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CAI技术研究
作者:兰芳 覃波 梁艳娟
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CAD/CAM软件展厅
CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ...
知识经济时代,产品创新是企业核心竞争力之所在,是企业在市场竞争中取胜的关键。计算机辅助创新CAI(Computer Aided Innovation)是CAx技术的新兴领域,它是以发明创造方法学研究为基础,将源于原苏联的发明问题解决理论(TRIZ)和计算机软件技术结合的产物,是新产品开发中的一项关键基础技术。它能够帮助研发人员有效地运用创新的科学规律,全面地分析问题,从不同学科领域中借鉴有效的技术和方法,从而高质量、高效率构建出科学的创新设计方案。目前,计算机辅助创新技术在欧美等国家已被广泛地使用在企业新产品研发、制造系统和流程优化的设计阶段,已成为企业创新中必不可少的一个工具。笔者对CAI技术的核心理论、构成体系、功能及作用、应用流程及应用现状等进行分析讨论。

1 计算机辅助创新核心理论--TRIZ简介

TRIZ( Theory of Inventive Problem Solving)是俄文中发明问题解决理论的词头。该理论是前苏联C七IlrichS.汕旅uler及其领导的一批研究人员,自1946年开始,花费150人·年的时间,在分析研究世界各国250万件专利的基础上,所提出的发明问题解决理论。TRIZ理论归纳总结了各种技术发展进化遵循的规律模式,以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则,是一个由解决技术问题,实现创新开发的各种方法、算法组成的庞大综合理论体系。

TRIZ包含以下创新设计问题解决方法、工具、原理:

(1)矛盾矩阵;
(2)创新的层次与40个发明原理;
(3)技术系统进化法则;
(4)质—场分析与76个标准解;
(5)想法则与想最终解;
(6)发明专利的评价;
(7)科学与技术效应;
(8)创新发明问题解决演算法ARIZ。

TRIZ解决问题过程包括分析、原理、预测、效应和评价和实现阶段。其流程如图1所示。应用TIRZ的第一步是对给定的问题进行分析:如果发现存在冲突,则应用原理去解决;如果问题明确,但不知道如何解决,则应用效应去解决;第三种选择是对待创新的技术系统进行进化过程的预测,之后是评价;最后是实现。

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图1 TRIZ流程图

TRIZ提供了系统解决创新问题的方法,打破了只有依靠灵感才能创造发明的传统观念,描述和量化了人类在创造发明上的经验,为计算机辅助创新奠定了理论基础。

2 计算机辅助创新CAI技术

2.1 CAI体系构成

TRIZ是既综合但又相当庞杂的创造理论,需要大量已有知识的支持:包括技术知识、科学原理、专利知识、社会知识、成功案例、失败案例等等。如何在有限时间从浩瀚的知识海洋中寻找有用的知识全靠人力为之,真可谓大海捞针,而且面对越来越加快的知识更新速度,人脑已经无法有效地担当海量知识的记忆载体和处理中枢。因此,基于TRIZ的计算机辅助创新技术应运而生。190年Genrich S.Altshuller的一个学生开发了最早的基于TRIZ的计算机化产品。随后,随着前苏联解体后,TRIZ大师们移居欧美,TRIZ理论在全球得到了广泛的传播和应用,国际上越来越多的机构致力于基于TBE理论的计算机辅助创新技术的研究开发。

经过十多年的发展,基于TRIZ的计算机辅助创新软件从最初的计算机化TRIZ工具已发展成为了以TRIZ理论为核心,融合现代创新方法、计算机技术、多领域科学知识为一体的综合创新系统,并随着质量功能展开QFD、公理设计AD等现代创新理论的融入,以及计算机技术的不断发展,CAI技术将向智能化发展。CAI技术的体系构成可用图2表示。

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图2 CAI技术体系构成

2.2 CAI软件及其主要功能
目前,较有代表的CAI软件有:美国Invention Machine公司的Goldfire Innovator、美国Ideation International公司的Innovation WorkBench(IWB)、美国IWINT公司的Pro/Inovator,比利时CREAX公司的CREAX Innovation Suite以及乌克兰TriSolver GmbH&Co.KG公司的TriSolver等。
我国商品化的CAI软件有河北工业大学TRIZ研究中心研发的InventionTool软件。
现以Pro/Innovator软件为例说明CAI软件的功能模块。P/Innovator软件主要模块有系统分析、问题分解、解决方案、创新原理、专利查询、方案评价、知识库扩充等。
系统分析模块:该模块包括系统建模和系统分析两部分。通过系统建模,便于用户全面系统了解技术系统的工作原理以及各组成部分的功能角色而通过对所建功能模型的分析和评价,可以有效地揭示并解决技术系统中存在的间题,从而进一步提升和改进技术系统功能方向。
问题分解模块:该模块提供流程时序轴、系统层次轴和因果关系轴的三轴问题分析法,将复杂的工程问题分解成为多个子问题,帮助用户实现对问题的全局、系统分析。
解决方案模块:Pro/Innovator中的解决方案基于对欧美900万高水平发明专利的分析,形成涵盖众多领域的创新方案知识库。它运用语义处理技术和本体论技术,对创新方案知识库进行搜索,提供给用户直接、具体、启发式的创新问题解决方案。
创新原理模块:该模块提供给用户基于TRIZ理论的启发式问题求解,实现矛盾的不折衷解决。每个创新原理中均包含数个来自于专利的实例帮助用户理解和使用。
专利查询模块:通过Pro/Innovator的专利查询功能,研发人员可以及时了解美、欧、日等最新的专利成果,评估专利级别,计算所关注的专利数量,分析技术的发展动态,预测产品中技术系统的发展趋势。
方案评价模块:可根据对900万专利的统计分析结果,评价所得方案的优劣,为正确选择最终方案提供客观依据;并实现主观、客观评价相结合,对备选方案进行多目标、多专家综合评价。
知识库扩充模块:Pro/Innovator提供了按需定制的创新方案库功能。客户可将自己业务实践、专业知识、经验按照一定的方式组织起来,并构建其中的本体关系,让宝贵的企业经验从个体的知识变成公有的、可共享、有组织的知识,为企业持续创新提供知识源泉。
通过对Goldfire Innovator、Pro/Innovator、Innovatlion Work-Bench等软件的功能模块分析,把目前较完善的CAI软件的主要功能概括如下:

能有效地帮助设计者利用多学科领域的知识和前人的智慧,打破思维定势,正确地分析、发现技术系统中存在的问题,快速找到具有创新性的解决方案;

能及时跟踪和把握最新的技术动态,帮助设计者避免重复他人的已有研究,有效地规避现有的竞争专利;

可以对某项技术或产品的未来发展趋势做出预测,从而协助设计者把握新技术的先机;

在概念设计阶段即可对方案进行技术、经济评价,从而降低产品的研发和生产成本;

此外,还可有效地积累和管理企业智力资产,实现知识的积累、共享和管理的一体化,为企业提高核心竞争力储备知识。

3 基于CAI技术的产品创新方式

目前CAI软件主要应用于产品的概念设计阶段,是产品创新中衔接产品需求分析和详细设计的桥梁。应用CAI软件进行产品创新的一般流程可归纳为图3。

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图3 基于CAI的产品创新

应用CAI软件进行创新设计时,先对从需求分析得出的问题进行科学的分析,找到实现创新的关键,进行间题定义,然后借助于CAI软件的创新原理库和创新知识库,通过各种科学和技术原理及其相关应用实例的启发,得出问题的若干解决方案并由软件进行优化,最后运用方案评价体系,找到既符合技术总体走向又适应市场需求的创新设计方案。然后根据得到的方案在CAD/CAE/CAM等软件中进行详细设计、分析和制造,从而保证企业生产出具有高创新性的产品。

4 CAI技术国内外应用

近年来,CAI在全球航空航天、汽车、船舶、铁道、机械制造等行业中得到了长足的发展和广泛的应用,至今,世界500强企业中已有近400家企业在研发流程中采用CAI技术。如韩国三星电子集团,从1997年年底开始在产品研发中引入CAI技术,并组织CAI技术的培训和应用,在CAI技术专家的指导下研究适合自己的创新策略,开展各项技术改进活动。在2003年,共计节省资金1.5亿美元,产生52项技术专利。一项国外的相关调查数据表明,CAI的运用可使产品设计和技术改进方案的形成速度提高70%至300%。

在我国,“十五”期间国家科技部把计算机辅助产品创新设计软件的研究开发及应用列为863计划软件重大专项课题之一,2007年国家科技部把黑龙江省、四川省列为技术创新方法试点省。可见我国对TRIZ、CAI等创新方法和技术的推广应用相当重视与支持。目前TRIZ和CAI技术在我国的已得到了一定的推广应用。在软件开发方面,2003年河北工业大学TRIZ研究中心开发出我国首个自主版权的CAI软件InventionTool。在教育界,据报道至2004年我国已有清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等60 多所高校开启了计算机辅助创新(CAI)技术进阶教育工程。在应用方面,CAI技术在我国航空、国防、装备制造等行业有一定的应用。例如中国一航沈阳所自2005年初起,在知识工程项目中引进先进的创新方法学TRIZ理论,基于计算机辅助创新设计平台Pro/Innovator及其知识库编辑器,建设开发了一航沈阳所自己的知识管理平台和知识库。但总体来说,CAI技术在我国应用刚刚起步,许多企业对TRIZ创新理论和CAI技术缺乏了解和掌握。要让CAI技术真正成为企业创新的有力武器还需进一步推广。推广CAI技术应与TRIZ理论的普及相结合,可从人才培养、软件研发和应用示范等层面展开。关于CAI技术推广应用,将另文探讨。

5 结论

以TRIZ理论为核心的CAI技术,融合多种现代设计方法、计算机技术和多领域科学知识为一体,为产品创新提供了科学、有效的工具,应用CAI技术,能极大地提升企业的创新能力。为了增强我国企业的创新能力应大力推广应用TRIZ等创新理论及CAI技术。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2009-3-1)
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