基于专利的效应库研究及软件开发效果观察

　0 引 言
　　处于21世纪的企业竞争比以往任何时候都更加激烈，产品创新是企业唯一的生存之道。在创新过程中主要存在三个障碍：心理惯性、有限的知识领域和使用试验纠错法。这些障碍限制了设计人员的创新能力
　　目前全世界的专利存有量达到了6 000多万件，并且每年的增加量达到了100多万件。以上方法不仅要求一定的专业化、知识化和智能化的积累，更需要相应软件工具的支持。基于以上原因，国外的大型软件公司也相继研发了多款软件工具，诸如，Innovations Index， VantagePoint，PatentLab， INAS，以及Derwent等软件工具。
　　对于非专业化实用问题，适合于将专利文献转化为效应库来使用。因此，国外大软件公司开发了诸如，TechOptimizer，浙江大学还建立了基于力学效应的知识库等。
　　本文在分析效应的基础上，采用VB/ACtiveX等技术实际开发了软件工具，用于协助创新产品的概念设计，并改进效应知识库的设计开发。
　　1 功能的表示
　　目前学术界对功能还没有确切的定义，致使不同学者对功能的观点也各不相同，但这些观点也有着共通之处，即功能是指一个产品要实现什么。另有德国学者Pahl和Beitz[6]将功能定义为能量、物质和信息的输入和输出之间的关系，用能量流、物质流和信息流的转换来表达功能，而且系统与外界环境可通过输入量与输出量而发生联系。谭润华则将功能定义为是对一定设计环境下用以实现设计意图的输入、输出之间关系的抽象描述。
　　功能的实现建立在与环境发生物质、能量和信号交换关系的基础上，因而功能是一个开放的体系。功能通常采用“动词+名词”的形式描述。基于上述分析，对TRIZ中的功能进行扩展、语义规定和重新分类，建立了标准的功能表，包括操作集和流级，分别如表1和表2所示。
　　2 效应的来源
　　效应知识库的建立取材于如下八个资料库：专利、教科书、专著、百科全书、手册、专题评论、科技论文和技术报告。特别地，专利是新知识含量排名首位的设计资料，具有较高的可靠性和准确性。产品创新方法即主要来源于对专利的深度知识挖掘，是科学技术效应的主要来源。实际上，TRIZ理论方法的形成就主要来源于专利库，是对250万份专利进行深入分析、归纳、总结而最终获得的。
　　G S，Altshuller指出：只有大约不到百分之一的专利是原创性质的，其余专利基本建立在改进已知想法或概念的基础上。据世界知识产权组织（WIP0）统计，专利覆盖了全球研究成果的90%-95%；而且充分利用专利将可减少60%的研发时间、以及降低40%的研究费用。另外，同其他的资源相比，只有专利具有统一的结构能表示信息、说明技术的状态以及以前的技术中存在的问题。因此，专利是信息收集过程中非常重要的资源，同时也是TRIZ的主要信息源。
　专利信息提取的思路如图1所示。对于专利文档， 首先提取其要点，而后进行效应信息分析， 将所用效应根据其实现的功能归类到相应功能基下， 如此则形成了效应库。
　　3 效应的分类  
　　在构建科学效应库的过程中，如何将收集到的效应进行分类和组织是一个重要问题。效应通过将输入流转换为输出流实现功能，而输入、输出的对象则是物质、能量或信息。
　　依据科学效应建立的基本原理，总结出如下几种方式：
　　（1）根据学科领域进行划分。比如麦比乌斯圈、摩擦效应等分属于数学、物理方面的理论；
　　（2）根据效应所实现的功能进行分类。如热膨胀产生位移用于测量温度，热双金属片的不同变形同样可以测量位移；
　　（3）根据转换对象的不同进行分类。比如热膨胀、转换的对象是热能，属于能量流。
　　本文主要开发产品创新设计支持软件系统，因此，采用功能分类的方式对效应进行分类[5]，具体如图2所示。
　　4 效应的实现
　　运用效应解决设计中的问题时，即按照一定的规律将输入量转化为输出量，以实现相应的功能。输入量和输出量的对象为能量、物质和信息，输入量和输出量的转化则为能量流、物质流和信息流的转换。在效应库中，用文字来描述效应的基本内容，用动画来表示效应的原理和结构。效应的表示将用到如下几个主要参数，形象展示可如图3所示。
　　其中：
　　效应解释：对效应的说明；
　　参数及公式说明： 效应公式和参数约束条件；
　　实现了效应原理动画：用于直观地表示效应；
　　增加了对于效应应用的说明： 桌面效应应用的优缺点；
　　效应的输入量： 效应应用的输入量；
　　效应的输出量： 效应应用的输出量；
　　效应的来源： 来自于一个或者多个专利文献；
　　效应的应用案例： 效应的工程应用实例，增加图片及文字说明。
　　5 效应库的开发
　　在此，给出了本文所涉及的效应库具体包括的主要内容，对其论述如下：
　　（1）效应搜索。设计者可以通过关键词和所需功能两种方法从效应库中检索效应；
　　（2）效应显示。包括对效应解释、公式及参数解释、效应原理动画、应用说明、输入量、输出量、效应出处、应用案例等。其中，用文字、表格和图片来描述效应的基本内容， 用平面动画来表示效应的原理和结构。图4就是效应显示的一个设计实例。
　　（3）效应添加。根据设计人员的知识，为本效应库系统添加新的效应。其软件实现由两部分组成：第一部分为效应知识库部分，用MS Access建立效应数据库，并用html编写，再以网页的形式显示；第二部分为界面部分，用Visual Basic来完成编写。
　　本文采用Microsoft Access作为数据存储工具，用于存储每个效应所关注的功能，输入输出参数和关键词等。由此建立了一个Access数据库，其实现界面如图4所示，并且利用VB对Access数据库进行操作，也将十分简 便。这里，关于Access数据库则不作详细介绍。
　　为了更形象生动地描述和展现创新设计知识库系统内相关知识的内涵、进而激发和丰富设计人员的创新思维，本文系统采用Flash MX 2004版本进行了创新原理动画，科学效应动画及工程设计案例动画的制作，为此生成swf文件。效应库内的知识均以HTML、即超文本标记语言进行描述和组织。HTML语言使用描述性标记符来指明文本的不同内容。HTML文本包含两种信息：页面本身的文本和表示元素、结构、格式及其他超文本链接的HTML标记。而创新设计知识却包含了以动画、图片、文字、超链接等形式在内的各类多媒体信息，另外VB中对话框的WebBrowser控件则可以显示HTML文件。因此，本文采用HTML语言描述和组织效应库。
　　6 效应的设计案例
　　本文开发的软件系统采用Visual Basic编写，使用了VB的用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，采用DAO、RDO、ADO来连接数据库，并采用Flash MX 2004控件实现动画效果，设计后综合效果如图5所示。
　　目前，国内外汽车的方向盘没有加热功能，司机在冬天驾驶车辆时，尤其是发动机刚启动但暖风没有完全加热驾驶室之前，方向盘的温度很低，驾驶员的双手直接握住方向盘会感觉到双手冰冷甚至麻木，因此影响正常驾驶，甚至会造成交通事故。本文以此为例，来说明效应库的构建过程。从表1和表2中找到加热的流集表示方法，即“变化+能量”，其详细分类为“增加+热能”，由此查找相应的专利，本文查找的专利为《一种能加热方向盘以及具有该方向盘的汽车》[7]。此发明公开一种能加热方向盘以及具有该方向盘的汽车，实际利用的物理学原理非常简单，即电流的热效应，如图6所示。
　　7 结束语  
　　本文开发了科学效应知识库，为产品创新设计提供了效应方面的支持。设计者在产品的概念设计阶段，可以借助于效应库、提出创新方案，实现产品创新设计。本文在VB基础上，开发了效益知识库截面系统，且采用Flash MX 2004实现了动画操作。另外，则介绍了效应库的来源，对效应进行了分类，归纳和总结，同时还建立了效应库的初级模型，为后期的大规模开发奠定了基础。
　　参考文献：
　　[1] 谭润华. TRIZ及应用技术创新过程与方法[M]. 北京： 高等教育出版社，2010.
　　[2] 檀润华. 产品创新设计若干问题研究进展[J ]. 机械工程学报， 2003， 39 （9） ： 11- 16.
　　. Scientometrics， 2010， 82 （2）：289-306.