2017, Vol. 34
可拓学提出了从解决矛盾问题的角度实现创新的可拓创新方法[1]，其目标是探索人类创新创意规律，并构建数学模型来指导开发拓展智能、激发创新的可拓软件[2]. 目前，可拓学已在工程技术、信息科学与智能科学、管理等领域得到广泛的应用，在机械、建筑、日用品等产品创新、技术创新、管理创新、组织创新等方面发挥重要作用，为各行各业解决各式的矛盾问题提供了一套理论方法[3]. 根据理论方法，进行了可拓创新软件体系结构[4]研究，针对不同领域的可拓软件随之产生，例如：自助游可拓策略生成系统软件[5]、租房可拓策略生成系统软件[6]、求职问题可拓策略生成系统[7]、可拓数据挖掘软件[8]、可拓ERP软件[9]等等.
但是，可拓创新软件的研制相对滞后. 在可拓学中，提出了从不同角度进行新产品构思的3个创造法. 已有学者采用MVC模式的架构将第三创造法植入可拓创新软件，针对产品缺点进行改进，从而进行创新[10]. 但从消费者对功能的需要出发的可拓创新第一创造法，还未进行软件化研究. 基于此，在根据自然语言需求语句，建立可拓模型研究[11]后，研究了植入第一创造法的可拓创新软件，能根据消费者对产品功能的需要，为企业提供各种产品创意，方便企业进行创新. 本文将以笔产品为例，验证该可拓创新软件的有效性.
1 产品创新软件设计构思创新软件的设计，以可拓学中第一创造法为理论基础. 第一创造法是指消费者在购买某些产品时，有对该产品其他功能的需要，而目前社会中的现有产品不能满足消费者这一需要，构思全新产品的方法. 在原有第一次创造法的基础上，从创新软件设计的角度，对其步骤进行了改进，构思的主要步骤如下.
(1) 确定用户的需要.
在系统设计时，消费者要输入其需要. 系统借助gate框架进行组块分析[12]，并结合分类和规则匹配建立需要的可拓模型，从而提取关键信息，确定待创造产品O的需要事元. 对于待创造产品的需要，采用多维事元A=(Oa ，Ca ，Va )来进行描述，其中Oa 表示动作，Ca 是动作的特征，Va 表示相应的量值. 根据确定好的需要事元，在产品库中查询是否有满足该需要的功能的产品. 如果有，直接提供给用户，没有则对产品进行创新.
(2) 确定待创造产品的功能.
根据确定的消费者的需要事元，明确待创造产品的功能信息模型，确定出待创造产品O的功能事元，形成待创造产品的功能事元集. 对于待创造产品的功能，采用n维事元来进行描述，
| $\left[ {\begin{array}{*{20}{l}}{{O_a},} & {{c_{a1}},} & {{v_{a1}}}\\{} & {{c_{a2}},} & {{v_{a2}}}\\{} & \vdots & \vdots \\{} & {{c_{an}},} & {{v_{an}}}\end{array}} \right] = (\begin{array}{*{20}{c}}{{O_a},} & {{c_a},} & {{v_a}}\end{array}) = A,$ |
其中Oa 表示动作，ca1 是动作的特征，va1 表示相应的量值，其余类推.
(3) 确定性质特征元和实义特征元.
根据对产品功能多少的要求，系统要设计功能蕴含界面，确定满足功能的性质特征元和实义特征元. 功能特征由性质特征决定，利用上述所确定的功能事元从而决定待创造产品的性质特征，性质特征元指描述物的性质的特征元，因此可以确定产生功能的性质特征元集{(cg ，vg )}，实义特征决定性质特征，实义特征是描述物的物质性部分，确定产生这些性质特征的实义特征集{(cr ，vr )}. 总之，当确定了功能后，要通过蕴含分析，建立蕴含系，从而最终确定实义特征元集.
(4) 确定待创造产品O的硬部、软部及软硬中介部.
由于在设计中待创造的产品的每一个硬部处于分离状态，因此需要设计软部及软硬中介部，将所设计的功能模块及产品的各个部分进行组合连接，从而形成一个新产品. 根据消费者需要，确定待创造产品物元集，该物元集可以是零部件、材料和原料等物元，是该待创造产品的硬部，记作：hrO=∏{Or }. 随后确定产品硬部之间的关系即软部和软硬中介部，软部是物的组成部分之间的关系、物与其隶属的物之间的关系，或物与其他物之间的关系，记作：sfO.
(5) 确定异对象之间的相关.
待创造的产品在增加、删减、修改组件时，可能会导致与其相关的其他组件的变化，通过进行相关分析，明确不同组件的相关性、传导性，以待创造产品为前提，确定其相关关系，对与其相关的组件进行修改，尽可能减小变化造成的影响.
(6) 变换相关对象的量值.
确定异对象的物元之间的相关后，由于一个物元的量值改变，必然会导致相关物元的量值受到传导影响. 因此，需要对相关物元对象的量值进行变换，从而解决异对象物元间组合过程的失败问题.
(7) 生成产品创意集.
通过上述步骤的建模、分析、变换，再选择利用可拓变换方法将硬部、软部和软硬中介部进行组合，形成产品创意集，从而获得新产品创意.
(8) 评价选优.
由于在组合过程中，实现同种功能的不同样式的零部件众多，因而生成众多不同的创意，因此需要对产品构思物元集进行评价选优. 在评价选优的过程中，要选取衡量指标、确定权系数，并建立关联函数[13]库. 利用优度评价算法，计算得到较优创意.
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图 1 创新软件设计流程图 Figure 1 Innovative software design flow chart |
软件设计的目的是辅助用户进行产品创新. 以可拓创新方法的第一创造法为基础，采用经典的SSH架构[14]设计，搭建整个创新系统. 通过消费者对产品的功能需要，采用gate框架进行语义分析，建立可拓学模型，采用菱形思维的模式，对模型进行拓展变换，以解决当前产品不能满足消费者的矛盾问题，使产品在创新过程中循序渐进，最后利用评价算法对创新生成的产品进行评价选优，提供较优创意.
2.1 软件设计的流程基于第一创造法的产品创新软件的设计流程图如图1所示.
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图 2 用户登录界面 Figure 2 User login interface |
创新软件系统的设计采用B/S模式，仅需通过任一款浏览器来访问Web应用程序，在程序进行升级时，不需要客户端做任何更改. 访问后就可进行创新，具有操作性强、数据库存储的信息量大的优势. 选择SSH 3大框架进行设计，即Sping+Struts+Hibernate. 使用Spring作为容器，利用IoC、AOP的特性，及对Struts、Hibernate的管理，布局清晰，代码的复用性强[14].
在上述框架的基础上，利用上述对软件的基本构思，对软件系统进行设计.
(1) 用户输入需求设计. 在该设计中，本系统采用gate框架的非结构化信息抽取，分析用户输入的语义，最终实现用户可以输入对产品的需求. 在gate语义信息抽取中，共有3种组件：语言组件(LR)，处理组件(PR)和可视化组件(VR)，将所有的这些组件在配置文件creole.xml中进行声明，从而指定该组件需要的参数. 系统在通过管道调用PR时，会首先读入creole.xml文件，然后获取针对每个PR的描述.
(2) 现有产品的知识库的设计. 主要包括产品库记录现有的产品及组件的蕴含信息；功能库记录功能信息；软部库记录软部产品信息；硬部库记录硬部产品信息；软硬中介库记录软硬中介部产品信息；相关库记录相关组件信息；关联函数库记录关联函数信息. 本设计采用MySQL数据库，在数据库中实现基元的表示形式，将可拓模型转换成计算机易于理解的数据库表，并且增加知识维护界面，对知识进行维护.
(3) 蕴含知识添加的设计. 由于现有产品不满足消费者需要，因此要根据消费者的需要依据数据库中存储的功能事元对新的功能进行添加性质特征和实义特征[3]. 关键代码如下：
Input (function) ‘获取需要添加的功能’
property characteristics ← find (function) ‘获取满足该功能的属性特征’
If addproperty Then
do Input (property characteristic) ‘输入添加的性质特征’
Else editproperty Then
do
pc ← input (property characteristics) ‘输入修改满足功能的性质特征’
delete (property characteristics) ‘删除所有的性质特征’
save (function，pc) ‘保存功能和性质特征’
Input (function，property characteristic) ‘获取功能和性质特征’
Real-meaning characteristics ← find (function，property characteristics) ‘获取满足该功能和性质特征的实义特征’
If addRealMeaning Then
do
Input (notional characteristic) ‘输入添加的实义特征’
Else editRealMeaning Then
do
rm ← input (Real-meaning characteristic) ‘输入修改的实义特征和量值’
delete (notional characteristics) ‘删除所有的实义特征’
save (function，property characteristic，rm) ‘保存新的功能、性质特征以及实义特征和量值’
在修改特征时，采用的思想是，将数据库中所有特征全部展示后，将数据删除，在对页面的数据进行修改后，对所有数据保存，从而实现功能与性质特征、实义特征之间的蕴含. 这样避免了数据的重复提交及冗余现象的产生.
(4) 相关分析的设计. 在对各个部件进行相关分析前，需添加产品的基本信息，并配置基本信息与功能、软部及软硬中介部进行相关. 利用目前已有的接口[11]，该接口采用传导变换的算法，更利于系统相关分析的实现.
(5) 对所生成的创意进行评价，根据不同的用户输入评价特征，以及权系数，对其生成的创意进行评价，最终将输出较优的产品创意.
NewproSet ← Output (product) ‘输出产品的创新创意’
xi ← Input (x) ‘获取权系数’
yi ← input (arribute) ‘获取关联函数’
s ← select value from Dependent Function where arrtibute=y
find (s) ‘从数据库中将关联值查出’
Compare (NewproSet, ∑xi* yi ) ‘比较不同创意的优度, 选择较优创意’
Output (NewPro) ‘输出新产品创意’
3 案例实现本文以笔的创新设计案例来验证创新软件的有效性. 根据学生对购买笔的调查，发现小学生希望所购买的笔可以纠正握笔姿势，初中生、高中生希望笔用起来更加舒适，并且每隔固定的时间，提醒使用者休息. 对使用笔频率较高的人群而言，更希望拥有一款具有智能提示功能的矫姿笔. 针对消费者提出笔功能的需要，用本文设计的产品创新软件的思路进行产品创新.
所实现的软件登录界面如图2所示.
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图 3 系统主界面 Figure 3 System main interface |
输入正确的用户名、密码以及验证码后，进入系统主界面, 也是用户的输入需要界面，见图3.
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图 4 功能蕴含界面 Figure 4 Function implication interface |
(1) 在主界面，用户输入需要的功能和产品，在系统查询后，如果有则直接提供给用户，若没有则要对产品进行创新. 首先需要在功能库中进行查找该功能，如果有，则根据知识库内容（常识或以前记录的输入知识）显示功能的蕴含界面，如图4所示.
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图 5 添加功能事元界面 Figure 5 Add function affair element interface |
若没有则需点击“添加功能事元”按钮，进入图5添加功能事元界面，并通过人机交互引导用户输入功能事元的蕴含关系，并将添加的信息保存在功能库中.
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图 6 性质特征界面 Figure 6 Property characteristic interface |
(2) 根据功能蕴含事元，确定满足该功能的性质特征元集和实义特征元集，并在图6、图7中分别输入.图6是可以选择功能库中已有的功能，根据不同的产品功能进行输入性质特征.图7是根据每一种不同的性质特征，输入其实义特征. 最终性质特征和实义特征数据将会存储在功能库中.
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图 7 实义特征界面 Figure 7 real-meaning characteristic interface |
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图 8 软硬部界面 Figure 8 Soft and hard interface |
(3) 确定产品的硬部、软部及软硬中介部. 硬部、软部以及软硬中介部的确定，是用户根据需要确定其产品的各个组成部分. 如图8所示，可以对其增加、修改、保存操作. 其数据将会分别对应地存储在硬部库、软部库、软硬中介库中. 有利于对不同的组件的数据进行分类管理.
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图 9 相关信息界面 Figure 9 Related information interface |
根据上述步骤确定的功能、软部、硬部、软硬中介部，需要在维护界面进行配置，将其与产品基本信息进行关联.
(4) 确定异对象间相关量值. 相关信息界面主要针对异对象相关，由于目前从实现用户功能需要的角度考虑创造新产品，因而，同对象的相关不做过多考虑. 异对象相关需要调用相关知识库，如果知识库中存在所需知识，则不需添加，仅需对其量值进行匹配，如果匹配不成功，则需要改变与其相关属性的量值，否则无法将两个异物组合起来；如果没有则需要对其进行添加，保存在相关库中.图9是确定相关信息界面，以改变电池的直径属性为例进行.
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图 10 创意输出界面 Figure 10 Creative output interface |
(5) 生成产品创意. 产品创意的生成，是根据上个步骤中的各部件进行组合. 在设好相关量值参数后，可确保产品功能的完整，价值的合理，从而得到若干创意，并对创意进行输出. 输出界面如图10所示.
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图 11 创意评价界面 Figure 11 Creative evaluation interface |
(6) 对所生成的不同创意进行评价，是对可行性创意的优劣性的判定[15].
评价过程中，用户根据各自的衡量标准，设定其评价方式、权系数及其不同创意的评价指标，计算其优度，最终将不同创意以优度从高到低的规则进行排序，并输出较优的创意. 评价界面如图11所示.
4 结论本文对可拓学中应用于产品创意生成的第一创造法进行了细化改进，从用户的需要出发，设计了“基于第一创造法的可拓创新系统”. 实验表明，基于该方法的软件实现，将传统的以脑力创新思维模式，过渡到了利用计算机协助进行创新的思维模式，利用计算机存储海量数据的优势，对不同需要的产品进行创新设计. 在创新设计的过程中，采用了相关分析和蕴含分析的方法，为实现不同的功能奠定了基础. 目前，测试数据均来自现实生活. 如果将该软件应用到不同的领域中，根据不同的需要，设计出满足用户需要的产品，将会给企业带来更可观的经济收益.
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