第１６卷第１１期计算机集成制造系统
Ｖｏｌ．１６Ｎｏ．１１
２　０　１　
０年１１月Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　
Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｎｏｖ．２　０　１　
０文章编号：１００６－５９１１（２０１０）１１－２３２１－０６
收稿日期：２０１０－０６－１２；修订日期：２０１０－０７－１７。Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　１２Ｊｕｎｅ　２０１０；ａｃｃｅｐｔｅｄ　１７Ｊｕｌｙ　
２０１０．集成ＴＲＩＺ的计算机辅助公理化设计系统
胡旭洁，刘继红
（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京　１００１９１
）
摘　要：为融合先进技术，快速有效地进行创新设计，将计算机辅助创新与公理设计及发明问题解决理论集成，提出集成发明问题解决理论方法的计算机辅助公理化设计系统模型。扩展了发明问题解决理论方法与公理设计的集成点，
旨在使设计过程更加简洁有效、设计结果更具创新性；提出了基于信息公理的模糊方案评价方法，应用模糊理论量化定性的评价指标，推进了公理设计在方案评价中的应用，为产品设计提供科学的决策依据；开发了基于集成模型的原型系统，并以停车档机构的改进设计为例，验证了系统的有效性与实用性。
关键词：公理设计；发明问题解决理论；设计解耦；模糊方案评价；计算机辅助创新；产品开发中图分类号：ＴＰ３９１．７２  　文献标志码：Ａ
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ　ａｘｉｏｍａｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ　
ＴＲＩＺＨＵ　Ｘｕ－ｊｉｅ，ＬＩＵ　Ｊｉ－ｈｏｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　
１００１９１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｐｅｒｆｏｒｍ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒａｐｉｄｌｙ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ　ｔｏ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄｅｓｉｇｎｐ
ｒｏｃｅｓｓ　ｗｉｔｈ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｔｈｅ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ（ＣＡＩ）ｗａｓ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　Ａｘｉｏｍａｔｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ（ＡＤ）ａｎｄ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｖｅｎｔｉｖｅ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　Ｓｏｌｖｉｎｇ（ＴＲＩＺ），ａｎｄ　ａ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ　ａｘｉｏｍａｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎ－ｔｅｇｒａｔｉｎｇ　ＴＲＩＺ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ＴＲＩＺ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｉｎ　ＡＤ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｗａｓ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｐｌｉｆｙ　ｄｅ－ｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｏｂｔａｉｎ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ．Ａ　ｆｕｚｚｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｘｉｏｍ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＡＤ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｗａｓ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｔｏ　ｑｕａｎｔｉｆｙ　
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｉｎｄｉｃｅｓ，ｐｒｏｍｏｔｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＡＤ　ｉｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅｃａｓｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｐａｒｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅｓｙ
ｓｔｅｍ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｘｉｏｍａｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ；ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｉｎｖｅｎｔｉｖｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｓｏｌｖｉｎｇ；ｄｅｓｉｇｎ　ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｆｕｚｚｙ　ｓｃｈｅｍｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｃｏｍ－ｐｕｔｅｒ　ａｉｄｅｄ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ；ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄｅｖｅｌｏｐ
ｍｅｎｔ０　引言
产品开发面临的市场和技术环境日益复杂，因而对产品创新设计提出了更高要求。设计理论为设计活动提供理论依据与指导，在产品开发中起着重要作用。公理设计（Ａｘｉｏｍａｔｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ，ＡＤ）与创新问题解决理论（Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｖｅｎｔｉｖｅ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　Ｓｏｌ－ｖｉｎｇ
，ＴＲＩＺ）是设计领域具有代表性的理论与方法。ＡＤ［１］
是Ｓｕｈ　
Ｎ．Ｐ．教授提出的一种设计决策方法，它为设计活动提供了科学的理论框架以及两条设计公理———独立公理（ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ａｘｉｏｍ）和信息公理（ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｘｉｏｍ），旨在使设计过程更加具有创新的同时减少搜索解过程的随意性，并在可行方案中确定最佳设计。ＡＤ得到了学术界和工业界的广泛关注，但其研究与应用还存在以下问题：
（１）如何获得设计方案　ＡＤ为设计过程提供
系统的功能层次分解框架及设计评判准则［
２］
，但不能为设计方案的生成提供支持工具。
计算机集成制造系统第１６卷
（２）如何进行方案评价　信息量是应用信息公理进行方案评价的唯一准则，但信息量只能计算定量的评价指标，而方案评价存在大量难以处理的定性描述，限制了ＡＤ对设计决策的支持。
关于问题（１），由于ＡＤ的优点在于多变量多层次复杂系统的功能层次分解，而ＴＲＩＺ可以为设计过程提供强大的知识和工具库，来解决技术问题并产生创新的设计方案。因此，很多学者致力于将这两种理论集成起来，使其优势互补，更好地指导设计活动。Ｎｏｒｄｌｕｎｄ［３］提出了关于ＡＤ与ＴＲＩＺ集成的假设，认为ＴＲＩＺ提供了一个综合的工具，可以补充独立公理提供的分析规则；Ｋｉｍ［４］等从ＡＤ的观点出发，研究了ＴＲＩＺ的理想解、矛盾及物场模型等概念；Ｓｈｉｒｗａｉｅｒ［５］等回顾了ＴＲＩＺ与ＡＤ的应用实例，并提出了两者的互补应用。国内在ＡＤ与ＴＲＩＺ之间的融合与补充方面也有大量研究，但总体来说，大多数研究还不够深入，仅在设计矩阵反映出设计耦合时，应用ＴＲＩＺ来消除矛盾，达到设计解耦的目的，而且基于ＡＤ与ＴＲＩＺ集成的计算机辅助创新（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ，ＣＡＩ）软件非常缺乏，更加限制了设计理论的应用。
关于问题（２），目前设计方案的评价方法主要有层次分析法和模糊综合评价法，但实际应用较少，对基于信息公理的设计方案评价方法的研究也比较零散。方案决策仍然主要依赖设计者的知识水平和经验，达不到科学的评价效果，不能支持计算机辅助决策。
因此，本文提出集成ＴＲＩＺ方法的计算机辅助公理化设计系统模型，扩展了ＴＲＩＺ与ＡＤ的集成点，建立了基于信息公理的模糊方案评价模型，开发了原型系统，并通过实例验证了其有效性。
１　集成ＴＲＩＺ方法的公理化设计过程
１．１　集成点的扩展
１．１．１　应用ＴＲＩＺ调整设计参数
ＴＲＩＺ［６］是由前苏联学者Ａ１ｔｓｈｕｌｌｅｒ及其领导的一批研究人员，在分析世界各国专利的基础上提出的一种创新问题解决理论，由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、工具和算法组成，主要包括理想解、进化理论、矛盾、物—场分析、效应、发明问题解决算法（Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　Ｉｎｖｅｎｔｉｖｅ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　Ｓｏｌ－ｖｉｎｇ，ＡＲＩＺ）等。
ＡＤ对功能需求（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ＦＲｓ）的确定有以下要求：ＦＲｓ的独立性、完全性及数目的最小化。耦合问题被认为仅仅是由于设计参数（Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ＤＰｓ）的选择而引起的耦合。当出现耦合的设计方案时，可以应用ＴＲＩＺ方法和工具来发现和消除矛盾，调整ＤＰｓ以满足独立公理，获得创新的设计方案。目前，大多数有关二者集成的研究都关注到这一集成点，然而在某些设计中，设计者很难直接定义完全独立的ＦＲｓ，因此本文提出在ＡＤ框架下融合ＴＲＩＺ方法的第二个集成点。１．１．２　应用ＴＲＩＺ表述功能需求
在设计活动中，某些ＦＲｓ本身就可以定义为ＴＲＩＺ问题，因此可以用ＴＲＩＺ问题来表示ＦＲｓ，直接应用ＴＲＩＺ方法与工具来产生设计方案，不需要预先确定ＤＰｓ与设计方程。通过下面的实例［１］可以更清晰地认识以上论述。
（１）设计问题描述　美国一家制造商寻求减少原料成本的方法，要求在减少２０％用量的同时，保证结构的物理强度。
（２）功能需求确定　ＦＲ
１
为减少２０％的原料用量；ＦＲ２为零件的强度要等同于或超过原始材料用量的强度。
根据以上功能要求，设计者很难明确它们之间的关系，也很难确定相应的ＤＰｓ，这时ＴＲＩＺ的应用将非常有效。利用ＴＲＩＺ的矛盾矩阵，得知“物质数量”与“强度”是一对标准矛盾，根据矛盾矩阵推荐的发明原理（参数变化、曲面化、预操作）分析应用实例，可得新的ＤＰｓ，如把材料制造为微孔的结构。
因此，ＴＲＩＺ与ＡＤ至少存在两个集成点，第二个集成点的提出是对ＡＤ与ＴＲＩＺ集成研究的扩展和深化。集成点的扩展使两种理论进一步优势互补，使设计过程更加简洁有效。
１．２　设计系统过程模型
基于上述分析，本文提出集成ＴＲＩＺ方法的计算机辅助公理化设计系统模型，其流程如图１所示。Ａ
Ｄ为设计者提供了一个层次分解的设计框架，该模型适用于每一层次的设计活动，主要步骤如下：步骤１　问题定义（确定ＦＲｓ）。
步骤２　判断ＦＲｓ是否可用ＴＲＩＺ表述。若能，则利用ＴＲＩＺ方法直接得到相应的ＤＰｓ；若不能，则用其他方法进行参数设计。
步骤３　根据设计方程判断设计是否为耦合设计。当设计符合独立公理时，转步骤６；否则，转步骤４。
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第１１期胡旭洁等：集成ＴＲＩＺ的计算机辅助公理化设计系统
步骤４　利用ＴＲＩＺ方法与工具进行设计解耦。若耦合可以表述为ＴＲＩＺ问题，则可以利用ＴＲＩＺ来调整ＤＰｓ；若不能，则用其他方法寻求新的设计参数。
步骤５　再判断设计是否耦合。若成功解耦，则进入步骤６；若无法得到解耦的设计方案，则需重新定义ＦＲｓ
。步骤６　功能分解的一致性判断。若该层次设计不是设计的最高层，
则完成分解后要进行整体设计矩阵的一致性判断。若不一致，则重新确定本层次ＦＲｓ
；若一致，则进入步骤７。步骤７　分析是否还存在其他符合独立公理的设计方案。若存在，则利用信息公理选择最佳方案；若不存在，则进入步骤８。
步骤８　判断设计是否还需要下一步分解。若需要，则确定下一层次功能需求；若完整的设计方案已经形成，则结束
。
２　基于信息公理的模糊设计方案评价
设计方案评价在设计决策中起重要作用。ＡＤ信息公理把信息量作为统一的衡量尺度，表达了对
设计方案的满意程度，有效解决了不同属性评价指标的综合评价问题，降低了人为赋予评价指标权重
的主观性，可以简洁地表达方案的优劣［
７］
。但方案评价中涉及很多定性的评价指标，很难精确计算其信息量，限制了信息公理的指导作用。将模糊理论应用到信息公理中可以得到定量的评价系数，为计算机辅助方案决策提供理论依据。２．１　信息公理
ＡＤ指出，
在符合独立公理的设计方案中，信息量最小的设计方案最优。在信息公理中，若用ｙ０表示功能要求的指标值，ｙ表示设计方案的指标值，则与成功概率ｐ有关的信息量
Ｉ＝ｌｏｇ２
１ｐ
＝ｌｏｇ２
ｅ｜ｙ－ｙ０｜。（１）满足功能要求的概率精确值在很多较为复杂的
问题中很难计算。对于连续性概率密度函数，一般利用设计范围和系统范围的关系来计算信息量的大小。因此，信息量也可表示为
Ｉ＝ｌｏｇ２
系统范围
（）
公共范围
，（２
）其中公共范围为系统范围与设计范围的重叠部分，如图２所示
。
２．２　模糊信息公理评价方法
信息公理只能处理定量的评价指标，对于一些定性的评价指标，评价的表达和衡量是采用某些等级概念，如好、较好、一般、差，因此引入模糊数学理论来处理这些定性的评价指标。首先确定评价指标及每个指标的隶属函数，然后根据隶属函数的形式与该指标的评定等级，系统地把对评价指标的一般语言描述转换为模糊数字。一般而言，工程设计评价指标可以分为效益型、
成本型、目标型和区间型。对效益型和成本型指标可采用半梯形隶属函数，对区间型的指标可采用梯形隶属函数，对目标型指标可采用三角形隶属函数。
在基于信息公理的模糊方案评价方法中，将设
３
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计算机集成制造系统第１６卷
计范围的隶属函数曲线所围成的面积与系统范围的
隶属函数曲线所围成的面积分别定义为模糊设计范正则化工具箱
围和模糊系统范围，二者相交的部分定义为模糊公
共范围［８］。以目标型指标为例，其设计范围和系统
范围隶属函数曲线如图２所示。
信息量的计算公式可以写成式（３），根据评价等
级及相应的隶属函数曲线，可计算出评价指标的信
息量。同理，根据隶属函数曲线，其他几类评价指标
的信息量可以用同样的公式来计算。模糊信息公理
方案评价过程模型如图３所示。
Ｉ＝ｌｏｇ２
模糊系统范围
（）
模糊公共范围
。（３
）
３　原型系统及实例研究
本文基于所提集成模型开发了原型系统。该系
统以ＡＤ为框架对设计活动提供过程管理，以ＴＲＩＺ
方法引导对设计问题的重新思考，指出创新可能的
方向，提供创新所需的原理及方法，可以解决实际设
计问题；针对ＴＲＩＺ标准参数、发明原理等开发了知
识库，配以实例说明，帮助设计者理解与应用。图４
所示为系统的主要功能模块及结构。本文以文献
［１］中某公司自动变速器中停车档的改进设计为例，
验证集成模型的有效性和实用性。
３．１　现有设计方案分析
在设计汽车中的自动变速器时要设计停车档，
停车档是为了防止汽车在无人驾驶的情况下自己行
走的变速器锁止系统。图５所示为现有停车机构的
停车状态，棘爪由换档连杆带入棘轮中锁住，棘轮装
在变速器上，当换档连杆转到停车状态时，由它带动
止动弹簧和带凹槽的卡板，然后带动液压系统等带
动棘爪插入到锁住位置，换档连杆压紧了装在卡板
上的弹簧Ａ，由此卡板也承担着由棘爪传来的负荷。
换档过程中，弹簧力大于棘爪插入棘轮的阻力，推动
棘爪到卡住状态，并将棘轮锁在静止状态，从而使汽
车处于停车状态
。
但在实际使用过程中，用户经常抱怨当他们把
汽车停在山坡时，很难将变速器从停车模式转到其
他模式，而且还会产生过大的振动和噪音。分析目
前产品的概念设计方案，第一层次的ＦＲｓ及相应的
ＤＰｓ如下：
ＦＲ１为棘爪插入到锁住位置；
ＦＲ２为棘爪从锁位脱开；
ＦＲ３为防止意外地锁住；
ＦＲ４为保持棘爪的锁位状态；
ＦＲ５为承担汽车所传递的载荷。
ＤＰ１为卡板截面的斜坡；
ＤＰ２为张紧弹簧；
ＤＰ３为棘轮和棘爪的齿形／弹簧Ａ／连杆／张紧
弹簧；
ＤＰ４为卡板的平面；
ＤＰ５为卡板平面／棘爪平面。
４
２
３
２
第１１期胡旭洁等：集成ＴＲＩＺ的计算机辅助公理化设计系统
确定设计方案后，进入耦合问题识别模块。根据设计参数对功能需求的影响情况，得到设计矩阵，由设计矩阵的形式可以判断该设计方案为耦合设计，应该重新选择设计参数，如图６所示
。
３．２　新设计方案生成
耦合的原因是设计中的卡板不但要实现插入（ＦＲ１）和保持锁住状态（ＦＲ２）
的功能，还要与棘爪一起承担变速箱所传递的汽车载荷（ＦＲ５），由此引起ＦＲ１，ＦＲ４和ＦＲ５之间的干涉。即当汽车停在山坡
上时，整个汽车的重量会在棘轮上施加一个力矩，并通过棘轮齿和棘爪传到卡板，由此卡板上所受的正压力和摩擦力也随之增加，从而使卡板不易从停车状态脱开。进入耦合分析模块，
在此设计方案中存在一对矛盾问题：改善的参数是“力”（棘爪与棘轮之间的结合力）
，恶化的参数是“物体产生的有害因素”，如摩擦、振动等。由此判断该问题为ＴＲＩＺ的一对技术矛盾问题，得到ＴＲＩＺ理论推荐的４条发明原理：逆向思维、局部质量、相变及中介物，如图７所示。
（１
）根据局部质量原理，新设计的棘轮齿形与原有的设计不同，其带有斜度的齿外沿防止棘爪的意外插入，而棘齿的平面部分传递汽车的载荷；棘爪的头部也做成斜面，以防它在汽车运行时意外插入。（２
）根据中介物原理，使棘爪销子的位置移到与棘爪平面相同高度处，
这时汽车作用在棘爪上的载荷与其销子的中心共线，因此该载荷完全是由中介物销子而不是卡板承担。当汽车停在一定的坡度上时，不会影响棘爪和卡板的受力情况。如图８所示，
ＦＲ是棘爪和棘轮之间的作用力，ＦＣ是棘爪与卡板
之间的作用力，ＦＳ为弹簧力，ＦＰ为销子作用在棘爪上的力。新生成的设计方案如下
：
ＤＰ１为卡板的斜面；
ＤＰ２为张紧弹簧；
ＤＰ３为棘轮的齿形与棘爪的斜面／弹簧Ａ／连杆；
ＤＰ４为卡板的平面；
ＤＰ５为棘爪
／棘轮的平面和销子
。通过方案生成模块和耦合识别模块，可以判定该设计方案满足独立公理，从而得到解耦的设计方案。
３．３　设计方案评价
进入方案评价阶段，方案评价界面如图９所示。首先，根据用户需求、自动变速器中的停车档机构的工作特点及应用场合等，选择如下评价指标：结构复杂性、减振降噪性、可靠性、加工精度、加工成本、使用寿命。其中，可靠性、使用寿命、减振降噪性为效益型指标，
结构复杂性、加工成本为成本型指标，加工精度为区间型指标。根据各指标类型的不同，将定量指标标准化，将定性指标分为好、较好、一般、较差、差五个评价等级。然后，确定各评价指标的设计范围和系统范围，根据各评价指标达到评语等级和隶属函数，分别计算各指标的信息量，具体数据如表１所示。
５
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