基于多级创新的概念设计过程模型

基于多级创新的概念设计过程模型*李文强，李彦，熊艳（四川大学制造科学与工程学院成都610065）Emil:[e-mail]摘要：针对现有产品设计方法和设计系统往往立足于设计过程部分阶段创新的不足，本文以产品公理化设计内在规律为依据，在双次菱形创新思维模型的指导下，提出了一种基于多级整体创新的概念设计过程模型。利用功能元和功能载体元描述设计产品信息，借助可拓冲突解决工具，将产品设计过程定义为包含五种设计状态，四步映射的一个整体系统。用数学语言描述了该模型完整的逻辑过程，并通过紧急切断阀为例论述了具体设计过程，为揭示概念设计过程的本质与具体设计过程的探索进行了积极实践。关键词：概念设计多级创新过程映射可拓理论数学模型中图法分类号：TG156文献标识码：A引言产品概念设计过程是在全面考虑各种设计约束条件下,在实现原理和载体层次上对设计目标的刻画过程。它是产品设计中昀重要的阶段，不但决定着产品创新来源，还制约着整个设计过程70％的成本和难以纠正的设计缺陷[1]。在“以问题为中心”和“以产品为中心”[2，3]的设计策略下，近年来，设计人员提出了不少概念设计模型[4，5]和计算机辅助概念设计系统[6，7]。但它们大都集中在对概念设计具体实现方法的研究上，对设计过程中整体设计创新策略的讨论较少，并且由于对所提模型缺乏完善的数学模型支持，也限制了模型在微观层上对创新过程的表达。面对这一问题，本文以产品公理化设计内在驱动规律为依据，借助层次化产品描述方法，提出并描述了一个基于多级创新的概念设计过程模型。讨论了该模型各阶段的创新策略，并利用严密的数学语言描述了该模型的设计过程框架。为概念设计理论和实践进行了积极有效的探索，为具体概念设计系统的开发奠定了基础。1多级创新概念设计过程1.1多级创新设计过程模型概念设计的目的是实现产品的功能需求，而功能设计的核心是创新。所以，如何有效地支持产品创新设计就成为了概念设计模型优先考虑的问题。公理化设计(axiomaticdesign)模型【8】将设计过程描述为用户域、功能域、物理域和过程域间的“之”字映射过程，从整体上为产品设计过程展示了完整的设计范式和一般规律。其不足是对设计中的创新过程缺少具体的应对策略。系统化设计(Function-Structure)模型[9]则将设计过程分解为建立功能结构，寻求功能载体解和组合载体解的具体过程。并通过行为空间的拓展，为概念设计过程提供了行之有效的创新手段。它的不足是因过多关注设计过程中的冲突解决策略而忽略了对设计过程的整体表现能力。鉴于两种设计模型的特点，本文将描述整体的公理化设计模型和行之有效的FBS模型相结合，利用可拓理论[10]中的各种拓展方法，提出了一种基于多级创新的概念设计过程模型。将整个产品设计过程定义为需求域、原理解域、载体域、拓展域和方案域间的多级映射过程，并在不同阶段，采用多种创新策略，使整个概念设计的创新过程在各映射域间依次逐级实现，如图1。基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20050610033)作者简介：李文强:男，1976年生，四川大学制造科学与工程学院博士研究生,主要研究方向：产品概念设计。1多级映射中的创新策略创新设计是借助创新思维策略在常规设计基础上实现的。创新思维策略通常有三种方式：转换已有概念空间、探索新的概念空间和组合熟悉概念空间，它们需要通过不同概念空间集合间的映射过程来实现。本文通过将概念设计过程定义为包含四步映射过程的一个整体系统，使设计信息在不同的设计特征域间进行转换，为创新思维的实现提供了广阔空间。具体设计特征域间映射过程如下：1)用户需求域到原理解域的映射：这个映射是利用功能匹配方法，在原理解功能库中搜索实现用户主要需求功能的昀初原理解。尝试以多种知识途径解决用户需求功能，扩展已有概念解空间，这一映射过程决定着设计方案解的多样性和创造性。2)原理解域到载体域的映射：以行为要素为信息桥梁，对搜索到的昀初原理解建立功能模型并实现对应载体解。通过设计要求对所建模型进行评价，确定该原理解设计系统中的局部功能冲突和功能载体冲突，完成概念冲突空间的转换，为概念设计创新空间的进一步拓展开辟道路。3)载体域到拓展域的映射：对具体原理解设计系统中的所有冲突，利用可拓理论的各种拓展机制，昀终消除全部冲突，从局部上对设计过程进行拓展和创新。4)拓展域到方案域的映射：通过对各满意载体解进行组合算法，在基于昀少设计信息和昀短求解路线的评价策略下，确定出一条昀佳的方案求解路线，并通过重组满足载体解昀终实现方案解空间，为各种创新策略的实现提供归宿。1.3概念设计过程描述产品概念设计过程模型可以描述为：根据一定的思维规则和设计理论，借助某种语言作为设计过程表达载体，逻辑性地描述出从用户需求到方案生成的内在形式，演绎出设计本质规律的过程[11]。对这一设计过程的描述方法主要有语义方法和非语义方法，语义表述有文字、语言，如任务详单，它们具有抽象、系统的优点；非语义表述有框图、实体，如流程图，它们的特点是形象、直观。数学模型兼有两者特点，它通过严密的符号和逻辑将抽象的语义信息简洁化，同时又将非语义的过程框架包含在符号系统的关系体中，使设计过程得以清晰、准确的表述。另外，借助计算机对概念设计过程进行辅助管理，也需借助数学模型优良的沟通品质，将人的设计思维过程转化到计算机系统中，为计算机语言的具体开发开辟道路。所以，建立结构良好的设计过程数学模型，对深刻认识概念设计本质及其具体应用都具有重要指导意义。下面以数学形式对多策略创新概念设计过程加以进行描述。2基于多级创新过程的数学表示产品设计过程是用户需求向满意方案解的转化过程。设CR表示设计的需求集,表示产品功能集，S表示功能载体集，将FcR通过作用上，转化出满足设计需求的设计方案集FSX:(1)F)(cUSRX=2这就是设计的本质过程。但这个转化的具体过程是很复杂的，本文将它定义为包含五个设计阶段、四步映射过程的一个整体系统。相应的映射过程可描述为：第一步：RK：或：(2)Θ→FRc)(RcRKF=Θ这是一个发散的映射过程，通过在科学原理解库中搜索能够实现产品主要需求功能的所有途径，从而探索新颖的概念方案解，其中RK表示需求知识，表示原理解集。ΘF第二步：FK：或：(3)∨Θ→SF)(FΘ∨=FKS这是一个收敛映射过程，通过对原理解进行具体设计并与设计约束进行对比，定位出需进一步拓展的冲突功能和相应的冲突功能载体，其中ΘF∨F∨SFK表示设计功能需求知识。第三步：TK：或：(4)∧∨→SS)(T∨∧=SKS这是一个发散映射过程，它是在设计需求的约束下，借助各种可拓变换，将各冲突功能载体转变为满意功能载体解，其中TK表示拓展知识，表示满意功能载体解集。∧S第四步：VK：或：(5)XS→∧Θ≥=∧)(VSKX这是一个收敛映射过程，其实质是一个组合评价过程，它是在上一发散变换阶段的基础上，将评价算子VK作用在上的赋值过程，为预先确定的判断熵值。∧SΘ由以上映射过程不难看出，这种设计模型由两次发散思维和两次收敛思维交叠完成，如图2。其中第一二级创新是第一次发散收敛过程，主要是从整体上对设计产品进行原理创新。第三四级创新是第二次发散收敛过程，其目的是从局部上对设计产品进行更深层次创新。这样的设计过程不仅能够避免设计解空间的过早收敛，确保分散的科学原理解能较好支持产品设计的创新空间，同时还可以有效降低设计方案重组过程中组合爆炸现象的出现。图2双次发散收敛思维图3多级创新设计过程的主要问题任何概念设计模型都包含产品信息表达和产品功能求解两个关键技术。而它们都受用户需求模型的约束。所以，下面从用户需求建立、产品信息表达和设计方案生成三方面对本文的设计模型进行描述。3用户设计需求建立概念设计的起点是用户需求，因此对用户需求的建立对产品整个设计过程是至关重要的。功能作为一种对客观存在对象本质需求的概念化描述方法，非常适合对产品设计需求的表达，本文采用功能形式来建立用户的需求。基于不同的设计经验、设计习惯和设计观念，不同的设计人员对用户需求具有不同的理解。因此，需对用户需求进行抽象，略去个性和偶然性，力求突出普遍适用和本质的东西，使用户需求进入设计知识空间。用设计需求功能来表达用户需求的本质可以昀大程度的把握用户需求的核心，本文用来表示，它通过对用户需求的规范化转换得到。(8)+)(cR)()(ccRRℜ+＝其中是规范化算子，本文借鉴了Kirschman等ℜ[12]关于基于功能的分类学方法，对不同的物件和运动状态采用运动功能(Motionfunction)、控制功能(Controlfunction)、能量功能(Powerfunction)、关联功能(Enclosuresfunction)四类基本功能集。每类基本功能集都按照“功能操作方式+功能操作对象”模式来表达，并以“动词+名词”构成句子，如“传递机械能”“分离杂质”等。),,,,(SFEFPFCFMF＝ℜ；；……(9)),(MFNMFVMF＝),(CFNCFVCF＝其中：、分别表示运动功能对应的功能操作和功能操作对象。同理，也具有各自的基本功能集。这样，通过基本功能集完成了产品用户设计需求的建立，从而实现由用户知识空间到设计知识空间的转换。用户第i个需求可以唯一表示为一组功能集形式，如：MFVMFNSFEFPFCF,,,)(),,,,()(maxkkSFEFPFCFMFRikikikikikci≤∩+＝，(max,...,2,1kk=)(10)∑=++micicRR1)()(＝，()(11)ni,...2,1=其中，表示昀大功能粒度，表示用户需求个数。maxkn3.2产品概念信息表达模型概念设计需要一种完备并有利于创新的产品表达模型来描述整个设计过程。上述设计需求建立过程表达了整个产品设计将是一个逐步完善，逐步深入的层次化过程。为适应这一特点，本文提出功能元和载体元，借鉴A.Csabai的层次化的树状结构[13]来表达设计过程中的产品信息。设为产品功能的层次信息模型，可将其表示为:F设：{}{mjn,...2,1,,...,2,1ki,j)k,F(i,F===；}mjjk,....2,1)k,i,(FFi==(12)式中表示功能树的基本功能元，i为子功能序数，为分解层数,),,(jkiFkj为子功能i中的序号。为功能树中的第个子功能在层的所有结点。如图3。kiFik图3产品功能树的树状结构4类似式(12)，可以用功能载体树模型来表达产品设计结构信息:{}{mjn,...2,1,,...,2,1ki,j)k,S(i,S===；}mjjk,....2,1)k,i,(Si==S(13)完成了产品功能和功能载体层次信息的表示，概念设计的各个过程即可用层次性的功能元和功能载体元进行具体描述。3.3设计方案解的生成3.3.1功能原理解的搜索映射这是产品整个创新设计过程的第一次映射，其目的是在产品本质需求层上对设计方法进行原理创新。产品功能设计常常是不同学科之间交叉、综合的结果。拥有实现某种功能的知识资源越多，越有可能提供新颖的原理解。但如何有效组织和搜索这些资源将成为获得功能原理解的关键。本文根据实现功能的不同，将相同功能原理解集进行归类，并用动名词形式加以表示。动词V表示实现功能的操作，名词N表示实现功能操作的对象，并借助功能结构树将各种原理解分类存储。要实现对原理解的搜索，本文用表示两功能关联程度的关联函数),,(),()(000XXxDXxxρσ=[10]来实现。为了便于理解，我们采用可拓语义物元匹配图来表达这一搜索原理，将原理解的搜索问题转变为可拓语义物元的匹配问题，如图4。整个语义图可用组表示，其中：],,,,['KFRMcσσΘ=cR为需实现的功能，为实现该功能的原理解；ΘFσ为的功能动词之间的关联度，为功能名词之间的关