基于问题方案共进模型的设计知识获取方法

刘 征 鲁 娜

1.中国美术学院，杭州，310024 2.浙江财经学院，杭州，310028

基于问题方案共进模型的设计知识获取方法

刘 征1鲁 娜2

1.中国美术学院，杭州，310024 2.浙江财经学院，杭州，310028

为获取工业设计领域设计过程中的动态知识，提出一种基于问题方案共进模型转化信息的方法。通过讨论工业设计知识基本概念，指出了该领域存在大量隐性知识和创新知识空间不断扩张的特征。面向概念设计案例，通过口语报告采集过程信息。通过识别知识源，基于已有概念体系定义高价值信息。面向不良定义的设计问题，通过划分问题空间和方案空间，形成了用于描述创新过程的问题方案共进模型，并构建设计要求与方案本体的基本框架。利用该模型划定设计过程中的重要节点，面向节点调用本体，并标示本体之间的关系，进而捕捉工业设计知识，采用框架层级结构输出。最后，通过应用知识获取管理系统，以闪存U盘的设计知识获取、转化为例，验证了该方法的正确性。

工业设计；设计要求；草图；本体

0 引言

工业设计是知识密集型活动：一方面，新产品开发需要大量信息资源，以支持设计方案的生成和完善；另一方面，概念设计过程中会产生多种多样的知识，从而推进设计理论的演化。因此，面向过程的设计知识获取成为知识资源管理的重要内容之一，它既是知识更新、发现的必要环节，又是概念设计质量提升的有效途径。

在工业设计领域，知识的获取、转化、表达已经受到了学者的广泛关注。已有研究建立了集成化知识平台，用于整合用户与设计师的相关知识，辅助设计师进行协同设计［1］。还有研究提出了基于群体文化学的方法，研究用户和设计师的隐性知识表达，推动以用户为中心的设计［2］。此外，还有学者提出了基于知识的工业设计辅助系统，通过对设计师进行口语分析，了解设计思维程序，构建数控机床的设计知识表达和应用模块［3］。还有学者提出了利用工业设计情境求解问题的方法，通过定义问题情景，求解过程情景、方案情景，基于案例产生方案［4］。然而，以往研究存在两个方面的不足：①仅从感性工学的研究方法出发，局限于用户及设计师对产品外观反馈进行探索，知识范围有待扩展；②设计创新过程的认识仍需进一步深入，对设计创新的底层机制缺乏细致描述，捕捉方法有待完善。

本文通过探讨工业设计知识的内涵，指出该领域的知识特征，提出包括信息采集、知识识别和转化的获取原则。基于问题方案共进模型，对创新过程进行划分，通过构建设计要求与方案本体，捕捉动态设计知识。

1 工业设计知识特征

（1）工业设计知识中存在大量的隐性知识有待转化。面临特殊设计问题时，设计师虽然可以根据情景作出反应，利用以往的经验和技巧，迅速地进行识别、转化，然而过程中采用的知识却很难定义。这是由于直觉性决策活动是设计过程的主导［5］。设计创新时，隐性知识具有内在性、模糊性和偶然性的特点，难以被明确描述并进行重用。因此，隐性知识有待从机制上入手进行挖掘。

（2）设计知识空间不断扩张。创新是设计的生命力所在。由于设计思维的差异，新技术与新风尚不断地涌现，设计创新的内容总是发生着广泛而深刻的变化。设计知识空间也随之突破原有局限，向未知领域扩张，因此，有必要应用知识管理系统对创新活动的经验和知识进行捕捉，扩充知识资源。

2 工业设计知识的获取

2.1 设计信息的采集

从信息中提取知识，是向设计规则、方法以及系统理论转化的前提。本文的信息来源取材于面向过程的设计案例，即设计任务过程中集合的各种信息，包含问题初始状态、问题目标状态和求解策略［6］。完整的案例是存储显性和隐性设计知识的有效机制。本文采取草案分析，又称口语报告方法［7］，获取反映设计师思维的言语数据。

2.2 知识源的识别

案例包含的信息众多，不是所有的信息都具有获取价值。通过对设计知识作用结果进行初步判断，能够识别是否存在有效用价值的知识。主要包括以下两种方法：

（1）通过比较最终方案与预想结果来判别知识源。新知识如果对设计活动发生了作用，会导致最初预想结果和最终产生的方案存在差异，由此可以判断知识源的存在。

定义：设计知识Kx产生方案S，S′为预设结果范围，Kn为新设计知识，则有

（2）通过比较相同设计问题产生的方案来判别知识源。针对同一个设计问题，由于设定了不同的目标和解决方法，常生成不同的方案。追溯产生差异的原因，有可能发现新知识的来源。

定义：Q为设计问题，Sm、Sn为设计方案，Kn为新设计知识，则有

2.3 获取信息向知识的转化

在初步判断信息获取价值后，将信息转化为知识。转化知识的过程可以看作是预设概念对获取信息的一种定义，即在原有理论知识的基础上，采用概念、参数描述设计活动和对象的特征。本体是面向内容的概念体系［8］，能够以一种清晰的方式将信息分解为一组概念和它们之间的关系。这里基于本体对信息进行定义并输出知识，建立工业设计知识主题。工业设计知识获取过程如图1所示。

图1 工业设计知识的获取过程

定义：O为本体体系，I为案例中获取的信息，Kn为新设计知识，信息向知识的转化表示为

2.4 设计知识的本体输出

本体具有树状层级结构，分为类、子类、槽、侧面以及实例等级。根据知识主题每一等级向下分解，下一等级都是对上级内容的详细解释。复杂知识主题由多个本体构成，形成网状的关联结构。采用本体将设计知识输出的优势集中在以下两个方面：

（1）采用本体有利于领域知识的规范化表达。本体术语具有公认明确的含义，经过本体转化的领域知识具有一致性和确定性，便于共享和重用。

（2）采用本体有利于知识内容的挖掘。一方面，本体将获取的信息逐层分解，能够说明知识的构成要素；另一方面，本体可以定义要素之间的关系，形成相互制约、维系的语义场［9］，便于知识的推理。

在内容上，获取的设计知识属于下层附属概念，即在特定情境下对设计对象细微特征的描述与设想，它们是上层要领性概念的深入和演化。在形式上，获取的设计知识采用框架的层级形式输出。框架结构顶层为固定的知识对象，下层逐层分解基于本体表达对象各个方面的属性。

3 问题方案共进模型

3.1 问题方案共进模型的描述

设计面临不良定义问题（ill－defined problem）时，设计活动是状态性行为［10］。多种状态构成了求解的范围空间，可划分为问题空间和方案空间。在认知层面，设计被描述为定义设计问题同产生方案在各自空间中平行发展，相互促进，逐步完善的过程［11］。设计问题提出目标，驱动产生设计方案，根据生成的设计方案提出反馈信息，不断修正和深化设计问题，直至产生令人满意的方案。因此，创新不是由问题向方案的一种跳跃性突破，而是一个逐步探索发展的结果，如图2所示。其中，P（t）指设计要求，S（t）指设计方案，State（n）指设计状态。

图2 问题方案共进模型

3.2 基于共进模型知识转化的优势

问题方案共进模型在本文主要用于设计信息的初步分类，其知识转化优势在于：

（1）该模型有助于创新性设计知识的发现。设计活动纷繁芜杂，创新手段变化多样，设计经验丰富多彩。共进模型在认知层面简洁地概括了设计活动特征，提供了在较小抽象粒度下进行信息转化的方法。

（2）该模型有助于隐性知识的显性化。由于隐性认知是一个从细节附带知觉向焦点知觉转向的过程［12］，故获取背景信息是否全面直接影响到隐性知识的显性转化。共进模型面向个体经验，全面展现了信息的类别和对应关系，有利于知识的衍生。

3.3 基于共进模型知识转化的步骤

（1）执行工业设计任务，利用口语报告的方法收集各类信息，形成一个设计案例。

（2）对案例进行初步分析，识别其中是否存在具有价值的知识源。

（3）构建设计要求与设计方案本体。

（4）利用问题方案共进模型，将设计过程分段，划定设计状态，即重要节点。

（5）针对重要节点，调用相应本体，并标示本体之间的关联，由上而下定义信息，获取设计知识。

3.4 基于共进模型的节点划分与转化

由问题方案共进模型发现，设计是一个逐步演化的过程，因此，设计过程可以分成不同状态。通过判断状态的转移，即概念草图的对象变化，完成状态的划分，这里称为节点。多种多样的设计活动可以简化为若干彼此关联的重要节点，每一个节点由设定要求和绘制草图方案两类活动组成。

因此，通过本体定义设计要求、设计方案、两者之间的关系以及节点之间的关系，来产生对象性和程序性工业设计知识。这里主要包括5个方面，用以下表达式描述：

式中，P为Node（n）设计要求集合；节点Node（n）为设计过程中的重要状态；S为Node（n）设计方案集合；M1、M2为P、S之间的映射；M3为Node（n）与Node（n＋1）之间的映射；O 为相关本体；K1、K2、K3、K4、K5为产生的工业设计知识。

基于共进模型的信息转化如图3所示。其中，K1、K2来源于对于设计要求与方案本身的定义，而K3、K4、K5来源于对设计要求与方案之间关联的定义。

图3 基于共进模型的信息转化

4 知识本体的构建

4.1 本体构建的步骤

构建知识本体是获取知识的前提，大致分为以下5个步骤：

（1）划定范畴。根据工业设计活动，特别是概念设计过程所涉及的操作性和对象性领域，划定知识范围，列举重要的术语概念。

（2）修订概念。由于工业设计领域广泛，因此需要设计专家参与，建立领域内共同认可的术语概念体系，并对其进行维护。

（3）描述本体。利用框架结构将本体形式化［13］。一方面，通过分类、划归层次的方法，构建概念类、子类、槽、侧面以及实例等级结构；另一方面，建立概念之间的关系。

（4）评价本体。对建立的本体进行评价和修整，保障本体术语无歧义、逻辑一致、可扩展。

（5）适应案例。由于设计案例千差万别，故需通过本体操作，标示本体之间的关系，达到本体适应特定情境，精确描述对象的目标。

4.2 设计要求与设计方案本体

设计要求是指待解决问题所包含的内容，预想设计对象应具有的属性［14］，是构建设计问题的重要步骤。通过罗列活动中的多重目标，设计要求本体规划整个设计活动的方向，促成设计方案的生成。草图是一种具有动态性、多义性、松散性和高度集成性的视觉符号系统［15］，是设计方案的载体。基于设计方案本体可以说明设计对象的色彩、材质、形式风格、整体感受，表达设计师的构思，展现多样化设计方案。设计要求与方案领域本体的总体框架如图4所示。这里采用protégé完善本体基本框架。

图4 设计要求与设计方案相关本体基本框架

在常用语义联系的基础上，根据工业设计知识领域具体情景，进一步定义本体之间的关系，如表1所示。

表1 本体关系定义

4.3 知识本体的操作

为了适应具体案例，通过知识本体操作和标示本体来有效地获取工业设计知识。以下主要对本体操作进行规范：

（1）本体分裂。依照结构将本体向下层分解，产生新的具有更小粒度的节点，并继承上一层本体的特征。KN 为原始节点，KNi、KNj为分裂的新节点，分裂操作表示为

（2）本体合并。将两个或多个本体向上层聚合，产生具有更大粒度的新节点，并综合了下一层本体相关的特征。KNi、KNj为原始节点，KN 为合并的新节点，合并操作表示为

（3）本体插入。为准确描述对象，调用插入相关的本体或子本体。KNi为相关本体，插入操作表示为

（4）本体删减。为准确描述对象，将无关的本体或子本体删掉。KNi为无关本体，删减操作表示为

4.4 本体关联的操作

在设计要求与方案的本体框架式知识输出后，需建立两者之间多方面的关联，以便知识的进一步挖掘、解释。

（1）节点中设计要求或设计方案自身以框架式表达，层级结构中槽与槽之间的关联可进一步定义。

（2）节点中设计要求与设计方案之间的关联定义。除了框架顶端的知识对象关联外，两个知识空间不同层次之间的槽也可以建立联系。

（3）整个设计过程中，两个知识空间之间的要求与方案本体知识层级之间建立关联。

5 应用案例

笔者建立了面向工业设计过程的知识管理系统（KAMS），对前述的知识获取方法进行验证。移动存储设备（如U盘）为典型的电子类产品，内部主要由相对稳定的pcb电路板构成，外观设计在新产品开发中占有重要地位。不同设计师根据自身的经验，能够产生多种多样的方案。以往由于受到开发流程反复、知识管理意识淡薄的影响，工业设计知识的收集常被忽略，导致创意资源的流失。KAMS系统配合知识工程师工作，可以弥补该方面的不足，获取工业设计知识，供研发团队共享与重用。

5.1 设计知识获取系统结构

KAMS系统由6个模块组成，见图5。①过程信息采集模块，知识工程师利用口语报告方法收集设计过程中的信息；②本体构建模块，基于protégé建立设计要求和设计方案相关本体；③设计知识转化模块，知识工程师同系统交互，调用本体转化获取的信息；④设计知识库，将获取的设计知识以XML形式存储；⑤设计知识查询模块，设计师利用关键词或本体查询知识；⑥设计知识评价模块，设计师对获取知识的创新性、一致性、完整性进行评价和补充。以下着重对设计过程中信息采集、设计知识转化两个环节进行介绍。

图5 KAMS系统的结构

5.2 设计信息的采集

设计信息采集活动由知识工程师组织协调。设计师在接受移动存储设备设计任务、收集相关信息后，进入试验场地。试验场地设有两架摄像机，分别记录设计师活动与草图绘制内容。

设计师要求在2h内完成概念设计的同时，尽可能多地说出当时的想法。作为补充，在事后观看视频时，设计师需充分解释活动目的并作评价，知识工程师就设计内容进行提问。信息采集后，进行初步分类：首先，根据草图页数划分信息，同一页草图的信息划分在一起；其次，根据草图绘制对象的转移划分节点，将言语信息对应；最后，初步标记设计要求和方案。试验中，设计师共绘制了6张草图，产生了2个较为完整的方案，收集的部分信息如表2所示。

5.3 设计知识的转化

设计知识的转化由知识工程师同KAMS系统交互完成。第2张草图节点1是设计师在整理思路，规划方向，是产生最终设计概念的重要阶段。知识工程师选择该节点进行深入挖掘。

首先，知识工程师根据自身经验，设立“概念生成”知识主题进行完善。KAMS系统支持拖曳操作。知识工程师从控件中选择“设计过程”、“设计方法”、“设计概念”、“描述方法”等多个本体排布在操作界面上，初步形成知识主题框架。其次，对本体进行操作，增加或删减子本体，并标示本体之间的关系，使知识主题充分表达案例情景。例如，将“设计概念”本体进行分裂操作，分解为“外观”、“用户”、“功能”、“文化”等子本体，将“设计过程”与“概念生成”之间设置为拥有关系等。再次，以框架形式将“概念生成”知识主题进行表达，建立案例中对应信息关联。将第2张草图节点1中的言语和草图信息放入该知识主题的实例中，以便信息回溯。最后，设计师重用设计知识，对知识输出结果进行评价，完善知识内容。

试验中的“概念生成”知识主题就是对设计过程早期概念生成活动的方法、内容和影响因素进行阐述。一方面，该知识主题可以帮助设计师在接手设计任务时，迅速进入角色、建立概念，避免自身经验的局限。另一方面，知识主题为形成复杂的语义网进行知识推理奠定基础。

5.4 对案例的讨论

案例表明，通过该方法获取设计知识，同设计师以及知识工程的个人经验有着直接的关系。经验丰富的设计师在完成设计任务时，运用并产生的设计知识丰富，知识工程师获取高价值知识的可能性比较大，反之亦然。而知识工程师由于领域的熟悉程度不同，常会产生不同的知识主题。此外，由粒度小的信息向粒度大的知识转化过程中，知识工程师根据具体情景产生的知识并不完备，还需要进行完善和修正。

表2 采集的部分设计信息分类

6 结论

（1）工业设计知识的获取建立在预设概念对未知信息定义的基础上。

（2）面向不良定义的设计问题，设计过程可以概括为设计要求同设计方案相互促进、共同演化的活动。基于以上模型，可以将过程中的信息结构化，获取知识。

（3）目前，知识转化方法自动化程度低，如何在保障获取知识效用的前提下，进行半自动设计知识转化，是下一步工作的重点。

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Method of Design Knowledge Acquisition Based on Co－evolution Model of Problem ＆Solution

Liu Zheng1Lu Na2
1.China Academy of Art，Hangzhou，310024
2.Zhejiang University of Finance and Economics，Hangzhou，310028

In the industrial design areas，a method for information translation based on the co－evolution model of problem ＆solution was put forward to acquire the dynamic knowledge from design process.The basic concepts of industrial design knowledge were discussed；the characteristics in this area were pointed out，which had a great deal of tacit knowledge and expanding spaces of innovation knowledge.The information of design process was collected by the oral report from the cases of concept design.After the knowledge resource was identified，the high value information was defined by the existing system of concepts.Facing the ill－defined design problems，a co－evolution model of problem＆solution was formed to describe the innovation process by distinguishing the problem space and solution space.At the same time，the general frameworks of ontology for design requirements and solutions were also built up.The important nodes were determined by the above model.And the industrial design knowledge of the nodes was captured by adopting the relevant ontology，and signing the relationships among the ontologies.The format of output was of level structure of frameworks.In the end，the system of knowledge acquisition ＆management was established to test the above methods by the cases of flash disc form design knowledge acquisition ＆translation.

industrial design；design requirement；sketch；ontology

TB472

1004—132X（2011）10—1207—07

2010—07—26

国家自然科学基金资助项目（51005203）

（编辑 袁兴玲）

刘 征，男，1978年生。中国美术学院工业设计系讲师。主要研究方向为设计过程、设计认知、设计知识。发表论文10余篇。鲁 娜，女，1981年生。浙江财经学院艺术学院讲师。