面向类比思维的创新问题求解过程

石 钎，熊 艳，李 彦，刘龙繁

（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

1 引言

设计是一种创造性的活动。从认知的角度分析，创造源于概念空间的转换，通过不同知识系统之间的映射，将知识从一种情境转换到另一种情境[1]。映射的关键是设计者找到现有问题和已有知识经验在某些方面所具有的相似特征[2-3]，这个过程需要设计者的联想，找到两者间的联系。类比作为人类思维的基本特点，是实现知识迁移的有效途径[4]，基于类比思维的创新问题求解是通过知识和设计问题之间的映射关系，完成设计问题求解[1]。从类比思维的角度对创新设计问题求解过程进行探究能有效实现跨领域知识的发现及迁移。

类比思维的认知过程如下：（1）形成一个问题领域的表征；（2）在记忆中对知识资源进行编码；（3）从记忆中找到一个合适的类比对象，这是类比推理过程中最难也是最关键的一环[5]；（4）找出问题和知识资源间的映射关系，完成知识的迁移。基于类比思维的创新问题求解是设计者对问题进行表征后，依据某些特征的相似获取设计知识，并进行知识的迁移、转换和组合的过程，实现知识向设计问题的迁移，从而得到解决问题的创新概念。文献[3，6]认为设计者依据当前问题的某些特征相似，会联想到先前案例或由案例提取出的抽象信息。一方面，这些抽象信息有助于理解新情境或解决具有相同抽象信息的问题，抽象信息体现为对问题的某些信息进行抽象性描述；另一方面，表面内容（即语义信息）相似是获取同问题相关信息的基本途径[7]。通过设计问题抽象信息和表面内容两个层次的相似特征，可以有效实现类比源的获取，并保证创新概念的质量和数量[8]。

现阶段很多学者基于类比创新问题求解进行了研究，如：文献[9]利用WordTree方法从功能角度重新表征设计问题，引导设计者从不同功能层次对设计问题进行思考，形成不同的问题表征；文献[10]提出基于通用属性和通用操作的生物和技术功能的形式化描述方法，实现生物原型转化为技术系统；文献[11]定义了一种关键功能，并基于关键功能的相似性检索资源库中跨领域知识；文献[12]从重现功能、映射功能和关键功能三个方面定义了功能概念，以帮助设计者更好的获取合适的类比源；文献[13]针对专利知识的功能和表面内容提出一种组合专利语义分析的贝叶斯算法，从功能和语义相似获取跨领域类比源。以上研究主要从功能方面对类比源获取方法进行了研究，没有侧重于从实现功能的行为及结构的角度对相似性进行研究，不利于近、远领域的类比源发现。尽管文献[14]基于功能-行为-结构知识表达体系进行产品的类比设计，从功能和行为的相似获取类比源；文献[15]基于结构-行为-功能知识表示结构，将生物知识从功能和行为两个角度进行描述，并通过功能和行为的相似关系将其应用于设计系统，但其只给出了设计检索的宏观思路。功能仅从“为什么”的角度描述相似特征，类比层次较高，缺乏从“如何实现”和“实现的主体”的类比层次角度考虑相似特征。设计者往往将设计意图转换为产品功能[16]，科学效应的应用为实现功能的行为提供原理支撑[17]，进一步转化为具体的结构加以实现，同时，以上研究较少考虑不同的问题表征会形成不同的扩散激励的认知机理[7]，仅从功能的单一角度对设计问题进行表征，不利于激发设计者从不同角度解决设计问题。同时，现有类比源获取方法将表面内容的语义相似和抽象出的功能相似分开进行研究，如仅从功能相似获取的类比源，没有考虑从语义层次的相似对类比源进行近、远领域的划分，不利于设计者形成不同创新层次的概念解，而仅从表面内容的语义层次获取类比源，而没有考虑相似的抽象层次，不利于获取具有创新、独特的跨领域类比源，导致形成创新概念的新颖性低。

因此，从功能、行为及结构的抽象层次和语义层次来描述相似特征，基于类比思维的认知过程，以相似特征为基础构建了一种类比创新问题求解模型，以引导设计者更好的形成创新概念。

2 基于类比思维的创新问题求解过程

类比思维通过建立映射关系把当前领域（源领域）映射到另一个领域（靶领域）[18]，它是人类核心的认知能力之一，其基础是事物、状态及关系之间的相似性[19]。定义源领域与靶领域的设计分别为源设计和靶设计，其初始状态和终止状态分别为源问题与源目标及靶问题与靶目标。类比思维问题求解基本原理，如图1所示。包括以下流程或步骤：（1）靶设计的靶问题已知，是设计者对问题的理解和表示，但靶目标未知，基于靶问题的某些特征，将获取相似的源问题；（2）源设计的源问题与源目标存在对应关系P，P表示求解应用的一系列程序，将P施加于源问题将形成源目标；（3）找出靶问题和源问题的映射关系；④将求解操作源设计的求解程序P应用于靶设计；⑤调整求解程序P至P’，以适用靶设计的求解情境，最终确定靶目标。

图1 类比思维问题求解基本原理Fig.1 The Basic Principle of Analogy Thinking for Problem Solving

将类比思维过程应用于创新设计问题求解，其根据设计问题和已有设计知识的某些特征相似，把知识领域映射到问题领域，最终使问题得到解决[20]。基于类比思维的创新问题求解过程模型包括问题表征、设计检索及映射迁移三个求解步骤，问题空间和知识空间不断映射求解激励设计者形成创新概念，如图2所示。

图2 基于类比思维的创新问题求解过程Fig.2 Design Problem Solving Process Based on Analogical Thinking

问题表征是创新问题求解的开端，基于相似特征从抽象和语义两个层次进行功能表征、行为表征及结构表征；设计检索是基于问题表征并利用某些相似特征进行发散检索的过程，从不同角度、不同方向获取潜在类比源；映射迁移过程通过映射关系将获得的类比源向设计问题进行迁移，实现类比源向目标情境的转换和组合，得到创新概念。其中，设计者对设计问题的理解形成的一系列表征状态构成了问题空间，依据相似特征从知识资源中检索获得的类比源构成了一个知识空间。

相似特征是基于类比的创新问题求解基础，主要从功能、行为及结构三个角度的抽象层次和语义层次对其进行描述，从功能角度关注创新问题的解决目的的相似，从行为角度关注语义层次关注实现目的的行为方式的相似，从结构角度关注解决问题的相关结构的相似，并针对每一个角度从抽象层次和语义层次进行描述，其中语义层次表示具体的领域信息，抽象层次表示提取出的抽象信息。一方面，相似特征引导设计者从多个角度及多个层次思考设计问题并形成表征；另一方面，支撑设计者基于问题表征状态的某些特征的相似从知识资源中获取相应类比源。通过多角度多层次描述相似特征，并引导和支撑设计者进行问题表征和设计检索，有利于设计者从不同角度不同层次进行创新问题解决，激励设计者产生概念解。

2.1 问题表征

问题表征是类比求解的开端，是设计者基于设计问题的初始描述和相关约束，结合个人经验理解问题建立问题表征，这一系列的状态构成了“问题空间”，主要包括以下三个方面：（1）功能表征。对设计问题从功能角度进行表征，利用问题求解的最大化策略，去除加在现有问题上的约束，考虑产品设计的最终目的；（2）行为表征。对设计问题从实现功能的行为中所涉及的效应进行表征，效应常常涉及产品设计问题求解的程序性操作过程和原理性求解方法；（3）结构表征。对设计问题从物理结构和组成部件角度进行表征，利用问题求解最小化策略，在现有问题的约束条件下，考虑实现产品功能所应用的结构框架，如图3所示。针对每一个表征角度，建立问题表征的抽象层次和语义层次表达。抽象层次表达是指对问题表征的语义信息进行抽象化描述，语义层次表达是指对问题语义信息的描述，是设计问题在某一具体领域的语义表达。其中，该表征状态以功能表征为中心，实现物质、能量、信息的输入到输出的转换，行为表征和结构表征为实现功能的手段和具体结构。

图3 问题表征Fig.3 Problem Representation

通过建立多角度多层次的问题表征，将设计问题形式化表征，可以全面系统地理解设计输入。在创新设计问题解决过程中，打破实际输入本身的限制，引导设计者从不同角度及层次对设计问题进行求解。

2.2 设计检索

设计检索阶段是问题求解关键步骤，以相似特征为基础，获取潜在类比源激励设计者形成创新概念，类比源的好坏直接影响创新概念的输出。该过程以问题空间的表征状态为出发点，从抽象层次和语义层次两个方面进行发散检索，以支撑设计者获得更多有效潜在的类比源，该过程，如图4所示。

图4 设计检索过程Fig.4 Design Retrieval Process

（1）抽象层次知识检索。依据问题空间表征状态的抽象层次描述，基于功能基、科学效应及结构的对应关系构建的抽象层本体关系进行知识检索，从而获得结构、功能、效应三种抽象集及与之对应的知识实例。（2）语义层次知识检索。依据设计问题表征状态的语义层次描述，利用构建的语义层本体对语义描述词汇进行扩展，从而获得语义集，再通过语义匹配获得相应的知识实例。

语义层次的发散检索主要获得与问题表征状态语义相关的本领域知识，如解决投影仪散热问题，通过语义层次检索获得的源领域知识主要是与投影仪相关的知识案例。基于抽象层次的发散检索主要获得与设计问题抽象层次相关的抽象类知识及与其对应的各类知识实例，如解决散热问题所应用的原理及对应的知识案例。该检索方法具有以下优势：（1）从功能、行为及结构三个角度获取类比源，并提供了相应的知识支撑，能有效支撑设计者从不同角度对设计问题进行求解；（2）将抽象层次和语义层次相结合的方法进行知识检索，有利于设计者从不同抽象层次进行求解和区分不同距离领域的设计知识，从而形成不同创新层次的概念解。

2.3 映射迁移

映射迁移主要是将设计检索过程中获得的类比源迁移至设计问题中，完成问题求解。该过程通过映射关系确定类比源和表征状态的对应关系，进行知识迁移，将类比源进行转换和组合，从而生成创新概念。映射关系主要反映在类比源和表征状态间功能、行为、结构及相关领域概念的相同或相关。该过程主要由收敛思维进行引导，将注意焦点放在类比源的某一个方面，并将其迁移到设计问题中，设计者依据两者间的映射关系和设计问题的特定情境完成类比源的转换和组合，从而生成创新概念。

映射迁移过程，如图5所示。其中，类比源包括设计检索过程中获取的科学效应、结构及相应的案例知识；表征状态中F表示产品系统中某一部分已经确定的功能、B表示实现该功能的行为，Be为该行为下的子行为、S表示在确定的功能、行为下的结构，Se表示该结构的子结构。该过程主要包括两条路径：（1）依据映射关系确定抽象集中功能、效应或结构的某一功能、科学效应或结构，将其迁移至目标领域的设计问题，表现为现有产品结构或效应能否实现不同的功能（图5中1.2）、实现现有功能能否采用不同的效应原理（图5中1.1）、实现现有功能或效应原理能否采用不同的结构框架（图5中1.3）。同时，抽象集对应的知识实例提供功能、效应或结构在某一领域的具体表现或应用，为设计知识迁移至某一具体领域进行支撑。（2）依据映射关系中的领域概念确定相应的语义集，基于语义相似度将匹配到的知识实例迁移至设计问题中，主要表现为同一领域的知识迁移过程（图2中2）。

图5 映射迁移过程Fig.5 Mapping Migration Process

同时，知识迁移过程中会不断出现新的问题，主要包括：（1）原始设计问题的不断细化，形成新的问题表征；（2）类比源激励下新的问题表征形成；（3）当问题求解遇到困难时，对设计问题的再表征和类比源的重新选择。

3 应用系统框架及示例

3.1 系统框架构建

基于类比的创新问题求解是一个知识空间和问题空间不断映射激励设计者进行创新的过程，需提供不同领域的知识资源，如功能基、科学效应库、专利知识等。因此，将基于类比的创新问题求解模型作为课题组开发的创新设计服务平台（precreap.gotoip55.com）的一个模块进行系统实现，如图6所示。采用浏览器/服务器模式三层体系结构，应用ADO.NET实现.NET平台下的数据访问。Web用户通过浏览器直接请求访问该模块，通过可视化界面实现设计问题梳理，确定设计目标；采用结构化问题表征形式实现功能、行为及结构的表征，并以此为基础得到设计知

识列表，选择相关知识进行映射迁移，最后输出创新概念。

图6 基于类比的创新问题求解模型的系统框架Fig.6 The System Framework of Innovative Problem Solving Model Based on Analogy

3.2 示例

传统波轮式洗衣机因便捷、省电、洗净率高等优势被广泛使用，洗涤时波轮连续转动，利用摩擦作用和水流作用进行洗涤，波轮的结构不同产生的水流也不同，达到的洗涤效果也就不同，但市场上主流的波轮洗衣机存在耗水量大且对衣服磨损率较高的问题，其洗涤效果也有待进一步改善。因此，针对耗水量、衣物磨损及洗涤效果等问题对波轮洗衣机进行改进设计，利用基于类比思维的创新问题求解方法对现有波轮洗衣机进行不同创新层次的问题求解。首先对设计问题进行梳理，如图7所示。

图7 设计问题梳理Fig.7 Clarifying the Design Problem

具体步骤如下：

（1）问题表征。对市场上现有波轮洗衣机进行分析，洗衣机的功能、行为及结构已经确定。根据波轮洗衣机完成的洗涤功能，得到其功能表征的语义层次描述为“清洗污渍”，抽象层次描述为“分离物质”；行为表征的抽象层次描述为摩擦力及冲击波效应，语义层次描述为摩擦作用去渍和水流冲击去污；结构表征的抽象层次描述为波轮，语义层次描述为某一具体结构的波轮。

（2）设计检索。根据上述的问题表征并基于课题组开发的产品创新设计服务平台的创新问题解决模块从各表征角度的抽象层次和语义层次检索相应的设计知识，获得知识列表。首先，根据波轮洗衣机已经确定的功能，分别从抽象层次和语义层次进行检索，得到的知识列表，如图8（a）、图8（b）所示。并分析筛选得到科学效应“振动”、设计案例“一种超声波牙刷”及“搓板洗衣服的原理是什么”等设计知识进行类比问题求解，通过不同的行为实现洗衣功能；其次，根据波轮洗衣机已经确定的功能，针对行为进行知识检索，得到的知识列表如图8（c）所示（基于行为表征的抽象层次检索获得的知识太少，暂没贴图），分析筛选得到专利知识“具有滚动副的叶片式气动马达”进行创新问题求解，通过不同的波轮结构实现现有洗衣机的功能和行为，以达到改善洗涤效果的目的；最后，根据波轮洗衣机已经确定的功能、行为，针对结构进行知识检索，得到图8（d）所示的知识列表（基于结构表征的抽象层次检索获得的相关知识太少，暂没贴图），分析筛选得到专利知识“洗衣机偏心波轮”，结合其它形式的洗衣机结构的优势进行问题求解。

图8 设计检索知识列表Fig.8 Design Retrieving Knowledge List

（3）映射迁移，形成创新概念。结合波轮洗衣机创新设计预期达到的目的，利用设计检索过程中筛选出的设计知识进行类比问题求解。首先，依据相同功能的映射关系，获得实现洗涤功能的不同行为和载体结构，如，将超声波振动分离物质的这一行为迁移至洗衣机，通过一种超声波装置向液体空间传送超声波，实现衣物的洗涤，该方法改变了传统的通过摩擦作用去除污渍，能有效减少衣物的磨损，保证衣物不被缠绕。将实现确定功能和行为的不同载体结构进行创新问题求解，比如，将人工衣物清洗的搓板结构迁移到波轮洗衣机中，在波轮间设置搓板，能使其与衣物充分接触，增强洗涤效果。其次，依据相同功能和行为的映射关系，获得实现该功能和行为的不同载体结构。比如，专利知识“具有滚动副的叶片式气动马达”中将叶片与气缸内壁间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，有效减少了两者间的磨损，提高了效率。因此，可以考虑在波轮盘上设置滚轮，它可随波轮公转并自转，形成锤打、抖动、滚压、高频纵向脉冲的洗涤效果，而且进一步提高了衣物的翻转频率，保证衣物不易缠绕，减小对衣物的磨损。

最后，在相同的功能、行为及结构的映射关系，结合其它形式结构的优势进行问题求解。比如，专利知识“洗衣机偏心波轮”能形成紊乱的水流和不确定的中心，能减少衣物缠绕，提高衣物洗净度，将其迁移至常见的大波轮洗衣机中，形成一种组合式波轮，结合两种波轮的优点。根据以上求解步骤，利用在线创新问题求解系统辅助设计对波轮洗衣机进行了问题求解操作，依次从功能表征、行为表征及结构表征三个方面出发，获取设计知识，并将其迁移至设计问题中，共获得26个创新概念，如表1所示。

在实际的创新问题求解过程中，设计者可以从问题求解的不同角度出发，从而获得产品功能、工作原理及载体结构三个方面的类比源激励。最终，在考虑新颖性、可行性等约束条件，共选取了4个创新概念作为方案输出。同目前的波轮洗衣机相比，新设计的超声波洗衣机利用超声波振动效应作为一个不同的工作原理，而非传统的利用摩擦作用去除衣物污渍，能有效减少衣物缠绕和磨损。从结构角度来看，搓衣板式洗衣机、滚动摩擦式波轮及组合式波轮通过改变波轮的结构，从而解决现有波轮洗衣机存在的问题。

4 结束语

提出从功能、行为及结构的抽象层次和语义层次描述相似特征，并以此为基础，从类比思维的认知过程出发，提出一种基于类比思维的创新问题求解模型，实现问题空间和知识空间不断映射求解形成创新概念，该过程主要包括问题表征、设计检索及映射迁移三个求解步骤。该模型引导设计者从多角度多层次对设计问题进行表征，并基于问题表征状态的某些特征相似，获取不同角度及层次的类比源，有利于设计者扩大有效知识空间，实现不同层次的创新问题求解，以激励设计者更好的形成创新概念。最后，在波轮洗衣机的设计示例中验证了该模型的应用过程。