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能量 信號模型：應用于 49 譯文與原文 漢語譯文 能量 信號模型：應用于 黑箱模型的改進 美國賓夕法尼亞州州立大學，工程設計綱要及機械與核工程系， 大學園， 6802,，美國 摘要： “發(fā)明問題的解決理論”（ 廣泛地認為是一種適用于多學科領域的有效的系統(tǒng)的創(chuàng)新方法。本論文更加關注于工程設計方法以及例證如何改進已為工程設計人員熟知的建模方法以應用于 例如，黑箱建模技術，一種在工程設計中較為普遍的問題表達分析方法 ，被修改以應用于 技術比如能量、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計家族現(xiàn)有的知識中。因此，它移除了通向更加廣闊的 論文通過許多的實例達到了這種奇妙的功效。 關鍵詞： 問題表達；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)上還是學術上它都沒有在工程設計方面得到廣泛的運用。這篇文章通過將已為工程設計人員熟知的建模技術山東大學畢業(yè)設計論文 配合或合并于 目的的實現(xiàn)是通過將黑箱建模技術這一廣泛運用于工程設計問題描述和分析的方法 技術比如能量 信號建模技術將不僅僅作為物質(zhì) 將具有以下不可或 缺的特點： 1、基于工程設計家族內(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果的資源，因此不再需要生成一張獨立的資源清單。 在以下的文章中，將由兩個實例講述“能源 信號”模型的發(fā)展與應用。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）進化原則（ 3）標準解法（ 4）技術矛盾和矛盾矩陣，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)字式技術在企業(yè)內(nèi)部及市場上中應用。而核心是基于 持的該核心數(shù)字技術是 心創(chuàng)業(yè)的開拓與突破是一個市場機遇、模式、路線和路線上的企業(yè)的技術狀態(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 用解和標準解。構造與加工的設計融合有賴于環(huán)境的支持。若有沖突，就要應用到 原理運用了先前發(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計團隊傾向于普通、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：應用于 51 情況下。從圖 1可以看出，一個設計團隊運用 轉化為一個一般的 者則是基于對大量不同的工程領域問題的分析、歸類。該一般的 計團隊可以從這些設計方案中獲得解決他們具體設計問題的方法。因此， 面上毫不相干的領域獲取解決方案用來解決特定的設計問題，從而形成突破性的解決方案。 如何將解決實際問題與創(chuàng)新結合起來呢？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)新應該是在數(shù)字技術環(huán)境下的進行。擁有這類數(shù)字技術環(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)更應當是如此。 發(fā)明的原理、標準解和作用解這些 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。若沖突矛盾確實存在，我們就可以選擇這些問題解決原理或者標準解去解決沖突、尋求答案。如果不存在沖突，應選擇作用解去解決沖突，然后對新的概念模型發(fā)展狀態(tài)做出評估。如 果有一個或兩個概念被接受與認可，它們就可以被融入到接下來的設計與制造環(huán)節(jié)中去；如果概念沒有被接受或認可，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連的。 4 個獨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系來進行。 論中共有 75個標準解，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（包括機械的、化學的、原子能的、熱能的、聲學的等等）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。 慣和術語，因此它將阻礙技術更新。在下面的章節(jié)中將為你講述前面提到的能源 信號模型的基礎黑箱模型。 在實際的生產(chǎn)應用中，通過檢索進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)品的相關聯(lián)的解決問題的方法。首先應當選擇一種模式，然后選擇出該模式下的一種路線。設計人員從選定的路線中確定當前產(chǎn)能量 信號模型：應用于 53 品屬于哪一種情形。在這一路線中，當前狀態(tài)與末狀態(tài)之間的距離即為在該路線下的技術矛 盾解決原理。通過運用以上檢索方法，一種或幾種技術矛盾解決原理就被選定出來。 每一種技術矛盾解決原理包括了一種或幾種潛在的狀態(tài)，也就是當前狀態(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)同樣也蘊含著蘊含一種或幾種關于潛在解決技術矛盾的新想法、新原理，這些新想法及原理可作為當前技術方案在將來發(fā)展中的改進。 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 中選出一個標準解并隨之得到一個預先解。系列 5 則被用來對預先解做最后的修正并得到終解。 作用解在模糊的設計工作開始階段有助于綜合 利用物理學和問題解決原理實現(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，對設計人員而言，作用解的數(shù)據(jù)庫是十分必要的輔助工具?，F(xiàn)在一些計算機輔助創(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，其實質(zhì)是引入或轉化能源、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”模型中能源用細線表示，物料用粗線表示，而信號則用點畫線表示。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系。 ，但是它們并不是下一代技術方案的特定概念。下一代技術方案的概念發(fā)展應該在思路產(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)出山東大學畢業(yè)設計論文 的總問題可以進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雜的工程問題的解決轉化尋找一個個簡單的的子問題解決辦法的問題。由此設計團隊可以集中精力去解決關系設計成敗的關鍵的子問題，然后再去解決其他子問題。每個子問題映射到相應的子功能則一個小小的設計形成了，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，功能分解和應運而生的“黑箱”圖表都是很普通的，都不需要設計團隊掌握特定的工作工藝原則。另一方面，“黑箱”建模可以進行對現(xiàn)存系統(tǒng)的重新設計：將現(xiàn)存系統(tǒng)分解為對應子功能的子系統(tǒng)， 然后將子系統(tǒng)轉化為相應的子功能，如此下去就可以實現(xiàn)對現(xiàn)存系統(tǒng)的重新設計。 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)自身能夠保持領先優(yōu)勢。同樣，經(jīng)濟發(fā)展的過程中會誕生出許多大型的工程計劃，例如著名的西氣東輸工程。這其中對于企業(yè)來說蘊含巨大商機：例如，相關企業(yè)去生產(chǎn)所需鋼管，大口徑閥門；創(chuàng)新思路與設計產(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)實化的需求。人們這些從低級需求 到高級需求的轉變對于企業(yè)來說則意味著機遇。在這一過程中，企業(yè)應該生產(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。 箱”建模實例 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。當安裝于汽車前端的碰撞傳感器感應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反應（一個小型爆炸反應）迅速產(chǎn)生大量氮氣填充安全氣囊。 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)生的機械能。圖 3(b)表示了將整體的“黑箱”模型能量 信號模型：應用于 55 分解為許多子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)有相應的能源、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)信號給化學反應裝置，化學反應裝置迅速產(chǎn)生填充氣體和機械能給氣囊。然后司機猛然沖進氣囊，隨后發(fā)生與車廂內(nèi)側的碰撞。要注意司機和氣囊 之間的距離以及氣囊與車廂內(nèi)側之間的距離，因為這兩個距離可以表明機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?。?。讀取 /寫入頭懸浮在磁盤旋轉產(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)的時間分散事件進行建模的符號。表格 1列出了更新的符號及其相應的描述。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)需要進一步關注的問題。另外，系統(tǒng)中可以被用作設計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。因為這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畢業(yè)設計論文 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高速沖擊發(fā)生時沒有普通氣囊處理有效，這是因為這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，來源于氣囊的機械力足以滿足兩種與汽車內(nèi)部撞擊情況下的保護需要。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，來源于氣囊的機械力不足 以滿足任一與汽車內(nèi)部撞擊情況下的保護需要（有害影響）。 下面轉向電腦硬盤驅(qū)動器的例子，當電腦關閉時一片所關心的區(qū)域凸起或者是驅(qū)動器受到一個外部較強的撞擊。當硬盤驅(qū)動器不旋轉時，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。當電腦再次被接通電源時，由磁盤旋轉產(chǎn)生的氣流將讀取 /寫入頭升起，安置在旋轉的臂軸（柱銷）上的永久磁鐵 /電磁石產(chǎn)生足夠的力將旋轉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，設計者可以追蹤事情發(fā)生的先后順序（即流程），可以確定電腦底盤某點受到外界較強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。圖表表明磁場強度是不足的，因此需要標定一個（具體的）位置或區(qū)域。 一種可能的解決方案就是使用更強的磁閉鎖，但是這種方法可能會使在電腦開始工作時旋轉臂釋放發(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將工程設計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)域供工程設計人員甄選出能夠作為解決問題方案一部分的可用資源。更進一步，與傳統(tǒng)的“黑箱”建模不同， 量 信號模型：應用于 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 東大學畢業(yè)設計論文 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) 山東大學畢業(yè)設計論文 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