面向類比思維的創(chuàng)新問題求解過程

石 釬，熊 艷，李 彥，劉龍繁

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

1 引言

設(shè)計是一種創(chuàng)造性的活動。從認(rèn)知的角度分析，創(chuàng)造源于概念空間的轉(zhuǎn)換，通過不同知識系統(tǒng)之間的映射，將知識從一種情境轉(zhuǎn)換到另一種情境[1]。映射的關(guān)鍵是設(shè)計者找到現(xiàn)有問題和已有知識經(jīng)驗在某些方面所具有的相似特征[2-3]，這個過程需要設(shè)計者的聯(lián)想，找到兩者間的聯(lián)系。類比作為人類思維的基本特點(diǎn)，是實現(xiàn)知識遷移的有效途徑[4]，基于類比思維的創(chuàng)新問題求解是通過知識和設(shè)計問題之間的映射關(guān)系，完成設(shè)計問題求解[1]。從類比思維的角度對創(chuàng)新設(shè)計問題求解過程進(jìn)行探究能有效實現(xiàn)跨領(lǐng)域知識的發(fā)現(xiàn)及遷移。

類比思維的認(rèn)知過程如下：（1）形成一個問題領(lǐng)域的表征；（2）在記憶中對知識資源進(jìn)行編碼；（3）從記憶中找到一個合適的類比對象，這是類比推理過程中最難也是最關(guān)鍵的一環(huán)[5]；（4）找出問題和知識資源間的映射關(guān)系，完成知識的遷移?；陬惐人季S的創(chuàng)新問題求解是設(shè)計者對問題進(jìn)行表征后，依據(jù)某些特征的相似獲取設(shè)計知識，并進(jìn)行知識的遷移、轉(zhuǎn)換和組合的過程，實現(xiàn)知識向設(shè)計問題的遷移，從而得到解決問題的創(chuàng)新概念。文獻(xiàn)[3，6]認(rèn)為設(shè)計者依據(jù)當(dāng)前問題的某些特征相似，會聯(lián)想到先前案例或由案例提取出的抽象信息。一方面，這些抽象信息有助于理解新情境或解決具有相同抽象信息的問題，抽象信息體現(xiàn)為對問題的某些信息進(jìn)行抽象性描述；另一方面，表面內(nèi)容（即語義信息）相似是獲取同問題相關(guān)信息的基本途徑[7]。通過設(shè)計問題抽象信息和表面內(nèi)容兩個層次的相似特征，可以有效實現(xiàn)類比源的獲取，并保證創(chuàng)新概念的質(zhì)量和數(shù)量[8]。

現(xiàn)階段很多學(xué)者基于類比創(chuàng)新問題求解進(jìn)行了研究，如：文獻(xiàn)[9]利用WordTree方法從功能角度重新表征設(shè)計問題，引導(dǎo)設(shè)計者從不同功能層次對設(shè)計問題進(jìn)行思考，形成不同的問題表征；文獻(xiàn)[10]提出基于通用屬性和通用操作的生物和技術(shù)功能的形式化描述方法，實現(xiàn)生物原型轉(zhuǎn)化為技術(shù)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[11]定義了一種關(guān)鍵功能，并基于關(guān)鍵功能的相似性檢索資源庫中跨領(lǐng)域知識；文獻(xiàn)[12]從重現(xiàn)功能、映射功能和關(guān)鍵功能三個方面定義了功能概念，以幫助設(shè)計者更好的獲取合適的類比源；文獻(xiàn)[13]針對專利知識的功能和表面內(nèi)容提出一種組合專利語義分析的貝葉斯算法，從功能和語義相似獲取跨領(lǐng)域類比源。以上研究主要從功能方面對類比源獲取方法進(jìn)行了研究，沒有側(cè)重于從實現(xiàn)功能的行為及結(jié)構(gòu)的角度對相似性進(jìn)行研究，不利于近、遠(yuǎn)領(lǐng)域的類比源發(fā)現(xiàn)。盡管文獻(xiàn)[14]基于功能-行為-結(jié)構(gòu)知識表達(dá)體系進(jìn)行產(chǎn)品的類比設(shè)計，從功能和行為的相似獲取類比源；文獻(xiàn)[15]基于結(jié)構(gòu)-行為-功能知識表示結(jié)構(gòu)，將生物知識從功能和行為兩個角度進(jìn)行描述，并通過功能和行為的相似關(guān)系將其應(yīng)用于設(shè)計系統(tǒng)，但其只給出了設(shè)計檢索的宏觀思路。功能僅從“為什么”的角度描述相似特征，類比層次較高，缺乏從“如何實現(xiàn)”和“實現(xiàn)的主體”的類比層次角度考慮相似特征。設(shè)計者往往將設(shè)計意圖轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品功能[16]，科學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用為實現(xiàn)功能的行為提供原理支撐[17]，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為具體的結(jié)構(gòu)加以實現(xiàn)，同時，以上研究較少考慮不同的問題表征會形成不同的擴(kuò)散激勵的認(rèn)知機(jī)理[7]，僅從功能的單一角度對設(shè)計問題進(jìn)行表征，不利于激發(fā)設(shè)計者從不同角度解決設(shè)計問題。同時，現(xiàn)有類比源獲取方法將表面內(nèi)容的語義相似和抽象出的功能相似分開進(jìn)行研究，如僅從功能相似獲取的類比源，沒有考慮從語義層次的相似對類比源進(jìn)行近、遠(yuǎn)領(lǐng)域的劃分，不利于設(shè)計者形成不同創(chuàng)新層次的概念解，而僅從表面內(nèi)容的語義層次獲取類比源，而沒有考慮相似的抽象層次，不利于獲取具有創(chuàng)新、獨(dú)特的跨領(lǐng)域類比源，導(dǎo)致形成創(chuàng)新概念的新穎性低。

因此，從功能、行為及結(jié)構(gòu)的抽象層次和語義層次來描述相似特征，基于類比思維的認(rèn)知過程，以相似特征為基礎(chǔ)構(gòu)建了一種類比創(chuàng)新問題求解模型，以引導(dǎo)設(shè)計者更好的形成創(chuàng)新概念。

2 基于類比思維的創(chuàng)新問題求解過程

類比思維通過建立映射關(guān)系把當(dāng)前領(lǐng)域（源領(lǐng)域）映射到另一個領(lǐng)域（靶領(lǐng)域）[18]，它是人類核心的認(rèn)知能力之一，其基礎(chǔ)是事物、狀態(tài)及關(guān)系之間的相似性[19]。定義源領(lǐng)域與靶領(lǐng)域的設(shè)計分別為源設(shè)計和靶設(shè)計，其初始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)分別為源問題與源目標(biāo)及靶問題與靶目標(biāo)。類比思維問題求解基本原理，如圖1所示。包括以下流程或步驟：（1）靶設(shè)計的靶問題已知，是設(shè)計者對問題的理解和表示，但靶目標(biāo)未知，基于靶問題的某些特征，將獲取相似的源問題；（2）源設(shè)計的源問題與源目標(biāo)存在對應(yīng)關(guān)系P，P表示求解應(yīng)用的一系列程序，將P施加于源問題將形成源目標(biāo)；（3）找出靶問題和源問題的映射關(guān)系；④將求解操作源設(shè)計的求解程序P應(yīng)用于靶設(shè)計；⑤調(diào)整求解程序P至P’，以適用靶設(shè)計的求解情境，最終確定靶目標(biāo)。

圖1 類比思維問題求解基本原理Fig.1 The Basic Principle of Analogy Thinking for Problem Solving

將類比思維過程應(yīng)用于創(chuàng)新設(shè)計問題求解，其根據(jù)設(shè)計問題和已有設(shè)計知識的某些特征相似，把知識領(lǐng)域映射到問題領(lǐng)域，最終使問題得到解決[20]?；陬惐人季S的創(chuàng)新問題求解過程模型包括問題表征、設(shè)計檢索及映射遷移三個求解步驟，問題空間和知識空間不斷映射求解激勵設(shè)計者形成創(chuàng)新概念，如圖2所示。

圖2 基于類比思維的創(chuàng)新問題求解過程Fig.2 Design Problem Solving Process Based on Analogical Thinking

問題表征是創(chuàng)新問題求解的開端，基于相似特征從抽象和語義兩個層次進(jìn)行功能表征、行為表征及結(jié)構(gòu)表征；設(shè)計檢索是基于問題表征并利用某些相似特征進(jìn)行發(fā)散檢索的過程，從不同角度、不同方向獲取潛在類比源；映射遷移過程通過映射關(guān)系將獲得的類比源向設(shè)計問題進(jìn)行遷移，實現(xiàn)類比源向目標(biāo)情境的轉(zhuǎn)換和組合，得到創(chuàng)新概念。其中，設(shè)計者對設(shè)計問題的理解形成的一系列表征狀態(tài)構(gòu)成了問題空間，依據(jù)相似特征從知識資源中檢索獲得的類比源構(gòu)成了一個知識空間。

相似特征是基于類比的創(chuàng)新問題求解基礎(chǔ)，主要從功能、行為及結(jié)構(gòu)三個角度的抽象層次和語義層次對其進(jìn)行描述，從功能角度關(guān)注創(chuàng)新問題的解決目的的相似，從行為角度關(guān)注語義層次關(guān)注實現(xiàn)目的的行為方式的相似，從結(jié)構(gòu)角度關(guān)注解決問題的相關(guān)結(jié)構(gòu)的相似，并針對每一個角度從抽象層次和語義層次進(jìn)行描述，其中語義層次表示具體的領(lǐng)域信息，抽象層次表示提取出的抽象信息。一方面，相似特征引導(dǎo)設(shè)計者從多個角度及多個層次思考設(shè)計問題并形成表征；另一方面，支撐設(shè)計者基于問題表征狀態(tài)的某些特征的相似從知識資源中獲取相應(yīng)類比源。通過多角度多層次描述相似特征，并引導(dǎo)和支撐設(shè)計者進(jìn)行問題表征和設(shè)計檢索，有利于設(shè)計者從不同角度不同層次進(jìn)行創(chuàng)新問題解決，激勵設(shè)計者產(chǎn)生概念解。

2.1 問題表征

問題表征是類比求解的開端，是設(shè)計者基于設(shè)計問題的初始描述和相關(guān)約束，結(jié)合個人經(jīng)驗理解問題建立問題表征，這一系列的狀態(tài)構(gòu)成了“問題空間”，主要包括以下三個方面：（1）功能表征。對設(shè)計問題從功能角度進(jìn)行表征，利用問題求解的最大化策略，去除加在現(xiàn)有問題上的約束，考慮產(chǎn)品設(shè)計的最終目的；（2）行為表征。對設(shè)計問題從實現(xiàn)功能的行為中所涉及的效應(yīng)進(jìn)行表征，效應(yīng)常常涉及產(chǎn)品設(shè)計問題求解的程序性操作過程和原理性求解方法；（3）結(jié)構(gòu)表征。對設(shè)計問題從物理結(jié)構(gòu)和組成部件角度進(jìn)行表征，利用問題求解最小化策略，在現(xiàn)有問題的約束條件下，考慮實現(xiàn)產(chǎn)品功能所應(yīng)用的結(jié)構(gòu)框架，如圖3所示。針對每一個表征角度，建立問題表征的抽象層次和語義層次表達(dá)。抽象層次表達(dá)是指對問題表征的語義信息進(jìn)行抽象化描述，語義層次表達(dá)是指對問題語義信息的描述，是設(shè)計問題在某一具體領(lǐng)域的語義表達(dá)。其中，該表征狀態(tài)以功能表征為中心，實現(xiàn)物質(zhì)、能量、信息的輸入到輸出的轉(zhuǎn)換，行為表征和結(jié)構(gòu)表征為實現(xiàn)功能的手段和具體結(jié)構(gòu)。

圖3 問題表征Fig.3 Problem Representation

通過建立多角度多層次的問題表征，將設(shè)計問題形式化表征，可以全面系統(tǒng)地理解設(shè)計輸入。在創(chuàng)新設(shè)計問題解決過程中，打破實際輸入本身的限制，引導(dǎo)設(shè)計者從不同角度及層次對設(shè)計問題進(jìn)行求解。

2.2 設(shè)計檢索

設(shè)計檢索階段是問題求解關(guān)鍵步驟，以相似特征為基礎(chǔ)，獲取潛在類比源激勵設(shè)計者形成創(chuàng)新概念，類比源的好壞直接影響創(chuàng)新概念的輸出。該過程以問題空間的表征狀態(tài)為出發(fā)點(diǎn)，從抽象層次和語義層次兩個方面進(jìn)行發(fā)散檢索，以支撐設(shè)計者獲得更多有效潛在的類比源，該過程，如圖4所示。

圖4 設(shè)計檢索過程Fig.4 Design Retrieval Process

（1）抽象層次知識檢索。依據(jù)問題空間表征狀態(tài)的抽象層次描述，基于功能基、科學(xué)效應(yīng)及結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系構(gòu)建的抽象層本體關(guān)系進(jìn)行知識檢索，從而獲得結(jié)構(gòu)、功能、效應(yīng)三種抽象集及與之對應(yīng)的知識實例。（2）語義層次知識檢索。依據(jù)設(shè)計問題表征狀態(tài)的語義層次描述，利用構(gòu)建的語義層本體對語義描述詞匯進(jìn)行擴(kuò)展，從而獲得語義集，再通過語義匹配獲得相應(yīng)的知識實例。

語義層次的發(fā)散檢索主要獲得與問題表征狀態(tài)語義相關(guān)的本領(lǐng)域知識，如解決投影儀散熱問題，通過語義層次檢索獲得的源領(lǐng)域知識主要是與投影儀相關(guān)的知識案例?；诔橄髮哟蔚陌l(fā)散檢索主要獲得與設(shè)計問題抽象層次相關(guān)的抽象類知識及與其對應(yīng)的各類知識實例，如解決散熱問題所應(yīng)用的原理及對應(yīng)的知識案例。該檢索方法具有以下優(yōu)勢：（1）從功能、行為及結(jié)構(gòu)三個角度獲取類比源，并提供了相應(yīng)的知識支撐，能有效支撐設(shè)計者從不同角度對設(shè)計問題進(jìn)行求解；（2）將抽象層次和語義層次相結(jié)合的方法進(jìn)行知識檢索，有利于設(shè)計者從不同抽象層次進(jìn)行求解和區(qū)分不同距離領(lǐng)域的設(shè)計知識，從而形成不同創(chuàng)新層次的概念解。

2.3 映射遷移

映射遷移主要是將設(shè)計檢索過程中獲得的類比源遷移至設(shè)計問題中，完成問題求解。該過程通過映射關(guān)系確定類比源和表征狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行知識遷移，將類比源進(jìn)行轉(zhuǎn)換和組合，從而生成創(chuàng)新概念。映射關(guān)系主要反映在類比源和表征狀態(tài)間功能、行為、結(jié)構(gòu)及相關(guān)領(lǐng)域概念的相同或相關(guān)。該過程主要由收斂思維進(jìn)行引導(dǎo)，將注意焦點(diǎn)放在類比源的某一個方面，并將其遷移到設(shè)計問題中，設(shè)計者依據(jù)兩者間的映射關(guān)系和設(shè)計問題的特定情境完成類比源的轉(zhuǎn)換和組合，從而生成創(chuàng)新概念。

映射遷移過程，如圖5所示。其中，類比源包括設(shè)計檢索過程中獲取的科學(xué)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的案例知識；表征狀態(tài)中F表示產(chǎn)品系統(tǒng)中某一部分已經(jīng)確定的功能、B表示實現(xiàn)該功能的行為，Be為該行為下的子行為、S表示在確定的功能、行為下的結(jié)構(gòu)，Se表示該結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)。該過程主要包括兩條路徑：（1）依據(jù)映射關(guān)系確定抽象集中功能、效應(yīng)或結(jié)構(gòu)的某一功能、科學(xué)效應(yīng)或結(jié)構(gòu)，將其遷移至目標(biāo)領(lǐng)域的設(shè)計問題，表現(xiàn)為現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或效應(yīng)能否實現(xiàn)不同的功能（圖5中1.2）、實現(xiàn)現(xiàn)有功能能否采用不同的效應(yīng)原理（圖5中1.1）、實現(xiàn)現(xiàn)有功能或效應(yīng)原理能否采用不同的結(jié)構(gòu)框架（圖5中1.3）。同時，抽象集對應(yīng)的知識實例提供功能、效應(yīng)或結(jié)構(gòu)在某一領(lǐng)域的具體表現(xiàn)或應(yīng)用，為設(shè)計知識遷移至某一具體領(lǐng)域進(jìn)行支撐。（2）依據(jù)映射關(guān)系中的領(lǐng)域概念確定相應(yīng)的語義集，基于語義相似度將匹配到的知識實例遷移至設(shè)計問題中，主要表現(xiàn)為同一領(lǐng)域的知識遷移過程（圖2中2）。

圖5 映射遷移過程Fig.5 Mapping Migration Process

同時，知識遷移過程中會不斷出現(xiàn)新的問題，主要包括：（1）原始設(shè)計問題的不斷細(xì)化，形成新的問題表征；（2）類比源激勵下新的問題表征形成；（3）當(dāng)問題求解遇到困難時，對設(shè)計問題的再表征和類比源的重新選擇。

3 應(yīng)用系統(tǒng)框架及示例

3.1 系統(tǒng)框架構(gòu)建

基于類比的創(chuàng)新問題求解是一個知識空間和問題空間不斷映射激勵設(shè)計者進(jìn)行創(chuàng)新的過程，需提供不同領(lǐng)域的知識資源，如功能基、科學(xué)效應(yīng)庫、專利知識等。因此，將基于類比的創(chuàng)新問題求解模型作為課題組開發(fā)的創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)平臺（precreap.gotoip55.com）的一個模塊進(jìn)行系統(tǒng)實現(xiàn)，如圖6所示。采用瀏覽器/服務(wù)器模式三層體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用ADO.NET實現(xiàn).NET平臺下的數(shù)據(jù)訪問。Web用戶通過瀏覽器直接請求訪問該模塊，通過可視化界面實現(xiàn)設(shè)計問題梳理，確定設(shè)計目標(biāo)；采用結(jié)構(gòu)化問題表征形式實現(xiàn)功能、行為及結(jié)構(gòu)的表征，并以此為基礎(chǔ)得到設(shè)計知

識列表，選擇相關(guān)知識進(jìn)行映射遷移，最后輸出創(chuàng)新概念。

圖6 基于類比的創(chuàng)新問題求解模型的系統(tǒng)框架Fig.6 The System Framework of Innovative Problem Solving Model Based on Analogy

3.2 示例

傳統(tǒng)波輪式洗衣機(jī)因便捷、省電、洗凈率高等優(yōu)勢被廣泛使用，洗滌時波輪連續(xù)轉(zhuǎn)動，利用摩擦作用和水流作用進(jìn)行洗滌，波輪的結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)生的水流也不同，達(dá)到的洗滌效果也就不同，但市場上主流的波輪洗衣機(jī)存在耗水量大且對衣服磨損率較高的問題，其洗滌效果也有待進(jìn)一步改善。因此，針對耗水量、衣物磨損及洗滌效果等問題對波輪洗衣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，利用基于類比思維的創(chuàng)新問題求解方法對現(xiàn)有波輪洗衣機(jī)進(jìn)行不同創(chuàng)新層次的問題求解。首先對設(shè)計問題進(jìn)行梳理，如圖7所示。

圖7 設(shè)計問題梳理Fig.7 Clarifying the Design Problem

具體步驟如下：

（1）問題表征。對市場上現(xiàn)有波輪洗衣機(jī)進(jìn)行分析，洗衣機(jī)的功能、行為及結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定。根據(jù)波輪洗衣機(jī)完成的洗滌功能，得到其功能表征的語義層次描述為“清洗污漬”，抽象層次描述為“分離物質(zhì)”；行為表征的抽象層次描述為摩擦力及沖擊波效應(yīng)，語義層次描述為摩擦作用去漬和水流沖擊去污；結(jié)構(gòu)表征的抽象層次描述為波輪，語義層次描述為某一具體結(jié)構(gòu)的波輪。

（2）設(shè)計檢索。根據(jù)上述的問題表征并基于課題組開發(fā)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)平臺的創(chuàng)新問題解決模塊從各表征角度的抽象層次和語義層次檢索相應(yīng)的設(shè)計知識，獲得知識列表。首先，根據(jù)波輪洗衣機(jī)已經(jīng)確定的功能，分別從抽象層次和語義層次進(jìn)行檢索，得到的知識列表，如圖8（a）、圖8（b）所示。并分析篩選得到科學(xué)效應(yīng)“振動”、設(shè)計案例“一種超聲波牙刷”及“搓板洗衣服的原理是什么”等設(shè)計知識進(jìn)行類比問題求解，通過不同的行為實現(xiàn)洗衣功能；其次，根據(jù)波輪洗衣機(jī)已經(jīng)確定的功能，針對行為進(jìn)行知識檢索，得到的知識列表如圖8（c）所示（基于行為表征的抽象層次檢索獲得的知識太少，暫沒貼圖），分析篩選得到專利知識“具有滾動副的葉片式氣動馬達(dá)”進(jìn)行創(chuàng)新問題求解，通過不同的波輪結(jié)構(gòu)實現(xiàn)現(xiàn)有洗衣機(jī)的功能和行為，以達(dá)到改善洗滌效果的目的；最后，根據(jù)波輪洗衣機(jī)已經(jīng)確定的功能、行為，針對結(jié)構(gòu)進(jìn)行知識檢索，得到圖8（d）所示的知識列表（基于結(jié)構(gòu)表征的抽象層次檢索獲得的相關(guān)知識太少，暫沒貼圖），分析篩選得到專利知識“洗衣機(jī)偏心波輪”，結(jié)合其它形式的洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢進(jìn)行問題求解。

圖8 設(shè)計檢索知識列表Fig.8 Design Retrieving Knowledge List

（3）映射遷移，形成創(chuàng)新概念。結(jié)合波輪洗衣機(jī)創(chuàng)新設(shè)計預(yù)期達(dá)到的目的，利用設(shè)計檢索過程中篩選出的設(shè)計知識進(jìn)行類比問題求解。首先，依據(jù)相同功能的映射關(guān)系，獲得實現(xiàn)洗滌功能的不同行為和載體結(jié)構(gòu)，如，將超聲波振動分離物質(zhì)的這一行為遷移至洗衣機(jī)，通過一種超聲波裝置向液體空間傳送超聲波，實現(xiàn)衣物的洗滌，該方法改變了傳統(tǒng)的通過摩擦作用去除污漬，能有效減少衣物的磨損，保證衣物不被纏繞。將實現(xiàn)確定功能和行為的不同載體結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新問題求解，比如，將人工衣物清洗的搓板結(jié)構(gòu)遷移到波輪洗衣機(jī)中，在波輪間設(shè)置搓板，能使其與衣物充分接觸，增強(qiáng)洗滌效果。其次，依據(jù)相同功能和行為的映射關(guān)系，獲得實現(xiàn)該功能和行為的不同載體結(jié)構(gòu)。比如，專利知識“具有滾動副的葉片式氣動馬達(dá)”中將葉片與氣缸內(nèi)壁間的滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，有效減少了兩者間的磨損，提高了效率。因此，可以考慮在波輪盤上設(shè)置滾輪，它可隨波輪公轉(zhuǎn)并自轉(zhuǎn)，形成錘打、抖動、滾壓、高頻縱向脈沖的洗滌效果，而且進(jìn)一步提高了衣物的翻轉(zhuǎn)頻率，保證衣物不易纏繞，減小對衣物的磨損。

最后，在相同的功能、行為及結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，結(jié)合其它形式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢進(jìn)行問題求解。比如，專利知識“洗衣機(jī)偏心波輪”能形成紊亂的水流和不確定的中心，能減少衣物纏繞，提高衣物洗凈度，將其遷移至常見的大波輪洗衣機(jī)中，形成一種組合式波輪，結(jié)合兩種波輪的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)以上求解步驟，利用在線創(chuàng)新問題求解系統(tǒng)輔助設(shè)計對波輪洗衣機(jī)進(jìn)行了問題求解操作，依次從功能表征、行為表征及結(jié)構(gòu)表征三個方面出發(fā)，獲取設(shè)計知識，并將其遷移至設(shè)計問題中，共獲得26個創(chuàng)新概念，如表1所示。

在實際的創(chuàng)新問題求解過程中，設(shè)計者可以從問題求解的不同角度出發(fā)，從而獲得產(chǎn)品功能、工作原理及載體結(jié)構(gòu)三個方面的類比源激勵。最終，在考慮新穎性、可行性等約束條件，共選取了4個創(chuàng)新概念作為方案輸出。同目前的波輪洗衣機(jī)相比，新設(shè)計的超聲波洗衣機(jī)利用超聲波振動效應(yīng)作為一個不同的工作原理，而非傳統(tǒng)的利用摩擦作用去除衣物污漬，能有效減少衣物纏繞和磨損。從結(jié)構(gòu)角度來看，搓衣板式洗衣機(jī)、滾動摩擦式波輪及組合式波輪通過改變波輪的結(jié)構(gòu)，從而解決現(xiàn)有波輪洗衣機(jī)存在的問題。

4 結(jié)束語

提出從功能、行為及結(jié)構(gòu)的抽象層次和語義層次描述相似特征，并以此為基礎(chǔ)，從類比思維的認(rèn)知過程出發(fā)，提出一種基于類比思維的創(chuàng)新問題求解模型，實現(xiàn)問題空間和知識空間不斷映射求解形成創(chuàng)新概念，該過程主要包括問題表征、設(shè)計檢索及映射遷移三個求解步驟。該模型引導(dǎo)設(shè)計者從多角度多層次對設(shè)計問題進(jìn)行表征，并基于問題表征狀態(tài)的某些特征相似，獲取不同角度及層次的類比源，有利于設(shè)計者擴(kuò)大有效知識空間，實現(xiàn)不同層次的創(chuàng)新問題求解，以激勵設(shè)計者更好的形成創(chuàng)新概念。最后，在波輪洗衣機(jī)的設(shè)計示例中驗證了該模型的應(yīng)用過程。