TRIZ 理論在搜索引擎創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用研究

吳 建

(重慶郵電大學(xué)數(shù)字圖書館技術(shù)部，重慶 400065)

0 引言

傳統(tǒng)搜索引擎，通常指的是收集了因特網(wǎng)上幾千萬到幾十億個網(wǎng)頁并對網(wǎng)頁中的每一個詞(即關(guān)鍵詞)進行索引，建立索引數(shù)據(jù)庫的全文搜索引擎［1］。當(dāng)用戶查找某個關(guān)鍵詞時，所有在頁面內(nèi)容中包含了該關(guān)鍵詞的網(wǎng)頁都將作為搜索結(jié)果返回給用戶。在經(jīng)過復(fù)雜的算法進行排序后，這些結(jié)果將按照與搜索關(guān)鍵詞的相關(guān)度高低，依次排列。隨著互聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)和信息的不斷膨脹，傳統(tǒng)的搜索引擎已逐漸不能滿足用戶搜索信息的需求，主要體現(xiàn)在目前常見的搜索引擎搜索結(jié)果查準(zhǔn)率不高，且不能滿足人們個性化和人性化的要求。比如目前的搜索引擎一般不支持實時信息的搜索、不具有語音交互功能、不支持基于內(nèi)容的多媒體信息搜索等，這直接導(dǎo)致了搜索引擎的用戶體驗不足。

因此，本文利用萃智(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch，TRIZ)［2］理論來挖掘系統(tǒng)中存在的矛盾，并對TRIZ理論中的創(chuàng)新原理進行系統(tǒng)演繹與具體化，以確定解決具體實際問題和矛盾的可行方案，使搜索引擎能夠在最大程度上理解用戶的搜索意圖，為用戶提供真正感興趣的數(shù)據(jù)和信息，并從多角度、多層次改善用戶體驗。由于TRIZ理論并非采用折中尋優(yōu)或妥協(xié)的方法，而是基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律研究整個設(shè)計與開發(fā)過程，在系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計中運用TRIZ理論可以在很大程度上加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程，而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新系統(tǒng)和產(chǎn)品［3］。

1 問題工況及最終目標(biāo)

通過對傳統(tǒng)搜索引擎技術(shù)的分析，為進一步解決該問題，首先需要為問題工況和系統(tǒng)的最終目標(biāo)進行描述。

問題工況:搜索引擎用戶體驗不強。

最終目標(biāo):本系統(tǒng)以實際需求為研究導(dǎo)向，以蘊含豐富信息的互聯(lián)網(wǎng)為研究背景，以語音交互、實時信息搜索、基于內(nèi)容的多媒體信息搜索為主要創(chuàng)新點，以提高搜索引擎的個性化和人性化為研究目標(biāo)，結(jié)合框計算、文本轉(zhuǎn)語音(text to speech，TTS)，語音轉(zhuǎn)文本(speech to text，STT)等先進技術(shù)，研究利用TRIZ理論改進搜索引擎的用戶體驗，從而為用戶提供最需要的信息。

2 問題分析

針對傳統(tǒng)搜索引擎用戶體驗不足的問題，本系統(tǒng)利用TRIZ理論提出問題的解決流程，如圖1所示。

圖1 問題解決流程圖Fig.1 Problem solving process diagram

在傳統(tǒng)的搜索引擎中，由于主要利用關(guān)鍵詞進行文本信息的匹配，以及所使用的中文分詞算法不準(zhǔn)確等原因，導(dǎo)致語義分析不準(zhǔn)確，從而影響網(wǎng)頁摘要和搜索結(jié)果的科學(xué)性，在一定程度上降低了系統(tǒng)的可用性和人性化。

另一方面由于傳統(tǒng)的搜索引擎沒有考慮用戶的搜索歷史，這就會影響系統(tǒng)對用戶的偏好分析，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不支持用戶個性化搜索等服務(wù)，使系統(tǒng)的個性化功能不足。這兩方面都會導(dǎo)致系統(tǒng)的用戶體驗不足，也是影響搜索引擎用戶體驗的主要因素。

針對傳統(tǒng)的搜索引擎所存在的諸多缺陷，我們采用三軸分析法來進一步確定系統(tǒng)的技術(shù)矛盾。

2.1 原因軸分析

通過上面的分析，我們由問題工況出發(fā)，通過原因軸分析，找出造成該問題的根本原因。下面給出原因軸分析的整個過程，如圖2所示。

圖2 原因軸分析圖Fig.2 Analysis diagram of cause shaft

2.2 系統(tǒng)和操作軸分析

圖2中的人性化不足和個性化不足代表問題的切入點，下面我們將主要從系統(tǒng)人性化和個性化不足兩個方面著手解決問題。下面以系統(tǒng)個性化不足為例，給出系統(tǒng)和操作軸的分析結(jié)果，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)和操作軸Fig.3 System and operating shaft

根據(jù)三軸分析法確定了造成問題工況的各種原因，下面我們將根據(jù)上面的分析來尋找技術(shù)矛盾。

3 系統(tǒng)解決方案

在對問題進行描述和分析之后，就需要進一步確定問題的解決方案，圖4是利用TRIZ理論提出來的確定系統(tǒng)解決方案的思路。

圖4 系統(tǒng)解決方案Fig.4 System solution diagram

3.1 利用技術(shù)矛盾尋求解決方案

解決技術(shù)矛盾，首先需要將一個用通用語言描述的待解決的具體問題，轉(zhuǎn)化為利用39個通用工程參數(shù)描述的技術(shù)矛盾。然后，針對這種類型的問題模型，通過建立矛盾矩陣找到對應(yīng)的解決原理。

依據(jù)這些創(chuàng)新原理，經(jīng)過演繹與具體化，最終找到解決具體實際問題的一些可行方案。解決技術(shù)矛盾的常用模式如圖5所示。

圖5 技術(shù)矛盾的解題模式Fig.5 Problem solving model for technical contradiction

首先，定義技術(shù)矛盾。

步驟1 提出待解決問題:系統(tǒng)人性化和個性化功能不足;

步驟3 提出現(xiàn)有解決方法存在的問題:成本提高，數(shù)據(jù)處理更復(fù)雜。

上述步驟和方法對系統(tǒng)產(chǎn)生如下影響:①改善了系統(tǒng)性能:可以為用戶提供多種類型的信息，并在一定程度上提高搜索效率;②惡化了用戶體驗:不僅沒有從根本上改善用戶體驗，還會影響搜索引擎的查全率和查準(zhǔn)率，增加服務(wù)器的計算量。因此我們提煉出的技術(shù)矛盾是:用戶體驗—保證查全率和查準(zhǔn)率。

然后，通過查找矛盾矩陣表，可以找到解決這一矛盾的創(chuàng)新原理編號為:1，5，10，23，它們各自對應(yīng)的解決方案如下［4］。

1)分割原理。把一個物體分成相互間獨立的幾個部分;把一個物體分成容易組裝和拆卸的部分;提高系統(tǒng)的可分性，以實現(xiàn)系統(tǒng)的改造。

2)組合原理。在空間上，將相同的物體或相關(guān)操作加以組合;在時間上，將相同或相關(guān)的操作進行合并;將新材料、新技術(shù)引入到老系統(tǒng)中，在時間和空間上加以組合，可以提高系統(tǒng)性能。

3)預(yù)先作用原理。預(yù)先對物體(全部或部分)施加必要的改變;預(yù)先安裝物體，使其在最方便的位置，開始發(fā)揮作用而不浪費運送時間。

4)反饋原理。在系統(tǒng)中引入反饋;如果已引入反饋，改變其大小或作用;將系統(tǒng)發(fā)生改變所產(chǎn)生的信息，都視作一種反饋信息源，用來執(zhí)行校正系統(tǒng)的作用;若使用反饋，則設(shè)法來改變其反饋幅度。

中國八個民主黨派中，中國致公黨（以下簡稱“致公黨”）因成立時間最早（1925年），且在海外（美國舊金山）以及與洪門有歷史淵源等特點，向來為學(xué)者所關(guān)注。從縱向看，關(guān)于致公黨歷史的研究開始較早，民國時期便有相關(guān)著作對其早期歷史進行闡述。新中國成立后，致公黨的歷史研究在相當(dāng)長的一段歷史時期不被重視或因諸多限制而長期停步不前。中共十一屆三中全會后，致公黨的歷史研究全面步入正軌。從橫向看，在政黨史的研究范疇中，致公黨的歷史研究相較于清末政團、民國初期政黨、中國國民黨、中國共產(chǎn)黨的歷史研究還較薄弱，存在論述框架較單一、缺乏對事件的細(xì)致考察、囿于政治性而對事件語焉不詳或張冠李戴的現(xiàn)象。

根據(jù)上面提到的創(chuàng)新原理，我們給出下面幾種解決方案。

應(yīng)用分割原理得到解決方案一:根據(jù)系統(tǒng)功能模塊的不同，將搜索引擎系統(tǒng)設(shè)計成相對獨立的幾部分，但是這幾部分之間又是協(xié)同工作的。同時，對每一個功能模塊分別進行算法上的改進，以改善用戶體驗。

1)網(wǎng)絡(luò)爬蟲的設(shè)計與改進。為了提高信息的多樣性，系統(tǒng)需要抓取不同類型的信息。對于這個問題，可以采取多主題分布式網(wǎng)絡(luò)爬蟲，即由一個網(wǎng)絡(luò)爬蟲控制程序通過創(chuàng)建不同類型的爬取進程到不同的網(wǎng)絡(luò)上爬取信息，并將爬取的結(jié)果進行科學(xué)的分類。

2)索引器的設(shè)計與改進。在對索引器進行改進時，需要對中文分詞、網(wǎng)頁過濾和語義分析等算法進行較深入的研究?？梢栽诂F(xiàn)有的中文分詞算法中增加詞性標(biāo)注的功能，以進一步提高語義分析的性能。而且，也可以在索引器的設(shè)計中引入人工智能的技術(shù)來改善語義分析的性能。

另一方面，還需要在網(wǎng)頁過濾的過程中利用實體信息抽取技術(shù)對其進行改進，這不僅會提高網(wǎng)頁排名的科學(xué)性，而且有利于系統(tǒng)自動生成更加準(zhǔn)確的網(wǎng)頁摘要。

3)檢索器的設(shè)計與改進。用戶在使用搜索引擎進行信息搜索時，主要面對的是檢索器部分。可以考慮在索引器設(shè)計中增加框計算、語音識別、用戶偏好分析等功能，這樣可以提高系統(tǒng)的智能性，使系統(tǒng)更加人性化和個性化，最終的效果是改善了搜索引擎的用戶體驗。

應(yīng)用組合原理得到解決方案二:隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于Internet和物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的信息搜索技術(shù)逐漸成為了一個研究的熱點，可以滿足更多用戶對系統(tǒng)的要求。

應(yīng)用預(yù)先作用原理得到解決方案三:可以將用戶的搜索歷史保存在數(shù)據(jù)服務(wù)器上，這樣就可以保證在用戶進行搜索之前完成用戶的偏好分析(需要對用戶進行認(rèn)證)，為用戶提供更多的個性化服務(wù)。

應(yīng)用反饋原理得到解決方案四:將用戶的搜索操作記錄不斷地添加到用戶搜索歷史數(shù)據(jù)庫中，作為一種反饋信息源來調(diào)整用戶的搜索偏好分析。

3.2 利用其他創(chuàng)新原理解決方案

通過上面的分析，我們得出一些解決方案。另外，我們還可以參照其他的一些創(chuàng)新原理來尋求新的解決方案。

局部質(zhì)量原理:將物體、環(huán)境和外部作用的均勻結(jié)構(gòu)，變?yōu)椴痪鶆虻?讓物體的不同部分具有不同功能;讓物體的各部分，均處于完成各自動作的最佳狀態(tài)［5］。

對應(yīng)解決方案:系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)服務(wù)器和Web服務(wù)器進行分離，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的性能，還能保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。

另外，根據(jù)分割原理可以采用模型-視圖-控制器(model view controller，MVC)模式［6］來設(shè)計系統(tǒng)。MVC模式是一種在軟件設(shè)計中比較流行的設(shè)計模式，它是將一個開發(fā)應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯處理和分析模塊、系統(tǒng)表示層以及控制功能在3個不同的層上進行設(shè)計和實現(xiàn)，MVC最大的優(yōu)勢就是提高了系統(tǒng)模塊的可重用性，體現(xiàn)了系統(tǒng)的高聚合和低耦合特性，并且具有較高的可讀性和可維護性。由于MVC自身的優(yōu)勢，可以在很大程度上提高項目開發(fā)的效率。而且，隨著基于瀏覽器/服務(wù)器(browser/server，B/S)模式應(yīng)用系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，針對Web網(wǎng)絡(luò)程序快速設(shè)計和開發(fā)的MVC框架也逐漸成為新的研究熱點［7］。

模型、視圖與控制器的分離，使得一個模型可以具有多個顯示視圖。如果用戶通過某個視圖的控制器改變了模型的數(shù)據(jù)，所有其他依賴于這些數(shù)據(jù)的視圖都應(yīng)反映這些變化。因此，無論何時發(fā)生了何種數(shù)據(jù)變化，控制器都會將變化通知所有的視圖，導(dǎo)致顯示的更新。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計方案

在系統(tǒng)中，利用多主題分布式搜索引擎不斷爬取各種網(wǎng)頁和多媒體信息資源，并對這些信息進行智能分類;然后利用改進的索引器對這些信息建立索引;用戶在使用搜索引擎進行信息搜索時，可以通過文本或者語音的形式來檢索信息，索引器通過語義分析、用戶偏好分析等復(fù)雜的處理過程后，返回給用戶最感興趣的信息，使系統(tǒng)更加人性化和個性化。利用TRIZ理論改進后的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計方案Fig.6 System innovation design

最終的設(shè)計方案不僅可以改善搜索引擎的用戶體驗，同時還保證了搜索引擎的查全率和查準(zhǔn)率。

為了進一步測試系統(tǒng)的查準(zhǔn)率和有效性，本文進行查準(zhǔn)率實驗。在測試過程中，由人工判斷和分析檢索結(jié)果，從而計算出查準(zhǔn)率。系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)是在局域網(wǎng)上抓取500個左右的網(wǎng)頁，然后建立索引庫。第一次用傳統(tǒng)的檢索算法，并隨機選取了50個關(guān)鍵詞進行檢索，然后統(tǒng)計檢索結(jié)果的前5，10，15，20，25，30 條檢索結(jié)果的平均查準(zhǔn)率;再用改進后的檢索算法對同樣的關(guān)鍵詞進行檢索。2次測試的平均查準(zhǔn)率如圖7所示。

4 結(jié)論

本文主要研究TRIZ理論在搜索引擎創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用，通過對系統(tǒng)技術(shù)矛盾的分析，提出了系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計方案，以幫助對搜索引擎用戶體驗不足缺陷的改進。TRIZ理論的核心是技術(shù)進化原理，利用這一理論可以使技術(shù)系統(tǒng)一直處于進化和推進過程中，解決沖突是其進化的內(nèi)力。

圖7 傳統(tǒng)算法與改進后算法的查準(zhǔn)率對比Fig.7 Precision comparison between the traditional algorithm and the improved algorithm

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