基于知识转化的产品设计方法研究*

姚干勤，薛澄岐

(1. 东南大学机械工程学院， 江苏 南京 211189；2. 扬州职业大学， 江苏 扬州 225009)

基于知识转化的产品设计方法研究*

姚干勤1，2，薛澄岐1

(1. 东南大学机械工程学院， 江苏 南京 211189；2. 扬州职业大学， 江苏 扬州 225009)

为了解决目前产品设计中设计周期长及设计知识重用难的问题，文中分析了该领域信息转化的过程，并将知识工程运用到设计领域，建立基于物元的实例知识库，提出了基于实例推理知识转化的工业产品造型设计创新方法。在确立检索机制的基础上，通过修改检索出的实例，实现了产品造型方案设计。经验证，该方法能有效缩短产品设计周期，并能通过计算机辅助设计软件快速实现设计知识的重用。

工业设计；知识；实例；物元

引 言

随着社会的进步和产业结构的调整，用户大规模多样化、个性化定制成为市场的主流。企业之间的竞争由传统的产能与价格的竞争转变为以用户需求为中心的竞争。传统的工业设计方法是凭借设计师的经验，结合从市场部门传递来的需求信息，设计出几款产品方案供市场选择。这种方法不仅投资风险大，而且设计周期长，产品的成败完全依赖于设计师的经验和捕捉到的市场信息的准确程度。从事该领域研究的专家、学者纷纷将注意力集中在如何通过计算机辅助软件缩短产品设计、制造周期，降低成本，如何将设计大师的经验转换成可以复制重用的知识来保证设计方案能最大程度地匹配用户的大规模个性化需求上。文献[1]认为，应更多地在产品设计系统中采用专家知识；文献[2]提出了基于产品平台的快速设计集成系统研究与开发方法；文献[3]提出了面向大批量定制的产品设计方法。本文将知识工程引入工业设计领域，并在以往案例推理的基础上对一些设计方法进行了改进。

1 工业产品设计及其信息转化

国际工业设计协会联合会(ICSID)关于工业设计的定义可解释为设计师凭借内外部知识，在用户期望目标、市场、技术等条件的约束下，对产品系统的各方面属性信息进行加工，通过视觉符号的组合完成系统的表象，在各目标属性得到综合均衡满足后最终实现意向认知的物化。工业设计过程是以产品为纽带，设计信息在委托者、设计师、用户三者之间传递、转换、加工的过程，如图1所示。设计委托主体的任务是全面有效地表达设计问题，具体客户需求，期望目标以及来自技术、材料、工艺等方面的约束条件，表达形式通常为文字、图形、图像等可视化形式；设计求解主体(设计师)的任务是在约束条件下设计出符合客户需求和期望目标的产品方案，设计师凭借自身知识(包含设计经验)赋予特定材料以形态、色彩、表面加工方式及规格等；设计体验主体(用户)的任务是结合自身审美思维，通过体验形成心理意象，并以此来检验产品方案是否符合期望目标。这种心理意象可以通过语言、文字、情绪等形式表达出来，设计机构或者企业作为委托主体应能敏锐地捕捉到这些心理意象信息，从而形成新的设计问题表达。工业产品造型设计的过程其实就是设计师通过物化的设计期望目标(即产品设计方案)来满足客户的心理意象，从而在使用产品的过程中产生情感的满足。文献[4]指出，设计本质上就是一个知识获取、存储和使用的过程。

图1 产品设计信息传递流程

2 基于案例的工业产品设计方法

工业设计是艺术与技术并重的学科，其行为活动是由感性思维与理性思维共同主导的，而造型设计的要求、结果、操作规则往往都是不确定的、模糊不清的。因此，产品造型设计行为没有统一的法则，很难通过纯粹的规则推理来解决，往往需要借助领域内的专家知识和设计经验来完成。研究统计表明[5]，绝大多数新产品开发都是在原有产品基础上做的产品改良设计。针对这类设计通常采取的策略就是在求同中创新，尽可能利用已有的设计知识，结合客户需求解决设计问题。

基于案例推理[6](Case-based Reasoning，CBR)就是通过对已有案例的显性和隐性知识的重用，结合现有设计项目中的客户需求和设计约束，提出新的设计方案。将CBR理论运用到工业产品造型设计中，就产生了基于案例推理的工业产品造型设计方法(Case-based Industrial Design，CBID)。

3 知识工程在工业产品设计中的应用

将知识工程引入工业设计领域，一方面是为了有效对接结构设计、工艺设计、加工制造等企业运营环节，提高设计研发的速度和效率，另一方面是为了规范设计师显性和隐性的设计知识，以便在后续设计中加以重用。工业设计知识通常以2类形式表达出来：一类是用于表达对象的陈述性知识，如设计概念、设计草图、功能模型等，另一类是基于这些知识推理产生的过程性知识，如设计方法、设计经验等。

在产品造型设计过程中，知识的转化是以客户需求知识为目标，以设计案例知识库为基础，设计知识在设计委托者、设计者和客户三者之间转化的过程，如图2所示。

图2 产品造型设计知识转化过程

4 CBID产品创新设计方法

工业产品造型设计作为一项人类有目的地改造自然的活动，从意向认知角度体现了造型的价值功能。然而不同产品对象的各个价值因素及其权重取向是不同的，因此应建立与行业相适应的工业产品造型领域知识库。CBID系统就是基于领域知识库解决现有问题的一种创新设计方法，它是一种开放的基于案例的创新设计方法，不仅已有的设计方案会存储在实例库中，新产生的设计问题解也会自动录入到实例库中，另外重复冗余的案例及案例组件会在系统中删除。CBID的关键技术是如何建立适应快速有效检索的实例表达模型、如何实现实例的快速有效检索、如何重用检索到的设计实例，即实例表达、实例检索、实例重用关键技术。

利用基元模型及其可拓变换能有效重用已有设计案例中的领域知识、设计方法、设计经验等设计知识。本文将可拓学知识用于CBID产品造型实例表达，用三元组物元表示产品造型实例：

P=(N,C,V)

(1)

式中：N表示产品实例名称；C表示产品实例特征；V表示产品实例特征对应的量值。

众所周知，一个产品包含了n个特征，所以产品实例的n维物元表示为

(2)

以客车造型设计为例，产品特征既包括“车型尺寸”、“车型轴距”、“驱动形式”、“乘员人数”、“最高车速”、“车厢内高”等关键产品信息，也包括“风格空间特征”、“材质特征”、“色彩特征”、“形态特征”等审美特征信息。这些特征信息组成的物元模型即表示这个设计实例。

实例检索就是要在实例库中找到符合设计需求并与之最接近的实例。本文研究用隶属度概念来表示设计解与实例的相似度，隶属度L的取值区间为[0,1]。例如，在比较两款汽车色彩相似度时，色彩完全一样则记为隶属度L= 1，色彩截然不同则记为隶属度L= 0，其它隶属度记为0

1)检索因子(评价目标)集Y= {y1，y2，…,yn}，表示有n个评价目标；

2)评价集X= {x1，x2，…,xm}，表示有m种评价结果；

3)检索因子权重集A= {a1，a2，…,an}，表示有n个评价目标各自权重；

4)则模糊评价矩阵为

(3)

式中：n为检索项；m为检索项相似评价结果。

考虑各检索项权重的影响，应用模糊关系运算的乘加合成法则M(*，+)对综合评价矩阵合成求解:

B=A*R=[b1,b2,…,bj,…,bm]

(4)

(5)

得到的结果即为相似隶属度。

通过对隶属度阈值的设定可有效控制检索到相似实例的数量。即使是检索出来的最相似实例也不能完全满足客户的最新需求，因此设计师还需结合客户的需求、现有约束条件对相似案例进行修改。可根据实例物元表达模型，通过置换、分解、增删、扩缩等多种可拓变换手段实现实例的适应性修改,修改的结果还需要进行可用性测试与评价。

5 结束语

本文在分析产品造型设计信息转换过程的基础上，提出了将知识工程运用到工业设计中的CBID理论方法，分析了产品造型设计过程中知识转化与重用的关键技术，提出了基于物元模型及其可拓变换的设计实例知识重用解决方案。文中给出了基于物元的设计实例知识表达方法，对实例相似度进行了研究，建立了基于相似隶属度的检索机制，并基于物元模型的可拓变换，通过置换、分解、增删、扩缩等多种变换手段,实现实例的适应性修改。在后期若利用CBID理论方法建立一套计算机辅助设计系统，就能够更快速有效地实现知识的重用，为复杂产品的方案设计提供一条有效途径。

[1] POPOVIC V. Expertise development in product design-strategic and domain-specific knowledge connections[J]. Design Studies, 2004, 25(5): 527-545.

[2] 王建正. 基于产品平台的快速设计集成系统研究与开发[D]. 北京: 机械科学研究总院, 2008.

[3] 高飞. 面向大批量定制的产品设计方法学研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2004.

[4] WALLACE K. Capturing, storing and retrieving design knowledge in a distributed environment[C]// Proceedings of the 9th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design. US: IEEE Press, 2005.

[5] REZAYAR M. Knowledge-based product development using XML and KCs[J]. Computer-aided Design, 2000, 32(5/6): 299-309.

[6] LING W Q, YAN J W, WANG J, et al. Case-based conceptual design[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2004, 17 (1): 73-77.

姚干勤(1975-),男,博士，副教授，主要从事计算机辅助工业设计教学与研究工作。

Research on Industrial Design Method Based on Knowledge Transformation

YAO Gan-qin1,2，XUE Cheng-qi1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,SoutheastUniversity，Nanjing211189,China；2.YangzhouProfessionalCollege,Yangzhou225009,China)

In order to solve the problem of long product design period and difficult reuse of the design knowledge, the information transformation process in the industrial design field is analyzed in this paper. With the application of the knowledge engineering to industrial design, the knowledge database based on matrix element is established. And the industrial design innovation method of case-based knowledge transformation reasoning is put forward. With the modification of the retrieval results on the basis of the established retrieval mechanism, the product design scheme is obtained. The verification result shows this method can effectively shorten the product design period and quickly realize design knowledge reuse with the computer-aided design software.

industrial design; knowledge; case; matrix element

2014-03-03

江苏省教育厅高校基金资助项目(2012SJD760073)

TB472

A

1008-5300(2014)03-0004-03