倪敏娜, 孫志宏，王 梓, 李姝佳, 黃 菁

(東華大學 機械工程學院, 上海 201620)

面向產(chǎn)品造型感性意象評價的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的應用

倪敏娜, 孫志宏，王 梓, 李姝佳, 黃 菁

(東華大學 機械工程學院, 上海 201620)

為更全面準確地評價產(chǎn)品造型設計，在近幾年國內(nèi)外產(chǎn)品評價系統(tǒng)研究的基礎上，綜合運用主成分分析法、聚類分析法、BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)，對產(chǎn)品設計造型要素的感性意象進行定量化研究，建立和完善了產(chǎn)品設計評價的神經(jīng)網(wǎng)絡模型.并以園林工具割草機產(chǎn)品設計為例訓練模型，驗證了模型的可行性和有效性.

產(chǎn)品設計評價；主成分分析；聚類分析；BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡；感性工學

產(chǎn)品造型設計和評價是產(chǎn)品設計開發(fā)過程中的重要組成部分.近年來，國內(nèi)外學者結(jié)合感性工學對產(chǎn)品造型設計和產(chǎn)品造型評價進行了大量的研究.產(chǎn)品造型設計是一項復雜的系統(tǒng)運行過程，除受客觀條件如經(jīng)濟、技術(shù)、構(gòu)造等要素的影響外，同時，社會審美、目標消費群的偏好、設計師經(jīng)驗、背景等因素也相互影響[1].人工神經(jīng)網(wǎng)絡是伴隨著生物學、數(shù)學、計算機等學科的發(fā)展而產(chǎn)生的一門新興的綜合交叉性學科.其中，最常見的是BP(back propaga-tion)神經(jīng)網(wǎng)絡，它具備任意精度的函數(shù)逼近能力，具有自組織、自適應、自學習、高度非線性映射性、泛化性、容錯性的優(yōu)點[2].BP神經(jīng)網(wǎng)絡因其很強的學習能力、抗故障性、并行性的優(yōu)點，特別適合于解決上述非線性很高的復雜系統(tǒng).割草機產(chǎn)品應用具有較強的地域性和個性化的消費者群細分，造型設計目前未形成系統(tǒng)的理論和方法.將BP神經(jīng)網(wǎng)絡法和遺傳算法等應用于產(chǎn)品造型設計的評價系統(tǒng)中尚屬于摸索階段.文獻[3]提出了BP神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)與產(chǎn)品評價系統(tǒng)結(jié)合的可行性.文獻[4]通過將遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合，進一步優(yōu)化了產(chǎn)品設計評價模型的精度.

產(chǎn)品造型設計與評價是個復雜的過程，需要多層次的系統(tǒng)分析.為此，本文將綜合運用主成分分析法、聚類分析法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)，定量地研究感性意象與產(chǎn)品造型設計之間的關(guān)系.以園林工具割草機產(chǎn)品為例，把產(chǎn)品造型要素的集合分組為由類似對象組成的多個類，分析影響割草機產(chǎn)品感性意象的主要造型特征，基于Matlab R2014a平臺，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，檢測產(chǎn)品造型與目標消費者群體偏好之間的對應關(guān)系，以驗證和提高產(chǎn)品設計評價模型的可行性和準確度.

1 研究流程

本文以割草機產(chǎn)品為例，綜合應用主成分分析、聚類分析方法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)，對感性意象進行定量化研究，建立和完善產(chǎn)品造型特征與感性意象關(guān)系評價的神經(jīng)網(wǎng)絡模型.研究流程如圖1所示.

圖1 研究流程圖Fig.1 Framework of research process

具體流程如下：(1) 通過網(wǎng)絡調(diào)研并篩選得到描述割草機外形的形容詞. (2) 通過網(wǎng)絡搜集各國割草機圖片樣本，對圖片進行去色、去標志處理，排除顏色和品牌對試驗樣本的影響. (3) 把7點量表建立在已經(jīng)選擇出來的感性意象形容詞上，讓每個測試者針對這些選定的形容詞對每個試驗樣本打分．將試驗所得數(shù)據(jù)運用主成分分析，并結(jié)合專家意見，確定最終描述詞匯. (4) 將樣本進行聚類分析，并通過專家對同類內(nèi)樣本共同特征的提取，明確影響割草機外形意象的造型特征，并分析各造型特征組合與感性意象的關(guān)系. (5) 建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，以試驗數(shù)據(jù)訓練神經(jīng)網(wǎng)絡模型. (6) 神經(jīng)網(wǎng)絡準確率檢測，總結(jié)分析.

2 割草機外觀特征與感性意象認知關(guān) 系量化試驗

2.1 試驗準備

通過調(diào)研，共搜集整理近5年銷售生產(chǎn)的割草機產(chǎn)品圖片150張，分別來自不同國家和地區(qū).對圖片進行去色、去標志處理，以排除顏色、品牌及其他因素對試驗樣本的影響.利用KJ法[5]篩選得到20個圖片樣本，部分樣本圖片如圖2所示.

圖2 部分樣本圖片F(xiàn)ig.2 Part of the sample images

通過網(wǎng)絡和問卷調(diào)查收集描述割草機形態(tài)感性意象的形容詞126個.經(jīng)過問卷調(diào)查進一步篩選，保留12個最常用的詞匯(耐用的、美觀的、精致的、質(zhì)樸的、堅韌的、精密的、安全的、易用的、單調(diào)的、新穎的、現(xiàn)代的、高檔的).

2.2 意象詞匯篩選與主成分分析

被測群體為100名普通消費者，其中，60名有設計背景，40名無設計背景.年齡在20～30歲之間，平均年齡為25歲. 對上述收集的形容詞建立7點量表，測試者針對這12個形容詞對上述20個試驗樣本進行打分，把得到的數(shù)據(jù)進行主成分分析，并將多個變量通過線性變換以選出較少個數(shù)的重要變量[5]. 試驗結(jié)果的共因子載荷矩陣如表1所示.

表1 因子載荷矩陣

(續(xù) 表)

經(jīng)過表1的分析可以得到形容詞的意象空間，專家設計師結(jié)合這一意象空間進行總結(jié)和分析，得到其3個維度上的感性意象描述形容詞，分別為“科技-落后”“樸素-華麗”“易用-復雜”.

2.3 關(guān)鍵造型特征提取和聚類分析

將意象空間的樣本進行聚類分析，把產(chǎn)品造型要素的集合分組為由類似的對象組成的多個類，分析影響割草機產(chǎn)品感性意象的主要造型特征.通過專家設計師評價和問卷調(diào)查統(tǒng)計，抽取同類樣本內(nèi)的共同特征，得到最主要的影響割草機感性意象的造型特征. 聚類分析的結(jié)果如表2所示.

表2 聚類分析結(jié)果

由表2可得出，影響割草機造型意象的造型特征主要為機罩和減震套.

結(jié)合工程師對樣本設計元素解構(gòu)可得到不同類型的機罩和減震套組合，結(jié)果如表3所示.

表3 樣本設計元素空間

2.4 分析各造型特征組合與感性意象的關(guān)系

選取“科技的-落后的”這一語匯對，建立5點量表(很，比，中常，比較不，很不)，量尺的區(qū)間值為5(即1，2，3，4，5).每位測試對象對20個樣品進行打分，得到20個樣本關(guān)于“科技的-落后的”的感性評價平均值如表4所示.

表4 樣本數(shù)據(jù)對比分析

(續(xù) 表)

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型建立、訓練、預測

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型建立

選用Matlab R2014a為平臺進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的建立與模擬，其模型如圖3所示.通過歷史數(shù)據(jù)的訓練，用以檢測產(chǎn)品造型與其感性意向的對應關(guān)系，建立產(chǎn)品造型設計評價體系.經(jīng)過數(shù)次預先進行的試驗，確定神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為3層，輸入層 (包含2個節(jié)點)、隱含層(包含4個節(jié)點)、輸出層(包含1個節(jié)點).輸入層是2個設計元素的編號組合，輸出層是關(guān)于“科技的-落后的”這個語匯對的感性意象評價值.

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型Fig．3 The neural network model structure

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練

設置BP神經(jīng)網(wǎng)絡的學習次數(shù)為5 000次，采用梯度下降法，目標誤差值為0.001，訓練結(jié)果采用均方誤差衡量，將表4中樣本1#～15#的數(shù)據(jù)導入建立的網(wǎng)絡，訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡，在1 753次訓練時結(jié)果收斂，停止訓練，其訓練的結(jié)果如圖 4所示. 由圖4可得，其實際訓練的誤差值為0.009 08.

圖4 Matlab網(wǎng)絡訓練結(jié)果Fig.4 Results of the training network of Matlab

3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型測試

選用表4中樣本16#～20#測試神經(jīng)網(wǎng)絡預測

能力，即將5個樣本造型特征組合導入網(wǎng)絡的輸入層，將調(diào)查得到的數(shù)據(jù)與神經(jīng)網(wǎng)絡預測的感性評價值進行對比，結(jié)果如表5所示. 由表5可見，實際感性評價值與預測感性評價值相對誤差較小，說明網(wǎng)絡精度達到要求，驗證了割草機產(chǎn)品評價模型的可行性和有效性.

表5 驗證結(jié)果

4 結(jié) 語

本文將主成分分析法、聚類分析法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型相結(jié)合，對割草機產(chǎn)品造型設計與感性意象之間的關(guān)系進行分析，為產(chǎn)品造型設計符合目標消費群體需求提供客觀評價幫助.但是本文只針對割草機的主要產(chǎn)品造型要素進行了試驗，隨著研究方法及科技的不斷進步，結(jié)合色彩、材質(zhì)、紋理甚至人機工程學等綜合因素的研究將成為下一步的研究重點. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的意象認知模型，還存在一定局限性，隨著科技的發(fā)展，結(jié)合認知心理學、腦科學、人工智能等技術(shù)和方法將使相關(guān)研究得到更深入的發(fā)展.

[1] 王愛華,孫峻.BP神經(jīng)網(wǎng)絡在工程項目管理中的應用[J]. 建筑管理現(xiàn)代化,2009(4):306-309.

[2] 周美玉,李倩.神經(jīng)網(wǎng)絡在產(chǎn)品感性設計中的應用[J].東華大學學報(自然科學版)，2011,37(4)：509-513.

[3] 趙萬芹.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的產(chǎn)品造型設計評價[J]．計算機工程與設計，2009，30(24)：5715-5717．

[4] 林琳,張志華,張睿欣. 基于遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡的產(chǎn)品造型設計評價[J].計算機工程與設計， 2015,36(3):789-813.

[5] 川喜田二郎. KJ法[M].京都：中央公論新社, 1986.

[6] 黃琦,孫守遷.基于意象認知模型的汽車草圖設計技術(shù)研究[J].浙江大學學報(工學版), 2006, 40(4):553-559.

Applied Research on BP Neural Network Modeling for the Evaluation of Kansei Images and Elements of Product Design

NIMin-na,SUNZhi-hong,WANGZi,LIShu-jia,HUANGJing

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In order to evaluate the product design more roundly and accurately, a complex method is provided which includes principal component analysis, clustering methodology and BP(back propagation) neural network technique, based on the research of domestic and foreign product evaluation systems in recent years. The product design evaluation model is established and improved with the quantitative study of kansei images and elements of product design. The products design of the garden cutting machine tool is taken as an example to evaluate the model. The results illustrate the feasibility and effectiveness of the developed model.

product design evaluation model; principal component analysis; clustering methodology; BP(back propagation) neural network; kansei engineering

1671-0444 (2016)04-0604-04

2015-04-21

倪敏娜(1977—)，女，浙江余姚人，講師，碩士，研究方向為工業(yè)管理. E-mail: nimn@dhu.edu.cn 孫志宏(聯(lián)系人)，女, 教授，E-mail: zhsun@dhu.edu.cn

C 934; TP 23

A