廖璘志，陈 琪，伍倪燕

（宜宾职业技术学院 制造系，四川 宜宾 644003）

0 引言

随着科技和经济的迅速发展，产品创新设计方法研究越来越受到人们的重视，国内外出现了许多研究成果。由于设计是“人”（设计者/用户）与“物”（产品）经过交互最终实现被期望产品的过程，依据人与物这两个方面的侧重点不同，可将已有的创新设计方法研究分为面向“人”的研究和面向“物”的研究两个方面。面向“人”的创新设计方法研究主要以设计者为中心探索设计行为和规律，包括基于思维的研究，即关注于如何运用创造性思维，强调从不同的角度考虑问题，如头脑风暴法[1]和水平思维法[2]；基于行为的研究，即研究设计者行为、设计活动和设计者思维之间的关系，如草图设计研究[3]和手势设计研究[4]；基于过程的研究，即探讨设计者解决设计问题并产生创新方案的基本过程，如Pahl & Beitz 提出的明确任务、概念设计、技术设计和施工设计的四阶段设计过程[5]。面向 “物” 的创新设计方法研究主要以产品为中心研究创新设计方案的生成，包括基于产品建模的研究，即致力于寻找概念设计结构化求解方法，如公理设计（Axiomatic Design，AD）[6]和功能-行为-结构模型（Function-BEHAVIOR-Structure, FBS）[7]；基于知识的研究，即探讨领域知识的表示、组织、获取和使用等，如专家系统、类比推理、实例推理[8]等；基于决策的研究，即在一定的问题空间中寻找合适的设计解的优化设计，如遗传算法、神经网络、模糊推理、Agent 推理技术等[9，10]；基于工程技术发展规律的研究，这类研究认为，技术创新存在解决问题的一半规律，这些规律可以告诉人们按照什么样的方法和过程去进行创新并对结果具有预测性和控制性，其中最著名的研究是发明问题解决理论-TRIZ[11]。

1 机械产品概念设计行为机理研究

机械产品创新的核心在于构思产品的创新概念。产品概念设计决定性地影响后续的产品详细设计、产品生产开发、产品市场开发以及企业经营战略目标的实现。一旦概念设计被确定，产品设计的60%～70%也就确定了。因而，产品概念设计成为设计过程中最重要、最复杂，最不确定的设计阶段。机械产品概念设计是一个创造性问题求解过程，其主要特征是初始状态定义不良。只有弄清楚设计者在创新设计过程中到底是如何进行认知操作的，才能更好的理解创新设计过程，并为该过程建立有效的支持工具。因此，通过结合工程领域的概念设计过程与认知心理学领域的创造性过程，建立面向产品创新的概念设计认知过程模型，该模型的主要作用在于揭示创新设计过程本质，确定影响设计结果的设计资源和设计行为，帮助设计者更好的使用来自于设计领域及认知领域的的创造性工具、方法及技术。

以认知科学为基础，机械产品创新设计为对象，实现人机智能协同设计为目的，研究机械产品概念设计行为机理。首先分析影响创新设计的关键因素，并对这些因素进行归类分析，确定可以通过外部资源得以促进的可控因素；其次，对创造性概念设计过程中的关键认知行为、信息传递、信息操作及认知回路进行分析，并基于此建立有利于创新实现的一般设计过程，为建立计算机辅助设计系统的概念平台奠定基础。图1 为机械产品概念设计认知机理的研究方案。

图1 机械产品概念设计认知机理的研究方案

2 人机智能协同的内在机理研究

图2 人机智能协同内在机理的研究方案

图2 为人机智能协同内在机理的研究方案。利用计算机技术、信息技术及智能技术实现概念设计行为机理研究结果的具体方法，从而建立人机智能协同的模式。首先，根据信息加工理论，分析从刺激的选择和注意，到对刺激意义的理解，工作记忆对信息的存储并进行加工处理，长时记忆的形成和使用，对创新设计的影响，确定人机智能协同应遵循的原则；其次，为影响创新设计的可控因素寻找利用机器智能实现的方法；最后，研究利用计算机技术实现创新认知规律的方法。

3 机械产品概念设计的创新策略研究

3.1 新设计的创新求解策略

新设计指按照一个系统（装置、设备、机器或部件）任务书的要求，制定一个新的解的原理，因此本研究基于已有的FBIE/e 模型、B-FES/e 模型及FEBS/e 模型的优势与特点，拟采取FMSEE 功能求解方法作为求解策略。FSMEE 功能求解方法的主要任务是对产品需求功能满意结构解的寻找，它是整个新产品创新设计过程的核心。它主要由四个部分组成： ①FSMEE 模型的推理映射过程。其任务是基于一定产品信息表达的设计特征：功能（F）、行为（B）、结构（S）和环境（E），借助设计特征间的多种映射关系及其内在进化逻辑，最终找到适应设计约束条件的需求功能结构解；②设计过程的信息表达。产品设计特征及设计过程总是以某种信息形式体现，设计信息的表达方法将影响设计过程的创新层次和设计效率，本研究以层次树结构形式来表达设计过程信息，多设计粒度使推理过程更加高效；③设计特征映射推理策略。设计特征的推理过程必须按照遵循一定的推理规则，其中包括推理的约束规则及推理策略规则，如设计约束、基本特征映射关系和映射关系进化逻辑；④设计特征资源。主要由不同设计粒度下的设计特征元构成，如功能元、行为元及结构元。这些设计特征元是推理过程的前提和对象，同时也是功能求解过程表达的具体表现形式。

3.2 适应性设计的创新求解策略

适应性设计是使一个已有的系统在保持解的原理不变的情况下，适应有改变的任务书，以克服原有系统明显的局限性，此时通常须对个别部件或零件做新设计，因此本研究拟采取发明问题解决理论作为求解策略。发明问题解决理论是一种建立在技术系统进化规律基础上的问题解决系统，由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的综合体系，其主要内容包括： 技术系统进化法则、40 个发明创造原理、39 个标准工程参数、冲突矩阵、物质—场分析、76 个发明问题标准解决方法、发明问题解决算法（ARIZ）以及工程效应知识库等。将发明问题解决理论应用于适应性设计的研究方案为：①明确设计任务，并确定创新设计对象（产品类型），利用物质场模型分析已有产品内部的功能/组件关系，建立产品不同层级的系统组件之间基于功能原理的联系，从而分析出产品系统组件之间是否存在有害作用或者不完善的功能，进而确定创新求解区域；②利用创新机遇确定模式，对创新求解区域中各功能层进行进化潜力分析，确定仍具有进化潜力的功能单元，从而确定潜在的用户需求；③对具有进化潜力的功能单元进行进化设计，并根据设计问题类型，如技术冲突、标准问题及问题功能选择相应的求解模式，获得一般解决方案；④从TRIZ 一般解决方案到创新设计方案的转化需要设计人员运用类比思维及自身的领域知识和经验。

3.3 变型设计的创新求解策略

变型设计是在预先选定的系统范围内做尺寸或布置方式的变型，功能和解的原理保持不变，本研究拟采取进化驱动型产品设计方法进行求解。通过变型设计获得的产品类似于生物个体，它们同样具有决定自我结构、特性和功能的 “遗传信息”，并且在一代代的产品间传递和进化着。虽然产品没有与生物个体一样的物理基因，也不可能实现自我构造，但是设计人员可以通过对产品信息的分析，获得与生物基因具有相似功能的产品基因，进而得到表达一个特定产品的全部基因信息的产品基因组。这些组成产品基因组的信息为设计人员构造产品提供了根本依据。与生物基因中碱基A、T、G 和C 构成的有序碱基对反映生物遗传信息类似，进行驱动型产品基因中变量及其构成的组件反映了产品结构遗传信息，改变它们可以获得新的产品，即进化驱动型产品基因由组件和变量构成，它们不仅蕴含了待进化产品的部件、结构、特征等，还蕴含了大量的变量间关系。产品基因反映的结构遗传信息表现出的信息作用机制是： 通过系统化的改变产品基因的组件和变量，即改变结构遗传信息，可使设计者获得新的产品结构，并发现新的使用功能。

4 计算机辅助机械产品创新设计原型系统研究

图3 计算机辅助机械产品创新设计原型系统研究方案

图3 是本研究拟采用的研究方案。计算机辅助机械产品创新设计系统是认知科学、信息技术、设计理论与方法的会聚平台，也是创新设计的工作平台。该系统主要由知识库系统、信息检索系统、概念设计空间及创造性思维方法等部分构成，其关键作用是在产品的概念设计阶段、方案设计阶段为设计者提供有用的工具，并实现与设计者之间的智能交互，从而提高设计者的创新设计能力。在本研究方案中，原型系统的逻辑体系结构共分为三层： 界面层、应用程序服务器层、资源层。

5 结束语

概念设计是产品设计过程中最富有创造性的阶段，产品概念设计的质量和效率决定了产品的性能、质量和市场竞争力，人机协同的研究不以追求全自动化为目标，而代之以人机分工与合作的最佳化，其目的是为了开发实用的、支持设计人员进行产品创新的概念设计系统，从而提高我国企业的产品自主创新能力和快速产品开发能力。

笔者在研究了概念设计的创新特点和创新层次的基础上，提出了概念设计认知机理方案、人机智能协同内在机理方案、概念设计创新策略方案、计算机辅助机械产品创新设计原型系统研究方案，对创新概念设计的研究具有一定的推动作用。

[1] Rich J. Brain Storm, Tap Into Your Creativity to Generate Awesome Ideas and Remarkable Results[M].Franklin Lakes:Career Press,2003.

[2] Bono E. Serious Creativity: Using the Power of Lateral Thinking to Create New Ideas[M]. London: HarperCollins Publishers，1992.

[3] Tovey M, Porter S. Sketching, concept development and automotive design[J].Design Studies，2003，2.

[4] Zel Eznik R, Hemdon K, Hushes J. SKETCH: an interface for sketching 3D scenes [C]//Proceedings of SIG-GRAPH’96, Annual Conference Series on Computer Graphics. San Francisco, Cal., USA:ACM Press，1996.

[5] Pahl G, Beitz W. Engineering design: a systematic process (2nd edition) [M]. London: Springier，1994.

[6] Suh N P. Axiomatic Design－Advances and Applications [M]. Oxford:University Press，2001.

[7] Vermass P E, Dorst K. On the Conceptual Framework of John Gero’s FBS-Model and the prescriptive.

[8]Slade S.Case-based Reasoning:A Reasearch Paradigm [J]. AI Magazine，1991，1.

[9] Sun J, Kalenchuk D K. Design candidate identification using neural network-based fuzzy reasoning[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2000，5.

[10]Holland J H.Adaptation in natural and artificial system[M].Ann Arbor, MI: University of Michigan Press, 1975.

[11] Altshuller G. The Innovation Algorithm, TRIZ, Systematic Innovation and Technical Creativity[M].Translated by Lev Shulyak and Steven Rodman, Worcester, MA: Technical Innovation Center Inc., 2000.