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浅析CAI技术在概念设计中的应用 |
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作者：解士昆 郭曼莉 万欣 |
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一、 引言
毫无疑问，我国是制造业大国。但这个曾经引以为荣的"世界工厂"帽子，现在已经成为企业利润微薄、恶性竞争的背书。原因很简单：没有自己的核心技术，只能做别人的嫁衣裳。残酷的现实逼迫企业家们开始思考，如何才能拥有自己的"原创"，变Made in China为Design in China。
产品的设计过程一般分为概念设计阶段、详细设计阶段、试制阶段。其中概念设计阶段所占的时间和资源一般只占10%~30%，但决定了产品制造成本的80%，如果考虑到产品的维护期费用，这个比例还要更高。同时，由于概念设计阶段确定了产品的所有主要技术方向，因此我们所说的创新也主要产生在这一阶段。传统上，概念设计依赖于工程技术人员的经验，特别是专家的经验。这就给企业带来了很大的不确定性，也就大大增加了企业的风险。近年来在欧美快速展的CAI（Computer Aided Innovation，计算机辅助创新）技术，它用科学、系统化的方法支持了创新概念设计这一过程，大大提高了概念设计的效率和质量，进而为企业带来极具竞争力的产品。
二、 CAI技术简介
我国企业已经普遍认识到创新对于企业的意义。党中央国务院也作出了建设创新型国家的决策，把增强自主创新能力作为国家战略。但另一方面，提到创新，很多人也会有一种恐惧，认为创新就是要做出"蒸汽机"一样推动历史的伟大发明，或找到下一个"相对论"；要投入天文数字的科研经费。事实上，在以产品为中心的企业当中，解决技术问题就是创新！资料表明，在工程技术问题中，其中四分之三的问题可以通过企业内部的既有知识得到解决。如下表：发明的等级划分表及知识领域
 因此，企业面对的主要问题在于：是否可以找到一种切实有效的方法论，结构化的分析问题，并充分调动既有知识，创造性的寻求问题的解决方案。事实上，早在上个世纪40年代，前苏联的科学家阿奇舒勒（Altshuller）在分析大量专利的基础上，对人类创新活动规律和原理进行了系统的揭示，从而形成了指导创新活动的TRIZ理论（发明问题解决理论）。鉴于前苏联军事工业不断创新形成的优势，TRIZ理论一度成为美苏间谍战的目标，前苏联解体后，随着TRIZ大师们移居欧美，TRIZ理论在全球得到了更为广泛的传播和应用，进而也得到了快速的发展。本世纪初，TRIZ理论和计算机技术融合，逐步形成了CAI技术。现在，CAI技术融入了更多的现代设计方法学，以及知识工程领域的本体论，成为了一门独立的学科，并服务于企业的技术研发工作。
CAI技术定位于：通过运用多种技术分析方法，为产品的概念设计提供有效的帮助。
CAI技术的核心是：现代设计方法论体系和从大量的创新实例中挖掘出的解题思路知识库。如下图所示：
CAI技术体系构成
三、 应用CAI技术进行电子元件散热问题的研探
当前电子产品可谓丰富多彩。电子产品中含有大量发热的电子元件，随着电子产品功能的不断提升、体积不断缩小，电子元件的散热问题日益突出，其中集成电路芯片的散热问题就是一个典型的代表。这里，我们以其为例，来了解CAI技术在概念设计中的实际应用方法。
3.1 问题情境
摩尔定律揭示，晶体管集成电路的规模每隔18～24个月便会增加一倍。研究表明，以增加晶体管数量、提高频率的方式来设计的CPU，其新一代产品的功耗注定会比上一代提升1.33～1.77倍，正是这个隐藏在摩尔定律背后的功率法则，形成了对散热器产品性能不断提升的根本需求。为了响应这一需求，众多厂商在散热器产品设计中八仙过海，形成了一批专有技术。CPU设计功率消耗表
 为了解决散热问题，我们有必要回顾一下有关散热的基本物理学原理。热主要是通过三种途径来传递，它们分别是：热传导、热对流、热辐射。
热传导。通过物体的直接接触，热从温度高的部位传到温度低的部位。热能的传递速度和能力取决于：A.物体的材质；B.物体之间的温度差。热传导是散热的最主要方式，也是散热技术需要解决的核心问题之一。
热对流。热通过流动介质（气体或液体）将热量由空间中的一处传到另一处。根据流动介质的不同，可分为气体对流和液体对流。影响热对流的因素主要有：A.通风孔洞面积和高度；B.温度差；C.通风孔洞所处位置的高度，越高对流越快；D.液体对流：导热效果比较好，这因为液体比热要大些，所以温差大，导热快。
热辐射。是一种可以在没有任何介质(空气)的情况下，不依靠分子之间的碰撞，又不依靠气体或者液体的流动就能够达成热交换的传递方式。影响热辐射的因素主要有：A、热源的材料，材料的比热越小向外辐射能量越快，反之就越慢。B、表面的颜色。一般来说，颜色光亮的物体表面吸收和释放辐射能量的速率较慢，深颜色的物体表面吸收和释放辐射能量的速率较快。在普通应用环境中，比起热传导与热对流，热辐射起到的散热作用微乎其微，因此在散热器设计中一般不考虑这个因素。
常见热传递的三种途径
上图显示了三种热传递方式在散热器中的应用形式。属于热传导的是：由热源传至散热片以及在散热片内部传递。属于对流的是：热由散热片传递到周围的空间，再由风扇和散热片组合形成的对流对其散热。热传导与热对流是主要散热方式，热源产生的大部分热量在传递到散热片上后，都被风扇形成的对流所带走，热辐射产生的作用可以忽略不计。
为了保证良好的散热性能，散热器设计就要以符合上述三种热传递途径的要求。于是材料的热传导率、比热值；散热器整体的热阻、风阻；风扇的风量、风压成为了设计的核心问题。
3.1.1 分析问题
当前主流散热器多采用了散热片+风扇的设计。这一方案的优点在于价格相对较低，安装简单；但同时也存在占用空间大、噪音大等问题。为了创造性的解决这些问题，我们首先利用CAI系统构建这一技术系统的功能模型。如下图：
电子元件散热技术系统功能模型
a) 我们可以看到，当前这一技术系统中的组件有：发热电子元件、导热垫、散热片、风扇、空气、PCB板等。电子元件产生的热量主要是通过导热垫传导到散热片后，被风扇带来的空气流所带走。
b) 通过这样的功能模型，我们可以更容易地发现有待改进的各个功能环节。如：如何增强风扇搅动空气的能力？如何增强空气流量，携带热量的效率？如何增强散热片的热传导效率？如何增强导热垫的热传导效率？这些也正是进一步解题的方向。
c) 有了这样的功能图，结合价值工程原理，我们可以对系统中的各个组件进行价值分析。分析发现导热垫的理想度指标最低。这就建议我们在完善此系统时，首先考虑改善导热垫的性能。如下图：
组件的价值分析
有了明确的解题方向后，我们就可以针对具体解题方向展开深入的分析。在分析的过程中，主要采用TRIZ理论提供的多屏幕分析法。这是一种系统思考的方法。
系统思考——多屏幕分析方法
人们有很强的思维惯性，这造成了我们看待问题的角度往往是就事论事。而TRIZ理论提示我们要看到问题的过去与将来；还要看到问题的超系统和子系统。
让我们以"导热垫的传导效率不足，如何增强？"为例，应用多屏幕思考方式来进行分析。 "如何增强导热垫的传导效率"问题的多屏幕分析
 3.1.2解决问题
上表①~④是对导热垫功能不足问题进一步分析后得到的解题思路。针对这些深层的解题方向，我们应用计算机辅助创新（CAI）系统寻求具体的解决方案。寻找解决方案主要有两类方法，一是在CAI系统的知识库中查找有启发的解决方案，二是根据TRIZ理论提供的矛盾解决原理进行求解。我们逐一应用这两种方法。
由于在CAI系统中装载了一个源自对大量专利进行分析、整理后，浓缩而成的实用知识库，因此我们可以在其中进行寻找。传统的知识检索，一般是基于关键字的。即我们输入关键字，信息系统通过关键字的匹配给出查询结果。当前，随着知识工程和人工智能等领域的快速发展，"本体论"已经成为知识共享的利器。本体论的核心在于建立了各种概念本体之间的关系网络。如水是液体的一种，即液体是水的上位关系；地下水是水的一种，即地下水是水的下位关系；油也是一种液体，水和油就是兄弟关系。这样，经本体论组织，也就在知识之间构建了网络关系，为我们实现知识的智能捕捉创造了条件。如当我们检索"净化水"时，传统的搜索引擎会以关键字的方式检索出结果；而应用CAI技术透过本体论的知识网络，为我们智能捕捉到了诸如"净化水"、"净化液体"、"净化地下水"、"清洁水"、"清洁碱性水溶液"等相关的解决方案，使我们的思路在紧密相关的领域内得以大大扩展。
这里，我们检索"冷却元件"，得到了一系列解决方案供参考。这些解决方案是通过对各大专利库近年来有代表性专利进行萃取得来的，由标题、问题描述、方案描述、以及动画等几部分组成的。这样的解决方案结构化清晰，提示性很强，非常便于在研发过程有效打开设计人员的思路。方案中对于专利出处也做了详细的标明，这样，一旦设计人员希望了解专利的详细信息，可以通过链接察看专利原文。
CAI系统中提供的解决方案样张
如样张所示的一个方案，是在印刷电路板的另一侧安装导热材料，以提供附加的散热效果。该方案来自全球最大的数字机顶盒开发商Pace微技术公司。这一方案提示我们可以充分利用发热电子元件的周边资源进行散热。对于不同的应用情景，我们可以再针对性的深入分析。比如，对于笔记本电脑而言，是否还可以利用其他系统资源进行散热呢？带着这样的思路，我们继续在方案库中探寻，发现笔记本电脑制造商富士通公司在2003年公布的一个专利，正是利用笔记本宽阔的外壳协助散热的，让我们来看一下他们是如何设计的？
利用笔记本的外壳进行散热
原来，设计人员对散热片上的紧固杆进行了改进，将一部分热量有效的传递到笔记本外壳上，由于外壳的巨大面积和热容量，因而产生了很好的散热效果。
对于导热垫接触不良的问题，我们采用TRIZ理论中的矛盾解决原理进行求解。在本例中存在着一对工程技术矛盾：如果增加接触面积，能够有效地增强热传导，但显然接触面积受到产品结构的严格限制。也就是说技术系统中存在温度（改善的参数）和静止物体的面积（恶化的参数）之间的矛盾。通过TRIZ理论提供的矛盾矩阵（见下图），我们找到对应的创新原理。
创新原理35：物理或化学参数改变原理
创新原理38：强氧化剂原理
其中TRIZ理论给出原理35的解释如下：
创新原理35：物理或化学参数改变原理
受这一原理的启发，可以考虑将传统的固态导热垫改为液态，这样就彻底解决了发热电子元件和散热片之间接触不良的问题。无疑这是一个很好的方案，但我们全面思考，会发现随着这个问题的解决，也产生了新的问题：由于液体的流动性，这样的设计给安装带来了不便。我们一方面希望导热垫作为导热材料时，能够像水一样，没有形状的限制，从而产生完全接触的状态；另一方面，我们希望在安装的时候，导热垫要保持固定的形状。--新的矛盾产生了！我们希望既要保持形状，又要没有形状，这显然是形状--形状之间的一对物理矛盾。同样，我们通过矛盾矩阵寻求创新原理，如下：
相变原理
这一原理的提示作用是非常直接的--让我们应用相变材料。相变材料在标准温度下足够坚硬，因而，当组装电子元件和散热器时，很容易操作。然而，在发热电子元件的工作温度下，相变材料会变软。这就保证了与电子元件的表面和散热器的表面无缝隙地接触。
d) 建议方案
通过对散热器这个技术系统的分析，我们首先建立了功能模型，并初步确定了几个研探方向。第二步，我们以"导热垫热传导效率不足"这个问题为例进行了深层次的分解，从而确定了清晰的解题方向。第三步，我们通过对方案库的智能捕捉和TRIZ方法的应用，找到了数个设计思路。通过对这些解题思路的分析，我们建议采用相变材料制作导热垫。
四、结论
计算机辅助创新（CAI）技术以其科学的方法体系，直观的方案知识库成为辅助概念设计的利器，为寻求产品研发突破的我国企业带来了一股清新的创新之风。可以预见，CAI技术的应用前景将非常光明。同时，我们也应该看到CAI技术的发展时间较短，还有很多有待完善之处。特别是与其他设计方法、理论（如QFD、田口方法等）的整合与衔接，已经成为CAI技术发展的热点。(end)
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(11/17/2006) |
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