（设计艺术学专业论文）面向概念创新设计的知识框架构建与应用方法研究.pdf

1j1 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：皇! ! 垒圣 、l 1 - 一 ， 日期：兰! ! 圣 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究牛在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 各荔扣 氲被 己，1 2b 趸 日期：呈! ! 兰 日期：型! ! ：墨：! !伽- i j 面向概念创新设计的知识框架构建与应用方法研究 摘要 在当前社会，创新性已经成为判断产品是否成功的一个重要因素， 而概念设计由于不确定的因素多、设计的自由度大、创造力要求高而 成为创新设计的核心阶段；另一方面，在当今知识爆炸、产品多元化 的背景下，知识和经验对于辅助工业设计师开展概念设计有很大的帮 助作用。以往的基于知识的概念设计方法学研究主要集中在工程设计 领域，而对于如何利用知识开展工业设计概念创新活动的研究目前还 未能引起足够的重视。 本文以上百个红点奖获奖作品的分析为基础，以t r i z 理论4 0 个 创新原理为参照，构建了面向概念创新设计的知识框架并提出了具体 的应用方法。论文主要的研究工作概括如下： ( 1 ) 在对概念设计的过程以及设计师在设计活动中的认知行为 进行研究的基础上，提出了知识在概念设计过程中的重要性。并进一 步指出，属性知识和方法知识相结合对辅助设计师开展概念设计具有 重大作用。 ( 2 ) 对红点概念创新奖的1 2 0 件获奖作品进行分类，并对作品的 属性知识和方法知识进行了提取。进而分别完成了这两类知识的框架 的建立。 ( 3 ) 构建了概念创新设计启发知识库并在该库的指导下完成了 一项产品设计。论文通过实验证实了该库对工业设计师开展概念设计 具有较强辅助作用，进而论证了先前知识框架的构建具有一定的合理 性。 关键词t 概念设计设计知识t r i z 理论工业设计 厶l j t h es t u d yo nt h eb u i l d i n ga n d a p p l i c a t i o no f c o n c e p t u a ld e s i g n 0 r i e n t e dk n o w l e d g e f r a me w o r k a b s t r a c t i n n o v a t i o n h a sb e c o m et oa l l i m p o r t a n tf a c t o rt oj u d g et h ep r o d u c t n o w a d a y s ，w h i l et h ec o n c e p t u a ld e s i g nh a sb e c o m et h ec o r es t a g ed u et oi t s u n c e r t a i n t y ，l a r g ed e g r e eo ff r e e d o m ，a n dh i g hr e q u i r e m e n t so fc r e a t i v i t y o n t h eo t h e rh a n d ，i nt h ec o n t e x to f t o d a y sk n o w l e d g ee x p l o s i o n ，t h e d i v e r s i f i c a t i o no fp r o d u c t s ，k n o w l e d g ea n de x p e r i e n c ed i dag o o dj o bt o s u p p o ri n d u s t r i a ld e s i g n e rf o rt h ec o n c e p t u a ld e s i g n t h er e s e a r c ho f k n o w l e d g e b a s e dc o n c e p t u a l d e s i g nm e t h o d o l o g yi sf o c u s e do nt h e e n g i n e e r i n gd e s i g nf i e l d ，a n d f o rh o wt ou s et h ek n o w l e d g et o l c a d i n n o v a t i o na c t i v i t i e so nt h ei n d u s t r i a l d e s i g nf i e l di s s t i l ln o ta t t r a c t e d e n o u g ha t t e n t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fm o r et h a n10 0r e dd o ta w a r dw i n n i n ge n t r i e s a n dr e f e r e n c eo ft r i zi n n o v a t i o nt h e o r y , w em a k e g r e a te f f o r t st ob u i l dt h e c o n c e p t u a ld e s i g n o r i e n t e dk n o w l e d g ef r a m e w o r ka n ds t u d yh o wt ou s ei t 。 t h er e s e a r c hw o r ka r es u m m a r i z e db e l o w ： ( 1 ) s t u d yo nt h ec o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s sa n dd e s i g n e r s c o g n i t i v e b e h a v i o ri nt h ed e s i g na c t i v i t i e s t h er e s e a r c hs h o wt h a tk n o w l e d g e p l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nc o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s s a n df u r t h e rp o i n t e do u tt h a tt h e p r o p e r t i ek n o w l e d g ea n dm e t h o dk n o w l e d g ec o m b i n e dt oa s s i s ti nt h e d e s i g no fk n o w l e d g et oc a r r yo u tt h ec o n c e p t u a ld e s i g nh a sas i g n i f i c a n t r o l e ( 2 ) t oc l a s s i f y12 0w i n n i n ge n t r i e so fr e dd o ta w a r d t h e nw ee x t r a c t p r o p e r t i ek n o w l e d g ea n dm e t h o dk n o w l e d g ef r o mt h e s ep r o d u c t sa n d c o m p l e t t h ef r a m e w o r ko ft h e s et w ot y p e so f k n o w l e d g e b u i l d i n g ( 3 ) t ob u i l dt h ec o n c e p t u a ld e s i g nk n o w l e d g eb a s ew h i c hh a st h e a b i l i t y o fi n s p i r a t i o n w ed e s i g n e dac o n c e p t u a lp r o d u c tu n d e r t h eg u i d a n c eo ft h i s k n o w l e d g eb a s e f i n a l l yw ed e v e l o pae x p e r i m e n tw h i t c hc o n f i m e dm a tt h e l i b r a r yh a ss u p p o r t t e di n d u s t r i a ld e s i g n e r sm u c h ，a n dt h u sd e m o n s t r a t e dm e b u i l d i n go fp r i o rk n o w l e d g eh a sac e r t a i nr a t i o n a l i t y k e yw o r d s ： c o n c e p t u a ld e s i g nd e s i g nk n o w l e d g et r i zt h e o r y i n d u s t r i a ld e s i g n k 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 概念设计的重要性1 1 1 2 知识与案例在产品概念创新设计过程中的重要性1 1 1 3 “红点设计奖”介绍2 1 2 产品创新设计理论及基于知识的概念设计研究现状3 1 2 1 产品创新设计理论研究现状。3 1 2 2 设计知识参与概念创新设计的研究现状5 1 3 存在的关键问题6 1 4 论文的丰要内容和结构安排6 1 4 1 论文的主要内容。6 1 4 2 论文的结构安排7 第二章基于知识与认知的概念创新设计过程分析8 2 1 面向产品创新的概念设计认知过程8 2 1 1 产品设计( 开发) 的流程与概念设计过程。8 2 1 2 创造性思维过程与概念创新设计认知行为l o 2 2 概念设计过程之一创新的切入l1 2 2 1 切入点的抽取l l 2 2 2 标准化模型的分析1 2 2 3 基于知识的概念创新设计过程模型1 3 2 3 1 无处不在的知识1 3 2 3 2 基于知识与认知的概念创新设计过程模型1 4 2 3 - 3 工业设计领域与工程设计领域概念创新设计之比较1 4 2 4 属性知识与方法知识1 5 2 4 1 属性知识与方法知识1 6 2 4 2 属性知识与方法知识结合的优点1 6 第三章红点奖获奖案例的分析与设计知识提取1 8 3 1 案例的分类1 9 3 1 1 创新的类型1 9 3 1 2 红点奖获奖案例的创新类型的判断与分类2 0 3 2 属性知识提取2 l 3 2 1 属性知识框架2 l 3 2 2 属性知识提取示例材质肌理提取2 2 3 3 创造性解决问题1 像i z 理论2 3 3 3 1 t r i z 概述以及t r i z4 0 条发明创新原理2 4 3 3 2t r i z 理论对于工业设计领域概念创新适用性的研究2 4 3 4 基于t r i z 理论的产品概念设计创新原理及方法知识归纳2 5 3 4 1 实验设计2 5 3 4 2 实验结果分析2 6 3 4 3 创新方法知识的完善2 6 3 5 部分使用频率较高的创新方法分析：。2 7 3 5 1 分割2 7 3 5 2 预先紧急措施2 8 3 5 3 动态化2 9 3 6 新增的四个创新方法详细说明2 9 3 6 1i 稳喻2 9 3 6 2 曝光31 3 6 3 构成3 2 3 6 4 契合3 2 3 6 5 沉浸3 3 第四章产品概念创新设计启发式知识库的建立与设计实践3 4 4 1 案例知识的组织与表示方法3 4 4 1 1 常用的知识表示方法3 4 4 1 2 面向对象的知识表示方法3 5 4 1 3a c t i o n s c r i p t 面向对象语言简介3 6 4 2 知识类之间的关系分析3 8 4 2 1 知识类之间的关系分析3 8 4 2 2 知识对象的特点3 9 4 3 原型系统的界面设计与使用介绍4 0 4 4 设计实践左右手通用数码相机概念设计4 1 4 4 1 概念的提出4 l n 4 4 2 运用概念设计启发式知识库里面的方法知识发展概念草图4 3 4 4 3 方案的评价及发展4 4 4 5 设计师的使用红点奖案例库的情况与系统论证4 6 第五章总结与展望4 8 5 i 工作总结4 8 5 2 后续研究和展望4 8 参考文献4 9 致谢。5 2 攻读学位期间发表的学术论文目录5 3 i i i 北京邮电大学硕士学位论文 o 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 在当今日益激烈的市场竞争环境下，企业的创新能力已经成为核心的竞争力。 制造业生产出来的产品直接面临消费者，因此这个行业对市场的依赖更强【l 】。我国 制造业由于受到国际金融危机的影响，最近几年发展步履维艰，这一点在低端制造 业方面表现得更为突出。因此，国家大力提倡企业加强自主创新能力，由“中国制 造”转变为“中国创造”。值得一提的是，中国机械工程学会在广东省东莞市举办 了“创新设计培训班。对从事制造业各门类，机械制造、汽车制造、石油、化工、 轻工业( 家用电器) 、国防工业系统等行业及民营企业的领导、总师、项目负责人进 行创新设计培- p t l ，培训内容包括创造新方略、创新体系、创造技能、创造创新技法、 创新战略、创新环境、产品创新设计一r i z 在产品设计中的应用及其案例分析等。 先进制造业呼唤创新设计，这在当前的中国已经达成一个共识。 1 1 1 概念设计的重要性 社会学家认为，我们已经进入一个“后工业时代。在这个时代，知识呈指数形 式的增长，信息的传播速度飞快【2 】。一方面，消费者在各种信息的轰炸之下，对产 品的要求越来越严格，越来越于个性化；另一方面，产品的技术不断向前发展，新 技术的产生迫使产品改变原有面貌，以相应的形式与之适应。产品牛命周期将更加 缩短，创新性成为判断产品设计成功与否的重要因素【3 】。为了推出成熟的、有市场 竞争力的产品，在实际产品开发流程中，我们需要根据用户需求，生成大量的概念 产品，这以过程成为概念设计。在整个产品开发流程中，概念设计由于设计的不确 定因素多，设计的可塑性和自由度大，创造力要求高，从而成为创新设计的核心阶 段。在大多数企业的产品开发( 设计) 流程中，概念设计一般由工业设计师负责完 成。因此，如何激发工业设计产生更多的、更有创新性价值的方案是一个值得我们 大力研究的问题。概念设计、创新设计的重要性也要求设计师需要更广阔的知识视 野，更丰富的设计操作经验和更完善的创新理论【i 】。 1 1 2 知识与案例在产品概念创新设计过程中的重要性 后工业时代的另一个特征是知识大爆炸，而产品设计是一个以知识为中心的活 北京邮电大学硕士学位论文 动。设计师在设计活动中通常需要借助于能够被重复利用的设计知识( 包括设计过程 知识以及设计结果知识1 解决新设计问题。据统计，企业的产品设计大多数是对以往 的产品进行改良设计或自适应性设计，因此设计知识重用对设计师来说是至关重要 的，它能够大大提高设计师的工作效率和设计质量。越来越多的企业也开始考虑如 何组织、管理、重用设计知识，并将这些知识当成自己的战略资源 4 1 。概念设计作 为产品开发流程中最重要的一环，同样需要大量高水准的知识的参与。缺乏知识的 概念设计就像闭门造车一样，不断受到经验丰富的产品开发团队的质疑和摒弃 3 3 1 。 知识建模、知识提取、知识检索等技术在近几年有了长足的发展。 1 1 3 “红点设计奖”介绍 红点奖作为欧洲最具声望的工业设计奖项，拥有5 0 多年历史，是国际公认的全 球工业设计顶级三大奖项之一，享有工业设计界的“奥斯卡”称号。德国“红点奖” ( r e dd o t d e s i g na w a r d s ) 与德国“i f 奖”、美国“i d e a 奖”并称为世界三大设计大 夥 大o 2 0 0 8 年设计概念将分为1 6 大类，每个类别都尽量涵盖广泛，类别当中或许有未 提到的类别，但并不能因此局限设计创意和理解方法。这些类别有： l ：浴室：水龙头、浴缸、洁具： 2 ：家用电器：吸尘器、洗衣机、搅拌机、洗碗机、电饭锅、电热水器； 3 ：教育器材：辅助教具、玩具、教室设计； 4 ：娱乐器材：音响系统、电视机、便携式音频播放器、可携式影音播放器、数 码相机、摄录机； 5 ：时尚类：手表、眼镜、服装、手袋提包、鞋类、珠宝、旅行配件； 6 ：家具类：浴室、起居室、卧室、厨房、办公室、储藏方式、桌椅沙发、成套 家具及档案管理系统； 7 ：绿化：都市承受性设计、能源节约设备、另类能源、环保、再利用； 8 ：栖所：建筑设计、移动房屋、智能房屋、都市设计、灾害简易速建房屋、帐 篷、低造价房屋、避弹建筑、展厅、展棚、展位设计； 9 ：灯具：吊灯、台灯、户外灯、灯具系统，灯饰； l o ：互动及通讯：多媒体互动展示系统、移动电话、信息设备、3 g 设备、远距 离会议、演示和会议辅助设备、无线通讯和定位系统； 1 l ：室内用具：餐具、花瓶、室内装潢； 1 2 ：生命科学：促进健康装置、按摩椅、医疗器械设备、假肢、助听器材、运 北京邮电人学硕士学位论文 动及健身器材、医疗用品和设备、实验室用具设备、卫生装置、校正仪器、手术和 医院设备； 1 3 ：运输类：汽车、大众运输、船只、飞机、杂交水陆两用车、遥控机器人、 汽车、汽车配件、汽车工程、巴士、施工及运输设备的生产力； 1 4 ：生产力和工作：个人数码用具、电脑、扫描机、复印机、办公室设备； 1 5 ：防护：个人防护装置、安全工具、安全设备、安全性磨损、火警警报器、 灭火器、防盗装置、家庭保护装置； 1 6 ：休闲：体育、棋盘游戏、电脑游戏、玩具、乐器、桑拿、日光浴、野营装 备、便携式游戏设备。 1 2 产品创新设计理论及基于知识的概念设计研究现状 1 2 1 产品创新设计理论研究现状 目前，产品的创新朝着三个方向发展：即面向问题的创新、面向目的的创新与 面向载体的创新【5 1 ，如图1 1 所示。 l 创新的类型ii 创新的特点i 涵鬯毯隧曲 趔魈- ，一”一、八厂 、 图1 - 1 产品创新的三个发展方向 面向问题的创新强调解决产品或系统存在的问题，t r i z ( 发明问题解决理论 t h e o r yo f i n v e n t i v ep r o b l e ms o l v i n g ，) 理论是实施此策略较好的方法f 6 j 。例如t r i z 理 论重要内容之一的冲突矩阵，在解决技术问题时，当改善系统的某个属性时，往往 会使系统中其它属性恶化，这时便产生了系统矛盾对立。中国科学技术大学李萌在 硕士论文“基于t r i z 和d e a 理论的产品概念设计方法研究”阐述了矛盾冲突矩阵。 借用一个产品设计之外的例子：老虎和驯兽师的矛盾。既要让老虎表现出足够的野 性，又不能伤害驯兽师。解决这些矛盾，就意味着设计的创新。面向问题的创新的 结果是产生具有高度创新性的方案。 北京邮电人学硕+ 学位论文 面向目的的创新的目标是设计一个产品或系统替代原来的方案，功能行为结构 ( v b s ) 映射法和科学效应库是实施此策略比较好的方法【6 】。现有产品的主要功能改进 达到极限，我们没有办法像面向问题的创新那样去协调技术矛盾了。例如，为了设 计出一款能够显著提高洗涤效果的洗衣机，我们首先会提高洗衣机叶片的转速，但 是如果一直提高下去的话，将会出现两种情况，一是衣物的面料受到伤害，而是动 力系统的转速不能无限制提高。在这种情况下，我们将洗衣机清洗衣服的功能简化 为某种科学效应。四川大学占向辉在其硕士论文“面向创新设计的科学效应库的研 究 里面对效应库的组成结构做了深入研究。所谓的效应是指应用本领域，特别是 其它领域的有关定律解决设计中的问题。如采用数学、化学、生物及电子等领域中 的原理，解决创新设计q g , j 新问题【7 l 。在产品设计过程中，当明确了产品的功能要 求，但单凭设计人员的经验并不能准确的制定设计方案时，可以考虑效应知识库来 辅助设计人员以形成设计方案。用功能分析来对新产品进行设计分析时，首先确定 产品应该实现的功能，然后在效应知识库中找出相应的功能模块，在此功能模块中 找出与产品功能最接近的功能。这样知识库就给出了实现功能的效应。从文献分析 可以看出，面向目的的创新偏重与解决工程技术领域的问题，与工业设计领域解决 产品与人的关系问题有所差距。该类型概念创新设计分别作用于功能层和载体结构 层，并完成功能层向结构层的映射，另一方面，在功能层和结构层中也有自身的层 次关系。因此，面向目的创新揭示了创新的层次性特征。 面向载体的创新的目标是改变产品的形式，用于满足用户文化和精神上的需求， 非逻辑思维法是实施此策略比较好的方法。工业设计师在此类创新上面起到很重要 的作用。这类创新大大促进于产品差异化、个性化发展，因此，该类型创新揭示了 创新多样性的特点。 产品创新设计理论的三个研究热点： ( 1 ) 基于知识的创新设计研究，如何利用领域知识进行设计，以及概念知识的表 示、获取等【3 6 】，如专家系统，c b r 系统等在设计中的应用。其中，湖南大学徐雷在 其博士论文“基于案例学习的计算机辅助机床造型设计系统”里面通过意向匹配的 方法，直接由设计需求推出符合要求的造型细节；上海交通大学谭武征在博士论文 “基于知识的概念创新设计系统关键技术的研究 里面研究了推理的丰要机制，并 构建一个基于知识的概念创新设计系统。 ( 2 ) 基于心理学的创造性思维研究，如直觉思维法、发散思维法、意向联想法等。 这些思维方法的重点是强调从不同的角度思维，克服心理定势对创造性思维的约束 和抑制，发散搜索，产生不止一个可供选择的新概念。这些创造性思维强调的是概 北京邮电人学硕+ 学位论文 念设计的空间而不必过分关注创新结果的好坏和效率的高低。华南理工大学骆雯等 人在论文“基于有向相似性联想的产品创新设计思维方法提出发散与收敛交替的 创新设计思维模型。 ( 3 ) 以工程技术发展规律为对象的发明问题研究等。以工程技术发展规律为对象 的发明问题解决理论，以技术系统为主体，着重研究技术创新的规律，强调解决技 术系统的进化矛盾，重点在于发明问题求解，在我国，天津大学于1 9 7 9 年引入美国 i m 公司的t e c h o i n t m i z e r 软件，开始了对t r i z 理论、方法和t e c h 0 p t i m i z e r 软件应用的 研究。河北工业大学的檀润华教授、上海交大的刘鸿恩教授在t r i z 理论方法及应用 研究方面进行了很多研究并取得了重要的研究成果。这些创新设计方法学应用软件 以t r i z n 论为基础，结合现代设计方法学与计算机软件技术及多学科领域的知识， 辅助设计人员在不同工程领域产品的概念设计阶段，打破思维定势、拓宽思路、高 质量、高效率地提出可行的创新设计方案。这些软件以强大的创新知识库( 包括发明 专利与事例库、多学科工程学原理库、创新原理库、发明问题标准解法库等) 作为底 层支撑，充分利用了计算机存储信息量大、计算速度快、稳定可靠的优点，消除了 创新设计过程中人为的偶然性和片面性，因此用它来解决产品的技术问题和进行创 新比传统的方法更为有效。 1 2 2 设计知识参与概念创新设计的研究现状 目前，在设计知识参与概念创新设计的研究方面，主要研究集中在面向概念设 计的知识获取、知识表示、知识重用、知识表示四个方面。西北工业大学余媛芳在 论文“面向产品创新设计知识获取的研究”里面对网络环境下的知识获取进行了研 究，提出了从素材和信息中获取知识的方法；知识重用的研究丰要是集中在智能 c a d 方面，主要有基于推理的设计方法、基于搜索的方法、基于约束满足的方法和 基于综合的方法等。n i k o l a u s 建立了基于i n t e m e t 的电子产品目录库，提供包括多供 应商和基于设计内容等的搜索策略，客户化添加和客户化使用功能，以及适应不同 c a x 的模型库表示等功能； f i n g e r 详细研究了设计重用过程，即设计者在设计过程 中想要什么以及他们怎样使用过去的信息，设计者可能根据功能、行为、形状甚至 c o n t e x t ( 上下文) 来检索已有的设计等等。而在设计知识管理方面，上海交通大学曾 福胜在论文“产品设计知识管理关键技术研究”里面提出了知识管理的参考模型， 在知识管理公式的基础上分析了知识管理各要素对知识管理效果的影响。提出了由 知识运用层、知识管理层和知识资源层组成的产品设计知识管理框架。 近年来基于知识重用的产品设计实现技术方面的研究成果比较值得关注的还 北京邮电人学硕十学位论文 有，e d s 公司提出了知识融合( k n o w l e d g ef u s i o n ) 技术是c a d ) 和知识工程( k b e ) 结合 的典范，知识融合可以让用户通过工程规则控制u g 的三维几何模型对象，表达设计 意图，并构造出完全可重用的知识库。 以上研究从不同的角度和出发点总结了对基于知识的产品概念设计方法，并且 借助计算机网络技术、数据库技术将产品设计知识获取、表达、存储和重用变为可 能，这为本论文的研究打下了良好的理论与实践基础。 1 3 存在的关键问题 本论文的研究目的是解决工业设计领域产品概念设计的问题，论文中提到的概 念设计，如果没有特殊说明或者上下文提示，一般特指工业设计领域的概念设计。 产品概念设计一直是属于“弱理论、强经验 的活动，经验( 知识) 对设计师来说 如此之重要，但是目前鲜有系统化的研究基于知识重用的产品设计理论，已有的关 于产品设计的研究大多侧重于产品设计活动的外延，诸如并行设计、协同设计、虚 拟设计、快速原型技术等，而真正反映设计活动内涵与设计本质的方法却没有受到 足够的重视。 从1 2 节的综述可以看到，以工程技术发展规律为对象的发明问题解决理论并不 完全适合工业设计领域概念设计的状况，这种研究以技术系统为主体，着重研究技 术创新的规律，强调解决技术系统的进化矛盾，重点在于发明问题求解，而工业设 计的创新则是强调解决产品与人之间的关系问题。当前的基于知识的创新设计研究 方面也存在同样的问题，虽然这些研究都是强调如何利用领域知识进行设计，但是 工业设计师在开始概念设计时究竟需要哪些知识、需要哪些层次结构的知识、设计 师大脑对知识的加工过程如何，这些问题在当前的研究中很少提及。另外，以往针 对产品设计知识所展开的研究，大多数表现在产品的功能，行为和结构等技术层面， 集中在产品零件级和制造领域，缺乏对产品概念设计中创新设计前端( 即造型设计) 的研究，没有对如何有效地对产品概念设计阶段所需要的相关知识的收集、表示及 利用做深入的研究。 1 4 论文的主要内容和结构安排 1 4 1 论文的主要内容 本文分析了概念设计过程中需要的知识，并以1 2 0 1 红点奖获奖作品的分析为基 础，以t r i z 理论4 卟创新原理为参照，构建了面向概念创新设计的知识框架并提出 北京邮电大学硕士学位论文 了具体的应用方法。论文主要完成的工作为： ( 1 ) 对概念设计的过程进行了深入研究，结合工业设计领域的特点，分析了设 计师在概念设计过程中的认知行为在知识在概念设计过程中的参与情况； ( 2 ) 通过对“红点奖”获奖作品的分析与知识提取，形成了一套利用已有知识 指导概念创新设计的方法。 ( 3 ) 构建了概念创新设计启发知识库并在该库的指导下完成了一项产品设计。 论文通过实验证实了该库对工业设计师开展概念设计具有较强辅助作用，进而论证 了先前知识框架的构建具有一定的合理性，具有较高的理论和实用价值。 1 4 2 论文的结构安排 本文的章节安排如下： 第一章绪论。介绍了论文的研究背景与意义。通过分析当前产品概念创新设计 理论以及知识重用的状况，提出了当前研究存在的主要问题，进而提出了本文的目 标、研究内容及章节安排。 第二章基于知识与认知的概念创新设计过程分析。在本章中，重点研究了概念 设计的过程、创造性思维过程与概念创新设计认知行为等，并论述了知识在概念设 计过程中的重要作用。 第三章红点奖获奖案例的分析与设计知识提取。在本章中首先按照创新类型的 不同完成了红点奖获奖作品的分类。接下来完善了产品属性知识框架并对如何从红 点奖作品中提取属性知识给出了一个示例。然后，在参照t r i z 理论4 0 个创新原理的 基础上，从红点奖获奖作品中提取概念设计所需的一般原理和方法的知识。最后， 完成了概念创新设计知识框架并总结了一些适合工业设计领域概念创新设计的方法 知识。 第四章产品概念创新设计启发式知识库的建立与设计实践。本章在前面几章理 论的基础上，主要做了一些设计实践和实验验证的工作。 第五章总结与展望。对全文进行了总结，并指出下步工作的重点。 北京邮电人学硕十学位论文 第二章基于知识与认知的概念创新设计过程分析 本章主要研究工业设计师进行概念创新设计过程中的认知活动，探究创造性思 维的机制，并结合工业设计师的思维特点，论述了以往的设计经验( 知识) 对新的 概念设计方案的产生具有巨大的促进作用。在此基础上，本章提出了一种基于知识 和认知的概念创新设计模型。最后论述了支持工业设计创新活动的两类重要知识一 一属性知识和方法知识的特点以及相互关系。 2 1 面向产品创新的概念设计认知过程 当前，关于概念设计过程模型的研究主要集中在两个方面：一类是形式化模型， 其目的是实现设计结果的自动生成，及实现由设计需求到设计结果的推理机制；多 数都是基于功能结构与功能行为结构两个基本框架扩展而来，如系统 化设计模型，f r e e m a n n e w e l l 模型，功能行为状态模型等。另一类是认 知模型。相比形式化模型领域，认知模型比较适合工业设计领域概念设计的特点， 它没有对概念设计过程进行限定，充分考虑设计师的直觉思维特点“灵感”产生的 不确定性，因此我们在本节将研究融入认知心理学的概念设计过程模型。 2 1 1 产品设计( 开发) 的流程与概念设计过程 产品设计活动分为需求获得、需求分析、概念创新设计、结构设计、设计实现 五个阶段【3 1 ，如图2 1 所示。概念设计在整个产品设计阶段具有重要的地位，它负责， 将需求分析转化为概念设计方案。设计师为了获取高度创新性的方案，会在大脑中 启动创造性思维。如何找到一个好的设计点成为困扰设计师的一个难题。 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 1 产品设计( 开发) 流程 在概念设计阶段，设计师首先会从产品需求文档里提取抽象的概念。例如现在 需要设计一款能适应各种锅型的电磁炉，设计师可能会深入发展“适应性”这个概 念，了解“适应性”这个概念的存在环境以及与之相关的其它概念。接下来，设计 师通过发展视觉思维，在头脑中形成图像信息。设计师在图像信息形成之前，通常 会搜集与某些概念相关的图像，发展形象思维。在这一阶段生成的图像信息可能比 较模糊，不过没有关系，我们需要的是大量的、个体差别较为明显图像信息，这些 还不太确定的图像信息能够全面、多角度地阐述前一阶段形成的概念。当然，如果 能够形成几个比较完整的、非同寻常的图像信息也是很不错的，这些图像信息不容 易被淹没，它们能对后面将要进行的工作产生深远的影响这是一件可遇而不可 求的事情概念设计的激动人心之处也在于此。再接下来就是工业设计师开始表 现自己外在的职业素养的时候了发展具体图像信息，用草图这些图像信息固定 下来。最后，草图还要进行细节的推敲，这样，概念方案的各个属性特征基本上也 就确定下来了。至此，概念设计过程算是结束。( 更多情况下，概念设计还包含一个 概念方案评审和重复开展设计的过程) 匝圈日匝堕固日臣囹西臣囹 图2 - 2 产品概念的四个阶段 北京邮电人学硕士学位论文 2 1 2 创造性思维过程与概念创新设计认知行为 上- 4 , 节只是针对工业设计师开展实际概念设计活动的过程进行描述，理论性 不强，缺乏对创造性思维的探讨。只有弄清楚创造性思维过程，才能更好地理解概 念创新设计过程。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。我国著名系统专家和杰出的创新工作者钱学森曾对思维科学做过这样 的界定：思维科学就只有三部分，它们是：一，逻辑思维，微观法；二，形象思维， 宏观法；三，创造思维，微观与宏观的结合。可见，创造性思维的成果是在直觉形 象的基础上，通过大脑的理性逻辑思考得出的。创造性思维过程也就是逻辑思维和 形象思维相瓦结合的过程。 早期的概念设计创造性思维研究强调直觉和灵感，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【8 j 。另一方面，直觉和灵感由于具有不 确定性和偶然性，因此，创造性过程也被描述成一种神秘的、潜意识的过程。近年 来，由于认知科学的发展，有人开始试图对创造性思维的结果的产生进行理性的解 释，如p o l a 的创造性过程模型。国内学者刘小莹等认为设计者在创新设计的过程中 的认知行为丰要包括分析、产生、组成、评价( 如图2 3 ) ，并在此基础上，建立了 面向产品创新的概念设计过程模型。 分析：分析主要包括设计任务分析及设计问题分析。任务分析是为了达到了解 用户功能需求的目的。而设计问题的分析包括对问题的定义和表征，即对问题的初 始条件、目标任务及其构成要素的觉察和理解，及对设计中需要满足的需求和约束 进行探索。 产生：产生行为包含两个予行为：解决方案( 方向) 的形成和创新概念的生成。 文献【9 】将创新设计分为四类，即面向问题的创新、面向目的的创新、面向产品的创 新、面向载体的创新，并给出了相应的创新解决方案。根据形成的创新解决方案， 设计者可以有针对性的组织信息与知识，并对设计问题进行组织加工以产生创新概 念，这其中涉及到心理加工和实际操作加工的过程。心理力n - i - 包括记忆提取、联想、 心理合成、心理转换、类比迁移及分类约简。实际操作加工又可分为内部操作加工 和外部操作加工。内部操作加工包括建议、计算、询问、宣布、假设及解释。外部 操作加工包括讨论、写、绘图、指向及模仿。实际操作加工通常是借助一定的外在 实物和行动来进行的。知觉激励在“产生”这个认知行为中起着打破定势思维的束 缚，激发思维“跳跃”的作用。 组成：组成是将产生的创新设计概念发展成为设计方案，经历上一步骤的认知 北京邮电大学硕十学位论文 过程，设计师的头脑里已经形成多个概念，这些概念通过迭代、结合以形成初步的 设计方案，创新设计过程中，组成行为要受到分析行为产生的功能需求、目标任务 的约束。 评价：设计者根据需求、约束及评价标准对设计方案进行评价。评价不仅是对 设计方案的科学分析和总结，也是对设计方案的改进和完善。作为一个探索性认知 过程，设计者通过评价确保形成的设计方案的相关性、有用性及适合性。相关性及 有用性由设计需求和约束确定，而适合性由设计标准确定。 关键认知行为，即分析、产生、组成、评价，如图2 3 所示。 图像信息i 彳弋草图绘制l 飞细节推敲 1 ，亨& 国一：，圆一，一固3 口乓今l 概念设计中 图2 3 工业设计师开展概念设计过程申的认知行为 的认知行为 2 2 概念设计过程之创新的切入 认知模型描述了设计者在概念设计过程中的认知行为及认知行为之间连续的 关系，对深入理解设计过程的本质相当有益。但是理解概念谁的过程并不能提高设 计者创新设计能力。例如一个有经验的工业设计师在开展概念设计时，通常在前面 提到的认知行为的分析产生阶段陷入困境。设计师在完成任务分析和产品本身 的分析之后，无法确定解决方案的方向，不能完成认知认为中分析产生的跨越， 也就是说，设计师将面临找不到创新切入点的问题。本节在对红点将获奖案例分析 的基础上，提取案例创的切入点，并用“o ”形式对其进行标准化。 2 2 1 切入点的抽取 本文从1 2 0 件红点奖获奖产品中，随即抽取6 0 件产品，抽取其切入点，也就是 挖掘其最原始的设计目的。 首先找到概念设计分析的对象，然后分析其创意说明，抽取切入点。利用“v + o 2 2 2 标准化模型的分析 标准化后，呈现出切入点的原始信息，根据这些模型，我们能够很清楚地还原 这些产品进行概念设计时的切入点。通过统计分析，发现这6 0 件产品的切入点和概 念设计分析对象( 或已解决的问题) 之间存在两种关系，主要研究切入点宾语与概 念设计分析( 或已解决的问题) 的映射关系，一种是切入点解决了概念设计分析对 象的功能缺陷和不足，另一种是对切入点的关联物进行设计。并且第一种关系占了 3 l 件，第二种关系占了2 9 件。如果说，第二种关系中的关联物设计需要灵感的话， 那么一半的设计可能是需要灵感的激发的，而另一半的设计是基于在生活中体验到 北京邮电人学硕士学位论文 的问题和功能缺陷进行改进和重新设计。 因此，设计可从生活出发，以细致的眼光发现问题，然后实实在在地去解决问 题，也能在概念创新上取得突破。另外，如果找不到切入点时，可以从某一事物出 发，寻找与其关联的事物，然后从中找到功能的结合或者叠加，这样也会在切入点 上有很大的突破。 2 3 基于知识的概念创新设计过程模型 在工业设计师开展概念设计的四个认知行为中，知识一直参与其中。实际上， 现代产品设计是以知识为基础，设计是知识的物化，新设计是新知识的物化，产品 实质是设计知识的载体【l o l 。概念设计方案是设计师的认知行为与设计知识的结晶。 2 3 1 无处不在的知识 本论文的特点之一是贴近工业设计领域，贴近工业设计师。因此，在说明知识 参与产品概念设计过程这件事实时，我们只需考察工业设计师在概念创新设计阶段 的实际工作情况。为了得到一个具有创新性的设计，设计师一般会针对需求分析阶 段得出的结论，搜集各方面的信息。图2 - 4 反映了设计师搜集信息的渠道。 图2 - 4 对工业设计团队一一交映_ y - , 1 l ：i f f 计联合工作组( j o i n td e s i g n ) 的3 0 名工业设计 师进行调查，得到他们搜集信息，获取设计灵感的渠道 设计师按照各自偏好从多个渠道搜索信息，这些信息里面包含设计所需要的各 个种类、不同层次的知识，我们将这些能够