面向跨學(xué)科的問題流網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化過程模型

孫建廣，李浩宇，王 康，王 宇，張路路

(1.河北工業(yè)大學(xué) 國家技術(shù)創(chuàng)新方法與實(shí)施工具工程技術(shù)研究中心，天津 300401； 2.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300401)

1 問題的提出

作為解決科學(xué)技術(shù)問題的重要途徑，跨學(xué)科研究的發(fā)展處于明顯的上升階段[1]。PORTER等[2]認(rèn)為跨學(xué)科是從不同知識領(lǐng)域集成研究所需要素和解決超出單一學(xué)科研究的問題；ALLEN[3]認(rèn)為跨學(xué)科是試探式、反復(fù)式、反省式的決策進(jìn)程；章成志等[4]認(rèn)為相關(guān)定義雖然不統(tǒng)一，但是都強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的組織過程具有集成、共享與合作的特點(diǎn)。在工程設(shè)計(jì)過程中，ERTAS[5]認(rèn)為實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科創(chuàng)新需要在多個(gè)工程領(lǐng)域之間形成一個(gè)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。

TERNINKO等[6]認(rèn)為專利主要包括機(jī)械、電磁學(xué)、化學(xué)和熱力學(xué)4個(gè)技術(shù)學(xué)科，設(shè)計(jì)人員可從如圖1所示的4個(gè)學(xué)科領(lǐng)域擴(kuò)展知識。王朝霞等[7]指出從專利提取重要技術(shù)方案信息可以避免重復(fù)設(shè)計(jì)；劉龍繁等[8]指出知識范圍越大，知識層次越高，越有助于從不同角度認(rèn)識問題。

GOOCH等[9]認(rèn)為跨學(xué)科既提供創(chuàng)新機(jī)會，也面臨如何實(shí)現(xiàn)協(xié)同的困難；ARROYAVE等[10]認(rèn)為跨學(xué)科工程設(shè)計(jì)需要一個(gè)普適化的框架。因此，有必要探索解決工程技術(shù)方面跨學(xué)科問題的技術(shù)創(chuàng)新方法。

ALTSHULLER通過分析大量高級專利提出發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving, TRIZ)[11]，在如圖2所示的模型中，采用類比將具體領(lǐng)域問題表征為問題模型，利用TRIZ工具找到原理解；然后在第二次類比過程中注入跨學(xué)科知識，將原理解轉(zhuǎn)化為具體領(lǐng)域解。因此，設(shè)計(jì)人員利用TRIZ可以從多領(lǐng)域知識獲得啟發(fā)，突破自身思維限制[12]。Altshuller開發(fā)一套解決發(fā)明問題算法——ARIZ，用于感知-分析-響應(yīng)決策流程中解決有序領(lǐng)域問題頗有成效[13-14]。然而，跨學(xué)科問題內(nèi)含大量對象與參數(shù)聯(lián)系，其背后的沖突為動態(tài)性變化，利用ARIZ逐個(gè)解決沖突時(shí)產(chǎn)生的方案缺少關(guān)聯(lián)性[15]。可見ARIZ雖然能夠從多元視角分析跨學(xué)科問題，但是難以促進(jìn)協(xié)同，因此KHOMENKO等[13]和CAVALLUCCI等[16]發(fā)展了一種用于管理與解決跨學(xué)科問題的強(qiáng)勢思維一般理論(General Theory of Powerful Thinking, OTSM)。

OTSM[13]旨在從描述初始問題到獲得滿意概念解的過程中，通過網(wǎng)絡(luò)描述跨學(xué)科問題的復(fù)雜情況，利用“元素-名稱-量值”(Element-Name-Value,ENV)模型規(guī)范表達(dá)多個(gè)沖突。國內(nèi)外研究分為構(gòu)建問題網(wǎng)、選擇關(guān)鍵問題、管理沖突網(wǎng)、描述沖突4個(gè)方面。

在構(gòu)建問題網(wǎng)方面，KHOMENKO等[17]首先提出問題網(wǎng)的構(gòu)建步驟；CAVALLUCCI等[16,18]將問題網(wǎng)分為問題域和半效解域，分別提取不滿意的評價(jià)參數(shù)和改變設(shè)計(jì)的行動參數(shù)，并提出4種網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方式；張建輝等[19]利用物元模型規(guī)范描述問題的對象、特征和量值。

在選擇關(guān)鍵問題方面，KHOMENKO等[17]考慮底層網(wǎng)絡(luò)有許多未知情況，優(yōu)選接近改善目標(biāo)的子問題；BORGIANNI等[20]引入層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)篩選最佳半效解；張建輝等[19]提出5種判別關(guān)鍵問題的依據(jù)。

在管理沖突網(wǎng)方面，ELTZER等[21]通過挖掘中間參數(shù)收斂網(wǎng)絡(luò);CAVALLUCCI等[16,22]通過計(jì)算沖突之間影響子序列數(shù)確定關(guān)鍵沖突,并利用“沖突云”模型定量分析與篩選關(guān)鍵沖突群；BALDUSSU等[23]考慮“最大滿足需求”與“最小改動設(shè)計(jì)”提取核心沖突；張建輝等[19]提出定性和定量組合分析沖突；WANG等[24]引入層次分析法分析沖突與參數(shù)權(quán)重，并結(jié)合最短路徑算法(Floyd-Warshall algorithm)搜索求解路徑。

在描述沖突方面，KHOMENKO等[25]指出行動參數(shù)有兩個(gè)不相容取值范圍，分別滿足兩個(gè)評價(jià)參數(shù)，并在沖突網(wǎng)中利用雙目標(biāo)ENV模型表達(dá)沖突；為了突出行動參數(shù)的相反取向，CAVALLUCCI等[15-16]將雙目標(biāo)ENV模型轉(zhuǎn)換至陰陽魚模型；張建輝等[19]與BALDUSSU等[23]認(rèn)為多目標(biāo)ENV模型中同一元素的行動參數(shù)可以影響多個(gè)評價(jià)參數(shù)，形成多目標(biāo)沖突；周賢永[26]認(rèn)為OTSM的ENV模型與可拓學(xué)的OCV模型有等價(jià)關(guān)系，可將沖突轉(zhuǎn)化為對立問題或不相容問題，通過可拓創(chuàng)新方法拓展雙目標(biāo)沖突的求解方向。

現(xiàn)有研究很少從跨學(xué)科角度構(gòu)建問題網(wǎng)、關(guān)注橫向參數(shù)影響以及確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)有問題網(wǎng)模型缺少層次性，模糊了因果邏輯關(guān)系和參數(shù)之間的影響聯(lián)系。選擇關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)沒有考慮不同學(xué)科之間的聯(lián)系，因此求解方向比較發(fā)散。目前還沒有一個(gè)完整地圍繞參數(shù)展開從定量分析到獲取沖突求解路徑的方法，難以協(xié)同不同學(xué)科領(lǐng)域研究成員客觀評價(jià)沖突重要度并有順序地求解沖突。另外，為了滿足不同學(xué)科領(lǐng)域研究成員的技術(shù)要求，跨學(xué)科問題不可避免地包含多目標(biāo)沖突，采用多目標(biāo)ENV模型有利于構(gòu)建收斂的沖突網(wǎng)，但難以轉(zhuǎn)換至雙目標(biāo)陰陽魚模型，并在使用沖突矩陣時(shí)面臨選擇參數(shù)問題，形成如圖3所示的兩種模型表達(dá)方式之間的沖突。

本文研究意義在于提高OTSM在求解跨學(xué)科問題過程的收斂性，根據(jù)跨學(xué)科研究的協(xié)同特點(diǎn)整合與改進(jìn)現(xiàn)有研究方法，構(gòu)建跨學(xué)科問題流網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)化過程模型，體現(xiàn)在如下方面：①初步提出一個(gè)縱向體現(xiàn)子問題域、半效解域、深層域，橫向體現(xiàn)跨學(xué)科參數(shù)聯(lián)系的問題網(wǎng)構(gòu)建方法，并確定具有協(xié)同性關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)；②為提高定量分析沖突的有效性，改進(jìn)沖突網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)模型并改進(jìn)沖突求解路徑算法；③進(jìn)一步闡明沖突網(wǎng)的管理作用與參數(shù)網(wǎng)的求解作用，并提出四相參數(shù)模型，解決ENV模型兩種表達(dá)方式之間的沖突。

本文在消除問題背景差異化方面的研究仍然存在短板。在跨學(xué)科問題網(wǎng)中僅利用可拓基元模型規(guī)范描述節(jié)點(diǎn)內(nèi)容，為了體現(xiàn)彼此之間的差異性，需要利用個(gè)性化參數(shù)描述節(jié)點(diǎn)，并在后續(xù)構(gòu)建與管理一個(gè)收斂的沖突網(wǎng)，再將關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的個(gè)性化參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?9個(gè)通用工程參數(shù)。另外，在構(gòu)建半效解域方面通過專利搜索獲取外部知識，然而人工分析與提取專利文本的效率較低，研究搭建網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的聯(lián)系依賴研究成員的學(xué)習(xí)和認(rèn)識。

2 跨學(xué)科問題網(wǎng)的構(gòu)建

2.1 現(xiàn)有OTSM問題網(wǎng)及其發(fā)展方式

KHOMENKO等[17]認(rèn)為問題網(wǎng)作為一種描述多個(gè)問題與連接關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)，包括子問題和半效解兩種節(jié)點(diǎn)。CAVALLUCCI等[18]在問題網(wǎng)的基礎(chǔ)上提出如圖4所示的4種構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的方式，包括問題分解、問題求解、方案分解和衍生問題挖掘。在問題分解過程中將初始問題分解為子問題和更深層次的子問題，在問題求解過程中針對子問題試探性地構(gòu)想解決方案，在方案分解過程中進(jìn)一步細(xì)化半效解方案，以形成不同的子方案。相對于整體系統(tǒng)，僅解決子問題、有待完善細(xì)化和具有衍生問題的方案稱為半效解，問題網(wǎng)中的半效解節(jié)點(diǎn)針對每個(gè)半效解都可以挖掘相應(yīng)的衍生問題，形成新的問題節(jié)點(diǎn)。通過構(gòu)建問題節(jié)點(diǎn)和半效解節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系，逐漸形成有向網(wǎng)絡(luò)。

2.2 跨學(xué)科問題網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)

KHOMENKO等[27]建議研究團(tuán)隊(duì)將初始問題分解為不同學(xué)科的子問題并發(fā)展各自的子網(wǎng)絡(luò)，但未明確具體方法。本文為進(jìn)一步明確描述網(wǎng)絡(luò)中因果邏輯關(guān)系與參數(shù)之間的影響聯(lián)系，在原有問題網(wǎng)的構(gòu)建步驟[17]與發(fā)展方式[18]基礎(chǔ)上提出一種面向跨學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)縱向分為子問題域、半效解域和深層域3個(gè)層次。

本文利用根原因分析方法[11]，根據(jù)研究成員掌握的個(gè)人知識和研究過程中學(xué)習(xí)的外部知識逐步分解問題，同時(shí)界定子問題的學(xué)科領(lǐng)域，從而將工作分配給研究成員，并定義由一群具有因果邏輯關(guān)系的節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)為子問題域。在分解問題的過程中，不針對自然科學(xué)極限、法律與成本極限等因素進(jìn)行深入分析，因此不超出研究成員所掌握的技術(shù)知識范圍?？鐚W(xué)科問題網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系如圖5所示，圖中“Or”和“And”表示子問題域中的“或”和“與”邏輯關(guān)系，Pb表示子問題，PS表示半效解。子問題Pb.3和Pb.4為“或關(guān)系”，只要其中一個(gè)存在就會造成問題Pb.1，因?yàn)槎邔儆诓煌瑢W(xué)科領(lǐng)域，所以分配相應(yīng)的研究成員發(fā)展后續(xù)網(wǎng)絡(luò)；子問題Pb.5和Pb.6為“與”關(guān)系，只有二者同時(shí)存在才會引發(fā)子問題Pb.3。

本文選擇將研究團(tuán)隊(duì)知識范圍內(nèi)、具有可控性和可操作性的子問題作為根原因，搜索現(xiàn)有相關(guān)專利技術(shù)方案作為半效解，并構(gòu)建半效解之間的聯(lián)系，以形成半效解域，例如圖5中根原因Pb.5的半效解PS.1，PS.2，PS.4，PS.5組成的中部網(wǎng)絡(luò)為半效解域。從整體系統(tǒng)角度考慮，由于某一學(xué)科領(lǐng)域的研究成員所掌握的知識范圍有限，所采取的半效解會引發(fā)其他學(xué)科領(lǐng)域的問題，例如圖5中半效解PS.2不僅具有本學(xué)科領(lǐng)域的衍生問題Pb.9,還衍生超出個(gè)別研究成員知識范圍的子問題Pb.10，需要其他掌握相關(guān)知識的研究成員協(xié)同解決，在半效解PS.2與子問題Pb.10之間產(chǎn)生跨學(xué)科橫向參數(shù)影響聯(lián)系。本文定義如圖5中以Pb.8，Pb.9，Pb.10，Pb.11為代表的衍生問題所組成的底部網(wǎng)絡(luò)為深層域，通過逐層構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)與挖掘橫向參數(shù)聯(lián)系，形成如圖6所示的金字塔式層次結(jié)構(gòu)。在子問題域中，為了改善其中一個(gè)根原因問題，需要從半效解域中獲得技術(shù)方案，但會引發(fā)深層域中的衍生問題，其中隱藏著必須解決的沖突。

2.3 基于可拓基元模型的問題與半效解描述

跨學(xué)科問題網(wǎng)匯聚了不同學(xué)科的知識資源，研究成員的自然語言難以清楚表達(dá)子問題與半效解的本質(zhì)，需要一種規(guī)范表達(dá)形式來突出重點(diǎn)內(nèi)容?？赏貙W(xué)[28]建立了物元、事元、和關(guān)系元的概念，將其統(tǒng)稱為基元，基元將質(zhì)與量、動作與關(guān)系的相應(yīng)特征置于一個(gè)三元組中，可以形式化地描述物、事和關(guān)系。研究成員通過學(xué)習(xí)基元模型并進(jìn)行交流，人工分析文本和提取三元組，建立問題與半效解列表，從而消除學(xué)科背景，突出所要描述的對象、參數(shù)及其量值。

2.3.1 基于物元模型的問題描述

通過式(1)所示的物元模型，以物Om為對象，cm為特征，Om關(guān)于cm的量值vm構(gòu)成三元組描述問題[28]。如表1所示，問題Pb.1的描述對象為接口端子，特征為安全載流量，其量值較低，因此需要提高。

M=(Om,cm,vm)。 (1)

表1 問題規(guī)范描述

2.3.2 基于事元模型的半效解描述

通過如式(2)所示的事元模型三元組描述半效解，Oa，ca和va分別表示動作、動作的特征以及關(guān)于特征所取的量值，動作基本特征有支配對象、施動對象、接受對象與位置等[28]。表2表示半效解PS.1的技術(shù)方案為冷卻液對接口端子的尾部外表面位置施加降溫動作，即“降低”為動作，“冷卻液”和“接口端子”分別是動作的施加和接受對象，“溫度”是接口端子被期望改善的參數(shù)，是動作的支配對象，“尾部外表面”則進(jìn)一步描述施加動作的具體位置。

A=(Oa,ca,va)。 (2)

表2 半效解規(guī)范描述

2.4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的選擇

文獻(xiàn)[29]認(rèn)為研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)從整體和局部認(rèn)識跨學(xué)科問題，把握問題內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，研究團(tuán)隊(duì)從多個(gè)學(xué)科視角分析問題，拓展問題網(wǎng)的構(gòu)建規(guī)模與求解方向。然而現(xiàn)有關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的確定方法較少考慮學(xué)科彼此之間的關(guān)聯(lián)，容易將單學(xué)科視角中的關(guān)鍵問題均轉(zhuǎn)化為沖突，偏離問題流轉(zhuǎn)化過程的收斂思想，因此本文提出一種確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的方法。

因?yàn)轫敳孔訂栴}域描述因果邏輯關(guān)系，所以先確定每個(gè)局部子問題域的根原因。中部半效解域描述各種解決根原因問題的技術(shù)方案，針對同一個(gè)根原因，可能有多個(gè)在技術(shù)結(jié)構(gòu)方面存在巨大差異的半效解，例如圖5中根原因Pb.5的半效解PS.1與PS.2代表兩種技術(shù)路線，研究團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)實(shí)際研發(fā)情況選擇主要研發(fā)方向。深層域描述各子問題之間的橫向參數(shù)聯(lián)系，考慮到跨學(xué)科研究所需的協(xié)同特點(diǎn)，本文優(yōu)先選擇與替它節(jié)點(diǎn)有較多關(guān)聯(lián)并與不同學(xué)科領(lǐng)域中的子問題有橫向參數(shù)聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)，例如圖5中半效解PS.2可作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)通過三步法在規(guī)模較大和求解方向發(fā)散的跨學(xué)科問題網(wǎng)中找到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將其轉(zhuǎn)換為沖突網(wǎng)，以促進(jìn)協(xié)同研究。

3 沖突網(wǎng)的構(gòu)建與評價(jià)

3.1 基于ENV模型沖突網(wǎng)的構(gòu)建

關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)內(nèi)含各學(xué)科研究成員所采取的不同半效解之間的沖突，半效解之間通過參數(shù)互相關(guān)聯(lián)和影響，解決關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)內(nèi)部沖突有利于協(xié)同不同學(xué)科成員的求解方向，即關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是解決跨學(xué)科問題的入手點(diǎn)。因此，研究成員需要提取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及其關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)規(guī)范描述中的元素、行動參數(shù)、評價(jià)參數(shù)和量值，并填入ENV模型，以規(guī)范形式描述沖突，并將原有個(gè)性化描述的評價(jià)參數(shù)轉(zhuǎn)化為39個(gè)通用工程參數(shù)，以進(jìn)一步消除評價(jià)參數(shù)的學(xué)科背景。

TCi=(APi,EP1,EP2)；

(3)

TCi=(APi,EP1,EP2,…,EPj)。

(4)

為了明確沖突之間的相互影響方式，本文將橫向參數(shù)聯(lián)系分為3種：①行動參數(shù)之間存在影響子序列，如圖7中的空心箭頭聯(lián)系S1；②不同沖突之間共有相同評價(jià)參數(shù)，如圖7中的虛線聯(lián)系S2；③評價(jià)參數(shù)之間存在影響子序列，如圖7中的實(shí)心箭頭聯(lián)系S3。

3.2 參數(shù)與沖突的定量評價(jià)方法

跨學(xué)科問題所在的技術(shù)系統(tǒng)是一個(gè)由眾多因素相互影響且需要不同學(xué)科知識理解的復(fù)雜系統(tǒng)[11,13]，為了綜合考慮不同學(xué)科領(lǐng)域的需求并協(xié)同解決相應(yīng)的沖突，需要通過網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)表達(dá)內(nèi)在的參數(shù)關(guān)聯(lián)，并定量分析參數(shù)的相對權(quán)重與沖突的影響范圍，考慮不同研究成員在評價(jià)過程中存在一定的主觀性和學(xué)科領(lǐng)域傾向性，以及需要同時(shí)評價(jià)多目標(biāo)與雙目標(biāo)沖突，本文在“沖突云”模型[22]基礎(chǔ)上加以改進(jìn)并引入AHP[30]，為后續(xù)搜索路徑算法提供權(quán)重。行動參數(shù)、評價(jià)參數(shù)與沖突的定量評價(jià)分為如下4部分。

3.2.1 行動參數(shù)的重要度OXAPi

沖突網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)模型如圖8所示，其以協(xié)同提升整體技術(shù)系統(tǒng)性能為評價(jià)目標(biāo)，將行動參數(shù)、評價(jià)參數(shù)分別列于方案層、準(zhǔn)則層。每個(gè)研究成員將自己所關(guān)注的評價(jià)參數(shù)與其他同類參數(shù)兩兩比較，以1～9及其倒數(shù)為評價(jià)尺度建立相對重要判斷矩陣。經(jīng)過一致性檢驗(yàn)后，獲取評價(jià)參數(shù)相對權(quán)重REPj和優(yōu)化值OREPj。 由于每個(gè)評價(jià)參數(shù)受不同學(xué)科領(lǐng)域研究成員所采取半效解行動參數(shù)的影響，研究成員需兩兩比較影響自己所關(guān)注評價(jià)參數(shù)的行動參數(shù)，形成相應(yīng)判斷矩陣并計(jì)算相對權(quán)重RAPi，在互相對比評價(jià)過程中激發(fā)研究成員之間的跨學(xué)科交流。最終行動參數(shù)的相對權(quán)重RAPi分別乘以相關(guān)評價(jià)參數(shù)的相對權(quán)重REPj，將所得計(jì)算結(jié)果相加，獲得行動參數(shù)的重要度OXAPi。

3.2.2 技術(shù)沖突的影響范圍OYTCi

從協(xié)同的角度考慮，由于已被解決沖突中的評價(jià)參數(shù)被改善，而與已被解決沖突有參數(shù)影響子序列關(guān)系和共有評價(jià)參數(shù)關(guān)系的待解決沖突應(yīng)在前者解決方案的基礎(chǔ)上尋求后續(xù)解決方案。因此，有必要統(tǒng)計(jì)每個(gè)沖突之間的影響范圍并將其轉(zhuǎn)化為相對權(quán)重。用如下公式計(jì)算技術(shù)沖突的影響范圍：

(5)

(6)

式中：QCEPj和QSEPj分別為沖突中第j個(gè)評價(jià)參數(shù)EPj的出現(xiàn)次數(shù)和影響子序列數(shù)；Yi和OYTCi分別為第i個(gè)技術(shù)沖突的絕對影響與相對影響。

3.2.3 物理沖突的影響范圍OZPCi

行動參數(shù)是解決沖突的核心，研究成員應(yīng)將技術(shù)沖突轉(zhuǎn)化為物理沖突，并將關(guān)注點(diǎn)從技術(shù)沖突中的評價(jià)參數(shù)轉(zhuǎn)移至物理沖突中的行動參數(shù)。同理，行動參數(shù)之間的相互影響也會影響后續(xù)物理沖突的解決，有必要考慮解決物理沖突中行動參數(shù)的影響范圍，即

(7)

式中：QSAPi為第i個(gè)物理沖突的行動參數(shù)影響其他同類參數(shù)的影響子序列數(shù)；OZPCi為第i個(gè)物理沖突在網(wǎng)絡(luò)中的相對影響。

3.2.4 沖突綜合權(quán)重RCi

由于參數(shù)彼此關(guān)聯(lián)，在綜合考慮行動參數(shù)重要度與沖突的兩種影響范圍的情況下，研究成員將從提升整體技術(shù)系統(tǒng)的角度進(jìn)行協(xié)同定量分析。本文通過式(8)綜合上述3種評價(jià)權(quán)重，獲得沖突的綜合權(quán)重RCi，并定義權(quán)重最大的沖突為核心沖突，其余按照權(quán)重由大到小的排序分為重要沖突和一般沖突。

(8)

3.3 參考求解路徑的確定

在協(xié)同解決跨學(xué)科問題中，優(yōu)先解決核心和重要沖突，而每解決一個(gè)沖突所產(chǎn)生的方案都會影響后續(xù)沖突的參數(shù)改善狀況與求解思路，參數(shù)之間的矢量聯(lián)系則代表沖突節(jié)點(diǎn)之間的路徑。為了協(xié)同不同學(xué)科領(lǐng)域研究成員有序解決沖突，需要在網(wǎng)絡(luò)中確定一個(gè)有效的求解路徑。因此，本文將核心沖突作為路徑起點(diǎn)，重要沖突作為途經(jīng)指定節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中關(guān)聯(lián)數(shù)量少和參數(shù)相對權(quán)重較小的沖突作為路徑終點(diǎn)。如圖9所示，沖突C1的評價(jià)參數(shù)相對權(quán)重值為10，沖突C1與C2的共有評價(jià)參數(shù)相對權(quán)重值為5，沖突C2的行動參數(shù)相對權(quán)重值為2，取參數(shù)相對權(quán)重的倒數(shù)，將如圖7所示的S1，S2，S33類參數(shù)聯(lián)系的影響方向作為沖突之間的路徑方向，將路徑權(quán)重的加和結(jié)果轉(zhuǎn)化為如式(9)所示的權(quán)值矩陣W，再利用MATLAB運(yùn)算途經(jīng)指定節(jié)點(diǎn)的Floyd算法[31]，避免原有搜索路徑方法[24]可能繞開重要沖突的缺陷。

(9)

4 參數(shù)網(wǎng)的構(gòu)建與求解

按照3.3節(jié)方法獲取的參考求解路徑，將原有基于ENV模型表達(dá)的沖突網(wǎng)轉(zhuǎn)化為基于四相參數(shù)模型的參數(shù)網(wǎng)。依次判別求解路徑上的沖突類型，如果求解路徑上的沖突為多目標(biāo)沖突，則采用可拓創(chuàng)新方法，而求解雙目標(biāo)沖突采用發(fā)明原理或分離原理，最終形成滿意概念解。

5 跨學(xué)科問題流網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)化過程

跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)利用跨學(xué)科問題流網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)化過程從多個(gè)學(xué)科視角分析跨學(xué)科問題，搜索專利獲取可應(yīng)用的半效解，在確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)后構(gòu)建沖突網(wǎng)；然后定量分析參數(shù)相對權(quán)重與沖突綜合權(quán)重，利用途經(jīng)指定節(jié)點(diǎn)的Floyd算法獲取參考求解路徑，將參考求解路徑轉(zhuǎn)化為基于四相參數(shù)模型描述的參數(shù)網(wǎng)；再根據(jù)沖突類型選擇相應(yīng)的工具求解沖突?？鐚W(xué)科問題流網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換過程如圖11所示。

6 研究案例

電動汽車快速充電技術(shù)成為汽車行業(yè)的研究重點(diǎn)，然而高載流量充電產(chǎn)生的大量焦耳熱會縮短電纜使用壽命并引發(fā)事故[32]，電纜涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電學(xué)、熱學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，因此有必要從跨學(xué)科角度，針對現(xiàn)有直流充電槍的安全載流量限制進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。充電線纜如圖12a所示，充電槍插口如圖12b所示。

6.1 安全載流量限制問題網(wǎng)的構(gòu)建

針對安全載流量限制進(jìn)行根原因分析，構(gòu)建子問題域，充電設(shè)備的絕緣材料具有較大熱阻系數(shù)，通電導(dǎo)體熱量在短時(shí)間內(nèi)難以傳導(dǎo)至系統(tǒng)外部，通電導(dǎo)體與絕緣材料之間的溫差逐漸減小難以形成傳熱條件，導(dǎo)致Pb.12接口端子和Pb.27導(dǎo)體快速溫升的問題，相繼引發(fā)Pb.2和Pb.22電阻隨溫度變大的惡性循環(huán)。因此，針對根問題Pb.12和Pb.27搜索相關(guān)專利方案并構(gòu)建半效解域，再挖掘衍生問題與橫向參數(shù)的聯(lián)系，分別構(gòu)建問題網(wǎng)、問題列表與半效解列表，如圖13、表3和表4所示。

6.2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的確定

在如圖13所示的子問題域中，研究成員根據(jù)因果邏輯關(guān)系確定關(guān)鍵問題節(jié)點(diǎn)Pb.12和Pb.27。通過搜索相關(guān)的專利技術(shù)方案，分別找到PS.4高位充電弓傳輸電能、PS.17無線傳輸電能、PS.1和PS.5添加冷卻液為代表的方案。本文研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)技術(shù)問題提出者的最小改動設(shè)計(jì)要求，選擇利用冷卻液消除有害作用作為首要技術(shù)路線，因此在圖13中主要對冷卻專利技術(shù)方案進(jìn)行展開分析。

續(xù)表3

表4 半效解列表

續(xù)表4

出于跨學(xué)科協(xié)同研究的目的，優(yōu)選關(guān)聯(lián)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多且與不同學(xué)科子問題有橫向參數(shù)聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)，例如循環(huán)液體冷卻接口端子與充電線纜的半效解PS.2和PS.9，以及冷卻液的選型問題Pb.56，這3個(gè)節(jié)點(diǎn)有較多關(guān)聯(lián)且涉及熱學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等學(xué)科，將其作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

6.3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為沖突網(wǎng)

將關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的相關(guān)規(guī)范描述轉(zhuǎn)變?yōu)镋NV模型，以Pb.56中冷卻液的選型問題為例，鎵基液態(tài)金屬雖然具有較高的熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性，但是在正負(fù)極導(dǎo)體串聯(lián)冷卻條件下存在短路問題；水作為冷卻液雖然具有黏性系數(shù)小和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是其存在熱導(dǎo)率較低和短路問題；以氟化液為代表的冷卻液的優(yōu)點(diǎn)在于良好的絕緣性，缺點(diǎn)是熱導(dǎo)率低、黏性系數(shù)大。將個(gè)性化描述的評價(jià)參數(shù)轉(zhuǎn)化為TRIZ的39個(gè)通用工程參數(shù)，形成圖14中的多目標(biāo)沖突C6。逐一挖掘關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)PS.5，Pb.15，Pb.56背后的各個(gè)沖突，以及確定各個(gè)沖突之間的行動參數(shù)的影響子序列S1、共有參數(shù)聯(lián)系S2和評價(jià)參數(shù)的影響子序列S3，形成如圖14所示的沖突網(wǎng)。

6.4 參數(shù)與沖突的定量評價(jià)

6.4.1 計(jì)算行動參數(shù)重要度

利用Yaahp軟件搭建如圖15所示的沖突網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)模型，對比表5中的評價(jià)參數(shù)，構(gòu)造如表6所示的判斷比較矩陣，并對具有相同評價(jià)參數(shù)的行動參數(shù)進(jìn)行比較，分別構(gòu)造如表7～表12所示的相對權(quán)重表，最終獲得如表13所示的行動參數(shù)重要度。

表5 參數(shù)信息表

表6 評價(jià)參數(shù)的判斷比較矩陣

表7 溫度的行動參數(shù)相對權(quán)重

表8 運(yùn)動物體面積的行動參數(shù)相對權(quán)重

表9 應(yīng)力的行動參數(shù)相對權(quán)重

表10 流速的行動參數(shù)相對權(quán)重

表11 靜止物體面積的行動參數(shù)相對權(quán)重

表12 物體產(chǎn)生有害因素的行動參數(shù)相對權(quán)重

表13 行動參數(shù)的重要度

6.4.2 統(tǒng)計(jì)技術(shù)沖突影響范圍

統(tǒng)計(jì)圖14每個(gè)沖突中評價(jià)參數(shù)的出現(xiàn)次數(shù)和影響子序列數(shù)，根據(jù)式(5)和式(6)可得影響范圍，如表14所示。

表14 技術(shù)沖突影響范圍

6.4.3 統(tǒng)計(jì)物理沖突影響范圍

統(tǒng)計(jì)圖14每個(gè)沖突中行動參數(shù)的影響子序列數(shù)，根據(jù)式(7)可得影響范圍，如表15所示。

表15 物理沖突影響范圍

6.4.4 計(jì)算沖突綜合權(quán)重

根據(jù)式(8)計(jì)算沖突綜合權(quán)重(如表16)，結(jié)合上述列表中參數(shù)的相對權(quán)重，為后續(xù)Floyd算法選擇路徑起點(diǎn)、途經(jīng)節(jié)點(diǎn)、終點(diǎn)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

表16 沖突綜合權(quán)重

6.5 參考求解路徑的獲取

根據(jù)表16確定C2為核心沖突，本文設(shè)置途經(jīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為2，即C6和C1為重要沖突，與節(jié)點(diǎn)C6和C1聯(lián)系數(shù)最少且參數(shù)相對權(quán)重小的節(jié)點(diǎn)C3為路徑終點(diǎn)。根據(jù)表6中評價(jià)參數(shù)優(yōu)化值OREPj的倒數(shù)、表13中行動參數(shù)重要度OXAPi的倒數(shù)與圖14沖突網(wǎng)中3類參數(shù)的聯(lián)系，構(gòu)建如圖16所示的參數(shù)聯(lián)系與權(quán)重圖，將其轉(zhuǎn)化為式(10)所示的權(quán)值矩陣，最后利用MATLAB獲得參考求解路徑C2→C1→C5→C6→C4→C3。

(10)

6.6 構(gòu)建參數(shù)網(wǎng)

利用四相參數(shù)模型簡化行動參數(shù)與評價(jià)參數(shù)之間的聯(lián)系，突出行動參數(shù)的取值范圍，構(gòu)建如圖17所示的參數(shù)網(wǎng)，然后根據(jù)圖11中第3階段的過程，按照沖突求解路徑和沖突類型逐個(gè)選擇相應(yīng)的求解工具。

6.7 沖突求解

TRIZ的特殊性公理為：盡可能地利用技術(shù)系統(tǒng)已有的屬性或資源解決問題[15]。在后續(xù)沖突解決過程中，本文據(jù)該公理，利用充電槍技術(shù)系統(tǒng)和半效解中已經(jīng)存在的資源和屬性，選擇合適的發(fā)明原理。

6.7.1 沖突C2的解決

C2為雙目標(biāo)沖突(G21∧G22)↑L2，其中：

根據(jù)沖突矩陣獲得4條發(fā)明原理：NO.10，NO.15，NO.36,NO.28。

NO.15-動態(tài)化的第3條提示：如果一個(gè)物體是剛性的，使其變?yōu)榭苫顒踊蚩筛淖?。由于電纜的絕緣層和纖芯組為柔性，可作為正負(fù)極導(dǎo)體之間的中間介質(zhì)替代原有方案中的聚四氟乙烯墊片。本文將細(xì)導(dǎo)線在薄壁導(dǎo)流管上絞合成正極導(dǎo)體，將絕緣層在正極導(dǎo)體上擠塑成形；在正極主導(dǎo)體外部均布其余纖芯組，繞包鋁塑復(fù)合定形帶，絞合若干層導(dǎo)線并擠壓形成若干有豁口的負(fù)極導(dǎo)體后，擠塑形成負(fù)極絕緣層；在豁口放置填充物，再安裝護(hù)套層；冷卻液在第1和第2導(dǎo)流道內(nèi)冷卻正負(fù)極導(dǎo)體。方案如圖18所示。

6.7.2 沖突C1的解決

C1為雙目標(biāo)沖突(G11∧G12)↑L1，其中：

根據(jù)時(shí)間分離原理，周期性地改變冷卻液的流動方向，在串聯(lián)冷卻條件下減少正負(fù)極導(dǎo)體散熱的差異性，無需較大地改變結(jié)構(gòu)和引入外部資源，方案如圖19所示，圖中t表示某一時(shí)刻，T為換向周期。

6.7.3 沖突C5的解決

C5的沖突類型為雙目標(biāo)沖突(G51∧G52)↑L5，其中：

為了降低接口端子頂部的溫度，需要設(shè)計(jì)可拆接口端子，但拆解件的有效載流面積較小。根據(jù)沖突矩陣獲得發(fā)明原理NO.35和NO.38，選擇NO.35-參數(shù)變化，根據(jù)第1條提示：改變物體的物理狀態(tài)，使物體在氣、固、液三態(tài)之間變化。PS.17方案所采用的冷卻劑鎵基液態(tài)金屬具有流動性和導(dǎo)電性，能夠填充可拆式接口端子內(nèi)部并同時(shí)滿足兩個(gè)目標(biāo)，方案如圖20所示。

6.7.4 沖突C6的解決

C6為多目標(biāo)沖突(G61∧G62∧G63∧G64)↑L6，其中：

針對條件基元L10構(gòu)造分隔式轉(zhuǎn)折部Z，使得TL10=L101|Z|L102，其中：

在正負(fù)極冷卻通道之間增加隔液轉(zhuǎn)子裝置，該裝置包括進(jìn)液、移液和排液3個(gè)工作相位。液態(tài)金屬流入相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子扇葉之間的開口內(nèi)并擠壓此處的彈性氣膜，由于氣室的氣壓穩(wěn)定，使得排液位置處的彈性氣膜向外膨脹，以使液態(tài)金屬能夠沿轉(zhuǎn)子順利流動。每個(gè)轉(zhuǎn)子扇葉嵌有密封條，密封條與缸體緊密貼合，從而防止相鄰相位內(nèi)的液態(tài)金屬貫通形成導(dǎo)電回路。隔液轉(zhuǎn)子裝置設(shè)計(jì)方案如圖21所示。

6.7.5 沖突C4的解決

C4為雙目標(biāo)沖突(G41∧G42)↑L4，受已解決沖突C2采取同軸導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的影響，目標(biāo)G41中運(yùn)動物體面積小的需求已滿足。因?yàn)椴捎猛S導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，絕緣層需要滿足目標(biāo)G43中兩極導(dǎo)體之間的穩(wěn)定支撐作用，所以采用擠塑絕緣層與導(dǎo)體緊密結(jié)合。然而，該方案中擠塑絕緣層阻礙導(dǎo)體散熱，難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)G42，因此對目標(biāo)G42進(jìn)行蘊(yùn)含分析。套接絕緣層之所以滿足導(dǎo)體的散熱需求，在于其有足夠的空間體積引入冷卻液，因此確定目標(biāo)G42的下位目標(biāo)為G44。由此形成新的沖突C′4=(G43∧G44)↑L40，其中：

目標(biāo)G43和G44要求條件L40中v40的取值分別為“有”和“無”，即為物理沖突。根據(jù)空間分離原理，內(nèi)軸導(dǎo)體的絕緣層采用擠塑方法形成，對外層導(dǎo)體具有良好的支撐和絕緣作用；外層導(dǎo)體采用的套接絕緣管可形成導(dǎo)流空間，能夠滿足冷卻需求。設(shè)計(jì)方案如圖22所示。

6.7.6 沖突C3的解決

沖突C3為雙目標(biāo)沖突(G31∧G32)↑L3，其中：

原有方案將多股細(xì)導(dǎo)線在薄壁導(dǎo)流管上絞合形成復(fù)合導(dǎo)體，如果采用波紋管可增加電纜柔性，則因波紋管內(nèi)壁的波紋結(jié)構(gòu)不平滑而降低冷卻液的流速；如果采用內(nèi)壁平滑的薄壁直管，則可增加冷卻液的流速。根據(jù)沖突矩陣獲得3條發(fā)明原理 NO.6,NO.35,NO.36。

NO.6-多用性的第1條指示：使一個(gè)物體能完成多項(xiàng)功能。電纜中絞合導(dǎo)體為柔性物質(zhì)，可在導(dǎo)電功能基礎(chǔ)上再增加導(dǎo)流功能，將多根銅導(dǎo)線絞合壓制形成長條形的瓦狀導(dǎo)體，并均布圍合而成，使其中間自形成導(dǎo)流通道，無需在電纜中額外設(shè)置導(dǎo)流管，方案如圖23所示。

由于沖突C5與沖突C6解決，剩余沖突C7隨之消失。

6.8 概念設(shè)計(jì)方案

本文綜合形成兩種方案。融合圖19～圖23所示的方案，形成如圖24和圖25所示的第一種方案，圖25中“F”表示安培力，“B”表示磁場，“×”和“·”分別表示磁場的兩個(gè)相反的方向，“I”表示電流，“↑”表示電流方向。每個(gè)C形電磁鐵形成方向垂直于冷卻液流向與導(dǎo)電端子電流方向所在平面的磁場，由于兩個(gè)C形電磁鐵的磁場方向相反，液態(tài)金屬受到方向一致的安培力；液態(tài)金屬在經(jīng)過充電端子組件和電纜主導(dǎo)體時(shí)吸收充電產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過冷卻箱時(shí)散熱；通過周期性地改變磁場方向，進(jìn)而改變液態(tài)金屬的流動方向，減弱串聯(lián)冷卻條件下散熱效果的差異性，因此將電纜設(shè)計(jì)為串聯(lián)冷卻電纜，相比并聯(lián)冷卻電纜，串聯(lián)冷卻電纜的直徑較小；導(dǎo)體由多根瓦形銅絞線組成并在中部自形成導(dǎo)流通道，相比添加導(dǎo)流管的電纜柔性更高；串聯(lián)冷卻方式下，在正負(fù)兩極冷卻通道之間設(shè)置隔液轉(zhuǎn)子裝置，液態(tài)金屬冷卻液電流在正負(fù)極冷卻通道之間不能直接連通，可以避免電流短路。

第二種方案主要綜合圖18、圖22和圖23所示的方案，設(shè)計(jì)一種如圖26所示的同軸導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，冷卻液經(jīng)過正極導(dǎo)流通道和充電端子組件的冷卻回路后，流入同軸導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的負(fù)極導(dǎo)流通道，從而有效利用電纜內(nèi)部空間。

7 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有OTSM解決跨學(xué)科問題過程中收斂性不足的缺陷，提出一種面向跨學(xué)科的問題流網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化過程模型，其中具體提出三層次跨學(xué)科問題網(wǎng)構(gòu)建方法、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)選擇方法、改進(jìn)沖突網(wǎng)的層次評價(jià)結(jié)構(gòu)模型、改進(jìn)沖突求解路徑的搜索算法以及四相參數(shù)模型。通過應(yīng)用本文提出的面向跨學(xué)科問題流網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)化過程模型，提出一種液態(tài)金屬兩相流串聯(lián)冷卻電纜和一種同軸導(dǎo)體電纜結(jié)構(gòu)，用于改善高載流量充電槍及線纜的發(fā)熱問題。

參數(shù)作為一種聯(lián)系不同學(xué)科認(rèn)知的設(shè)計(jì)信息十分重要，本文跨學(xué)科問題流網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換過程圍繞參數(shù)展開。在子問題數(shù)量繁多的問題網(wǎng)中，如果用抽象程度較高的39個(gè)工程參數(shù)描述子問題與半效應(yīng)解，則很難體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的差異性，對沒有深入學(xué)習(xí)TRIZ的人員是個(gè)挑戰(zhàn)。因此，本文認(rèn)為原有OTSM研究在構(gòu)建問題網(wǎng)過程中采用個(gè)性化的參數(shù)表述有利于研究成員的對跨學(xué)科問題的初步理解，在研究案例中采用了這種表達(dá)方法。雖然OTSM沒有明確要求在ENV模型使用39個(gè)工程參數(shù)，但是在基于ENV模型構(gòu)建沖突網(wǎng)的過程中，研究成員更傾向用39個(gè)工程參數(shù)表達(dá)，所構(gòu)建的沖突網(wǎng)更加收斂且符合跨學(xué)科協(xié)同的特點(diǎn)。在最終沖突解決過程中，研究成員可以通過可拓設(shè)計(jì)思維突破39個(gè)工程參數(shù)表達(dá)方式的思維限制來靈活求解沖突。

本文主要面向跨學(xué)科技術(shù)創(chuàng)新，協(xié)同具有不同學(xué)科背景研究成員解決跨學(xué)科技術(shù)問題。未來將進(jìn)一步研究消除不同學(xué)科問題背景的差異，完善跨學(xué)科問題的分析過程，進(jìn)而促進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新。