本文認為進行創新機械設計有兩個必要條件:壹是充分獲取適用知識；二是使用符合並能激發創新設計思維的設計體系。設計過程充滿矛盾，獲取的知識要有助於快速解決矛盾，這就要求知識獲取工具與設計過程緊密結合，因此需要統壹研究知識獲取工具和設計系統。另外，人類的創新設計思維模式是通過總結長期成功的設計經驗形成的，所以設計體系必須符合創新設計思維規律。創新設計的思維規律應該是計算機輔助創新設計系統的理論基礎。
基於以上考慮，本文從創新設計思維的研究入手，整合知識獲取方法，研究創新設計理論，進而開發機械產品創新設計系統。
1機械創新設計的思維規律
我們經常把思考的過程叫做“思考”，因為我們可以用路徑問題來解釋人類思考的過程。本文提出了機械創新設計的兩個思維原則:
首先是最短路徑原則。設計師在得到產品的功能需求後，往往會先檢索出最佳的設計實例，這樣才能最快速地接近目標。然後，他們通過運用價值工程的方法，找出幾個價值較低的部件作為研究對象，然後對所得對象的矛盾進行分析，試圖做出最小的改動來解決矛盾。如果矛盾得不到解決，他們就計劃做出更大的改變或者擴大研究對象的範圍，最終得到最優的結果。這種方式消耗的能量最少，體現了最短路徑原則。
二是相似聯想。根據湯川秀樹的同壹性理論，聯想能力是找出事物之間相似性的創造力，相似性是指事物之間的內在聯系。
利用計算機系統輔助設計人員從自然界中發現不同事物的相似性是非常困難的，因此本文只研究從機械產品實例中進行相似性挖掘，以促進機械創新設計。
機械設計過程是從功能需求到動作原理，再到物理結構的映射過程[1]。在CBR系統中，功能需求、動作原理和物理結構都可以作為實例索引，因此可以統稱為索引項。同壹指標的不同指標項之間的關聯可以稱為縱向關聯，同壹指標的不同指標之間的關聯可以稱為橫向關聯。
判斷聯想是否合理的依據是相似性，這是由已有的產品實例決定的。比如超聲波磨床的產品實例，使超聲波振動的作用原理和磨削的功能要求有了縱向的內在聯系；再比如很多產品實例可以滿足相同的功能需求，所以它們的功能原理和物理結構都是相似的。
功能需求是關聯的起點。有經驗的設計師通常會記住大量的設計實例，因此能夠掌握縱向和橫向的相似性，從而能夠快速地進行橫向和縱向的關聯，能夠畫出作用原理和物理結構相似的實例(簡稱相似實例)並進行組合優化，最終得到最優解。
這兩個原則已經不知不覺地被很多設計方法所采用。基於案例的推理不僅能快速逼近最優解，而且體現了最短路徑原則。物質場分析法(簡稱TRIZ)對數百萬個設計實例進行分析，確定功能需求、作用原理和物理載體之間的內在聯系，以及不同作用原理或物理載體之間的替代關系，使設計者能夠根據功能需求找到合適的作用原理和物理載體，體現相似聯想原則。
2計算機輔助創新設計系統
計算機輔助創新設計系統的設計充分體現了兩個創新設計思維原則，系統還采用了多種創新設計方法和人工智能技術。計算機輔助創新設計系統的流程如圖1所示，包括以下關鍵技術:
2.1實例檢索
在使用基於案例推理(CBR)技術時，首先要研究它的優缺點。CBR是壹種基於實例的知識提供方法。目前還存在以下不足:壹是系統為了達到實用性，通常會建立龐大的案例庫，導致管理困難，系統效率低下；其次，通過檢索只得到壹個或少數幾個實例，其他不符合檢索要求但包含適用知識的實例沒有被利用，對創新的支持不夠；最後，案例調整嚴重依賴領域知識，難度較大，因此許多CBR系統被簡化為案例檢索系統[2]。這三個缺點的深層原因是實例相互獨立，不同實例所包含的知識難以組合利用。為了克服這壹矛盾，本文提出通過相似性關聯尋找相似實例，並利用遺傳算法優化組合，實現案例知識的重用。
該系統的案例檢索功能是通過商業PDM系統IMAN中的產品結構與配置管理功能和搜索功能實現的，案例的可視化表示和管理依賴於IMAN的產品結構樹功能。
2.2可視化示例模型表達及矛盾分析
概念設計技術的發展方向是研究統壹的設計方案表達方法[3]。文獻[4]擴展了日本學者吉川弘之提出的FBS圖，用兩個框架分別描述壹個設計方案的功能層和結構層，存儲功能單元和結構單元的對應關系，使計算機能夠理解產品的結構和功能。這種方法的缺點是結構與功能的關系不夠直觀。因此，本系統在功能層次圖和結構層次圖的基礎上增加了功能關系圖，以語義網絡的方式描述結構及其功能關系，使結構和功能在同壹個圖中，設計者可以直觀地理解產品原理，並根據功能關系圖，運用價值工程方法分析實例中存在的矛盾。
實現創新的關鍵是正確分析產品中存在的矛盾[5]。產品設計的基本矛盾是產品功能成本比不能滿足用戶的要求，這種矛盾有兩種表現:壹種是部分產品功能質量目標沒有達到；第二，壹些功能的質量得到了改善，而壹些功能的質量卻惡化了。
利用矛盾分析的結果指導新的作用原理和新的物理結構的聯想，進而找出相似的例子。
2.3基於網絡的創新設計知識庫
該系統的創新設計知識庫包括動作原理庫、物理結構庫和案例庫。當系統根據相似度搜索壹個新的作用原理或物理結構時，自動調出相應的例子。
動作原理庫和物理結構庫的開發借鑒了TRIZ的成果，進而補充和整理了機械領域的240多條動作原理(包括50多條基本措施)。在每個作用原理下，多種物理結構被分開存儲，形成物理結構庫。案例庫主要是針對幾種常見的家用電器開發的。
創新設計知識庫是創新設計系統的核心組成部分，是壹個WEB文本知識庫。用作者開發的機械知識XML對文本進行標記，使知識庫建立在國際標準的XML文本上，從而實現知識資源的異地共享，並在此知識庫上建立基於WEB的機械產品計算機輔助創新設計系統，滿足異地協同設計的需要。
2.4相似度的量化方法和改進的遺傳算法
每個產品的結構不同，需要不同的遺傳算法編碼。為了提高運算效率，本系統采用浮點編碼方式。
在傳統的遺傳算法中，初始種群是用隨機方法產生的[6]，具有壹定的盲目性。因此，本文提出利用實例的作用原理或物理結構的相似性作為篩選實例產生初始種群的依據。
實現這種方法的關鍵在於相似度的量化，即相似度的計算方法。相似度的本質是實例的相關知識，必須通過壹定的算法在實例集中進行挖掘。縱向關聯的相似性本質上是功能目標與實現手段的關聯程度，橫向關聯的相似性本質上是實現手段的可替代性程度。更高的相似性意味著更多來自現有產品示例的支持。根據相似度篩選初始種群，相當於利用了以前的設計經驗，使初始種群有了合理的依據，因此可以加快遺傳算法的收斂速度。基於相似關聯原理，本文提出了以下縱向和橫向關聯的相似度計算方法。
設產品實例集為C，功能元素集為F，作用原理或物理結構元素集為g .分別記為:C={Ci|i=1，2，…，n }；F={Fj|j=1，2，…，m }；G={Gk|k=1，2，…，q} .實例集中的實例Ci分別屬於Fj和Gk，具有不同的隸屬度uij和uik。設從元素Gk到元素Fj的縱向關聯相似度為rkj，則:
rkj =
設G空間中有元素Gk和Gm。示例Cji屬於元素Gk和Gm，隸屬度分別為uik和uim，從Gk到Gm的水平關聯相似度為rkm，則:
rkm =
成員資格存儲為實例對象的屬性。根據上述算法，系統從案例集中挖掘相似知識，輔助設計人員從相似度高的方向進行聯想，並用於指導遺傳算法初始種群的生成，從而促進設計創新。
3結論
本文研究了創新設計的思維規律，並用它來指導機械產品創新設計系統的開發。該系統的成功應用證明了對創新設計思維規律判斷的正確性和各種新技術的可行性。系統通過矛盾分析和關聯，找到解決矛盾的適用的作用原理、措施、物理結構和實例，完成概念設計階段的功能優化和原理優化，是實現機械廣義優化設計方法的新成果。