孫 強(qiáng)，李牧醒，汪亞林

(蚌埠學(xué)院a.藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院；b.機(jī)械學(xué)院，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

在大規(guī)模機(jī)械化產(chǎn)品定制和生產(chǎn)中，具有共同特征的“家族化”系列產(chǎn)品以低開發(fā)成本、較短開發(fā)周期、明確的風(fēng)格特征和多樣化的功能滿足客戶追求高品質(zhì)個(gè)性化的需求，由此催生了產(chǎn)品族的形成。產(chǎn)品族是指一組或一個(gè)系列產(chǎn)品擁有高度相似的零部件和共同的造型識(shí)別特征，如同是一個(gè)家族中的若干成員，它們?cè)谡麄€(gè)產(chǎn)品序列中有自己獨(dú)特的位置，或滿足個(gè)性化的使用功能，或體現(xiàn)個(gè)性化的產(chǎn)品風(fēng)格，既滿足了不同客戶對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品的需求，又在大規(guī)模生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了零部件共享，從而有效降低生產(chǎn)成本和開發(fā)周期。產(chǎn)品族是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的重要使能技術(shù)，產(chǎn)品配置是一種有效聯(lián)系個(gè)性化客戶需求與定制產(chǎn)品的手段[1]，它是由眾多具有共同核心識(shí)別特征的產(chǎn)品組成的一個(gè)序列，假設(shè)產(chǎn)品族A中有n個(gè)系列產(chǎn)品，那么這些產(chǎn)品可表示為PA1，PA2……PAn。n個(gè)產(chǎn)品都有著共同的核心識(shí)別特征，這些特征的最終指向是產(chǎn)品的品牌識(shí)別。同時(shí)它們也有自己的個(gè)性特征，或具有不同的功能、風(fēng)格，或具有不同的色彩、造型，等等，類似于生物圈的進(jìn)化。產(chǎn)品族中一系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是它們共同擁有產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的特征，即產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA進(jìn)行信息復(fù)制、變異、增殖的過(guò)程，因此在產(chǎn)品族設(shè)計(jì)過(guò)程中，原本屬于生物概念的DNA的迭代、進(jìn)化理論及其規(guī)律經(jīng)常會(huì)被用來(lái)模擬產(chǎn)品族設(shè)計(jì)特征信息的傳遞和修改，而產(chǎn)品族設(shè)計(jì)特征信息的傳遞和修改又導(dǎo)致下一代產(chǎn)品功能的遺傳(高相似度設(shè)計(jì))和變異(低相似度設(shè)計(jì))，因此對(duì)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的研究本質(zhì)上是對(duì)產(chǎn)品族中的設(shè)計(jì)DNA的遺傳性和變異性的研究。

1 相關(guān)研究

劉興中等認(rèn)為，產(chǎn)品族規(guī)劃是產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它主要包括市場(chǎng)細(xì)分與產(chǎn)品族定位兩個(gè)階段，幫助企業(yè)在恰當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)提供恰當(dāng)?shù)亩鄻有?。為了避免產(chǎn)品族設(shè)計(jì)中的主觀模糊因素，作者提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的產(chǎn)品族規(guī)劃方法[2]。張?jiān)品葹榱吮苊猱a(chǎn)品族設(shè)計(jì)中的主觀模糊因素，利用可量化的指標(biāo)構(gòu)成準(zhǔn)則層，采用層次分析法提取品牌典型產(chǎn)品，利用對(duì)目標(biāo)意象在“模糊評(píng)價(jià)因素集”中的最大隸屬原則確定產(chǎn)品族基因[3]。程賢福等將產(chǎn)品族的參數(shù)決策與定制參數(shù)求解作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的相互作用又相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)層面，建立了產(chǎn)品族的雙層規(guī)劃模型[4]。Suri等提出采用人機(jī)工程學(xué)的口語(yǔ)分析和情境構(gòu)建法來(lái)確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)意特征，為準(zhǔn)確把握產(chǎn)品意象構(gòu)建產(chǎn)品族打下基礎(chǔ)[5]。Yu等嘗試將產(chǎn)品族的知識(shí)共享與重用運(yùn)用在軟件產(chǎn)品的定制方面[6]。

2 產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的建構(gòu)

產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的建構(gòu)依據(jù)產(chǎn)品種類以及產(chǎn)品中顯性和隱性DNA的具體情況進(jìn)行，整個(gè)建構(gòu)過(guò)程有著諸多不確定性，總體而言分為產(chǎn)品族特征元素分析、設(shè)計(jì)DNA的提取、設(shè)計(jì)DNA的優(yōu)化與重組、設(shè)計(jì)DNA的定型描述這四個(gè)主要階段。

2.1 產(chǎn)品族DNA的結(jié)構(gòu)布局

產(chǎn)品族DNA的結(jié)構(gòu)布局包括設(shè)計(jì)管理、建構(gòu)內(nèi)容、建構(gòu)方式、產(chǎn)品基因描述四個(gè)層面。

設(shè)計(jì)管理是指整合市場(chǎng)需求信息、產(chǎn)品文化信息、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手情況、設(shè)計(jì)知識(shí)和生產(chǎn)技術(shù)等多方面知識(shí)，對(duì)包括品牌管理、產(chǎn)品體系、構(gòu)建概念產(chǎn)品等設(shè)計(jì)全過(guò)程進(jìn)行綜合控制。在產(chǎn)品族特征元素分析、設(shè)計(jì)DNA的提取階段，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)、審美風(fēng)格、市場(chǎng)偏好等因素的系統(tǒng)分析，歸納產(chǎn)品族的基礎(chǔ)功能和本質(zhì)特征，分別從顯性與隱性層面確定產(chǎn)品族的核心識(shí)別DNA。在對(duì)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的優(yōu)化與重組階段，通過(guò)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析、口語(yǔ)分析、意象元素?cái)?shù)據(jù)化處理、特征建模等方式，進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化、提煉、重組測(cè)試，建立一套相對(duì)固定的設(shè)計(jì)DNA組合模式。在產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的定型與描述階段，對(duì)產(chǎn)品的核心識(shí)別DNA以及組合模式進(jìn)行歸納整理，形成一系列設(shè)計(jì)知識(shí)模塊，這些設(shè)計(jì)知識(shí)模塊最終在設(shè)計(jì)管理的控制下參與產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2 產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的遺傳與變異

產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的遺傳和變異可概括為如下模型：假設(shè)產(chǎn)品族A中有n個(gè)系列子產(chǎn)品，這些子產(chǎn)品中具有核心識(shí)別性DNA以及非識(shí)別性的或非核心的DNA。識(shí)別性的DNA稱為AD，非識(shí)別性的以及非核心的DNA分別稱為AR，XR，在進(jìn)行產(chǎn)品族設(shè)計(jì)時(shí)AD會(huì)被設(shè)計(jì)師主觀地保留下來(lái)，與外部的變化性需求進(jìn)行匹配產(chǎn)生新的子產(chǎn)品。顯性DNA在與外部變化性需求進(jìn)行匹配時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一是AD的識(shí)別黏性大于變量S，則產(chǎn)生新產(chǎn)品的DNA表現(xiàn)為遺傳性；二是AD的識(shí)別黏性小于變量S，則產(chǎn)生的新產(chǎn)品將體現(xiàn)與眾不同的新特征，此時(shí)的設(shè)計(jì)DNA表現(xiàn)為變異性。遺傳性與變異性只是產(chǎn)品族設(shè)計(jì)中DNA傳遞的兩種不同傾向，本身并無(wú)優(yōu)劣之分，具有遺傳性的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA雖然更多地繼承了成功的父代產(chǎn)品，但過(guò)分地相似有時(shí)也有扼殺創(chuàng)新的可能。變異性的設(shè)計(jì)理念也具有兩面性，一種是失敗的應(yīng)該被放棄的設(shè)計(jì)，另一種是突破性的新設(shè)計(jì)。當(dāng)今，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境刺激下，大部分品牌公司都爭(zhēng)相嘗試變異性的產(chǎn)品族DNA設(shè)計(jì)，尋求在市場(chǎng)上獲得更多的突破，實(shí)際上無(wú)論遺傳性還是變異性的設(shè)計(jì)DNA，對(duì)企業(yè)都具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

3 產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的關(guān)鍵技術(shù)

產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA一般涉及以下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 產(chǎn)品與市場(chǎng)分析

對(duì)企業(yè)已生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行歸納分析，提取這些產(chǎn)品的共同功能、色彩、人機(jī)界面、造型、風(fēng)格特征，形成自身品牌的標(biāo)識(shí)性設(shè)計(jì)DNA。

對(duì)市場(chǎng)上大量同類產(chǎn)品進(jìn)行綜合分析歸納，提取產(chǎn)品共性特征并優(yōu)化重組，形成這一產(chǎn)品的功能性設(shè)計(jì)DNA。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品技術(shù)性生成過(guò)程的解構(gòu)，運(yùn)用DNA設(shè)計(jì)模型對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行推理求解，并提取求解結(jié)果的本質(zhì)特征，從而形成產(chǎn)品族的設(shè)計(jì)DNA。

3.2 產(chǎn)品族核心標(biāo)識(shí)性設(shè)計(jì)DNA的提取

產(chǎn)品族核心標(biāo)識(shí)性設(shè)計(jì)DNA的提取是產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的前提。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師需要從結(jié)構(gòu)與功能層面、造型與風(fēng)格層面等諸多方面對(duì)產(chǎn)品中的顯性和隱性特征進(jìn)行提煉和歸納，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心，這就是標(biāo)識(shí)性設(shè)計(jì)DNA。標(biāo)識(shí)性設(shè)計(jì)DNA在后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程中與外部需求因素進(jìn)行匹配或組合。

3.3 產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA遺傳與變異的建模技術(shù)

這一過(guò)程主要是對(duì)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA構(gòu)成元素的功能特征進(jìn)行綜合性的描述，整個(gè)過(guò)程在產(chǎn)品族DNA的遺傳和變異操作以及基因延續(xù)法則的相互交替作用下進(jìn)行。設(shè)計(jì)DNA遺傳與變異的建模是通過(guò)對(duì)所得到的DNA片段進(jìn)行優(yōu)化組合，完整排列產(chǎn)品族中子產(chǎn)品的全部數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)繼承關(guān)系，包括疊合、交叉、破分等，因此這一模型所包含的產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息非常完整，市場(chǎng)需求、信息設(shè)計(jì)構(gòu)思、產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析、制造方法和質(zhì)量控制準(zhǔn)則等各方面信息均由描述性信息所涵蓋，這些信息還具有動(dòng)態(tài)性和相關(guān)領(lǐng)域的深層知識(shí)。同時(shí)，為更有效地描述這些信息，還應(yīng)支持產(chǎn)品語(yǔ)義描述和CAD模型的融合機(jī)制，并對(duì)信息提供全程交互式修改以及系統(tǒng)操作過(guò)程提示等。

3.4 產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA推理求解技術(shù)

從根本上說(shuō)，設(shè)計(jì)問題無(wú)法用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行完整表達(dá)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)本身是一種尋求多種途徑求解的過(guò)程，所需要的思維方式是多維度、多樣化的。同時(shí)，思維過(guò)程中涉及到的設(shè)計(jì)知識(shí)也很難有一個(gè)確定的邊界，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)的約束性質(zhì)、約束層次和強(qiáng)度都有很大的變動(dòng)，由此產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的推理求解技術(shù)也呈現(xiàn)多樣化。例如，基于實(shí)例的推理求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等，最終的目的是在產(chǎn)品族原有DNA的基礎(chǔ)上，繁殖新一代的子產(chǎn)品。

3.5 支持產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的知識(shí)庫(kù)技術(shù)

支持產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的知識(shí)庫(kù)是一種數(shù)據(jù)和信息的集合，對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)的分類獲取、知識(shí)表示以及設(shè)計(jì)知識(shí)重用多種操作予以支持。同時(shí)它也負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)隱性知識(shí)向顯性知識(shí)的轉(zhuǎn)化，最大限度地整合設(shè)計(jì)信息資源。支持產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的知識(shí)庫(kù)包含宏觀與微觀信息，其中市場(chǎng)需求信息、技術(shù)發(fā)展前景、企業(yè)規(guī)劃等信息屬于知識(shí)庫(kù)中的宏觀信息；產(chǎn)品中的人機(jī)工程數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)風(fēng)格、功能與結(jié)構(gòu)分布等屬于微觀信息。宏觀信息影響著產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)劃，微觀信息直接影響著產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的研發(fā)方向。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文以某客戶要求的一款多用途拼插收納盒的設(shè)計(jì)為例，按照上文提出的設(shè)計(jì)方法對(duì)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA進(jìn)行分析、提取，并進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證?？蛻魧?duì)收納盒的具體要求是：①收納盒由眾多模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊既可獨(dú)立完成收納功能，也可以拼接在一起形成具有區(qū)域分割的大盒；②拼接、拆卸方便，符合人機(jī)工程學(xué)要求；③造型簡(jiǎn)潔，富有設(shè)計(jì)感和趣味性。從以上要求可以看出，收納盒中的眾多小模塊功能獨(dú)立、造型相似且具有高度的相關(guān)性，符合產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的特征。

4.1 產(chǎn)品族相關(guān)產(chǎn)品分析

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，從市場(chǎng)選擇了有代表性的各類品牌收納盒，對(duì)其使用特點(diǎn)、審美特征、材質(zhì)特征、價(jià)位檔次等方面進(jìn)行比較。表1為各類品牌收納盒的風(fēng)格及優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表1 各類品牌收納盒的風(fēng)格及優(yōu)缺點(diǎn)比較

4.2 產(chǎn)品功能分析

針對(duì)客戶需求，對(duì)收納盒的功能作進(jìn)一步分析。使用功能層面主要體現(xiàn)為技術(shù)指標(biāo)與功能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，審美功能層面主要分為造型與色彩的設(shè)計(jì)。考慮到收納盒屬于小型學(xué)習(xí)或辦公用品，因此造型設(shè)計(jì)講究?jī)?nèi)部空間分隔的針對(duì)性與合理性，外部造型則要求精美與別致，色彩設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)色調(diào)的統(tǒng)一與多樣性。具體產(chǎn)品功能分析如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品功能分析圖

4.3 產(chǎn)品族DNA的提取與建構(gòu)

以七巧板的七個(gè)塊面作為收納盒產(chǎn)品族的DNA序列，分別對(duì)其進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)并繪制草圖。七個(gè)板塊的幾何形屬于產(chǎn)品族的DNA遺傳部分，它們的高低層次、色彩等屬于產(chǎn)品族的DNA變異部分。對(duì)產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)要考慮各部分之間拼插的榫卯接口的樣式，故本設(shè)計(jì)采用現(xiàn)代“工”字榫與傳統(tǒng)直榫相組合的榫卯接口方式，使得板塊與板塊之間的拼插既方便又多樣化，同時(shí)也對(duì)拼插后板塊的各種移動(dòng)方向都有很好的限制。收納盒榫卯接口設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)草圖如圖2所示。

圖2 收納盒榫卯接口設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)草圖

4.4 產(chǎn)品族DNA構(gòu)件的組合、拼接與尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品族的每個(gè)DNA構(gòu)件設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化，并對(duì)產(chǎn)品尺寸作符合人機(jī)工程學(xué)的確定。產(chǎn)品族形態(tài)匹配分析如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品族形態(tài)匹配分析

由圖3可知，板塊1與板塊4，板塊4與板塊6在設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸上以遺傳性為主，因此可分別作為產(chǎn)品序列1，2。同時(shí)，板塊7是板塊4與6的組合延伸形態(tài)，因此在結(jié)構(gòu)尺寸上板塊7也被納入4與6的DNA延伸產(chǎn)品尺寸之中。板塊3與板塊5呈現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸變異性，被列入產(chǎn)品序列3。產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)與尺寸如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)與尺寸

4.5 完成收納盒產(chǎn)品族設(shè)計(jì)

最終完成的收納盒產(chǎn)品族中的系列產(chǎn)品可以自由拆裝、單獨(dú)或組合使用，并根據(jù)客戶的喜好和辦公桌的位置提供多種色彩的拼裝樣式，具有使用的便利性、靈活性和趣味性。產(chǎn)品族效果圖如圖5所示。

圖5 收納盒產(chǎn)品族效果圖

5 結(jié)論

本文從產(chǎn)品設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)基于形態(tài)的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的概念、設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，對(duì)產(chǎn)品與市場(chǎng)、產(chǎn)品族核心標(biāo)識(shí)性設(shè)計(jì)DNA的提取、產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA遺傳與變異的建模技術(shù)、產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA推理求解技術(shù)、支持產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的知識(shí)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行了分析，并以榫卯接口的收納盒設(shè)計(jì)為例，對(duì)產(chǎn)品族設(shè)計(jì)DNA的程序和方法進(jìn)行了驗(yàn)證。