基于认知多方法集成式产品创新设计策略及实现

万延见，李 彦，李文强，熊 艳，闫喜强

（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

0 引言

创新是企业进步的灵魂，是推动企业持续、高效发展的重要保证。在产品创新实践中，创造力是决定这一活动能否顺利开展的重要因素［1］。创造力是设计者通过创造性思维，产生新颖适用产品、想法或服务的能力［2］。而对于创造性思维的过程大多较为复杂，是比较、分类、归纳等逻辑思维和形象、联想、灵感等非逻辑思维的综合运用［3］。该过程既需要对已有的设计经验和领域知识加以灵活运用，更需要及时捕捉并有效利用产生的感性理解和认识。研究表明，最具创造性、最有价值的设计思路，通常都蕴藏于这些较为模糊、非定量的感性理解和认识中［4］。

为了使设计者在创新构思过程中能够得到更多适用的设计思路，增强创造力，学者们提出了数百种创新方法［3］。这些方法本质上是服务于创造性思维，引导/辅助/激励设计者更好地进行创新思考的创造性思维的工具［5］。但在具体创新应用时，这些方法都存在一定的不足，或过于依赖于设计者的设计经验和领域知识积累，或仅适用于部分问题类型、局部创新过程的情况。方法集成应用正是解决这些问题的重要途径之一。

目前已有一些基于多方法集成思想构建出的应用过程研究。例如：Malkin等创立的融合功能分析系统技术法（Function Analysis System Technique，FAST）方法、发明问题解决理论（Theory of Invention Problem Solving，TRIZ）、头脑风暴思想的引导式创新思维模型［6］；Yao等集成6W1H、功能分析、裁剪方法，构建了面向问题型产品创新设计方法［1］；Li等在“四个面向”问题分类框架下，提出了集成TRIZ、功能—行为—结构（Function Behavior－Structure，FBS）、创造性模板、检核表法等方法的策略化创新模式［7］。但已有研究大多都是基于方法应用盲区的相互补充，而不是出于对设计者创新认知思维过程及规律的综合考虑。而且对于创造性思维本身来说，方法集成更应基于对整个创新认知思维过程加以综合规划，结合不同方法的应用特点，对这些方法进行再组合和再构造，使之逻辑互联、彼此协调，以形成一个有机的方法应用整体，并为计算机辅助创新（Computer Aided Innovation，CAI）集成工具开发提供相应的框架模型支持。

基于这一思想，本文在对设计者的创新认知思维过程及规律加以较为系统的理解和认识的基础上，总结提炼出创新问题的一般解决过程及相应的创新思维操作过程，进而提出一种基于认知思维过程的多方法集成式产品创新设计策略，并进行CAI实现，以体系化、导向性地辅助设计者较好地进行产品创新设计。

1 结构化产品创新认知思维过程

1．1 创新问题一般解决过程

从认知角度来看，产品创新设计是设计者通过大脑从外部摄入任务信息，使之转化为工作记忆，并调用和提取以往的设计经验，激发产生新记忆，然后再经人脑综合处理后输出方案信息的思维往复操作过程［8－9］，即针对获取的创新问题加以创造性解决的思维操作过程。

创造性解决问题的思维过程通常需要创新方法的支持。对于已有方法，根据思维特征的不同，本文将其分为思维流动型、思维操作型、思维程序型三类。其中，思维流动型方法将发明创造视为联想、直觉和灵感等非逻辑思维活动的结果，包括头脑风暴法和检核表法等；思维操作型方法注重逻辑思维与非逻辑思维在思考过程中的交互性操作，包括形态分析法和思维导图等；思维程序型方法强调对客观规律的运用和对思维活动的组织，包括TRIZ理论和FBS方法等。前两类方法的问题求解过程可抽象为如图1a所示的规律，都侧重于对设计者自身创新思维能力的挖掘，但存在对设计者的主观依赖性强、创新结果随意性大、数据繁杂等不足；思维程序型方法则遵循如图1b所示的求解过程，通过规律运用和思维组织，在一定程度上拓展了创新思考空间，规范了思考过程，但其中很多方法仅适用于部分问题类型、局部创新过程的情况［1］。

在秉承以上两种问题求解过程优点的基础上，通过适度弥补已有应用的不足，本文提炼出较为全面的问题求解过程模型，如图2所示。它是对创新问题一般解决过程的抽象描述，通过获取各种类型创新问题→问题核心（本质）探究→转化为一般问题→一般问题映射求解→领域内类比思考→方案评价、组合、优化处理等一系列的思维操作实现。

1．2 复合菱形思维操作过程

从思维形式来看，产品创新认知思维过程既包括发散性思维操作，也包括收敛性思维操作。前者是从广度上对设计信息进行有益探索，以获取更多的有益思考方向；后者则是从深度上对得到的信息加以评定、组合和迁移等更深层次的探讨，以及时缩减分析的范围，进而增强思考的针对性和效率。且整个创新思考过程通常包括多个菱形思维单元［10］。其中，菱形思维是发散—收敛的思维形式组合。

在遵循提炼出的创新问题一般解决过程模型的基础上，结合产品设计和新产品的开发实际，将产品创新思考过程细化为问题确定、问题求解、方案发展三个阶段，以及问题分析、问题发展、概念求解、领域求解、方案评价、组合优化六个主要思维操作步骤。这些思维操作在思维形式上可形成如图3所示的复合式菱形思维操作过程。其中：I表示初始信息，O表示机会信息，P表示创新问题，C表示概念方案，D表示领域方案，S表示创新方案，F表示最终创新方案。

问题分析的思考职能在于获取到进行创新思考的初始问题；问题发展是对问题作进一步探究，以确定问题根本所在的操作；概念求解的职能在于实现问题空间向解空间的映射转换，即生成一般解；领域求解是将一般解转化为特殊解的操作；方案评价是对生成的方案进行选优的操作；组合优化的职能则在于对优选后的方案加以组合、改进和完善处理。

此外，图3还展现了问题再定义、概念激励和方案重用三个主要创新信息反馈的操作。这些反馈性操作在创新思考过程中也经常出现，是对思考过程的有益补充。

2 基于认知思维过程方法策略及应用

针对提出的复合菱形思维操作过程模型，结合不同设计阶段及思维操作单元，集成应用多种方法策略，以推动创新活动的顺利开展。

2．1 创新问题确定

问题分析是通过对获取的初始信息（主要包括市场调研信息和已有产品信息［11］）加以系统分析，以捕捉蕴藏其间的创新机会的操作。本文采用质量功能配置（Quality Function Deployment，QFD）方法对获取到的市场调研信息进行分析，以实现用户需求信息向具体的产品技术特性的转换，进而识别出较具创新潜力的技术需求特征、技术冲突、设计约束等创新机会信息，即得到缺陷问题、功能问题和感性问题三类进行创新思考的问题。其中，缺陷问题指已有产品中存在的影响其主要功能发挥的功能结构失效、冲突等问题；功能问题指对全新产品/已有产品的功能开发、改进、替代需求；感性问题则指关于产品美感、触感等官能性需求以及人文性需求。

针对已有产品信息，本文将失效模式分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）、物场分析以及进化路线分析三种常用的方法相结合，从可靠性、完备性、理想性三个较为互补的角度，对蕴藏其间的创新机会信息进行全面挖掘。FMEA通过对产品潜在的失效及其原因进行逐级分解，从失效事件的发生度、严重度和检测度三方面进行预估，计算得到重要程度较高的失效事件及特性，即缺陷问题；物场分析是结合产品中的关键功能和结构单元构建物场模型，分析得到不完整、不足作用和有害作用三类非正常模型问题；进化路线分析则对产品中的关键功能、结构单元的进化状态和发展方向，结合TRIZ理论中的多条进化路线加以预测和确定。

对整个创新设计过程来说，分析到问题的本质通常比解决问题更为重要。问题发展正是针对经QFD分析和FMEA分析得到的缺陷问题、功能问题所做的进一步探究，以寻求到实现/解决这些创新机会的根本问题。对于缺陷问题，结合其问题的特点，采取寻根式追问思考的方式，利用根源分析的方法，对导致缺陷发生的根本原因加以探究；对于功能问题，利用系统功能分析的方法，结合构建的功能组件链图，对目标功能实现的关键进行转换分析。而对于经物场分析和进化路线分析得到的问题，由于它们都有标准的概念解体系与之对应，经QFD分析得到的感性问题较为明确，都不需要进行发展分析。

2．2 创新问题求解

如前所述，创新问题求解过程主要包含概念求解和领域求解两步操作。概念求解是对问题发展分析后的缺陷问题、功能问题以及经物场分析得到的非正常模型问题进行映射求解，以得到进一步创新思考的方向。对缺陷问题的求解包括两条途径：①结合TRIZ理论中的39个通用工程参数对其加以标准化处理，再利用冲突矩阵进行发明原理求解；运用FAST分析法，结合构建的FAST分析模型，分析出与缺陷问题对应的关键功能问题。②利用功能问题求解方法加以实现。对于功能问题，主要运用FBS方法进行功能映射求解，过程如图4所示，即先结合功能基对功能问题进行标准化处理，再结合可获取到的知识资源，针对目标功能进行知识检索，进而映射求得相应的概念方案。对于非正常模型问题，则直接利用76个标准解进行求解。

领域求解是结合创新产品，对求得的概念方案信息（包括进化路线分析的结果）做进一步思考和转换，对问题发展操作得到的感性问题加以求解，以得到较为具体的领域内问题解决方案的过程。对于概念方案信息，可利用类比法，将概念方案信息及其他已有过程信息作为类比情景，再结合问题本身、产品特点及自身设计经验，进行类比关联思考，进而激励产生相应的领域方案。对于感性问题，则直接利用形态分析法，从外观、质感和人文等角度对产品的重要属性进行形态列举，然后再结合生成的形态矩阵进行形态组合、评价和筛选分析，以得到实现感性问题的最优组合创新方案。

2．3 创新方案发展

经上述两个阶段的操作，通常可以得到多个问题对应下的多个领域方案。方案评价正是对这些方案（感性问题解决方案除外）加以整理、评定和筛选的操作，采用亲和图和系统评价的策略加以实现。首先，利用亲和图法，针对不同创新问题，将与相对应的创新方案加以归类处理；然后，针对每一问题，在淘汰绝对不合适的方案解后，再依据系统化设计中的若干优选准则（如表1），按 A、B→C、D→E、F的评价顺序，逐级对方案进行评价筛选［12］。

表1 系统化设计的评价准则

对于组合优化操作，则通过先应用形态分析法，将各问题作为独立要素，将筛选后的方案作为形态（含感性问题解决方案），构建相应的形态分析矩阵；然后进行形态组合评价和筛选分析；最后对得到的最优组合方案的功能/结构间的输入、输出逻辑加以思考，以探究存在/可能存在的逻辑缺失、冲突等新问题，思考并解决这些问题（也可直接进行问题分析操作），以对原有方案做相应的补充、修正、改进等优化处理，进而生成最终的产品创新方案。

2．4 多方法集成式创新设计流程

结合以上几个阶段方法应用的阐述，构建出相应的方法集成化创新应用流程，如图5所示，具体步骤如下：

步骤1 结合设计背景、产品需求、目标成本等信息，构建创新项目，并编写相应的项目任务书。

步骤2 选取创新问题的来源，即根据项目任务书，确定是从市场调研信息挖掘开始，还是直接针对已有产品进行分析。

步骤3 确立问题来源后，若从市场调研信息入手，则直接利用QFD方法进行结构化分析，以获取相应的创新机会信息；若从已有产品角度出发，则先选取问题分析的方法，再利用选取方法的分析工具及策略加以探究。其中，经物场分析后，直接跳转到步骤6进行标准解求解分析；经进化路线分析后，则直接跳转到步骤7加以类比思考。

步骤4 对分析得到的机会信息进行问题分类，以确定其问题类型。

步骤5 针对缺陷问题和功能问题，分别利用对应的方法对其进行深入探讨，以得到解决问题的根本所在。而对于感性问题，则直接跳转到步骤7，进行形态组合分析。

步骤6 选取创新问题，并选择问题类型下对应的概念求解方法，利用这些方法对应的分析工具及策略进行求解分析，映射得到相应的概念方案。

步骤7 选取概念方案，结合具体产品和问题进行领域类比思考，使之转化为能解决特殊问题的领域方案。而对于感性问题，则进行形态组合分析，然后跳转到步骤11。

步骤8 将经初步筛选的领域方案按不同问题、不同方案分类标准进行亲和图分类处理。

步骤9 利用系统评价标准，针对不同问题枝节下的多个方案进行逐级评价筛选。

步骤10 结合筛选后的方案，根据其所解决的不同问题构建形态分析矩阵，并进行方案组合思考，以生成最优组合方案解。

步骤11 针对得到的组合方案，从协调性、完整性等多个方面对其做进一步的优化处理，进而得到创新性和适用性俱佳的最终创新方案。

3 多方法集成式创新原型系统

在创新思考过程中，尤其在构思新产品概念时，仅靠设计者的自身经验和知识结构往往是不够的，很难获得高水平的创新成果，需要来自多学科的知识储备、多领域的技术工具做支撑［13］。针对提出的多方法集成式创新应用过程模型，通过融合认知科学、信息技术及创新设计理论，开发出相应的CAI原型系统。限于篇幅，本文仅对系统的体系架构加以阐述。如图6所示，该体系架构主要包含用户交互层、应用接口层、推理服务层、基础资源层。

（1）用户交互层主要给用户提供一个友好的人机交互界面，提供多角色参与者登录、信息输入和输出的界面，对整个设计过程加以可视化。支持对空间对象进行直接查询和分析，并针对不同角色的设计权限，提供不同的创新视图。同时，也包含管理员对系统及知识库进行的日常维护操作界面。

（2）应用接口层为系统的使用者提供多种模块功能及相关接口，是推理层与用户层的中间转换层。该层提供不同专业应用接口、不同环境管理工具以及重构和配置创新资源工具等。采用超文本链接标记语言（HyperText Markup Language，HTML）、Java伺服端网页（Java Server Page，JSP）、Web2．0等技术进行原型系统开发，支持用户以文本、图形、超文本等方式向系统请求服务交互。

（3）推理服务层整个系统的核心包括支持产品创新设计过程各个阶段应用模块的实现性操作，如检索/匹配、整合/调度、综合/评价等。主要根据设计过程中用户输入的设计信息，为其提供所需的设计原理及过程推理方法、工具支持，是搜索引擎、Web service、自然语义本体、智能推送服务等工具和技术的应用。最后，以服务指令的形式，规则调用相应的创新资源。既包括系统功能建模、类比思考等人机交互式和选择性信息接入操作，也包括信息转换、映射求解、评价计算等多个推理应用模块，以实现创新信息映射转换和智能调用相应资源的操作。

（4）基础资源层主要为创新设计过程提供数据支持，包括计算资源、软件资源、知识资源、广域网络资源和专家资源等。其中，知识资源是系统的主体资源，由需求信息库、本体库、效应库和评价库等多个知识库及多层信息检索引擎组成。这些库主要以关系型数据库的形式存在，而对于大量文件、图表、声音和视频等非结构化数据，则用文档数据库的形式加以管理。

4 示例

敲钉机是将紧固件推入工件装置的常用工具之一，通常使用的范围从手工艺品加工到建筑构造的工程中，但目前这一工具仍以手动为主［14］。为满足大工程作业的要求，迫切需要开发一种新型的手握式自动敲钉机。

经前期市场调研获取到大量的市场信息。故选用QFD方法对已获取的用户需求信息进行结构化整理，构建的质量屋如图7所示。通过对质量屋加以评定计算分析，得到自动敲钉机的创新机会点主要在于增加打钉力、增加打钉速度、减小噪声等技术特性，以及“打钉力与使用寿命”等技术冲突信息。

选取增加打钉速度、增加打钉能量等创新价值较高的功能问题，利用系统功能分析方法对其做进一步功能细化和挖掘。首先，结合已有的无线敲钉机产品信息构建相应的功能模型，如图8所示。然后，再结合问题及构建的模型进行关联分析，可将问题进一步转化并抽象为多个功能创新问题，如“存储/吸收能量”、“将动能传递给钉子”等。

针对上一步操作得到的创新问题，运用FBS方法进行知识映射求解，可得到：①“弹簧效应”、“易弯曲筋条吸收冲击能”、“勒沙特列原理”等效应知识；②“螺纹式磁水器”、“一种电机驱动的双飞轮自动敲钉机”、“二氧化碳气瓶发射水枪”等专利知识；③“蜗轮传动”、“往复液压缸”、“扭转推动”等领域知识；等等。然后，结合敲钉机及具体创新问题，运用类比法对生成的原理解进行领域具体化思考，进而激励产生“液压缸增压”、“运动的质量块”、“缠绕弹簧”等蓄积动能，以及“冲锤单次冲击”、“推动钉子”等施加动力的多个解决方案，如图9所示。

按所解决的创新问题及对应的能量形式（化学能、风能、水力能、电能等）不同，将得到的领域方案分成多个子类，进行方案亲和图分析。利用前文的评价准则逐级对方案加以评价，筛选得到较优的方案集。结合筛选的结果，构建相应的方案形态矩阵（如表2）。组合这些形态，进而激励产生多个组合方案，如图10所示。其中，方案1通过螺线管不断“压缩—松开”弹簧，以实现多次冲击驱动钉子；方案2利用线性马达推动一个质量锤，使之吸收并积蓄动能，再通过单次冲击将动能传递给钉子；方案3则通过马达转动凸轮，凸出端推动撞杆向上运动，压缩弹簧使之吸收并存储潜在能量，再以单次冲击的形式将能量传递给钉子。

表2 敲钉机创新方案形态分析矩阵

设计师再结合自身工程设计经验、企业实际情况及现有材料，从相容性、创新性、技术性、经济性和社会性五个方面，对得到的组合方案进行评价，筛选出方案3为较优组合方案。最后，对方案3做进一步补充和优化处理，得到最终创新方案。

5 结束语

本文在创新问题一般解决过程模型和复合菱形思维操作过程模型的基础上，提出一种多方法集成式产品创新设计策略。针对模型中的思维操作单元、应用方法、创新流程及原型系统实现进行了较为全面的阐述。结合敲钉机创新示例，对策略及系统的应用过程、实用性和有效性进行了演示与验证。后续研究将继续结合创新应用实际，对提出的创新策略及原型系统做进一步改进和完善，以更好地辅助设计者开展产品创新设计活动。

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