（机械制造及其自动化专业论文）面向创新设计的web科学效应库系统研究.pdf

中文摘要 面向创新设计的w e b 科学效应库系统研究 机械制造及其自动化专业 研究生：孙玉帅指导老师：李彦教授 创新设计研究需要在包括理论、方法和工具等多方面取得进展才能更好的 为科研和生产服务。科学效应由各种科学原理组成，是构成各种领域知识的基 本科学知识，是创新设计值得研究的一种重要工具。分析现有的科学效应库研 究，总体上已经实现了较多功能，也有在应用形式上做了一定拓展的，但仍存 在各自的不足，如发明问题解决理论研究科学效应较久，积累较多，但由于偏 理论化及语言隔阂，研究成果在中国普及较难；商业软件g o l d f i r ei n n o v a t o r 价格昂贵，语言未本地化，也未广泛应用，科学效应模块只能单机使用，无网 络化的功能；设计目录研究中的科学效应应用不利于构建通用领域的支持系统， 不利于具有实用价值创新解的获得；c r e a x 效应展示区虽在科学效应网络应用 方向前进一步，但尚不具有实用价值；还有其他的一些研究，收集效应数量不 足且在效应如何支持创新设计方面不够完善。因此，有必要对科学效应的价值 与使用方式做更深的研究与发掘，开发基于w e b 的有效易用易普及的科学效应 库系统。 文章结合基于认知科学的创新设计研究，从知识支持的角度研究了产品概 念设计的完成，研究概念设计过程中各种知识的表示与组织；然后对如何在概 念设计过程中使用科学效应更有效地辅助激励创新性原理解产生做了探索，建 立了基于科学效应的概念设计过程模型；基于功能基础研究，拓展出功能的表 示与功能变换的方式；在知识表示研究中结合认知科学原理，详细设计了科学 效应和科学效应应用实例的表示表现，为基于w e b 的科学效应库应用系统设计 与实现做了理论铺垫。 文章详细对比了客户端服务器和浏览器服务器两种开发模式，结合拟开 四川大学硕士学位论文 发系统的功能与性能需求，决定采用后一种开发方式。文章首先进行w e b 科学 效应库应用系统的总体设计，建立了一个四层的应用系统模型，然后进行了模 块规划与应用流程及页面跳转设计，最后一一详细设计了系统的6 大功能组： 首页导航与学习板块、用户权限管理、系统信息管理、信息检索与留言、系统 信息显示和概念设计应用与报告生成。信息检索方式设计了多种途径，如按照 标准功能检索、按照关键词检索等，还可以选择两个关键词之间的逻辑关系， 是w e b 科学效应库应用系统的核心功能。概念设计应用与报告生成模块是为实 现基于科学效应的概念设计原理创新过程而设计的，完成该功能组设计的软件 流程后可得到h t m l 格式的概念设计报告。 在比较了多种开发技术与后期维护成本后，文章选用a s p + a c c e s s + i i s 作为具体开发技术，详细设计了科学效应库系统中的关键信息一科学效应、科 学效应实例和留言信息一的数据模型，结合系统所设计的信息检索方式的需求， 设计了相应的数据表，实现了多种检索手段。文章也对系统应用关键的初始变 量设置，数据库链接与断开给出了代码说明，对所选用的在线网页编辑系统， 科学效应整理制作所用到的软件作了说明。最后，用一个产品概念设计中原理 创新的例子验证系统的可用性与有效性。 关键词：科学效应，创新设计，概念设计，原理设计，w e b 系统开发 i i a b s t r a c t w e b b a s e ds c i e n t i f i ce f f e c tb a s es y s t e mo r i e n t e dt o c r e a t i v ed e s i g n m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n di t sa u t o m a t i o n c a n d i d a t e ：s u n y u s h u a is u p e r v i s o r ：l i y a n r e s e a r c hp r o g r e s so nc r e a t i v ed e s i g nt h e o r y , m e t h o d sa n dt o o l si se x p e c t e dt os e r v e s c i e n t i f i cs t u d ya n di n d u s t r yp r o d u c t i o nb e a e r s c i e n t i f i ce f f e c t sa r ec o m p o s e do f m u l t i s u b j e c tf u n d a m e n t a ls c i e n t i f i cp r i n c i p l e sa n da r eb a s i ck n o w l e d g eo fe v e r y s u b j e c t s c i e n t i f i ce f f e c ti sa ni m p o r t a n tt o o lf o rc r e a t i v ed e s i g n e x i s t e de f f e c tb a s e s y s t e m sw e r ea n a l y z e dt od i s c u s st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h eg o o d q u a l i t i e sa r et h a ta l o to fe x p e r i e n c eh a sb e e na c c u m u l a t e da n dm a n yf u n c t i o n sh a v e b e e ni m p l e m e n t e d b u te a c hs t i l lh a si t sp r o b l e m s t h ee f f e c tr e s e a r c ha b o u tt h e o r y o fi n v e n t i o np r o b l e ms o l v i n g ( t r t z ) i st o ot h e o r e t i ca n dm o s t l yi nr u s s i a n t h e e f f e c t sa l en o tw i d e l yt r a n s m i t t e d g o l d f i r ei n n o v a t o rb u i l ta ne f f e c tb a s eo fl a r g e n u m b e ro fe f f e c t sa sam o d u l e b u ti tc a l l tb eu s e do nt h ei n t e m e t t h i sc o n s t r a i n s t h ei n t e r c o m m u n i c a t i o n o ft h ed e s i g n e r s d e s i g nc a t a l o g u ei sn o ts u i t a b l e f o r b u i l d i n gg e n e r a ld e s i g ns u p p o r t i n gs y s t e m sa n dh a r dt og e te f f e c t i v es o l u t i o n so f c r e a t i v ed e s i g np r o b l e m t h ee f f e c tw e bp a g e si nc r e a x c o md i ds o m ew o r kt o w a r d s e f f e c tw e ba p p l i c a t i o n , b u ti tw a st o os i m p l et oh e l pt h ed e s i g n e r sc o m p l e t et h e d e s i g np r o c e s s a b o u to t h e r s ，t h ep r o b l e m sa r et h a tt h en o o f e f f e c t si sn o tl a r g e e n o u g ha n dt h ep r o c e s so fa p p l y i n ge f f e c tt oh e l pc r e a t i v ed e s i g ni sn o tc l e a ra n d d e t a i l e d s oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ev a l u ea n da p p l i c a t i o no fe f f e c ta g a i na n d m o r ed e e p l y ，a n dd e v e l o paw e b b a s es c i e n t i f i ce f f e c tb a s es y s t e m ，w h i c hs h o u l db e e a s i l y , e f f e c t i v e l ya n dw i d e l yu s e db yd e s i g n e r s b a s e do nt h er e s e a r c ho fc r e a t i v ed e s i g nw i t hc o g n i t i o ns c i e n c e ，t h ep r o d u c t i i i 四川大学硕士学位论文 c o n c e p t u a ld e s i g nw a ss t u d i e df r o mt h ev i e w p o i n to fk n o w l e d g es u p p o r t i n g m a n y k i n d so fk n o w l e d g ea n dt h e i re x p r e s s i o na n do r g a n i z a t i o nw e r es t u d i e d a f t e r r e s e a r c ho nt h ep r o c e s so fa p p l y i n ge f f e c ta s s i s t i n ga n di n s p i r i n gd e s i g n e r st og e t c r e a t i v es o l u t i o ne f f e c t i v e l y , a ne f f e c tb a s e dc o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s sm o d e lw a s p r e s e n t e d t h e nt h ee x p r e s s i o na n dc o n v e r s i o no ff u n c t i o nu n i t s w e r ed e s i g n e d b a s e do nt h er e s e a r c ho ff u n c t i o nb a s i sa n df l o w s a n dt h ec o m p o s i t i o na n d r e p r e s e n t a t i o no fs c i e n t i f i ce f f e c t sa n de x a m p l e sw e r ea l s od e s i g n e da c c o r d i n g a c c o r d i n gt ob r o w s e r s e r v e rd e v e l o p m e n tm o d e law e b b a s e de f f e c tb a s es y s t e m w a sd e s i g n e d f i r s t ，t h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e mw a sd e s i g n e da n daf o u rl a y e r s y s t e mm o d e lw a sb u i l t t h e nt h em o d u l e sa n da p p l i c a t i o np r o c e s s e sw e r ep l a n n e d s i xf u n c t i o nm o d u l e s - n a v i g a t i o na n ds t u d y , u s e rp r i v i l e g em a n a g e m e n t ，s y s t e m i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，m e s s a g el e a v i n ga n di n f o r m a t i o ns e a r c h i n g ，s y s t e m i n f o r m a t i o nd i s p l a y i n ga n dc o n c e p t u a ld e s i g nr e p o r tg e n e r a t i n g w e r ed e s i g n e d i n f o r m a t i o ns e a r c hi st h ec o r ef u n c t i o no ft h es y s t e m s e v e r a ls e a r c h i n gm o d e sw e r e d e s i g n e d ，s u c ha ss e a r c hb ys t a n d a r d f u n c t i o nu n i t sa n db yk e yw o r d s n l e c o n c e p t u a ld e s i g nr e p o r tg e n e r a t i n gm o d u l ei su s e dt oh e l pd e s i g n e r sc o m p l e t et h e c o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s sa n dg e ts o m ep r a c t i c a l l yf e a s i b l ec r e a t i v es o l u t i o n s a n h t m lf o r m a tf i l ec a nb eg e n e r a t e da f t e rt h eo p e r a t i o no ft h ef u n c t i o ng r o u p a s p + a c c e s s + i i s ”w a sc h o s ea st h ed e v e l o p m e n tt e c h n i q u e ，i nv i r t u eo f i t sl o w e r m a i n t e n a n c ec o s t sa n de a s yu s i n gf e a t u r e s m a i ni n f o r m a t i o n ( e f f e c t s ，e x a m p l e sa n d m e s s a g e s ) m o d e l so ft h es y s t e mw e r eb u i l ta n dc o r r e s p o n d i n gd a t a s h e e t sw e r e d e s i g n e d t h ed e s i g n e ds e a r c hf u n c t i o nw a sa c h i e v e d i n i t i a l v a r i a b l es e r i n g s ， d a t a b a s ec o n n e c t i o na n dd i s c o n n e c t i o nw e r ee x p l a i n e dw i t hc o d e s ，n l ec h o s e n o n l i n ew e bp a g ee d i t o rw a sd i s c u s s e da n dp a t c h e d t h es o f t w a r eu s e dt op r o d u c e e f f e c ta n i m a t i o n sw a si n t r o d u c e d a tt h ee n da l le x a m p l ew a sg i v e nt oi l l u s t r a t et h e e f f e c t i v e n e s sa n du s a b i l i t yo ft h es y s t e m k e y w o r d s ：s c i e n t i f j ce f f e c t 。c r e a t i v ed e s i g n ，c o n c e p t u a i d e s i g n ， p ri n c i p i es c h e m ed e s i g n ，w e bs y s t e md e v e i o p m e n t i v 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 7 4 研究生签 导师签名 日期 1 概论 1绪论 1 1引言 1 1 1 知识经济与创新型国家 自2 0 世纪中叶起，由于科学技术革命的迅速发展和世界范围内生产力的 提高，在世界经济领域中出现了许多新现象和新特点，突出表现为经济发展依 赖于知识或有效信息的积累和利用。这种经济形态依靠新的发现、发明和创新， 以不断创新的知识为主要基础而发展起来，是一种知识密集型的、智慧型的新 经济。虽然直到1 9 9 6 年1 0 月o d e c ( 世界经济合作与发展组织) 的科学、 技术和产业展望报告中“知识经济 概念才首次正式使用于国际组织文件中， 但是西方国家为适应知识经济所进行的技术经济政策调整早在7 0 年代末期就 已经开始了。自从以知识为基础的经济报告明确了知识经济的外延和内涵， 功能和特征，认为知识经济是“以知识为基础的经济”，是以现代科技为核心， 直接建立在知识和信息的生产、分配、使用上的经济后，知识经济这一概念迅 速风靡全球并产生了广泛的影响i 。 从知识经济的基本特征与发展趋势可以清楚地看到，以科学技术为其主要 内容的知识及其创新对于经济社会发展的决定性作用。在知识经济社会里，掌 握知识是手段，应用知识是目的，创新知识是关键。如果说没有知识的应用， 知识经济就失去了发展动力；那么，没有知识的积累和创新，知识经济的发展 就失去了根基。在以知识及其创新为核心的知识经济背景下，小到一个企业， 大到一个国家，要想保持经济长期平稳、快速的发展，在竞争日益激烈的世界 市场上获得优势并进一步发展，就必须建设鼓励创新的环境和一批具有较强创 新能力的技术人才。建设创新型国家己成为知识经济时代的本质要求，因此当 今世界各国纷纷把科技创新作为基本战略，大幅度提高科技创新能力，以借此 形成日益强大的竞争优势【2 j 。 美国卡特总统在1 9 7 8 年倡导实施的美国技术创新政策评估代表了西方国 家在这方面的最初努力。美国政府宣称美国的“新经济”就是知识经济，美国 需要的经济战略就是迈向2 l 世纪的知识经济。美国国家自然科学基金会n s f 提升人类技能的会聚技术报告甚至指出：2 1 世纪是创新世纪( i n n o v a t i o n 四川大学硕士学位论文 a g e ) ，着重点将从“重复( r e p e t i t i v e ) 转向创造和创新。2 0 0 4 年2 月，布什发 布“鼓励制造业创新”的总统行政令，强调要进一步加强“小企业研究开发计 划 和“小企业技术转移计划 ，以推动制造业的技术创新。 加拿大联邦政府认为，创新是知识经济时代国家经济发展的主要动力，而 科技创新则是创新最重要的基石。加拿大联邦政府在进入2 l 世纪之际提出，要 通过1 0 年时间，把加拿大的创新能力提高到世界前列。2 0 0 2 年2 月，加拿大 联邦政府出台了“加拿大创新战略 ，作为加拿大创新的政策基础。 从1 9 9 4 年起，英国政府首次公布创新白皮书实现我们的潜能科 学、工程和技术战略，此后到2 0 0 1 年又连续公布三份政府白皮书，均以创新 为主题。2 0 0 2 年之后，英国更是系统地发表了一系列行动计划，包括2 0 0 2 年7 月投资于创新、2 0 0 3 年1 1 月英国贸工部创新报告在全球经济下竞争：创 新挑战、2 0 0 4 年7 月科学与创新投资框架2 0 0 4 - - 2 0 1 4 和2 0 0 4 年1 1 月贸 工部发布了从知识中创造价值的5 年计划。这些持续清晰的政府文件向英 国公众昭示了十余年来英国以创新为核心的新的国家科技发展战略。 法国于1 9 9 9 年7 月公布了首部创新与科研法。在该法律的指导下，法 国正在建立覆盖全国的研究与技术创新网络。总统希拉克更是于2 0 0 5 年1 月4 日决定，法国正式建立“工业创新署 ，以实施新的重大工业创新政策。 日本政府为振兴制造业，制定了“制造基本技术振兴基本法 ，并在2 0 0 2 年6 月发表的日本制造业白皮书中，明确提出了开发新技术重新确立日本 制造业优势的政策与战略。2 0 0 4 年，日本政府更加强调，要通过技术创新以重 振日本制造业之雄风。 为了改变中国科技创新能力不强的局面，中国国家主席胡锦涛也于2 0 0 6 年1 月9 日在全国科技大会上提出建立创新型国家的号召，强调部署国家中 长期科学和技术发展规划纲要( 20 06 20 20 年) 。纲要指出，今后l 5 年，科技工作的指导方针是：自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。 以国家政策引导社会大幅度提高科技投入，重视基础研究，重点发展战略高技 术及其产业，加快科技事业发展和科技成果向现实生产力的转化，以利于为经 济社会发展提供持久动力，在国际经济、科技竞争中争取主动权。 2 1 概论 1 1 2 技术创新，产品创新与创新设计 知识经济的实质在于技术创新。技术创新这一概念最早源于美籍奥地利经 济学家约瑟夫阿罗斯熊彼特( j o s e p ha 1 0 i ss c h u m p e t e r ) 的“创新理论 。 现代技术创新理论正是在熊彼特创新理论的基础上衍生和发展起来的。但迄今 为止，尚未形成一个严格、统一的定义。文献1 3 】将技术创新概要的定义为：技 术创新通常指新的技术( 包括新的产品和新的生产方法) 在生产等领域里的成 功应用，包括对现有技术要素进行重新组合而形成的新的生产能力的活动。全 面地讲，技术创新是一个全过程的概念，既包括新发明、新创造的研究和形成 过程，也包括新发明的应用和实施过程，还包括新技术的商品化、产业化的扩 散过程，也就是新技术成果商品化的全过程。 按照技术创新对象的不同，可以将技术创新分为产品创新和过程创新： 1 ) 产品创新：产品创新指技术上出现变化的产品的商品化。按照技术变 动程度的不同，产品创新可以分为重大的产品创新和渐进性产品创新。产品技 术原理和用途有显著变化者可以称为重大产品创新或者根本性产品创新。例如， 美国贝尔公司发明并生产了电话，开辟了机器对讲的新时代；美国无线电公司 率先将电视机引入市场，带来了无穷无尽的视听享受。 2 ) 过程创新：过程创新也即工艺创新，是指把一种新的生产方式和流程 引入生产体系，它包括新工艺的应用、新设备和新的生产管理方式流程的应用。 2 0 0 6 年9 月2 8 日中国工程院副院长潘云鹤在第五届“中国科学家论坛” 上，提出了“产品创新是建设创新型国家的主战场 的观点，指出产品创新是 科技创新的主战场，是中国建设创新型国家的主战场。 企业是产品创新的主体，它们不但需要宏观政策上的引导，更加迫切需要 获得具体技术支持，包括支持创新设计的理论、方法和工具等。中国科技人员 创新意识和创新能力差的问题没有从根本上得到解决，而且大部分企业根本没 有现代化设计手段，所以创新设计的理论技术工具的研究与普及，是使技术人 员能够在产品的概念设计、方案设计阶段高效率、高质量地提出创新设计方案， 从而提高企业的新产品开发能力和经济效益的根本手段，也应是创新型国家建 设的具体措施之一。通过创建有利设计人员进行创新的创新设计理论模型、创 新思维方法和计算机辅助工具，从而达到引导、帮助设计人员有效地利用内外 部资源激发创新灵感，更加生动快速的表述最终的研究成果并付诸实施的效果， 四川大学硕士学位论文 甚至直接通过这些方法工具等向设计人员提供具体的服务，将会使企业的内外 部资源得到更加充分的利用，降低成本，提高效益和企业竞争力。 1 1 3 科学效应的概念与内涵 科学效应是由于某种原因而产生的一种特定的科学现象，能够按照相关定 律规定的原理将输入量转化为输出量，从而实现相应的功能，如下图1 1 所示。 它们是由各种科学原理组成，是构成各种领域知识的基本科学知识，包括物理 效应、化学效应、生物效应及几何效应等。例如，几何学中的麦比乌斯圈效应， 物理学中的光电转换效应，化学科学中的电化学效应，生物学中的脊椎系统神 经反馈等等，不同的效应可以实现同一功能，如可用杠杆效应，楔效应，电磁 效应，液力效应等来产生或者改变力的大小。由于科学效应的这种特点，它就 特别适合于在新产品开发中支持产品的工作原理创新设计，同样功能的产品， 一旦使用了新的实现方法与技术原理，那么产品就实现了升级换代。 功能效应原理解 摩擦效应 n 一7 鱼 t 1t 2 卜州 f l传递扭矩 l r r 1 闷覃即 - + v 图1 1利用摩擦效应实现传递扭矩功能的示例 1 1 4 开发科学效应库的意义 创新设计是要构思出新的产品工作原理，为产品的目标功能找出新的具有 市场竞争能力和实际实现可能性的原理解。科学效应在设计中起着重要的作用， 每一个效应都可能对应一个设计问题的解决方案。对同一个设计问题，采用不 同的科学效应求解，可能产生新颖的设计方案。如果设计者能灵活地运用人类 已有的基本知识，进行重新组合、叠加、联想、综合、推理及抽象等过程，则 可形成新的思想、新概念，达到创新的目的。 到目前为至，研究人员已经总结了大概1 万个效应，但设计者在设计过程 中常用的只有1 4 0 0 多个。研究表明，工程师自身掌握并应用的效应是相当有限 4 1 概论 的。例如，爱迪生在他1 0 2 3 项专利里只用了2 3 个效应，t u p o l e v 的1 0 0 1 项专 利只用了3 5 个效应1 4 j 。一个优秀的工程师知道的效应大概有1 0 0 个。对于普通 的技术人员而言，认识并掌握各个工程领域的效应是相当困难的。因此，很有 必要将效应合适地组织起来，指导设计者有效的应用效应。效应库是各个领域 的效应的集合，还可以包括效应应用的工程实例。进行创新设计的研究，科学 效应库是不可缺少的部分。 1 2 本文主要研究背景 认知科学是研究人类感知和思维信息处理过程的科学，包括从感觉的输入 到复杂问题求解，从人类个体到人类社会的智能活动，以及人类智能和机器智 能的性质。认知科学是现代心理学、信息科学、神经科学、数学、科学语言学、 人类学乃至自然哲学等学科交叉发展的结果。它是一门高度跨学科的新兴科学， 已成为当今最活跃的研究领域之一。 概念设计是设计过程中最具创新性的阶段，设计的可塑性及自由度较大， 是最有可能发挥创造力的时候。由于概念设计主要是一个综合过程，设计者本 身的作用非常重要。如何提高设计者的创新设计能力，采用什么工具提高设计 者的创新能力，以往的研究注重的是产品或技术系统本身的因素，而很少从认 知的角度认识和规划设计过程。但是，设计人员之间的差距是巨大的，这不仅 仅是知识的因素，有许多认知方面的因素影响设计人员的创造性。例如，设计 问题的定义和表征，如何使用各种领域知识和信息，设计人员本身的思维方式 等以及高速发展的信息技术对认知的影响和帮助。因此以一种以学科的融合为 基础，通过技术会聚的，以人为本的整体发展观会给创新设计的研究带来巨大 的发展前景。 从认知的角度研究创新设计，近年有从不同角度的少许研究【5 母】。不过，研 究的广度和深度还远远不够，还没能形成系统性或策略性的理论和方法。世界 上最优秀的设计公司i d e o 提出了设计的五步骤：o b s e r v a t i o n 观察、 b r a i n s t o r m i n g 智力爆发、r a p i dp r o t o t y p i n g 原型、r e f i n i n g 提炼、 i m p l e m e n t a t i o n 执行，也融合了创新思维的方法。 四川大学制造科学与工程学院现代设计与制造研究中心在李彦教授的带 5 四川大学硕士学位论文 领下，依托一批国家自然科学基金资助项目、国家8 6 3 计划项目、高等学校博 士学科点专项科研基金资助项目和四川省应用基础研究重点项目以及其他企业 课题，近些年来在这个研究方向上做了不少工作，认为若要更为全面的研究创 新设计理论、技术和方法并为工程应用打下良好的基础，必须以一个多学科统 一的方法，融合以人为主体的认知科学和以技术系统为主体的设计理论和信息 技术，建立支持创新设计的理论方法，发展创新设计的基本知识和规律，并在 此基础上发展计算机辅助创新设计系统。 为此课题组进行了融合认知心理学的产品创新设计方法研究，在提出创新 设计问题分类解决方案的基础上，初步建立了计算机辅助创新设计软件系统和 创新设计服务平台，随着后续研究工作的继续进行和成果的不断完善，相信将 对产品创新设计理论研究提供新思路，并取得良好的应用前景，为推进我国技 术创新的发展，促进我国制造业整体水平的提高做出贡献。 1 2 1创新设计问题分类解决方案 认知心理学认为，当人们想要达到一个特定的目标，但又不能立即找到达 到该目标的合适的路径时，人们所从事的活动，都可以称作问题解决。解决结 构不良问题的基本思路是：通过适合的问题表征、启发策略和顿悟，完善结构 不良的问题，形成问题空间，使之转化为良好结构问题，从而予以解决。 b r a n s f o r d 的i d e a l 方法l l o j 提供了可以参考的问题解决步骤： 问题的确定( i d e n t i f yt h ep r o b l e m ) 问题的定义和表征( d e f i n ea n d r e p r e s e n tt h ep r o b l e m ) 策略的形成( e x p l o r ep o s s i b l es o l u t i o ns t r a t e g i e s ) 按策略行动( a c to nt h es t r a t e g i e s ) ；回顾与评定( l o o kb a c ka n de v a l u a t e ) 。 创新设计就是设定一个特定的目标，然后找到达到该目标的合适的路径。 设计问题( 目标) 是多种多样的，根据设计问题类型的不同，对创新设计进行 分类( 问题确定、定义和表征) ，提供达到目标( 问题解决) 所需采用的认知和 创新策略。图1 2 表示了创新设计的分类( 问题确定、定义和表征) 以及达到 该目标( 问题解决) 可以采用的策略p j 。 6 1 概论 图1 2基于认知机理产品创新设计的分类与求解策略 1 2 2 计算机辅助创新设计软件系统 在创新设计问题分类求解策略研究的基础上，结合t r i z 理论和创造性模 板法、利用信息技术支撑设计人员的创新设计过程，课题组正在建立计算机辅 助创新设计软件系统作为创新设计的重要支持工具。同时，它也是认知科学、 信息技术和设计技术的会聚平台。其作用是提高设计人员的创新设计的创造力， 重点是计算机辅助和支持人的创新设计活动，而不是概念设计的自动化，是为 技术人员在产品的概念设计、方案设计阶段提供有用的工具。主要包括图1 3 所示主要模块： 计算机辅助创新设计系统 工程管理器l _ 四种荚型的 多层次w e b 信 电子课件需求分析问题定义科学效应库报告输出 创新问题息检索引擎 l 曲同问越li 面向目的ll 曲同产品的il 曲同载体i l 的创新ii 的创新i 创新 l 的创新i i 罴”嚣射f | 黼愕刮 图1 3计算机辅助创新设计系统模块分布图 7 四川大学硕士学位论文 1 2 3 创新设计服务平台 以基于认识机理的创新设计问题求解模型为理论基础，项目组也提出了开 发和建立的完善的创新设计平台，丰富和完善一个面向企业( 各类企业) 、高等 院校、科研机构、政府部门以及社会公众的创新设计服务平台，提供创新设计 工具、创新设计理论培训及提供创新设计服务，实现创新设计软硬件、计算机 辅助分析工具的共享，实现引导设计人员去创新、帮助设计人员创新、辅助设 计人员实现创新的目标，推动企业的创新能力上一个台阶。 拟建立的创新设计服务平台架构及服务体系如图1 4 所示。计算机辅助创 新平台知识库向用户提供基于网络的设计知识库、效应库资源。使网站作为创 新设计的资源平台向用户提供创新设计资源。这一部分的网络应用完全需要按 照平台知识库自身的需求定制开发，分析知识的种类，知识的表示，知识的管 理，采取合适的网络开发技术，实现网络知识库的开发。 魄子渫件il 剑薪波计软件| | 知识瘁l i 蹬计瓷源 戗帮设计列站 刨凝没计鼹船可，- s 塔训 承接”迂计 王务 蹭j | i 大学制选学统观代没t 1 4 j 制迭研究中心 企业 弼厂j 图1 4创新设计服务平台架构及服务体系 1 3 课题研究内容与目标 依托项目组的研究成果，课题以开发一个供计算机辅助创新软件系统和创 新服务平台调用的科学效应知识库应用系统为目标，本人主要依照下述步骤作 为思路做了几个方面的研究开发工作： 1 ) 学习了不同种类创新问题的求解策略，计算机辅助创新设计软件和创 新设计平台的设计思想，抽取对科学效应库的需求信息； 1 概论 2 ) 分析科学效应库的应用与开发国内外状况，结合项目组的研究项目进 行本文的需求分析：研究了产品概念设计阶段知识，知识库的类型以 及利用知识库系统支持概念设计的过程模型； 3 ) 研究产品概念设计的过程，给出科学效应支持新产品开发实现原理创 新的方式，结合认知科学的研究成果，研究功能和科学效应相关内容； 4 ) 结合课题组各项目对效应库的需求，开发了基于w e b 的科学效应库， 进行了系统的总体设计和功能模块设计工作，并给出w e b 科学效应库 的总体模型与应用流程； 5 ) 初步完成科学效应知识库系统的实现，包括技术方案的选择，系统的 功能模块实现和科学效应知识库系统应用过程实现；收集整理了一批 科学效应和科学效应实例。 本文围绕支持创新设计的w e b 科学效应知识库应用系统研究，采取了如 下的结构编排： 第一章，引出创新设计，给出研究对象( 科学效应) 的基本概念；阐述本 文研究的研究意义和主要背景；简要介绍主要研究内容和思路，安排章节。 第二章，研究国内外已有的科学效应库，分析各自系统的应用方式和优缺 点；归纳整理科学效应知识库应用系统应该具有的功能和应用的方式。 第三章，针对现存系统的不足，进行科学效应支持下的产品概念创新设计 理论研究。通过研究知识库支持下的概念设计过程，建立不同层次上的知识支 持创新设计模型。结合认知科学的研究成果，详细研究了功能的相关问题和科 学效应的相关问题，为科学效应知识库应用系统的原型设计做准备。 第四章，结合本课题研究的需要，提出了本文的w e b 科学效应知识库系 统模型；进行系统总体设计和模块设计，规划知识库应用系统的功能模块；进 行了每一个模块的详细设计。 第五章，选择实现w e b 科学效应知识库的技术方案，采用了基于b s 模 式的网络构架，应用a s p + a c c e s s 的方式进行实现；对实现中的关键技术点进行 说明；给出系统应用的例子对系统应用加以说明。 第六章，对本文的研究内容进行了总结，并对未来的研究方向进行了展望。 9 四川大学硕士学位论文 1 4 课题项目支撑 本课题受以下两个项目支持：1 ，高等学校博士学科点专项科研基金资助 项目( 2 0 0 5 0 6 1 0 0 3 3 ) ，2 0 0 6 2 0 0 8 ，创新设计认知科学、信息技术和设计技 术的会聚研究；2 ，国家自然科学基金资助项目( 5 0 6 7 5 1 4 4 ) ，2 0 0 7 卜2 0 0 9 1 2 ， 具有认知机理的创新设计理论、方法与工具研究。 1 5 本章小结 本章分析了为响应建设创新型国家，研究创新设计，研究支持创新设计的 理论、方法和工具的重要性，给出研究对象的基本概念，指出了研究科学效应 知识库系统的意义，引出研究的课题。叙述了本文研究的主要背景，指出本文 的主要研究目标和研究思路，介绍了本文研究的主要内容和文章的主要章节编 排，最后介绍了课题的来源。 1 0 2 分析国内外已有科学效应库 2 分析国内外已有科学效应库 科学效应是由某种原因而产生的特定的科学现象，包括物理效应、化学效 应、生物效应和几何效应等。它们由各种科学原理组成，是构成各种领域知识 的基本科学知识，能够按照其逻辑内涵将输入量转化为输出量。应用科学原理 或工程规律求解满足工程设计要求的全新的原理方案实现，是产品创新的关键。 科学效应在基于功能一行为一结构( f u n c t i o n b e h a v i o r - s t r u c t u r e ，f b s ) 和发明 问题解决理论( t h e o r yo f i n v e n t i v ep r o b l e ms o l v i n g ，t r i z ) 等理论的概念设计 中已得到广泛的应用。 目前，研究人员已经总结了约l 万个效应，其中4 0 0 0 多个得到了有效的使 用【】。由于普通技术人员对本专业学科领域以外的效应熟悉与运用相当困难， 为了使设计人员便捷地了解和使用科学效应，有必要将它们组织为计算机辅助 设计软件。国外的研究较早，包含效应库模块的软件有美国i n v e n t i o nm a c h i n e 公司的t e c h o p t i m i z e r 及升级版本g o l d f i r e 、i d e m i o ni n t e r n a t i o n a l 公司的 i n n o v a t i o nw o r k b e n c h e n l 和德国的t r i s o l v e r 2 1 ；国内也已经有了相应的研究， 如河北工业大学的计算机辅助创新软件i n v e n t i o nt o o l2 0 ，浙江大学的基于力 学效应的知识库，文献f 1 3 1 4 1 d 0 对科学效应库的研究等。下面对这些研究进行 较为详细的分析。 2 1t r i z 与河北工业大学的研究 t r i z 理论通过对专利的分析，找出在专利中产品所实现的技术功能和用于 实现产品功能的原理之间的相关性的基础上形成科学效应。在许多设计过程中， 手册并不是按照工程需要的特点设计的，所以它也不能快速地提供所需要的信 息。使用功能及其相应的物理效应、化学效应和几何效应、定律和现象可以消 除科学和工程学之间的缝隙。 t r j z 归纳了科学效应的应用领域1 1 种： 科学效应库作为大百科全书；效应与进化趋势相结合；效应与功能分析； 效应与工程矛盾；效应与物理矛盾：效应与4 0 条发明原理；效应与系统资源； 效应与标准结论；效应与特征转换；效应库作为知识组织者；效应与理想解。 1 1 四川大学硕士学位论文 a l t s h u l l e r 及其领导的研究人员从1 9 6 9 年开始系统地收集效应。1 9 7 9 年发 表了一本关于物理的手册，1 9 8 1 1 9 8 2 年科技杂志( t e h n i k a in a u k a ) 上发表了 一系列的关于效应的文章，1 9 8 8 年s a l a m a t o v 出版了一本关于化学效应的著作， 1 9 8 9 年v i k e n t j e v 和j e f r e m o v 发表了一篇将几何效应应用于发明的论文( 以上 文献均为俄文) 。删z 的效应工具是在对世界专利库成百上千的可用专利进行 深入研究的基础上形成的。 河北工业大学在t r i z 对科学效应研究的基础上，按照功能对现有效应和实 例进行分类，开发了基于f e e 模型的分层结构效应知识库l l5 。1 6 】，按照效应所实 现的