廖璘志，陳 琪，伍倪燕

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 制造系，四川 宜賓 644003）

0 引言

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究越來越受到人們的重視，國內(nèi)外出現(xiàn)了許多研究成果。由于設(shè)計(jì)是“人”（設(shè)計(jì)者/用戶）與“物”（產(chǎn)品）經(jīng)過交互最終實(shí)現(xiàn)被期望產(chǎn)品的過程，依據(jù)人與物這兩個(gè)方面的側(cè)重點(diǎn)不同，可將已有的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究分為面向“人”的研究和面向“物”的研究兩個(gè)方面。面向“人”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究主要以設(shè)計(jì)者為中心探索設(shè)計(jì)行為和規(guī)律，包括基于思維的研究，即關(guān)注于如何運(yùn)用創(chuàng)造性思維，強(qiáng)調(diào)從不同的角度考慮問題，如頭腦風(fēng)暴法[1]和水平思維法[2]；基于行為的研究，即研究設(shè)計(jì)者行為、設(shè)計(jì)活動(dòng)和設(shè)計(jì)者思維之間的關(guān)系，如草圖設(shè)計(jì)研究[3]和手勢設(shè)計(jì)研究[4]；基于過程的研究，即探討設(shè)計(jì)者解決設(shè)計(jì)問題并產(chǎn)生創(chuàng)新方案的基本過程，如Pahl & Beitz 提出的明確任務(wù)、概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)的四階段設(shè)計(jì)過程[5]。面向 “物” 的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究主要以產(chǎn)品為中心研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的生成，包括基于產(chǎn)品建模的研究，即致力于尋找概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化求解方法，如公理設(shè)計(jì)（Axiomatic Design，AD）[6]和功能-行為-結(jié)構(gòu)模型（Function-BEHAVIOR-Structure, FBS）[7]；基于知識(shí)的研究，即探討領(lǐng)域知識(shí)的表示、組織、獲取和使用等，如專家系統(tǒng)、類比推理、實(shí)例推理[8]等；基于決策的研究，即在一定的問題空間中尋找合適的設(shè)計(jì)解的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊推理、Agent 推理技術(shù)等[9，10]；基于工程技術(shù)發(fā)展規(guī)律的研究，這類研究認(rèn)為，技術(shù)創(chuàng)新存在解決問題的一半規(guī)律，這些規(guī)律可以告訴人們按照什么樣的方法和過程去進(jìn)行創(chuàng)新并對結(jié)果具有預(yù)測性和控制性，其中最著名的研究是發(fā)明問題解決理論-TRIZ[11]。

1 機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)行為機(jī)理研究

機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新的核心在于構(gòu)思產(chǎn)品的創(chuàng)新概念。產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)決定性地影響后續(xù)的產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)開發(fā)、產(chǎn)品市場開發(fā)以及企業(yè)經(jīng)營戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。一旦概念設(shè)計(jì)被確定，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的60%～70%也就確定了。因而，產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)過程中最重要、最復(fù)雜，最不確定的設(shè)計(jì)階段。機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造性問題求解過程，其主要特征是初始狀態(tài)定義不良。只有弄清楚設(shè)計(jì)者在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中到底是如何進(jìn)行認(rèn)知操作的，才能更好的理解創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程，并為該過程建立有效的支持工具。因此，通過結(jié)合工程領(lǐng)域的概念設(shè)計(jì)過程與認(rèn)知心理學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)造性過程，建立面向產(chǎn)品創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)認(rèn)知過程模型，該模型的主要作用在于揭示創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程本質(zhì)，確定影響設(shè)計(jì)結(jié)果的設(shè)計(jì)資源和設(shè)計(jì)行為，幫助設(shè)計(jì)者更好的使用來自于設(shè)計(jì)領(lǐng)域及認(rèn)知領(lǐng)域的的創(chuàng)造性工具、方法及技術(shù)。

以認(rèn)知科學(xué)為基礎(chǔ)，機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)為對象，實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能協(xié)同設(shè)計(jì)為目的，研究機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)行為機(jī)理。首先分析影響創(chuàng)新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，并對這些因素進(jìn)行歸類分析，確定可以通過外部資源得以促進(jìn)的可控因素；其次，對創(chuàng)造性概念設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵認(rèn)知行為、信息傳遞、信息操作及認(rèn)知回路進(jìn)行分析，并基于此建立有利于創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的一般設(shè)計(jì)過程，為建立計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的概念平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。圖1 為機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)認(rèn)知機(jī)理的研究方案。

圖1 機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)認(rèn)知機(jī)理的研究方案

2 人機(jī)智能協(xié)同的內(nèi)在機(jī)理研究

圖2 人機(jī)智能協(xié)同內(nèi)在機(jī)理的研究方案

圖2 為人機(jī)智能協(xié)同內(nèi)在機(jī)理的研究方案。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)及智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)行為機(jī)理研究結(jié)果的具體方法，從而建立人機(jī)智能協(xié)同的模式。首先，根據(jù)信息加工理論，分析從刺激的選擇和注意，到對刺激意義的理解，工作記憶對信息的存儲(chǔ)并進(jìn)行加工處理，長時(shí)記憶的形成和使用，對創(chuàng)新設(shè)計(jì)的影響，確定人機(jī)智能協(xié)同應(yīng)遵循的原則；其次，為影響創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可控因素尋找利用機(jī)器智能實(shí)現(xiàn)的方法；最后，研究利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新認(rèn)知規(guī)律的方法。

3 機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新策略研究

3.1 新設(shè)計(jì)的創(chuàng)新求解策略

新設(shè)計(jì)指按照一個(gè)系統(tǒng)（裝置、設(shè)備、機(jī)器或部件）任務(wù)書的要求，制定一個(gè)新的解的原理，因此本研究基于已有的FBIE/e 模型、B-FES/e 模型及FEBS/e 模型的優(yōu)勢與特點(diǎn)，擬采取FMSEE 功能求解方法作為求解策略。FSMEE 功能求解方法的主要任務(wù)是對產(chǎn)品需求功能滿意結(jié)構(gòu)解的尋找，它是整個(gè)新產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程的核心。它主要由四個(gè)部分組成： ①FSMEE 模型的推理映射過程。其任務(wù)是基于一定產(chǎn)品信息表達(dá)的設(shè)計(jì)特征：功能（F）、行為（B）、結(jié)構(gòu)（S）和環(huán)境（E），借助設(shè)計(jì)特征間的多種映射關(guān)系及其內(nèi)在進(jìn)化邏輯，最終找到適應(yīng)設(shè)計(jì)約束條件的需求功能結(jié)構(gòu)解；②設(shè)計(jì)過程的信息表達(dá)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征及設(shè)計(jì)過程總是以某種信息形式體現(xiàn)，設(shè)計(jì)信息的表達(dá)方法將影響設(shè)計(jì)過程的創(chuàng)新層次和設(shè)計(jì)效率，本研究以層次樹結(jié)構(gòu)形式來表達(dá)設(shè)計(jì)過程信息，多設(shè)計(jì)粒度使推理過程更加高效；③設(shè)計(jì)特征映射推理策略。設(shè)計(jì)特征的推理過程必須按照遵循一定的推理規(guī)則，其中包括推理的約束規(guī)則及推理策略規(guī)則，如設(shè)計(jì)約束、基本特征映射關(guān)系和映射關(guān)系進(jìn)化邏輯；④設(shè)計(jì)特征資源。主要由不同設(shè)計(jì)粒度下的設(shè)計(jì)特征元構(gòu)成，如功能元、行為元及結(jié)構(gòu)元。這些設(shè)計(jì)特征元是推理過程的前提和對象，同時(shí)也是功能求解過程表達(dá)的具體表現(xiàn)形式。

3.2 適應(yīng)性設(shè)計(jì)的創(chuàng)新求解策略

適應(yīng)性設(shè)計(jì)是使一個(gè)已有的系統(tǒng)在保持解的原理不變的情況下，適應(yīng)有改變的任務(wù)書，以克服原有系統(tǒng)明顯的局限性，此時(shí)通常須對個(gè)別部件或零件做新設(shè)計(jì)，因此本研究擬采取發(fā)明問題解決理論作為求解策略。發(fā)明問題解決理論是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)，由解決技術(shù)問題和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的綜合體系，其主要內(nèi)容包括： 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、40 個(gè)發(fā)明創(chuàng)造原理、39 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)、沖突矩陣、物質(zhì)—場分析、76 個(gè)發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)解決方法、發(fā)明問題解決算法（ARIZ）以及工程效應(yīng)知識(shí)庫等。將發(fā)明問題解決理論應(yīng)用于適應(yīng)性設(shè)計(jì)的研究方案為：①明確設(shè)計(jì)任務(wù)，并確定創(chuàng)新設(shè)計(jì)對象（產(chǎn)品類型），利用物質(zhì)場模型分析已有產(chǎn)品內(nèi)部的功能/組件關(guān)系，建立產(chǎn)品不同層級(jí)的系統(tǒng)組件之間基于功能原理的聯(lián)系，從而分析出產(chǎn)品系統(tǒng)組件之間是否存在有害作用或者不完善的功能，進(jìn)而確定創(chuàng)新求解區(qū)域；②利用創(chuàng)新機(jī)遇確定模式，對創(chuàng)新求解區(qū)域中各功能層進(jìn)行進(jìn)化潛力分析，確定仍具有進(jìn)化潛力的功能單元，從而確定潛在的用戶需求；③對具有進(jìn)化潛力的功能單元進(jìn)行進(jìn)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)問題類型，如技術(shù)沖突、標(biāo)準(zhǔn)問題及問題功能選擇相應(yīng)的求解模式，獲得一般解決方案；④從TRIZ 一般解決方案到創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的轉(zhuǎn)化需要設(shè)計(jì)人員運(yùn)用類比思維及自身的領(lǐng)域知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

3.3 變型設(shè)計(jì)的創(chuàng)新求解策略

變型設(shè)計(jì)是在預(yù)先選定的系統(tǒng)范圍內(nèi)做尺寸或布置方式的變型，功能和解的原理保持不變，本研究擬采取進(jìn)化驅(qū)動(dòng)型產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法進(jìn)行求解。通過變型設(shè)計(jì)獲得的產(chǎn)品類似于生物個(gè)體，它們同樣具有決定自我結(jié)構(gòu)、特性和功能的 “遺傳信息”，并且在一代代的產(chǎn)品間傳遞和進(jìn)化著。雖然產(chǎn)品沒有與生物個(gè)體一樣的物理基因，也不可能實(shí)現(xiàn)自我構(gòu)造，但是設(shè)計(jì)人員可以通過對產(chǎn)品信息的分析，獲得與生物基因具有相似功能的產(chǎn)品基因，進(jìn)而得到表達(dá)一個(gè)特定產(chǎn)品的全部基因信息的產(chǎn)品基因組。這些組成產(chǎn)品基因組的信息為設(shè)計(jì)人員構(gòu)造產(chǎn)品提供了根本依據(jù)。與生物基因中堿基A、T、G 和C 構(gòu)成的有序堿基對反映生物遺傳信息類似，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)型產(chǎn)品基因中變量及其構(gòu)成的組件反映了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)遺傳信息，改變它們可以獲得新的產(chǎn)品，即進(jìn)化驅(qū)動(dòng)型產(chǎn)品基因由組件和變量構(gòu)成，它們不僅蘊(yùn)含了待進(jìn)化產(chǎn)品的部件、結(jié)構(gòu)、特征等，還蘊(yùn)含了大量的變量間關(guān)系。產(chǎn)品基因反映的結(jié)構(gòu)遺傳信息表現(xiàn)出的信息作用機(jī)制是： 通過系統(tǒng)化的改變產(chǎn)品基因的組件和變量，即改變結(jié)構(gòu)遺傳信息，可使設(shè)計(jì)者獲得新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)新的使用功能。

4 計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)研究

圖3 計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)研究方案

圖3 是本研究擬采用的研究方案。計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)是認(rèn)知科學(xué)、信息技術(shù)、設(shè)計(jì)理論與方法的會(huì)聚平臺(tái)，也是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的工作平臺(tái)。該系統(tǒng)主要由知識(shí)庫系統(tǒng)、信息檢索系統(tǒng)、概念設(shè)計(jì)空間及創(chuàng)造性思維方法等部分構(gòu)成，其關(guān)鍵作用是在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段、方案設(shè)計(jì)階段為設(shè)計(jì)者提供有用的工具，并實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)者之間的智能交互，從而提高設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。在本研究方案中，原型系統(tǒng)的邏輯體系結(jié)構(gòu)共分為三層： 界面層、應(yīng)用程序服務(wù)器層、資源層。

5 結(jié)束語

概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中最富有創(chuàng)造性的階段，產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率決定了產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和市場競爭力，人機(jī)協(xié)同的研究不以追求全自動(dòng)化為目標(biāo)，而代之以人機(jī)分工與合作的最佳化，其目的是為了開發(fā)實(shí)用的、支持設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)，從而提高我國企業(yè)的產(chǎn)品自主創(chuàng)新能力和快速產(chǎn)品開發(fā)能力。

筆者在研究了概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新特點(diǎn)和創(chuàng)新層次的基礎(chǔ)上，提出了概念設(shè)計(jì)認(rèn)知機(jī)理方案、人機(jī)智能協(xié)同內(nèi)在機(jī)理方案、概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新策略方案、計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)研究方案，對創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)的研究具有一定的推動(dòng)作用。

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