面向跨学科的问题流网络转化过程模型

孙建广，李浩宇，王 康，王 宇，张路路

(1.河北工业大学 国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心，天津 300401； 2.河北工业大学 机械工程学院，天津 300401)

1 问题的提出

作为解决科学技术问题的重要途径，跨学科研究的发展处于明显的上升阶段[1]。PORTER等[2]认为跨学科是从不同知识领域集成研究所需要素和解决超出单一学科研究的问题；ALLEN[3]认为跨学科是试探式、反复式、反省式的决策进程；章成志等[4]认为相关定义虽然不统一，但是都强调跨学科的组织过程具有集成、共享与合作的特点。在工程设计过程中，ERTAS[5]认为实现跨学科创新需要在多个工程领域之间形成一个协同网络。

TERNINKO等[6]认为专利主要包括机械、电磁学、化学和热力学4个技术学科，设计人员可从如图1所示的4个学科领域扩展知识。王朝霞等[7]指出从专利提取重要技术方案信息可以避免重复设计；刘龙繁等[8]指出知识范围越大，知识层次越高，越有助于从不同角度认识问题。

GOOCH等[9]认为跨学科既提供创新机会，也面临如何实现协同的困难；ARROYAVE等[10]认为跨学科工程设计需要一个普适化的框架。因此，有必要探索解决工程技术方面跨学科问题的技术创新方法。

ALTSHULLER通过分析大量高级专利提出发明问题解决理论(Theory of Inventive Problem Solving, TRIZ)[11]，在如图2所示的模型中，采用类比将具体领域问题表征为问题模型，利用TRIZ工具找到原理解；然后在第二次类比过程中注入跨学科知识，将原理解转化为具体领域解。因此，设计人员利用TRIZ可以从多领域知识获得启发，突破自身思维限制[12]。Altshuller开发一套解决发明问题算法——ARIZ，用于感知-分析-响应决策流程中解决有序领域问题颇有成效[13-14]。然而，跨学科问题内含大量对象与参数联系，其背后的冲突为动态性变化，利用ARIZ逐个解决冲突时产生的方案缺少关联性[15]。可见ARIZ虽然能够从多元视角分析跨学科问题，但是难以促进协同，因此KHOMENKO等[13]和CAVALLUCCI等[16]发展了一种用于管理与解决跨学科问题的强势思维一般理论(General Theory of Powerful Thinking, OTSM)。

OTSM[13]旨在从描述初始问题到获得满意概念解的过程中，通过网络描述跨学科问题的复杂情况，利用“元素-名称-量值”(Element-Name-Value,ENV)模型规范表达多个冲突。国内外研究分为构建问题网、选择关键问题、管理冲突网、描述冲突4个方面。

在构建问题网方面，KHOMENKO等[17]首先提出问题网的构建步骤；CAVALLUCCI等[16,18]将问题网分为问题域和半效解域，分别提取不满意的评价参数和改变设计的行动参数，并提出4种网络发展方式；张建辉等[19]利用物元模型规范描述问题的对象、特征和量值。

在选择关键问题方面，KHOMENKO等[17]考虑底层网络有许多未知情况，优选接近改善目标的子问题；BORGIANNI等[20]引入层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)筛选最佳半效解；张建辉等[19]提出5种判别关键问题的依据。

在管理冲突网方面，ELTZER等[21]通过挖掘中间参数收敛网络;CAVALLUCCI等[16,22]通过计算冲突之间影响子序列数确定关键冲突,并利用“冲突云”模型定量分析与筛选关键冲突群；BALDUSSU等[23]考虑“最大满足需求”与“最小改动设计”提取核心冲突；张建辉等[19]提出定性和定量组合分析冲突；WANG等[24]引入层次分析法分析冲突与参数权重，并结合最短路径算法(Floyd-Warshall algorithm)搜索求解路径。

在描述冲突方面，KHOMENKO等[25]指出行动参数有两个不相容取值范围，分别满足两个评价参数，并在冲突网中利用双目标ENV模型表达冲突；为了突出行动参数的相反取向，CAVALLUCCI等[15-16]将双目标ENV模型转换至阴阳鱼模型；张建辉等[19]与BALDUSSU等[23]认为多目标ENV模型中同一元素的行动参数可以影响多个评价参数，形成多目标冲突；周贤永[26]认为OTSM的ENV模型与可拓学的OCV模型有等价关系，可将冲突转化为对立问题或不相容问题，通过可拓创新方法拓展双目标冲突的求解方向。

现有研究很少从跨学科角度构建问题网、关注横向参数影响以及确定关键节点，现有问题网模型缺少层次性，模糊了因果逻辑关系和参数之间的影响联系。选择关键节点标准没有考虑不同学科之间的联系，因此求解方向比较发散。目前还没有一个完整地围绕参数展开从定量分析到获取冲突求解路径的方法，难以协同不同学科领域研究成员客观评价冲突重要度并有顺序地求解冲突。另外，为了满足不同学科领域研究成员的技术要求，跨学科问题不可避免地包含多目标冲突，采用多目标ENV模型有利于构建收敛的冲突网，但难以转换至双目标阴阳鱼模型，并在使用冲突矩阵时面临选择参数问题，形成如图3所示的两种模型表达方式之间的冲突。

本文研究意义在于提高OTSM在求解跨学科问题过程的收敛性，根据跨学科研究的协同特点整合与改进现有研究方法，构建跨学科问题流网络的转化过程模型，体现在如下方面：①初步提出一个纵向体现子问题域、半效解域、深层域，横向体现跨学科参数联系的问题网构建方法，并确定具有协同性关键节点的标准；②为提高定量分析冲突的有效性，改进冲突网的层次结构模型并改进冲突求解路径算法；③进一步阐明冲突网的管理作用与参数网的求解作用，并提出四相参数模型，解决ENV模型两种表达方式之间的冲突。

本文在消除问题背景差异化方面的研究仍然存在短板。在跨学科问题网中仅利用可拓基元模型规范描述节点内容，为了体现彼此之间的差异性，需要利用个性化参数描述节点，并在后续构建与管理一个收敛的冲突网，再将关键节点的个性化参数转变为39个通用工程参数。另外，在构建半效解域方面通过专利搜索获取外部知识，然而人工分析与提取专利文本的效率较低，研究搭建网络参数之间的联系依赖研究成员的学习和认识。

2 跨学科问题网的构建

2.1 现有OTSM问题网及其发展方式

KHOMENKO等[17]认为问题网作为一种描述多个问题与连接关系的语义网络，包括子问题和半效解两种节点。CAVALLUCCI等[18]在问题网的基础上提出如图4所示的4种构建网络的方式，包括问题分解、问题求解、方案分解和衍生问题挖掘。在问题分解过程中将初始问题分解为子问题和更深层次的子问题，在问题求解过程中针对子问题试探性地构想解决方案，在方案分解过程中进一步细化半效解方案，以形成不同的子方案。相对于整体系统，仅解决子问题、有待完善细化和具有衍生问题的方案称为半效解，问题网中的半效解节点针对每个半效解都可以挖掘相应的衍生问题，形成新的问题节点。通过构建问题节点和半效解节点之间的联系，逐渐形成有向网络。

2.2 跨学科问题网的层次结构

KHOMENKO等[27]建议研究团队将初始问题分解为不同学科的子问题并发展各自的子网络，但未明确具体方法。本文为进一步明确描述网络中因果逻辑关系与参数之间的影响联系，在原有问题网的构建步骤[17]与发展方式[18]基础上提出一种面向跨学科的网络层次结构，将网络纵向分为子问题域、半效解域和深层域3个层次。

本文利用根原因分析方法[11]，根据研究成员掌握的个人知识和研究过程中学习的外部知识逐步分解问题，同时界定子问题的学科领域，从而将工作分配给研究成员，并定义由一群具有因果逻辑关系的节点组成的网络为子问题域。在分解问题的过程中，不针对自然科学极限、法律与成本极限等因素进行深入分析，因此不超出研究成员所掌握的技术知识范围。跨学科问题网中节点之间的联系如图5所示，图中“Or”和“And”表示子问题域中的“或”和“与”逻辑关系，Pb表示子问题，PS表示半效解。子问题Pb.3和Pb.4为“或关系”，只要其中一个存在就会造成问题Pb.1，因为二者属于不同学科领域，所以分配相应的研究成员发展后续网络；子问题Pb.5和Pb.6为“与”关系，只有二者同时存在才会引发子问题Pb.3。

本文选择将研究团队知识范围内、具有可控性和可操作性的子问题作为根原因，搜索现有相关专利技术方案作为半效解，并构建半效解之间的联系，以形成半效解域，例如图5中根原因Pb.5的半效解PS.1，PS.2，PS.4，PS.5组成的中部网络为半效解域。从整体系统角度考虑，由于某一学科领域的研究成员所掌握的知识范围有限，所采取的半效解会引发其他学科领域的问题，例如图5中半效解PS.2不仅具有本学科领域的衍生问题Pb.9,还衍生超出个别研究成员知识范围的子问题Pb.10，需要其他掌握相关知识的研究成员协同解决，在半效解PS.2与子问题Pb.10之间产生跨学科横向参数影响联系。本文定义如图5中以Pb.8，Pb.9，Pb.10，Pb.11为代表的衍生问题所组成的底部网络为深层域，通过逐层构建网络与挖掘横向参数联系，形成如图6所示的金字塔式层次结构。在子问题域中，为了改善其中一个根原因问题，需要从半效解域中获得技术方案，但会引发深层域中的衍生问题，其中隐藏着必须解决的冲突。

2.3 基于可拓基元模型的问题与半效解描述

跨学科问题网汇聚了不同学科的知识资源，研究成员的自然语言难以清楚表达子问题与半效解的本质，需要一种规范表达形式来突出重点内容。可拓学[28]建立了物元、事元、和关系元的概念，将其统称为基元，基元将质与量、动作与关系的相应特征置于一个三元组中，可以形式化地描述物、事和关系。研究成员通过学习基元模型并进行交流，人工分析文本和提取三元组，建立问题与半效解列表，从而消除学科背景，突出所要描述的对象、参数及其量值。

2.3.1 基于物元模型的问题描述

通过式(1)所示的物元模型，以物Om为对象，cm为特征，Om关于cm的量值vm构成三元组描述问题[28]。如表1所示，问题Pb.1的描述对象为接口端子，特征为安全载流量，其量值较低，因此需要提高。

M=(Om,cm,vm)。 (1)

表1 问题规范描述

2.3.2 基于事元模型的半效解描述

通过如式(2)所示的事元模型三元组描述半效解，Oa，ca和va分别表示动作、动作的特征以及关于特征所取的量值，动作基本特征有支配对象、施动对象、接受对象与位置等[28]。表2表示半效解PS.1的技术方案为冷却液对接口端子的尾部外表面位置施加降温动作，即“降低”为动作，“冷却液”和“接口端子”分别是动作的施加和接受对象，“温度”是接口端子被期望改善的参数，是动作的支配对象，“尾部外表面”则进一步描述施加动作的具体位置。

A=(Oa,ca,va)。 (2)

表2 半效解规范描述

2.4 关键节点的选择

文献[29]认为研究团队应从整体和局部认识跨学科问题，把握问题内在的关联，研究团队从多个学科视角分析问题，拓展问题网的构建规模与求解方向。然而现有关键节点的确定方法较少考虑学科彼此之间的关联，容易将单学科视角中的关键问题均转化为冲突，偏离问题流转化过程的收敛思想，因此本文提出一种确定关键节点的方法。

因为顶部子问题域描述因果逻辑关系，所以先确定每个局部子问题域的根原因。中部半效解域描述各种解决根原因问题的技术方案，针对同一个根原因，可能有多个在技术结构方面存在巨大差异的半效解，例如图5中根原因Pb.5的半效解PS.1与PS.2代表两种技术路线，研究团队需要根据实际研发情况选择主要研发方向。深层域描述各子问题之间的横向参数联系，考虑到跨学科研究所需的协同特点，本文优先选择与替它节点有较多关联并与不同学科领域中的子问题有横向参数联系的节点，例如图5中半效解PS.2可作为关键节点。研究团队通过三步法在规模较大和求解方向发散的跨学科问题网中找到关键节点，将其转换为冲突网，以促进协同研究。

3 冲突网的构建与评价

3.1 基于ENV模型冲突网的构建

关键节点内含各学科研究成员所采取的不同半效解之间的冲突，半效解之间通过参数互相关联和影响，解决关键节点内部冲突有利于协同不同学科成员的求解方向，即关键节点是解决跨学科问题的入手点。因此，研究成员需要提取关键节点及其关联节点规范描述中的元素、行动参数、评价参数和量值，并填入ENV模型，以规范形式描述冲突，并将原有个性化描述的评价参数转化为39个通用工程参数，以进一步消除评价参数的学科背景。

TCi=(APi,EP1,EP2)；

(3)

TCi=(APi,EP1,EP2,…,EPj)。

(4)

为了明确冲突之间的相互影响方式，本文将横向参数联系分为3种：①行动参数之间存在影响子序列，如图7中的空心箭头联系S1；②不同冲突之间共有相同评价参数，如图7中的虚线联系S2；③评价参数之间存在影响子序列，如图7中的实心箭头联系S3。

3.2 参数与冲突的定量评价方法

跨学科问题所在的技术系统是一个由众多因素相互影响且需要不同学科知识理解的复杂系统[11,13]，为了综合考虑不同学科领域的需求并协同解决相应的冲突，需要通过网络详细表达内在的参数关联，并定量分析参数的相对权重与冲突的影响范围，考虑不同研究成员在评价过程中存在一定的主观性和学科领域倾向性，以及需要同时评价多目标与双目标冲突，本文在“冲突云”模型[22]基础上加以改进并引入AHP[30]，为后续搜索路径算法提供权重。行动参数、评价参数与冲突的定量评价分为如下4部分。

3.2.1 行动参数的重要度OXAPi

冲突网的层次结构模型如图8所示，其以协同提升整体技术系统性能为评价目标，将行动参数、评价参数分别列于方案层、准则层。每个研究成员将自己所关注的评价参数与其他同类参数两两比较，以1～9及其倒数为评价尺度建立相对重要判断矩阵。经过一致性检验后，获取评价参数相对权重REPj和优化值OREPj。 由于每个评价参数受不同学科领域研究成员所采取半效解行动参数的影响，研究成员需两两比较影响自己所关注评价参数的行动参数，形成相应判断矩阵并计算相对权重RAPi，在互相对比评价过程中激发研究成员之间的跨学科交流。最终行动参数的相对权重RAPi分别乘以相关评价参数的相对权重REPj，将所得计算结果相加，获得行动参数的重要度OXAPi。

3.2.2 技术冲突的影响范围OYTCi

从协同的角度考虑，由于已被解决冲突中的评价参数被改善，而与已被解决冲突有参数影响子序列关系和共有评价参数关系的待解决冲突应在前者解决方案的基础上寻求后续解决方案。因此，有必要统计每个冲突之间的影响范围并将其转化为相对权重。用如下公式计算技术冲突的影响范围：

(5)

(6)

式中：QCEPj和QSEPj分别为冲突中第j个评价参数EPj的出现次数和影响子序列数；Yi和OYTCi分别为第i个技术冲突的绝对影响与相对影响。

3.2.3 物理冲突的影响范围OZPCi

行动参数是解决冲突的核心，研究成员应将技术冲突转化为物理冲突，并将关注点从技术冲突中的评价参数转移至物理冲突中的行动参数。同理，行动参数之间的相互影响也会影响后续物理冲突的解决，有必要考虑解决物理冲突中行动参数的影响范围，即

(7)

式中：QSAPi为第i个物理冲突的行动参数影响其他同类参数的影响子序列数；OZPCi为第i个物理冲突在网络中的相对影响。

3.2.4 冲突综合权重RCi

由于参数彼此关联，在综合考虑行动参数重要度与冲突的两种影响范围的情况下，研究成员将从提升整体技术系统的角度进行协同定量分析。本文通过式(8)综合上述3种评价权重，获得冲突的综合权重RCi，并定义权重最大的冲突为核心冲突，其余按照权重由大到小的排序分为重要冲突和一般冲突。

(8)

3.3 参考求解路径的确定

在协同解决跨学科问题中，优先解决核心和重要冲突，而每解决一个冲突所产生的方案都会影响后续冲突的参数改善状况与求解思路，参数之间的矢量联系则代表冲突节点之间的路径。为了协同不同学科领域研究成员有序解决冲突，需要在网络中确定一个有效的求解路径。因此，本文将核心冲突作为路径起点，重要冲突作为途经指定节点，在网络中关联数量少和参数相对权重较小的冲突作为路径终点。如图9所示，冲突C1的评价参数相对权重值为10，冲突C1与C2的共有评价参数相对权重值为5，冲突C2的行动参数相对权重值为2，取参数相对权重的倒数，将如图7所示的S1，S2，S33类参数联系的影响方向作为冲突之间的路径方向，将路径权重的加和结果转化为如式(9)所示的权值矩阵W，再利用MATLAB运算途经指定节点的Floyd算法[31]，避免原有搜索路径方法[24]可能绕开重要冲突的缺陷。

(9)

4 参数网的构建与求解

按照3.3节方法获取的参考求解路径，将原有基于ENV模型表达的冲突网转化为基于四相参数模型的参数网。依次判别求解路径上的冲突类型，如果求解路径上的冲突为多目标冲突，则采用可拓创新方法，而求解双目标冲突采用发明原理或分离原理，最终形成满意概念解。

5 跨学科问题流网络的转化过程

跨学科团队利用跨学科问题流网络的转化过程从多个学科视角分析跨学科问题，搜索专利获取可应用的半效解，在确定关键节点后构建冲突网；然后定量分析参数相对权重与冲突综合权重，利用途经指定节点的Floyd算法获取参考求解路径，将参考求解路径转化为基于四相参数模型描述的参数网；再根据冲突类型选择相应的工具求解冲突。跨学科问题流网络的转换过程如图11所示。

6 研究案例

电动汽车快速充电技术成为汽车行业的研究重点，然而高载流量充电产生的大量焦耳热会缩短电缆使用寿命并引发事故[32]，电缆涉及结构设计、电学、热学等学科领域，因此有必要从跨学科角度，针对现有直流充电枪的安全载流量限制进行技术创新。充电线缆如图12a所示，充电枪插口如图12b所示。

6.1 安全载流量限制问题网的构建

针对安全载流量限制进行根原因分析，构建子问题域，充电设备的绝缘材料具有较大热阻系数，通电导体热量在短时间内难以传导至系统外部，通电导体与绝缘材料之间的温差逐渐减小难以形成传热条件，导致Pb.12接口端子和Pb.27导体快速温升的问题，相继引发Pb.2和Pb.22电阻随温度变大的恶性循环。因此，针对根问题Pb.12和Pb.27搜索相关专利方案并构建半效解域，再挖掘衍生问题与横向参数的联系，分别构建问题网、问题列表与半效解列表，如图13、表3和表4所示。

6.2 关键节点的确定

在如图13所示的子问题域中，研究成员根据因果逻辑关系确定关键问题节点Pb.12和Pb.27。通过搜索相关的专利技术方案，分别找到PS.4高位充电弓传输电能、PS.17无线传输电能、PS.1和PS.5添加冷却液为代表的方案。本文研究团队根据技术问题提出者的最小改动设计要求，选择利用冷却液消除有害作用作为首要技术路线，因此在图13中主要对冷却专利技术方案进行展开分析。

续表3

表4 半效解列表

续表4

出于跨学科协同研究的目的，优选关联其他节点数量较多且与不同学科子问题有横向参数联系的节点，例如循环液体冷却接口端子与充电线缆的半效解PS.2和PS.9，以及冷却液的选型问题Pb.56，这3个节点有较多关联且涉及热学、电学、结构设计等学科，将其作为关键节点。

6.3 关键节点转换为冲突网

将关键节点的相关规范描述转变为ENV模型，以Pb.56中冷却液的选型问题为例，镓基液态金属虽然具有较高的热导率和导电性，但是在正负极导体串联冷却条件下存在短路问题；水作为冷却液虽然具有黏性系数小和成本低的优点，但是其存在热导率较低和短路问题；以氟化液为代表的冷却液的优点在于良好的绝缘性，缺点是热导率低、黏性系数大。将个性化描述的评价参数转化为TRIZ的39个通用工程参数，形成图14中的多目标冲突C6。逐一挖掘关键节点PS.5，Pb.15，Pb.56背后的各个冲突，以及确定各个冲突之间的行动参数的影响子序列S1、共有参数联系S2和评价参数的影响子序列S3，形成如图14所示的冲突网。

6.4 参数与冲突的定量评价

6.4.1 计算行动参数重要度

利用Yaahp软件搭建如图15所示的冲突网层次结构模型，对比表5中的评价参数，构造如表6所示的判断比较矩阵，并对具有相同评价参数的行动参数进行比较，分别构造如表7～表12所示的相对权重表，最终获得如表13所示的行动参数重要度。

表5 参数信息表

表6 评价参数的判断比较矩阵

表7 温度的行动参数相对权重

表8 运动物体面积的行动参数相对权重

表9 应力的行动参数相对权重

表10 流速的行动参数相对权重

表11 静止物体面积的行动参数相对权重

表12 物体产生有害因素的行动参数相对权重

表13 行动参数的重要度

6.4.2 统计技术冲突影响范围

统计图14每个冲突中评价参数的出现次数和影响子序列数，根据式(5)和式(6)可得影响范围，如表14所示。

表14 技术冲突影响范围

6.4.3 统计物理冲突影响范围

统计图14每个冲突中行动参数的影响子序列数，根据式(7)可得影响范围，如表15所示。

表15 物理冲突影响范围

6.4.4 计算冲突综合权重

根据式(8)计算冲突综合权重(如表16)，结合上述列表中参数的相对权重，为后续Floyd算法选择路径起点、途经节点、终点提供相应的数据。

表16 冲突综合权重

6.5 参考求解路径的获取

根据表16确定C2为核心冲突，本文设置途经节点数为2，即C6和C1为重要冲突，与节点C6和C1联系数最少且参数相对权重小的节点C3为路径终点。根据表6中评价参数优化值OREPj的倒数、表13中行动参数重要度OXAPi的倒数与图14冲突网中3类参数的联系，构建如图16所示的参数联系与权重图，将其转化为式(10)所示的权值矩阵，最后利用MATLAB获得参考求解路径C2→C1→C5→C6→C4→C3。

(10)

6.6 构建参数网

利用四相参数模型简化行动参数与评价参数之间的联系，突出行动参数的取值范围，构建如图17所示的参数网，然后根据图11中第3阶段的过程，按照冲突求解路径和冲突类型逐个选择相应的求解工具。

6.7 冲突求解

TRIZ的特殊性公理为：尽可能地利用技术系统已有的属性或资源解决问题[15]。在后续冲突解决过程中，本文据该公理，利用充电枪技术系统和半效解中已经存在的资源和属性，选择合适的发明原理。

6.7.1 冲突C2的解决

C2为双目标冲突(G21∧G22)↑L2，其中：

根据冲突矩阵获得4条发明原理：NO.10，NO.15，NO.36,NO.28。

NO.15-动态化的第3条提示：如果一个物体是刚性的，使其变为可活动或可改变。由于电缆的绝缘层和纤芯组为柔性，可作为正负极导体之间的中间介质替代原有方案中的聚四氟乙烯垫片。本文将细导线在薄壁导流管上绞合成正极导体，将绝缘层在正极导体上挤塑成形；在正极主导体外部均布其余纤芯组，绕包铝塑复合定形带，绞合若干层导线并挤压形成若干有豁口的负极导体后，挤塑形成负极绝缘层；在豁口放置填充物，再安装护套层；冷却液在第1和第2导流道内冷却正负极导体。方案如图18所示。

6.7.2 冲突C1的解决

C1为双目标冲突(G11∧G12)↑L1，其中：

根据时间分离原理，周期性地改变冷却液的流动方向，在串联冷却条件下减少正负极导体散热的差异性，无需较大地改变结构和引入外部资源，方案如图19所示，图中t表示某一时刻，T为换向周期。

6.7.3 冲突C5的解决

C5的冲突类型为双目标冲突(G51∧G52)↑L5，其中：

为了降低接口端子顶部的温度，需要设计可拆接口端子，但拆解件的有效载流面积较小。根据冲突矩阵获得发明原理NO.35和NO.38，选择NO.35-参数变化，根据第1条提示：改变物体的物理状态，使物体在气、固、液三态之间变化。PS.17方案所采用的冷却剂镓基液态金属具有流动性和导电性，能够填充可拆式接口端子内部并同时满足两个目标，方案如图20所示。

6.7.4 冲突C6的解决

C6为多目标冲突(G61∧G62∧G63∧G64)↑L6，其中：

针对条件基元L10构造分隔式转折部Z，使得TL10=L101|Z|L102，其中：

在正负极冷却通道之间增加隔液转子装置，该装置包括进液、移液和排液3个工作相位。液态金属流入相邻两个转子扇叶之间的开口内并挤压此处的弹性气膜，由于气室的气压稳定，使得排液位置处的弹性气膜向外膨胀，以使液态金属能够沿转子顺利流动。每个转子扇叶嵌有密封条，密封条与缸体紧密贴合，从而防止相邻相位内的液态金属贯通形成导电回路。隔液转子装置设计方案如图21所示。

6.7.5 冲突C4的解决

C4为双目标冲突(G41∧G42)↑L4，受已解决冲突C2采取同轴导体结构的影响，目标G41中运动物体面积小的需求已满足。因为采用同轴导体结构，绝缘层需要满足目标G43中两极导体之间的稳定支撑作用，所以采用挤塑绝缘层与导体紧密结合。然而，该方案中挤塑绝缘层阻碍导体散热，难以实现目标G42，因此对目标G42进行蕴含分析。套接绝缘层之所以满足导体的散热需求，在于其有足够的空间体积引入冷却液，因此确定目标G42的下位目标为G44。由此形成新的冲突C′4=(G43∧G44)↑L40，其中：

目标G43和G44要求条件L40中v40的取值分别为“有”和“无”，即为物理冲突。根据空间分离原理，内轴导体的绝缘层采用挤塑方法形成，对外层导体具有良好的支撑和绝缘作用；外层导体采用的套接绝缘管可形成导流空间，能够满足冷却需求。设计方案如图22所示。

6.7.6 冲突C3的解决

冲突C3为双目标冲突(G31∧G32)↑L3，其中：

原有方案将多股细导线在薄壁导流管上绞合形成复合导体，如果采用波纹管可增加电缆柔性，则因波纹管内壁的波纹结构不平滑而降低冷却液的流速；如果采用内壁平滑的薄壁直管，则可增加冷却液的流速。根据冲突矩阵获得3条发明原理 NO.6,NO.35,NO.36。

NO.6-多用性的第1条指示：使一个物体能完成多项功能。电缆中绞合导体为柔性物质，可在导电功能基础上再增加导流功能，将多根铜导线绞合压制形成长条形的瓦状导体，并均布围合而成，使其中间自形成导流通道，无需在电缆中额外设置导流管，方案如图23所示。

由于冲突C5与冲突C6解决，剩余冲突C7随之消失。

6.8 概念设计方案

本文综合形成两种方案。融合图19～图23所示的方案，形成如图24和图25所示的第一种方案，图25中“F”表示安培力，“B”表示磁场，“×”和“·”分别表示磁场的两个相反的方向，“I”表示电流，“↑”表示电流方向。每个C形电磁铁形成方向垂直于冷却液流向与导电端子电流方向所在平面的磁场，由于两个C形电磁铁的磁场方向相反，液态金属受到方向一致的安培力；液态金属在经过充电端子组件和电缆主导体时吸收充电产生的热量，经过冷却箱时散热；通过周期性地改变磁场方向，进而改变液态金属的流动方向，减弱串联冷却条件下散热效果的差异性，因此将电缆设计为串联冷却电缆，相比并联冷却电缆，串联冷却电缆的直径较小；导体由多根瓦形铜绞线组成并在中部自形成导流通道，相比添加导流管的电缆柔性更高；串联冷却方式下，在正负两极冷却通道之间设置隔液转子装置，液态金属冷却液电流在正负极冷却通道之间不能直接连通，可以避免电流短路。

第二种方案主要综合图18、图22和图23所示的方案，设计一种如图26所示的同轴导体结构，冷却液经过正极导流通道和充电端子组件的冷却回路后，流入同轴导体结构内的负极导流通道，从而有效利用电缆内部空间。

7 结束语

本文针对现有OTSM解决跨学科问题过程中收敛性不足的缺陷，提出一种面向跨学科的问题流网络转化过程模型，其中具体提出三层次跨学科问题网构建方法、关键节点选择方法、改进冲突网的层次评价结构模型、改进冲突求解路径的搜索算法以及四相参数模型。通过应用本文提出的面向跨学科问题流网络的转化过程模型，提出一种液态金属两相流串联冷却电缆和一种同轴导体电缆结构，用于改善高载流量充电枪及线缆的发热问题。

参数作为一种联系不同学科认知的设计信息十分重要，本文跨学科问题流网络的转换过程围绕参数展开。在子问题数量繁多的问题网中，如果用抽象程度较高的39个工程参数描述子问题与半效应解，则很难体现网络节点中的差异性，对没有深入学习TRIZ的人员是个挑战。因此，本文认为原有OTSM研究在构建问题网过程中采用个性化的参数表述有利于研究成员的对跨学科问题的初步理解，在研究案例中采用了这种表达方法。虽然OTSM没有明确要求在ENV模型使用39个工程参数，但是在基于ENV模型构建冲突网的过程中，研究成员更倾向用39个工程参数表达，所构建的冲突网更加收敛且符合跨学科协同的特点。在最终冲突解决过程中，研究成员可以通过可拓设计思维突破39个工程参数表达方式的思维限制来灵活求解冲突。

本文主要面向跨学科技术创新，协同具有不同学科背景研究成员解决跨学科技术问题。未来将进一步研究消除不同学科问题背景的差异，完善跨学科问题的分析过程，进而促进协同创新。