基于谓词逻辑的裁剪算法功能建模研究

济南大学毕业设计PAGE33-1前言1.1创新的内涵创新是一项系统的工程，随着知识经济时代的到来，社会的进步与经济的发展更加依赖于创新的实践，同时创新的实践需要创新设计方法的指导。“创新”字面理解就是创造新型的东西，创造世界本来不存在的科技产品或技术产品，又或者是一种实用新型的创新与研发。“创新”是一个系统化地过程，一般来说，商业上的成功产品创新是在一定的社会政治，经济环境下，科学发明，工程开发，企业文化，市场需求等各种因素综合作用的产物，因此，可以将创新看作在科学发明与工程开发的基础上使之实用化与商业化的连续社会技术实践过程，创新的范围广泛，包括科技创新，但又不仅限于科技范畴之内【1】。发明创造实际上就是一个产品创新设计的过程，其关键是设计的创新，创新设计是一种创造性的智力活动，是参与者充分发挥自己的创造力，利用人类已有的科学技术成果，进行创新构思，进行产品分析和设计的过程。技术创新往往是根据个人的知识储备来实现自己预期的目标与期望产品。1.2课题背景1.2.1技术创新在当今社会的发展中发挥着越来越重要的作用与地位，技术创新已成为经济时代的显著特征，技术创新主宰了经济时代。首先，中国的制造业经历了迅速的发展阶段，但是由于我们缺乏自主创新能力，没有自己的知识产权，导致我们国家的机械行业长期处于国际化产业链的下游，我国的制造业企业长期处于国际竞争的不利地位。其次，知识经济的到来，为发展中国家提出了新的挑战，没有雄厚的技术实力，无法拥有自己独立的技术知识产权，在激烈的国际竞争中将举步维艰，最后，知识就是力量，尤其是以计算机为代表的高新技术知识，已经逐步成为时代潮流，越来越多的企业运用计算机的强大运算与逻辑功能，对产品进行二次开发与利用，发明创造新的产品，从而推动产业革命。知识经济的到来将对人类的经济发展带来积极地影响，①有利于可持续发展，知识作为资源，它本身是一种可以再生的、无限的、反复使用的、无污染的、可持续发展的资源，由他衍生的各类替代资源可以减轻甚至消除现实存在的污染问题；②促进实现世界经济全球化发展，知识及其信息通过网络突破国界向各方“辐射”传播，实现全球相互促进的理想境界；③发展中国家和地区可加速发展，如果把握好机遇，可以利用信息化技术带动和促进农业现代化和工业化进程。1.2.2技术创新的方法创新设计方法已经成为一门独立且有待开发的新的设计技术和方法，起初的创新的方法追求的是对人的启发式引导，如头脑风暴法，联想法，类比法等，随着人们对知识产权的越来越重视，人们通过对各种专利的分析，归纳总结各类专利的发明原理及其创新设计点，将创新步骤化，具体化，甚至过程化。这将是创新发展的趋势，通过计算机将各种发明专利归类总结各种发明创新点，由计算机的强大运算与逻辑功能，总结创新规律，实现对创新的步骤化与具体化。现代设计理论与方法的研究主要集中在三种思维模式，对设计本质的研究，对设计过程的研究以及对设计技术的研究。TRIZ创新理论是建立在大量专利分析的基础上，具有较强的工程实践性，是各行业发明问题解决方法的经验总结，逻辑性好。多年的实践也证明TRIZ是解决发明问题的强有力的方法学，因此，本课题选择了TRIZ理论作为创新设计方法，主要运动的是TRIZ理论中的进化原理，运用裁剪方法对技术系统进行创新优化。1.3课题介绍本课题侧重于计算机系统软件应用或二次开发，设计题目是基于谓词逻辑的裁剪算法功能建模研究，即通过建立资源数据库，编辑TRIZ裁剪规则，建立技术系统模型，运用裁剪规则对技术系统内部组件之间进行优化设计，同时也可为技术系统添加新组件，使之更加方便使用或提高效益。此项功能的实现是在Prolog编程环境中实现和运行的，Prolog是人工智能领域基本的表示方法。运用Prolog编程环境构建技术系统知识表示模型，建立资源知识库。技术系统的说明介绍详见第二章。课题中含有各个裁剪规则所对用实例，如自动报警输液系统，测量金属抗腐蚀性模型，空气滤芯器过滤系统等生活中常见的现象，通过建立各个实例的技术系统对每个技术系统进行优化和创新（详见第五章实例验证）。1.4课题前景分析创新设计的发展已逐步走向企业化，正规化和模式化，而TRIZ作为当今应用最广泛的设计理论，已经被越来越多的企业和开发商作为开发新产品的指导理论，常用的TRIZ理论问题解决工具有冲突矩阵、分离原理、76个标准解、理想解、ARIZ算法、产品技术进化理论、效应等。所谓的“人工智能”是指用计算机模拟或实现的智能。专家系统就是在建立的资源库的基础上制定运算规则，具体内容将在第三章中做详细阐述。目前专家系统已经越来越多的被应用各个领域的研究与开发中，专家系统的发展促进了人工智能基本理论和基本技术的研究与开发。已成为人工智能中一个最活跃、最有成效的研究领域。专家系统通过分析专利的功能模型，将功能分解化，建立各项储备资源知识库，不断扩大知识的资源数量，从而达到扩大专家系统的应用和作用的效果。当前人工智能的发展趋势，主要体现在如下几个方面：首先，传统的“符号只能”与“计算智能”的有机融合。其次，新思想、新理论、新技术的不断更新，如，进化程序设计、数据开发与知识发现技术、现场AI等。第三，以agent概念为基础的分布式人工智能DAI技术正飞速发展。本课题设计理论引用的主要是TRIZ中的产品技术进化理论，我所建立的资源库在调试已经完成，实现了预想的结果与目标，它的优点是可以预测产品的发展趋势，使产品类比化，可以对某一个技术系统甚至某一个构件进行提示性创新优化，它根据TRIZ中的裁剪规则对系统内部的各个不完善部分进行判断优化，提出符合条件的解，供技术人员采纳或启发式创新，适用于设计新一代产品及寻求可替换现有产品核心技术的新技术。此课题中运用专家系统对建模系统规范化开发应用，在专家系统中建立裁剪规则和裁剪资源库，提出了规范化表达方式，对不同类型的标准件，自然资源，功能类型提出了新的定义方式和规范方法，这将有利于各种知识系统的表达和构建，同时规范化模型建立规则，使创新模式化，方法化，做到有规律可循，有方法可用。2技术系统及裁剪概述2.1技术系统2.1.1技术系统功能分析系统是由多个子系统组成的(如图2.1)，并通过子系统间的相互作用来实现一定的功能，子系统可以是零件或部件甚至于构成元素【2】。我们通常将自然资源如水，大气，重力场等作为超系统来定义，换句话说超系统是系统所在的环境，环境中的其他相关的系统可以看作是超系统的构成部分。系统的功能分析是为了建模的需要，分析的主要作用是找到各个功能模块，结果是建立功能模型，用矩形框表示系统组件，用箭头表示组件之间的作用关系。功能分析的目的是优化技术系统功能并减少实现功能的消耗，使技术系统以很小的代价获得更大的价值，从而提高系统的理想度。图2.1技术系统的组成2.1.2技术系统进化法则技术系统的进化法则分为八大类，技术系统的S曲线进化法则，提高理想度法则，子系统的不均衡进化法则，动态性和可控性进化法则，增加集成度再进行简化法则，子系统协调性进化法则，向微观级和场的应用进化法则，减少人工介入的进化法则。技术系统的八大进化法则是TRIZ中解决发明问题的重要指导原则，掌握好进化法则，可有效提高问题解决的效率，同时进化法则可以应用到其他很多方面，如：产生市场需求，定性技术预测，产生新技术，专利布局，选择企业战略制定的时机。2.2效应——便携式查询途径效应简单来说就是一种自然现象或者人为总结的一种规律，迄今为止，研究人员已经总结了大概10000个效应，但常用的只有1400多个。研究表明，在人们的创造性活动中，所使用的效应是相当有限的，TRIZ理论总结出了高难度的问题解决所需要的常见的30种标准功能，并且每种标准功能都要相对应的各种效应（见附录）。我们可以根据生活中常见的一些效应来判断它所完成的标准功能，同时我们可以根据其标准功能的实现来查找它的替代资源效应。2.3裁剪——精简化途径如果技术系统需要裁剪其某些组件，同时保留这些组件的有用功能，从而实现降低成本，提高系统理想度，称此类问题为技术系统的裁剪问题。裁剪功能就是在技术系统功能分析的基础上运用技术系统的进化原则，对其精简化，裁剪掉某个或部分组件使其功能不变或使之更加完善。裁剪策略可以使系统组件的数量得到精剪，降低系统的组件成本，可以优化功能结构，使系统架构的布局更合理，提高了系统实现功能效率，消除了过度、有害、重复功能，提高系统理想化程度。系统裁剪的前提：确保被裁剪的组件有用功能得到重新分配。系统裁剪通常的裁剪策略如表2.1表2.1技术系统的裁剪策略裁剪策略组件关系图说明1若没有对象B，则B也就不需要工具A的作用Action2B能自我完成A所提供的作用Action，则A可以被裁剪3如果技术系统或超系统或新组件C可以完成A的功能，则A可以被裁剪3人工智能(AI)介绍3.1Prolog语言Prolog语言是人工智能与专家系统领域最著名的逻辑程序设计语言，VisualProlog指可视化逻辑程序设计语言，是基于Prolog语言的可视化集成开发环境，是Prolog开发中心(PDC)最新推出的基于Windows环境的智能化编程工具，其语言特性符合相应的国际标准ISO/IEC13211-1:1995。【3】完整的prolog程序是有事实和规则组成的。事实用来储存一些数据，而规则用来储存某种可以推理出来的关系。Prolog的程序是由一系列的事实和规则组成的数据库。Prolog的原理就是关系数据库，它是建立在关系数据库的基础上的。使用Prolog可以很方便的处理数据。相比较其他语言，Prolog拥有强大的递归功能，使递归功能得到充分体现。VisualProlog是当今新一代开发智能化应用的强有力工具，它还支持基于网络的开发、数据库、多媒体、与C语言集成等【4】。VisualProlog具有模式匹配、递归、回溯、对象机制、事实数据库和谓词库等强大功能。由于这种语言很适合表达人的思维和推理规则，在自然语言解释、机器定理证明、专家系统等方面得到了广泛的应用，在智能程序设计语言中占有相当重要的地位。VisualProlog已经成为了使用与任何应用领域的强有力的通用开发工具。本课题的使用主要是运用推理机PIE来实现专家系统的构建和查询，推理机(PIE)是专家系统中实现基于知识推理的部件，是基于知识的推理在计算机中的实现，主要包括推理和控制二个方面，是知识系统中不可缺少的重要组成部分。推理是指依据一定的规则从已有的事实推出结论的过程。专家能够高效地求解复杂的问题，除了他们拥有大量的专门知识外，更重要的是他们能够合理选择及有效运用知识。基于知识的推理在问题求解过程中，选择和运用知识，完成问题求解。知识的运用模式称为推理方式，知识的选择称之为推理控制，它直接决定着推理的效果和推理的效率。推理控制的核心是推理控制策略也就是我们建立的规则。3.2智能化与专家系统3.2.1人工智能化所谓的“人工智能”是指用计算机模拟或实现的智能。利用电脑强大的逻辑运算功能和人为输入程序语言，使之按照人为制定的运算逻辑顺序进行模拟的自动化过程。人工智能系统可以根据编辑者所要求的目标，对现有资源进行逻辑删减，从而得到自己预想结果的“假思维”运算过程。智能化是当前计算机、自动化、通信、管理等信息科学技术领域中的新方法、新技术、新产品的重要方向与开发策略之一。【5】信息处理的智能化与信息社会对智能的巨大需求是人工智能发展的强大动力，人工智能的基本技术，基本上应包括以下内容：推理技术、搜索技术、知识表示与知识库技术、归纳技术、联想技术等。3.2.2专家系统专家系统是人工智能最重要的应用之一，它的目的是让电脑在某种程度上帮助或者替代某个领域的专家解决问题。简单来说，专家系统就是在建立的资源库的基础上制定运算规则，对某个领域或某个问题提出解决问题的逻辑流程，当输入需要解决的问题时，系统会按照既定的规则自主运行，得到和“专家”问答相同或相似的结果。专家系统的一个重要的功能就是能够解释它自己的行为。这意味着用户可以在任何时候询问系统为什么得出某个结论，或者为什么提出某个问题。专家系统只能告诉用户它使用了哪些规则得出的结论，至于为什么使用这些规则，系统是无法做出解释的。但是，专家系统可以对每一条制定的规则进行解释，这样就可以使用户了解制定规则的专家思维方式和知识运用。图3.1专家系统的一般结构在本课题中，主要运用的是推理机(PIE），推理机是专家系统的“思维”机构，是构成专家系统的核心部分，它的功能是根据一定的推理策略从知识库中选取有关知识，对用户提供的证据进行推理，直到得出相应的结论为止。推理机包括推理方法和控制策略两部分。在这次设计中，主要运用的是专家系统的启发性的特点，运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。3.2.3专家系统的优点★专家系统能够高效率、准确、迅速的进行工作。★专家系统解决问题时不会受环境等外界因素干扰，也不会有遗漏结果。★专家系统不会局限于时间和空间，并且有利于专家知识的随时运用和查找。★专家系统汇集了各方面，各个领域的专家知识，是在实践中的到发展和改善的，因此拥有渊博的知识，丰富的经验和更强的工作能力。★专家系统的开发研制，拥有巨大的经济效益和社会效益。3.3谓词逻辑Prolog程序的三个基本语句形式是事实，规则和询问，谓词逻辑贯穿于整个prolog语言表达。事实（facts）是prolog中最简单的谓词（predicate）。它和关系数据库中的记录十分相似。我们会把事实作为数据库来搜索。谓词是Prolog语言的基本组成元素，可以是一段程序、一个数据类型或者是一种关系。它由谓词名和参数组成。两个名称相同而参数的数目不同的谓词是不同的谓词。事实的语法结构如下：pred(arg1,arg2,...argN).其中pred为谓词的名称。arg1，...为参数，共有N个。‘.’是所有的Prolog子句的结束符。没有参数的谓词形式如下：pred.参数可以是以下四种之一：整数（integer)绝对值小于某一个数的正数或负数。原子（atom）由小写字母开头的字符串。变量（variable）由大写字母或下划线（_）开头。结构（structure）。谓词逻辑是在程序设计过程中的一种语言表达形式，在谓词逻辑中，命题是用谓词来表示的，谓词分为谓词名和个体两部分，个体表示的是某个具体的事物或者某个抽象的概念；谓词名用来表示个体的性质或者属性，是对个体的特征的一个总结表达，例如，“老王是教师”这个命题，用谓词可以表示为Teacher（Wang）.其中，Teacher是谓词名，Wang是个体，Teacher刻画了Wang的职业是教师这一特征。谓词逻辑是在命题逻辑的基础上发展起来的，命题逻辑可看作时谓词逻辑的一种特殊形式。它不仅可以用来表示事物的状态、属性、概念等事实性知识，也可以用来表示事物的因果关系，即规则。规则的实质就是储存起来的查询。实际上规则就是多层的询问。第一层由原始的目标组成，从下一层开始就是由与第一层的目标相匹配的规则中的子目标组成。Prolog语言的询问语句在推理机PIE的Dialog对话框中完成，是对具体规则的定量输入来实现查询功能。Prolog的程序从结构上讲，主要包括若干个段，即论域段、谓词段、子句段、目标段等。Prolog作为强类型的编译语言，通常用论域段和谓词段来给出有关的声明或定义。本课题中所采用的逻辑思维方式即谓词逻辑，在使用谓词逻辑时，先根据所表示的知识定义谓词，对各类事物的表达采用统一的标准，用相同的谓词建立资源数据库。采用谓词逻辑表示方法具有严格的形式定义，自然、严密、灵活、模块化，具有证明过程中所使用的推理规则且每项事实仅需表示一次，利用定理证明技术可以从旧的事实推出新的事实。但也存在很大的缺点，谓词逻辑不能很好的表达运算的过程以及当资源库数量过多，会产生数据组合的混乱与组合爆炸。谓词逻辑常与其他表示方法混合使用，灵活方便，可以表示比较复杂的问题。当然，一阶逻辑的表达能力也是有限的，如果有归纳结构的知识、多层次的知识类型都难于用一阶逻辑来表述。3.4列表为了能够更好的表达数据，Prolog引入了列表（[]）这种数据结构,列表是对同一类事物的概括表达，在专家系统中，需要将一部分事物作为一个整体类别来表达，那么每一个事物都是一个列表中的个体，列表表达的就是一个整体，列表包括结构和列表，列表的元素由方括号括起来，项目中间使用逗号分割。4课题程序语言4.1资源库谓词解释本课题的程序语言主要包括5大部分个别谓词的定义效应库的建立数据资源库的建立技术系统的构建裁剪规则member(H,[H|T]).

member(X,[H|T]):-member(X,T).在本课题的程序语言开始阶段有member这一谓词，它表达的意义是如果X属于T，那么X就属于列表[H|T]，member是在专家系统中，自己定义的一种规则，这种规则在以下的程序设计中将直接由谓词member来体现。effect(number,effect_name,[input],[output],function_standard,[case_list_name]).

case_list_effect(case_list_name,number,effect_name,[case_resource_object],"case_illustration").谓词effect是对效应库的简单构建，它包括效应编号，效应名称，输入，输出，标准功能和实例列表，谓词case_list_effect是对实例的简单说明，包括实例名，编号，效应名称，实例资源材料列表和简单说明。之所以使用简单的效应库是因为在下文的裁剪规则中部分运用效应原理来解决问题，实现其精简化。resource_object(resource_object_name,material,[input],[output],function_standard,nature

).此谓词用来表达资源对象，是资源库构成的最基本的谓词结构，它包括的含义有资源名称，材料，输入，输出，标准功能以及它的属性，属性既自然资源还是人工制造。对于同一种资源来说，他可能有多种标准功能，他的表达就有多种输入和输出，不同的标准功能对应不同的输入和输出。function_category(function_category_name,[material_list],[case_list_function_category]).所有的事物按照它完成的功能来分类，可以分为物质，能量和信息三大类，见图4.1。function_category此谓词表达的内容是功能分类，它包括的内容有功能名称，完成此功能的材料列表，实例列表。九种功能分类是holder,transport,location,fastening,information_source,signal_switching,energy,energy_conversion,energytransfer。当某种事物不属于上述的九种分类时，我们把它规定为作用对象，即object.图4.1功能分类component(function_category_name,component_name,material,[input_action],[output_action]).

function(component_name_tool,action,component_name_object,function_standard).上述两个谓词是对技术系统的构建，它就是需要用户去查找和自己构建的，这也是本系统使用步骤中最主要的内容，它的作用是将技术系统功能分解化，将整体个体化，component的含义是对系统内部的各个组件进行命名和分解，包括其在系统中完成的功能名称，组件名称，材料，输入和输出。function是将各个分解后的组件之间的关系表达出来，它包括工具组件，动作，受作用对象，标准功能，这里的标准功能是工具组件完成的，就是tool对object的动作功能。各谓词的表达内容可见表4.1表4.1各谓词表达内容一览表谓词名资源组件名功能分类名资源材料此类功能材料列表输入输出功能实例作用工具动作作用对象标准功能属性Resource_objcet√√√√√√Function_category√√√√Component√√√√Function√√√√Effect√√√√√Case_list_effect√√√4.2裁剪规则此程序中共设计了六种裁剪策略，它们的最终目的都是对用户的技术系统进行启发式的创新提示，让用户拥有多个对技术系统改进的选择，每条规则对应的裁剪策略看见表4.2。表4.2规则原理图规则裁剪策略说明1若没有对象B，则B也就不需要工具A的作用Action。2-1B能自我完成A所提供的作用Action，则A可以被裁剪，所根据的规则是直接查找资源库。2-2B能自我完成A所提供的作用Action，则A可以被裁剪，所根据的规则是查找效应库。3-1如果同一技术系统内的组件C可以完成A的功能，则A可以被裁剪。3-2如果在资源库中有新组件C可以完成A的功能，则A可以被裁剪，需人为比较C与A。4.2.1裁剪规则1trimming1(Component_name_tool,Action,Component_name_object):-write("Trimming

route

one

is

started..."),nl,nl,write("if

there

is

no

necessity

for

existence

of"),write("

"),write(Component_name_object),nl,write(Component_name_tool),nl,write("

"),write("and"),write("

"),write(Action),write("

"),write("can

be

trimmed"),nl,nl,fail.这条规则的制定主要是对用户起一个提示的作用，用户往往会忽略掉事物是否存在的客观性，此条规则的制定就是让用户分析客观环境，避免不必要的周折。4.2.2裁剪规则2-1trimming2_1(Component_name_tool,Action,Component_name_object):-write("Trimming

route

two-one

is

started..."),nl,nl,

component(Function_category_name_object,Component_name_object,Material_object,Input_action_object,Output_action_object),

component(Function_category_name_tool,Component_name_tool,Material_tool,Input_action_tool,Output_action_tool),

function_category(Function_category_name_tool,Material_list_tool,Case_list_function_category),member(Material_object,Material_list_tool),

write("There

is

a

possibility

for"),

write("

"),

write(Component_name_object),

write("

"),

write("to

give

the

action

of"),

write("

"),

write(Action),

write("

"),

write("for

the

material

similarity

of"),

write("

"),

write(Function_category_name_tool),nl,nl,fail.这条规则查找主要根据的是资源数据库中已有的资源进行筛选，程序语言可用图4.2来表达。图4.2规则2-1示意图如图4.2所示，通过工具A查找谓词function中的A所完成的功能类型，如果B的材料属于谓词function_category中的材料列表，那么可以判断B可以自己作为对自己施加动作的工具，就可以裁剪掉A，精简了系统。4.2.3裁剪规则2-2trimming2_2(Component_name_tool,Action,Component_name_object):-write("Trimming

route

two-two

is

started..."),nl,nl,

component(Function_category_name,Component_name_object,Material,Input_action,Output_action),

function(Component_name_tool,Action,Component_name_object,Function_standard),

effect(Number,Effect_name,Input_team,Output_team,Function_standard,Case_list_name_team),

case_list_effect(Case_list_name_one,Number,Effect_name,Case_resource_object,Case_illustration),

member(Material,Case_resource_object),

write("There

is

a

possibility

for"),

write("

"),

write(Component_name_object),

write("

"),

write("to

give

the

action

of"),

write("

"),

write(Action),

write("

"),

write("for

the

effect

using

of"),

write("

"),

write(Effect_name),nl,nl,fail.这条规则查找主要根据的是资源效应库中已有的效应进行分类对照，程序语言可用图4.3来表达图4.3规则2-2示意图如图4.3所示，通过A对B的功能谓词function来找到标准功能，由标准功能在和effcet谓词中的标准功能对照，且在这项effect中，B的材料属于effect中case_resouce_object材料列表的一部分，那么我们可以推断出，B可以运用效应effect来实现对自己动作的完成，从而裁剪掉A。4.2.4裁剪规则3-1trimming3_1(Component_name_tool,Action,Component_name_object):-write("Trimming

route

three-one

is

started..."),nl,nl,

component(Function_category_name_object,Component_name_object,Material_object,Input_action_object,Output_action_object),

component(Function_category_name_tool,Component_name_tool,Material_tool,Input_action_tool,Output_action_tool),

component(Function_category_name_C,Component_name_C,Material_C,Input_action_C,Output_action_C),

Function_category_name_tool

\==

Function_category_name_C,

function(Component_name_tool,Action,Component_name_object,Function_standard),

effect(Number,Effect_name,Input_team,Output_team,Function_standard,Case_list_name_team),

case_list_effect(Case_list_name_one,Number,Effect_name,Case_resource_object,Case_illustration),

member(Material_C,Case_resource_object),

write("There

is

a

possibility

for"),

write("

"),

write(Component_name_C),

write("

"),

write("to

give

the

action

of"),

write("

"),

write(Action),

write("

"),

write("for

the

effect

using

of"),

write("

"),

write(Effect_name),nl,nl,fail.图4.4规则3-1示意图如图4.4所示，系统通过A对B的功能谓词function来找到标准功能，由标准功能在和effcet谓词中的标准功能对照，且在这项effect中，C的材料属于effect中case_resouce_object材料列表的一部分，那么我们可以推断出，C可以运用效应effect来代替A实现对B的动作，在这里A、B、C属于同一个技术系统，在规则表达中是以谓词的形式实现的，都是用component来表达的。4.2.5裁剪规则3-2trimming3_2(Component_name_tool,Action,Component_name_object):-write("Trimming

route

three-two

is

started..."),nl,nl,

component(Function_category_name_object,Component_name_object,Material_object,Input_action_object,Output_action_object),

component(Function_category_name_tool,Component_name_tool,Material_tool,Input_action_tool,Output_action_tool),

function(Component_name_tool,Action,Component_name_object,Function_standard),

resource_object(Resource_object_name,R_material,R_input,R_output,Function_standard,Attribute),

write("There

is

a

possibility

for"),

write("

"),

write(Resource_object_name),

write("

"),

write("to

give

the

action

of"),

write("

"),

write(Action),

write("

"),

write("for

the

standard

function

using

of"),

write("

"),

write(Function_standard),nl,nl,fail.图4.5规则3-2示意图如图4.5所示，系统通过谓词Function找到A对B完成的标准功能是什么，然后在从数据资源库中查找能完成此标准功能的资源或标准件，由标准件Resource_object来代替A完成对B的功能，从而裁剪掉A，使整个系统精简化，并且保证了系统的正常运行。4.2.6裁剪规则4trimming4(Component_name_tool,Action,Component_name_object):-write("Trimming

route

fours

started..."),nl,nl,

function(Component_name_tool,Action,Component_name_object,Function_standard),

effect(Number,Effect_name,Input_team,Output_team,Function_standard,Case_list_name_team),

write("There

is

a

suggestion

to

solve

this

problem

by

introducing

a

new

part"),nl,

write("The

new

part

can

be

designed

based

on

some

effects

listed

below"),nl,

write(Number),nl,

write(Effect_name),nl,nl,nl,fail.这项规则的运用是在前几条裁剪规则都不能实现的情况下找到相应的效应提示用户可以利用的资源，进行启发式创新，它表达的是直接运用谓词function中tool对object的标准功能，在效应库中直接查找能完成此标准功能的效应，然后将效应输出，提示用户完成创新活动。4.3裁剪算法功能建模系统的使用步骤（1）了解程序语言，明确各谓词表达含义，对资源数据库、功能分类、技术系统构建谓词等有清楚的了解。（2）对所要优化的技术系统进行功能分析，将其功能分解，构建技术系统模型，罗列各组件间的功能关系。建模结构如图4.6.（3）保存调试，运行dialog（对话询问窗口），在对话框中输入要使用的裁剪规则和需要优化的组件关系，即:trimming1(Component_name_tool,Action,Component_name_object)。（4）分析系统给出的提示结果，结合生活实际自主删减选择所需要的各类资源。图4.6功能建模系统5实例剖析5.1裁剪1——信息提示的重要性例1：一个TRIZ故事里面描述了一次火星试验。宇宙飞船在接近星球表面时，需要有大功率的探照灯来取光探明，方便科研工作的进行，试验小组在进行模拟试验时，探照灯的灯罩在模拟环境中总是破碎掉，这一技术难题一直困扰着科研组，不论是更换材料还是加大保护力度，一直未能解决此问题。后来TRIZ研究者提出了构建技术系统的方案，将宇宙飞船探照系统功能分解化，可以知道探照灯灯罩的作用是隔绝空气，保证真空环境，但是在星球表面根本就不存在空气，本身就是一种真空环境，灯罩的存在就没有了意义，也就不再存在灯罩破裂的技术难题。这个例子对应了裁剪规则中的第一条，若没有对象B，则B也就不需要工具A的作用Action。各工程实例与裁剪一览便见附录3。5.2裁剪2-1——酸液对多种金属的腐蚀作用（功能资源）例2：在一个实验室里，实验者在研究酸液对多种金属的腐蚀作用，他们将大约20个各种金属的实验块摆放在容器底部，然后泼上酸液，关上容器的门并开始加热，实验持续两周后，打开容器，观察酸液对金属块的腐蚀情况。但是实验完成后也存在着一定的不利影响，酸把容器壁给腐蚀了。为解决这一问题，有些工作者提出在容器壁上加一层耐酸蚀的材料，比如金子或者白金。但是这需要的成本太高了。让我们来看一下这个问题的技术系统模式来找到理想答案。构建技术系统对各部分进行功能分析。技术系统构建如下：component(holder,glass,glass,[force,locate],[locate]).

component(information_source,iron,iron,[force,corrupt],[change_of_mass]).

component(energy_conversion,water,liquid,[corrupt],[change_of_mass]).

function(glass,holder,water,move_an_object).

function(glass,holder,iron,move_an_object).

function(water,corrupt,iron,vary_surface_properties).

function(water,holder,iron,move_an_object).我们来运用裁剪规则2-1，从目标功能的角度出发，容器是个辅助子系统，可以被剪切，但是，酸液和金属块要如何盛装呢？从功能类型的方向看，容器功能本来是由杯子来完成的，但容器功能也可由实验中的实验块来承担：将待实验的实验块做成中空的，像杯子那样，然后将酸液注入杯中。实验后观察酸液对杯壁的腐蚀即可获得实验结果。程序运行后的提示结果如图5.1，裁剪结果如图5.2所示。图5.1酸液对金属的腐蚀作用2-1程序截图图5.2酸液对金属的腐蚀作用5.3裁剪2-2——酸液对多种金属的腐蚀作用（效应）我们继续采用例2中描述的工程实例，来运用裁剪规则2-2，从组件功能的角度出发，找到相应的效应内容，从效应中筛选可以实现功能转化的组件，这里的衔接点在于组件所完成的功能与相应的效应材料相一致，从而可以直接拿来运用此效应解决问题。杯子的在这里完成的标准功能是控制物体位移（move_an_object），根据裁剪规则2-2，查找效应库中完成此标准功能相应的效应，杯子使用的是沟槽效应（quarantine），完成此效应的材料可以由金属（iron）来完成，那么此系统的查找工作就结束了，就可以提示：There

is

a

possibility

for

iron

to

give

the

action

of

holder

for

the

effect

using

of

quarantine金属块可以运用沟槽效应来实现做为容器功能的作用。图5.2酸液对金属的腐蚀作用2-2程序截图5.4裁剪3-1——空气滤芯器图5.3进气系统例3：如图5.3汽车系统中，让空气流经进气系统过滤器，过滤器除去空气中的灰尘。经过净化后的空气再进入气缸，净化后的空气与流经发动机过滤器的油混合后再产生高能量。这种装置的空气净化质量低，容易引起油的污染，降低进气系统的可靠性。提出的建议方案是可以直接向发动机中充入空气，空气经过高效的过滤后能得到高纯化的空气。也就是直接将发动机过滤器改为空气过滤器，此空气过滤器即能过滤油又能过滤空气。图5.3改进后进气系统我们将汽车的进气系统进行技术系统的构建，对各个组件功能分析，系统建模表达如图示5.4，程序如下：component(holder,air_fifter_device,iron,[air],[fitered_air]).

component(location,air_fifter_device,iron,[air],[fiterted_air]).

component(holder,engine_filter,iron,[not_filter_oil],[filterted_oil]).

component(energy,air,air,[air],[energy]).

component(energy,oil,water,[oil],[energy]).

component(holder,cylinder,iron,[filterted_oil,fiterted_air]).

function(air_fifter_device,filter,air,separate_mixtures).

function(engine_filter,filter,oil,separate_mixtures).

function(cylinder,holder,air,move_liquid_or_gas).

function(cylinder,holder,oil,moce_liquid_or_gas).图5.4进气系统建模图示通过图5.4可以看出，进气系统过滤器和发动机过滤器的作用都是完成的过滤的作用，所以我们可以考虑让两者统一为一个组件，使整个系统得到简化。裁剪的规则也是如此，将空气滤芯器来代替发动机过滤器，既能过滤空气又能过滤油。此裁剪规则遵循的是在同一技术系统内部，有可以替代的组件C来完成A对B的功能，A就可以被裁剪掉，上述例子中，空气过滤器不但可以高效的完成过滤空气的功能，还可以给他添加过滤油的作用，使整个系统得到简化。具体的裁剪结果见图5.5。图5.5进气系统的裁剪程序结果5.5裁剪3-2——自动报警输液系统例4：打吊瓶的患者在输液过程中，要时刻注意着药水的进程，当需要时按下传呼器通知护士来换吊瓶，这个过程影响到了患者的休息，即使是在有陪护人员的情况下，陪护者也要时刻留意输液进程，耗费大量的时间和精力，陪护者十分疲劳，影响其他陪护工作。上述情景与理想状态有一定的差距，那么我们根据其功能分析，建立上述系统的功能模型如图5.6图5.6技术系统的功能模型component(energy,gravity,energy,[none],[force]).

component(fastening,support,iron,[support],[fasten]).

component(holder,bottle,glass,[fasten],[power]).

component(holder,tube,plastic,[power],[power]).

component(fastening,pip,iron,[power],[power]).

component(information_source,medicament,water,[power],[change_of_mass]).

component(information_source,people,people,[change_of_mass],[touch]).

component(information_source,machine,iron,[touch],[warn]).

component(transport,nurse,people,[warn],[change]).

component(object,muscal,people,[energy],[energy]).

function(support,fasten,bottle,move_an_object).

function(bottle,power,tube,move_an_object).

function(tube,power,pip,move_an_object).

function(pip,power,medicament,move_an_object).

function(medicament,prompt,people,locate_an_object).

function(people,touch,machine,locate_an_object).

function(machine,prompt,nurse,locate_an_object).

function(nurse,transmit,bottle,move_an_object).

function(gravity,force,medicament,move_liquid_or_gas).通过图5.6的分析可以看出，药剂在浸入过程中会对陪护者有提示作用，但是这个作用受到环境光线、时间等因素的影响，作用不够充分，从而造成陪护者的触发作用也不够充分，影响了整个系统功能实现的可靠性，其理想度需要提高。出现问题的组件包括陪护者、药剂和传呼器。为了减轻陪护者的疲劳，令其可以由更多的时间做更多的必要陪护工作，将陪护者从技术系统中裁剪掉是一个理想的方向，因此可以选择功能价值低的陪护者作为裁剪对象。当陪护者被裁剪时，他在技术系统所承担的功能与意义就需要别的组件来完成，即触发传呼器。根据裁剪规则3-2我们加入新的组件，令其施加“触发”功能。在规则中，根据陪护者完成的功能类型及他所实现的标准功能，在资源库中查找相应的资源，使其可以完成陪护者所实现的标准功能。查询结果如图5.7：图5.7输液系统裁剪结果我们可以根据程序结果看到，使用弹簧（spring）可以代替陪护者完成触发传呼器的功能，随着“药剂”的浸入量增加，“弹簧”的拉伸变形长度会缩短，在特定位置会触发传呼器的电流开关，提示护士及时更换，裁剪后的技术系统功能模型如图5.8所示。根据此原理形成的概念方案示意如图5.9所示。图5.8实施裁剪后的功能模型图5.9功能概念示意图6总结2011年3月我开始了我的毕业设计工作，时至今日，毕业设计工作基本完成了，从最初的迷茫到逐渐进入状态，再到思路的渐渐清晰，整个设计过程无法用言语来表达，这两个月的时间里，我们几乎每天都在实验室里，建数据库，调程序，想实例，终于历经了两个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕，回想这段日子的设计过程，我感慨万千，有太多难忘的回忆与收获。3月初，在与我的导师高常青老师的交流中，我的毕业设计题目定下来了，是：基于谓词逻辑的裁剪算法功能建模研究。我的毕业设计是软件类的课题，因为当时对人工智能语言（AI）一点也不了解，所以当课题方案定下时，心里一直很迷茫，面对浩瀚的书海，自己无路可走。后来在老师的推荐和要求下，我每天在TRIZ创新实验基地进行我的毕业设计。通过自己不断深入了解自己的课题内容，能深刻体会到创新设计在当今社会发展中所发挥的重要作用。科技创新已经成为社会和经济发展的主导力量，世界各国综合国力的较量越来越体现为以知识服务与技术创新为主要内容的竞争，“创新”已经成为这个时代的主旋律。怎样才能促进发明创造的产生，怎样才能提高解决问题的效率，技术创新的过程究竟有无规律可以遵循。在这两个月的时间里，我所研究的方向就是让创新有规则可以遵循，使人们的创新可以通过电脑的逻辑表达来实现创新方法的提炼，两个月中实验室，食堂，宿舍三点一线的生活使我从最初的茫然不知，到现在的略知一二，实验室见证了我大学最后的奋斗过程。我所完成的毕业设计是目前不存在的表达逻辑思维方式的程序语言，它通过计算机强大的逻辑运算能力，通过资源库，谓词，技术系统以及规则的制定，使用户需要解决的问题条理化，模式化。这种思维表达形式将是未来创新表达的规则创新化主导形式之一，它让创新有规律可以遵循，让思维有模式可以查找。到现在为止，我所完成的毕业设计已经可以基本完成自己预想的实验结果，例如测量金属腐蚀程度的装置，自动控制的输液系统等这些装置的优化结构都可以通过本程序来实现预想的优化结果，看到这些结果的出现使我倍感欣慰，让我知道付出了就有回报，自己两个月的努力没有白费。这些程序的运行，可以在今后的技术创新领域提供一种全新的思维方式，用程序语言表达思维过程，让思维程序化，让创新模式化，现在有很多的创新设计软件都在不断的摸索创新的规律，他们所实现的功能大部分是以实例论证来实现方法的启发式创新，不能做到很强的针对性，而我所完成的这种设计模式，他拥有共同的公共资源部分，功能类型部分。对不同的技术系统采用不同的规则裁剪优化，这种模式也存在一定的问题，它有时会出现根本不可能的结果，需要人为的过滤掉，相对的增加了用户的工作量。此程序的发展方向就是不断的简化数据结构，使逻辑运算更准确。通过自己的学习和深刻反思，发现我课题中所做的裁剪规则只不过是TRIZ创新理论的冰山一角，TRIZ理论博大精深，经过这么多年历届前辈的发展，TRIZ正在走向成熟，它正在带来无法估量的经济效益和社会效益，这次的毕业设计使我的思维方式得到了升华，它将帮助我在以后的工作生活中标新立异，不断进步，用TRIZ为企业谋利益，用TRIZ为自己求发展。参考文献[1]高常青.TRIZ—发明问题解决理论[M].北京:科学出版社,2011.4:1-2[2]杨清亮.发明是这样诞生的[M].北京:机械工业出版社,2006.7:11[3]雷英杰,邢清华,王涛等.人工智能(AI)程序设计[M].北京:清华大学出版社,2005.3:1[4]敖志刚.人工智能与专家系统导论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2002.3[5]廉师友.人工智能技术导论[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.5[6]王士同等.人工智能教程[M],北京:电子工业出版社,2001.10[7]韩晓建，曾硝，等.产品概念设计-理论、方法与技术[M].北京：机械工业出版社，2002.[8]傅家骥.技术创新学[M].北京：清华大学出版社，2004.[9]高常青，黄克正，张勇.TRIZ理论中问题解决工具的比较与应用[M].机械设计与研究，2006.[10]高常青，张勇.基于AFD的游乐设施失效分析[M].中国特种设备安全.2010.[11]黄靖远，高志，陈祝林.机械设计学[M].北京：机械工业出版社，2007.[12]梁桂明，董结晶，梁峰.创造学与新产品开发思路及实例[M].北京：机械工业出版社，2005.[13]刘莹，艾红.创新设计思维与技法[M].北京：机械工业出版社，2004.[14]仇成，冯俊文，高常青，等.科学效应在创新设计中的应用[M].机械设计与制造,2008.[15]檀润华.创新设计TRIZ-发明问题解决原理[M].北京：机械工业出版社，2002.[16]檀润华.发明问题解决理论[M].北京：科学出版社，2004.[17]唐林.产品概念设计基本原理与方法[M].北京：国防工业出版社，2006.[18]万邦烈.采油机械的设计计算[M].北京：石油工业出版社，1998.[19]TerninkoJ,ZusmanA,ZlotinB.SystematicInnovation[J].St.LuciePress,1998[20]OrloffMA.InventiveThinkingthroughTRIZ[J].Springer,2006.[21]周立柱.Prolog逻辑程序设计及应用[M].北京:清华大学出版社,1991.目录TOC\o"1-2"\h\z第一章项目基本情况 3一、项目情况说明 3二、可行性研究的依据 5第二章项目建设的必要性与可行性 8一、项目建设背景 8二、项目建设的必要性 9三、项目建设的可行性 14第三章市场供求分析及预测 17一、项目区生猪养殖和养殖粪污的利用现状 17二、禽畜粪污产量、沼气及沼肥产量调查与分析 18三、项目产品市场前景分析 20第四章项目承担单位的基本情况 21一、养殖场概况 21二、资产状况 21三、经营状况 21第五章项目地点选择分析 23一、选址原则 23二、项目选点 23三、项目区建设条件 24第六章 工艺技术方案分析 27一、污水处理模式的选择 27二、处理工艺的选择 29三、项目工艺流程