行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

自動化營建技術創新模式之研究(第 2 年) 研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 : 個別型

計 畫 編 號 : NSC 99-2221-E-216-041-MY2

執 行 期 間 : 100 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日 執 行 單 位 : 中華大學營建管理學系

計 畫 主 持 人 : 余文德

計畫參與人員: 碩士班研究生-兼任助理人員:陳泰旭 博士班研究生-兼任助理人員:吳誌銘

報 告 附 件 : 出席國際會議研究心得報告及發表論文

公 開 資 訊 : 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 101 年 10 月 08 日

(2)

中 文 摘 要 : 創意經濟是繼知識經濟之後,人類經濟發展下一波主要動力 之來源。受限於傳統營建技術工法研究所採取的流程分析及 施工性改善方法,其所分析者為現有之工法流程,其所根據 者為少數工程師之經驗,因此其所得到的成果亦僅為「漸進式 創新」之技術工法。近年來伴隨專利資料庫、創新問題解決理 論(TRIZ)以及電腦輔助創新工具在營建工法開發上之應用,

其所分析者為過去經驗之最佳解,其所依據者為全人類之技 術資料庫,因此其所得到之成果已跳脫傳統「漸進式創新」之 侷限,而達到「系統性」或「激烈型」之創新技術,而其創新效 益更大幅提升。本研究計畫以研究團隊先前已發表之「系統化 技術創新流程(STIP)」研究成果為基礎,針對該方法在創新方 案產生過程之人為判斷的不確定性及局部最佳解問題,以及 耗費人力處理技術資料等成本與時間效益問題,進行改進研 究。研究成果提出「營建技術自動創新模式(ACTIM)」,並開發 相關電腦雛形系統進行驗證。為發展此一系統,本研究解決 了以下三個研究問題:建構一個能夠充分表達營建工法特徵 與屬性之模式化語言、定義一個可以表達技術創新解決方案 之目標函數以及發展一個最佳化求解演算法,進而整合成為 一自動化營建技術創新方法。為達成以上研究目標,本研究 以二年為期完成相關技術之研究,本研究第一年完成「營建技 術自動創新模式(ACTIM)」之模式建構,及相關理論基礎的推 導,並以一營建技術為個案進行自動化技術創新個案研究,

以驗證模式之可行性;第二年繼續第一年之成果,依據第一 年之成果修正 ACTIM 模式,並將所修正模式應用於其他兩個 新的案例中,以驗證所提方法之可行性。最後,根據兩年之 研究成果,提出研究及果之討論。經過兩年之研究發現,所 提出之 ACTIM 模式切實能夠提供營建技術研究人員一個相當 有用之工具,以協助進行營建技術之創新研發。

本計畫完成後共發表中英文學術期刊論文七篇、中英文 研討會論文六篇、技術報告兩篇、專利兩項、可技轉之 know-how 一件。其中有「營建技術自動化創新構想產生模式 之研究」及「應用 TRIZ 於營建工程技術創新構想自動化產生之 探討」等兩篇論文分別獲得營建管理學會及海峽兩岸中華萃思 學會之論文獎,研究成果超過當初所預設:兩篇 SCI/EI 論文 及四篇研討會論文之目標,為一成功之研究計畫。

中文關鍵詞: 電腦輔助創新、創新問題解決理論、演化樹、營建技術創新 方法

英 文 摘 要 : Creative economy has been identified as the major driving force for the next wave of human’s economic

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growth. The traditional construction innovations were relatively limited and incremental due to the adopted techniques. Just recently patent analysis and the theory of inventive problem-solving (TRIZ) have been employed in the innovation of construction

technologies. Such methods escape from the existing construction processes and generate innovative solutions based on the global human intelligence, thus resulted in system or radical innovations and bring in significant benefits. This research founded on the Systematic technology Innovation Process (STIP) developed by the same research team, aims at improving the uncertainties involved by human

judgments and the tremendous manual efforts required for processing huge amount of technological

information of the previous model. An Automated Construction Technology Innovation Model (ACTIM) is proposed and a prototype system has been developed to implement and test the proposed method. Three

objectives are planned to accomplish the proposed method: to develop a modeling language for

representing construction technologies; to define an objective function for guidance of optimum

searching; to develop an optimization algorithm so that the optimal innovative alternative can be found.

In order to achieve the planned objectives, the research was planned for two years: (1) Year I—

complete the development of research methodology and the planning the ACTIM system and algorithms; (2) Year II—finish the system implementation, the case study for verification and revision of proposed system, and the publication of the research works.

The proposed ACTIM is verified to solve the problems of over-involvement of human efforts in the current computer-aided technology innovation method. It also provides a building block for the development of the Theory for Optimization of Construction Technology.

The publications of the research include: 7 research journal papers, 6 conference papers, 2 technical reports, 2 patents, and a transferable know-how. Two publications have earned awards from the Construction Management Association and the TRIZ

(4)

Association. All planned objectives are achieved successfully.

英文關鍵詞: Computer aided innovation, TRIZ, Genetic operation trees, Construction technology innovation

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I

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 █成果報告

□期中進度報告 自動化營建技術創新模式之研究

計畫類別:█個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號:NSC 99-2221-E-216-041-MY2 執行期間:2010 年 8 月 1 日至 2012 年 7 月 31 日 執行機構及系所:中華大學營建管理學系

計畫主持人:余文德 協同主持人:鄭紹材

計畫參與人員:吳誌銘、羅浩榕、江庭芳、陳泰旭

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交):□精簡報告 █完整報告

本計畫除繳交成果報告外,另須繳交以下出國心得報告:

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

█出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式:除列管計畫及下列情形者外,得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權,□一年□二年後可公開查詢

中 華 民 國 101 年 10 月 02 日

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II

中文摘要

創意經濟是繼知識經濟之後,人類經濟發展下一波主要動力之來源。受限於傳統營建技術工法研 究所採取的流程分析及施工性改善方法,其所分析者為現有之工法流程,其所根據者為少數工程師之 經驗,因此其所得到的成果亦僅為「漸進式創新」之技術工法。近年來伴隨專利資料庫、創新問題解決 理論(TRIZ)以及電腦輔助創新工具在營建工法開發上之應用,其所分析者為過去經驗之最佳解,其所 依據者為全人類之技術資料庫,因此其所得到之成果已跳脫傳統「漸進式創新」之侷限,而達到「系統性

」或「激烈型」之創新技術,而其創新效益更大幅提升。本研究計畫以研究團隊先前已發表之「系統化技 術創新流程(STIP)」研究成果為基礎,針對該方法在創新方案產生過程之人為判斷的不確定性及局部最 佳解問題,以及耗費人力處理技術資料等成本與時間效益問題,進行改進研究。研究成果提出「營建技 術自動創新模式(ACTIM)」,並開發相關電腦雛形系統進行驗證。為發展此一系統,本研究解決了以下 三個研究問題:建構一個能夠充分表達營建工法特徵與屬性之模式化語言、定義一個可以表達技術創 新解決方案之目標函數以及發展一個最佳化求解演算法,進而整合成為一自動化營建技術創新方法。

為達成以上研究目標,本研究以二年為期完成相關技術之研究,本研究第一年完成「營建技術自動創新 模式(ACTIM)」之模式建構,及相關理論基礎的推導,並以一營建技術為個案進行自動化技術創新個案 研究,以驗證模式之可行性;第二年繼續第一年之成果,依據第一年之成果修正ACTIM 模式,並將所 修正模式應用於其他兩個新的案例中,以驗證所提方法之可行性。最後,根據兩年之研究成果,提出 研究及果之討論。經過兩年之研究發現,所提出之ACTIM 模式切實能夠提供營建技術研究人員一個相 當有用之工具,以協助進行營建技術之創新研發。

本計畫完成後共發表中英文學術期刊論文七篇、中英文研討會論文六篇、技術報告兩篇、專利兩 項、可技轉之 know-how 一件。其中有「營建技術自動化創新構想產生模式之研究」及「應用 TRIZ 於營 建工程技術創新構想自動化產生之探討」等兩篇論文分別獲得營建管理學會及海峽兩岸中華萃思學會 之論文獎,研究成果超過當初所預設:兩篇SCI/EI 論文及四篇研討會論文之目標,為一成功之研究計 畫。

關鍵字:電腦輔助創新、創新問題解決理論、演化樹、營建技術創新方法

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III

Abstract

Creative economy has been identified as the major driving force for the next wave of human’s economic growth. The traditional construction innovations were relatively limited and incremental due to the adopted techniques. Just recently patent analysis and the theory of inventive problem-solving (TRIZ) have been employed in the innovation of construction technologies. Such methods escape from the existing construction processes and generate innovative solutions based on the global human intelligence, thus resulted in system or radical innovations and bring in significant benefits. This research founded on the Systematic technology Innovation Process (STIP) developed by the same research team, aims at improving the uncertainties involved by human judgments and the tremendous manual efforts required for processing huge amount of technological information of the previous model. An Automated Construction Technology Innovation Model (ACTIM) is proposed and a prototype system has been developed to implement and test the proposed method. Three objectives are planned to accomplish the proposed method: to develop a modeling language for representing construction technologies; to define an objective function for guidance of optimum searching; to develop an optimization algorithm so that the optimal innovative alternative can be found. In order to achieve the planned objectives, the research was planned for two years: (1) Year I—complete the development of research methodology and the planning the ACTIM system and algorithms; (2) Year II—finish the system implementation, the case study for verification and revision of proposed system, and the publication of the research works. The proposed ACTIM is verified to solve the problems of over-involvement of human efforts in the current computer-aided technology innovation method. It also provides a building block for the development of the Theory for Optimization of Construction Technology.

The publications of the research include: 7 research journal papers, 6 conference papers, 2 technical reports, 2 patents, and a transferable know-how. Two publications have earned awards from the Construction Management Association and the TRIZ Association. All planned objectives are achieved successfully.

Keywords: Computer aided innovation, TRIZ, Genetic operation trees, Construction technology innovation

(8)

IV

目 錄

中文摘要

II

Abstract III

一、前言

1

二、文獻回顧

2

2.1 營建技術創新發展過程 2

2.2 營建技術創新流程與模式 3

2.3 電腦輔助技術 4

三、研究方法:營建技術自動化創新模式(ACTIM)架構

4

3.1

營建技術自動創新模式

ACTIM 架構說明 4

3.2 營建技術自動創新模式 ACTIM 執行流程 5

四、驗證結果:營建技術創新案例測試

11

4.1 第一年:方法可行性測試 12

4.1 第二年:模式驗證測試 20

五、研究結果討論

33

5.1 ACTIM 模式案例測試結果 33

5.2 技術系統元件重要性衡量方法之假設 33

5.3 應用功能模型建立演化樹與基因串編碼與解碼 34

5.4 適應度函數定義與構想選擇機制 34

5.5 演化結果分析與評估 34

六、結論與建議

35

6.1

結論

35

6.2

建議

35

參考文獻

37

計畫成果報告自評表

42

衍生研發成果推廣資料表

45

出席國際學術會議心得報告

47

(9)

1

一、前言

營建技術之創新可對於企業、產業、社會等提供明顯的潛在效益[1,2],企業投入技術研發[3]及增加營 建技術創新能力所形成的差異化亦能產生競爭之優勢[4]。「營建技術創新」可定義為新材料或新施工 技術的組合[5]。Slaughter[1]認為營建創新為於實際之營建施工流程、產品或系統,採用新穎的作法而 達到明顯的改變與改善,並對於現行制度上產生重要的發展與改變。然而過去數十年來,營建業技術 之研究發展、創新之速度以及生產力之提升相較其他產業顯得緩慢[6-11]。其影響因子可歸納為產業保 守、過多小型企業、忽略研究發展、法規與標準的要求等[2,9,11-13]。在諸多的限制因素下,營建技術 創新需要一套有效率的方法以提昇技術之創新能力。過去營建技術之發展大多仰賴工程人員之知識與 經驗,加上營建問題具有不易描述與呈現的特性,以及創新構想產生方式如腦力激盪、水平思考等,

存在著不易收斂以及選擇之情形[14]。

先前研究雖已提出系統化技術創新流程(Systematic Technology Innovation Process, STIP)[15]及創 新方案自動產生模式(Model for Automatic Generation of Innovative Alternatives, MAGIA)[16]等方法,

嘗試改進過去營建技術創新實務上所遭遇之困難。然而上述兩種方法仍存在一定之限制,例如,STIP 方法雖然建立了一套系統化之方法流程,使從事技術創新之工程人員可以遵循以降低結果之不確定 性,但此方法必須透過人工方式進行構想之產生與選擇,無法突破傳統人為判斷之侷限性;而MAGIA 模式針對構想產生階段達到自動化產生創新方案之功能,但該模式雖能局部改善構想產生之瓶頸,卻 未能整合成為一系統化之方法,實務應用上較為困難。有鑑於此,本研究提出一套營建技術自動創新 模式(Automated Construction Technology Innovation Model, ACTIM),針對產品/技術之概念發展階段 建構系統化創新流程,並且能於構想產生與構想選擇階段達到自動化的效果。本ACTIM 模式主要由先 前研究之系統化技術創新流程STIP 與創新方案自動產生模式 MAGIA 所組成,其目的在解決過去營建 技術創新流程無法整合系統化與自動化之情形,提供技術研發人員於產品研發概念階段一完整性之系 統化技術創新模式。為驗證ACTIM 模式之可行性,本文以兩項實際技術研發專利案例進行說明,彙整 與歸納ACTIM 實際應用結果。最後並針對 ACTIM 模式之假設以及限制進行討論,並提出未來可持續 發展之方向,以作為相關研究之參考。

(10)

2

本研究以兩年為期,第一年先回顧相關重要文獻,並建構ACTIM 所需之理論基礎,並完成演算法 推導以及雛型系統之建立;第二年透過實際營建技術應用,除測試修正ACTIM 之功能外,並完成三個 實際技術之創新。本研究第一年完成「營建技術自動創新模式(ACTIM)」之模式建構,及相關理論基礎 的推導,並以一營建技術為個案進行自動化技術創新個案研究,以驗證模式之可行性;第二年繼續第 一年之成果,依據第一年之成果修正ACTIM 模式,並將所修正模式應用於其他兩個新的案例中,以驗 證所提方法之可行性。最後,根據兩年之研究成果,提出研究及果之討論。經過兩年之研究發現,所 提出之ACTIM 模式切實能夠提供營建技術研究人員一個相當有用之工具,以協助進行營建技術之創新 研發。

二、文獻回顧

2.1 營建技術創新發展過程

早期營建技術創新之研究,多著重企業內部之組織與流程角度探討營建創新所需要之問題與需求 或是技術推力與市場拉力[9,17-19],此外並強調組織度對於營建新興技術之分類、導入、應用之觀念 與重要性[20,21]。受限於既有之創新工具,前述研究多討論組織層級之一般性創新觀念,少有涉及營 建技術創新之流程或方法。到廿世紀末,開始關注營建技術創新之模式。例如,Slaughter 提出有關營 建技術創新的類型分類,依據技術系統的改變以及影響大小可分成漸進式(incremental)、模組式

(modular)、架構式(architectural)系統式(system)、以及激烈式(radical)等五種創新類型[1,22],

企業可依據不同規模選擇不同之技術與研發策略[1,10]。此外,也有學者針對現有或新技術工法的採用 評估與選擇提出分析模式[23-27]。然而前述相關課題多仍從組織層級著眼,著重在新技術之分類以及 營建技術工法於工程使用上的評選。直到最近十年來,隨著其他領域有關技術創新工具與方法(如專利 資訊與創新問題解決理論TRIZ 的應用與發展)以及創新概念逐漸導入於營建領域,使營建技術創從以 前的概念評估逐漸朝向實體技術方法之發展。例如,技術分析定位與研發策略建議[28]、TRIZ 於營建 工程技術創新[29],應用 TRIZ 分析營建工程技術之原則[30,31]等。此外,將 TRIZ 結合其他工具之應 用如價值工程[32,33]、知識管理[33,34]等相關研究,逐漸將營建技術創新帶向嶄新領域。

(11)

3

2.2 營建技術創新流程與模式

有關於營建創新之流程與模式,早期Tatum[19]以數個新施工方法描述營建業廠商創新的過程,包 括:辨識出針對創新有利機會、創造出創新的環境、發展需要的能力、提供新的施工技術、實驗與改 進、執行等。Chang et al.[20]認為營建業發展必要建立一套系統化方法,包括辨識(identify)、評估

(evaluate)、導入(introduce)等,以確保當新技術開發完成後評估與採用的依據。該研究並透過技術 影響因子包括成本/效益、風險、可行性進行新技術的衡量與分析。Slaughter [1,22]除提出五項營建技 術創新層級,並也認為企業可透過衡量自身的條件,採取適合的創新模式。其中應包含:(1)定義階段;

(2)評估階段;(3)企業內部支持階;(4)準備階段;(5)實際執行階段;(6)執行後之評估階段。Abd El Halim and Haas[35](2004)將營建問題解決所產生的發明至商業化的創新過程,區分為問題定義階段(problem identification)、分析研究階段(analytical investigation)、發展解決方案(development of a solution)、建 立全尺寸模型(establishing validity of full-scale prototype)、以及商業化實現(commercial realization)

階段。前述研究可得知過去探討之營建技術發展流程,一般可歸納為技術問題定義、問題分析、構想 產生、導入與執行、回饋等五階段。Yu et al.[15](2009a)於營建技術研發各階段結合電腦輔助創新工 具,提出一系統化技術創新流程STIP。STIP 方法主要結合研發專案管理概念產生階段之可交付成果、

專利分析工具、以及根原因分析、功能模型分析等電腦輔助創新工具所組成,以提供系統化技術創新 之流程。STIP 確實提供技術研發工程師一個系統化技術創新之指南,但在最具關鍵的構想產生階段卻 必須由研發人員進行構想之研擬,而無法達到自動化之功能。為克服此問題,Yu et al.[16](2012)提 出自動化創新構想產生模式MAGIA,該方法主要結合基因演算法、演化樹、TRIZ 等技術,將營建技 術之建模與創新過程,仿照生物遺傳演化之原理進行自動化進化。該方法確實解決了一部分人工構想 產生之瓶頸點問題,然而卻缺乏系統化之步驟。且MAGIA 雖解決構想產生之問題,有關構想評估與 應用等實務務問題卻未能加以解決。因此,如何整合系統化創新流程並應用自動化構想產生方法,減 少創新過程中高度仰賴人員的問題,為一值得探究之課題。此外,營建技術創新最終之目的在於解決 工程實務之課題,如何評估技術之價值與可行性亦為先前研究亟待補強之處。

(12)

4

2.3 電腦輔助技術

過去十餘年間,其他科技產業在電腦輔助創新(Computer Aided Innovation, CAI)工具之發展日新月 異,為能達自動化創新之目的,藉由電腦輔助技術已是營建技術創新之新趨勢。營建產業現今所使用 的電腦輔助設計CAD(Computer Aided Design, CAD)工具,以及其所產生的效益與貢獻已成為近代最 具影響性的資訊技術創新[36];電腦輔助創新(CAI)則為 CAD 之後越來越受產業接受與重視的電腦輔助 技術 [37]。電腦輔助創新之概念,主要在協助研發人員於產品發展期初之設計過程的執行,並已經被 廣泛應用於企業發展與滿足顧客需求之營運過程中,將創意之構想並發展成成熟之商品導入市場中[38]

(Leon, 2009)。CAI 技術是以資通訊技術協助產品研發過程,並同時使用 TRIZ 方法以產生有效之創 新構想[38-40]。Li et al.提出「設計者」與「電腦」間創造性思考之關聯理論:在設計者方面著重自身 知識與資訊之形成,以個人創造性思考作為輸入;而在電腦應用方面,則主要提供知識庫與資訊來源 以輔助設計者的創意思考或提供資訊的來源[39](Li et al., 2007)。Hüsig and Kohn(2009)[37]指出電 腦輔助創新之優勢包含提升效率(efficiency)、提升創新成果之效益(effectiveness)、提升創新能力

(competence)及提升創造力(creativity)等。如此可得知,CAI 工具結合系統化技術創新方法,不但 可以創新構想來源外,更可以提升創新效率,進而達到自動化構想產生之目的。

三、研究方法:營建技術自動化創新模式(ACTIM)架構

3.1 營建技術自動創新模式 ACTIM 架構說明

依據文獻回顧之結果,本研究結合系統化技術創新流程與自動化構想產生模式,建立營建技術自 動創新方案產生模式(ACTIM),如圖 1 所示。本 ACTIM 模式以 STIP 系統化流程步驟為主要創新過程,

結合ACTIM 之遺傳演化功能,並增加構想選擇分析之功能。為達到自動化之目的,ACTIM 於各步驟 中整合不同之電腦輔助創新工具(包括知識庫、專利分析、功能模型分析、基因演化等模組)。ACTIM 之系統化步驟包括問題定義、根原因分析、目標技術選定、功能模型分析、構想產生與功能模型修正、

構想選擇、以及概念定義等,成為一個容易為工程師所依循之模式。為確保創新目標之達成,ACTIM

(13)

5

應用專案管理方法定義各階段之交付成果,使得技術創新成果更為明確。此外,先前MAGIA 模式所 使用之工具,包括演化樹[41]、基因演算法[42]、TRIZ 等亦整合於 ACTIM 中,提供技術建模與自動化 構想產生之機制。

3.2 營建技術自動創新模式 ACTIM 執行流程

營建技術創新方案產生模式ACTIM 之流程共計 10 步驟如圖 1 所示,各階段流程步驟之內容說明 如下:

圖 1 ACTIM 模式架構

1.目標技術與問題

營建技術問題定義型式可泛指各種營建技術,例如,設計或施工問題中針對材料、工法、設備等 技術所面臨到之品質、生產力、安全等問題,皆可作為創新改善之目標技術與標的,並從中找出技術 發展與創新之機會。

為能夠明確分析技術問題之成因並進行分析與改善,本ACTIM 模式採用根原因分析(Roots Cause

(14)

6

Analysis, RCA)方法,以結構化方式將營建技術問題的根本因素解構為樹狀圖形式,並提供辨識與解 決問題的關鍵成因[43,44]。RCA 為分析一項不良事件(undesirable event)或是問題的最基本成因,若 真正問題的成因沒有被辨識出來,而是僅解決其它原因,所發生之問題仍然會存在並持續發生,因此 辨識與消除問題的根原因為影響後續技術發展之重要之階段。一般進行根原因分析流程包括[45]:(1) 描述實際原因;(2) 定義造成原因之實際現象;(3) 應用 3W2H (what, when, where, how, how much)方法 針對問題成因進行細節描述;(4) 以團隊方式進行分析,而非獨自作業分析;(5) 考量每一項可能發生 的根原因;(6) 確認所有合理的根原因,並消除不合理的原因;及(7) 如果所分析根原因為人為疏失,

將其從實際原因中移除。

2.功能模型分析

此階段可針對產生問題之技術作為目標技術,並應用功能模型分析(Fucntion model analysis, FMA) 作為技術分析之工具,透過功能模型(Function model, FM)將技術元件抽象化以分析技術系統中之各元 件,可描述產品整體系統中子系統的功能以及連結關係[46]。FM 建置主要由 SAO(subject-action-object)

語法所建構,一般建立功能模型分析之流程包括[47]:(1) 搜尋技術資料庫—以建立參考辭庫及目標技 術;(2) 依據參考技術名詞定義 FM 中之主要元件,包括主詞(Subject)、受詞(Object)元件及功能鏈結 (Action link);(3) 定義 FM 中之個別 SAO 關聯鏈;(4) 結合個別 SAO 關聯鏈,以成為整合之 FM 模型;

(5) 驗證 FM 之正確性與合理性。

3.定義系統各元件價值

假設一營建技術系統之功能模型(FM)中共有 N 個元件(包括 Subject 及 Object)及 M 個功能鏈結(兩 個元件互相作用則鏈結數為二),第 i 個元件(以 Compi表示)之對外鏈結數共有 NLi個,則該元件對於該 FM 之相對重要性(以 Imp(Compi)表示)可以用其對外鏈結數與整體 FM 之總鏈結數(M)之比值表示,如 式(1)所示:

M NL NL

Comp NNL i

j j

ii

1

) (

p

Im (1)

一個對外鏈結數不高的元件,可能因為提供了關鍵的功能鏈結,亦可成為該技術系統中的重要元

(15)

7

件,此一特性可用關聯度(Relevance, R)來表示。綜合考量上述兩項因子,並且引入技術適存度(fitness) 之概念,則一個技術系統(FM)個別元件之價值可用式(2)來衡量:

M R NL NL R NL

Comp R

Comp

Fit N i i

j j i i

i i

i      

1

) (

Imp )

( (2)

式(2)中,N、M 及 NLi如式(1)之定義;Ri為第i 個元件之關聯度;Fit(Compi)則為第 i 個元件 在技術系統之「元件價值」,以適存度表示。

依據式(2),一個技術系統 FM 之整體價值(Fittotal)可以式(3)表示:

N

j

j

total omp Fit Comp

Fit

1

) (

) C

( (3)

式(3)中,N 及 Fit(Compi)如式(2)之定義;Fittotal(Comp)為技術系統之整體適存度。

4.演化樹建模與基因型編碼

完成技術系統之適存度衡量計算後,本研究藉由基因演算法賦予營建技術系統自我演化改善之自 動化創新機制。然為達到此一功能,首先必須將FM 轉換成為電腦所能理解之基因型(genotype)模型。

ACTIM 結合演化樹(Genetic Operation Tree, GOT)以及簡單基因演算法(Simple Genetic Algorithm, sGA),將 FM 中之 SAO 關聯鏈編碼建模,成為一可演化之技術系統模型。以下說明演化樹建模與基因 串編碼之步驟:

(1) 演化樹建模

此步驟先以功能模型中所列舉之SAO 為基本之運算結構(如圖 2 所示),其次將目標技術系統功能 模型中之所有SAO 結構建構成一完整之樹狀結構,其概念模型如圖 3 所示:

圖 2 SAO 轉換為演化樹示意圖

(16)

8

圖 3 演化樹示意圖

(2)基因型編碼

此步驟目的在將前述演化樹模型進行基因型編碼,目的為透過染色體編碼後,應用用基因演算法 進行與演化,其編碼原則如圖4 所示。將演化樹之所有主詞(S)作為第一組染色體;所有功能鏈結(A)

作為第二組染色體;所有受詞(O)作為第三組染色體。

圖 4 以 SAO 進行染色體編碼示意圖

5.TRIZ 應用

技術之創新若完全藉由隨機性模型(Stochastic model)—基因演算法—進行,勢必因為過度的隨機性 使得創新之結果不易收斂。為改善此一問題,ACTIM 模式加入了創新問題解決理論 TRIZ 之應用 [48,49]。其方法是採用缺乏矛盾訊息下的問題解決流程,亦即單一工程特性對應發明原則[50,51],將 TRIZ 矛盾矩陣表中每一個「欲改善的工程參數(Engineering parameter, EP)」所有對應的創新法則 (Inventive principle, IP)進行整理與統計,出現次數越多表示使用該發明原則解決問題的機率愈高。將其 概念歸納成如式(4)所示:

(17)

9

40

1

) (

) )) (

, ( (

j

j i i

k q

IP Frq

IP IP Frq

EP Action

Fit (4)

式(4)中,Fit(Actionq(EPk,IPi))表示第i 個發明法則(IPi)對於第 k 個工程參數(EPk)應用於第 q

個功能鏈結之適用性;Frq(IPi)表示透過單一工程特性對應發明原則(如表 1 所示),第 i 個發 明法則在改善第k 個工程參數之出現頻率;而右式分母則為所有發明法則應用於改善第 k 個 工程參數出現次數之總和。

表 1 單一參數特性發明原則等級表[錯誤! 找不到參照來源。]

等級 A1 A2 B C D E F

次數 >19 16~18 13~15 10~12 7~9 次 4~6 次 1~3 次

式(4)提供了 TRIZ 發明法則對特定技術系統元件之改善功能的衡量,將此衡量與式(3)之技術 系統元件整體適存度加總,則可得到一個技術系統從原本的功能模型(FMold)改變成為新一代功能 模型(FMnew)之創新方案的適存度衡量值,以式(5)表示:

M

q

i k q N

i

i

p Fit Comp Fit Action EP IP FM

Fit

1 1

)) , ( (

) (

)

( (5)

式(5)中,Fit(FMp)表示第p 個技術創新方案(FMp)之適存值;N 為 FM 之總元件數;M 為 FM

之總功能鏈結數;Fit(Compi)之計算如式(2);Fit(Actionq(EPk,IPi))之計算如式(4)。

6.GOT 運算與結果

完成創新方案之適存值衡量及技術系統之GOT 建模後,即可進行技術創新之演化運算。在技術系 統演化過程,本研究採取字罩(mask)式交配機制,其示意圖如圖 5 所示。首先,產生與物種字串長度 相同的字罩當作交配時的位元指標器,其中字罩為隨機地由0 與 1 所組成,字罩為 1 的位元即是兩物 種字串彼此交換位元資訊的位置。

(18)

10

S(1,1) S(2,1) S(3,1) S(4,1) ... S(i,j)

A(2,1) A(2,2) A(2,3) A(2,4) ... A(i,j)

O(3,1) O(3,2) O(3,3) O(3,4) ... O(i,j)

S(1,1) S(2,1) S(3,1) S(4,1) ... S(i,j)

A(2,1) A(2,2) A(2,3) A(2,4) ... A(i,j)

O(3,1) O(3,2) O(3,3) O(3,4) ... O(i,j)

1 0 0 1 ... S(i,j)

0 1 0 0 ... A(i,j)

0 0 1 0 ... O(i,j)

字罩

0 0 0 0 ... S(i,j)

0 0 0 0 ... A(i,j)

0 0 0 0 ... O(i,j)

1 1 1 1 ... S(i,j)

1 1 1 1 ... A(i,j)

1 1 1 1 ... O(i,j)

圖 5 ACTIM 字罩式母代交配示意圖

演化運算過程同一般之sGA 演算法[42],包括:複製(reproduction)、交配(crossover)、突變(mutation) 及選擇(selection)。在進行選擇前,必須先計算創新方案之適存值,計算公式如式(1)~(5)所示。本基因 演算法採用菁英策略(elitist strategy),亦即僅保留適存值最高的族群進行下一世代之演化。演化過程在 以下判斷準則滿足時即停止:(1) 演化世代達 100 代;(2) 適存值不再改善。經過 GOT 演化後,所得 到的創新方案為一如圖4 之基因型,為瞭解其物理意義,必須進行解碼以還原為功能模型之形式。

7.基因型解碼

完成技術創新方案之演化後必須將演化後之基因型進行解碼,其原則如圖6 所示。首先,將基因 型編碼轉換成演化樹結構,其次再將演化樹結構轉換成演化後之新功能模型。

S1 A1 O1 S2 A2 O2 Sn An On Chromosome 1 Chromosome 2 ... Chromosome n

...

圖 6 基因型編碼轉換為 SAO 示意圖

8.演化後之功能模型

以技術系統演化後之適存值最高者之基因型為優先轉換對象,將演化後之演化樹架構繪製成演化 後之功能模型,並從中獲得解決技術問題之TRIZ 發明原則解答。

(19)

11

9.構想轉化

本步驟將演化後之結果及獲得之TRIZ 發明原則解答,代回原目標技術以產生新功能模型設計並進 行評估。在評估準則部分,本研究使用簡化設計原則作為主要技術構想評估的基礎,並同時考量新技 術是否需滿足法令與規範等條件。若最佳解之設計為不可行則依序採用次佳解進行設計,或回到步驟 6 重新進行演化。

在構想評估與選擇應用上,應用系統簡化評估原則針對新舊技術所包含之元件進行數量以及連結 關係的比較,本研究以電腦輔助創新軟體Goldfire Innovator 中新舊技術之簡化設計比較原則如表 2 所 示:

表 2 新舊技術簡化設計評估準則

評估項目 內容說明 符號/公式

1 元件數量 元件之總數量 (A)

2 有用功能數量 有用功能之總數量 (B)

3 有害/不足/過多功能數量 有害功能之總數量 (C)

4 新舊系統元件的總數量的 比值

此指標為新技術系統中之元件總數量,與目標技術系 統中元件總數量之比值,若數值小於1 表示新技術系 統簡化程度較目標技術佳。

(NTA/TTA)

5 新舊系統的連結關係總數 量的比值

此指標為新技術與目標技術所有連結關係之比值,小 1 表示新技術系統為佳。

(NT(B+C)/TT(B+C)) 備註:新技術NT=New Technology, 傳統技術 TT=Traditional Technology

10.產生新技術概念

經過構想轉化及評估為較佳之技術創新方案將成為採用方案,經採用後之新技術方案的功能模型 設計利用電腦輔助設計或實體模型方式呈現新技術,並輔以簡短之說明文字以呈現新概念。

四、驗證結果:營建技術創新案例測試

為能夠實際測試ACTIM 之可行性,在電腦輔助工具應用上本研究結合 Goldfire Innovator® 中之 科學效應與專利資料庫,做為目標技術之來源。而自動化構想產生之工具軟體,則採用基因演算法軟 體GeneHunter®作為演化計算工具。另外,為了測試 ACTIM 之可行性,本節說明過去兩年間本研究所 進行之三個測試案例及其結果。第一年先以「隔震層管線設計結構」為案例,測試所提出之ACTIM 模式 的可行性;第二年再以營建工程常見之施工架系統安全問題以及混凝土養護作業品質問題等兩個案例

(20)

12

進行驗證。

4.1 第一年:方法可行性測試

為測試本研究所提出之ACTIM 初步模式的可行性,第一年度先以「建築物隔震層管線設計結構專 利(專利公告號M323756,公告日期 2007/12/11,專利權人為潤弘精密工程事業股份有限公司,如圖 8 所示)」作為個案分析與模式測試之目標技術,並進行個案研究。

一、 問題定義

本研究之目標技術專利描述為當地震來襲時,建築物或是地下所埋設之管線常會因地震之錯動而 斷裂、破損,又有可能經年累月受濕氣或是土壤腐蝕,上述因素為導致管線無法正常運作之原因,因 此如何保護管線結構減少因天災受到破壞亦或如何延長結構壽命為此案例之目的。

圖 7 隔震層管線設計結構實施例圖 二、 關鍵字萃取

因專利文件之申請專利範圍皆類似整體文件之一章節段落,因此,利用標點符號作為系統辨識切 割的依據為一有效之策略。首先將申請專利範圍內容以句為單位做切割動作,並以此跟本研究建立之 營建專利語料庫進行名詞比對。將介於S 與 O 之間的動詞作為關聯,以各語句為主要依據,即是以標 點符號「,」、「。」為基準,將斷詞結果與營建專利語料庫之元件內容做相似度比對,以此結果作為 S 與 O 之正確性斷詞結果,並依此結果以詞性判別兩元件之連結關係以產出 SAO 分析。斷詞之結果如 圖9、10 所示。

圖 8 Claims 內容擷取 SAO 示意圖

(21)

13

9 SAO 結構單元擷取示意圖 三、 SAO 功能模型清單

步驟SAO 比對所產生之結果製作成 SAO 分析表如表 3 所示,呈現目標技術中各元件之連結關係,

並作為功能模型的基礎資訊。

表 1 目標技術 SAO 分析表

編號 S A O 備註

1 上層結構 相連 隔震墊 隔震系統

2 隔震墊 相連 下層結構 隔震系統

3 上層管線接頭 埋設於 上層結構 隔震系統 4 下層管線接頭 埋設於 下層結構 隔震系統

5 第一管線 相連 上層管線 隔震系統

6 第一管線 相連 下層管線 隔震系統

7 上層管線接頭 相接 第一管線 管線系統

8 第二管線 相連通 第一管線 管線系統

9 第二管線 包含 彈性部分 管線系統

10 管線結構 包含 控制閥 管線系統

11 控制閥 相對 彈性部分 管線系統

12 控制閥 設置於 第一管線及該第二管線 管線系統

14 止水槽 設置於 下層結構 排水系統

15 止水槽 包含 洩水孔 排水系統

16 洩水孔 連接 洩水管路 排水系統

17 洩水管路 相連通 下部管線 排水系統

SAO 分析表(表 3)繪製轉化後之專利文件申請專利範圍之功能模型,如圖 11 所示。

(22)

14

圖 10 SAO 分析表轉換後之功能模型 四、演化樹模型建構

分析功能模型與利用單一工程特性對應之發明原則後,再將功能模型建構成演化運算樹並且進行 SAO 串之編碼,如圖 12 所示。

圖 11 管線結構子系統之演化樹模型

將隔震層管線設計結構之管線結構子系統各元件之得分與權重關係依照提供與接收之連結關係所 統計,如表 4 所示。創新前之功能模型目標功能值,如表 5 所示。根據計算結果可得知,隔震層管線 設計結構之管線結構子系統在創新前之功能值為 4.62,因此本研就在此定義當演化後結果大於 4.62,

即具改善意義。

表 2 各功能元件之得分與權重關係

隔震層管線結構設計之元件得分(管線結構部份)

元件 Out-link In-link 權重 相關性評估 得分

管線接頭 1 2 0.23 2.00 0.46

控制閥 2 0 0.15 1.00 0.15

第一管線 1 2 0.23 2.00 0.46

第二管線 1 2 0.23 2.00 0.46

彈性部分 2 0 0.15 2.00 0.31

總和 7 6 1 -- --

(23)

15

表 3 目標技術中管線結構各組 SAO 之功能值

組別 SAO-1 SAO-2 SAO-3 SAO-4 SAO-5 SAO-6 S 第一管線 控制閥 第二管線 控制閥 彈性部分 彈性部分

A 相接 設置 相接 設置 包含 包含

O 管線接頭 第一管線 管線接頭 第二管線 第一管線 第二管線 功能值 0.52 0.35 0.52 0.35 0.43 0.43

總合 4.62

本研究對於隔震層管線結構之問題定義為「如何增加管線結構之耐久性與穩定性」,對此,本研究 所定義之工程參數(EP)為「13-物體穩定性」,根據單一工程特性對應之發明原則如表6 所示,所統計出 前3 名發明原則分邊為「35-變化物理、化學狀態」、「39-惰性環境」與「2-取出、分離」:

表 4 EP-13 物體穩定性對應之發明原則統計表

IP13 物體穩定性

IP 35 39 2 40 27 1 18 32 15 18 13 10 19 22 3 23 30

次數 18 8 6 6 6 5 5 5 4 4 3 3 3 3 3 3 3

機率 16% 7% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 4% 4% 3% 3% 3% 3% 3% 3% 3%

累計 16% 23% 28% 33% 38% 43% 48% 53% 57% 61% 64% 67% 70% 73% 76% 79% 82%

權重 0.16 0.07 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.04 0.04 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03

五、 基因編碼與演化

此功能模型總共有4 種 S 與 3 種 O,因此在代號之設定上 S 為 1~4 之常數 O 為 1~3 之常數,按照 此邏輯轉換將元件名稱轉為代號,S 部分為:第一管線=1、控制閥=2、第二管線=3、彈性管線=4;O 部分為:管線接頭=1、第一管線=2、第二管線=3,而 A 部分則是參照單一工程特性對應之發明原則所 統計出來之機率所決定,在軟體內設定是給予1~82 之常數亂數選取:1~16 對應之發明原則為 35 權重 為1.62、17~23 為 39 權重為 0.72、24~28 為 2 權重為 0.54,以此類推,表 8 為各元件代號對照表,表 9 為常數對應之 IP 與權重,依照上述編碼方式將 SAO 串編碼成為基因串如圖 13 所示。

表 5 管線結構子系統之 SAO 串

SAO-1 SAO-2 SAO-3 SAO-4 SAO-5 SAO-6 S A O S A O S A O S A O S A O S A O 控制閥 穿越 第一管線 第一管線 穿越 管線接頭 第二管線 穿越 管線接頭 控制閥 穿越 第二管線 彈性管線 設置 第一管線 彈性管線 設置 第二管線

表 6 各元件代號對照表

S 元件名稱 第一管線 控制閥 第二管線 彈性管線

代號 1 2 3 4

(24)

16

O 元件名稱 管線接頭 第一管線 第二管線

代號 1 2 3

表 7 常數對應之 IP 與權重

常數 01~ 16 17~23 24~

28 29~33 34~

38 39~43 44~

48 49~

53 54~57 58~

61 62~64 65~

67 68~70 71~

73 74~76 77~

79 80~

82 對應

IP 35 39 2 40 27 1 18 32 15 18 13 10 19 22 3 23 30 權重 0.16 0.07 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.04 0.04 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03

基因-1 基因-2 基因-3 基因-4 基因-5 基因-6

1 1 1 2 2 2 3 3 1 2 4 3 4 5 2 4 6 3 圖 12 管線結構子系統之基因串

圖 13 系統演化功能值之趨勢圖

六、創新技術功能模型

演化後之結果如表10 所示,新功能模型圖繪製則將表 10 中各組 SAO 中 S 與 O 還原成元件名稱即 可得到新功能模型之SAO 串作為依據,還原成新功能模型圖,此外 IP 用以提供 A 之部分,之後選定 使用何種發明原則並進行功能改善時將會由S 與 O 確定 A 之詞彙,還原之功能模型如下:

表 8 演化結果(解碼後)

組別 SAO-1 SAO-2 SAO-3 SAO-4 SAO-5 SAO-6

S 第二管線 第一管線 第一管線 第一管線 第一管線 第一管線

A 35 35 35 35 35 35

O 第二管線 第一管線 第一管線 管線接頭 管線接頭 備用管線

功能值 6.51

將演化結果還原成功能模型,結果為第一管線對自己、第二管線以及管線接頭都使用「35-變化物 理、化學狀態」之發明原則,第二管線對自己使用「35-變化物理、化學狀態」之發明原則,演化後之 功能值為6.51,功能模型如圖 15 所示。

(25)

17

圖 14 演化結果之發明原則

根據演化結果,本研究使用演化後功能值最高之演化結果作為構想轉化之對象。因此,本研究將 針對關係數量最多之元件做構想轉化,轉化後之功能模型僅為管線結構子系統部份之功能模型如圖16 所示,必須加入隔震結構子系統之功能模型才為最終結果之功能模型,該結果可得知為改善目標技術 中針對管線隔震結構的穩定性。經演化後之初步構想為將第一、第二管線變成具有彈性與延展性之材 料,管線內部具有控制閥,其改善構想圖如圖17 所示,此設計方案之優劣為當地震等外力影響建築物 時所帶來之錯動,新管線隔震設計之第一、第二管線部分可於樓版錯動時隨著錯動方向而搖擺,使管 線輸送之功能不至於被外力所影響,以增加整體結構之穩定性。

第二管線 彈性連結 第一管線

彈性 連結 變形

變形

控制閥 連結

連結 隔震層

隔震墊

管線 接頭 止水槽

洩水孔

埋設

裝設 設置 連結

隔震系統 管線系統

圖 15 最終結果之功能模型與構想圖

圖 16 最終結果之功能模型與構想圖 七、結果與討論

本研究第一年完成「營建技術自動化創新模式(ACTIM)」之模式建構,及相關理論基礎的推導,並 以一營建技術為個案進行自動化技術創新。本 ACTIM 模式主要架構係參考產品發展過程中之概念階

(26)

18

段,其流程包括問題定義、模型分析、構想產生、構想選擇等產品研發重要過程。經過初步個案驗證 發現,本研究所提出之ACTIM 自動化創新模式確實可行,所提出之建模與自動化技術演化之演算法皆 能達成初步設定之功能。上述功能已開發完成初步雛型系統,提供初步驗證之需求。在第一年測試後,

其所遭遇之問題與解決對策歸納如表11 所示。

表11 模式測試結果

相關模組 遭遇問題 解決對策

1. 自動化功能 模型萃取

A. 專 利 宣 告 元 件 之層級問題

先針對分析之目標技術所需改善之元件或方向,決定系 統元件的層級,並於資料探勘後所產生之功能模型分析 標中進行選擇,以保留下後續分析之元件。

B.專利申請範圍外 之 元 件 無 法 分 析 問題

除針對文字探勘方式分析專利申請範圍外,並可針對專 利說明書中其他揭露項目,如摘要、先前技術、實施方 式等內容,以文字探勘方式進行摘要,加入功能模型中。

2. 自 動 化 構 想 產生

A. 適 應 度 函 數 設 定問題

修正適應度函數之設定,針對目標技術功能模型之元件 設定上,多增加工程參數上之條件(如重量、長度等)。

構B 想轉化呈現問 題

導入建築資訊模型的概念,從目標技術的選定即開始針 對功能模型實體圖進行繪製,並結合上一點所提出之建 議,針對各元件給予工程參數的設定。

模式測試所遭遇之問題與後續模式未來修正與執行方向分述如後:

(一)現階段所遭遇之問題 1.自動化功能模型萃取功能

本研究以專利資訊中之專利申請範圍作為文字探勘所分析的對象,原因為專利分請範圍為專利文件 中主張該專利之技術範圍,且具有法律上之意義,其撰寫方式具有一定的撰寫規則,若純粹針對技 術上之SAO 模型建構,專利申請範圍中之獨立項目已記載所有技術之元件與關係,可透過資料探勘 方式進行SAO 元件的擷取,並可繪製成功能模型,經實際測試後模式為可行,目前本研究發現可能 產生之問題如下:

A.專利宣告元件之層級問題—一般在描述技術元件中,部分系統會包含子元件,子元件會包含次元件 等(如鋼筋混凝土施工系統包含鋼筋、混凝土、模板等元件,混凝土中包含砂、水、水泥等次元件),

經由文字探勘辨識所呈現之SAO 矩陣表以及圖示,會將所有系統元件之層級呈現,然而功能模型分 析有時僅針對基本構成元件進行分析,若分析太細節之元件容易形成功能模型複雜且不易區分析系 統的層級關係。

(27)

19

演算法改善修正:

先針對分析之目標技術所需改善之元件或方向,決定系統元件的層級,並於資料探勘後所產生之功 能模型分析標中進行選擇,以保留下後續分析之元件即可,如此在功能模型的呈現上,可針對問題 清楚呈現元件間的關係。

B.專利申請範圍外之元件無法分析—由於專利申請範圍中所主張之獨立項或附屬項,皆以針對該技術 之發明人所欲主張申請之技術,對於未主張之技術將不會於專利範圍中提及(例如鋼筋混凝土工程 模板架設組立方法,其專利申請範圍中主要針對模板系統及其元件之關係,對於鋼筋與混凝土等其 系統與元件較不會出現在專利申請範圍中),如此在以專利範圍作為目標技術之分析對象,可能面臨 到無法將整體系統透過文字探勘方式呈現。

演算法改善修正:

除針對文字探勘方式分析專利申請範圍外,並可針對專利說明書中其他揭露項目,如摘要、先前技 術、實施方式等內容,以文字探勘方式進行摘要,加入功能模型中,以完整呈現技術實際應用上的 關係。

2.自動化構想產生功能

自動化構想產生模組為AFME 模組之產出作為基礎,透過演化樹方式針對該技術進行技術基因串之 編碼與演化,透過演化前針對各元件的重要性以及適應度函數的設定,最後再透過演化後之基因串,

再轉化成功能模型,作為新技術的產生,經實際測試後模式為可行,目前本研究發現可能產生之問 題如下:

A.適應度函數設定問題—本計畫以演化樹(基因演算法結合運算樹)進行技術演化過程中,適應度函 數扮演者技術演化的方向,並且需確認新演化之技術上之功能值較前世代為佳的關鍵設定,目前本 計畫以 TRIZ 單一工程參數對應之發明原則,以及目標技術功能模型之連結關係以及與改善方向相 關性三者作為評估因子。在實際演化過程中,適應度函數將以功能值之大小進行演化結果的判斷,

此方式本計畫發現演化後之結果可能無法轉換成可行之技術,此現象本計畫研判在基因串以及適應 度函數設定上,無法使系統判別元件間連結之可行性,所以造成某些不相關之元件之連結,形成無 法解釋之情形。

演算法改善修正:

修正適應度函數之設定,針對目標技術功能模型之元件設定上,多增加工程參數上之條件(如重量、

長度等)如此在演化過程中,適應度函數控制演化過程之目標會更佳明確,演化結果在還原成功能 模型時,相關人員也會了解主要呈現或改變之功能元件,進行演化後功能模型的繪製。

B.構想轉化呈現問題—因計畫執行技術演化後之功能模型,因功能模型為以抽象方之進行技術模型的 分析,因此在產生新功能模型後,如何轉換為實體技術模型與呈現,目前本研究以人為方式進行實

(28)

20

體模型的呈現,此方式可能產生不同人員產生不同的結果之情形。

演算法改善修正:

導入建築資訊模型的概念,從目標技術的選定即開始針對功能模型實體圖進行繪製,並結合上一點 所提出之建議,針對各元件給予工程參數的設定,如此可將相關人員對於目標技術以及演化後之結 果,會較具有共識,因此在演化結果的呈現上一致性也會較高。

4.1 第二年:模式驗證測試

經過第一年測試後,本研究重新修正ACTIM 演算法及相關計算程式,修正後之 ACTIM 演算流程 如圖1 所示。其次,再針對兩個實際營建工程案例進行驗證,說明如下:

一、案例一—施工架踏板 1.目標技術與問題

依行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所研究報告指出[52],營建工程施工過程中,最倚重之施工 媒介物為施工架,其主要功能為提供施工人員一臨時性之施工平台。由於施工架上之作業經常距地面 超過兩公尺,因此存在著墜落風險。此外施工人員也需長時間在施工架上進行作業,增加人員暴險之 機率。因此如何確保人員於施工架上作業之安全,實為一值得探討之技術創新課題。傳統施工架外型 如圖17 所示,為固定踏板長度之設計。然而一般由施工架所產生的災害包含:(1) 人為因素—如於水 平踏板上堆積施工機具或材料,導致行走空間狹小不足而形成不安全的環境;(2)材料因素—由於國內 尚未針對施工架踏板訂定統一規格以及強度規範,經長期使用形成材料疲勞變形,進而形成不安全的 作業環境。雖然上述問題可透過管理方式進行改善,然而在實務應用上,施工架在鋪設時常因工程設 計之尺寸以及需求不同,導致固定尺寸之施工踏板時因無法滿鋪於走道上(如圖 18 所示),形成部分走 道產生間隙,或是踏板重疊產生高低差,因而形成易致職災之施工環境。將此一技術問題繪製成根原 因分析圖,如圖19 所示。

(29)

21

圖 17 一般施工架踏板外型

a.施工架長度於180cm時 b.施工架長度於150cm時踏板多餘情形 圖 18 一般施工架使用情形

圖 19 施工架不安全之根原因分析 2.功能模型分析

透過目標技術分析,傳統施工架之技術系統可繪製成功能模型如圖20 所示。從圖 20 可得知,施 工架系統主要由鷹架、踏板以及掛鉤所組成,然而在踏板上掛鉤連結鷹架時,有時無法提供足夠的鋪

(30)

22

設面積形成不足的情形。

圖 20 一般施工架踏板之功能模型

3.定義系統中各元件價值

由前一階段之問題定義可得知,施工架於作業人員施工過程中,常存在著踏板上之掛鉤無法滿鋪 於鷹架上導致踏板間存在開口之情形。因此,本案例針對施工架相關元件定義如表12 示,計算出功能 模型之功能鏈結總數量為7 次;系統元件中踏板、鷹架及掛勾三項元件均和本技術問題相關,因此予 以加權。經計算後踏板為0.86 為最高,鷹架與掛鉤均為 0.58。

表 19 施工架元件重要性與相關性分析表

元件a 輸出連結b 輸入連結c

重要性d (b+c)/7

相關性e 得分

鷹架 1 1 0.29 2 0.58

踏板 2 1 0.43 2 0.86

掛鉤 1 1 0.29 2 0.58

4.演化樹建模與基因串編碼

將施工架系統技術中所有元件之SAO 模型,以演化樹結構進行建模,如圖 21 所示,可得知該技 術系統存在三組之SAO。

圖 21 施工架系統之演化樹模型

(31)

23

其次,將施工架演化樹模型中所出現之SAO 關聯鏈,轉換為基因型如表 13 所示,。依適存值計 算,可知演化前傳統施工架技術之適存值計為4.04。

表 110 施工架技術系統基因串編碼

S 踏板(1,1) 鷹架(2,1) 掛鉤(3,1)

A 連結(1,2) 承載(2,2) 連結(3,2)

O 掛鉤(1,3) 踏板(2,3) 鷹架(3,3)

Fit 1.44 1.44 1.16

ΣFit 4.04

5.TRIZ 應用

由於本案例以施工架系統作為改善目標,並無設定特定之惡化參數,因此參考單一工程特性對應 發明原則,所對應到之TRIZ 改善工程參數為「EP- 35 物體的適應性」;經統計後之發明法則出現次數 如表14 所示,可得到各建議發明法則之次數與權重。其中,IP-35(改變物理或化學狀態)具最高之適用 性。

表 111 改善物體的適應性所對應之發明法則統計

發明法則 35 1 15 16 29 13 2 6

EP 35 18 13 11 7 7 5 4 4

總和 18 13 11 7 7 5 4 4

總次數 110

權重 0.16 0.12 0.10 0.06 0.06 0.05 0.04 0.04

機率 16% 12% 10% 6% 6% 4% 4% 4%

累加 16% 28% 38% 44% 50% 54% 58% 62%

6.GOT 運算與結果 (1).演化參數設定

本案例之演化參數基本設定為:(1)每一演化世代產生族群數(population)為 200;(2) 交配率設定為 0.98;(3) 突變率設定為 0.05;(4) 採用菁英策略;(5) 演化停止準則—最佳演化世代後 100 世代內無 更佳之適存值即停止演化。

(2).演化結果

演化過程及適存值如圖22 所示,可得到最佳演化世代為第 11 世代,適存值為 5.49,高於原技術 方案之適存值(4.04)。

(32)

24

圖 22 施工架踏板技術演化過程圖

7.基因串解碼

經演化過後之基因型,經解碼後彙整成表15 所示,其適存值為 5.49。

表 112 施工架踏板演化後之基因型解碼與適存值

S 踏板 踏板 踏板

A 35 35 35

O 踏板 踏板 踏板

Fit 1.83 1.83 1.83

ΣFit 5.49

註:小數點四捨五入

8.演化後功能模型

將表5 繪製成演化後之功能模型如圖 23 所示,為踏板元件採用 IP -35 「改變物理或化學狀態」,

將踏板改變其物理性質為新技術之發展方向

圖 23 施工架踏板演化後之功能模型圖 1

9.構想轉化

本案例針對施工架踏板於鷹架上鋪設走道技術創新,經演化結果得到第35 項發明法則「改變物理 或化學狀態」,繪製成功能模型。該發明法則內容主要針對改變元件的物理性質如彈性、密度等。因此

(33)

25

產生出的構想為將施工架踏板設計為彈性結構方式,透過具有彈性之踏板可伸縮鋪設,解決施工架走 道上之開口以及重疊產生之高低差情形。然而考量到實務上安全法規的規定以及作業人員的安全,此 構想可能目前在實務上無法應用。因此,依圖1 步驟 9,考慮適存值次佳之構想方案,如表 16 所示。

其中對於踏板採取發明法則第一項「分割」原理,其發明法則內容為將物體分割成獨立單元或是變成 組裝式的物體,進而提昇踏板元件之適應性,繪製成功能模型如圖24 所示。代回原功能模型結果如圖 25 所示,採用伸縮踏板設計(將一片踏板分割成為兩片組合踏板),其技術方案簡化設計評估如表 17 所 示。由表17 可得知整體而言新技術方案較目標技術佳,因此,本創新設計概念可做為後續技術發展之 方向。。

表16 施工架踏板演化後之基因串解碼與功能總值(次佳解)

S 踏板 踏板 踏板

A 1 35 35

O 踏板 踏板 踏板

總計 5.44

註:小數點四捨五入

圖 24 施工架踏板演化後之功能模型圖 2

圖 25 新施工架踏板技術之功能模型 表 17 施工架踏板方案簡化設計評估表

序號 評估項目 目標技術

TT

新技術 NT

結果

1 元件數量(A) 4 4 相同

2 有用功能數量(B) 5 5 新技術佳

(34)

26

3 有害/不足/過多功能之數量(C) 1 0

4 新舊系統元件的總數量的比值 NT(A)/TT(A)

1 相同

5 新舊系統所有功能總數量的比值 NT(B+C)/TT(B+C)

0.83 新技術佳

備註:新技術NT=New Technology, 目標技術 TT=Target Technology

10.產生新技術概念

相關技術概念已經申請成為專利技術,參考中華民國專利 M392217 「鷹架踏板」之設計[53],其 設計為將施工架踏板設計成鷹架踏板子母構件如,其組合結果如圖26 所示,再藉由應將踏板子母構件 上的安全掛鉤,達成可伸縮調整功能。新施工架踏板技術之使用與調整示意圖如圖27 所示。

a.鷹架踏板子構件 b.鷹架踏板母構件 c.新施工架踏板組合 圖 26 新施工架踏板技術之組合示意圖

a.鷹架長度180cm時 b.鷹架長度150cm時 圖 27 新施工架踏板技術之使用與調整示意圖

二、案例二—場鑄混凝土養護技術

(35)

27

1.目標技術與問題

一般混凝土澆置後,水泥需要於充裕水份的環境進行水化作用,若水分不足將造成水化不完全,

甚至內部產生微裂縫等劣化現象。所以足夠養護時間對於混凝土的結構性質與品質具有重要影響。然 而如果養護時間縮短,將明顯降低混凝土之強度,一般混凝土材料需養護7 天強度才會相當於養護 28 天之80%。一般養護方法,以濕治養護法(moist curing)進行混凝土的養護[54],如圖 28 所示。此方式 優點為可有效控制塑性收縮及乾燥收縮龜裂的產生以及加強混凝土之水化作用,促進強度發展等。但 缺點包括易影響後續模板組立作業以及養護需要較大量的人工。本案例將一般濕治養護技術繪製成根 原因分析圖如,圖29 所示。由圖 29 可得知,混凝土水化時周遭空氣會吸收混凝土表面水份之問題為 導致養護濕度不足之主要根本原因。

圖 2 混凝土濕治養護示意圖

圖 29 混凝土水化後品質不佳根原因分析 2.功能模型分析

(36)

28

針對一般混凝土養護作業之功能模型如圖30 所示,可得知該技術主要是由灑水器流出水,水覆蓋 於混凝土表面,提供混凝土於水化過程中進行養護的功能,然而空氣(超系統)會吸收混凝土水份形成有 害作用。

圖 30 混凝土濕治養護功能模型圖

3.定義系統中各元件價值

由前一階段之問題定義可得知,剛澆置完畢的混凝土在水化過程中,為避免混凝土表面因水份蒸 發後形成乾縮與破壞混凝土結構之情形,需不斷地提供水份以進行養護,因此本案例針對養護過程中 相關元件定義如表18 所示。計算出功能模型之連結關係數量總計 6 次;系統元件中混凝土及水與技術 創新問題具有相關性,因此予以相關性加權。經計算後系統元件之得分混凝土為1、水為 0.66、灑水 器為0.17。

18 混凝土養護之元件重要性以及問題相關表

元件a 輸出連結b 輸入連結c 重要性d

(b+c)/6 相關性e 得分

混凝土 1 2 0.5 2 1

水 1 1 0.33 2 0.66

灑水器 1 0 0.17 1 0.17

4. 演化樹建模與基因型編碼

將一般混凝土養護作業中所有元件之SAO 關聯鏈以演化樹及構進行建模,如圖 31 所示,可得知 該技術系統具有三組SAO。

(37)

29

圖 31 混凝土濕治養護之演化樹模型

在基因串編碼作業,將混凝土濕治養護技術之演化樹模型,轉換為基因型如表19 所示。經計算可 得知演化前混凝土濕治養護技術之適存值總計為4.49。

表 19 混凝土濕治養護技術之基因型編碼

S 灑水器(1,1) 水(2,1) 混凝土(3,1)

A 流出(1,2) 覆蓋(2,2) 水化(3,2)

O 水(1,3) 混凝土(2,3) 混凝土(3,3)

Fit 0.83 1.66 2

ΣFit 4.49

5.TRIZ 應用

本研究以改善混凝土濕治養護技術為改善目標,並無設定特定之惡化參數。因此,參考單一工程 特性對應發明原則,所對應到之TRIZ 改善工程參數為「EP -30 作用於物體的有害因子」。經統計後之 發明法則出現次數如表20 所示,可得到建議發明法則之次數與權重。其中,IP-22(將有害成為有用功 能原理)具最高之適用性。

表 20 改善作用於物體的有害因子所對應之發明法則統計

發明法則 22 35 2 1 33 18 19 28 24 39

EP 30 18 15 12 8 8 6 6 6 6 6

總次數 140

權重 0.13 0.11 0.09 0.06 0.06 0.04 0.04 0.04 0.04 0.03

機率 13% 11% 9% 6% 6% 4% 4% 4% 4% 4%

累加 13% 24% 33% 39% 45% 49% 53% 57% 61% 65%

6.GOT 運算與結果 (1).演化參數設定

Figure

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