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可拓创新方法的应用

2019-10-12 14:35:33 来源:本站点击数:107

创新,有规律可循,有方法可依

——可拓创新方法的应用

(《中国质量》2017年第一期 可拓学专栏)

新产品构思、创造发明、设计和人们处理各领域的具体矛盾问题可以抽象概括为解决矛盾问题,可拓学研究者研究了解决矛盾问题的规律,形成一整套形式化生成策略的方法去处理矛盾问题,由于这些方法又适合于解决技术创新、组织创新、管理创新等,因此被称为可拓创新方法。它利用万事万物可以拓展的性质,通过变换解决矛盾问题、进行创新活动。由于各个领域都存在矛盾问题,所以应用范围很广,这里介绍可拓创新方法在一些领域的典型应用成果。


一在机器人领域的应用


1. 罗马尼亚机器人研究成果获日内瓦国际发明博览会金奖

2012年,罗马尼亚科学院机器人研究室主任Luige Vladareanu教授到广州学习、研究可拓学,与可拓学创始人蔡文研究员签订了国际协议,由Luige Vladareanu教授、蔡文研究员、杨春燕研究员和李卫华教授等合作研究可拓学在机器人领域的应用。其后,合作项目“The Extended Hybrid Force-Position Control of the Robotic Systems”申报了罗马尼亚的专利,于2014年参加了日内瓦国际发明博览会,获得了金奖,其后又获得了罗马尼亚教育部和科技部的金奖。


该项目引入了可拓学处理矛盾问题的方法和程序,处理搬运机器人使用时力和位移的矛盾,并用关联函数进行定量计算,使机器人在搬运重物的过程中安全、稳定。



2.北京建筑大学利用可拓创新设计方法开发出新型机器人

移动机器人中较广泛采用平台形式,北京建筑大学新产品开发与机器人创新设计实验室运用可拓创新设计方法设计了一种新型的轮式机器人行走装置,该机器人设计初衷是可以在室内空间随时跟随使用者行走,但是设计中遇到了机器人频繁拐弯和拐弯半径严格受限这对矛盾问题,最狭小处的空间宽度仅有50cm,而机器人自身的直径为30cm,该机器开发团队在秦建军博士的带领下运用可拓创新设计方法提出了独创性的行走与转向合为一体、零转弯半径的集成转向架结构形式。


该机器人经过三代的研发,已经研制了可以使用的样机—灵睿自主跟随机器人,目前该机器人外观是凳子形式,并已在该校图书馆试用,该团队正试图将该机器人扩展到超市购物、助残、养老等场合。该机器人于11月30日-12月3日在2015中国义乌国际装备博览会暨第五届中国智能博览会中展出。


机器人样机在社会展出后即受到了广泛关注,中央政治局委员、北京市委书记郭金龙,中央军委委员、总装备部部长张又侠、中国证监会主席肖钢、北京市长王安顺等领导曾参观该机器人演示,中央电视台、北京卫视、日本东京电视台、经济日报等十多家境内外媒体均对该机器人进行了报道。

二在鞋类产品创新设计领域的应用

国内外未见有效支持鞋类产品概念设计的CAD系统。青岛大学杨囯为教授与青岛双星集团结合,主持国家863计划“鞋类产品和谐智能计算机辅助概念设计(CACD)系统研究”项目和国家自然科学基金项目,针对鞋类产品计算机辅助概念设计的瓶颈问题和关键技术,提出鞋类产品概念设计的矛盾解决原理和模型化方法,给出了鞋类产品概念设计的创新推理,开发了一套“人机和谐”,“智能集成”,“增量创新”的支持鞋类产品概念设计的鞋类产品和谐智能CACD系统。


该项目针对计算机辅助概念设计的瓶颈问题和关键技术,首先运用物元系统知识表示特点给出鞋类产品或部件的模型,然后基于该模型进行产品或部件的可拓展性分析(发现产品设计的创新机制),建立概念设计的可拓模型(问题模型、推理模型、评价决策模型),最后开发与所获概念设计模型相适应的“人机和谐”、“智能集成”、“增量创新”的产品概念设计的智能系统。形成一套基于物元动态系统分析的鞋类产品概念设计的和谐化智能化模型化方法,开发出能支持鞋类产品概念设计的系统。它的科学价值是能补充和发展计算机辅助产品概念设计方法学和计算机辅助产品智能设计技术。


项目成果包括有自主知识产权的鞋类产品和谐智能计算机辅助概念设计(CACD)系统(注:含有三个软件著作权),解决了鞋类产品计算机辅助概念设计的瓶颈问题和关键技术问题。本项目的CACD系统填补了计算机辅助鞋品概念设计系统的空白。


项目成果自2009年在青岛双星集团投入应用以来,大大缩短了鞋类产品开发周期和降低鞋类产品设计成本,有效促进了企业科技进步,取得了良好的经济、社会效益。统计结果表明,项目促进企业年增利润约为427万元,已增利润1281万元,具有广阔的推广应用前景。该项目获得2012年吴文俊人工智能科学技术奖进步奖二等奖。

三在机械设计领域的应用


可拓学在制造业升级、绿色制造、节能减排等方面的应用成果

中国工程院谭建荣院士的团队利用可拓创新方法进行可拓配置、模块化开发、层次产品信息配置技术及信息化与工业化融合的研究,并应用于机械设计领域,取得了令人瞩目的成绩。他在全国第13届可拓学年会上作“数字化设计与可拓设计关键技术”的专题报告中,生动地展示了可拓学在制造业升级、绿色制造、节能减排等方面的应用成果及其广阔的前景,并指出:“对低消耗、高效率又面向环保的生产方式的需求十分迫切。


因此,设计和制造服务成为关键的环节,利用可拓方法将使设计和制造拓展到一个全新的领域。”“把基元可拓展理论应用于创新设计技术和知识推理,可以使再制造的产品性能大于原产品,这表明基元理论对物质循环的利用可以起指导作用。”



新型的油锯,处理提高产量和工人疲劳的对立问题

油锯在采伐、园林绿化、木材加工、建筑工程、家具制造等多个行业有广泛的应用,但是,产生的噪音和震动容易使操作者患上职业病。浙江工业大学赵燕伟教授与企业相结合,利用可拓变换方法,开发新型的油锯,处理提高产量和工人疲劳的对立问题。利用可拓学的菱形思维设计方法处理刀具创新设计中的矛盾问题,开发了刀库可拓概念设计系统,应用于机械领域。


利用可拓学中处理不相容问题的方法,解决在振动盘设计中,LED的种类繁多,同一振动盘无法满足各种LED的上料要求这一矛盾问题,取得很好的成绩。



“面向复杂轻工机电装备集成化制造的智能技术研发与应用”研究项目

浙江工业大学赵燕伟教授团队的研究项目“面向复杂轻工机电装备集成化制造的智能技术研发与应用”率先提出复杂轻工机电装备集成化设计冲突协调的可拓工程方法,解决多功能缝制、高层裁割、节能型缝制电机、送料缝制一体化等装备设计矛盾与冲突技术难题等。



该成果研制的高层数控裁床、特种缝制设备、节能型工缝伺服电机等复杂轻工装备,已广泛应用于多家企业,大大提升了生产效率和装备的智能化水平,创造了较大的经济和社会效益。先后授权发明专利11项,实用新型专利16项,软件著作权4项,出版专著2部,发表论著20余篇。该成果获得2014浙江省科学技术二等奖。



“区域协作的集成化制造智能技术研发及应用”研究项目

浙江工业大学赵燕伟教授团队的研究项目“区域协作的集成化制造智能技术研发及应用”针对区域网络协同制造的特点,基于ASP制造/软件/电信新产业链区域网络化制造SCM应用服务新模式,提出面向区域协作的五金工具制造资源冲突消解技术、基于可拓变换的复杂装配/拆卸工艺干涉解决方法。该成果获得2011年度中国机械工业科学技术二等奖。



赵燕伟教授完成的 “可拓设计方法在机械领域的应用”的发明专利有:

(1)自动裁剪机真空腔室结构,申请号:201610969859.2,受理

(2)一种多层皮革数控剪裁机的直线路径剪裁动态载荷测量方法,申请号201410746815.4,授权

(3)一种面向低碳产品实例分析的可拓设计动态分类方法,申请号:201510178883.X,授权

(4)一种基于多维关联函数的相似实例检索方法,申请号:201410673409.X,受理

(5)一种产品全生命周期碳足迹建模分析方法,申请号:201410623885.0,受理

(6)一种基于多维关联函数的调整工艺选择分析方法,申请号:201410217857.9,授权

(7)一种基于多维关联函数的低碳产品实例动态分类方法,申请号:201410156511.2,受理

(8)一种面向低碳产品实例分析的可拓设计静态分类方法,申请号:201510172942.2,受理

(9)一种产品性能传导知识挖掘方法,申请号:201310018361.4,授权

实用新型专利:裁割机真空吸附机构,申请号:201520513853.5,授权

软件著作权:基于可拓实例推理的螺杆空压机设计系统,申请号:2015SR159713,授权

专著:赵燕伟,苏楠.可拓设计.科学出版社,2010.10。

四在信息领域的应用


可拓策略生成系统(ESGS)的研制情况

ESGS是把可拓策略生成方法和现有的人工智能技术、数据库技术、可视化技术、面向对象技术等相结合,用计算机模仿人类发现问题-分析问题-生成解决问题的策略的过程,以帮助人们获得解决不相容问题的可拓策略的软件系统,是可拓策略生成方法的软件化。通过近年对可拓策略生成系统的基础理论和方法的系统研究,已逐步摸索到进行可拓策略生成系统研究的基本思路,开发了多个解决具体领域不相容问题的可拓策略生成系统。



针对不同领域的矛盾问题,广东工业大学李卫华教授、青岛大学杨囯为教授、浙江工业大学宁波理工学院李兴森教授和浙江工业大学赵燕伟教授、苏楠博士等根据可拓策略生成系统研究的基本方法,开发了解决具体领域不相容问题的可拓策略生成系统,并申请了软件著作权。目前实现的ESGS有:房地产营销优化系统、防治空气污染系统、提高毕业生就业率系统、游客停车问题系统、自助游ESGS、大坝安全的ESGS、租房ESGS、求职问题ESGS、防止企业人才流失系统、提高客户价值的ESGS、图像识别ESGS等,可参见相关文献。



基于可拓数据挖掘的客户价值获取

随着信息技术和“以客户为中心”的经营模式发展,客户价值逐渐成为客户关系管理的核心;科学、全面地掌握和评估客户价值大小并釆取有效的、正确的策略提升客户价值,成为企业有效管理客户资源和把握市场的关键,因此,利用数据挖掘技术处理海量的客户数据,根据客户价值理论对客户进行细分、客户流失预测等是客户价值领域研究的热点技术。由于现有的数据挖掘技术更多的是从静态数据中获取静态知识,忽略了变换对数据影响作用,故基于数据挖掘的客户价值分析系统不能挖掘变换作用的知识及变换导致客户价值变化的规律。



为此,广东工业大学李卫华教授团队研制了基于可拓数据挖掘的客户价值获取系统,详细设计了基于可拓数据挖掘的客户价值分析软件架构、软件功能模块划分,通过采取动态库和数据转换服务以屏蔽底层数据,从信息元特征中提取客户价值评价指标,分析企业客户价值情况,实现了客户价值可拓分类知识、传导知识获取及挖掘结果可视化显示。基于某服装企业的客户数据,实施了客户价值可拓分类知识和传导知识的挖掘,相关结果表明,获取的知识对企业调整营销策略、采取差异化服务具有重要的价值。



基于变换选择策略的可拓知识挖掘系统

为了实现从知识中挖掘基于变换的知识(即可拓知识)的功能,在可拓数据挖掘的理论和方法指导下,广东工业大学李小妹博士等开发了基于变换选择策略的可拓知识挖掘系统。



该软件是基于java和Eclipse开发的软件,相对易于把握、成本也较低。利用决策树挖掘数据库中蕴含的知识,通过支持度和可信度对获取的知识进行评价。基于可拓变换挖掘知识的模式,加入策略变换选择机制,更为高效地获取可拓变换知识。


该软件是一个基于用户策略选择的软件,通过本系统能方便地实现蕴含知识的挖掘、查询是否为矛盾问题和给出优化的策略等,已于2014年获得软件著作权(登记号:2015SR079430)。



客户流失预防与转化策略获取系统

大数据时代,如何增加客户粘性、预防客户流失是一项重要工作。为此,浙江大学宁波理工学院李兴森教授团队利用可拓数据挖掘方法,开发了一套客户流失预防与转化策略获取系统(登记号:2012SR123895)。


该系统的主要功能:(1) 提前1-2个月预测即将流失的客户,列出流失倾向性高的客户名单并分类;(2) 对即将流失的客户的特征进行分析、解读;(3) 通过可拓数据挖掘手段得到客户转化的具体措施。某公司利用该系统对大量的收费邮箱用户流失进行分析,将用户分为“正常用户、冻结用户和流失用户”,并预测用户流失类型,得到200余条规则,从中进一步挖掘出不同用户之间相互变换的策略,应用后该类客户流失率降低46%。

五在管理领域的应用

可拓创新方法在决策领域的应用——国家自然科学基金项目“决策系统中处理创新方法矛盾冲突问题的规律研究”、“转换桥的理论与方法研究”和“关键策略的生成方法与协调问题”等研究了可拓学在决策中的应用,提出了可拓决策方法,应用于决策者处理不相容问题和对立问题。

可拓创新方法在策划领域的应用——国家自然科学基金项目“可拓策划的理论与方法研究” 研究了可拓学在策划领域的应用,提出了可拓策划理论与方法,专著《可拓策划》已于2002年由科学出版社出版。


可拓创新方法在营销领域的应用——国家自然科学基金项目“可拓营销方法” 研究了可拓学在营销领域的应用,称为可拓营销方法,专著《可拓营销》有简体字版和繁体字版,分别在大陆和台湾出版。

六可拓创新四步法应用于新产品概念设计

为了让企业界学习和普及可拓创新方法,经过多年的实践,研究了便于掌握的可拓创新四步法,便于企业利用它提出解决矛盾问题的创意,包括进行新产品的构思。其程序是:建模-拓展-变换-评价,可用下图形象表达。

建模     拓展         变换            选优

可拓创新四步法的特点是:1)程序化:可操作;2)平民化:通俗易学、方便易学、学了能用;3)电脑化:创意能够生产。


可拓学的培训方法是:以练为主,边讲边练,拿出创意,申请专利。


这一方法在大陆和香港进行训练,受到企业界的热烈欢迎。根据可拓创新方法,形成了新产品概念设计的三个创造法:1)无中生有,根据人们的需要创造现在还没有的东西;2)从已有产品出发,通过变换,得到新产品创意;3)从已有产品的缺点出发,通过变换,得到新产品创意。


有了这个方法,创新不再是靠灵机一动,而是可以由能够操作的方法进行。《创意的革命》一书介绍了可拓创新四步法和这三个创造法。

七作为方法论,从娃娃抓起

可拓学中建立的可拓创新方法是一种新的方法论,可为提升人们的创新思维能力提供新的方法。深圳、香港等地的可拓学研究者已开始把可拓创新方法变成容易为少年儿童接受的可拓创造法,在香港、深圳、宁波、茂名等一大批中小学推广。

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