面向産品創新的概念設計技術研究

內容提要：分別闡述了産品概念設計領域的研究現狀；指出前者的根本缺陷在於缺乏設計方法學的支援，未能從産品創新著眼、體現整個設計過程，後者往往局限於設計的理論層次，僅從設計藝術的角度進行研究，缺乏可實現性和操作性。本文針對上述不足，總結了概念設計過程中五個方面的産品創新，提出了遵循設計思維、面向産品創新的概念設計的基本思路、支撐技術和實現方法，並進一步研製了實驗系統加以驗證。（作者：包恩偉 孫守遷 潘雲鶴）

 0．引言

産品概念設計是設計過程的初始階段，其目標是獲得産品的基本形式或形狀。廣義上的概念設計（如圖1所示）是指從産品的需求分析之後，到詳細設計之前這一階段的設計過程。它主要包括功能設計、原理設計、佈局設計、形狀設計和初步的結構設計等五部分。這幾個部分雖存在一定的階段性和相互獨立性，但在實際的設計過程中，由於設計類型的不同，往往具有側重性，而且互相依賴，相互影響。
    概念設計是産品整個設計過程中一個非常重要的階段。這一階段的工作高度地體現了設計的藝術性、創造性、綜合性以及設計師的經驗性。實踐表明，一旦概念設計被確定，産品設計的60％－70％也就被確定了；然而，概念設計階段所花費的成本和時間在總的開發成本和設計周期中占的比例通常都在20％以下。
    當前，由於工業産品由傳統的機械産品向機電一體化産品、電子産品方向發展，市場競爭日趨激烈，消費觀念不斷變化，從而導致一個産品的功能已不再是消費者決定購買的最主要因素。産品的創新性、外觀造型、宜人性等因素愈來愈受到重視，在競爭中佔據著突出地位。這種趨勢促使企業在著手進行新産品開發時把面向産品的創新性、外觀造型、人機工程學的設計提到一個新的高度，從而也迫切要求對産品概念設計的研究能有進一步的突破，以提高産品的設計水平和市場競爭力。

圖1  概念設計的定義

    1．概念設計的研究現狀

概念設計在産品的整個設計開發過程有著無可替代的作用。因而，對這一過程的研究一直以來都是CAD／CAM、CIMS等領域的熱點。特別是近年來，隨著電腦圖形學、虛擬現實、敏捷設計、多媒體等技術的發展和CAD／CAM應用的深入，産品概念設計的研究也有了新的進展。
    從工程設計的研究角度，概念設計包括了産品的功能設計、原理設計、方案設計及初步的結構設計等內容。不少學者從工程設計學出發，提出了層次概念設計模型、工程設計概念模型、基於功率鍵圖的概念設計等概念設計建模方法。
    從工業設計的研究角度，概念設計主要是指考慮功能、結構、人機工程以及製造等因素在內的産品外觀形態的設計。不少學者從産品設計方法學出發，提出了造型文法、色彩文法、形狀文法等産品概念設計原理、原則與方法。
    另外，從技術的應用角度，有學者從智慧輔助的角度提出了基於多層推理機制的概念設計、概念設計專家系統等概念設計方法和機制；也有學者從虛擬現實的應用角度提出了基於虛擬介面的概念形狀設計、基於多通道用戶介面的概念設計等等。
    從上述現狀可看到：對概念設計的認識和研究目前還處於一個分離的局面。從工程設計角度進行的研究往往以産品的功能原理爲出發點，將概念設計看成是功能原理方案的草圖實現過程，而電腦輔助概念設計（Computer Aided Conceptual Design，以下簡稱CACD）則是提供一個産品的草圖繪製和三維重建工具。因而很少從概念設計本身和設計思維的角度進行研究；從工業設計角度進行研究的學者則往往從産品的外觀造型出發，他們擅長設計理論，但不瞭解電腦的輔助能力。因而其理論很難通過程式形式加以實現。
    另外，當前一些大型CAD／CAM／CAE商品化軟體系統如EDS  Unigraphics、Pro/Engineer等也提供了概念設計／工業設計模組，其設計結果能直接傳遞給系統中其他模組進行後續設計。但根本的問題在於：
    ①  這些模組提供的基本上是一個在設計方案基本定型之後的概念化／草圖化繪圖工具而非設計工具。它缺乏設計方法學的支援；
    ②  整個模組基本上沒有體現概念設計的設計過程，設計流程沒能從概念設計師的角度出發，與設計思維不能很好融合；
    ③  這些模組沒有從産品的創新性著眼，難以體現概念設計過程中的創新設計。
    事實上，從設計方法學的角度看，概念設計包含了功能設計與形式設計兩大部分。但由於種種歷史的原因，一個統一的設計工作被分離爲功能設計與形式設計兩個側面，分別由不同領域的設計師承擔工作。功能設計師即工程設計師，形式設計師即工業設計師（如圖2所示）。

圖2  概念設計的統一

當前，産品設計與製造朝著數位化、網路化、集成化的方向發展，同時隨著並行設計、協同設計、全生命周期工程設計（Life-Cycle Engineering Design）思想的逐步深入和哂茫�産品的概念設計也必將走向統一化，最終形成一個既相互分工又緊密合作的並行式協同設計過程。

    2．概念設計中的産品創新

在概念設計階段，産品各要素處於一種抽象、模糊的離散狀態。這種狀態既導致了設計的複雜性，同時也導致了産品的可塑性，給設計師提供了一個廣闊的設計思維空間。而到設計後期或製造階段，則要考慮到各種客觀情形如産品的材料、工藝、成本等，從而大大約束了創意思維的發揮，使得産品的創新難以得到體現。因而概念設計階段是産品創新最爲集中的一個階段。
    作者把概念設計中的産品創新歸結爲功能、原理、佈局、形狀以及結構等五個方面的創新。
    ●  功能創新
    功能創新主要依賴於市場需求的分析結果。在傳統的設計過程中，主要靠人工來完成。隨著資訊技術的進一步發展，特別是資料庫、資訊管理、人工智慧等技術的深入應用，最終必將使電腦在輔助産品功能創新中發揮其巨大的作用。
    ●  原理創新
    原理創新一般是從産品的功能要求出發，通過技術分析，尋求産品創新的過程。這種方法主要是把複雜的設計要求通過功能關係的分析抽象爲簡單的模式，以便尋求能滿足設計物件主要功能關係的原理方案。傳統上，常用簡圖或示意圖來表示所構思的內容。而電腦輔助的原理創新工具則有形態學、協同學的求解工具以及基於原型、事例等的聯想類比求解工具等。這些工具的實現很大程度上依賴於網路化設計、協同化設計以及智慧設計等領域的進展程度。
    ●  佈局創新
    佈局創新主要是指對整個産品按功能進行分解或組合，從而劃分爲若干個元件單元，然後通過産品佈局的空間排列、配置方式和尺度變化等三要素的變化來實現産品創新的過程。由於佈局三要素可用數學表達方法進行形式化描述，因而完全可以通過在內部建立的數學模型的支援下實現電腦輔助的産品佈局創新工具。
    ●  形狀創新
    形狀創新主要是指對經過原理方案實體化後的初始産品形狀，在遵循基本的形狀法則的基礎上，通過形狀變換操作而實現産品創新的過程。其中變換操作包括了變異、置換、替代、組合等等，物件則包括産品整體、部件或部件組合。形狀創新的操作機制與傳統特徵模型中的特徵操作以及變數模型中的變數操作存在著一定的相似性。
    ●  結構創新
    概念設計過程的結構創新主要是指概念設計後期對方案進行初步結構化過程中的産品創新過程。這一過程從産品結構的角度出發，對構成産品的各個部件進行初步結構化，以達到與後續設計的銜接，同時力示在結構上的創新性。因爲在詳細設計中的結構設計過程，由於受到各種約束，産品結構上的創新已難以體現。
    圖3描述了概念設計中五個方面的産品創新。其中，以功能創新和原理創新爲主的産品設計往往是創造性設計，而以佈局創新、形狀創新和結構創新爲主的産品設計主要是變型性設計。它們雖存在一定的相互獨立性，但在實際的概念設計過程中往往相互影響，相互制約。

圖3  概念設計中的産品創新

     3．面向産品創新的概念設計

①面向産品創新的概念設計基本內容和要求
    從創新角度看，概念設計過程本質上就是一個産品創新的過程。面向産品創新的概念設計的基本內容就是針對概念設計的五個方面的創新，在現有研究的基礎上，從設計方法學和産品創新的角度出發，並結合産品設計開發模式的整體發展趨勢，提出它們在概念設計過程中的實現方法，最終研製一套CACD系統和工具。
    從産品創新的實現角度看，其中的功能創新和原理創新，由於涉及到卸嗟念I域知識，資訊需求量大，而且設計師的思維和經驗也占了相當的比重，因而要實現這一過程，需要建立在資訊集成化的基礎上，有網路化的協同設計平臺的支援，同時提供知識獲取、資訊處理的相關工具。目前，由於客觀條件的種種限制，要實現上述目標尚有相當難度。
    佈局創新、形狀創新和結構創新主要依賴於産品造型、産品結構、部件組合等因素。這些因素主要涉及到産品的三維造型技術，人機交互技術以及産品建模技術等等，而上述技術目前已發展比較成熟，因而有可能從這個角度首先得到突破。
    因而，作者目前的研究重點就是以産品的佈局創新、形狀創新和結構創新爲出發點，進行面向産品創新的概念設計研究。
    面向産品創新的概念設計，首要條件是要建立在設計方法學的基礎上，從設計思維出發，並體現概念設計的全過程；同時，要緊密結合電腦的自身特點，揚長避短，使設計師在電腦的輔助下能更加簡捷、有效的完成設計工作。
    另外，須強調的一點是産品的概念設計是面向産品級層次的，因而其産品建模技術必須建立在産品級層次上。這與傳統工程設計中基於零件級層次的特徵模型、變數模型有著本質區別。基於此，作者提出了産品級層次的元件特徵模型。
    ② 面向産品創新的概念設計過程
   從設計流程看，面向産品創新的概念設計過程可分爲（如圖4）：

圖4  面向産品創新的概念設計過程

    ● 元件特徵錄入過程
    這個過程實質上是需求、功能、原理等資訊的實體化過程，或稱産品資料的視覺化過程。其目的是形成産品的初始實體。整個錄入過程以元件特徵爲單元逐步進行。具體過程爲首先輸入産品的總體資訊，包括幾何資訊與語義資訊等；其次錄入産品的各個初始元件特徵，包括總體特徵、幾何特徵、工程特徵、佈局特徵等資訊，特徵的錄入非常靈活，若設計師無法確定某些要素，完全可以省略。同時錄入過程有多種形式，可直接鍵入、從系統元件庫中選擇或加以組合；也可暫時不錄入，在設計過程中再加以添加或進行元件特徵分解。
    ● 産品創新設計過程
    這一過程是概念設計的核心過程，包括了以佈局、形狀和結構創新爲主的全部概念創新過程。這一過程將提供一些常用的概念設計創新工具和産品方案的即時三維展示平臺工具。設計師可根據自己經驗和實際需求，選擇不同的創新工具進行産品創新。整個創新過程是設計師與電腦的協作、交互過程。
    ● 方案評價過程
    每進行一步創新，系統都將記錄當前歷史，並進行分析和評價，同時將滿足當前要求的方案顯示出來，並由設計師進行進一步的評價。系統隨之回應設計師的評價和修改指令，對當前的狀態和方案進行修正。
    ● 産品方案展示過程
    設計師可對選定的單個或多個方案進行設計方案的展示，可以給展示方案添加真實感紋理、對産品元件進行進一步的精細化；可以添加各種類比現實環境的場景；可以進行靜態或動態的演示等等。
    ● 方案輸出過程
    方案輸出是概念設計的最後階段。在這一過程，産品方案可以以多種方式進行輸出；可以存儲成標準的文件格式，從而直接傳遞給後續設計過程；或根據不同的需求形成不同的概念設計效果圖和報告書等等。
    ③面向産品創新的概念設計實現
    從系統的實現角度看，要實現上述設計過程，開發一套CACD系統和工具，必須解決如下幾項關鍵技術，如圖5所示。

圖5  面向産品創新的概念設計系統的支撐技術

    ●人機交互技術
    由於概念設計整個過程都需有設計師的參與，因而設計一種符合設計思維、簡捷有效的人機交互機制是本系統的一項關鍵技術。本系統將通過建立一套設計操作集來實現設計過程中的人機交互。
    ●基於元件特徵模型的産品建模技術
    建立有效的産品模型和過程模型是實現概念設計過程的基礎。本系統將建立基於産品級層次的元件特徵模型，以實現設計過程中的資訊存儲、轉化、傳遞，物件表達，設計操作等等。
    ●産品創新技術
    産品創新技術是系統的核心所在。本系統從佈局創新、形狀創新和結構創新的角度，建立一套集成化的輔助創新工具。設計師在這些創新工具的輔助下，可以有效地進行産品的創新設計。
    ●標準化的輸入與輸出介面技術
    本系統作爲一個輔助概念設計的工具，其設計結果要傳遞給後續設計階段進行詳細設計，因而必須具備一個標準化的輸出介面；同時，本系統的輸入是産品需求分析和初步的功能、原理設計方案，因而也必然要有一個標準化的輸入介面。
    ●三維圖形顯示技術
    系統的設計過程都基於視覺化的操作介面。對概念設計來說，它重在設計的即時性、多樣性、一致性，而對物體的顯示精度、真實感等要求並不高。因而必須在現有研究基礎上，建立一種適合概念設計的三維圖形顯示機制。

    4．一個概念設計系統－－PCDS  I

PCDS  I  （Product Conceptual Design System I)是目前正在開發的一個基於PC平臺的面向産品創新的概念設計實驗系統。它採用WINDOW95／NT、Visual C++5.0、OpenGL開發環境和工具。系統的內部資料格式採用標準化的三維資料存儲格式，同時支援DXF、VRML（．WRL）文件的讀寫，以達到與現有的CAD軟體的銜接、符合網路化、Internet的發展趨勢；同時也爲協同概念設計研究奠定基礎。
    圖6是系統的總體模組構成圖。本系統主要包括系統介面模組、元件錄入模組、産品創新模組、元件特徵操作模組、方案評價模組、方案展示模組、方案輸出模組、資料庫管理模組等八個模組。
   

圖6  PCDS  I系統總體模組構成

    5．結論

産品創新和概念設計是一個極爲複雜的過程，這一方向必將成爲國內外産品設計領域的研究熱點。本文主要針對現有基礎，對一些問題作了基礎性的研究。其中本文講述到的幾個關鍵技術如人機交互、創新工具、産品建模等則隨著PCDS I的逐步進展，將另文予以介紹。此外，必須注意到在概念設計研究中，不能對其進行孤立探討，而要融入産品設計的整個發展趨勢。概念設計過程中的虛擬設計技術、協同設計技術、全生命周期建模技術等等都是今後要進一步深入研究的問題。

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