基于認(rèn)知多方法集成式產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略及實(shí)現(xiàn)

萬(wàn)延見(jiàn)，李 彥，李文強(qiáng)，熊 艷，閆喜強(qiáng)

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

創(chuàng)新是企業(yè)進(jìn)步的靈魂，是推動(dòng)企業(yè)持續(xù)、高效發(fā)展的重要保證。在產(chǎn)品創(chuàng)新實(shí)踐中，創(chuàng)造力是決定這一活動(dòng)能否順利開(kāi)展的重要因素［1］。創(chuàng)造力是設(shè)計(jì)者通過(guò)創(chuàng)造性思維，產(chǎn)生新穎適用產(chǎn)品、想法或服務(wù)的能力［2］。而對(duì)于創(chuàng)造性思維的過(guò)程大多較為復(fù)雜，是比較、分類、歸納等邏輯思維和形象、聯(lián)想、靈感等非邏輯思維的綜合運(yùn)用［3］。該過(guò)程既需要對(duì)已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域知識(shí)加以靈活運(yùn)用，更需要及時(shí)捕捉并有效利用產(chǎn)生的感性理解和認(rèn)識(shí)。研究表明，最具創(chuàng)造性、最有價(jià)值的設(shè)計(jì)思路，通常都蘊(yùn)藏于這些較為模糊、非定量的感性理解和認(rèn)識(shí)中［4］。

為了使設(shè)計(jì)者在創(chuàng)新構(gòu)思過(guò)程中能夠得到更多適用的設(shè)計(jì)思路，增強(qiáng)創(chuàng)造力，學(xué)者們提出了數(shù)百種創(chuàng)新方法［3］。這些方法本質(zhì)上是服務(wù)于創(chuàng)造性思維，引導(dǎo)/輔助/激勵(lì)設(shè)計(jì)者更好地進(jìn)行創(chuàng)新思考的創(chuàng)造性思維的工具［5］。但在具體創(chuàng)新應(yīng)用時(shí)，這些方法都存在一定的不足，或過(guò)于依賴于設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域知識(shí)積累，或僅適用于部分問(wèn)題類型、局部創(chuàng)新過(guò)程的情況。方法集成應(yīng)用正是解決這些問(wèn)題的重要途徑之一。

目前已有一些基于多方法集成思想構(gòu)建出的應(yīng)用過(guò)程研究。例如：Malkin等創(chuàng)立的融合功能分析系統(tǒng)技術(shù)法（Function Analysis System Technique，F(xiàn)AST）方法、發(fā)明問(wèn)題解決理論（Theory of Invention Problem Solving，TRIZ）、頭腦風(fēng)暴思想的引導(dǎo)式創(chuàng)新思維模型［6］；Yao等集成6W1H、功能分析、裁剪方法，構(gòu)建了面向問(wèn)題型產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法［1］；Li等在“四個(gè)面向”問(wèn)題分類框架下，提出了集成TRIZ、功能—行為—結(jié)構(gòu)（Function Behavior－Structure，F(xiàn)BS）、創(chuàng)造性模板、檢核表法等方法的策略化創(chuàng)新模式［7］。但已有研究大多都是基于方法應(yīng)用盲區(qū)的相互補(bǔ)充，而不是出于對(duì)設(shè)計(jì)者創(chuàng)新認(rèn)知思維過(guò)程及規(guī)律的綜合考慮。而且對(duì)于創(chuàng)造性思維本身來(lái)說(shuō)，方法集成更應(yīng)基于對(duì)整個(gè)創(chuàng)新認(rèn)知思維過(guò)程加以綜合規(guī)劃，結(jié)合不同方法的應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)這些方法進(jìn)行再組合和再構(gòu)造，使之邏輯互聯(lián)、彼此協(xié)調(diào)，以形成一個(gè)有機(jī)的方法應(yīng)用整體，并為計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新（Computer Aided Innovation，CAI）集成工具開(kāi)發(fā)提供相應(yīng)的框架模型支持。

基于這一思想，本文在對(duì)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新認(rèn)知思維過(guò)程及規(guī)律加以較為系統(tǒng)的理解和認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，總結(jié)提煉出創(chuàng)新問(wèn)題的一般解決過(guò)程及相應(yīng)的創(chuàng)新思維操作過(guò)程，進(jìn)而提出一種基于認(rèn)知思維過(guò)程的多方法集成式產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略，并進(jìn)行CAI實(shí)現(xiàn)，以體系化、導(dǎo)向性地輔助設(shè)計(jì)者較好地進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)化產(chǎn)品創(chuàng)新認(rèn)知思維過(guò)程

1．1 創(chuàng)新問(wèn)題一般解決過(guò)程

從認(rèn)知角度來(lái)看，產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者通過(guò)大腦從外部攝入任務(wù)信息，使之轉(zhuǎn)化為工作記憶，并調(diào)用和提取以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)產(chǎn)生新記憶，然后再經(jīng)人腦綜合處理后輸出方案信息的思維往復(fù)操作過(guò)程［8－9］，即針對(duì)獲取的創(chuàng)新問(wèn)題加以創(chuàng)造性解決的思維操作過(guò)程。

創(chuàng)造性解決問(wèn)題的思維過(guò)程通常需要?jiǎng)?chuàng)新方法的支持。對(duì)于已有方法，根據(jù)思維特征的不同，本文將其分為思維流動(dòng)型、思維操作型、思維程序型三類。其中，思維流動(dòng)型方法將發(fā)明創(chuàng)造視為聯(lián)想、直覺(jué)和靈感等非邏輯思維活動(dòng)的結(jié)果，包括頭腦風(fēng)暴法和檢核表法等；思維操作型方法注重邏輯思維與非邏輯思維在思考過(guò)程中的交互性操作，包括形態(tài)分析法和思維導(dǎo)圖等；思維程序型方法強(qiáng)調(diào)對(duì)客觀規(guī)律的運(yùn)用和對(duì)思維活動(dòng)的組織，包括TRIZ理論和FBS方法等。前兩類方法的問(wèn)題求解過(guò)程可抽象為如圖1a所示的規(guī)律，都側(cè)重于對(duì)設(shè)計(jì)者自身創(chuàng)新思維能力的挖掘，但存在對(duì)設(shè)計(jì)者的主觀依賴性強(qiáng)、創(chuàng)新結(jié)果隨意性大、數(shù)據(jù)繁雜等不足；思維程序型方法則遵循如圖1b所示的求解過(guò)程，通過(guò)規(guī)律運(yùn)用和思維組織，在一定程度上拓展了創(chuàng)新思考空間，規(guī)范了思考過(guò)程，但其中很多方法僅適用于部分問(wèn)題類型、局部創(chuàng)新過(guò)程的情況［1］。

在秉承以上兩種問(wèn)題求解過(guò)程優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)適度彌補(bǔ)已有應(yīng)用的不足，本文提煉出較為全面的問(wèn)題求解過(guò)程模型，如圖2所示。它是對(duì)創(chuàng)新問(wèn)題一般解決過(guò)程的抽象描述，通過(guò)獲取各種類型創(chuàng)新問(wèn)題→問(wèn)題核心（本質(zhì)）探究→轉(zhuǎn)化為一般問(wèn)題→一般問(wèn)題映射求解→領(lǐng)域內(nèi)類比思考→方案評(píng)價(jià)、組合、優(yōu)化處理等一系列的思維操作實(shí)現(xiàn)。

1．2 復(fù)合菱形思維操作過(guò)程

從思維形式來(lái)看，產(chǎn)品創(chuàng)新認(rèn)知思維過(guò)程既包括發(fā)散性思維操作，也包括收斂性思維操作。前者是從廣度上對(duì)設(shè)計(jì)信息進(jìn)行有益探索，以獲取更多的有益思考方向；后者則是從深度上對(duì)得到的信息加以評(píng)定、組合和遷移等更深層次的探討，以及時(shí)縮減分析的范圍，進(jìn)而增強(qiáng)思考的針對(duì)性和效率。且整個(gè)創(chuàng)新思考過(guò)程通常包括多個(gè)菱形思維單元［10］。其中，菱形思維是發(fā)散—收斂的思維形式組合。

在遵循提煉出的創(chuàng)新問(wèn)題一般解決過(guò)程模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)實(shí)際，將產(chǎn)品創(chuàng)新思考過(guò)程細(xì)化為問(wèn)題確定、問(wèn)題求解、方案發(fā)展三個(gè)階段，以及問(wèn)題分析、問(wèn)題發(fā)展、概念求解、領(lǐng)域求解、方案評(píng)價(jià)、組合優(yōu)化六個(gè)主要思維操作步驟。這些思維操作在思維形式上可形成如圖3所示的復(fù)合式菱形思維操作過(guò)程。其中：I表示初始信息，O表示機(jī)會(huì)信息，P表示創(chuàng)新問(wèn)題，C表示概念方案，D表示領(lǐng)域方案，S表示創(chuàng)新方案，F(xiàn)表示最終創(chuàng)新方案。

問(wèn)題分析的思考職能在于獲取到進(jìn)行創(chuàng)新思考的初始問(wèn)題；問(wèn)題發(fā)展是對(duì)問(wèn)題作進(jìn)一步探究，以確定問(wèn)題根本所在的操作；概念求解的職能在于實(shí)現(xiàn)問(wèn)題空間向解空間的映射轉(zhuǎn)換，即生成一般解；領(lǐng)域求解是將一般解轉(zhuǎn)化為特殊解的操作；方案評(píng)價(jià)是對(duì)生成的方案進(jìn)行選優(yōu)的操作；組合優(yōu)化的職能則在于對(duì)優(yōu)選后的方案加以組合、改進(jìn)和完善處理。

此外，圖3還展現(xiàn)了問(wèn)題再定義、概念激勵(lì)和方案重用三個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新信息反饋的操作。這些反饋性操作在創(chuàng)新思考過(guò)程中也經(jīng)常出現(xiàn)，是對(duì)思考過(guò)程的有益補(bǔ)充。

2 基于認(rèn)知思維過(guò)程方法策略及應(yīng)用

針對(duì)提出的復(fù)合菱形思維操作過(guò)程模型，結(jié)合不同設(shè)計(jì)階段及思維操作單元，集成應(yīng)用多種方法策略，以推動(dòng)創(chuàng)新活動(dòng)的順利開(kāi)展。

2．1 創(chuàng)新問(wèn)題確定

問(wèn)題分析是通過(guò)對(duì)獲取的初始信息（主要包括市場(chǎng)調(diào)研信息和已有產(chǎn)品信息［11］）加以系統(tǒng)分析，以捕捉蘊(yùn)藏其間的創(chuàng)新機(jī)會(huì)的操作。本文采用質(zhì)量功能配置（Quality Function Deployment，QFD）方法對(duì)獲取到的市場(chǎng)調(diào)研信息進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)用戶需求信息向具體的產(chǎn)品技術(shù)特性的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而識(shí)別出較具創(chuàng)新潛力的技術(shù)需求特征、技術(shù)沖突、設(shè)計(jì)約束等創(chuàng)新機(jī)會(huì)信息，即得到缺陷問(wèn)題、功能問(wèn)題和感性問(wèn)題三類進(jìn)行創(chuàng)新思考的問(wèn)題。其中，缺陷問(wèn)題指已有產(chǎn)品中存在的影響其主要功能發(fā)揮的功能結(jié)構(gòu)失效、沖突等問(wèn)題；功能問(wèn)題指對(duì)全新產(chǎn)品/已有產(chǎn)品的功能開(kāi)發(fā)、改進(jìn)、替代需求；感性問(wèn)題則指關(guān)于產(chǎn)品美感、觸感等官能性需求以及人文性需求。

針對(duì)已有產(chǎn)品信息，本文將失效模式分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）、物場(chǎng)分析以及進(jìn)化路線分析三種常用的方法相結(jié)合，從可靠性、完備性、理想性三個(gè)較為互補(bǔ)的角度，對(duì)蘊(yùn)藏其間的創(chuàng)新機(jī)會(huì)信息進(jìn)行全面挖掘。FMEA通過(guò)對(duì)產(chǎn)品潛在的失效及其原因進(jìn)行逐級(jí)分解，從失效事件的發(fā)生度、嚴(yán)重度和檢測(cè)度三方面進(jìn)行預(yù)估，計(jì)算得到重要程度較高的失效事件及特性，即缺陷問(wèn)題；物場(chǎng)分析是結(jié)合產(chǎn)品中的關(guān)鍵功能和結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建物場(chǎng)模型，分析得到不完整、不足作用和有害作用三類非正常模型問(wèn)題；進(jìn)化路線分析則對(duì)產(chǎn)品中的關(guān)鍵功能、結(jié)構(gòu)單元的進(jìn)化狀態(tài)和發(fā)展方向，結(jié)合TRIZ理論中的多條進(jìn)化路線加以預(yù)測(cè)和確定。

對(duì)整個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)說(shuō)，分析到問(wèn)題的本質(zhì)通常比解決問(wèn)題更為重要。問(wèn)題發(fā)展正是針對(duì)經(jīng)QFD分析和FMEA分析得到的缺陷問(wèn)題、功能問(wèn)題所做的進(jìn)一步探究，以尋求到實(shí)現(xiàn)/解決這些創(chuàng)新機(jī)會(huì)的根本問(wèn)題。對(duì)于缺陷問(wèn)題，結(jié)合其問(wèn)題的特點(diǎn)，采取尋根式追問(wèn)思考的方式，利用根源分析的方法，對(duì)導(dǎo)致缺陷發(fā)生的根本原因加以探究；對(duì)于功能問(wèn)題，利用系統(tǒng)功能分析的方法，結(jié)合構(gòu)建的功能組件鏈圖，對(duì)目標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析。而對(duì)于經(jīng)物場(chǎng)分析和進(jìn)化路線分析得到的問(wèn)題，由于它們都有標(biāo)準(zhǔn)的概念解體系與之對(duì)應(yīng)，經(jīng)QFD分析得到的感性問(wèn)題較為明確，都不需要進(jìn)行發(fā)展分析。

2．2 創(chuàng)新問(wèn)題求解

如前所述，創(chuàng)新問(wèn)題求解過(guò)程主要包含概念求解和領(lǐng)域求解兩步操作。概念求解是對(duì)問(wèn)題發(fā)展分析后的缺陷問(wèn)題、功能問(wèn)題以及經(jīng)物場(chǎng)分析得到的非正常模型問(wèn)題進(jìn)行映射求解，以得到進(jìn)一步創(chuàng)新思考的方向。對(duì)缺陷問(wèn)題的求解包括兩條途徑：①結(jié)合TRIZ理論中的39個(gè)通用工程參數(shù)對(duì)其加以標(biāo)準(zhǔn)化處理，再利用沖突矩陣進(jìn)行發(fā)明原理求解；運(yùn)用FAST分析法，結(jié)合構(gòu)建的FAST分析模型，分析出與缺陷問(wèn)題對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵功能問(wèn)題。②利用功能問(wèn)題求解方法加以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于功能問(wèn)題，主要運(yùn)用FBS方法進(jìn)行功能映射求解，過(guò)程如圖4所示，即先結(jié)合功能基對(duì)功能問(wèn)題進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再結(jié)合可獲取到的知識(shí)資源，針對(duì)目標(biāo)功能進(jìn)行知識(shí)檢索，進(jìn)而映射求得相應(yīng)的概念方案。對(duì)于非正常模型問(wèn)題，則直接利用76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行求解。

領(lǐng)域求解是結(jié)合創(chuàng)新產(chǎn)品，對(duì)求得的概念方案信息（包括進(jìn)化路線分析的結(jié)果）做進(jìn)一步思考和轉(zhuǎn)換，對(duì)問(wèn)題發(fā)展操作得到的感性問(wèn)題加以求解，以得到較為具體的領(lǐng)域內(nèi)問(wèn)題解決方案的過(guò)程。對(duì)于概念方案信息，可利用類比法，將概念方案信息及其他已有過(guò)程信息作為類比情景，再結(jié)合問(wèn)題本身、產(chǎn)品特點(diǎn)及自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行類比關(guān)聯(lián)思考，進(jìn)而激勵(lì)產(chǎn)生相應(yīng)的領(lǐng)域方案。對(duì)于感性問(wèn)題，則直接利用形態(tài)分析法，從外觀、質(zhì)感和人文等角度對(duì)產(chǎn)品的重要屬性進(jìn)行形態(tài)列舉，然后再結(jié)合生成的形態(tài)矩陣進(jìn)行形態(tài)組合、評(píng)價(jià)和篩選分析，以得到實(shí)現(xiàn)感性問(wèn)題的最優(yōu)組合創(chuàng)新方案。

2．3 創(chuàng)新方案發(fā)展

經(jīng)上述兩個(gè)階段的操作，通?？梢缘玫蕉鄠€(gè)問(wèn)題對(duì)應(yīng)下的多個(gè)領(lǐng)域方案。方案評(píng)價(jià)正是對(duì)這些方案（感性問(wèn)題解決方案除外）加以整理、評(píng)定和篩選的操作，采用親和圖和系統(tǒng)評(píng)價(jià)的策略加以實(shí)現(xiàn)。首先，利用親和圖法，針對(duì)不同創(chuàng)新問(wèn)題，將與相對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新方案加以歸類處理；然后，針對(duì)每一問(wèn)題，在淘汰絕對(duì)不合適的方案解后，再依據(jù)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)中的若干優(yōu)選準(zhǔn)則（如表1），按 A、B→C、D→E、F的評(píng)價(jià)順序，逐級(jí)對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)篩選［12］。

表1 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

對(duì)于組合優(yōu)化操作，則通過(guò)先應(yīng)用形態(tài)分析法，將各問(wèn)題作為獨(dú)立要素，將篩選后的方案作為形態(tài)（含感性問(wèn)題解決方案），構(gòu)建相應(yīng)的形態(tài)分析矩陣；然后進(jìn)行形態(tài)組合評(píng)價(jià)和篩選分析；最后對(duì)得到的最優(yōu)組合方案的功能/結(jié)構(gòu)間的輸入、輸出邏輯加以思考，以探究存在/可能存在的邏輯缺失、沖突等新問(wèn)題，思考并解決這些問(wèn)題（也可直接進(jìn)行問(wèn)題分析操作），以對(duì)原有方案做相應(yīng)的補(bǔ)充、修正、改進(jìn)等優(yōu)化處理，進(jìn)而生成最終的產(chǎn)品創(chuàng)新方案。

2．4 多方法集成式創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

結(jié)合以上幾個(gè)階段方法應(yīng)用的闡述，構(gòu)建出相應(yīng)的方法集成化創(chuàng)新應(yīng)用流程，如圖5所示，具體步驟如下：

步驟1 結(jié)合設(shè)計(jì)背景、產(chǎn)品需求、目標(biāo)成本等信息，構(gòu)建創(chuàng)新項(xiàng)目，并編寫相應(yīng)的項(xiàng)目任務(wù)書。

步驟2 選取創(chuàng)新問(wèn)題的來(lái)源，即根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書，確定是從市場(chǎng)調(diào)研信息挖掘開(kāi)始，還是直接針對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行分析。

步驟3 確立問(wèn)題來(lái)源后，若從市場(chǎng)調(diào)研信息入手，則直接利用QFD方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析，以獲取相應(yīng)的創(chuàng)新機(jī)會(huì)信息；若從已有產(chǎn)品角度出發(fā)，則先選取問(wèn)題分析的方法，再利用選取方法的分析工具及策略加以探究。其中，經(jīng)物場(chǎng)分析后，直接跳轉(zhuǎn)到步驟6進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)解求解分析；經(jīng)進(jìn)化路線分析后，則直接跳轉(zhuǎn)到步驟7加以類比思考。

步驟4 對(duì)分析得到的機(jī)會(huì)信息進(jìn)行問(wèn)題分類，以確定其問(wèn)題類型。

步驟5 針對(duì)缺陷問(wèn)題和功能問(wèn)題，分別利用對(duì)應(yīng)的方法對(duì)其進(jìn)行深入探討，以得到解決問(wèn)題的根本所在。而對(duì)于感性問(wèn)題，則直接跳轉(zhuǎn)到步驟7，進(jìn)行形態(tài)組合分析。

步驟6 選取創(chuàng)新問(wèn)題，并選擇問(wèn)題類型下對(duì)應(yīng)的概念求解方法，利用這些方法對(duì)應(yīng)的分析工具及策略進(jìn)行求解分析，映射得到相應(yīng)的概念方案。

步驟7 選取概念方案，結(jié)合具體產(chǎn)品和問(wèn)題進(jìn)行領(lǐng)域類比思考，使之轉(zhuǎn)化為能解決特殊問(wèn)題的領(lǐng)域方案。而對(duì)于感性問(wèn)題，則進(jìn)行形態(tài)組合分析，然后跳轉(zhuǎn)到步驟11。

步驟8 將經(jīng)初步篩選的領(lǐng)域方案按不同問(wèn)題、不同方案分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行親和圖分類處理。

步驟9 利用系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同問(wèn)題枝節(jié)下的多個(gè)方案進(jìn)行逐級(jí)評(píng)價(jià)篩選。

步驟10 結(jié)合篩選后的方案，根據(jù)其所解決的不同問(wèn)題構(gòu)建形態(tài)分析矩陣，并進(jìn)行方案組合思考，以生成最優(yōu)組合方案解。

步驟11 針對(duì)得到的組合方案，從協(xié)調(diào)性、完整性等多個(gè)方面對(duì)其做進(jìn)一步的優(yōu)化處理，進(jìn)而得到創(chuàng)新性和適用性俱佳的最終創(chuàng)新方案。

3 多方法集成式創(chuàng)新原型系統(tǒng)

在創(chuàng)新思考過(guò)程中，尤其在構(gòu)思新產(chǎn)品概念時(shí)，僅靠設(shè)計(jì)者的自身經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)結(jié)構(gòu)往往是不夠的，很難獲得高水平的創(chuàng)新成果，需要來(lái)自多學(xué)科的知識(shí)儲(chǔ)備、多領(lǐng)域的技術(shù)工具做支撐［13］。針對(duì)提出的多方法集成式創(chuàng)新應(yīng)用過(guò)程模型，通過(guò)融合認(rèn)知科學(xué)、信息技術(shù)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的CAI原型系統(tǒng)。限于篇幅，本文僅對(duì)系統(tǒng)的體系架構(gòu)加以闡述。如圖6所示，該體系架構(gòu)主要包含用戶交互層、應(yīng)用接口層、推理服務(wù)層、基礎(chǔ)資源層。

（1）用戶交互層主要給用戶提供一個(gè)友好的人機(jī)交互界面，提供多角色參與者登錄、信息輸入和輸出的界面，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程加以可視化。支持對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行直接查詢和分析，并針對(duì)不同角色的設(shè)計(jì)權(quán)限，提供不同的創(chuàng)新視圖。同時(shí)，也包含管理員對(duì)系統(tǒng)及知識(shí)庫(kù)進(jìn)行的日常維護(hù)操作界面。

（2）應(yīng)用接口層為系統(tǒng)的使用者提供多種模塊功能及相關(guān)接口，是推理層與用戶層的中間轉(zhuǎn)換層。該層提供不同專業(yè)應(yīng)用接口、不同環(huán)境管理工具以及重構(gòu)和配置創(chuàng)新資源工具等。采用超文本鏈接標(biāo)記語(yǔ)言（HyperText Markup Language，HTML）、Java伺服端網(wǎng)頁(yè)（Java Server Page，JSP）、Web2．0等技術(shù)進(jìn)行原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，支持用戶以文本、圖形、超文本等方式向系統(tǒng)請(qǐng)求服務(wù)交互。

（3）推理服務(wù)層整個(gè)系統(tǒng)的核心包括支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程各個(gè)階段應(yīng)用模塊的實(shí)現(xiàn)性操作，如檢索/匹配、整合/調(diào)度、綜合/評(píng)價(jià)等。主要根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中用戶輸入的設(shè)計(jì)信息，為其提供所需的設(shè)計(jì)原理及過(guò)程推理方法、工具支持，是搜索引擎、Web service、自然語(yǔ)義本體、智能推送服務(wù)等工具和技術(shù)的應(yīng)用。最后，以服務(wù)指令的形式，規(guī)則調(diào)用相應(yīng)的創(chuàng)新資源。既包括系統(tǒng)功能建模、類比思考等人機(jī)交互式和選擇性信息接入操作，也包括信息轉(zhuǎn)換、映射求解、評(píng)價(jià)計(jì)算等多個(gè)推理應(yīng)用模塊，以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新信息映射轉(zhuǎn)換和智能調(diào)用相應(yīng)資源的操作。

（4）基礎(chǔ)資源層主要為創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程提供數(shù)據(jù)支持，包括計(jì)算資源、軟件資源、知識(shí)資源、廣域網(wǎng)絡(luò)資源和專家資源等。其中，知識(shí)資源是系統(tǒng)的主體資源，由需求信息庫(kù)、本體庫(kù)、效應(yīng)庫(kù)和評(píng)價(jià)庫(kù)等多個(gè)知識(shí)庫(kù)及多層信息檢索引擎組成。這些庫(kù)主要以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存在，而對(duì)于大量文件、圖表、聲音和視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，則用文檔數(shù)據(jù)庫(kù)的形式加以管理。

4 示例

敲釘機(jī)是將緊固件推入工件裝置的常用工具之一，通常使用的范圍從手工藝品加工到建筑構(gòu)造的工程中，但目前這一工具仍以手動(dòng)為主［14］。為滿足大工程作業(yè)的要求，迫切需要開(kāi)發(fā)一種新型的手握式自動(dòng)敲釘機(jī)。

經(jīng)前期市場(chǎng)調(diào)研獲取到大量的市場(chǎng)信息。故選用QFD方法對(duì)已獲取的用戶需求信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化整理，構(gòu)建的質(zhì)量屋如圖7所示。通過(guò)對(duì)質(zhì)量屋加以評(píng)定計(jì)算分析，得到自動(dòng)敲釘機(jī)的創(chuàng)新機(jī)會(huì)點(diǎn)主要在于增加打釘力、增加打釘速度、減小噪聲等技術(shù)特性，以及“打釘力與使用壽命”等技術(shù)沖突信息。

選取增加打釘速度、增加打釘能量等創(chuàng)新價(jià)值較高的功能問(wèn)題，利用系統(tǒng)功能分析方法對(duì)其做進(jìn)一步功能細(xì)化和挖掘。首先，結(jié)合已有的無(wú)線敲釘機(jī)產(chǎn)品信息構(gòu)建相應(yīng)的功能模型，如圖8所示。然后，再結(jié)合問(wèn)題及構(gòu)建的模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可將問(wèn)題進(jìn)一步轉(zhuǎn)化并抽象為多個(gè)功能創(chuàng)新問(wèn)題，如“存儲(chǔ)/吸收能量”、“將動(dòng)能傳遞給釘子”等。

針對(duì)上一步操作得到的創(chuàng)新問(wèn)題，運(yùn)用FBS方法進(jìn)行知識(shí)映射求解，可得到：①“彈簧效應(yīng)”、“易彎曲筋條吸收沖擊能”、“勒沙特列原理”等效應(yīng)知識(shí)；②“螺紋式磁水器”、“一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙飛輪自動(dòng)敲釘機(jī)”、“二氧化碳?xì)馄堪l(fā)射水槍”等專利知識(shí)；③“蝸輪傳動(dòng)”、“往復(fù)液壓缸”、“扭轉(zhuǎn)推動(dòng)”等領(lǐng)域知識(shí)；等等。然后，結(jié)合敲釘機(jī)及具體創(chuàng)新問(wèn)題，運(yùn)用類比法對(duì)生成的原理解進(jìn)行領(lǐng)域具體化思考，進(jìn)而激勵(lì)產(chǎn)生“液壓缸增壓”、“運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊”、“纏繞彈簧”等蓄積動(dòng)能，以及“沖錘單次沖擊”、“推動(dòng)釘子”等施加動(dòng)力的多個(gè)解決方案，如圖9所示。

按所解決的創(chuàng)新問(wèn)題及對(duì)應(yīng)的能量形式（化學(xué)能、風(fēng)能、水力能、電能等）不同，將得到的領(lǐng)域方案分成多個(gè)子類，進(jìn)行方案親和圖分析。利用前文的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則逐級(jí)對(duì)方案加以評(píng)價(jià)，篩選得到較優(yōu)的方案集。結(jié)合篩選的結(jié)果，構(gòu)建相應(yīng)的方案形態(tài)矩陣（如表2）。組合這些形態(tài)，進(jìn)而激勵(lì)產(chǎn)生多個(gè)組合方案，如圖10所示。其中，方案1通過(guò)螺線管不斷“壓縮—松開(kāi)”彈簧，以實(shí)現(xiàn)多次沖擊驅(qū)動(dòng)釘子；方案2利用線性馬達(dá)推動(dòng)一個(gè)質(zhì)量錘，使之吸收并積蓄動(dòng)能，再通過(guò)單次沖擊將動(dòng)能傳遞給釘子；方案3則通過(guò)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪，凸出端推動(dòng)撞桿向上運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧使之吸收并存儲(chǔ)潛在能量，再以單次沖擊的形式將能量傳遞給釘子。

表2 敲釘機(jī)創(chuàng)新方案形態(tài)分析矩陣

設(shè)計(jì)師再結(jié)合自身工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、企業(yè)實(shí)際情況及現(xiàn)有材料，從相容性、創(chuàng)新性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)性五個(gè)方面，對(duì)得到的組合方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選出方案3為較優(yōu)組合方案。最后，對(duì)方案3做進(jìn)一步補(bǔ)充和優(yōu)化處理，得到最終創(chuàng)新方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在創(chuàng)新問(wèn)題一般解決過(guò)程模型和復(fù)合菱形思維操作過(guò)程模型的基礎(chǔ)上，提出一種多方法集成式產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)策略。針對(duì)模型中的思維操作單元、應(yīng)用方法、創(chuàng)新流程及原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為全面的闡述。結(jié)合敲釘機(jī)創(chuàng)新示例，對(duì)策略及系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程、實(shí)用性和有效性進(jìn)行了演示與驗(yàn)證。后續(xù)研究將繼續(xù)結(jié)合創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)際，對(duì)提出的創(chuàng)新策略及原型系統(tǒng)做進(jìn)一步改進(jìn)和完善，以更好地輔助設(shè)計(jì)者開(kāi)展產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)。

［1］ KO Y T，YANG C C，KUO P H．A problem－oriented design method for product innovation［J］．Concurrent Engineering－Research and Applications，2011，19（4）：335－344．

［2］ KAUFMAN J C，STERNBERG R J．The cambridge handbook of creativity ［M］．London，UK：Cambridge University Press，2010．

［3］ LI Yan，LI Wenqiang．Method of creative design［M］．Beijing：Science Press，2013（in Chinese）．［李 彥，李文強(qiáng)．創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法［M］．北京：科學(xué)出版社，2013．］

［4］ XU Qihe．Research on integrated design method for creative design of modern mechanical product［J］．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery，2005，36（3）：102－105（in Chinese）．［徐起賀．現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)集成化方法研究［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36（3）：102－105．］

［5］ HOWARD T J，CULLEY S J，DEKONINCK E．Reuse of ideas and concepts for creative stimuli in engineering design［J］．Journal of Engineering Design，2011，22（8）：565－581．

［6］ MALKIN S，COATES D，MALKIN G．An improved method for teaching the theory of inventive problem solving to students［EB/OL］．［2013－01－10］．http：//www．a(chǎn)itriz．org/documents/TRIZCON/Proceedings/Malkin－Coates－an－improved－method－for－teaching－the－theory－of－inventive－problem－solving－to－students．pdf．

［7］ LI Y，WANG J，LI X L，et al．Design creativity in product innovation［J］．International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，33（3/4）：213－222．

［8］ MA Guanglin，LI Yan，PAN Peiyuan．A process model and method of idea generation for conceptual design［J］．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B Journal of Engineering Manufacture，2011，225（4）：568－586．

［9］ GERO J S，PENG Wei．Understanding behaviors of a constructive memory agent：a markov chain analysis［J］．Knowledge－Based Systems，2009，22（8）：610－621．

［10］ ZHAO Yanwei．A new method of scheme design based on the multi－level rhombus thought models［J］．China Mechanical Engineering，2000，11（6）：684－687（in Chinese）．［趙燕偉．基于多級(jí)菱形思維模型的方案設(shè)計(jì)新方法［J］．中國(guó)機(jī)械工程，2000，11（6）：684－687．］

［11］ WAN Yanjian，LI Yan，LI Wenqiang，et al．Method and realization for product innovative design based on endogenous function requirement［J］．Computer Integrated Manufacturing Systems，2013，19（2）：235－243（in Chinese）．［萬(wàn)延見(jiàn)，李彥，李文強(qiáng)，等．功能需求內(nèi)生式產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法及其實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2013，19（2）：235－243．］

［12］ LIU Xize，JI Yangjian，QI Guoning，et al．Application of systematic design approach based on theory of inventive problem solving［J］．Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2009，43（12）：2244－2249，2263（in Chinese）．［劉 曦澤，紀(jì)楊建，祁國(guó)寧，等．基于發(fā)明問(wèn)題解決理論的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用［J］．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2009，43（12）：2244－2249，2263．］

［13］ LIU Xiaoying，LI Yan，PAN Peiyuan，et al．Research on computer－aided creative design platform based on creativity model［J］．Expert System with Applications，2011，38（8）：9973－9990．

［14］ ULRICH K T，EPPINGER S D．Product design and development［M］．3rd．NewYork，N．Y．，USA：The McGraw－Hill Companies，2004．