的深层原因是实例相互独立，不同实例所包含的知识难以组合利用。为了克服这一矛盾，本文提出通过相似性关联寻找相似实例，并利用遗传算法优化组合，实现案例知识的重用。
该系统的案例检索功能是通过商业PDM系统IMAN中的产品结构与配置管理功能和搜索功能实现的，案例的可视化表示和管理依赖于IMAN的产品结构树功能。
2.2可视化示例模型表达及矛盾分析
概念设计技术的发展方向是研究统一的设计方案表达方法[3]。文献[4]扩展了日本学者吉川弘之提出的FBS图，用两个框架分别描述一个设计方案的功能层和结构层，存储功能单元和结构单元的对应关系，使计算机能够理解产品的结构和功能。这种方法的缺点是结构与功能的关系不够直观。因此，本系统在功能层次图和结构层次图的基础上增加了功能关系图，以语义网络的方式描述结构及其功能关系，使结构和功能在同一个图中，设计者可以直观地理解产品原理，并根据功能关系图，运用价值工程方法分析实例中存在的矛盾。
实现创新的关键是正确分析产品中存在的矛盾[5]。产品设计的基本矛盾是产品功能成本比不能满足用户的要求，这种矛盾有两种表现:一种是部分产品功能质量目标没有达到；第二，一些功能的质量得到了改善，而一些功能的质量却恶化了。
利用矛盾分析的结果指导新的作用原理和新的物理结构的联想，进而找出相似的例子。
2.3基于网络的创新设计知识库
该系统的创新设计知识库包括动作原理库、物理结构库和案例库。当系统根据相似度搜索一个新的作用原理或物理结构时，自动调出相应的例子。
动作原理库和物理结构库的开发借鉴了TRIZ的成果，进而补充和整理了机械领域的240多条动作原理(包括50多条基本措施)。在每个作用原理下，多种物理结构被分开存储，形成物理结构库。案例库主要是针对几种常见的家用电器开发的。
创新设计知识库是创新设计系统的核心组成部分，是一个WEB文本知识库。用作者开发的机械知识XML对文本进行标记，使知识库建立在国际标准的XML文本上，从而实现知识资源的异地共享，并在此知识库上建立基于WEB的机械产品计算机辅助创新设计系统，满足异地协同设计的需要。
2.4相似度的量化方法和改进的遗传算法
每个产品的结构不同，需要不同的遗传算法编码。为了提高运算效率，本系统采用浮点编码方式。
在传统的遗传算法中，初始种群是用随机方法产生的[6]，具有一定的盲目性。因此，本文提出利用实例的作用原理或物理结构的相似性作为筛选实例产生初始种群的依据。
实现这种方法的关键在于相似度的量化，即相似度的计算方法。相似度的本质是实例的相关知识，必须通过一定的算法在实例集中进行挖掘。纵向关联的相似性本质上是功能目标与实现手段的关联程度，横向关联的相似性本质上是实现手段的可替代性程度。更高的相似性意味着更多来自现有产品示例的支持。根据相似度筛选初始种群，相当于利用了以前的设计经验，使初始种群有了合理的依据，因此可以加快遗传算法的收敛速度。基于相似关联原理，本文提出了以下纵向和横向关联的相似度计算方法。
设产品实例集为C，功能元素集为F，作用原理或物理结构元素集为g .分别记为:C={Ci|i=1，2，…，n }；F={Fj|j=1，2，…，m }；G={Gk|k=1，2，…，q} .实例集中的实例Ci分别属于Fj和Gk，具有不同的隶属度uij和uik。设从元素Gk到元素Fj的纵向关联相似度为rkj，则:
rkj =
设G空间中有元素Gk和Gm。示例Cji属于元素Gk和Gm，隶属度分别为uik和uim，从Gk到Gm的水平关联相似度为rkm，则:
rkm =
成员资格存储为实例对象的属性。根据上述算法，系统从案例集中挖掘相似知识，辅助设计人员从相似度高的方向进行联想，并用于指导遗传算法初始种群的生成，从而促进设计创新。
3结论
本文研究了创新设计的思维规律，并用它来指导机械产品创新设计系统的开发。该系统的成功应用证明了对创新设计思维规律判断的正确性和各种新技术的可行性。系统通过矛盾分析和关联，找到解决矛盾的适用的作用原理、措施、物理结构和实例，完成概念设计阶段的功能优化和原理优化，是实现机械广义优化设计方法的新成果。