新产品开发的关键技术--计算机辅助创新管理

新产品开发的关键技术--计算机辅助创新管理面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑战，世界各国普遍重视提高新产品开发的设计水平，以不断提高产品的竞争力。随着工业生产的发展，设备和产品的功能与结构日趋复杂，产品更新换代也越来越快，新产品开发在整个产品生命周期内占有越来越重要的位置。概念设计是新产品开发过程中的最能体现人类创造性的阶段，同时也是产品设计的关键环节。概念设计是详细设计的前提，即使详细设计再好，也难以弥补概念设计阶段所出现的缺陷。同时在概念设计期间，所涉及的设计需求和约束的种种知识，往往是不精确的、近似的或未知的，造成概念设计过程的复杂和困难，因而不仅需要设计者具有相当的工程经验、创造与直觉的能力，而且需要设计者有对问题的综合分析能力、多领域的专家知识。虽然，现有的许多CAD软件在产品的分析、计算、绘图以及制造方面发挥了很大的作用，但是新产品开发更多更重要的是非数据计算的、通过思考、推理和判断来解决的创新活动。只有创新活动才能真正从根本原理上进行产品革新，才能为社会提供种类更多、功能更丰富、价格更经济、性能更有效的新产品，才能在产品的性能、质量、价格等方面产生质的飞跃。可以说现代设计的核心就是创新设计,它需要新产品开发人员根据以往的设计经验、根据新兴技术所提供的新原理、新方法进行产品的分析、设计。概念设计是新产品开发中一个创造性很强的工作，其思维过程是形象思维和抽象思维综合作用的结果，仅仅靠人脑进行概念设计，很难得到高水平的创新成果。当前新产品开发的趋势是：以光机电液磁一体化为特征的高新技术大量渗入到新产品中，产品日趋小型化、多功能化、智能化；产品易于制造、生命周期短、成本低。因而在新产品开发过程中需要有较为成熟的创新理论支撑，用优秀的计算机创新软件来指导,并要有多科学领域的广博知识做支撑。1、计算机辅助创新的理论基础--TRIZ计算机辅助创新（ComputerAidedInnovation）是新产品开发中的一项关键基础技术，它是以近年来在欧美国家迅速发展的发明创造方法学(TRIZ)研究为基础，结合现代设计方法学、计算机技术、多领域科学知识，综合而成的创新技术。TRIZ的含义是发明问题的解决理论，其拼写是由发明问题的解决理论俄语单词首字母组成，在欧美国家也可缩写为TIPS（TheoryofInventiveProblemSolving）。1946年，TRIZ之父GenrichAltshuller开始了发明创造解决理论的研究工作。当时Altshuller在前苏联里海海军的专利局工作，在处理世界各国著名的发明专利过程中，他总是考虑这样一个问题：当人们进行发明创造、解决技术难题时，是否有可遵循的科学方法和法则，从而能迅速地实现新的发明创造或解决技术难题呢？答案是肯定的！Altshuller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，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡的过程，是有规律可循的。人们如果掌握了这些规律，就能能动地进行产品设计并能预测产品的未来发展趋势。以后数十年中，Altshuller穷其毕生的精力致力于TRIZ理论的研究和完善。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250万件高水平的发明专利，并综合多学科领域的原理和法则后，建立起TRIZ理论体系。运用这一理论，可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。TRIZ是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系。TRIZ的基本原理是：企业和科学技术领域中的问题和解决方案是重复出现的；企业和科学技术领域的发展变化也是重复出现的；高水平的创新活动经常是应用专业领域以外的科学知识。因此技术系统的进化遵循客观的法则群，人们可以应用这些进化法则预测产品的未来发展趋势，把握新产品开发方向。在解决技术问题时，如果不明确应该使用哪些科学原理法则，则很难找到问题的解决对策。TRIZ就是提供解决问题的科学原理并指明解决问题的探索方向的有效工具。TRIZ的理论研究一直没有停止，其理论方法也在不断发展，并形成了庞大的理论体系。受文章篇幅的限制，本文在此只简单介绍一下技术系统进化法则。技术系统进化法则是TRIZ理论的基础，是G..Altshuller和他的助手在研究了上百万的发明专利后得到的。研究结果认为技术系统和生物系统相似，所有的产品，所有的工艺过程，所有的技术系统都是在按照一定规律发展变化的。例如，向更高水平系统进化法则是指系统由单系统向多系统的进化规律。如图1所示：更高水平的系统可以由多个相同或相近的执行同一基本功能的系统组成。它可以增强系统的功能，有时甚至获得意想不到的功能特性。图1表示了系统进化的方向，当多系统仅由功能完全相同的物体组成时，只是使系统的功能更加强大，不会引起功能的变化；当多系统由功能不同的物体组成时，往往使系统同时具有很多功能特性。例如，让缝纫机同时具有剪裁和缝合的功能，带橡皮的铅笔等等。依据这个进化原则，系统首先由多个同一性质的系统组成，增强系统的单一功能，然后多个功能不同的系统结合在一起实现多个功能，最终希望由一个系统执行多个功能。例如：在矿井事故救援中，救援人员的防护服早期设计由两套系统组成，一套是冷却系统，一套是供氧装置。此后的设计是将两套系统合二为一，将冷却系统中的水换成液态氧，液体汽化有制冷作用，液氧汽化后，就可供救援人员呼吸。新的设计大大减少救援装备的体积，质量，同时也有效地利用系统内的资源并降低了系统成本。TRIZ在前苏联解体以前曾有过神奇的传说。美国、德国等西方国家惊异于前苏联在军事、工业等方面的创造能力。于是，围绕着被称为点金术的TRIZ展开了惊心动魄的间谍战。但强大的克格勃使欧美国家只能望术兴叹。苏联解体后，大批TRIZ研究者移居美国等西方国家，TRIZ的研究与实践得以迅速普及和发展。在俄罗斯、瑞典、日本、以色列、美国等国家都成立了TRIZ的研究中心，TRIZ理论方法也已广泛应用于工程技术领域中，并在多个跨国公司迅速得以推广并为其带来巨大收益。如今它已在全世界广泛应用，创造出成千上万项重大发明。经过半个多世纪的发展，如今TRIZ理论和方法已经发展成为一套解决新产品开发实际问题的成熟的理论和方法体系，并经过实践的检验，为众多知名企业取得了重大的经济效益和社会效益。在美国，许多公司都致力于以TRIZ为核心原理开发计算机辅助创新软件，其中InventionMachine公司的TechOptimizer是最为著名的计算机辅助创新软件。一些著名的公司如Ford、Motorola、GM、GE、HP等都已使用TechOptimizer软件解决工程技术问题并取得巨大收益。该软件已经成为国外企业、尖端技术领域解决技术难题、实现创新的有效工具。用户遍及航空航天、机械制造、汽车工业、国防军工、铁道、石油化工、水电能源、电子、土木建筑、造船、生物医学、轻工、家电等领域。该公司的两大产品为TechOptimizer软件和Knowledgist软件。ANSYSCHINA成为这两个软件在华唯一的代理商。2、计算机辅助创新主流软件--TechOptimizerTechOptimizer软件是基于知识的创新工具，它以TRIZ理论方法为基础，结合现代设计方法学、计算机辅助技术、多学科领域的知识，以分析解决产品及其制造过程中遇到的矛盾为出发点，从而可以从根本上解决新产品开发过程中遇到的技术难题而实现创新，并可为工程技术领域新产品、新技术的创新提供科学的理论指导，并指明探索方向。TechOptimizer软件具有重要的实用价值，于1997被《NASATechBriefs》评为ProductsoftheYear。新产品开发人员在明确市场需求以后，TechOptimizer软件可帮助技术人员在不同工程领域产品的概念设计阶段，打破思维定势、拓宽思路；根据市场需求正确迅速地发现现有产品或流程中存在的关键问题，彻底地消除产品内妨碍产品整体性能提高的技术矛盾；并在概念设计阶段进行成本分析，有效降低产品成本；高质量、高效率地提出可行的创新设计方案，将设计引向正确方向。TechOptimizer能实现产品基本设计概念的革新，并确保在概念设计阶段所研究的问题是正确的。该软件在产品设计周期所处的位置如图2所示：在现实的产品开发过程中，能否正确地描述问题，了解产品的根本问题所在对产品设计能否成功非常重要。设计人员常常是为本来不需解决的问题而冥思苦想。科学发展史上这种例子数不胜数。也许你不会相信，一个小小的灯泡竟使人类登月时间推迟了整整一年！在登月舱着陆试验中，前照明灯泡总是在根部开裂。科学家们尝试用各类方法提高灯泡玻璃罩的强度，效果均不理想。事实上，在月球上灯根本不需要玻璃罩。大家忽略了一个最基本的事实--灯泡玻璃罩的作用是防止灯丝氧化，而月球上是真空的！问题迎刃而解。人们不禁会问：如此简单的问题为什么还会耗费科学家们整整一年的时间？因为人们没有准确把握问题的关键。TechOptimizer软件的核心原理是发明创造方法学TRIZ，共有七大功能模块组成，分别是产品分析模块、流程分析模块、特性传递模块、创新原理模块、预测模块、科学原理检索模块、网络助手模块。TechOptimizer软件中每个模块都内嵌了大量科学知识和应用实例，覆盖了几何学、机械学、热学、光学、电学、磁学、电磁学、物理学、化学、微粒子等多个科学领域。通过这些实例，用户能够更好的理解创新原理、科学原理、法则，以便能应用这些原理法则创造性的解决自己的实际问题。有些领域的实例用户可能并不熟悉，但是正是这些实例很有可能从另一个方面启发你的思路，激发你的灵感，从而将你带入一个全新的解决方案。应用TechOptimizer软件解决实际问题的一般流程如图3所示：图3给出了TechOptimizer软件在新产品开发过程中所处的位置和所起的作用。在进行市场需求分析的基础上，首先利用问题分析定义模块对系统（产品或制造流程）中的问题进行分析、描述和定义，找到新产品开发的关键问题，然后利用科学原理检索模块、创新原理模块、预测模块针对新产品开发中的问题提出解决方案，并应用网络助手模块对提出的解决方案进行专利分析和竞争性评价。如果解决方案不能满足要求就需要重新生成方案或对问题重新定义，直到得到满意的方案为止。然后可根据正确的设计方案在CAD/CAE/CAM软件中进行详细设计、分析和制造，从而保证企业能够生产出创新程度很高的产品。3、综合知识挖掘工具--Knowledgist新产品开发除了需要成熟的计算机辅助创新软件做指导，还需要广博的知识作为有效的支撑。在知识经济时代，谁掌握最新最有效的知识，谁就能成为市场的主宰，谁就能在市场竞争中利于不败之地。谁能比对手更快地接受新知识，谁就能在激烈的市场竞争中占领先机。在信息时代，专业杂志、商务期刊、会议文集、科技论文、专利、目录、内部资料、成千上万的网站……，信息来源多种多样，如何在有限的时间内征服如此巨大的信息量？如何在浩瀚的信息海洋中寻找有用的知识？全靠人力为之，真可谓大海捞针，难！难！！难！！！借助Knowledgist--一个能查资料读文章的软件，可以替您以极高的效率在信息的海洋里查询相关信息并对其阅读理解、概括总结，建立相关知识库，加快我们学习新知识的步伐。Knowledgist于2000年荣获《Cadence杂志》的Editor’sChoiceAward，同年被《R&D杂志》评为Top100Productoftheyear。正如高露洁公司的工艺工程师KevinConnor先生在接受WorldBusinessReview采访时对Knowledgist的评价：传统的搜索引擎只是在有’针’的海水里搅动，要把海里所有’针’样的东西翻出来，而Knowledgist的语义处理技术能在大海中帮我们找到要找的’针’。Knowledgist核心是强大的语义处理技术。基于复杂的算法，语义处理可将文档分割成句子。以主语、谓语、宾语为基础，根据语义、词与词之间以及句子之间的上下文关系理解文档内容，提取出关键概念并按主题含义归类，建立知识库；