能量-物料-信号模型：应用于TRIZ理论的工程设计黑箱模型的改进外文文献翻译

能量 信号模型：应用于 49 译文与原文 汉语译文 能量 信号模型：应用于 黑箱模型的改进 美国宾夕法尼亚州州立大学，工程设计纲要及机械与核工程系， 大学园， 6802,，美国 摘要： “发明问题的解决理论”（ 广泛地认为是一种适用于多学科领域的有效的系统的创新方法。本论文更加关注于工程设计方法以及例证如何改进已为工程设计人员熟知的建模方法以应用于 例如，黑箱建模技术，一种在工程设计中较为普遍的问题表达分析方法 ，被修改以应用于 技术比如能量、物料、系统建模将不仅仅作为物质 方法）的替代品，而是被吸收入工程设计家族现有的知识中。因此，它移除了通向更加广阔的 论文通过许多的实例达到了这种奇妙的功效。 关键词： 问题表达；问题分析； 正文： 了获得更多的读者，大多数的 而，这种陈述 也会在将文章中讨论的经典的 而阻碍 尽管 是无论是在工业上还是学术上它都没有在工程设计方面得到广泛的运用。这篇文章通过将已为工程设计人员熟知的建模技术山东大学毕业设计论文 配合或合并于 目的的实现是通过将黑箱建模技术这一广泛运用于工程设计问题描述和分析的方法 技术比如能量 信号建模技术将不仅仅作为物质 将具有以下不可或 缺的特点： 1、基于工程设计家族内现存的知识，因此移除了阻碍 2、同时适用于物质和技术矛盾系统； 3、固有地展现模型系统内部事态发展； 4、包括同一模型的多种状况； 5、在整个系统中甄选出真正需要解决的问题； 6、包括系统中所有可用来获取最终结果的资源，因此不再需要生成一张独立的资源清单。 在以下的文章中，将由两个实例讲述“能源 信号”模型的发展与应用。另外，大多基于物质 明问题的解决理论”的字头，最早由以 已被全世界所推广运用。它最初是基于对苏联 60、 70年代早期成千上万专利的分析。这些最初的分析从众多专利中提取出了众多的解决模式，这些解决模式可以被成功地用来解决新问题。这些解决模式最后被综合成数个工具包括：（ 1）物理影响（ 2）进化原则（ 3）标准解法（ 4）技术矛盾和矛盾矩阵，以及（ 5）物理矛盾和分离原理 所谓解决问题的环境是指数字式技术在企业内部及市场上中应用。而核心是基于 持的该核心数字技术是 心创业的开拓与突破是一个市场机遇、模式、路线和路线上的企业的技术状态和企业的包容能力相融合的过程。创新思维的开发依赖于 用解和标准解。构造与加工的设计融合有赖于环境的支持。若有冲突，就要应用到 原理运用了先前发明家浓缩的知识精华。它提供了一些措施，这些措施可以消除设计团队倾向于普通、舒适的解决方案的“心理惯性”即使存是在存在更好、非传统的解决方案的能量 信号模型：应用于 51 情况下。从图 1可以看出，一个设计团队运用 转化为一个一般的 者则是基于对大量不同的工程领域问题的分析、归类。该一般的 计团队可以从这些设计方案中获得解决他们具体设计问题的方法。因此， 面上毫不相干的领域获取解决方案用来解决特定的设计问题，从而形成突破性的解决方案。 如何将解决实际问题与创新结合起来呢？创新的核心是找到困难与矛盾所在，诸如解决冲突问题和寻求快速解决的办法。 涉及 发。但是成功与有价值的创新应该是在数字技术环境下的进行。拥有这类数字技术环境的企业需要一个 于正在成长与开创中的中国的企业更应当是如此。 发明的原理、标准解和作用解这些 理的基本工具在这些情形下非常有用和有效的。正如图 8 所示，首先分析问题，寻找解决问题的新思路，然后做出有效甚至正确的决策。若冲突矛盾确实存在，我们就可以选择这些问题解决原理或者标准解去解决冲突、寻求答案。如果不存在冲突，应选择作用解去解决冲突，然后对新的概念模型发展状态做出评估。如 果有一个或两个概念被接受与认可，它们就可以被融入到接下来的设计与制造环节中去；如果概念没有被接受或认可，就只能再次返回到创新评估阶段去寻找新的解决方法。 两种发明原理可以用来解决技术矛盾和物理矛盾。在 39 个工程参量和一个矛盾解决矩阵中，我们可以由实际问题依据 40 个原理选其中有用部分，选择的前提是这些参量和要解决的矛盾有关连的。 4 个独立的原理可用于解决物理冲突，它们的选择要根据空间、时间、环境以及部分与整体关系来进行。 论中共有 75个标准解，根据问题解决方式的不同，它们被划分成五个大类。 场 分析和变量 所有的实在的物体（包括可见的和不可见的）作为物质，同时将能量源（包括机械的、化学的、原子能的、热能的、声学的等等）作为场。因此一个公式（被称为物质 以被定义为具有一个物质被一个场 而生成了第二个物质 个完整系统的物质 用如下的符号表示 F 1 (1) 由公式可以看出，由物质 2经过了场 得 注意的是在众多的 物质 程式（ 1）仅仅是给出了一种可能的表达形式。 参数 能作用体，功能作用体分别地作用于功能载体以对其产生所需要的影响。那些不能同时具备三要素（功能载体、功能作用体和场）的模型是不完整的，而通过加入所缺少的要素系统中所出现的问题就可能得以解决。另外，如果功能作用体对功能载体具有损害性的影响，这时直的场线将会被弯曲成波浪线以表示将会有损害发生。 注释 1： 年来许许多多的研究人员开始研究世界范围内涉及各个领域的专利同时不断更新 999年提议使用功能载体 作用功效（简称 一 能载体、功能作用体、场和作用功效，其中作用功效可以被定义为有益的功效（简称 是有害的功效（简称 一个完整系统的 F 1 T O (2) 方 程式（ 2）表示功能作用体通过场对功能载体产生一个有用的作用功效。 惯和术语，因此它将阻碍技术更新。在下面的章节中将为你讲述前面提到的能源 信号模型的基础黑箱模型。 在实际的生产应用中，通过检索进化理论中不同思维模式和问题解决路线可以发现与我们正在研究的现有产品的相关联的解决问题的方法。首先应当选择一种模式，然后选择出该模式下的一种路线。设计人员从选定的路线中确定当前产能量 信号模型：应用于 53 品属于哪一种情形。在这一路线中，当前状态与末状态之间的距离即为在该路线下的技术矛 盾解决原理。通过运用以上检索方法，一种或几种技术矛盾解决原理就被选定出来。 每一种技术矛盾解决原理包括了一种或几种潜在的状态，也就是当前状态与末状态的上一级状态之间的状态。每种潜在状态同样也蕴含着蕴含一种或几种关于潜在解决技术矛盾的新想法、新原理，这些新想法及原理可作为当前技术方案在将来发展中的改进。 研究人员开发出解决问题的物质 场模型，然后根据苏 场模型从系列 1 和系列 4 中选出一个标准解并随之得到一个预先解。系列 5 则被用来对预先解做最后的修正并得到终解。 作用解在模糊的设计工作开始阶段有助于综合 利用物理学和问题解决原理实现创意催发一般来讲，一个普通工程人员仅能掌握大约 100 个作用解。因此，对设计人员而言，作用解的数据库是十分必要的辅助工具。现在一些计算机辅助创新软件也用该数据库作为辅助开发工具。 接下来讨论的黑箱建模是基于 1996)的工作。对工程系统的分析表明，其实质是引入或转化能源、物料或者是信号来获得所需要的输出，其中能源可以是多种形式的比如光能、原子核能、机械能、电能等等；物料是物质的表征；信号则代表着信息传递的外观形态，例如储存在硬盘上的 数据信息可以通过电信号传递到电脑内存中。 因此，一个工程系统最初可以被建模成一个如图 2所示的“黑箱”，在“黑箱”的两侧有能源、物料、信号作为输入或者输出。在“黑箱”模型中能源用细线表示，物料用粗线表示，而信号则用点画线表示。因此这种工程系统可以表示出输入和输出之间的功能关系。 ，但是它们并不是下一代技术方案的特定概念。下一代技术方案的概念发展应该在思路产生之后发生。 问题分析需要对问题有一个清楚的理解，因此可以将“黑箱”模型所表现出山东大学毕业设计论文 的总问题可以进一步分解为小的子问题。通过问题分解，我们可以将对一个大的复杂的工程问题的解决转化寻找一个个简单的的子问题解决办法的问题。由此设计团队可以集中精力去解决关系设计成败的关键的子问题，然后再去解决其他子问题。每个子问题映射到相应的子功能则一个小小的设计形成了，最后整合所有已获得的子功能就可以得到整体所需要的总功能。值得注意的是，功能分解和应运而生的“黑箱”图表都是很普通的，都不需要设计团队掌握特定的工作工艺原则。另一方面，“黑箱”建模可以进行对现存系统的重新设计：将现存系统分解为对应子功能的子系统， 然后将子系统转化为相应的子功能，如此下去就可以实现对现存系统的重新设计。 新的创意可以直接来源于国际市场上的其他企业。企业产生出的新颖创意可以传播销售到其他企业，这使得企业自身能够保持领先优势。同样，经济发展的过程中会诞生出许多大型的工程计划，例如著名的西气东输工程。这其中对于企业来说蕴含巨大商机：例如，相关企业去生产所需钢管，大口径阀门；创新思路与设计产品，把他们的产品卖给这些工程管理者。人类需求是不断从低级向高级转变的：从生理需求、安全需求、社会需求、被尊重的需求，到自我现实化的需求。人们这些从低级需求 到高级需求的转变对于企业来说则意味着机遇。在这一过程中，企业应该生产不同类别的汽车去抓住这些因顾客需求改变而带来的商机。 箱”建模实例 在本论文中举出了从 箱”模型的使用方法。 汽车安全气囊和汽车安全带配合使用可以在汽车发生来自前面急速碰撞时给汽车内的驾驶者提供有效的保护。当安装于汽车前端的碰撞传感器感应到汽车大速率减速时，安全气囊展开。传感器触发安全气囊充气指令，通过一个快速的化学反应（一个小型爆炸反应）迅速产生大量氮气填充安全气囊。 通常，安全气囊可以在碰撞被探测出后 1/20秒的时间内充分展开 (据 1997年 )。安全气囊的初始“黑箱”模型如图 3(a)所示。整个汽车安全气囊的“黑箱”模型有一个信号输入，输入信号即为由汽车碰撞产生的机械能。图 3(b)表示了将整体的“黑箱”模型能量 信号模型：应用于 55 分解为许多子系统，各子系统有相应的能源、物料和信号流。 在图中，箭头表示出了事情发生的先后顺序，始于冲击的检测，（传感器）发信号给化学反应装置，化学反应装置迅速产生填充气体和机械能给气囊。然后司机猛然冲进气囊，随后发生与车厢内侧的碰撞。要注意司机和气囊 之间的距离以及气囊与车厢内侧之间的距离，因为这两个距离可以表明机械力的作用是双向的。 电脑的硬盘驱动器是一种可以用来储存和检索数据的设备（如图 4所示）。在硬盘驱动器内，数据被储存在一张旋转磁盘上，读取 /写入头可以从其上获取数据。读取 /写入头安置在可动作动臂的末端，它可以使磁盘磁场磁化（写入）或感知磁场磁性（读取）。读取 /写入头悬浮在磁盘旋转产生的气流上，因而与磁盘产生一个十分微小的间隙，这样可以避免因二者接触而对数据产生损害。图 5给出了一个旋转着的硬盘的“黑箱”模型。 物料 能源 信号模型使用符号具体地表现系统中有害或不足的能源、物料和信号，因此它扩展了“黑箱”模型。另外，还融入了允许对若干阶段和不连续的时间分散事件进行建模的符号。表格 1列出了更新的符号及其相应的描述。同样，在本论文中将使用前面已举出的两个例子来解释能源 信号模型。 尽管汽车安全气囊在挽救生命方面取得了许多的成功，但是它在小的碰撞发生时（错误地）展开时产生的冲击力也夺取了很多的生命。安全气囊在汽车受到前端碰撞时的能源 信号模型如图 6所示。通过比较“黑箱”模型和能源 们可以发现二者的主要区别就是在能源 信号模型中一般的冲击被分为了巨大冲击和小冲击，同时列出了小冲击机械能源的有害影响。通过阅读安全气囊系统的上下文，读者可以清楚地发现需要进一步关注的问题。另外，系统中可以被用作设计解决方案一部分的可用资源也将会被整合到问题分析模型中。和传统的 源 信号模型也不需要列出系统中不必要资源的单独列表。 为了减少安全气囊引发的事故，许多的汽车制造商改在汽车上安装具有能源判定元件的气囊。因为这种气囊展开速度不如普通气 囊，所以它不会对小的冲击山东大学毕业设计论文 产生危害。但是这种具有能源判定元件的气囊的问题就是当高速冲击发生时没有普通气囊处理有效，这是因为这种气囊完全展开所需要的时间较长展开不够迅速，因此它不能预防撞击汽车内部的冲击（大的或是小的）。图 7表示出了高速撞击和低速撞击两种撞击情况的 用了多情况符号，低速撞击的情况用上端的部分表示。对于低速撞击的情况，来源于气囊的机械力足以满足两种与汽车内部撞击情况下的保护需要。对于另外一种情况，高速撞击在多情况符号中用较低的部分表示，同样也将引起气囊展开。但是，来源于气囊的机械力不足 以满足任一与汽车内部撞击情况下的保护需要（有害影响）。 下面转向电脑硬盘驱动器的例子，当电脑关闭时一片所关心的区域凸起或者是驱动器受到一个外部较强的撞击。当硬盘驱动器不旋转时，读取 /写入头会敲掉磁盘余下的区域致使磁盘上的数据被损坏。在余下的区域，由于磁闭锁读取 /写入头会保持在原有位置。当电脑再次被接通电源时，由磁盘旋转产生的气流将读取 /写入头升起，安置在旋转的臂轴（柱销）上的永久磁铁 /电磁石产生足够的力将旋转臂从磁闭锁中释放出来，同时能使读取 /写入头移向将输入或检索数据所在的任意位置 (据 1999年 )。图 8表示了这种情况的一种能源 信号模型。在该模型中，设计者可以追踪事情发生的先后顺序（即流程），可以确定电脑底盘某点受到外界较强撞击的时间以及读取 /写入头对磁盘表面造成损坏（坏的影响）的位置。图表表明磁场强度是不足的，因此需要标定一个（具体的）位置或区域。 一种可能的解决方案就是使用更强的磁闭锁，但是这种方法可能会使在电脑开始工作时旋转臂释放发生困难。图 9 表示了两种情况下的模型，多情况符号的上部分代表外界撞击的情况，下部分代表电脑开始工作的情况。值得注意的是，通过增加磁闭锁的强度能够收到所希 望的降低外界碰撞对驱动器损坏程度的目的，但是它也会引起在系统启动时（困难）这一我们不愿看到的结果。 上面所举出的两个例子阐述了在系统中存在有害或不充分影响的情况下如何改进将工程设计人员的注意力集中到这些方面。另外，这种模型表示出整个系统的问题区域供工程设计人员甄选出能够作为解决问题方案一部分的可用资源。更进一步，与传统的“黑箱”建模不同， 量 信号模型：应用于 57 英语原文 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 东大学毕业设计论文 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 信号模型：应用于 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) 山东大学毕业设计论文 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 信号模型：应用于 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