基于SOA 的产品创新设计服务认知组合模型

杨 琨，李文强，李 彦，熊 艳

（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

0 引言

产品创新是企业得以生存和持续发展的内在动力［1］，而网络平台作为整合产品创新设计服务资源的工具，已经成为计算机支持产品创新设计的重要手段。如何将网络化设计环境下支持产品设计的海量服务资源，更有效、智能地进行组织并实现与设计任务的合理匹配，成为计算机辅助设计的研究热点［2］。

网络平台作为一种集成广泛意义上的各类设计资源的载体，可为设计者提供一个设计方法、知识等服务资源共享、管理和协商的操作平台，以推动产品自主创新，提高产品设计的竞争力。国内外学者在基于Web的产品辅助设计平台方面已经开展了大量的理论研 究，如Brunkhorst［3］、Ras［4］、周丹晨［5］等提出针对网络的分布知识库及企业知识信息、集成共享和查询优化方法，从设计知识信息管理的角度构架网络系统；镇璐［6］、潘善亮［7］分别从网络环境下面向发明问题解决理论（Theory of Invention Problem Solving，TRIZ）和产品设计子流程管理的角度进行研究，分析产品创新平台中产品设计方法和流程对设计者的激励；更多的研究者从产品协同设计的各类角度，如云服务［8］、业务链［9］、业务规则［10］等提出网络化协作产品开发的资源集成服务机制，以覆盖产品设计过程中的关键业务，对设计资源和过程进行协同管理。

在实际网站搭建方面也有许多案例，现在已有的设计类网站大体分3类：①知识共享类，如中国科技资源共享网（sipo.gov.cn）、专利搜索引擎（soopat.com）等，主要侧重原理性或行业内知识的共享，为用户提供目录索引和检索功能；②网络化设计，如美国加州大学伯克利分校建立了世界上第一个基于万维网（World Wide Web，WWW）的产品设计系统［11］等，为用户在线产品设计提供支持；③软件推广类，如CREAX、亿维讯等，作为软件公司的门户网站，展示软件案例和咨询服务，同时提供简化版在线软件使用并整合一定数量的设计知识资源。

上述研究为辅助设计者进行概念设计、搭建网络平台提供了思路，但是因为不同学者从不同需求出发，平台所提供的设计服务往往针对特定领域，没有从产品创新设计完整流程所需资源的角度考虑，所以已有研究并不完全适用于支持产品概念设计的激励，加上设计需求的动态多变经常引起设计业务的逻辑重构，需要设计服务具有更加敏捷的调整能力，以完成设计任务的实现，这些特点决定了支持产品创新设计的网络服务平台需要一个跨平台的、扩展性好的、组织灵活的框架，在动态环境下实现产品设计服务按需集成的流程构建方式，支持设计者进行设计服务的编排，以便为产品创新设计活动提供更多激励。同时，已有设计类平台普遍忽略了设计者——“人”是设计的主体这一事实，不利于很好地激发设计者的认知思维和创造力，也无法最大程度地发挥设计者的创新能力。因此本文基于设计者在创新设计过程中的内在认知机理，提出一种基于面向服务架构（Service of Architecture，SOA）的产品创新设计服务认知组合模型，根据设计过程中对策略服务的逻辑依赖和对知识服务的数据依赖关系，两类服务交互规划、合理组织并构成完整的产品概念设计流程，最终实现对产品创新设计的辅助和激励。最终利用语义化描述和同构化等计算机手段，实现面向服务的产品创新设计服务平台体系架构。

1 产品创新设计服务分析

1.1 产品创新设计服务组织需求

在复杂产品的创新设计过程中，影响创造力的因素包括知识、思维模式、设计方法和计算机支持工具等［12］，因此创新设计服务平台所提供的网络化设计环境应该综合考虑产品设计阶段以上所需的广义设计资源，并在充分考虑设计者设计认知激励内在机理的情况下，形成一种规范化的服务引导机制，从而辅助设计人员高效调用各类设计资源形式化后的服务，形成适应设计需求的完整设计流程，最终有效处理跨领域的各类设计任务。因此，平台开发的重点在于实现一种有效地发布与发现各类设计资源的机制，并利用结合认知激励机理的服务组合模型对这些服务进行组织，从而为平台具体开发设计产品设计方案提供服务支持。

通过以上对平台服务组织的需求分析，并考虑满足作为服务请求者的设计者，根据设计需求对设计服务进行筛选匹配，本文将采用业界认可的一种系统集成框架——SOA，利用其松耦合、高弹性、易扩展的特点，有学完成基于认知激励机理的网络平台设计服务组织，实现服务的无缝集成，从而满足业务逻辑要求，最终产生适合的设计流程，解决传统的网络化设计环境结构复杂且灵活性差、无法适应动态多变的设计需求及设计过程中流程需适时变化等问题，完成对整个概念设计过程的支持。

1.2 创新设计服务类型

计算机辅助产品创新设计必须具有三个基本条件［13］：①有合适的创新设计方法论；②有一个足够大的信息空间，以充分获取适用的知识和激励创新灵感；③有一个符合创新设计思维方法的辅助设计系统。因此，作为基于SOA 创新设计服务模型的最基本的组成元素——服务，应该能够实现以上创新设计知识维、创新设计策略维、计算机辅助工具维三个维度的构建，得到两类设计服务（知识服务和策略服务）及两类服务间的映射关系（如图1）。

（1）策略服务域 策略服务由创新设计策略维和计算机辅助工具维组合而成。根据认知心理学对产品创新设计的分析［14］，创新设计过程就是一个设定特定目标、找到实现该目标的解决策略的过程。而且设计问题的种类多种多样，需要根据设计问题类型的不同对各类设计策略进行分组，以更有针对性地为各类设计问题提供设计策略求解方法（面向问题、面向产品、面向目的、面向载体）［13］，通过语义扩展、本体建模等计算机技术，实现将方法策略的语义、能力、执行过程等封装成策略服务，为设计过程中的服务调配做好准备。其中面向问题的策略用以解决设计过程中的冲突问题，面向产品的策略用以解决已有产品的改进设计，面向目的的策略用以解决全新产品或系统的设计问题，而面向载体的策略用以解决产品文化等非逻辑思维类的设计问题。创新设计服务平台根据四类设计构建策略服务，保证每类设计问题至少包含一种设计策略加以实现。同时松散的平台架构能够保证后续可继续添加合适的策略服务。

（2）知识服务域 知识服务由创新设计知识维和计算机辅助工具维组合而成。产品设计知识具有形式多样、结构复杂、跨领域等特点，且在产品设计的不同阶段，所需的知识类型及抽象层次不同，为了从海量的设计资源中提取设计所需知识，需要对知识进行明确分类（原理性知识、综合性知识、领域性知识）［15］，并利用 可扩展 标记语 言（eXtensible Markup Language，XML）、检索技术、通信协议等计算机技术实现知识服务的封装，实现设计过程中知识的同构化表达、查询检索、服务间通信传递等功能。其中由原理性知识（设计原理知识、发明原理知识等）对产品设计的方法策略类知识（过程建模、需求分析、公理设计、TRIZ等）进行支持，综合性知识（功能知识、效应知识、结构知识等）通过不同抽象层次的知识对产品设计过程中的核心创新求解过程进行支持，领域性知识（领域知识、专题知识等）通过各专业领域较为具体的事实类知识对设计方案的参考、验证工作进行支持。

（3）映射关系域 设计者在产品创新设计过程中，具体的设计行为表现为对策略服务的逻辑调用和对知识服务的条目操作，两类服务内在具有多对多的映射特性，当用户根据设计需求选择适当设计类型的策略服务时，根据设计策略与知识条目间一对多的映射关系确定适当的知识服务，激发设计者产生较多设计方案；而知识条目与设计策略多对多映射特性可以支撑策略服务的实现，同时也可验证策略服务是否选择得当。

2 具有认知机理的创新设计服务组合模型

产品创新设计的一般过程分为设计需求分析、问题表征、概念设计、设计方案优化及评价、方案生成等部分，针对各阶段认知特点的研究对激发设计者的认知思维和创造力有至关重要的影响。Gero［16］、Wallas［17］等针对设计问题的求解过程及不同时期的认知特点进行分析并得到广泛认可，本文在此基础上对创新设计过程进行划分，提出符合设计者创新设计创意方案生成的认知习惯的产品创新设计服务认知组合模型，如图2所示。模型将产品创新设计过程规划为三个阶段：准备和酝酿期（preparation &incubation）的扩充认知通道、顿悟期（illumination）的认知激励通道以及确认期（verification）的评价和输出通道，各通道的衔接以设计方案生成过程作为主线，而设计过程中每一步的实现都需要适当的设计策略提供方法引导，相应的知识数据提供材料支撑，这种设计步骤与策略间的逻辑关系、与知识间的数据关系，为之后产品创新设计过程各阶段服务的组织规则（逻辑依赖和数据依赖）提供依据，模型内部各部分的关系建立有助于多个设计服务协调配合、共同完成设计方案的生成。

图2中重点示意了概念设计过程中产生创意解的认知激励阶段，以及各策略服务和知识服务对设计过程的支撑关系，然而实际设计过程中，设计过程的各认知阶段都需要相关策略服务和知识服务建立映射关系，以提供相应的支撑，如多需求分析策略服务、质量功能配置（Quality Function Deployment，QFD）知识服务等对扩充认知通道的支撑。

2.1 扩充认知阶段服务组合

创新设计问题定义困难、表达模糊，缺乏明确的问题空间，没有确定的解决路径。通过认知扩充通道的认知准备工作，能够将设计问题通过适合的问题表征，使其转化为良好的设计需求和问题结构，对创新设计的设计需求特征进行明确，为下一步设计认知激励做好准备。具体过程如下：①依据发散性的创造性思维特点，尽可能全面地收集设计需求及问题并进行描述和分析，得到问题的初始状态；②根据设计问题类型选择适当的分析策略服务，如QFD策略服务、系统建模策略服务等，对设计问题进行表征；③利用需求分析策略服务关联的知识服务，为设计者提供相关的设计知识，扩大认知通道中的有效信息，最终确定设计任务，实现认知通道的扩充。本阶段依据不同设计问题的认知特点，主要利用已有设计理论构成的策略服务对设计问题进行分析，知识服务起辅助设计任务确定的作用。

2.2 认知激励阶段服务组合

针对认知激励通道中产品创新设计最重要的阶段——概念设计过程，利用课题组提出的三种认知激励方式（延展激励、类比激励、突变激励）［18］对策略服务和知识服务进行组织，利用服务间逻辑依赖和数据依赖两类关系，具体实现众多服务的选择和衔接，生成一组服务有向序列SSa（KS1）≺SSb（KS2≺KS3≺KS4）≺…≺SSm（KSn），使创新激励设计流程由一组按规则连接的服务构成，其中：SS为策略服务，KS为知识服务。逻辑依赖是指设计过程中对设计者完成某一类激励时，根据各策略所能提供的业务逻辑能力来选择适当的策略服务；数据依赖是指在执行各策略具体操作的过程中选择所需的知识服务，并将同构化的知识条目数据在各服务间传递。具体操作时根据所需的创新层级确定认知激励方式后，利用逻辑依赖关系选择策略服务，以满足设计逻辑要求，当存在多个策略服务满足设计要求时，利用相关度计算进行筛选；然后根据各策略服务对相关知识的依赖确定所需的知识服务，以满足设计过程中方案的激励和验证，同时上一个服务的输出为下一个服务的输入，各服务按照业务逻辑和顺序依次执行，完成对设计者在产品创新设计过程中的激励作用。

（1）延展激励服务选择

延展激励方式主要适用于已有产品的再设计。选定系统建模中的一个组件，经过策略服务中设计方法的引导，调用关联知识服务中已有的方案资源，发现与该组件具有相似性的新实例，改变与其相连的一个或多个组件，从而将原有方案进行延展，产生新的创意方案解。此时产生的方案与原有方案共用或相似的组件较多，相互差异不大，因此创新层次较低。适合延展激励的策略服务主要推荐创造性模板法策略服务、基于设计的推理（Case-Based Design，CBD）策略服务等，根据映射关系调用结构知识服务、领域知识服务等。

（2）类比激励服务选择

类比激励方式主要适用于设计问题的解决和产品的全新设计。利用策略服务中封装的方法作为设计操作步骤，利用类比思维的方法将相关知识服务中的设计知识作为组件类比原型，把能解决类似问题的解决方案作为操作原型，类比到关注的任务设计过程中进行认知激励，以求解得到新方案。这种认知激励产生的创意解中的组件多为初次使用或全新组合，因此得到的设计方案与已有方案具有明显差异，创新性较高。适合类比激励的策略服务主要推荐功能—行为—状态（Function-Behavior-Structure，FBS）策略服务、TRIZ 策略服务等，根据映射关系调用发明原理知识服务、效应知识服务等。

（3）突变激励服务选择

突变激励方式主要适用于非逻辑思维的产品创新设计。突变激励的刺激主要来自知识服务中使用频率较高的知识信息的刺激，在策略服务方法的引导下，这些信息以外部变量的形式直接与设计单元中的相关组件发生强制联想，新变量的导入使设计任务单元突变，产生新的组块。因为突变激励过程中多利用相关性低的激励信息诱发设计方案突变，所以创新设计效果难以估计，但其产生的创意方案解往往是前所未有的，创新性非常高。为设计者推荐的突变激励策略服务主要有头脑风暴策略服务、检核表法策略服务等，根据映射关系调用功能知识服务、领域知识服务等。

2.3 方案输出阶段服务组合

整个创新设计方法中，每种激励方式下组织的设计服务都可能产生不同的创意方案，但并不是所有创意方案都可作为设计输出，需要对创意解进行优化和筛选：①利用多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）策略服务得到各学科综合考虑下的最优解；②利用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）策略服务等对这些创意方案的功能满足度、实现可能性、企业承受度、市场效应等指标进行综合评判；③将符合要求的创意方案作为设计方案输出，如果创意方案不能满足设计要求则回到起始状态，进入新一轮的需求分析、问题表征、设计认知激励的过程。

3 面向服务的产品创新设计平台体系架构

基于SOA 的产品创新设计服务组合架构如图3所示，创新设计过程中所需的各类资源以服务的形式提供给设计者，一切服务组织活动围绕产品创新设计流程展开，并通过服务提供的策略语义标注和知识同构化来实现，主要分为知识资源层、策略服务层、服务组合层、设计流程层和平台模块层。

（1）知识资源层

知识资源层是由各类产品创新设计过程中所需的发明原理知识、功能知识、效应知识、结构知识和多学科优化知识等构成的一个知识信息空间，该层为上层知识服务提供信息源。知识资源层主要为各类异构设计知识资源的发布提供存储空间，并根据对设计知识的分类对多源知识进行管理，将响应用户的设计需求推送至相应的知识服务，辅助设计人员完成设计任务。知识资源层中的设计知识以原始状态保存，尽可能保留知识资源的最完整信息；根据知识资源的实际设计业务支持情况，封装与相应策略的映射关系，实现设计策略和设计知识的交互关系，最终为整个设计流程中的知识资源推送做准备。

（2）策略服务层

策略服务层是为实现设计策略方法的可操作性而设计的。该层根据对设计过程中创新设计策略的业务处理方式和映射衔接关系进行分析，通过语义标注和逻辑关系绑定的方式把策略封装成不同粒度的策略服务组件，建立可被计算机理解的衔接关系，从而为下一步自动逻辑筛选策略服务并构成设计流程做准备。服务提供者后续可以通过本层操作将策略方法封装成自描述、平台无关的策略服务，以方便设计服务平台策略服务的发布与更新。

（3）服务组合层

各类设计服务的最终目的是为了被匹配和调用，以为服务使用者的设计人员提供业务支持。在服务组合层，按照具体的设计业务和产品激励类型对策略服务和知识服务两类服务进行编排，小粒度服务根据逻辑依赖和数据依赖两类关系进行相应的组合操作，加上两种服务之间存在的交互映射关系，使双方的服务组合选择相互影响。策略服务根据策略服务层中各服务的语义标注和语义扩充等属性进行匹配，完成各策略服务对相应的认知激励类型和设计任务的支持；根据知识服务中各类知识资源与相应设计策略存在的映射关系，达到按规则组织知识服务的目的，通过知识服务中的异构知识映射规则，将各类原始知识资源转化为XML 类型，并根据各类知识间的彼此映射关系形成关系型的知识数据模式。

（4）设计流程层

设计流程层完成产品创新设计流程的实现，该流程作为基于SOA 的产品创新设计服务认知组合模型中的关键元素，是推动平台各类服务组合的根本依据。根据设计流程将设计平台中散乱的设计服务有逻辑地组织起来，部署的各类服务通过不同的组合方式实现新的设计功能，结合用户的实际设计需求灵活快速地调整各服务的组合方式，完成平台对产品创新设计的激励功能。策略服务和知识服务最终组织配合进行逻辑联结，完成对产品创新设计过程的支持，根据产品设计流程中具体设计类型的要求，将产品创新平台中各个独立的服务进行串、并联，有针对性地提供给相应的用户，更加合理、高效地支持创新设计活动。

（5）平台模块层

平台模块层是产品创新设计服务平台功能的具体表现，直接与用户操作相接触，通过不同的视图将产品设计过程和业务执行情况展现给不同的用户，激励和支持设计者的产品创新设计活动，并实时反映产品创新的设计进度。本层最终由各粒度的服务构成并进行相关的逻辑分组，以用户的交互为驱动，动态调整服务组合，以完成各模块的功能实现。该层中的几大功能模块作为课题组已有产品创新设计服务平台（Creap.cn）的子模块进行系统实现，采用浏览器／服务器（Browser／Server，B／S）结构与用户进行交互，同时使服务提供者和服务使用者能够进行服务的发布、修改或者查询等，以方便平台服务的不断升级。

4 关键实现技术

4.1 策略服务语义化实现及映射关系的建立

产品创新设计过程中所使用的策略服务需要经过发布、查询、发现与组合的过程，各类创新策略转化成可被查询、调用的策略服务，此过程由服务提供者完成。传统的服务匹配过程往往通过关键字对服务进行名称匹配，得到的并不是最符合用户需求的服务，为消除策略与用户间的语义分歧，本文对设计策略进行了语义描述扩充，重点增加了策略服务能力的语义描述，并抽取其所具有的认知激励能力信息对策略的概念理解达成共识，建立人机之间、机器与机器之间互相理解和操作的语义基础。

具体操作由服务提供者利用Web服务描述语言（Web Service Description Language，WSDL）文件和相关语义标注工具，建立各服务间的映射关系，并将服务的可执行文件部署到平台相应的执行环境中，完成设计策略向策略服务转换的过程，最终达到不同粒度规模的策略服务进行语义化描述和管理的目的，建立可被计算机理解的衔接关系。本文将策略服务形式化地表示为

式中：

SO 通过WSDL定义策略服务中的具体操作合集及操作的具体实现方法，以实现设计策略提供的功能；

A 为策略服务设计能力语义Web服务本体语义描述（Web Ontology Language for Service，OWL-S），利用Protégé软件对服务SS所能提供的设计支持进行语义标注和本体关系建立（如图4），定义为三元组A=（serviceProfile，serviceModel，serviceGrounding），其中：serviceProfile表示策略服务“做了什么”、“能解决什么问题”等，serviceModel表示服务推荐的激励类型，标注与延展激励、类比激励和突变激励的相关匹配度，serviceGrounding 描述如何访问和执行服务；

Fs-k是该策略服务执行过程中，根据数据依赖关系所确定与所需知识服务间映射关系的合集；

Rss是该策略服务有较好逻辑连接关系的其他策略服务之间的映射关系，本映射关系用于用户选择策略服务时的参考。

产品概念设计阶段，通常设计者对设计问题只是一个模糊的认识，无法明确地选择并组织所需的策略服务，因此需要一种有效的策略组织和优选机制进行辅助。作为服务请求者的用户，通过对产品创新层级进行确定，并对所需满足的设计要求进行语义描述，利用逻辑依赖关系确定的映射关系选择符合设计要求的策略服务，同时利用彼此间的逻辑关系进行服务衔接，完成策略服务的组织。本质上，逻辑依赖关系就是设计目标描述与策略服务设计能力描述之间的相关（relativity）程度，当各设计阶段有多个策略服务具有类似业务能力时，相关度越大此服务越能满足用户的设计需求。本文采用向量空间模型（Vector Space Model，VSM）的计算方法来度量设计目标描述向量Q与策略服务设计能力描述向量A之间的相关度Sim（Q，A），从而对策略进行优选。设计目标描述和服务能力描述都是基于Web本体语言（Web Ontology Language，OWL）并按一定逻辑组合的概念集，因此向量的内容为概念集中特征词的权重，向量间的余弦值越趋近1，策略服务越满足要求。如果得到的相关度Sim值低于用户设定的阈值，则修改设计目标的语义描述，重新检索策略服务；如果多次修改仍无法满足要求，则可通过手工直接选择自己希望使用的策略服务。

4.2 知识服务同构化实现及映射关系的建立

在创新设计过程中，对设计方案起激励作用并为各类策略服务提供数据支撑的是种类繁多的知识资源，但因为来源、侧重点不同等因素，导致多源异构的设计知识不利于各服务间数据的衔接和传递，所以将知识资源的表达形式进行同构化，并建立各服务之间的逻辑关系，从知识服务功能上表现为数据接口和逻辑接口的集成。数据接口面向各种异构的原始知识，其目的是将知识中的数据提取出来转换成操作所需的形式；逻辑接口面向其他已发布的各类服务，其目的是实现设计流程中服务的组织和配合。

多源异构知识资源基于XML 映射规则完成同构化，将数据间的关系和属性描述为上层服务可以理解的形式，供设计流程共享和重用，在同构化的过程中同时定义各知识服务之间的映射关系，为服务的组织做好准备。因此知识服务有别于一般知识库的特点：①知识服务都封装了同构的知识信息访问；②知识服务封装了与已同构的知识服务和已部署策略服务间的访问过程规则，实现两类服务间的交互；③知识服务可以根据业务逻辑形成过程编码规则。因此用一个四元组对知识服务进行定义：

其中：D 为各类原始知识资源，以知识条目、图纸、网页信息等异构信息的状态存储，是所有知识信息的总和；X 为异构资源进行同构化逻辑表达的映射规则，将知识信息的逻辑表达形式同构化，为不同的服务提供统一格式的数据源D′，以效应知识服务为例，De′=X（De）｛Ce，De，Sef，Ses｝，Ce为效应标题，De为效应描述，大致描述为〈效应描述De〉｛效应内容、效应附图、应用条件、计算公式、参考信息、相关知识｝，Sef为该效应能实现的功能标识集合，Ses为实现该效应的结构标识集合；Fk-s为该知识服务能够较好地提供数据支持的策略服务的映射关系合集，逆向辅助策略服务的选择；Rkk 是具有配合关系的知识服务间的映射关系，多个知识服务共同辅助一项策略服务的完成。

知识资源经过标准XML的统一表达方式并封装建立多源异构知识间的映射规则后，发布为知识服务。经过同构和属性描述的知识服务被统一部署成关系型数据模式，能够被其他服务彼此理解，并使平台中的业务过程可以共享和重用。设计过程中涉及的知识数据归属于不同的知识服务，其生成、修改、维护和更新都由同一个服务完成，从而可以同时保证知识服务中数据的唯一性，消除数据冗余。

5 示例

根据上述体系结构和实现方法，本文利用B／S模式，使用Microsoft Visual Studio.Net＋SQL Server 2008为具体实现技术，采用ADO.Net实现在.Net平台下的数据库访问，在Windows平台上，将产品创新设计服务认知组合模型作为课题组已有产品创新设计服务平台（creap.cn）的一个子模块进行系统实现。下面以意式咖啡机的改良设计案例为例，说明策略服务和知识服务是如何被部署并基于认知机理进行组合，以支持产品创新设计过程的实现，如图5所示。

在扩充认知通道，首先对意式咖啡机进行需求分析和问题表征，因为此次设计是针对这类市场上较成熟的咖啡机进行改良式创新设计，所以人为选择了需求分析策略服务SS分析和问题表征策略服务SS表征来完成设计前期认知的扩充，并根据数据依赖关系映射得到5W2H 知识服务KS5W2H和系统建模知识服务KS建模，以提供相关的知识和数据支持，形成服务序列SS分析（KS5W2H）≺SS表征（KS建模）。通过SS分析服务组件对现有的意式咖啡机存在操控复杂、功能单一、价格昂贵等缺点进行分析，确定对咖啡机的已有功能和结构进行激励的改良设计目的（如图5中①）；通过SS表征服务组件对咖啡机的工作原理进行分析，并利用系统建模方法对设计问题进行表征（如图5中②）。意式咖啡机作为最能保留咖啡品质的一类咖啡机，利用20Pa的压力迫使90 ℃左右的热水穿过幼细的咖啡粉，汲取咖啡粉中的咖啡脂等芳香物质，并与热水达到充分溶合后流入杯中，完成一杯意大利特浓咖啡，整个过程是一个物理化学变化的综合过程，图5中②表示了根据咖啡机的工作过程关键结构零件，推理确定本次设计活动中需要改进的产品功能，并进行功能建模以方便后续设计操作的进行。

在认知激励通道，根据上一步确定的改良性设计目标的创新层级，系统推荐类比激励（如图5 中③）作为创新认知激励手段，但根据逻辑依赖关系映射得到支持类比激励的策略服务有TRIZ 策略服务、FBS策略服务等多类服务组件，因此系统根据扩充认知通道中所需设计的目的语义描述，与各类满足业务要求的策略服务部署时Protégé工具建立的OWL-S描述文档（如图5中④）进行VSM 相关度计算，优选最能对功能、原理、结构进行完整分析的FBS策略服务SSFBS作为激励工具，辅助产品进行概念设计。根据FBS策略服务组件中封装的知识服务调用数据依赖映射关系（如图5中⑤）和策略操作步骤（如图5 中⑥），完成对功能知识服务KS功能、效应知识服务KS效应和结构知识服务KS结构的调用，形成服务序列SSFBS（KS功能≺KS效应≺KS结构）。将知识资源中的已有方案类比到FBS的映射过程中，实现创新解的产生。

在示例中调用的知识服务是根据各原始知识资源（知识条目、专利和图纸信息等）的结构特点，通过映射规则Map将这些多源异构的知识信息转化成XML格式的知识数据（如图5中⑦），完成各服务的调用和传递。通过类比知识服务所提供的已有案例，得到实现加热功能的热电效应和帕尔贴效应，并筛选得到基于热电效应的隔离式锅炉结构和基于帕尔贴效应的冷热两用锅炉结构。

最后进入方案评价输出通道，根据逻辑依赖关系映射得到方案优化策略服务SS优化和方案评价策略服务SS评价，完成创意解的优化和评价，最终得到设计方案，同时根据数据依赖映射关系得到MDO知识服务KSMDO和AHP知识服务KSAHP，为策略提供相关知识和数据支撑，形成服务序列SS优化（KSMDO）≺SS评价（KSAHP）。MDO 策略服务组件对方案中的各学科耦合关系进行优化，然后根据功能满足度、实现可能性、企业承受度等指标，对方案进行AHP层次分析，隔离式锅炉可防止温度过高灼伤咖啡而影响口感，同时方便清洁和消毒，而基于帕尔贴效应的加热方式已成功应用于半导体加热与制冷，可用于咖啡煮制后的冰镇，丰富产品功能。最后将这两个创意解作为设计方案予以输出。

意式咖啡机的整个创新设计过程依据逻辑依赖和数据依赖关系，筛选并组织得到了一组服务有向序列SS分析（KS5W2H）≺SS表征（KS建模）≺SSFBS（KS功能≺KS效应≺KS结构）≺SS优化（KSMDO）≺SS评价（KSAHP），对各设计过程不同的认知特点提供相应的业务操作和知识数据支撑，最终获得基于帕尔贴效应和热电效应的冷热两用锅炉、隔离式锅炉两类结构方案，较好地实现了咖啡冰镇、咖啡机清洗和消毒功能。

6 结束语

本文提出一种SOA 的创新设计服务认知组合模型，立足于“人”这一设计主体，结合创新设计过程不同阶段的创新认知激励特点，提出符合设计者创新设计认知习惯的服务组合方式对设计服务和知识服务进行组织，以最大限度地激励设计者产生创新设计方案，为创新设计过程中的策略使用、知识调用和系统集成探索了一种开放的、随需应变的组织模式。最后围绕产品创新设计服务组合架构，建立了策略服务对设计策略的语义化描述方式和知识服务对知识资源的同构化表达手段，为实现平台服务的良好部署提供了解决方案，并利用创新设计服务平台中添加的服务组合子模块实现对咖啡机的创新激励再设计，证明了本方法的可行性和有效性。

本模型的提出基于单个设计者的设计认知过程，暂未考虑实际设计中设计者之间的协同和交流，同时模型还需要向更复杂的实际创新认知模式的方向推进，以求更贴近设计者真实的创新设计过程。创新设计服务组合模型的有效实现，离不开设计策略间更合理的配合关系和海量多样知识资源的合理表达，以及如何更有效地建立服务化后设计资源间的推理机制。下一步需要深入研究的重点是数学模型严密的表达形式和优良的沟通品质、对设计服务认知组合过程进行表示，以及对进一步组织模型的计算机转化提供指导。

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