花黃偉，楊春燕

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所，廣東 廣州 510006； 2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

基于因果分析的事元蘊(yùn)含系及其應(yīng)用

花黃偉，楊春燕

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所，廣東 廣州 510006； 2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

可拓學(xué)中的事元蘊(yùn)含系方法和TRIZ中的因果分析方法都是尋找問題產(chǎn)生原因的有效方法。首先介紹事元蘊(yùn)含系的相關(guān)概念，研究事元蘊(yùn)含系的類型及模型，提出基于因果分析的事元蘊(yùn)含系，并建立相應(yīng)的模型，最后通過案例分析論證該模型的合理性。該研究為利用計(jì)算機(jī)幫助人們分析和處理問題提供了便于操作的形式化、模型化方法。

蘊(yùn)含分析；事元蘊(yùn)含系；因果分析；TRIZ；可拓學(xué)

可拓學(xué)中的蘊(yùn)含分析是根據(jù)物、事和關(guān)系的蘊(yùn)含性，以基元為形式化工具而對(duì)物、事或關(guān)系進(jìn)行的形式化分析[1]；蘊(yùn)含分析方法又稱為蘊(yùn)含系方法，是分析問題、找到核問題或問題源頭的一種常用方法。對(duì)于所有矛盾問題，找到問題產(chǎn)生的根本原因，是徹底地解決問題的基礎(chǔ)。問題的產(chǎn)生方式有很多種，形成問題的形式也有很多種，它不會(huì)平白無故地產(chǎn)生，問題的產(chǎn)生必定是有原因的。我們想解決問題，最好的方法就是找到問題的源頭，從根本上解決問題。

因果分析是TRIZ中一種常用的分析問題的方法，可以快速、有效地梳理和收斂問題[2]。在因果分析中最常見的是“追問法”，即就所看到的問題的現(xiàn)象，進(jìn)行一步一步地追問，直到找到可以消除問題的根本原因?yàn)橹埂?/p>

對(duì)因果分析和蘊(yùn)含系的研究，目前已有的文獻(xiàn)成果較少。文獻(xiàn)[3]提出了因果分析的概念，對(duì)因果分析進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并給出了相關(guān)的性質(zhì)，分析了流程方法；文獻(xiàn)[4]介紹了蘊(yùn)含系的定義，還介紹了如何運(yùn)用蘊(yùn)含系來分析解決問題；文獻(xiàn)[5]對(duì)蘊(yùn)含系進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，豐富了蘊(yùn)含系的性質(zhì)及其方法。蘊(yùn)含系和因果分析既有共同之處，又有所區(qū)分。本文嘗試基于因果分析對(duì)事元蘊(yùn)含系進(jìn)行研究，有助于豐富事元蘊(yùn)含系的理論基礎(chǔ)和方法，為正確地分析問題和解決問題提供可操作的方法。

1 事元蘊(yùn)含系概述

1.1 事元蘊(yùn)含的定義

文獻(xiàn)[1]給出了基元蘊(yùn)含的定義，本文只研究事元的蘊(yùn)含，因此只介紹事元蘊(yùn)含的相關(guān)定義。

定義1 設(shè)A1、A2為兩個(gè)事元，若A1實(shí)現(xiàn)必有A2實(shí)現(xiàn)，則稱A1蘊(yùn)含A2，記作A1?A2。通?！癆i實(shí)現(xiàn)”可記為“Ai@”(i=1,2)。

根據(jù)基元的邏輯運(yùn)算規(guī)則[6]，蘊(yùn)含系主要包括了“或蘊(yùn)含”和“與蘊(yùn)含”。

定義2 或蘊(yùn)含。設(shè)有事元A、A1和A2，若A1或A2實(shí)現(xiàn)都有A實(shí)現(xiàn)，則稱A1、A2或蘊(yùn)含A，記作A1∨A2?A；反之，若A實(shí)現(xiàn)有A1實(shí)現(xiàn)或者A2實(shí)現(xiàn)，則稱A蘊(yùn)含A1或A2，記作A?A1∨A2。

定義3 與蘊(yùn)含。設(shè)有事元A、A1和A2、若A1與A2同時(shí)實(shí)現(xiàn)必有A實(shí)現(xiàn)，則稱A1、A2與蘊(yùn)含A，記作A1∧A2?A；反之，若A實(shí)現(xiàn)必有A1與A2同時(shí)實(shí)現(xiàn)，則稱A蘊(yùn)含A1與A2，記作A?A1∧A2。

1.2 蘊(yùn)含系的類型及模型

上述定義是針對(duì)兩個(gè)事元間的蘊(yùn)含及兩個(gè)事元的“或蘊(yùn)含” “與蘊(yùn)含”所給出的定義。實(shí)際上，事件之間的蘊(yùn)含關(guān)系有時(shí)是非常復(fù)雜的，往往是多層級(jí)的[7]。根據(jù)上面蘊(yùn)含的定義，當(dāng)多個(gè)事元之間具有更復(fù)雜的蘊(yùn)含關(guān)系時(shí)，形成如下類型的蘊(yùn)含系統(tǒng)[8]，簡(jiǎn)稱蘊(yùn)含系。條件蘊(yùn)含系具有類似的類型，此略。

1.2.1 事元的“或蘊(yùn)含系”

事元的“或蘊(yùn)含系”有如下兩種類型：

1)若事元A實(shí)現(xiàn)是由于事元A1或事元A2…或事元An實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致的，而事元A1實(shí)現(xiàn)是由于事元A11或事元A12…或事元A1m的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致的。事元A2,A3,…,An實(shí)現(xiàn)的原因都可用類似事元A1的表示方法來表示，此時(shí)便形成事元的“或蘊(yùn)含系”，可用如圖1所示的蘊(yùn)含系模型表示。

圖1 事元“或蘊(yùn)含系”模型一Fig.1 The first model of affair-elements OR implication system

上述事元“或蘊(yùn)含系”模型也可表示為

圖1給出的是三層事元或蘊(yùn)含系，實(shí)際應(yīng)用中事元“或蘊(yùn)含系”可能有更多層，要具體問題具體分析。

例1 如果某人需要支付150元錢，可以通過現(xiàn)金、支付寶、微信錢包或網(wǎng)上銀行等方式來支付；而現(xiàn)金可以用面值為100元或面值小于100元來支付，支付寶可以用朋友轉(zhuǎn)賬、零錢包或余額寶來支付，微信錢包可以用朋友轉(zhuǎn)賬、零錢包或銀行卡來支付，網(wǎng)銀可以用朋友轉(zhuǎn)賬、余額或存款來支付，其蘊(yùn)含系的模型如圖2所示。

圖2 例1的模型圖Fig.2 Model figure of case 1

圖2中，

A=(支付，支配對(duì)象，150 元)

A1=(支付，方式，現(xiàn)金)

A2=(支付，方式，支付寶)

A3=(支付，方式，微信錢包)

A4=(支付，方式，銀行轉(zhuǎn)賬)

2)若事元A實(shí)現(xiàn)必然導(dǎo)致事元A1或事元A2…或事元An的實(shí)現(xiàn)，而事元A1實(shí)現(xiàn)必然導(dǎo)致事元A11或事元A12…或事元A1m實(shí)現(xiàn)。事元A2,A3,…,An實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致的結(jié)果都可用類似事元A1的表示方法來表示，此時(shí)便形成事元的“或蘊(yùn)含系”，可用如圖3所示的蘊(yùn)含系模型表示。

圖3 事元“或蘊(yùn)含系”模型二Fig.3 The second model of affair-elements OR implication system

上述事元“或蘊(yùn)含系”模型也可以表示為

A?

1.2.2 事元的“與蘊(yùn)含系”

事元的“與蘊(yùn)含系”有如下兩種類型：

1)若事元A實(shí)現(xiàn)是由于事元A1與事元A2…與事元An同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致的，而事元A1實(shí)現(xiàn)是由于事元A11與事元A12…與事元A1m同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致的。事元A2,A3,…,An實(shí)現(xiàn)的原因都可用類似事元A1的表示方法來表示，此時(shí)便形成事元的“與蘊(yùn)含系”，可用如圖4所示的蘊(yùn)含系模型表示。

圖4 事元“與蘊(yùn)含系”模型一Fig.4 The first model of affair-elements AND implication syste

上述事元“與蘊(yùn)含系”模型也可以表示為

例2 某人購買了燃油汽車，想開車上路，他就必須購買燃油、購買交強(qiáng)險(xiǎn)、考取駕駛證、辦理行車證等。而購買燃油就一定要去加油站；購買交強(qiáng)險(xiǎn)就一定需要錢和去辦理手續(xù)；考取駕駛證就一定要參加培訓(xùn)、通過考試、領(lǐng)取駕駛證；辦理行駛證一定需要辦理手續(xù)、繳費(fèi)、領(lǐng)取行駛證，如圖5所示。

圖5 例2的模型圖Fig.5 Model figure of case 2

圖5中,

2)若事元A實(shí)現(xiàn)必然導(dǎo)致事元A1與事元A2…與事元An同時(shí)實(shí)現(xiàn)，而事元A1實(shí)現(xiàn)必然導(dǎo)致事元A11與事元A12…與事元A1m同時(shí)實(shí)現(xiàn)。事元A2,A3,…,An實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致的結(jié)果都可用類似事元A1的表示方法來表示，此時(shí)便形成事元的“與蘊(yùn)含系”，可用圖6所示的蘊(yùn)含系模型表示。

圖6 事元“與蘊(yùn)含系”模型二Fig.6 The second model of affair-elements AND implication system

上述事元“與蘊(yùn)含系”模型也可以表示為

A?

1.2.3 事元的混合蘊(yùn)含系

事元的混合蘊(yùn)含系有如下兩種類型：

1)若事元A實(shí)現(xiàn)是由于事元A1與事元A2…與事元An同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致的，而事元A1實(shí)現(xiàn)是由于事元A11或事元A12…或事元A1m實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致的。事元A2,A3,…,An實(shí)現(xiàn)的原因都可用類似事元A1的表示方法來表示，此時(shí)便形成事元的一種與、或混合蘊(yùn)含系，可用如圖7所示的蘊(yùn)含系模型表示。

圖7 事元的混合蘊(yùn)含系模型一Fig.7 The first model of affair-elements mixture implication system

上述事元的混合蘊(yùn)含系模型也可以表示為

2)若事元A實(shí)現(xiàn)必然導(dǎo)致事元A1與事元A2…與事元An同時(shí)實(shí)現(xiàn)，而事元A1實(shí)現(xiàn)必然導(dǎo)致事元A11或事元A12…或事元A1m至少某一個(gè)實(shí)現(xiàn)。事元A2,A3,…,An實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致的原結(jié)果都可用類似事元A1的表示方法來表示，此時(shí)便形成事元的一種與、或混合蘊(yùn)含系，可用如圖8所示的蘊(yùn)含系模型表示。

圖8 事元的混合蘊(yùn)含系模型二Fig.8 The second model of affair-elements mixture implication system

上述事元的混合蘊(yùn)含系模型也可以表示為

A?

在實(shí)際問題中更多的是用到該種混合蘊(yùn)含系的方式，就是將或蘊(yùn)含和與蘊(yùn)含結(jié)合在一起，類似上述兩種蘊(yùn)含的例子，由于篇幅有限，在此不贅述。

2 基于因果分析的事元蘊(yùn)含系

2.1 因果分析

問題不會(huì)無緣無故地產(chǎn)生，問題的背后總是隱藏著各種原因。通常，消除引起問題的原因比直接解決原問題更加容易，也更有效，但有效找到問題的根本原因卻不是一件容易的事情[9]。因果分析就是一種幫助找到問題產(chǎn)生的根本原因的分析方法。因果分析中常用的方法是追問法，即就現(xiàn)有的問題現(xiàn)象，進(jìn)行一步一步地追問，直到找到可以消除問題的根本原因?yàn)橹?。具體的分析步驟如圖9所示。

圖9 因果分析圖Fig.9 The figure of causal analysis

因果關(guān)系的畫圖規(guī)則[3]為：長(zhǎng)方框代表一個(gè)因果要素，一條連線表示有一個(gè)因果關(guān)系，箭頭表示從因到果的方向，小圓弧表示兩條以上因果連線存在“與”的關(guān)系，即同時(shí)具備兩個(gè)(兩個(gè)以上的)原因才能導(dǎo)致結(jié)果，如果沒有小圓弧則是“或”的關(guān)系，有一個(gè)原因即可導(dǎo)致結(jié)果。

2.2 因果關(guān)系的事元模型表示

根據(jù)因果關(guān)系的畫圖規(guī)則可知，在長(zhǎng)方框中代表一個(gè)原因或結(jié)果的事件，在可拓學(xué)中可用事元形式化表示該事件，其具體的模型為A=(Oa,ca,va)，其中Oa表示動(dòng)作，ca表示該動(dòng)作的特征，va表示該動(dòng)作關(guān)于特征ca的量值，而針對(duì)動(dòng)作的多個(gè)特征進(jìn)行形式化描述的模型是多維事元，其表示形式為

根據(jù)可拓學(xué)中事元蘊(yùn)含的定義，原因事元A1和結(jié)果事元A之間的關(guān)系是因果蘊(yùn)含關(guān)系，可以表示為A?A1。

2.3 因果關(guān)系的事元蘊(yùn)含系

很多實(shí)際問題的因果關(guān)系都是非常復(fù)雜的，需要進(jìn)行復(fù)雜的混合因果分析，其分析過程形成了事元蘊(yùn)含系，包括本文1.2節(jié)中所述的各種與、或蘊(yùn)含關(guān)系。以圖9的因果分析為例，因果分析圖[10]可轉(zhuǎn)化為圖10所示的事元蘊(yùn)含系：

圖10 基于因果分析的事元蘊(yùn)含系Fig.10 Affair-elements implication system based on causal analysis

通過建立基于因果分析的事元蘊(yùn)含系，能夠形式化地分析問題，找到用事元模型表示問題的根本原因，從而形成原問題的下位問題，進(jìn)而再根據(jù)可拓學(xué)中問題可拓模型的建立方法，建立下位問題的可拓模型。一般而言，應(yīng)用上述方法分析獲得的下位問題都是比原問題易于解決的。然后就可以對(duì)于該問題可拓模型中的目標(biāo)或條件進(jìn)行拓展分析與可拓變換，從而獲得解決問題的多種創(chuàng)意，再按照領(lǐng)域知識(shí)，確定相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)創(chuàng)意進(jìn)行評(píng)價(jià)選優(yōu)，獲得解決矛盾問題的較優(yōu)創(chuàng)意。下面的事元蘊(yùn)含系具有同樣的價(jià)值。

2.4 互為因果關(guān)系的事元蘊(yùn)含系

“由因及果，由果及因”，因果關(guān)系在某些特定條件下是可以互相轉(zhuǎn)換的，所以存在著一種互為因果關(guān)系的事元蘊(yùn)含系，其蘊(yùn)含系模型如圖11所示。

圖11 互為因果關(guān)系的事元蘊(yùn)含系Fig.11 Affair-elements implication system of reciprocal causal relationship

在實(shí)際分析問題過程中，因果關(guān)系是互相關(guān)聯(lián)的，其中：事元A蘊(yùn)含事元A1，同時(shí)事元A1也蘊(yùn)含事元A；事元A與蘊(yùn)含事元A1,A2,…,An，同時(shí)事元A1,A2,…,An也與蘊(yùn)含事元A；事元A或蘊(yùn)含事元A1,A2,…,An，同時(shí)事元A1,A2,…,An也或蘊(yùn)含事元A。

3 案例分析

下面以用鉚釘槍鉚接飛機(jī)蒙皮造成蒙皮局部凹陷質(zhì)量問題的分析[11]為例，應(yīng)用本文的研究，說明建立事元蘊(yùn)含系的方法。

在本案例中，初始狀態(tài)是鉚釘槍抵緊釘頭，擋鐵抵緊釘帽，蒙皮和桁架都處于鉚釘軸向的一定范圍內(nèi)可移動(dòng)狀態(tài)。鉚釘槍發(fā)力后，鉚釘頭逐漸發(fā)生預(yù)期的變形，讓蒙皮和桁架可移動(dòng)的范圍越來越小，直至完全壓緊。如果擊打鉚釘頭時(shí)間過長(zhǎng)，則導(dǎo)致蒙皮凹陷的質(zhì)量問題，根據(jù)因果分析方法，可得如圖12所示的飛機(jī)蒙皮凹陷問題的因果分析圖。

圖12 飛機(jī)蒙皮凹陷問題的因果分析Fig.12 The causal analysis on the sag problem of aircraft skin

再根據(jù)因果分析的事元蘊(yùn)含系方法，將上述因果分析圖用事元模型形式化表示后，可以建立如圖13所示的飛機(jī)蒙皮凹陷問題的事元蘊(yùn)含系分析模型。

圖13 飛機(jī)蒙皮凹陷問題的事元蘊(yùn)含系分析模型Fig.13 The analysis model of affair-elements implication system on the sag problem of aircraft skin

圖13中，

通常情況下，一架民用飛機(jī)上有上百萬個(gè)鉚釘，一般用擋鐵抵緊鉚釘帽，手持鉚釘槍，以鉚釘槍的氣動(dòng)高頻錘頭擊打鉚釘頭部致使其發(fā)生變形，通過鉚釘帽和變形的鉚釘頭所產(chǎn)生的定位、壓緊與固定的作用，將飛機(jī)的蒙皮鉚接在桁架上。

由上述事元蘊(yùn)含系可以得出，影響蒙皮過度凹陷的兩個(gè)主要因素分別是鉚釘槍的打擊力和擋鐵抵緊程度，根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)對(duì)鉚釘槍和擋鐵進(jìn)行相關(guān)分析，如圖14所示。

圖14 相關(guān)分析圖Fig.14 The figure of correlation analysis

在圖14中：

由上述相關(guān)分析可知，鉚釘槍的功率與鉚釘槍的打擊力相關(guān)，鉚釘槍的抵緊程度、鉚釘槍的打擊力和鉚釘槍與擋鐵間的壓應(yīng)力相關(guān)。結(jié)合領(lǐng)域知識(shí)可知，造成蒙皮過度凹陷的根本原因是鉚釘槍與擋鐵間的壓應(yīng)力超過了蒙皮的屈服極限。

對(duì)此，可通過對(duì)g1和g2同時(shí)實(shí)施2個(gè)主動(dòng)變換φ=φ1∧φ2，即

再根據(jù)傳導(dǎo)變換原理，上述主動(dòng)變換φ1必然會(huì)發(fā)生傳導(dǎo)變換Tφ1，使

上述主動(dòng)變換φ2和傳導(dǎo)變換Tφ1的共同作用為

φ0=φ2∧Tφ1

導(dǎo)致發(fā)生傳導(dǎo)變換Tφ0，使得

4 結(jié)束語

在很多情況下，原問題很難直接得到解決，而一旦找到產(chǎn)生該問題的根本原因并消除該原因?qū)е碌慕Y(jié)果，原問題就迎刃而解了。本文提出了基于因果分析的事元蘊(yùn)含系方法，將TRIZ中的因果分析同可拓學(xué)中的蘊(yùn)含分析方法相結(jié)合，吸取兩者優(yōu)點(diǎn)，既豐富了可拓學(xué)中的蘊(yùn)含分析理論，又能夠比較容易地找到問題產(chǎn)生的根本原因。文中以用鉚釘槍鉚接飛機(jī)蒙皮造成蒙皮局部凹陷質(zhì)量問題的分析為例，詳細(xì)介紹了基于因果分析的事元蘊(yùn)含系的方法，該方法通過建立事元模型，分析各事件間的蘊(yùn)含關(guān)系，能夠形式化地分析問題，便于找到問題產(chǎn)生的根本原因，從源頭上解決問題，該方法同樣也適用于其他問題的分析，具有一定的普適性。

通過建立事元蘊(yùn)含系模型分析問題，使得對(duì)問題的描述更加簡(jiǎn)潔、規(guī)范化，易于計(jì)算機(jī)或者人工分析，且對(duì)于比較復(fù)雜的問題，采用該種分析方法更加清晰、準(zhǔn)確。對(duì)因果關(guān)系進(jìn)行的形式化、模型化研究，為利用計(jì)算機(jī)幫助人們分析和處理問題提供了便于操作的方法，這是研究矛盾問題智能化處理的基礎(chǔ)性工作之一。

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Affair-elements implication system and its application based on causal analysis

HUA Huangwei1,2， YANG Chunyan1,2

(1. Research Institute of Extenics and Innovation Methods,Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Everything happens for a reason. Both the affair-elements implication system in Extenics and the causal analysis in TRIZ are effective ways to determine the reasons for the problems. In this paper, the concept of an affair-elements implication system was introduced and its types and models were studied, then the affair-elements implication system based on causal analysis was provided, and the corresponding models were established. Finally, the rationality of the models was proven through a case study.This research provides easy-operating formalization and modeling methods using a computer to help people analyze and manage problems.

implication analysis; affair-elements implication system; causal analysis; TRIZ; Extenics

花黃偉，男，1991生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭赏貙W(xué)、車輛工程、智能系統(tǒng)。已授權(quán)專利1項(xiàng)，獲軟件著作權(quán)1項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文1篇。

楊春燕，女，1964年生，研究員，廣東工業(yè)大學(xué)可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所所長(zhǎng)，中國人工智能學(xué)會(huì)可拓學(xué)專業(yè)委員會(huì)主任，中國人工智能學(xué)會(huì)常務(wù)理事，廣東省未來預(yù)測(cè)研究會(huì)副理事長(zhǎng)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、“863”計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目通信評(píng)議專家，全國可拓學(xué)研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人之一,主要研究方向?yàn)榭赏貙W(xué)、知識(shí)管理、決策科學(xué)、創(chuàng)新方法與創(chuàng)新設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘、智能系統(tǒng)。主持3項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、3項(xiàng)廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目和2項(xiàng)廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目。獲廣東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲中國人工智能學(xué)會(huì)首屆“吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。在科學(xué)出版社等出版專著9部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文90多篇。

10.11992/tis.201610012

http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20170227.2217.024.html

2016-10-13.

日期：2017-02-27.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61273306)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016A040404015).

楊春燕. E-mail: 276519106@qq.com.

TP18；TH122

A

1673-4785(2017)01-0060-07

花黃偉，楊春燕. 基于因果分析的事元蘊(yùn)含系及其應(yīng)用[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2017, 12(1): 60-66.

英文引用格式：HUA Huangwei， YANG Chunyan. Affair-elements implication system and its application based on causal analysis[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2017, 12(1): 60-66.