基于谓词逻辑的科学效应知识库系统开发(2)

2.1.3 基于效应的功能原理设计

机械产品内涵的广泛性必然导致其概念设计过程的复杂性的提高。创新设计的完成主要集中在产品的概念设计阶段，体现为有竞争能力的功能原理方案。

从市场的需求到确定需求功能是一个系统化的分析过程，是完成方案创新创的重要的前期准备工作。由功能定义到方案的确定的过程中，科学效应可以辅助设计人员产生创新概念联想，并逐步确定创新方案。在该过程中涉及功能的定义与分解以及效应的相关组合等过程，如图2.1所示。由于科学效应的数量极其庞大，通常该过程需要基于谓词逻辑的软件知识库的支持，以便于提高创新设计效率。

功能效应1效应2效应3

图2.1 功能效应的组合关系

2.1.4 应用效应解决问题的步骤

科学效应和现象的应用遵循以下几个步骤

第一步：首先根据要解决的问题，分析该问题，确定解决此问题的输入量和输出量；

第二部：根据所确定的输入输出量参照附表II和III，将输入量输出量标准化。 第三步：根据标准化后的参数运行所编制的专家系统查询。

第四步：分析优选出来的每个效应，针对问题具体求解，最终得出创新型的解决方案。

2.2 建立效应知识库

2.2.1 效应知识库

效应(Effects):指应用本领域特别是其它领域的有关定律解决设计中的问题，它是通过对专利的分析，找出在专利中产品所实现的技术功能和用于实现产品功能的原理之间的相关性的基础上形成的效应知识库【4】。在许多设计过程中，设计者的知识并不足以发现所需要的功能，因为设计参考手册并不是按照工程需要的特点设计的，所以它也不能快速地提供所需要的信息，正是由于上述原因，使用功能及其相应的物理效应、化学效应和几何效应、定律和现象便可以消除科学和工程学之间的缝隙，从而快速的传递工程师们所需要的参考信息。

效应知识库是TRIZ中最容易使用的一种工具，在对其进行研究的早期阶段，Altshuller就己验证:对于一个给定的难题，运用各种物理、化学和几何效应可以使解决方案更理想和简单地实现，而要实现这一点必须开发出一个大型的知识库。要使用效应知识库，必须先选定一项系统要实现的适当的功能，然后知识库会提供一些可选择方案来转换功能，最后设计人员根据实际的环境来筛选所提供的效应知识。

我们知道，每个效应都有自己对应着的一个输入组和输出组，因此不妨将其模型构建成图2.2所示的这样。

输入效应输出

图2.2 效应示意图

2.2.2 效应的分类

我们知道，效应知识库的功能非常广大，要真正发挥效应知识库的作用，必须收集和总结大量的物理、化学和几何效应，但效应知识库中所包含的效应并非越多越好，如果不加选择地就将大量的效应添加到知识库中只能产生干扰信息，而不能提高效应

知识库的可利用性。应当将效应在产品创新过程中的可利用性作为是否将效应添加到效应知识库的判断依据。

例如将效应“液态氦的超流动性”添加到效应知识库中是没有什么意义的，原因如下:

①实现该效应所需装置非常复杂； ②在工程中使用这条效应的情况非常少；

③在某些特殊情况下，工程人员通常能够想到这条效应。

因此，将这条效应添加到效应知识库中只会使查询时间变的更长，查询的结果变得更冗繁，而没有任何最终利用价值。到目前为止，在自然科学中现已知的效应超过10000条，其中大约有1400多条效应可以被有效地使用，因此只需将这些利用价值高的效应按照一定的功能原理分类来加以利用，便可以达到事半功倍的效果，才能更好的辅助设计人员创新。 2.2.3 效应库模型的构建

要想让效应库更好的服务于创新设计人员，我们就必须研究效应与功能之间的关系，建立用于实现功能的效应链模型。通过功能与效应之间、效应与实例之间的映射关系，完成需求功能到实现产品功能的原理、到实现原理的结构的转换。为了方便查阅，我们建立了Effect（Input，Output）—Function—Example 的“EFE”概念设计过程模型。EFE模型综合了发明问题解决理论(TRIZ)中的效应理论以及人工智能中基于类比的谓词逻辑推理和基于实例的推理，利用该模型可以非常容易、快速地确定满足需求功能的原理解。该模型整体框架如图2.3所示。

功能输入量效应输出量输入量效应输出量实例实例实例实例 图2.2 EFE模型整体框架

其中上图所示的各个具体名词解释如下： 功能:表示所能够实现的设计功能。 效应:表示所使用的效应。 输入:表示该效应的输入变量。 输出:表示该效应的输出变量。 实例：实例名称。

要将EFE模型用于概念设计，必须开发出一个大型的效应知识库。对效应实例进行分析和研究，确定每一个效应实例实现的功能、应用的原理、所需的资源、输入参数、输出参数等。按功能对效应进行分类，建立基于EFE模型的分层结构效应知识库。按照这种思路建立的效应知识库既可以实现快速查询又可以实现功能的改进，是应用效应解决问题的一种有效途径。由EFE模型可知，效应可以以多种方式结合起来，组成关联效应链和控制效应链，实现所需求的功能，产生创新设计方案。因此，为了能够产生新的概念，解决用户需要解决的问题，在效应知识库中既要有现存的效应和实例还要能实现效应之间的连接，建立关联效应链和控制效应链。例如珀尔帖效应【5】，当电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。这就是珀尔帖效应。由珀尔帖效应产生的热流量称作珀尔帖热。对珀尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。珀尔帖效应所实现的功能是利用不同金属的特性来产生或吸收热量。为了说明如何将效应应用到实际问题中，在效应知识库中还应该添加一些具体的应用实例，例如半导体致冷器，以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料，从而出现了实用的半导体电子致冷元件—热电致冷器（Thermoelectric cooling，简称TEC）。按照这种思路建立的效应知识库既可以实现快速查询又可以实现具体功能的改进，是应用效应解决问题的一种很有效的途径。使用者只需确定要实现的功能所需要的输入输出量，按标准输入输出量进行查询，效应知识库数据库会提供相关的效应和实例，以及可能使用到的资源，这样使用起来非常高效、方便。 2.2.4 创新设计方案的产生

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