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产品创新与概念设计技术研究现状及其发展方向摘要：概念设计作为产品设计的一个重要阶段，对产品设计的成功与否有着决定性的影响。在分析概念设计内涵和基本过程的基础上，从过程建模、信息表达、方案生成、方案选择和系统开发等五个方面提出了概念设计的关键技术，浅述了目前国内外概念设计技术研究现状，重点分析了概念设计中产品创新的五个方面。从深度和广度探讨了产品概念设计的发展方向，提出了未来研究的重点，以及相应的实现方法和技术。关键词：概念设计；产品创新；产品设计；创新设计引言现代社会由于经济和科技的高速发展,卖方市场向买方市场的转换,企业要具有竞争力就必须进行产品创新,产品创新的核心就在于构思创新产品的概念,所以产品的概念发展与产品的设计是产品创新中具有决定性作用的阶段。故而，概念设计被认为是设计过程中最重要、最关键、最具创造性的阶段。其重要性体现在以下两个方面：(1)概念设计阶段在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和速率等。有关资料显示,概念设计阶段实际投入的费用只占用产品开发总成品的5%,但它却决定了产品总成本的70%。(2)详细设计阶段很难甚至不能纠正概念设计阶段的设计缺陷和错误。基于此，从20世纪80年代中期起,人们逐渐开始重视产品概念设计问题,至今,已成为设计领域的研究热点之一。特别是近年来，随着计算机图形学、虚拟现实、敏捷设计、多媒体等技术的发展和CAD/CAM应用的深入，产品概念设计的研究也有了新的发展。1产品概念设计的内涵及过程从工程设计的研究角度，概念设计包括了产品的功能设计、原理设计、方案设计及初步的结构设计等内容。不少学者从工程设计学出发，提出了层次概念设计模型、工程设计概念模型、基于功率键图的概念设计等概念设计建模方法。从工业设计的研究角度，概念设计主要是指考虑功能、结构、人机工程以及制造等因素在内的产品外观形态的设计。因此，不少学者从产品设计方法学出发，提出了造型文法、色彩文法、形状文法等产品概念设计原理、原则与方法。另外，从技术的应用角度，有些学者从智能辅助的角度提出了基于多层推理机制的概念设计、概念设计专家系统等概念设计方法和机制；也有学者从虚拟现实的应用角度提出了基于虚拟界面的概念形状设计、基于并行工程的概念设计等等。概念设计从不同的角度有多种定义[1]。一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程。通常,概念设计输入功能要求输出结构方案,因此,它是一个由功能向结构的转换过程。从设计过程看,概念设计具有创新性、多样性和递归性的特点;从设计对象看,概念设计又具有层次性和残缺性的特点。其中,创新性是概念设计的本质和灵魂。图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指由设计要求推理而生成的多个方案,是个发散过程;评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。图1概念设计一般工作流程从设计流程看，面向产品创新的概念设计过程可分为如下五个过程（如图1）。1.1组件特征录入过程这个过程实质上是需求、功能、原理等信息的实体化过程，或称产品数据的可视化过程。其目的是形成产品的初始实体。整个录入过程以组件特征为单元逐步进行。具体过程为首先输入产品的总体信息，包括几何信息与语义信息等；其次录入产品的各个初始组件特征，包括总体特征、几何特征、工程特征、布局特征等信息，特征的录入非常灵活，若设计师无法确定某些要素，完全可以省略。同时录入过程有多种形式，可直接键入、从系统组件库中选择或加以组合；也可暂时不录入，在设计过程中再加以添加或进行组件特征分解。1.2产品创新设计过程这一过程是概念设计的核心过程，包括了以布局、形状和结构创新为主的全部概念创新过程。这一过程将提供一些常用的概念设计创新工具和产品方案的实时三维展示平台工具。设计师可根据自己经验和实际需求，选择不同的创新工具进行产品创新。整个创新过程是设计师与计算机的协作、交互过程。1.3方案评价过程每进行一步创新，系统都将记录当前历史，并进行分析和评价，同时将满足当前要求的方案显示出来，并由设计师进行进一步的评价。系统随之响应设计师的评价和修改指令，对当前的状态和方案进行修正。1.4产品方案展示过程设计师可对选定的单个或多个方案进行设计方案的展示，可以给展示方案添加真实感纹理、对产品组件进行进一步的精细化；可以添加各种模拟现实环境的场景；可以进行静态或动态的演示等等。1.5方案输出过程方案输出是概念设计的最后阶段。在这一过程，产品方案可以以多种方式进行输出；可以存储成标准的文件格式，从而直接传递给后续设计过程；或根据不同的需求形成不同的概念设计效果图和报告书等等。2产品概念设计的关键技术与研究现状实现概念设计所涉及的关键技术,除了一般工作流程包含的综合和评价过程外,还包括过程建模、信息表达和系统开发。2.1过程建模实现概念设计首先需要建立过程模型,以描述完成概念设计所需的工作步骤。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,多数概念设计过程模型都是基于以下两个基本框架扩展而来。(1)功能—结构功能—结构框架描述的是产品功能与结构所具有的直接对应关系,因此,这类模型的主要思想是直接寻求能实现对应功能的结构。它通常包括功能分解、功能结构映射和结构组合三个基本步骤,并将概念设计描述为功能和结构两个设计层次。(2)功能—行为—结构功能—行为—结构框架在功能层和结构层之间引入了行为层,用来描述完成功能所执行的动作,表明“结构如何实现功能”这一关系。这类模型描述的是功能与结构必须通过行为才能建立联系,将概念设计看作是从功能向行为再向结构映射的过程。这类模型更符合人类设计的思维习惯,有利于产品创新。2.2信息表达产品概念信息主要包括功能、行为、结构及其关系。功能主要描述产品完成的任务,行为描述实现功能所需的原理或执行的动作,结构则描述产品组成要素及其相互关系。(1)功能表达概念设计是由功能驱动的,对功能的表达主要有输入/输出转换和语言表达两种方式。语言表达能有效表达设计意图,缺点是不够精确,一些复合功能无法用标准的动词描述。(2)行为表达行为表达往往与功能联系在一起,主要有基于动作的表达和基于状态的表达两种方式。前者将行为表示为执行的动作,后者则表示为随时间的状态变化。(3)结构表达结构表达主要描述组成产品的元件之间的拓扑关系。在概念设计中,常用的结构表达方法包括图表达、矢量表达、特征表达等。图表达用图中的节点和弧描述产品元件及其拓扑关系,如Ｑｉａｎ用无向图表达产品结构,其中节点表示零件,弧表示零件间的相对位置关系。矢量表达方法,则将结构属性,如方向、位置等信息包含在输入输出的状态矢量中,通过输入输出转换,确定元件的位置关系,实现结构运算。特征表达将特征概念从详细设计进一步延伸到概念设计中,既实现了结构计算,也包含了功能信息。就比较而言,图表达直观、易于可视化,矢量表达更易于实现计算,特征表达则利于实现概念设计和后续详细设计的集成。(4)关系表达关系表达主要描述功能、行为、结构之间的映射关系。基于概念设计过程建模框架,映射关系主要包含功能—结构、功能—行为和行为—结构关系。这些映射关系通常采用两种表达方式。为了有效地表达产品概念信息,研究者采用了包括几何、语法、图、对象和知识模型的多种表达形式。这些表达形式各具特点,适合于表达不同的对象。23方案生成方案生成是指由设计生成的诸多方案,既是设计综合过程,也是概念设计的关键。概念设计方案生成方法可以分为系统化方法和智能化方法两类。其中系统化方法侧重于探求概念设计的机理,并提供形式化的设计方法,而智能化方法则通过引入智能推理技术求解方案集。（1）系统化方法系统化方法致力于寻找概念设计问题的结构化求解方法,目标是将基于经验的设计,转变为基于科学的设计,核心是结构化地表达设计过程。（2）智能化方法与系统化方法相比,智能化方法主要采用智能技术实现方案综合。智能化方法主要包括数据驱动和知识驱动两大类型。2.4方案选择方案选择要求从诸多方案中选出一个或几个最优方案,它决定了后续设计的方向。方案选择不只考虑功能因素,还需考虑制造性、可靠性、安全性等要求,以及其他经济性和社会性要求,这是一个典型的多准则决策问题。目前的方案选择方法可以分为多属性决策和多目标决策两类。2.5系统开发系统开发是实现计算机辅助概念设计的关键步骤。针对具体的应用,研究人员开发了大量原型系统，包括：EFDEX系统、Krilik和Ideal系统、DSSUA系统、FBSModeler、基于实例设计系统、A-designSyster、Schemebuilder系统、CSCCD系统。3产品创新与概念设计在概念设计阶段，产品各要素处于一种抽象、模糊的离散状态。这种状态既导致了设计的复杂性，同时也导致了产品的可塑性，给设计师提供了一个广阔的设计思维空间。而到设计后期或制造阶段，则要考虑到各种客观情形如产品的材料、工艺、成本等，从而大大约束了创意思维的发挥，使得产品的创新难以得到体现。因而概念设计阶段是产品创新最为集中的一个阶段。概念设计中的产品创新可以归结为功能、原理、布局、形状以及结构等五个方面的创新。3.1功能创新功能创新主要依赖于市场需求的分析结果。在传统的设计过程中，主要靠人工来完成。随着信息技术的进一步发展，特别是数据库、信息管理、人工智能等技术的深入应用，最终必将使计算机在辅助产品功能创新中发挥其巨大的作用。3.2原理创新原理创新一般是从产品的功能要求出发，通过技术分析，寻求产品创新的过程。这种方法主要是把复杂的设计要求通过功能关系的分析抽象为简单的模式，以便寻求能满足设计对象主要功能关系的原理方案。传统上，常用简图或示意图来表示所构思的内容。而计算机辅助的原理创新工具则有形态学、协同学的求解工具以及基于原型、事例等的联想类比求解工具等。这些工具的实现很大程度上依赖于网络化设计、协同化设计以及智能设计等领域的进展程度。3.3布局创新布局创新主要是指对整个产品按功能进行分解或组合，从而划分为若干个组件单元，然后通过产品布局的空间排列、配置方式和尺度变化等三要素的变化来实现产品创新的过程。由于布局三要素可用数学表达方法进行形式化描述，因而完全可以通过在内部建立的数学模型的支持下实现计算机辅助的产品布局创新工具。3.4形状创新形状创新主要是指对经过原理方案实体化后的初始产品形状，在遵循基本的形状法则的基础上，通过形状变换操作而实现产品创新的过程。其中变换操作包括了变异、置换、替代、组合等等，对象则包括产品整体、部件或部件组合。形状创新的操作机制与传统特征模型中的特征操作以及变量模型中的变量操作存在着一定的相似性。3.5结构创新概念设计过程的结构创新主要是指概念设计后期对方案进行初步结构化过程中的产品创新过程。这一过程从产品结构的角度出发，对构成产品的各个部件进行初步结构化，以达到与后续设计的衔接，同时力示在结构上的创新性。因为在详细设计中的结构设计过程，由于受到各种约束，产品结构上的创新已难以体现。其中，以功能创新和原理创新为主的产品设计往往是创造性设计，而以布局创新、形状创新和结构创新为主的产品设计主要是变型性设计。它们虽存在一定的相互独立性，但在实际的概念设计过程中往往相互影响，相互制约。4未来研究方向和重点概念设计作为产品设计的最重要阶段,正逐渐向智能化、数字化、集成化和网络化方向发展,其研究内容也在深度和广度上不断扩展,研究重点将集中在适应这一发展的相关技术上。概念设计的智能性要求概念设计研究不能仅仅停留在其实现方法和技术上,还必须深入研究概念设计的内在规律,尤其是其思维和认知规律,以开发更好的、符合其规律的方法和技术。概念设计的研究内容在广度上也不断拓展。在设计对象上,将由不太复杂的领域产品转向复杂产品;从设计过程看,将更多地考虑后续装配、制造等过程,以实现设计并行;就实现技术而言,将更多地包含数字技术和网络技术,实现概念设计的数字化和网络化。未来概念设计的研究重点主要包括以下几方面:（1）概念设计行为机理研究概念设计的外在行为表现,有助于揭示概念设计的内在本质,尤其是它的非逻辑性和创新性的本质特征,并