（设计艺术学专业论文）CBID系统新案例生成和保存机制研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本文属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“基于案例的工业设计技术与 辅助设计系统及应用研究”的研究课题之一，通过研究基于案例的设计手段和分析 工业设计的创新设计思维，探索了一种计算机辅助工业设计的新案例生成及案例保 存的实现机制，并应用于基于案例的数控机床辅助1 二业设计系统( c b i d ) 。 基于案例的设计作为一种以案例为知识载体设计问题求解方法，是现代创新设 计和智能c a d 领域的研究热点之一。论文针对前期与国内九个主机厂的数控机床造 型设计合作与c b i d 系统研发，以设计认知模式和设计思维分析实验为起点，重点研 究设计中的案例知识对设计师在设计过程中的肩发模式，分析设计师对数控机床工 业设计的认知模式和创新思维特点，研究了案例知识的应用，基于案例的创毅设计 方法和程序，提出了基于机床造型案例的新案例生成方法，构建了基于案例的计算 机辅助设计系统新案例生成和案例评价体系。 论文通过研究案例库的组织和案例表达方式，论证并优化多种案例保存机制， 提出了c b i d 系统案例保存在系统中的最佳实现方式。同时，实现的基于案例系统的 自学习。以此为基础结合目前的计算机辅助设计技术，规划和实现了c b l d 系统的新 案例生成功能模块和案例保存模块。最后论文论述c b i d 系统案例库的维护，并对案 例组装和案例扩展进行了构想。 关键词：工业设计；基于案例的设计( c b d ) ；案例生成；案例保存 c b i d 系统新案例生成和保存机制研究 a b s t r a c t t h i sp a p e ri so n eo ft h et h e s i s e sf o rt h en a t i o n a lh i g h - t e c h n i q u er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o j e c t ( 8 6 3p l a n ) - - r e s e a r c ho ni n d u s t r i a ld e s i g nt e c h n i q u ea n da s s i s t a n t d e s i g ns y s t e mo fc a s eb a s e dd e s i g n i ti sl o o k i n gf o ran e wi m p l e m e n t a r ys y s t e mo f c a s e c r e a t i o na n dc a s e - r e t a i n i n gf o rc o m p u t e r a i d e di n d u s t r i a ld e s i g nb yr e s e a r c ha n d a n a l y s i s o nc a s e b a s e dd e s i g na n dt h ec r e a t i v ei d e a t i o n ，a n da p p l i e si ti nc b i d ( c a s e b a s e dc o m p u t e ra i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ) s y s t e m a sap r o b l e m - - s o l v i n gm e t h o db a s e do nc a s ek n o w l e d g ec a r r i e r , c a s e - b a s e dd e s i g n h a sb e c o m eah o t s p o to ft h em o d e mi n n o v a t i v ed e s i g na n dt h ei n t e l l i g e n c ec a d t h i s p a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g nc o l l a b o r a t i o no fc nm a c h i n et o o l sw i t hn i n em a i nd o m e s t i c f a c t o r i e sa n dt h ec b i ds y s t e md e v e l o p m e n t i tg e t ss t a r t e dw i t hr e s e a r c h e so nt h ed e s i g n c o g n i t i v em o d ea n dt h ea n a l y s i so fd e s i g nt h i n k i n ge x p e r i m e n t ，a n dm a i n l ys t u d i e sd e s i g n i n s p i r e dm o d e ，c a s ek n o w l e d g e ，c o g n i t i o nm o d ef r o md e s i g n e r sa n dc r e a t i v et h i n k i n g c h a r a c t e r i s t i c si ni n d u s t r i a ld e s i g np r o c e s s t h ea u t h o rp u t sf o r w a r da ni m p l e m e n t a r y s y s t e mo fc a s e - - g e n e r a t i n ga n dc a s e - r e t a i n i n gf o rc o m p u t e r - a i d e di n d u s t r i a ld e s i g na n d b u i l d sc a s ee v a l u a t i o ns y s t e m t h ep a p e rd e m o n s t r a t e sa n do p t i m i z e sal o to fc a s e r e t a i n i n gm o d e sa n dp u t s f o r w a r dt h eb e s tw a yt or e a l i z et h ee a s ep r e s e r v a t i o nf o rt h ec b i ds y s t e m a tt h es a n a e t i m e ，i tr e a l i z e st h ec a s el e a r n i n go fc a s e - b a s e dd e s i g n m o r e o v e r , i tc o u l dp r o g r a ma n d r e a l i z ef u n c t i o nm o d u l ea n dc a s e r e t a i n i n gm o d u l eg e n e r a t e db yt h en e wc a s eo ft h e c b i ds y s t e mw i t hc u r r e n tc o m p u t e r a i d e dd e s i g nt e c h n i q u e f i n a l l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e s t h em a i n t e n a n c eo fc a s ed a t a b a s ei nc b i ds y s t e m ，a n dt h er e s e a r c ho nt h ea s s e m b l yo f c a s ed a t a b a s e sa n dt h ee x p a n s i o no fc a s e s k e yw o r d s ：i n d u s t r i a ld e s i g n ；c a s e b a s e dd e s i g n ；c a s e g e n e r a t i n g ；c a s e r e t a i n i n g 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：喜犯日期：加每，月j 了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：李赶 刷醛名：奎虹 _ - _ _ _ _ 。；- - _ _ - - - - - 一 日期：刃晦r 月留日日期：力问睁r 月耐日 日期：c r 0 6 年r 月( 铲日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景及文献综述 工业设计自诞生到如今大约已有一百多年的历史，在这一百多年里工业设计和所处 时代的生产力水平有着十分密切的关系，不管是设计观念、设计思想还是设计手段都随 着社会的进步在不断的变化和发展“1 。近年来，随着计算机软硬件技术的日新月异，计 算机图形学、计算机辅助设计、人工智能、多媒体、虚拟现实等技术的发展和c a d c a m 应用的逐步深入，现代工业设计理论与方法的研究有了长足的进步，计算机辅助工业设 计( c o m p u t e ra i d e di n d u s t r yd e s i g n ，c a i d ) 技术已成为c a d 、c a m 、先进制造与自 动化技术领域的研究热点。本论文就是在对于计算机辅助工业设计的研究基础上展开 的。 1 1 1 计算机辅助工业设计 由于计算机辅助工业设计的出现，设计的方式发生了根本性的变化。这不仅体现在 用计算机来绘制各种设计图，用快速原型技术来替代油泥模型，或者用虚拟现实来进行 产品的仿真演示等，更重要的是建立起一种并行结构的设计系统，将设计、工程分析、 制造三位一体优化集成于一个系统，使不同专业人员能及时反馈信息，从而缩短开发周 期，保证设计制造的高质量。 图1 1 计算机辅助丁业设计技术发展状况 当前，国内外c a i d 的研究主要集中在电脑辅助造型技术、c a i d 中的人机交互技 术、智能技术以及新兴技术的应用研究等方面( 如图1 1 ) 1 3 1p 尤其是智能技术和新兴技 术在计算机辅助工业设计中的应用已经成为近期研究的热点。由于工业设计是一个多方 案的设计过程，具有很大的开放性；设计的数据库”是动态的、非数量的州。在工业 c b i d 系统新案例生成羽i 保存机制珂f 究 设计的概念设计阶段，设计者必须面对高度的不确定性和含糊的概念，使用带有模糊和 不精确的几何草图来快速表示、交流和记录具有创意性的思想。这就要求c a d 系统具 有相应的特点，如欠约束设计草图器和设计者的在线协同模块。而目前的比较成熟的 c a d 系统如c a t i a ( d a s s a u l ts y s t e m e s 开发) 、p r o e n g i n e e r ( p t c 丌发) ，大多集中在具 体化设计及其后续阶段，对于概念设计的支持不够充分。因此，在计算机辅助设计领域， 对于产品概念设计( 创新设计) 方面理论研究和技术开发是目前和今后c a i d 发展的一 个方向”1 。人工智能领域的一些研究，例如c b r 的发展，使计算机为设计师提供概念设 计1 的辅助成为可能。 1 1 2 基于案例的设计( c a s e b a s e d d e s i g n ，c b d ) 基于案例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 是人工智能领域近年来的一个研究热 点。c b r 起源于罗杰沙克( r o g e rs c h a n k ) 1 9 8 2 年在人工智能领域关于动态记忆和场景 回忆的问题求解过程中核心作用的研究”1 。c b r 通过修改以前相似问题的答案来解决新 问题，这种推理方法源于对人们求解问题方式的观察研究，它符合人们的思维方式。 c b r 在解决专家经验知识等问题上具有明显的优势。在设计领域c b r 技术已逐渐被应 用在许多的层面来解决不同的问题，并形成了基于案例的设计方法( c a s e b a s e dd e s i g n ， c b d ) ，c b d 往往被人们不自觉地应用”1 。 图1 2c b d 设计问题求解4 r 循环 “基于案例设计”在广义上即指一种 以前人所做过的设计案例作为设计的知识 基础，并在其基础上运用模拟、转化、调 整、合并等不同设计的手法，将已有的案 例修改成符合现有的需求使用的一种设计 方法9 1 。狭义的“基于案例设计”即是案例 使用的系统化方法，例如“基于案例的辅 助设计系统”的构建。基于案例推理的核 心思想就是利用过去实践中所利用的实例 和经验来解决新问题，是一种相似问题求 解方法，如图1 2 。通常把c b d 系统的设计 过程概括为4 r 廊i e v e ，r e u s e ，r e v i s e ， r e t a i n ，案例提取、案例重用、案例修改和 案例保存。c b d 先从案例库中检索出与当 前问题类似的以往问题的解决方案，称为 案例；再以此为出发点，综合运用领域知 识、推理技术帮助设计师不断交互修改该案例，直至产生能够解决当前问题的新方案； 最后将评估合格的新方案作为案例存入案例库中。 工业设计问题域是一个典型的病态结构域( i 1 1 s t r u c t u r e dd o m a i n ) 或者不良结构域， 其“病态”特点在于其设计问题的最佳求解域和求解的方式无法规则化和明确化。基于 硕十学位论文 案例的设计应用于工业设计领域的可行性在于：一方面，在产品的开发流程中，包含着 丰富的信息交互，成功的设计案例中所蕴含的有价值的经验，以传统的文本管理方式难 以被有效率的保存、提取和重用；另一方面，设计过程中视觉语言的本质就是表达意象， 产品造型意象的编码与解码，即是各种符号、风格和文脉的模拟、转化、调整、合并”1 ， 其本质就是基于“案例”或者文脉的造型语言。这种现象使我们相信如果能够以c b r 的思想为基础，开发出的计算机辅助工业设计系统，将会更好地激发设计师的设计灵感， 以及提供更有效的创新设计方法。 1 2 基于案例的设计方法的研究现状 1 2 1 基于案例的设计方法在设计领域的发展 c b d 技术运用于设计系统的构建，有两种不同的类型，一种是辅助设计系统， 种是自动化设计系统”。 辅助设计系统的特征包括：由系统的使用者确定并详细说明新设计问题的特征；系 统自动提取相似案例；由系统的使用者从一系列相似案例中选择一个与当前设计问题描 述最为相似的案例，然后修改此案例使其适合新设计问题的需要。 自动化设计系统的特征包括：系统根据使用者输入的对于新的设计问题的详细描 述，自动组织其重要特征来形成能够概括这个设计问题的主要特征；系统自动搜寻一系 列相似案例；系统自动从已选出的案例中选择一个与新的设计问题最相似的案例；系统 自动修改这个选出的案例：系统自动将修改后的新的设计案例存储到案例库中。 由于设计领域问题求解的特殊性，目前辅助设计的基于案例系统占多数。在国外基 于案例的设计方法已经在机械设计、建筑设计等领域得到了很多成功的实践。从 c y c l o p s 第一个真正的c b d 系统开始，相关c b d 系统包括j u l i a 、c a d r e 、 c a s e c a d 等”1 。c b d 技术在计算机辅助设计( c a d ) 领域中应用的可能性也已经得到了 验证。h u aa n df a l t i n g s 所建立的一个案例式设计系统c a d r e ，是针对建筑物的尺寸调 适而发展的系统”1 ；d o m e s h e ka n dk o l o d n e r 所发展的a r c h i e i i 则是个适用于建筑 概念设计的案例式辅助工具；m a h e ra n dz h a n g 整合了案例式推理的“分解问题”与“条 件满足”两个特性以解决结构设计问题的系统c a d s y 一“；m a h e ra n db a l a c h a n d r a n 的建筑结构设计系统c a s e c a d “”；n a v i nc h a n d r a 等人对于机构设计所提出名为 c a d e t 系统”；日本t o s h i b a 公司将c b d 技术用于电机设计，并通过多个案例的信息 来修改已提取的案例，不仅避开了获取修改规则这一瓶颈，还增强了设计结果的可靠性； 美国l o c k h e e d 公司与g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 合作开发的m i d a s 系统通过向设 计者提供相关案例，协助设计者完成飞机液压系统的概念设计，该系统还通过案例帮助 设计者在概念设计阶段尽早考虑下游开发及使用过程中的需要”。无论在哪一个中系统 的应用，c b d 系统都面临共同的关键技术问题，主要包括：案例表示方法、案例库组 织、案例检索、案例修改、案例存储”。尤其是案例的修改和存储仍是c b d 问题求解 的难点，也是本文的研究重点之一。 c b i d 系统新案例生成和保存机制研究 国内绝大多数c b d 领域的研究都还是停留在理论阶段，且只有少数学者触及将 c b d 运用于辅助产品概念设计阶段的研究，西安交通大学的凌卫青，赵艾萍，谢友柏 通过研究产品设计实例面向对象的表达，进一一步提出产品设计实例的获取模型，构建了 一个基于实例的机械产品设计系统”1 ，在现代产品概念设计自动化方向进行了尝试性的 探索。 1 2 2c b i d 概念的提出和“8 6 3 ”期间的研究成果 基于案例的工业设计技术( c b i d ) 和辅助设计应用系统研究的基本概念是研究基 于案例的工业设计相关理论和技术体系，并以产品造型创新概念产生的启发式思维机制 为基本思路，以数控机床为重点研究对象，在特定产品造型设计领域，通过建立面向设 计对象的产品外观造型理论模型，研究并构建具有激发创新设计功能的工业设计知识管 理和应用系统。 湖南大学设计艺术学院赵江洪教授，在“十血”攻关项目i c a i d 系统的基础上，借 鉴了“十五”系统的研发过程中及运行之后的问题和经验，主持“8 6 3 ”国家的科技攻 关项目基于案例的工业设计技术与辅助设计系统及应用研究，该研究弓国内多家主 机厂的技术合作关系，研发了一个全新、完全自主知识版权的基于案例的计算机辅助工 业设计( c b l d ) 系统，使之成为工业设计技术在制造业推广应用的技术平台。如图1 3 所示的“8 6 3 ”项目c b i d 系统页面。本文以数控机床造型设计为例探讨c b d 在辅助产 品造型设计尤其是其早期概念设计阶段方面的问题，并应用此方法初步构建一个基于案 例设计方法的网络化计算机辅助数控机床造型设计系统。 图1 3 “8 6 3 ”项目c b i d 系统页面 “8 6 3 ”期间解决的问题和取得的研究成果主要有： 数控机床工业设计研究：在与9 家主机厂进行合作设计的1 9 6 个机床造型设计方案 基础上，分别对数控机床造型设计知识、色彩设计知识和工业设计问题求解模式这三个 数控机床工业设计知识的主要内容进行研究。通过其提取数控机床工业设计知识，并为 下阶段的知识表达技术研究和系统实现奠定基础。 基于案例的工业设计模式研究：工业设计知识的表达技术研究是c b i d 系统的主要 硕士学位论文 支撑技术，也是从对数控机床工业设计知识本身的研究到知识应用系统转化的重要环 节。以基于案例的推理( c b r ) 理论作为切入点，将工业设计过程描述为一个从问题初 始状态经历若干中间状态到达目标状态的类比推理的问题求解过程。 数控机床c b i d 技术研究：分别针对基于概念驱动和数据驱动的检索技术、基于驱 动情境的重用技术、工业设计案例修改策略与修改方式、c b i d 系统中案例储存与新案 例生成机制和c b i d 系统平台实现机制五项技术进行研究，并完成了基于案例的工业设 计( c b i d ) 系统的构建。 1 3 论文的研究目标、方法与组织 本文通过研究基于案例的设计手段和分析工业设计的创新设计思维，探索了一种计 算机辅助工业设计的新案例生成及案例保存的实现机制，并应用于基于案例的数控机床 辅助工业设计系统。 基于案例的设计作为一种以案例为知识载体设计问题求解方法，是现代创新设计和 智能c a d 领域的研究热点之一。本文以实际的数控机床造型设计为基础，分析设计师 列数控机床工业设计的认知模式和创新思维特点，提出了基于机床造型案例的新案例生 成方法，构建了基于案例的计算机辅助设计系统新案例生成和评价体系。通过论证和优 化多种案例保存策略，提出了案例保存在系统中的最佳实现方式，并实现的基于案例系 统的自学习。 系统开发采用多种技术的综合，包括j a v a s c r i p t 、f l a s h 、x h t m l 、c s s 、d o m 、p h p 、 m 3 ，s q l 、a c t i v e x 。c b i d 系统运用的服务器端脚本语言是p h p ；c b i d 的知识库采用 m e t a d a t a 技术实现。c b i d 系统的数据库采用m y s q l 技术实现。 本文主要涉及的研究问题有： 基于案例的工业设计模式研究； c b i d 系统新案例生成机制研究； c b i d 系统案例保存机制研究。 c b i d 系统新案例生成和保存机制研究 第2 章基于案例的工业设计模式研究 2 1 基于案例推理的设计问题求解 “设计是围绕目标的问题求解的活动( a r c h e r 阿切尔) 。”问题求解是一个重要的 思维活动，是以心理学的研究为基础，从设计过程的角度来研究设计的”。在心理学中 问题求解包括；问题的定义、问题求解的过程、问题求解的策略等几个方面的内容，而 对于这几个方面内容研究所形成的理论是研究基于案例设计程序与方法的理论根据。在 c b d 模型中从新问题的提出、案例库中案例的提取与修改到最后新的解答产生过程正 是一个问题求解的过程。 2 基于案例设计中的知识载体 在工业设计的知识体系中，按知识获取途径的不同可分为“外显性知识”和“内隐 性知识”1 1 6 。从人工智能研究看，显性知识是“可以说出来的知识”，是可以形式化表 达的知识；而隐性知识是“说不出来的知识”，属于只能“显示”的知识。外显性知识 可以包括形态知识、色彩知识、工程系统知识和人机知识等。内隐性知识是设计师的实 践经验，常常是一些无法直接描述的判断、直觉和技能，内隐性知识相对于外显性知识 较难获取和表达。工业设计的内隐性知识包括设计师经验知识和用户经验知识。外显知 识足工业设计中的一般知识，是可以用规则和模型来表达的知识；经验知识没有规律t l 丁 循，难于量化和表达。而案例知识是工业设计显性知识和隐性知识的综合体，案例则是 案例知识的载体，如图2 1 。 图2 1 案例知识是t 业设计显性知识和隐性知识的综合体 案例知识中包涵着丰富的设计经验，它是一种综合一般知识和经验知识的综合体， 案例知识也是内隐性知识良好的表达方式。产品设计案例中蕴含的造型设计的“语言” 和品牌形象的特征都是具体性领域知识，即受具体情境限制、不可规则化的知识，是一 种情境知识，所以案例知识包含着丰富的设计方法，是解决问题的知识。基于案例的设 计在鳃决设计问题时，使用以前求解类似问题的经验来进行设计启发，而不需要从头再 来，失败的经验被用来避免同样的错误，而成功的经验则用来指导当前的设计。所以， 在基于案例的设计中的案例知识是设计知识的重要载体，设计师通过对设计案例的学习 和研究，进行对案例知识的推理、演化，找到解决当前设计问题的方法。 2 1 2 基于案例的问题求解模式 由于工业设计的过程不是一种孤立的设计活动，是一个涉及到全方位、多层面的设 计活动，它是受产品开发的各环节诸多条件的影响。新产品的设计过程是一个基于知识 和经验的复杂的创造性过程，也是一个信息高度密集的流程，所以设计领域的基于案例 推理是多约束条件的案例推理。基于案例的设计问题求解是利用c b r 方法解决实际问 题，可以被描述为多约束空间的最优化解”“。如图2 2 所示 解空间 图2 2 基于案例的设计过程描述为多约束空问求最优化解 基于案例的问题求解过程本质上是利用c b r 方法的最优化设计解的过程。a a m o d t 和p l a z a 将c b r 过程描述为包括4 个r e 的循环过程1 5 1 如图2 3 所示。 图2 3c b d 基于案例的问题求解模式 c b i d 系统新案例生成和保存机制研究 提取( r e t r i e v e ) ：提取最相似的案例； 重用( r e u s e ) ：重用试图解决新问题的案例； 修改( r e v i s e ) ：如果有必要，修改被建议的解决方案； 保存( r e t a i n ) ：作为新案例的一部分保存这个新的解决方案。 整个循环是从新问题的产生开始的，新问题产生后通过其需求分析的输入从案例库 中提取出一个或者多个相似案例，重用这些案例得出问题的建议方案；如果需要，再修 改建议方案，以求得问题的最终解；最后，将该问题的解答作为新案例保存到案例库中。 如此就形成了一个循环系统，每经历一个新问题的引用，案例库即相对产生一笔新的信 息，系统从而也达到自学习的目的。 2 2 基于案例的创造性设计思维过程模型 2 2 1 工业设计中的创造性思维 工业设计是一种造物活动，设计过程的本质在于启发创造性的思维，发挥创造力。 工业设计离不丌创造性思维活动，因为设计的内涵是创造，设计思维的内涵是创造性思 维”。创造性思维不是单一的思维形式，而是以各种智力与非智力因素为基础，在创造 性设计活动中表现出来的具有独创性、产生新成果的高级、复杂的思维活动。在研究方 法上创造性思维特别注重想象、直觉、灵感、潜意识在思维活动中的重要性。 工业设计认知的思维过程是一个非常复杂的心理现象，创造性思维是逻辑思维与 形象思维、发散思维和收敛思维等方式的有机结合”。设计认知的思维的突破口在于形 象思维，设计求解的答案是不能直接利用逻辑推导出来的，而要靠设计师的直觉和思维 的自由创造。在设计创新中，形象思维、抽象思维、直觉、灵感和美感是相互交织，共 同起作用的，但它们的地位和作用又不尽相同，其中起着突破和关键作用的是直觉和灵 感。从突破点和关键作用看，可以说，直觉和灵感是创造性思维的核心和灵魂。设计灵 感是没计师自动思维的沉淀，是对设计问题的一种直感，也是非逻辑思维，它是在良好 的启发状态下对事物复杂关系的突然领悟，具有思维活动的跳跃性。工业设计的创新设 计是一个基于知识启发的、不断创新的设计过程。 图2 4 工业设计创新设计思维的特征 工业设计创造性思维的实质，表现为“选择”、“突破”、“重新建构”这三者之间 关系与统一，如图2 4 。选择是创造性思维得以展开的第一步，包括找资料，调研、充 硕士学位论文 分的思考。创造性思维进程中，绝不盲目选择。目标在于突破，在于创新。而问题的突 破往往表现为从“逻辑的突变”到“思想上的飞跃”，孕育出新的观点、新的理论、 新思想。选择、突破是重新构建的基础。因为创造性思维不直接存在于现有知识体系中， 创造性思维的关键在于善于进行知识“重新建构”，有效地抓住新的本质，注意新的设 计思维构架。案例知识由于有很好的启发性、直观性、显示性，在支持设计“重构”上 有独特的优势，所以基于案例的设计是一种基于原经验知识的选择、突破和重新建构的 创新设计的方法。下面我们可以通过工业设计任务实验，分析工业设计创新设计思维的 启发模式。 2 2 3 数控机床工业设计任务分析实验 实验的目的和方法 通过工业设计认知实验，详细了解工业设计的思维模式和关键流程，案例在工业设 计中的应用，建立符合工业设计的创造性思维模型，并确定今后基于案例的计算机辅助 设计系统的流程和设计流程。 实验以典型的工业产品数控机床为设讨对象，采用心理学研究中关于“过程研究” 的试验方法口语分析法( p r o t o c o la n a l y s i s ) ”，又称为口语报告法。口语分析法要 求被试( 试验对象) 在解决某一个问题或做出判断与决策时，根据问题的特点和要求， 报告自己的分析和思考过程；研究者对口语报告进行录音或录像，然后，通过分析被试 的口语报告，获取被试的认知活动信息。 实验内容 实验的具体情况如下： 实验时间、地点：实验分为两个阶段，第一阶段实验( 2 0 0 4 年1 1 月6 日- 1 1 月7 h ) 在湖南大学进行，第二阶段实验( 2 0 0 5 年1 月1 0 日2 2 日) 在沈阳第一机床厂、 大连机床厂、济南第一机床厂等全国7 家机床主机厂进行。 实验对象：有机床工业设计经验的设计者 实验任务：实验为有偿实验，要求被试完成以下两个实验任务： 以某款数控车床为设计对象，提供了某款机床结构工程图( a u t o c a d 文件，包括 图纸和电子文件) 、机床设计案例相关图片、资料( 包括印刷品、电子文档等) ，s o l i d w o r k s 模型以及相关的设计参考资料，要求被试进行造型设计工作，提交外观造型及三组配色 方案( 不涉及机床结果布局的修改) ； 设计任务完成以后针对设计中的一些问题完成相关问卷。 如下图2 4 是七名被试设计南京数控c k l 4 4 0 数控机床所做设计草图和设计结果。 图2 4 数控机床工业设计草图记录分析和最终设计效果 实验结果分析 根据实验的内容，实验结果的分析包括录像记录关键任务分析、问卷分析、草图记 录分析三个部分。我们从设计内容的角度，分析了实验中被试的关键任务。我们定义的 初始状态是布局工程图，最终状态是设计效果图。通过对实验结果的分析，可以得出被 试从事产品工业设计工作的设计过程模型，如图2 5 。 i 一： 篙嚣一戆鋈雾莲匦图一蘑圈篙暑 葙奚嚣石，一h | | 遂鍪夔整l l 一| | 夔童篓墼卜_ 一| | 夔鎏塞鎏l - 五矗i 选择仁= = 突破匕令 重繇建构 图2 5 被试的数控机床工业设计过程模型 总体看来被试的主要关键任务基本相同，包括三个关键任务：设计的起点、形态没 计和色彩设计。但关键任务的执行顺序和每个关键任务的具体实施方式却有较大的不 同。下面做具体分析： 设计起点主要有三种情况：查看相关机床设计案例相关图片、资料，观看立体结 构模型，设计中回忆记忆中的机床形式，是设计案例的选择过程。 形态设计两名被试是从局部开始进行设计的，其余的被试都是从整体尺寸开始进 行设计。所有被试在建立模型的时候都是从侧面轮廓开始。设计过程中，被试基本按照 主体、门、观察窗、把手、附件的顺序进行设计，并不断的修改和参考资料。大多数被 试在设计过程中，发现以前效果并不理想，又返回对前面的设计进行修改。 硕士学位论文 色彩设计色彩设计的开始时间并不是完全确定的，因为大多数被试在形态设计时 候就开始进行一定的色彩处理了。色彩设计主要是一个反复调整的过程。 由于实验客观因素的制约，没有对被试的设计方案进行实施与评价，因此被试模型 中没有包含太多后续任务的反馈，而是以线型的设计过程为主，也就是说这次设计任务 是一次概念设计。 通过研究数控机床实验的关键任务我们发现在设计思维上，按时间的先后分为四个 阶段：准备、构思、细化、决策。在方案创造中思维都经历由发散到收敛的过程，这些 特点是由设计对象的性质、工业设计的一般规律和创造性思维的特点决定的。工业设计 的概念设计阶段中的准备阶段知识都是片段的，如果有很好的案例组织，就能很好的启 发这一阶段的创新设计思维。抽象思维和形象思维在构思设计阶段，就显得非常重要。 逻辑思维在确定设计方案阶段确定阶段非常重要，它是设计决策阶段起着决定性的作 用。如图2 6 。 图2 6 被试的数控机床t 业设计过程中思维过程 概念设计的复杂性在于大量知识的掌握和应用，以及设计过程的非单调性，所以需 要大量的知识辅助。案例知识是设计中的重要知识载体，它包含着丰富的经验知识。设 计的一般知识，经验知识和设计创新思维方法都是工业设计问题求解重要因素。所以良 好的应用案例知识可以突破个人知识的局限，大大地提升设计思维的广度，从而获得更 多的创意。设计师的灵感来自于观察和体会，而设计思维的演进又是一个从形象思维启 发开始，由逻辑思维推理渐进的一个复杂过程。工业设计的过程就是启发设计师的创造 力，由于设计案例的情景特性，就决定了它对设计师的灵感创造具有独特的启发性。由 此我可以得出结论，工业设计的过程和创造性思维的产生，都是案例启发性的，而案例 的启发性在于案例所表达的知识( 显性知识和隐性知识) 具有的直观性和显示性。我们 将两者相比较并结合c b d 的设计流程提出了基于案例设计在工业设计创新思维中的应 用模式。 c b i d 系统新案例生成和保存机制研究 2 2 3 数控机床工业设计创造性设计思维过程模型 从数控机床的工业设计任务实验分析结果可以得出，数控机床的工业设计是一个基 于知识的创新设计过程，案例知识就是先将过去的经验知识再现给设计师作启发，进行 创造性设计过程，反复迭代建立设计师自己的思维构架，如图2 7 。首先，设计师需要 对设计任务了解，对现有的案例进行分析、归纳，然后定位产品的语义，确定合适的产 品意象，接着应用创造性思维方法，结合现有的成功实例，提出具有创意的设计草案； 下一步就是选择优秀的设计草案进行优化设计，先从整体优化，确定好整体感觉后，结 合产品中的细节，如机床门、把手、色彩、标牌、人机关系等，得到最后满意的设计方 案。最后，满足生产工艺投入量产。 图2 7 工业设计创造性设计思维过程模型 工业设计师数控机床设计思维过程是一个由整体到局部的过程。首先是通过语义概 念，如曲面的、直面的、统一的、变化的等词语来描述自己在设计过程中的设计方案， 然后是以工业设计师特有的把握造型语义的能力，结合产品设计定位，进行逐步的优化 设计。后一阶段的优化设计主要就是对产品细节的刻画，它也是围绕在既定的产品意象 周围的设计细化。 工业设计师的造型设计思维推理过程是自上而下( t o p d o w np r o c e s s i n g ) 的，从抽 象到具象的过程。“。自上而下的认知过程由概念引导对刺激进行信息加工，也称为概念 驱动的设计信息加工1 。自上而下的推理过程特指由语义概念引导对机床造型、色彩进 行创造性设计的过程。设计方案产生的过程从模糊到清晰，从抽象到具象的多方案思维 收敛。 硕士学位论文 在自上而下的推理过程中，设计师主要是采用两种思维方式：类比和联想。类比是 为了从实例知识中提取可行的成功因素，在设计师的脑海中将抽象的语义概念定义为形 象的典型的机床整体造型、色彩搭配、部件造型特征；联想则是通过对产品的设计定位， 寻找突破口，结合自己所具有的设计知识，提出具有创造性的设计方案。这种思维特性 也是基于案例的设计方法的特性，即案例提取、案例重用、案例修改和案例保存。 2 3 基于案例的工业设计程序 2 3 1 基于案例工业设计的方法与程序 基于案例的产品设计是一种创造性的系统方法，设计的一般知识，经验知识和设计 思维方法都是工业设计问题求解重要因素。基于案例的工业设计系统方法主要是创造性 和继承性相统一，案例为系统提供了联想、组合、类比、变异。1 四种方法： 案例联想通过对案例的具象联想和抽象想象触发设计灵感，解决类似的设计问题， 是最直接的基于案例的设计方法。具象联想是一种去感知的案例中的设计要素，而抽象 联想是联想某种风格或特征，例如优雅、高贵、厚重、轻快、灵秀等。 案例组合通过解构案例中的各设计要素，重新组合构建新的设计方案。案例组合 是建立在对案例分析的基础上的，最常用的方法就是形态分解法。在实际设计过程中， 可以通过不同设计案例或多设计案例的样式组合，实现产品形态设计的创新。 案例类比通过参照同类或相似产品案例，经过分析、对比当前设计问题情境，找 h 差异，判断哪些案例特征保留利用，哪些必须修改创新。案例类比推理是通过一个映 射过程，将知识从一个情境转化到另一个情境。对设计师而言，案例类比是基于案例设 计中较高层次的应用方法，也需要推理经验的积累和不断的提高情境迁移的能力，如图 28 。 图2 ，8 应用案例类比方法的设计 案例变异是基于案例的设计中一个独特的设计方法，就是寻求一个和当前参考案 例最大差异度的设计解，通过案例变异得到特异的设计方案，形成新的设计风格。案例 变异的方法在改变产品设计风格或风格跨越比较大的时候经常用的到，如图2 9 。 c b i d 系统新案例生成和保存机制研究 图2 9 应用案例变异方法的设计 对于设计师而言，利用基于案例的方法求解设计问题，首先是明确当前的设计需求 和设计目标，根据具体的设计要求来寻找合适的参考案例作启发。设计案例的选择不是 一个很严格的操作过程，可以是设计要素相似的设计案例也可以是局部借鉴很高的设计 案例，也可以是不同类别产品的成功案例。设计师通过案例学习和研究，结合基于案例 的创新思维方法，案例视觉资料激发和案例情景思维方法的启蒙共同作用，得到解决新 设计问题的设计策略。如图2 1 0 。 图2 1 0 基于案例的创新工业设计程序 在工业设计的过程中，无论是造型的问题，还是色彩、材质等，甚至设计风格，品 牌形象都可以利用基于案例的设计方法进行设计推演和生成新方案。为了方便设计师更 好地应用设计案例，许多知名设计公司，都按照产品设计的特征建立案例库，从而提高 了基于案例设计的效率。设计师在不断重用案例进行基于案例的设计中，不断地丰富案 例库，当然也提升了案例设计的经验。 2 3 2 基于案例的工业设计辅助设计系统 机床行业虽然是传统制造业行业，但生产数控机床的行业，由于其产品的知识含量 的增加，也正向知识型企业发展。基于案例的工业设计辅助设计系统是建立在研究基于 案例的工业设计知识体系的基础上，并以产品造型创新概念产生的启发式思维机制为基 本思路，以数控机床为重点研究对象，通过建立面向设计对象的产品外观造型理论模型， 研究并构建具有激发创新设计的工业设计辅助设计系统。我们借助计算机辅助设计的强 大，i = 具，构建一个基于案例的工业设计辅助设计系统( c b i d ) 。本文提出了基于案例的 硕士学位论文 工业设计辅助设计系统的理论模型，如图2 1 1 。 设计问题解决 图2 1 l 基于案例的工业设计辅助设计系统的理论模型 第，新设计问题的输入，这一阶段着重解决设计的方向和预期目标问题。设计最 后的成败主要取决于系统是否满足了实际设计需要，是系统开发的目标定位问题，系统 的最终定位是建立在对用户需求分析基础上的。 第二，基于案例的创新设计，这一阶段主要涉及的是综合应用基于案例的创新设计 方法，完成案例的重用与修改，生成新的设计方案。该阶段是基于案例设计最具创新性 的一个阶段，也是基于案例设计最重要的一个阶段。这一阶段不仅需要优良的案例数据 库作支持，还需要大量的一般知识的辅助。 第三，设计案例的评价与保存，这一阶段主要是一方面为系统用户保存当前的设计 结果提供给后继的详细设计与生产环节；另一方面，进行新案例评价，对本次的设计过 程，即系统的设计操作过程与结果经知识工程提炼成为新的设计案例，保存到系统的数 据库中。 设计师使用c b i d 系统也是利用基于案例的创新设计方法解决设计问题的过程，所 以系统的构建离不开研究工业设计本身问题。针对产品造型设计这个病态结构域的广义 问题求解的特点，根据产品造型没计认知试验研究，本文提出基于案例的计算机辅助工 业设计过程模型。如图2 1 2 。 c b i d 系统新案例生成和保存机制研究 设计师 g b l d 系统 图2 1 2 基于案例的计算机辅助设计系统的过程模型 - 1 6 - 硕上学位论文 第3 章c b i d 系统新案例生成机制研究 3 1c b i d 系统中的案例知识应用 c b d 作为一种创新设计的方沾，提供了一整套新颖的知识表达、组织和处理的思 想与概念。c b d 作为一种问题求解的力法学，其理论背景涉及到认知心理学与人工智 能等领域，很多概念甚至直接来自于认知思维模型。在这种情况下，c b d 在具体领域 的应用研究变得重要起来。c b d 是指设计人员运用c b r 技术从设计案例库中找出相似 问题的设计解，并按照新的要求和约柬条件修改或组合原有设计生成新设计的过程。对 于c b i d 系统而言，就是应用系统的案例知识，利用基于案例创新设计方法生成新设计 方案。 3 1 1c b i d 系统中的案例与知识表达 案例是以前设计问题的优化结果或满意结果，它本身包含着大量的设计经验知识， 所以案例知识是解决问题的知识。案例是一种结构化的知识表达形式，是c b d 设计 中操作和处理的主要对象“。 案例本身除了是具体的个案外，其基本上是设计知识的浓缩或解决的方案，更可 缩短设计解答的途径，提高设计的效率。案例中蕴含了许多设计过程中难以用文字表 述的预设共识以及隐性知识。案例的使用是在作品的原创性之外提供案的设计经验，使 设计者得以迅速的进入状况、增加设计知议咀及扩展设计的可能性。 在r a p h a e l 的c a d r e m 中， 将设计案例表示为设计方案、鹾计过程和设订任务 的组合4 1 ，构成设计案例知识的概念模型，如图3 1 。设计案例本身具有很强的结构性， 图3 1 设计案例结构的概念模型 设计任务是设计的起点，也是设计案例的第一层次， 它包含了