基于复杂网络的专利数据驱动的产品创新设计

为了解决已有专利辅助产品设计研究方面存在的问题,提出了基于复杂网络的专利数据驱动产品创新设计方法。通过构建专利分类号共现网络,结合网络度中心性算法对分类号节点重要性进行评价,找出关键分类号。对分类号相关专利进行分析,并抽取原理知识,利用形态学矩阵构建功能-原理映射关系,结合频繁子图中的apriori关联规则算法计算原理组合的支持度,以获取最佳组合方案,同时利用组合方案相关专利提取结构关键词,建立专利结构网络,结合结构洞挖掘关键元件,并开展产品创新设计。以卫浴花洒作为研究实例,找出混合其他物质功能作为设计需求,通过挖掘相关专利的原理,发明了一款带有可调节功能的新型混合花洒,验证该方法的有效性。     

[数据驱动的产品设计]基于复杂网络的专利数据驱动的产品创新设计

为了解决已有专利辅助产品设计研究方面存在的问题,提出了基于复杂网络的专利数据驱动产品创新设计方法。通过构建专利分类号共现网络,结合网络度中心性算法对分类号节点重要性进行评价,找出关键分类号。对分类号相关专利进行分析,并抽取原理知识,利用形态学矩阵构建功能原理映射关系,结合频繁子图中的apriori关联规则算法计算原理组合的支持度,以获取最佳组合方案,同时利用组合方案相关专利提取结构关键词,建立专利结构网络,结合结构洞挖掘关键元件,并开展产品创新设计。以卫浴花洒作为研究实例,找出混合其他物质功能作为设计需求,通过挖掘相关专利的原理,发明了一款带有可调节功能的新型混合花洒,验证该方法的有效性。     

面向设计需求的知识启发裁剪方法研究

裁剪是在去除系统内部元件基础上利用系统现有资源解决问题,从而大幅提升系统理想化水平的方法。为弥补现有裁剪应用过程中设计者自身知识的局限性和优化裁剪过程中已有启发知识的应用模式,以裁剪本质和实施方式为约束条件,将TRIZ中发明原理作为一类知识源,提取基于发明原理的裁剪启发知识,并在已有设计需求分类基础上,结合设计需求与TRIZ中39工程参数内涵,以及工程参数与发明原理间的优选关系,构建设计需求与启发知识的映射关系,实现裁剪过程中启发知识的有效检索,从而构建面向设计需求的裁剪创新设计过程模型。最后,应用该模型进行大蒜去皮设备创新设计,验证了该方法的有效性。     

基于多层功能认知与情景分析的专利规避设计

针对专利规避设计功能分析路径单一，规避设计求解过程受限问题，提出一种基于多层功能认知与情景分析的专利规避设计方法。根据多层功能形式以及功能涵盖的系统范围不同，与产品情景设计思想相结合进行专利规避设计。首先通过提取目标专利情境信息元素，以多层功能系统为关键情景行为阶段，构建技术系统功能情景行为过程；其次以产品技术系统生命周期为依据，分析技术系统情景变换类型与变换元素，确定新情景技术系统需求功能；最后以需求功能为目标，以多层功能概念为基准，应用类比设计思维进行功能求解，完成专利规避设计过程；以平衡车产品专利为例验证方法的可行性。     

基于复杂网络的知识驱动产品创新设计

为了在概念设计阶段有效组织并利用设计知识驱动产品创新设计过程,提高设计者产生创新方案的效率,提出一种基于复杂网络的设计知识网络构建及分析方法。根据设计知识在创新求解过程中的应用特点以及功能、行为、结构三层知识的多对多映射关系,建立了设计知识复杂网络模型,在此基础上计算和分析网络关键特征参数、挖掘网络拓扑结构特点、评价知识节点的重要度,最后根据知识间的关联关系划分知识组元,为设计者提供一个扩大且有序的方案论域范围,由此驱动对产品方案空间的多样性、适应性、原创性设计操作,以实现对产品概念设计过程的激励。以发动机的改进设计为例,阐述了发动机设计知识复杂网络对概念设计的驱动过程,验证了该方法的有效性。     

面向系统资源挖掘的FBS与发明原理辅助裁剪创新方法

深层次挖掘系统潜在可用资源是裁剪创新设计过程中系统有用功能进行重组的核心，是通过裁剪方法获取高质量解决方案的难点和关键。首先引入“功能-行为-结构”模型(function-behavior-structure,FBS)对系统元件知识进行表征，运用功能、行为、结构相似度计算检索系统内潜在可用资源；其次通过计算资源相似度及分析元件间功能、行为、结构关联关系确定潜在资源的最优衍生路径；最后建立FBS模型与发明原理集成的辅助资源衍生过程，为裁剪过程中的资源衍生提供更具体、可操作性强的知识；在此基础上构建面向系统潜在可用资源挖掘的裁剪创新设计过程模型,应用该方法对4C注胶辅助装置进行创新设计，验证了该方法的有效性。     

机械产品专利技术方案信息抽取方法

专利因其创新性和实用性的特点成为概念设计的重要知识资源,结构化专利技术方案信息抽取是专利设计原理知识挖掘的基础工作。针对机械产品专利,描述了面向概念设计知识需求的专利技术方案概念模型,将专利技术方案信息抽取任务分解为技术组件抽取和技术关系抽取两部分。研究专利信息抽取知识库建设,利用非确定有限状态自动机识别技术组件,采用专业术语词典进行技术组件语义分析,以框架语义学为理论基础,构建用于技术关系抽取的专利动词语义框架库。提出基于自然语言理解的技术方案信息抽取过程,研究浅层句法分析和语义分析的关键技术,并以美国专利为例进行说明,结果表明该方法可自动获取结构化专利技术方案信息,有助于专利在概念设计中的深入应用。     

基于公理设计的产品功能架构设计过程研究

针对产品开发设计流程需求-功能映射过程不完善，映射内容不精准进行改进，设计产品功能架构。以公理设计框架为指导，利用Kano模型和QFD分析客户需求，转化为产品技术特性，建立客户需求-技术特性一级质量屋，生成技术特性设计结构矩阵，完善一级质量屋；确定功能意图，特化概念，以技术特性为依据，利用公理设计进行功能分析，得出架构功能元素，建立技术特性-功能要求二级质量屋；根据设计矩阵建立功能要求-设计参数三级质量屋，生成功能设计结构矩阵，完善二级质量屋，构建QFD-AD-DSM集成模型，根据集成模型构建并拓展产品功能架构。以小型无人机停泊舱的架构设计为例，验证了设计过程的有效性。     

性能传导知识挖掘配置设计系统

为实现计算机支持下产品的快速响应设计,提高产品开发效率,开发出了一种性能传导知识挖掘配置设计系统.该系统主要分为产品需求实例管理、产品配置设计过程管理、产品配置设计知识管理、产品配置方案管理4个功能模块,通过将客户的模糊性能需求转化为需求信息物元,在实例库中进行相似实例检索,构建关联函数,对检索到的不满足要求的最相似实例进行了拓展分析和可拓变换,消除了目标实例和条件实例之间的矛盾.通过设定阈值提取传导特征和传导对象,比较了相似实例变换前后性能特征数据获取主动变换对于传导特征的影响程度,通过可拓分类获取了传导变换引起的质变、量变知识.最后,以大型螺杆空压机为例,验证了该系统的有效性.研究结果表明,通过挖掘配置设计过程中的传导知识,对于提高产品配置准确性和产品开发效率有重要意义.     

基于TRIZ与专利分析的产品绿色创新设计方法

为了提高绿色产品的创新设计效率,提出了一种基于TRIZ与专利分析的产品绿色创新设计方法。通过对设计需求提取关键特征,检索相关专利,对专利进行功能、原理知识和结构知识分析,综合评价专利的相关度和创新性以提高专利利用效率。在保证不侵犯现有专利的基础上,利用现有专利进行高效设计,若无相关专利则转化绿色性能参数为TRIZ工程参数,融合TRIZ的创新原理启发设计者得到方案。最后引入TRIZ工具对已有的备选方案进行优化改进并得到最优方案。文章以冰箱的降噪设计为实例,验证了该方法的可行性。     

面向传动性能评价的传动链方案设计方法

为实现传动链的快速、智能化设计,以传动性能最大化为目标进行传动链方案规划,提出了面向传动性能评价的传动链方案设计方法。分析传动链设计知识层次关系,以需求为统一颜色,功能为个人颜色,基础元件为要素,运动形式为约束构建传动链设计知识多色模型。以需求-功能围道矩阵,功能-元件推理矩阵,运动形式-元件约束矩阵进行合取推理,获得方案集。以工作性能、传动效率为传动性能评价准则,建立传动链多目标0-1规划模型。给出基于传动类型遗传编码机制、交叉操作与变异操作的改进NSGA-Ⅱ算法。以机床传动链方案设计为例,验证了所提出方法的有效性。     

基于多层次用户需求的设计方法知识推送策略研究

产品的用户需求具有多层次性,为满足设计人员针对不同层次用户需求获取不同设计方法知识,以提高设计效率,提出一种多层次用户需求与设计方法知识的匹配方法.首先,针对产品的性能、交互和外观3个层次用户需求运用不同的方法进行挖掘与分析,构建多层次的Kano模型将每个层次用户需求进行结构化分类,并且确定各个需求单元在所属结构中的权重;然后,分析用户需求-设计人员-设计方法之间的映射关系,构建基于需求结构属性和层次属性的设计方法分类模型,实现向设计人员匹配恰当的用户需求和设计方法知识;最后,以篮球背包设计为例验证该匹配方法的可行性.     

基于多层次用户需求的设计方法知识推送策略研究

产品的用户需求具有多层次性,为满足设计人员针对不同层次用户需求获取不同设计方法知识,以提高设计效率,提出一种多层次用户需求与设计方法知识的匹配方法.首先,针对产品的性能、交互和外观3个层次用户需求运用不同的方法进行挖掘与分析,构建多层次的Kano模型将每个层次用户需求进行结构化分类,并且确定各个需求单元在所属结构中的权重;然后,分析用户需求-设计人员-设计方法之间的映射关系,构建基于需求结构属性和层次属性的设计方法分类模型,实现向设计人员匹配恰当的用户需求和设计方法知识;最后,以篮球背包设计为例验证该匹配方法的可行性.     

生物激励的知识建模与创新类推方法

生物激励设计作为最具活力的设计创新方法之一,是工程领域创新设计解方案产生的重要途径。针对生物激励设计中缺乏系统的跨领域实例获取和类推方法以支持将生物领域实例映射到工程领域激励创新解方案生成的问题,提出了规范化的生物领域功能-行为-结构(Fbio-Bbio-Sbio)知识元模型和基于知识元模型的解/问题驱动的转换-聚类检索-关联映射-设计综合(Transformation-clustering-mapping-synthesis,TCMS)创新类推过程模型。在解/问题驱动类推过程中,首先根据公理化设计的原则构建类推实例的非耦合知识元模型,完成设计需求/实例到功能模型的转换,然后根据生物功能与依存环境密切相关的特点,进行基于环境特征的聚类检索,以知识元模型功能基为桥梁建立生物与工程领域知识元间映射关系,最后通过对功能分解路径的回溯实现对工程领域知识元模型的设计综合,该类推模型的可能性和有效性在视觉假体装置的设计中得到了验证。     

基于功能特征结构映射的夹具设计模型与方法

为实现夹具设计的智能化,基于功能论的设计方法,通过对夹具的功能进行分析和分解,研究了夹具功能的表达和夹具的设计过程,建立了基于功能特征映射模型的夹具设计过程和方法。构建了夹具的功能模型,提出用特征作为夹具功能和结构的中介,建立了功能-特征-结构的映射模式。在对夹具设计中的约束进行分析的基础上,总结了夹具各子功能的备选特征集,运用模糊映射的理论实现夹具功能到特征和特征到结构的映射,得到夹具的结构方案。最后,用钻模设计进行了实例验证,证明了该方法的可行性和有效性。     

基于创新性评估的机电产品专利知识挖掘系统

为有效挖掘专利中丰富的设计知识辅助机电产品创新设计,设计了基于创新性评估的机电产品专利知识挖掘系统框架,探讨了机电产品专利设计知识的表达方法、创新性评估、及专利知识提取等关键技术的实现策略。通过分析专利设计知识的特点,以专利文献中的动名词短语进行创新层次特征抽取,并利用余弦相似度原理,设计了基于向量空间的专利设计知识创新性评估算法,结合机电产品专利功能知识提取方法,针对性地获取创新性强的专利设计知识。研发了机电产品专利知识挖掘原型系统,并通过油辣椒搅拌器创新设计验证了方案的实用性。     

公理设计辅助产品设计过程重组研究

产品设计过程重组是并行工程的核心,其方法的核心是设计过程分解.公理设计理论为设计过程分解提供了理论依据,应用功能独立性公理的分析框架,通过在功能域和结构域的"之字形"映射变换,进行功能结构分解,建立相对独立的产品功能结构等级树.根据设计分解得到的功能结构等级树、完整设计矩阵和产品设计流程图,在考虑产品设计任务之间相互影响关系的前提下,确定其顺序及其组织形式.最后,用该方法对某类大型阀门进行了设计过程重组.     

基于知识图谱的模糊前端需求结构解生成方法

产品概念设计模糊前端阶段存在大量自然语言表征的产品性能期望型需求,这一类需求不仅是用户对产品满意度的重要衡量标准,还是推动产品创新发展的源动力。然而,这一类需求也往往是模糊性、非完备性和主观局限性特征最为显著的一类需求,在面向产品概念设计的表征和转换等阶段的精确性不足。针对上述设计问题,首先通过引用经典TRIZ理论中的通用工程参数,构建了产品(专利/需求)—通用工程参数—结构(PGS)映射模型,在理论层面上为模糊前端需求面向设计过程的映射转换奠定了基础;其次,在所述映射模型的引导下,基于专利数据构建了领域知识图谱,实现了性能参数型实体的识别与提取,增强了支持概念设计的知识图谱可用性;再次,结合PGS映射模型及领域设计知识图谱,实现了工程参数形式的模糊前端需求结构化表征与补全,并进一步构建了概念设计结构解空间;最后,在机械设备领域构建了知识图谱并完成了实例验证。     

专利设计知识的创新性评估方法及其在创新设计中的应用

专利中蕴含了丰富的设计知识,不同专利设计知识对创新设计的价值不同,对专利设计知识进行合理量化评估能快速有效地帮助设计人员进行创新设计。根据专利方案设计知识的特点,采用动词和名词分别代表专利中的原理设计知识和结构设计知识。通过引入信息熵的概念,提出专利设计知识的新颖度和相容度的量化计算方法。结合形态学分析方法,建立面向复合功能的专利组合方案设计知识创新性优化评估模型。以具有自锁功能的直线驱动机构创新设计为例说明基于形态学矩阵的创新设计过程。对比分析专利数量和设计知识词汇集数量对组合方案创新性评估结果的影响,验证了提出的新颖度和相容度的量化计算方法以及组合方案创新性评估模型的可行性和实用性。     

融合A-Kano与FAST的童车创新设计方法

为促进国内童车发展，改善产品同质化的现象，提出一种融合A-Kano与FAST的产品创新设计方法。以用户核心需求为导向，通过市场调研与用户访谈获取需求，采用A-Kano模型获取用户需求类别，以建立功能需求层级塔；运用FAST法将用户需求转化为产品功能，建立FAST功能树，得到儿童滑板车涉及的设计因素；依据功能树建立造型矩阵，通过设计分析得出最佳方案；以儿童滑板车为例进行应用，以验证其可行性。A-Kano和FAST结合能形成一种需求—功能—造型的设计过程，实现从需求分析到功能设计的精准映射，强化需求与功能间的联系，从而有效提升用户对产品的使用体验，为产品创新设计提供新思路。