能量 信號模型：應(yīng)用于 49 譯文與原文 漢語譯文 能量 信號模型：應(yīng)用于 黑箱模型的改進(jìn) 美國賓夕法尼亞州州立大學(xué)，工程設(shè)計(jì)綱要及機(jī)械與核工程系， 大學(xué)園， 6802,，美國 摘要： “發(fā)明問題的解決理論”（ 廣泛地認(rèn)為是一種適用于多學(xué)科領(lǐng)域的有效的系統(tǒng)的創(chuàng)新方法。本論文更加關(guān)注于工程設(shè)計(jì)方法以及例證如何改進(jìn)已為工程設(shè)計(jì)人員熟知的建模方法以應(yīng)用于 例如，黑箱建模技術(shù)，一種在工程設(shè)計(jì)中較為普遍的問題表達(dá)分析方法 ，被修改以應(yīng)用于 技術(shù)比如能量、物料、系統(tǒng)建模將不僅僅作為物質(zhì) 方法）的替代品，而是被吸收入工程設(shè)計(jì)家族現(xiàn)有的知識中。因此，它移除了通向更加廣闊的 論文通過許多的實(shí)例達(dá)到了這種奇妙的功效。 關(guān)鍵詞： 問題表達(dá)；問題分析； 正文： 了獲得更多的讀者，大多數(shù)的 而，這種陳述 也會在將文章中討論的經(jīng)典的 而阻礙 盡管 是無論是在工業(yè)上還是學(xué)術(shù)上它都沒有在工程設(shè)計(jì)方面得到廣泛的運(yùn)用。這篇文章通過將已為工程設(shè)計(jì)人員熟知的建模技術(shù)山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 配合或合并于 目的的實(shí)現(xiàn)是通過將黑箱建模技術(shù)這一廣泛運(yùn)用于工程設(shè)計(jì)問題描述和分析的方法 技術(shù)比如能量 信號建模技術(shù)將不僅僅作為物質(zhì) 將具有以下不可或 缺的特點(diǎn)： 1、基于工程設(shè)計(jì)家族內(nèi)現(xiàn)存的知識，因此移除了阻礙 2、同時適用于物質(zhì)和技術(shù)矛盾系統(tǒng)； 3、固有地展現(xiàn)模型系統(tǒng)內(nèi)部事態(tài)發(fā)展； 4、包括同一模型的多種狀況； 5、在整個系統(tǒng)中甄選出真正需要解決的問題； 6、包括系統(tǒng)中所有可用來獲取最終結(jié)果的資源，因此不再需要生成一張獨(dú)立的資源清單。 在以下的文章中，將由兩個實(shí)例講述“能源 信號”模型的發(fā)展與應(yīng)用。另外，大多基于物質(zhì) 明問題的解決理論”的字頭，最早由以 已被全世界所推廣運(yùn)用。它最初是基于對蘇聯(lián) 60、 70年代早期成千上萬專利的分析。這些最初的分析從眾多專利中提取出了眾多的解決模式，這些解決模式可以被成功地用來解決新問題。這些解決模式最后被綜合成數(shù)個工具包括：（ 1）物理影響（ 2）進(jìn)化原則（ 3）標(biāo)準(zhǔn)解法（ 4）技術(shù)矛盾和矛盾矩陣，以及（ 5）物理矛盾和分離原理 所謂解決問題的環(huán)境是指數(shù)字式技術(shù)在企業(yè)內(nèi)部及市場上中應(yīng)用。而核心是基于 持的該核心數(shù)字技術(shù)是 心創(chuàng)業(yè)的開拓與突破是一個市場機(jī)遇、模式、路線和路線上的企業(yè)的技術(shù)狀態(tài)和企業(yè)的包容能力相融合的過程。創(chuàng)新思維的開發(fā)依賴于 用解和標(biāo)準(zhǔn)解。構(gòu)造與加工的設(shè)計(jì)融合有賴于環(huán)境的支持。若有沖突，就要應(yīng)用到 原理運(yùn)用了先前發(fā)明家濃縮的知識精華。它提供了一些措施，這些措施可以消除設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)傾向于普通、舒適的解決方案的“心理慣性”即使存是在存在更好、非傳統(tǒng)的解決方案的能量 信號模型：應(yīng)用于 51 情況下。從圖 1可以看出，一個設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用 轉(zhuǎn)化為一個一般的 者則是基于對大量不同的工程領(lǐng)域問題的分析、歸類。該一般的 計(jì)團(tuán)隊(duì)可以從這些設(shè)計(jì)方案中獲得解決他們具體設(shè)計(jì)問題的方法。因此， 面上毫不相干的領(lǐng)域獲取解決方案用來解決特定的設(shè)計(jì)問題，從而形成突破性的解決方案。 如何將解決實(shí)際問題與創(chuàng)新結(jié)合起來呢？創(chuàng)新的核心是找到困難與矛盾所在，諸如解決沖突問題和尋求快速解決的辦法。 涉及 發(fā)。但是成功與有價值的創(chuàng)新應(yīng)該是在數(shù)字技術(shù)環(huán)境下的進(jìn)行。擁有這類數(shù)字技術(shù)環(huán)境的企業(yè)需要一個 于正在成長與開創(chuàng)中的中國的企業(yè)更應(yīng)當(dāng)是如此。 發(fā)明的原理、標(biāo)準(zhǔn)解和作用解這些 理的基本工具在這些情形下非常有用和有效的。正如圖 8 所示，首先分析問題，尋找解決問題的新思路，然后做出有效甚至正確的決策。若沖突矛盾確實(shí)存在，我們就可以選擇這些問題解決原理或者標(biāo)準(zhǔn)解去解決沖突、尋求答案。如果不存在沖突，應(yīng)選擇作用解去解決沖突，然后對新的概念模型發(fā)展?fàn)顟B(tài)做出評估。如 果有一個或兩個概念被接受與認(rèn)可，它們就可以被融入到接下來的設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)中去；如果概念沒有被接受或認(rèn)可，就只能再次返回到創(chuàng)新評估階段去尋找新的解決方法。 兩種發(fā)明原理可以用來解決技術(shù)矛盾和物理矛盾。在 39 個工程參量和一個矛盾解決矩陣中，我們可以由實(shí)際問題依據(jù) 40 個原理選其中有用部分，選擇的前提是這些參量和要解決的矛盾有關(guān)連的。 4 個獨(dú)立的原理可用于解決物理沖突，它們的選擇要根據(jù)空間、時間、環(huán)境以及部分與整體關(guān)系來進(jìn)行。 論中共有 75個標(biāo)準(zhǔn)解，根據(jù)問題解決方式的不同，它們被劃分成五個大類。 場 分析和變量 所有的實(shí)在的物體（包括可見的和不可見的）作為物質(zhì)，同時將能量源（包括機(jī)械的、化學(xué)的、原子能的、熱能的、聲學(xué)的等等）作為場。因此一個公式（被稱為物質(zhì) 以被定義為具有一個物質(zhì)被一個場 而生成了第二個物質(zhì) 個完整系統(tǒng)的物質(zhì) 用如下的符號表示 F 1 (1) 由公式可以看出，由物質(zhì) 2經(jīng)過了場 得 注意的是在眾多的 物質(zhì) 程式（ 1）僅僅是給出了一種可能的表達(dá)形式。 參數(shù) 能作用體，功能作用體分別地作用于功能載體以對其產(chǎn)生所需要的影響。那些不能同時具備三要素（功能載體、功能作用體和場）的模型是不完整的，而通過加入所缺少的要素系統(tǒng)中所出現(xiàn)的問題就可能得以解決。另外，如果功能作用體對功能載體具有損害性的影響，這時直的場線將會被彎曲成波浪線以表示將會有損害發(fā)生。 注釋 1： 年來許許多多的研究人員開始研究世界范圍內(nèi)涉及各個領(lǐng)域的專利同時不斷更新 999年提議使用功能載體 作用功效（簡稱 一 能載體、功能作用體、場和作用功效，其中作用功效可以被定義為有益的功效（簡稱 是有害的功效（簡稱 一個完整系統(tǒng)的 F 1 T O (2) 方 程式（ 2）表示功能作用體通過場對功能載體產(chǎn)生一個有用的作用功效。 慣和術(shù)語，因此它將阻礙技術(shù)更新。在下面的章節(jié)中將為你講述前面提到的能源 信號模型的基礎(chǔ)黑箱模型。 在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，通過檢索進(jìn)化理論中不同思維模式和問題解決路線可以發(fā)現(xiàn)與我們正在研究的現(xiàn)有產(chǎn)品的相關(guān)聯(lián)的解決問題的方法。首先應(yīng)當(dāng)選擇一種模式，然后選擇出該模式下的一種路線。設(shè)計(jì)人員從選定的路線中確定當(dāng)前產(chǎn)能量 信號模型：應(yīng)用于 53 品屬于哪一種情形。在這一路線中，當(dāng)前狀態(tài)與末狀態(tài)之間的距離即為在該路線下的技術(shù)矛 盾解決原理。通過運(yùn)用以上檢索方法，一種或幾種技術(shù)矛盾解決原理就被選定出來。 每一種技術(shù)矛盾解決原理包括了一種或幾種潛在的狀態(tài)，也就是當(dāng)前狀態(tài)與末狀態(tài)的上一級狀態(tài)之間的狀態(tài)。每種潛在狀態(tài)同樣也蘊(yùn)含著蘊(yùn)含一種或幾種關(guān)于潛在解決技術(shù)矛盾的新想法、新原理，這些新想法及原理可作為當(dāng)前技術(shù)方案在將來發(fā)展中的改進(jìn)。 研究人員開發(fā)出解決問題的物質(zhì) 場模型，然后根據(jù)蘇 場模型從系列 1 和系列 4 中選出一個標(biāo)準(zhǔn)解并隨之得到一個預(yù)先解。系列 5 則被用來對預(yù)先解做最后的修正并得到終解。 作用解在模糊的設(shè)計(jì)工作開始階段有助于綜合 利用物理學(xué)和問題解決原理實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意催發(fā)一般來講，一個普通工程人員僅能掌握大約 100 個作用解。因此，對設(shè)計(jì)人員而言，作用解的數(shù)據(jù)庫是十分必要的輔助工具?，F(xiàn)在一些計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件也用該數(shù)據(jù)庫作為輔助開發(fā)工具。 接下來討論的黑箱建模是基于 1996)的工作。對工程系統(tǒng)的分析表明，其實(shí)質(zhì)是引入或轉(zhuǎn)化能源、物料或者是信號來獲得所需要的輸出，其中能源可以是多種形式的比如光能、原子核能、機(jī)械能、電能等等；物料是物質(zhì)的表征；信號則代表著信息傳遞的外觀形態(tài)，例如儲存在硬盤上的 數(shù)據(jù)信息可以通過電信號傳遞到電腦內(nèi)存中。 因此，一個工程系統(tǒng)最初可以被建模成一個如圖 2所示的“黑箱”，在“黑箱”的兩側(cè)有能源、物料、信號作為輸入或者輸出。在“黑箱”模型中能源用細(xì)線表示，物料用粗線表示，而信號則用點(diǎn)畫線表示。因此這種工程系統(tǒng)可以表示出輸入和輸出之間的功能關(guān)系。 ，但是它們并不是下一代技術(shù)方案的特定概念。下一代技術(shù)方案的概念發(fā)展應(yīng)該在思路產(chǎn)生之后發(fā)生。 問題分析需要對問題有一個清楚的理解，因此可以將“黑箱”模型所表現(xiàn)出山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 的總問題可以進(jìn)一步分解為小的子問題。通過問題分解，我們可以將對一個大的復(fù)雜的工程問題的解決轉(zhuǎn)化尋找一個個簡單的的子問題解決辦法的問題。由此設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以集中精力去解決關(guān)系設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵的子問題，然后再去解決其他子問題。每個子問題映射到相應(yīng)的子功能則一個小小的設(shè)計(jì)形成了，最后整合所有已獲得的子功能就可以得到整體所需要的總功能。值得注意的是，功能分解和應(yīng)運(yùn)而生的“黑箱”圖表都是很普通的，都不需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)掌握特定的工作工藝原則。另一方面，“黑箱”建模可以進(jìn)行對現(xiàn)存系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)：將現(xiàn)存系統(tǒng)分解為對應(yīng)子功能的子系統(tǒng)， 然后將子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的子功能，如此下去就可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)存系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)。 新的創(chuàng)意可以直接來源于國際市場上的其他企業(yè)。企業(yè)產(chǎn)生出的新穎創(chuàng)意可以傳播銷售到其他企業(yè)，這使得企業(yè)自身能夠保持領(lǐng)先優(yōu)勢。同樣，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中會誕生出許多大型的工程計(jì)劃，例如著名的西氣東輸工程。這其中對于企業(yè)來說蘊(yùn)含巨大商機(jī)：例如，相關(guān)企業(yè)去生產(chǎn)所需鋼管，大口徑閥門；創(chuàng)新思路與設(shè)計(jì)產(chǎn)品，把他們的產(chǎn)品賣給這些工程管理者。人類需求是不斷從低級向高級轉(zhuǎn)變的：從生理需求、安全需求、社會需求、被尊重的需求，到自我現(xiàn)實(shí)化的需求。人們這些從低級需求 到高級需求的轉(zhuǎn)變對于企業(yè)來說則意味著機(jī)遇。在這一過程中，企業(yè)應(yīng)該生產(chǎn)不同類別的汽車去抓住這些因顧客需求改變而帶來的商機(jī)。 箱”建模實(shí)例 在本論文中舉出了從 箱”模型的使用方法。 汽車安全氣囊和汽車安全帶配合使用可以在汽車發(fā)生來自前面急速碰撞時給汽車內(nèi)的駕駛者提供有效的保護(hù)。當(dāng)安裝于汽車前端的碰撞傳感器感應(yīng)到汽車大速率減速時，安全氣囊展開。傳感器觸發(fā)安全氣囊充氣指令，通過一個快速的化學(xué)反應(yīng)（一個小型爆炸反應(yīng)）迅速產(chǎn)生大量氮?dú)馓畛浒踩珰饽摇?通常，安全氣囊可以在碰撞被探測出后 1/20秒的時間內(nèi)充分展開 (據(jù) 1997年 )。安全氣囊的初始“黑箱”模型如圖 3(a)所示。整個汽車安全氣囊的“黑箱”模型有一個信號輸入，輸入信號即為由汽車碰撞產(chǎn)生的機(jī)械能。圖 3(b)表示了將整體的“黑箱”模型能量 信號模型：應(yīng)用于 55 分解為許多子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)有相應(yīng)的能源、物料和信號流。 在圖中，箭頭表示出了事情發(fā)生的先后順序，始于沖擊的檢測，（傳感器）發(fā)信號給化學(xué)反應(yīng)裝置，化學(xué)反應(yīng)裝置迅速產(chǎn)生填充氣體和機(jī)械能給氣囊。然后司機(jī)猛然沖進(jìn)氣囊，隨后發(fā)生與車廂內(nèi)側(cè)的碰撞。要注意司機(jī)和氣囊 之間的距離以及氣囊與車廂內(nèi)側(cè)之間的距離，因?yàn)檫@兩個距離可以表明機(jī)械力的作用是雙向的。 電腦的硬盤驅(qū)動器是一種可以用來儲存和檢索數(shù)據(jù)的設(shè)備（如圖 4所示）。在硬盤驅(qū)動器內(nèi)，數(shù)據(jù)被儲存在一張旋轉(zhuǎn)磁盤上，讀取 /寫入頭可以從其上獲取數(shù)據(jù)。讀取 /寫入頭安置在可動作動臂的末端，它可以使磁盤磁場磁化（寫入）或感知磁場磁性（讀?。Ｗx取 /寫入頭懸浮在磁盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流上，因而與磁盤產(chǎn)生一個十分微小的間隙，這樣可以避免因二者接觸而對數(shù)據(jù)產(chǎn)生損害。圖 5給出了一個旋轉(zhuǎn)著的硬盤的“黑箱”模型。 物料 能源 信號模型使用符號具體地表現(xiàn)系統(tǒng)中有害或不足的能源、物料和信號，因此它擴(kuò)展了“黑箱”模型。另外，還融入了允許對若干階段和不連續(xù)的時間分散事件進(jìn)行建模的符號。表格 1列出了更新的符號及其相應(yīng)的描述。同樣，在本論文中將使用前面已舉出的兩個例子來解釋能源 信號模型。 盡管汽車安全氣囊在挽救生命方面取得了許多的成功，但是它在小的碰撞發(fā)生時（錯誤地）展開時產(chǎn)生的沖擊力也奪取了很多的生命。安全氣囊在汽車受到前端碰撞時的能源 信號模型如圖 6所示。通過比較“黑箱”模型和能源 們可以發(fā)現(xiàn)二者的主要區(qū)別就是在能源 信號模型中一般的沖擊被分為了巨大沖擊和小沖擊，同時列出了小沖擊機(jī)械能源的有害影響。通過閱讀安全氣囊系統(tǒng)的上下文，讀者可以清楚地發(fā)現(xiàn)需要進(jìn)一步關(guān)注的問題。另外，系統(tǒng)中可以被用作設(shè)計(jì)解決方案一部分的可用資源也將會被整合到問題分析模型中。和傳統(tǒng)的 源 信號模型也不需要列出系統(tǒng)中不必要資源的單獨(dú)列表。 為了減少安全氣囊引發(fā)的事故，許多的汽車制造商改在汽車上安裝具有能源判定元件的氣囊。因?yàn)檫@種氣囊展開速度不如普通氣 囊，所以它不會對小的沖擊山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 產(chǎn)生危害。但是這種具有能源判定元件的氣囊的問題就是當(dāng)高速沖擊發(fā)生時沒有普通氣囊處理有效，這是因?yàn)檫@種氣囊完全展開所需要的時間較長展開不夠迅速，因此它不能預(yù)防撞擊汽車內(nèi)部的沖擊（大的或是小的）。圖 7表示出了高速撞擊和低速撞擊兩種撞擊情況的 用了多情況符號，低速撞擊的情況用上端的部分表示。對于低速撞擊的情況，來源于氣囊的機(jī)械力足以滿足兩種與汽車內(nèi)部撞擊情況下的保護(hù)需要。對于另外一種情況，高速撞擊在多情況符號中用較低的部分表示，同樣也將引起氣囊展開。但是，來源于氣囊的機(jī)械力不足 以滿足任一與汽車內(nèi)部撞擊情況下的保護(hù)需要（有害影響）。 下面轉(zhuǎn)向電腦硬盤驅(qū)動器的例子，當(dāng)電腦關(guān)閉時一片所關(guān)心的區(qū)域凸起或者是驅(qū)動器受到一個外部較強(qiáng)的撞擊。當(dāng)硬盤驅(qū)動器不旋轉(zhuǎn)時，讀取 /寫入頭會敲掉磁盤余下的區(qū)域致使磁盤上的數(shù)據(jù)被損壞。在余下的區(qū)域，由于磁閉鎖讀取 /寫入頭會保持在原有位置。當(dāng)電腦再次被接通電源時，由磁盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流將讀取 /寫入頭升起，安置在旋轉(zhuǎn)的臂軸（柱銷）上的永久磁鐵 /電磁石產(chǎn)生足夠的力將旋轉(zhuǎn)臂從磁閉鎖中釋放出來，同時能使讀取 /寫入頭移向?qū)⑤斎牖驒z索數(shù)據(jù)所在的任意位置 (據(jù) 1999年 )。圖 8表示了這種情況的一種能源 信號模型。在該模型中，設(shè)計(jì)者可以追蹤事情發(fā)生的先后順序（即流程），可以確定電腦底盤某點(diǎn)受到外界較強(qiáng)撞擊的時間以及讀取 /寫入頭對磁盤表面造成損壞（壞的影響）的位置。圖表表明磁場強(qiáng)度是不足的，因此需要標(biāo)定一個（具體的）位置或區(qū)域。 一種可能的解決方案就是使用更強(qiáng)的磁閉鎖，但是這種方法可能會使在電腦開始工作時旋轉(zhuǎn)臂釋放發(fā)生困難。圖 9 表示了兩種情況下的模型，多情況符號的上部分代表外界撞擊的情況，下部分代表電腦開始工作的情況。值得注意的是，通過增加磁閉鎖的強(qiáng)度能夠收到所希 望的降低外界碰撞對驅(qū)動器損壞程度的目的，但是它也會引起在系統(tǒng)啟動時（困難）這一我們不愿看到的結(jié)果。 上面所舉出的兩個例子闡述了在系統(tǒng)中存在有害或不充分影響的情況下如何改進(jìn)將工程設(shè)計(jì)人員的注意力集中到這些方面。另外，這種模型表示出整個系統(tǒng)的問題區(qū)域供工程設(shè)計(jì)人員甄選出能夠作為解決問題方案一部分的可用資源。更進(jìn)一步，與傳統(tǒng)的“黑箱”建模不同， 量 信號模型：應(yīng)用于 57 英語原文 in 004 004. f n 6802, as a be to a of on to be in in is to as a as it on in of to by to of is 1. as a be to of of In to a by a to to in in to s it in in in to in by to is by in to as a 1. on 東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 of to 2. to 3. of 4. in 5. to be of 6. in be to a A is of MS in of in of In on to 2. is It on in of be to 1) (2) of (3) (4)5) is in a is a in is a of of in of is by of by if is be of of a of at as a to by of of It to to to , a to a is on of a of in to is to to on a of is to as to is a 量 信號模型：應(yīng)用于 59 be in a of in . If a an of a to is 0 is a of . of he to be If do or in to If is no to be If or or it be to of 39 a to a 0 to a to to or 5 3. is of or as of as A as be as a by a by a a be 2 a or 1 1. in 1 (1) 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 a 1 2 to as is on to do to as By a in be if a on be to is 999) of a as OP a is as a or a OP a be 1、 s on In to in to on a to a of FA OP to a to be by of a is a is is in is a By or a be or to or a of to be of in to be a to is by to a is be to is to or to 0,000 in as of be in of in An 00 So a of is a of as a or 4. 量 信號模型：應(yīng)用于 61 is 1996). An of or or to a is in in is on a be to s an An be as a ) In is by a by a by as . a he of in of of g