计算机辅助创新技术CAI在产品设计过程中的应用研究

计算机辅助创新技术（CAI）在产品设计过程中的应用研究

摘要：详细介绍了产品的设计过程，概念设计在产品设计中的地位和特点，重点介绍了辅助创新（CAI）技术在概念设计中的应用范围，提出概念设计中的产品创新归结为功能、原理、布局、形状以及结构等五个方面的创新。

关键词：产品设计过程、概念设计、计算机辅助创新、发明问题解决理论

0 前言

面对二十一世纪

&aid=4368&sid=&click=1&url=http%3A

S. Altshuller在1946年创立的，TRIZ就是“发明问题解决理论”的俄语缩写。当初Altshuller在处理世界各国专利过程中，发现任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样，都是有规律可循的。掌握了这些规律，就能能动地进行产品设计并能预测产品的未来发展趋势。于是在他的领导下，前苏联的数十家研究机构、大学、企业组成了TRIZ的研究团体，分析了世界近250万份高水平的发明专利，总结

出各种技术发展进化遵循的规律模式，以及解决各种工程矛盾的创新原理和法则，逐渐形成了当前著名的TRIZ创新理论体系。

TRIZ（萃智）理论的核心思想在于它采用科学的问题求解方法，首先将特殊的问题归结为TRIZ的一般性问题，然后应用TRIZ（萃智）理论寻求标准解法，在此基础上演绎形成初始问题的具体解法（见图1）。这其中包括一套科学系统的问题模型构建与分析方法，对问题和矛盾的定义，解决各种矛盾的创新法则，以及各种标准解法和算法等等，这都保证了它是一种科学，可操作的创新方法，为计算机环境下的创新提供了重要的理论与方法基础。

图3 TRIZ解决问题的模式

计算机辅助创新技术（CAI）作为工程领域又一个重要的计算机辅助技术而出现，和其它CAX技术一样，它得益于相关的先进创新理论、方法的发展及其和计算机技术的不断融合。传统的创新方法更多的是依赖心理因素，具有很大的随机性和偶然性，创新效果也很难保证。而TRIZ（萃智）理论的出现则彻底改变了这种情况，它是一种在前人创新成果与创新方法基础上的提升和集成，成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，它着力澄清和强调系统中存在的矛盾，而不是逃避矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解，而不是采取折衷或者妥协的做法，而且它是基于技术的发展演化规律研究整个设计与开发过程，而不再是随机的行为。即：TRIZ（萃智）理论的发展催生了计算机辅助创新。

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，为自主创新、掌握关键技术知识产权的企业带来了方法与工具地支持。其中，计算机辅助创新软件Pro/Innovator是CAI技术的一个代表产品。

借助该工具，技术人员可以有效地对问题进行分析，借鉴不同领域的知识，从而高质、高效地构建解决方案。

CAI在概念设计中的应用

4.2.1 面向产品创新的概念设计

在产品设计的全生命周期都需要创新，如概念设计阶段、工艺阶段、制造维护阶段等，但是它们创新的层次和特点是不同的，对整个产品的影响力也是不同的。其中，概念设计是产品设计的先导，又是产品构型设计的前提，自由概念设计搞好了，产品设计才有可能达到高水平。如果仅仅依靠人的灵感进行概念设计，将会制约它的进展，现在我们在概念设计中可以采用计算机辅助创新（CAI）工具进行产品的创新，使传统的产品概念设计转变为面向创新的概念设计。

4.2.2 CAI在概念设计中的应用

从创新角度看，概念设计过程本质上就是一个产品创新的过程。概念设计中的产品创新归结为功能、原理、布局、形状以及结构等五个方面的创新，也就是计算机辅助创新（CAI）工具在概念设计中的主要应用方面。

（1）功能创新

功能创新主要依赖于市场需求的分析结果。在传统的设计过程中，主要靠人工来完成。随着信息技术的进一步发展，特别是数据库、信息管理、人工智能等技术的深入应用，最终必将使计算机在辅助产品功能创新中发挥其巨大的作用。

（2）原理创新

原理创新一般是从产品的功能要求出发，通过技术分析，寻求产品创新的过程。这种方法主要是把复杂的设计要求通过功能关系的分析抽象为简单的模式，以便寻求能满足设计对象主要功能关系的原理方案。传统上，常用简图或示意图来表示所构思的内容。而计算机辅助的原理创新工具则有形态学、协同学的求解工具

以及基于原型、事例等的联想类比求解工具等。这些工具的实现很大程度上依赖于网络化设计、协同化设计以及智能设计等领域的进展程度。

（3）布局创新

布局创新主要是指对整个产品按功能进行分解或组合，从而划分为若干个组件单元，然后通过产品布局的空间排列、配置方式和尺度变化等三要素的变化来实现产品创新的过程。由于布局三要素可用数学表达方法进行形式化描述，因而完全可以通过在内部建立的数学模型的支持下实现计算机辅助的产品布局创新工具。

（4）形状创新

形状创新主要是指对经过原理方案实体化后的初始产品形状，在遵循基本的形状法则的基础上，通过形状变换操作而实现产品创新的过程。其中变换操作包括了变异、置换、替代、组合等等，对象则包括产品整体、部件或部件组合。形状创新的操作机制与传统特征模型中的特征操作以及变量模型中的变量操作存在着一定的相似性。

（5）结构创新

概念设计过程的结构创新主要是指概念设计后期对方案进行初步结构化过程中的产品创新过程。这一过程从产品结构的角度出发，对构成产品的各个部件进行初步结构化，以达到与后续设计的衔接，同时体现在结构上的创新性。因为在详细设计中的结构设计过程，由于受到各种约束，产品结构上的创新已难以体现。

其中，以功能创新和原理创新为主的产品设计往往是创造性设计，而以布局创新、形状创新和结构创新为主的产品设计主要是变型性设计。它们虽存在一定的相互独立性，但在实际的概念设计过程中往往相互影响，相互制约。

5 结论

总之，概念设计是产品设计中最重要的一环，也是提高产品质量、降低成本和提高企业竞争力的主要手段。计算机辅助创新工具（CAI）提供了先进的方法和理