（机械设计及理论专业论文）基于功能结构变异的计算机辅助产品创新研.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 概念设计是设计过程中最富有创新性的阶段，决定了产品的基本特征和主要 构架。 论文研究了概念设计中计算机辅助产品功能结构创新策略，相关工作包括： 功能动词分类、建立功能动词库、建立功能动词与对象属性匹配库、子功能之间 的逻辑关系分类、基于功能动词分类的功能结构多解的策略，基于功能组合的功 能结构多解的策略，功能结构多解的二次评价方法。并实现了原型系统 c a f s d e s i g nv 1 0 。 全文分为六章。第一章绪论，阐述了本文的研究背景及意义，分析了国内外 在概念设计的设计理论、设计进程、推理模型等方面的研究现状和发展趋势，确 定了本课题研究内容、思路。第二章提出了分层次的功能动词分类体系，总结了 概念设计中常见的功能动词并统计其使用频率，按照上述分类体系将功能动词归 类，建立了功能动词库，并提出了基于该动词分类的功能结构多解策略。第三章 提出了基于功能组合的功能结构多解策略，建立了功能动词与对象属性的匹配 库，总结了常见的子功能之间的逻辑关系。第四章介绍了计算机辅助功能结构解 评价的方法。第五章介绍研制的计算机辅助功能结构建模软件c a f s d e s i g nv 1 0 系统，文章对该软件主要模块：功能定义、功能抽象、动词过滤、逻辑关系设计、 功能组合、解的评价等进行了介绍，并介绍了数据库的设计以及关键变量的定义。 第六章对全文的工作进行了总结，对未来研究做了展望。 关键词：概念设计；功能分类；功能结构创新；功能组合；功能建模 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n c e p t u a ld e s i g ni st h em o s t c r e a t i v ep h a s ei nt h ep r o d u c t si n n o v a t i o n a ld e s i g n , i td e c i d e st h eb a s i cc h a r a c t e ra n dm a i nf r a m eo f p r o d u c t s i nt h i s p a p e r , t h es t r a t e g yo fc o m p u t e r - a i d e dp r o d u c t s f u n c t i o n a ls t n l c t i l r e c r e a t i v ed e s i g ni sr e s e a r c h e d r e s e a r c hi n t e r r e l a t e di nt h i sp a p e ri n c l u d e ：c l a s s i f y i n g o ff u n c t i o n a lv e r b s ，e s t a b l i s h i n gf u n c t i o n a lv e r b sd a t ab a s ea n dm a p p i n go f f u n c t i o n a lv e r b sw i t ho b j e c t sp r o p e r t yd a t ab a s e ，b e s i d e s ，t h es t r a t e g yo ff u n c t i o n a l s 仃u c t u r em u i r i l c i l es o h i t i o n sh a s e d0 1 1f u n c t i o n a lv e r b sc l a s s i f y i n ga n df u n e t i o i l a l g r o u p i n gi sp r o p o s e d t h em e t h o do fa p p r a i s i n gf u n c t i o n a l s t r u c t u r es o l u t i o n si s g i v e n , f i n a l l y , t h ei n t e l l i g e n tc o m p u t e r - a i d e dd e s i g ns y s t e m - c a f s d e s i g nv 1 0i s i n 协o d u c e d t h ew h o l ep a p e rc o n s i s t so fs i xc h a p t e r s c h a p t e r1i si n f f o d u c t i o n ，i nt h i s c h a p t e r , t h ea 哪t e n ts i t u a t i o na n dt r e n do fd e s i g nt h e o r y , r e a s o n i n gm o d e l i sa n a l y z e d , t h ea i mo f p r e s e n tw o r ka n dt h es 拄i l c 咖o f t h i sp a p f i t - i sm a d ec e r t a i n i nc h a p t e r2 ，a f u n c t i o n a lv e r b sc l a s s i f y i n gs y s t e mi sp r o p o s e d ，w h i c hc a l ld e l a m i n a t et h ev e r b si n t o d i f f e r e n tl e v e l sa c c o r d i n gt h ea b s t r a c t i n gd e g r e e t h ev e r b st h a t 啪b eu s e di n c o n c e p t u a ld e s i g nf i e l da r es u m m a r i z e du p ，w h i c ha l ec l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h e i r u s e df r e q u e n c y t h u s ，af i l n c t i o n a lv e r b sb a s ei se s t a b l i s h e d ，a n dt h es t r a t e g yo f g e n e r a t i n gf u n c t i o n a l s t r u c t u r es o l u t i o n si s p r o p o s e db a s e do nf u n c t i o n a lv e r b s c l a s s i f y i n g i nt h et h i r dc h a p t e r , t h es t r a t e g yo ff u n c t i o n a ls t r u c t u r es o l u t i o n sb a s e do n f u n c t i o n a lg r o u p i n gi sp r o p o s e d , ad a t a b a s ea b o u tt h em a p p i n go ff u n c t i o n a lv e r b s w i t ho b j e c tp r o p e r t yi sf o 吼d e d , a n dt h eg e n e r a ll o g i c a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n s u b - f u n c t i o u sa s u m m a r i z e da n dc l a s s i f i e d i nt h ec h a p t e r4 h o wt oa p p r a i s e f u n c t i o n a ls t r a c t u r es o l u t i o n si sr e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d , t h em a t r i xo f t h ei n f l u e n c e sa m o n gt h es u b - f u n c t i o u si sf o u n d e dt og u i d et oa p p r a i s et h es o l u t i o n s i nt h ef i f t h c h a p t e r , t h ei n t e l l i g e n tc o m p u t e r - a i d e dc o n c e p t u a l d e s i g n s y s t e m - c a f s d e s i g n v 1 0i si n 臼o d u c c d ，w h i c hi n c l u d i n g6p a r t s ：f u n c t i o nd e f i n i t i o n , v e r ba b s t r a c t i n g , v e r bf i l t e r i n g , l o g i c a lr e l a t i o n s h i pd e s i g n , f u n c t i o n a lg r o u p i n ga n d a p p r a i s i n gm o d e l l a s tc h a p t e ri st h ec o n c l u s i o no ft h ew h o l ep a p e r , a n dt h e s u g g e s t i o n sf o rf l l n h a rr e s e a r c ha r eg i v e ni nt h i sc h a p t e r , t o o k e yw o r d s ：c o n c e p t u a ld e s i g n ；f u n c t i o nc l a s s i f y i n g ；f u n c t i o n a l 剐玎血l i ei n n o v a t i o n ； f u n c t i o n - g r o n p i n g ；f u n c t i o n a lm o d e l i n g 学号2 0 5 0 8 1 6 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得溢姿盘鲎或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥姿态堂有关保留、使用学位论文的规定， 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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：目治i 耋 导师签名： 签字日期：9 - 7 年伊1 月口f 日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 、儡 酢靴烁号师瑶珑 通讯地址： 碲强式阵易、 电话： 邮编： 日 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【摘要】本章节主要讨论论文的研究背景及意义，分析了国内外研究现状，确 定了本论文的主要研究内容和方法 关键词：概念设计；功能结构；功能推理；功能分类 1 1 研究背景及课题的提出 1 1 1 研究背景 日趋激烈的市场竞争对机电产品的竞争力提出了比以往任何时候都高的要 求，决定产品竞争力的一个关键因素就是其创新性。只有创新才能从根本上满足 市场需求甚至创造出新的需求，提高产品的竞争力。如何帮助企业实现产品快速 创新，是广大设计师面临的一个重要的问题。 产品的创新性基本上在设计阶段已经被决定。g p a h l & w b e 池把设计进程 分为明确设计任务、概念设计( 方案设计) 、技术设计和详细设计( 施工设计) 四个阶段【1 1 。其中，概念设计在很大程度上决定了产品的功能、质量成本和开发 时间，是产品创新的关键阶段。概念设计实际投入的费用只占产品开发总成本的 5 左右，但却确定了产品总成本的7 5 1 2 1 ，由此可见，概念设计的创新是产品 创新的关键因素。 目前辅助产品开发的计算机软件工具已数不胜数：p r o e 、u g 、 s o l w o r k s 等三维c a d 建模软件，a n s y s 、m s c 触t m n 、a d a m s 等。垣 软件，这些计算机辅助开发工具的出现，极大的提高了产品设计效率，使 设计者能更快更好的建立产品数据模型。这些计算机辅助工具在建立已有产品的 数据模型方面做的很好，但是对于帮助设计师进行概念设计创新仍无能为力。很 多时候，设计者的创新活动还是靠经验、直觉( 如智爆法、6 3 5 法、陈列法、德 尔菲诺法、联想法、复合应用法等) 人工智能的发展为计算机辅助概念设计提供了广大的发展空间，相应的国际 上一些权威杂志，如a ie d a m ( a r t i f i e i mm t e l l i g e n c e me n g i n e e d n gd e s i 乳 a n a l # sa n dm a n u 洲n g ) 、a d v a n c c de n g i n e e r i n gh f o l m a t i o n 、c 伽p u t e r a i d e dd e s i 弘 、 e n g i n e e r i n g 谢t hc 锄p l l t e r 等相继刊登了大量的有关概念设计 浙江大学硕士学位论文 的文章9 j 捌。美国科学基金会( n i s f ) 、美国国防高级研究项目局( d a r p a ) 和 海军研究署( o n r ) ，德国的德意志研究联合会( d f g ) ，英国的工程物理学研究 会( e p s r c ) 等相继支持了一大批关于计算机辅助概念设计或智能概念设计的研 究，随之产生了一些计算机辅助概念设计和智能概念设计的原型系统1 6 , ”。在国 内，国家自然科学基金委相继资助了一些计算机辅助概念设计的研究。支持概念 设计的以知识表达和推理为基础的人工智能的发展为计算机辅助概念设计指明 了发展方向。 1 1 2 课题的提出及意义 自人类首次发明机器以来，每年都有成千上万的新产品面世。但是，本质上 所运用的效应( 包括物理效应、化学效应、集合效应、生物效应等) 总和只有 2 5 0 种左右嘲。因此想从原理方案设计来创新概念设计，突破的难度非常大，除 非结合科学最前沿，发现了新的原理现象。由此可以得出，功能结构创新和功能 组合对概念设计来说是至关重要的两个环节。目前在计算机辅助功能结构建模方 面主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 助能动词分类体系不够完善，没有针对汉语为工作语言的功能动词库。 分类分层次的功能动词库是进行功能结构多解研究的基础，尚缺少一套完整的分 类体系。 ( 2 ) 功能结构多解的策略研究，关于概念设计方案多解的策略已有诸多研 究，但是在多解的过程中，如何避免组合爆炸问题一直没有很好的解决。因此， 研究功能结构多解的过程中，如何剔除无效解以及控制解的数量是一个值得研究 的方向。 ( 3 ) 计算机辅助功能结构建模方面做的不够，到目前为止还没有真正意义 上的计算机辅助功能结构建模系统，概念设计的发展方向决定了其与计算机技术 结合，因此，计算机辅助功能结构建模的策略非常值得研究。 针对以上部分问题，本文提出了基于系统转换思想的功能动词分类体系，建 立了针对汉语为工作语言的功能动词库；探索了功能结构多解的策略，以及解的 评价，最后实现了计算机辅助功能结构建模软件c a f s d c s i g n v l 0 。本课题来源 于国家自然科学基金重点项目“机电产品创新设计的理论、方法、技术及其应用 浙江大学硕士学位论文 的研究”( 资助号：5 0 3 3 5 0 4 0 ) 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 概念设计的定义 概念设计这个概念最初由g p a h l & w b e i t z 在 e n g i n e e r i n gd e s i g n 中提出， 认为概念设计就是在阐明了任务书以后，通过抽象化，建立功能结构，寻找合适 的作用原理并将其组合，从而确定原理解的过程“i 。g p a h l & w b e i t z 的定义明确 了概念设计的任务和主要过程，得到了广泛的认可。 f r e n c h 认为：概念设计是考虑设计问题的内容，并以方案的形式提出众多解 的设计阶段1 9 1 。 1 l k o l l e r 认为概念设计可以分为四个阶段：产品规划、功能设计、定性设计、 定量设计。 国内学者谢友柏认为：正因为求解的性能是市场上现有产品所不具备的，找 到完全满意的解的可能性几乎不存在。于是需要对不能由已有知识解决的部分结 构寻求新的解，从而开始了创新的过程，这个过程包括设想采用新原理、新技术、 新材料、新工艺。这些解决矛盾的设计称为概念，设计的这个阶段称为概念设计 i “j 。邹慧君认为：概念设计是一个发散思维和创新设计的过程，是一个求解实现 功能的，满足各种技术指标和经济指标的，可能存在的各种方案并最终确定总和 最优方案的过程“2 1 。邓家裎认为：概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的 一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动”l 。潘云鹤、孙守迁认为概念设计 主要包括5 部分：功能设计、原理设计、布局设计、形状设计以及初步的结构设 计”射。从上面可以看出，国内学者对概念设计的研究大多以g p a h l & w b e i t z 对 概念设计的定义为基础来展开的。虽各有侧重，但本质上大同小异，继承和确认 了g p a h l w b e i t z 定义的核心内容。本文所展开的研究是以g p a h l & w b e i t z 对概念设计的定义为基础。 1 2 2 概念设计中的设计理论 设计理论是研究人员在设计过程中的思维行为规律的科学，其目的是使人们 能够从系统的角度更好的认识设计本身，为开发新一代计算机辅助设计工具提供 3 浙江大学硕士学位论文 理论支持。目前主要的概念设计理论包括： g p a h l w b e i t z 的设计理论该理论强调设计中的系统性和设计进程的程 式化研究，他们将设计过程分为四个阶段：明确任务阶段、概念设计阶段、详细 设计阶段和施工设计阶段，这个设计过程很典型的代表了串行的产品设计和开发 模式。g p a h l w b e i t z 还以系统理论为基础，利用信息论原理，采用有计划的 到达设计目标的方法，提出了总功能由功能结构中各子层的分功能逐层组合而 成，以便于利用设计目录来求得多种可行的方案解。对于概念设计，g p a h l w b e i t z 理论的核心是建立待设计产品的功能结构，功能结构的实现就是新的工 作原理h 1 。 t r i z ( 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 ) 前苏联g s a l t s h u l e r 及其领导 的一批研究人员在分析了2 5 0 万件国内外专利的基础上，提出了发明解决问题理 论。其理论核心是技术进化原理。该原理认为：技术系统一直处于进化之中，解 决冲突是进化的动力；进化速度随冲突的解决而降低；产生突变的唯一方法是解 决阻碍其进化的深层次冲突。t r i z 理论的工程实用性比较强，现已建立一系列 的普适性工具帮助设计者尽快获得满意的领域解，其核心是经验的集合，本质上 说是一种知识库的组织方法，没有提出与人类构思，创新产品的一般规律相适应 的产品设计机制。通用化设计理论应用起来比较方便，国内很多学者也基于t r i z 理论进行了相关设计的研究1 h 钾。 公式化设计理论( a d ) 美国n a me s u h 等学者自1 9 9 0 以来对设计理论进 行系统的研究，提出了以科学公里、法则为基础的设计理论体系。该理论把设计 过程分为四个域：用户域、功能域、结构域、工艺域。并提出两条公理：独立性 公理和信息公：理1 2 0 , 2 1 2 2 1 。 用户域功能域物理域 过程域 图1 1 公理化设计过程模型 通用设计理论( g d t ) 日本学者t o m i y a m a 及其学生在8 0 年代提出的设计 理论，主要通过数学形式来表达设计过程，建立人类思维活动领域内知识处理的 浙江大学硕士学位论文 概念模型。他们认为设计不仅是关于设计的理论更是关于知识抽象的理论。该理 论有三条公理：识别公理；一致性公理；运算公理。g d t 公理主要研究设计活 动中的认识问题，对于工程问题的表达难于处理f 2 3 2 4 t 。 1 2 3 功能结构的研究进展 1 2 3 1 功能的定义 对功能的定义决定了如何去表述一个物体的功能，从不同的角度出发对同一 件物品的描述是不同的。g p h a l & w b e i t z ，r o d e n a c k e r 等从输入流和输出流之间 的关系出发，认为功能是代表一个系统的输入流和输出流之间的一般的、希望有 的关系1 1 1 ；c h a k r a b a r t i 认为功能是装置为完成或避免某些任务导致的状态或状态 序列剐；b r o w n 等认为功能是用户目标和系统行为之间的联系。冽；日本学者 t o m i y a m a 等认为功能表示设计师的意图与现实功能之间的联系0 2 9 i ；u l l m a n 等认 为功能是实现目的行为的抽象mh u m a na b s t r a c t i o no fb e h a v i o ro f t e ni m p l y i n g i n t e n t i o n ) 1 3 0 l ；h u b k a 等则认为功能是技术系统在特定输入下的输出职责( t h ed u t y o f a t e c h n i c a ls y s t e m t o d e l i v e rs p e c i f i e de f f e c t sa s i t s i n p u t ) | 3 1 1 ；s t u r g e s 等认为功能 是产品独立特征或者设计元素的行为1 3 2 i 。对功能的不同定义决定对同一件产品功 能的不同描述，例如：按照g p h a l & w b e i t z 对功能的定义，手表的功能可以描 述为：将能量转换为精确的运动( 指针的转动) ；如果按照h u b k a 对功能的定义， 手表的功能则可以表述为：显示时间。 1 2 3 2 功能的表达 功能的定义决定功能的表述，上述诸多对功能的定义，总结出来对功能的表 达主要有三种方式： 动名词对( v n i ，v e r b - n o u n p a i r ) v n p 的表达方式符合设计师的习惯，很 多设计师、学者都采用这种方式表达功能 l 。 输入输出流变化( 1 0 f t ，i n p u ta n do u t p u tf l o wt r a n s f o r m a t i o n ) l o f t 的 功能表达方法有两类：一类是当原理涉及多学科物理量转换时，其功能一般可以 用输入和输出物理量组合来表示，如电机的功能可以表示为( i ，o ) ；另一类是 浙江大学硕士学位论文 当原理涉及同类物理量转化时，其功能可以用输入作用对象和输出作用对象的矢 量组合来表达。例如，当一个三维矢量1 类型、方向、往复性】”来描述运动时， 一个曲柄滑块结构的功能用i o f t 就可以表示为：“【r 、x 、o 】”一“【t 、y 、l 】” 3 4 1 。 输入输出状态变化( 1 0 s t ，i n p u ta n do u t p u ts t a t et r a n s f o r m a t i o n ) i o s t 的功能表达方式比较复杂，它是完整的关于原理解的工作机制描述的行为知识模 型m i 。 v n p 功能表示法简单易懂，以此建立的功能结构模型符合设计师的习惯， 简单明了，直观，便于创新。i o f t 功能表示法的优点是具有比较强的确定性， 其本质就是人工智能的状态空问法，因此在计算机辅助原理方案设计中得到了广 泛的应用。但其缺点也相当明显，当作用对象有比较多的特征时，模型比较复杂， 因此在一些比较复杂的功能( 如物料转换功能) 中还没有得到应用，其本质是人 工智能的应用。l o s t 主要适合于适应性设计，而不适合于作为原理解的索引。 本论文对功能的研究将基于v n p 的功能表示模型。 1 2 3 3 常见功能推理模型及典型的模型系统 功能推理就是按照一定的规则、模式来求解功能结构图。常见的功能推理模 型包括：类比推理、基于实例的推理、基于神经网络块的混合推理模式、规则推 理以及进化推理。 类比推理类比推理的推理方法是：首先比较设计库中每个已有设计实例与 设计目标的相似度，找出相似度最高的设计实例作为设计目标的参照；通过映射 和转换将设计变量加入设计实例中去；经过知识构造，将设计目标转换为下一个 设计的实例。其优点是便于实现创新；缺点是：在知识的抽象以及相似度的判定 方面比较困难 “- 4 0 1 。 基于实例的推理该功能求解推理模型首先输入设计要求a = ( a l 、a 2 、 a n ) ，再设定实例的每个特征f i 的权重因子u i 。搜索实例库中的实例特征f = ( f i 、 f 2 、f n ) ，然后求解所有实例的相似度。比较，取出最大的相似度作为当前 设计参照实例，基于知识库对新的设计实例进行评价修改，然后储存解为新的实 例。该功能求解推理模型最大的优点在于：表达能量强，有自学习能力；不足之 浙江大学硕士学位论文 处在于：需要大量良好的设计实例“ 4 2 i 。 图1 2 基于实例推理的功能求解模型 基于神经网络的混合推理模式该功能求解模式首先用传统的方法获取逻辑 知识，然后训练神经网络所需要的知识，如学习样本、结构模型等。通过训练， 将权值矩阵储存于神经网络块中，经过上述步骤的处理，输入设计参数，输出逻 辑知识4 6 i 。 规则推理基于规则的推理包括前提和结论两个部分，前提是条件，当条件 为t r u e 时，规则被激活；结论是规则激活的结果，当规则被激活后，结论为真。 规则的激活通过增加或修改事实来影响知识库。c h a n g 等采用面向对象和基于规 则的推理技术进行系统的功能设计1 4 7 1 。国内王玉新等提出了基于规则约束推理的 机构方案生成的优化方法t ”1 。基于规则的推理易于实现，但规则系统求解问题时， 总是用已有规则库的规则进行匹配，如果匹配不成功，宣布该问题无解。规则推 理本质上属于类比推理。 1 2 3 4 典型的计算机辅助功能结构生成系统 f b dg e n e r a t o r 和基于规则约束的功能推理系统是基于功能分解的计算机辅 助功能结构建模系统砸i 。f b dg e n e r a t o r 的上层功能和下层功能之间存在着：为 什么要这样? 怎样达到这个目的? 的关系，即上层功能是下层功能的目的，下 层功能是上层功能的手段。它首先帮助设计师利用文本检索机制从知识库中为目 的功能找出一些可能的基本功能，由设计师决定适用哪个基本功能，系统根据该 基本功能相关联的次功能对基本功能进行分解，功能分解一直继续到找到能直接 对应设计解的下层功能为止。 浙江大学硕士学位论文 图 ! ! 竺! 一医m 9i 竺竺! i ：二一 o l 1 5 t 9 e l i n e o h j 甜i t e 一a o i o n s - o 甲o “咖t 图1 3f b dg e n e r a t o r 模型 基于规则约束的功能推理系统p t a s a n n as r i d h a r a n 和m a t t h e wi c a m p b e l l 提 出了一种合乎语法的计算机辅助功能建模系统1 7 1 ，其本质就是基于规则推理的功 能推理系统的应用。该系统从系统黑箱表示法出发，按照事先建立起来的r u l e s ， 用不同的子功能把输入流和输出流联系起来就组成一个满足输入输出关系的功 能结构解。基于规则约束的功能推理系统最重要的是规则的建立，p r a s a n n a s r i d h a r a n 和m a t t h e wi c a m p b e l l 统计了产品规则数量同产品数量之间的关系( 在 大量统计现有产品的基础上得来) 如图1 4 所示： r u i 曲 051 01 52 02 53 03 5 图1 4 规则数随产品数量变化的关系图 1 2 3 5 功能结构的设计 功能结构设计的目的是生成产品的功能结构。功能结构设计的方法主要包括 两类：功能分解法和z i g z a g 法。 二 鲫舯的m 浙江大学硕士学位论文 功能分解法功能分解法在概念设计界中得到了广泛的认可，该方法认为： 就像一个技术系统可以分解成分系统和系统元件一样，复杂功能关系可以分解成 几个复杂程度比较低的分功能；任务所需要的总功能也可以分解为分功能”i 。功 能分解的目标是将总功能逐步分解为能求解的子功能，其过程可以表示为图1 5 所示。在常规设计和适应性设计中，技术产品的功能结构本身比较清楚，因此可 以采用功能分解的方法来建立产品的功能结构。在规模化产品设计方法学和面向 大规模定制的产品设计方法学中，功能分解法得到了广泛的应用。 抽象程度 图1 5 功能分解过程图 z i g z a g 法s u h 提出的z i g z a g 方法是另外一种工程设计界广为接受的功能结 构设计方法”9 1 。与功能分解法纯粹在功能领域进彳亍功能结构设计不一样，z i g z a g 方法强调在功能领域和物理领域( 原理解领域) 之间进行反复映射来生成产品功 能结构。虽然z i g z a g 方法中也包含了功能分解，但是他更强调“功能领域到原 理解领域”和“原理解领域到功能领域”之间的反复映射。 另外，h u b k a 和e d e r 提出的功能一方法树( f u n c t i o n - m e a n st r e e ) 侧本质上 和z i g z a g 方法也是一致的，z i g z a g 中z i g ( 从功能域到物理域的映射) 和z a 默即 从物理域到功能域的映射) 恰好对应了“功能到方法的映射”和“方法到功能的 拓展”。 1 2 4 方案的评价 方案的评价是概念设计中一个非常重要的环节，它是概念设计过程决策的重 要依据。概念设计阶段通常会产生众多的方案解，概念设计方案的评价决策就是 对概念设计阶段产生的众多方案进行评价和比较，找出最佳方案。 1 2 4 1 方案评价的特点 浙江大学硕士学位论文 概念设计方案的评价对产品的最终设计定型有着决定性的作用，具有以下特 点： 多目标性方案评价需要考虑多个评价指标，评价过程需要考虑各个指标的 作用以及相互之间的影响。 多层次性概念设计方案的评价指标一般说来有很多项，评价指标之问一般 说来具有层次性，这些构成了概念设计方案的评价指标体系。 不确定性概念设计过程的信息具有不完全、不确定的特性，功能指标往往 不具有严格的标准或界限，方案评价所需要的指标通常具有多义性和不确定性。 1 2 4 2 方案评价的步骤 王宗军在其博士论文定性与定量集成综合评价及其智能决策支持系统的研 究中指出，概念设计方案的评价决策可以按照以下5 个步骤来完成蜘j ： 明确评价决策对象：对概念设计方案的评价决策而言，评价对象即为概念 设计阶段产生的多个候选方案。建立评价指标体系：建立评价体系时，要考虑 到设计师在面对一个具体问题时思维通常是从粗到细，从全部到局部的分层次的 一个过程，选用评价指标体系，要明确指标之间的相互关系。确定评价决策模 型：确定评价决策模型是整个评价决策的核心过程，设计师需根据面临的设计任 务设定评价决策模型，评价决策模型直接决定方案的优劣。评价决策：包括不 同指标属性的量化；不同指标的权值进行赋值；逐层综合：输出评价结果经 过这一步，设计师可以得出最优方案。 1 2 4 3 现有方案评价方法 概念设计方案的评价决策技术是整个产品设计过程中非常重要的技术，直 接对产品最终质量起决定性作用，目前国内外有许多学者对概念设计方案的评价 决策进行了研究。目前比较有代表性的概念设计方案评价决策技术主要有：价值 工程法、模糊综合评价法、系统分析法、物理规则法等。 价值工程法价值工程法以提高产品使用价值为目的，以功能分析为核心， 以开发集体智力资源为基础，以科学分析方法为工具，用最低的成本去实现产品 的必要功能靶1 。价值工程法评价概念设计方案的实质是功能评价，即以功能评价 为对象，找出实现某一功能的最低成本即为功能评价值。价值工程法重在评价单 浙江大学硕士学位论文 个功能，而不是整体的方案。价值工程法用于概念设计最初期方案评价。 模糊综合评价法模糊综合评价法是用模糊数学的理论方法将评价决策中的 模糊信息数值化，再进行定量评价“。运用模糊数学理论建立方案评价决策的数 学模型，可以使定性的评价指标定量化1 5 4 i ，定量的模糊评价指标向精确化逼进， 使评价方法更科学。更使用。评价步骤为：建立评价因素集；建立评价备择 集；单因素评判；建立权值集；模糊综合评价。模糊评价法能够很好的处 理概念设计方案的设计信息的不确定性，但是在定性指标进行量化的过程中，不 可避免受决策者主观影响。 系统分析法系统分析法将每一个概念设计方案作为一个系统，从整体上对 概念设计方案进行综合评价，以便从多个方案中客观、合理地选择最佳方案矧。 其工作步骤如图1 6 所示： 明确阀题i 图1 6 系统分析法方案的评价决策工作步骤 物理规则法该方法从本质上把握设计者的偏好，大大减轻大规模多目标设 计问题的计算负担，并将整个设计过程置于一个更加灵活、自然的框架中。通过 计算综合目标的函数值来表达候选方案评价决策的目的，综合目标的函数值被看 作各个方案的总得分，其评价决策的步骤为：规划各设计目标的偏好函数类型 以及满意程度区间；权值计算；计算总得分”。 概念设计方案评价决策方法除了以上陈述的几种外，人工神经网络及其改进 算法在概念设计方案评价中也经常被采用| 5 7 , s 8 1 。这些概念设计方案评价的方法 在工程领域已有很多应用，共同特点是采用定性评价与定量评价相结合的评价技 术，力求使评价结果更具有科学性和可信性。 已有的概念设计方案评价方法大多只是按照评价体系从整体上对方案进行 评价，而忽略了方案各部分之间的相互影响，这对方案评价来说也是非常重要的。 浙江大学硕士学位论文 本文采用的方案评价方法以模糊综合评价方法为基础加以改进，考虑功能之间的 依存度以及子功能之间的影响，综合考虑来评价功能结构解。 1 3 本文的研究内容及框架 1 3 1 本文要解决的关键问题 综上所述，本文要解决的关键问题有： ( 1 ) 功能动词分类体系及功能动词库的建立 目前的功能动词分类体系还不够完善，系统性不好，带来的问题是：添加新 的功能动词时可能归类不清，语意存在交叉；缺少个针对汉语为工作语言的概 念设计功能动词库，因此建立一个分类分层次的功能动词分类体系以及基于此分 类体系建立一个汉语功能动词词库对概念设计来说是非常重要且急需的。 ( 2 ) 功能组合的策略 功能组合是产生功能结构多解的最根本的方法，基于功能动词拓展的方法进 行功能组合很容易产生组合爆炸问题，系统无法剔除无效功能结构解。因此需要 研究功能组合的策略，找出避免功能组合爆炸的方法以及自动滤除无效功能结构 解的策略。这些可以通过功能动词与对象匹配设计以及考察功能动词之间的逻辑 关系来完成。 ( 3 ) 功能结构解的评价 功能结构解的评价有别于常见的概念设计方案的评价，功能结构解的评价需 要考虑到子功能之间的相互影响对功能结构整体的影响，因此在进行功能结构解 的评价时，一方面要从整体对功能结构解进行评价，另一方面要考虑子功能之间 的相互影响对解的影响。 1 3 2 本文的研究内容 ( 1 ) 提出一个功能动词分类体系，建立汉语功能动词库 针对目前已有概念设计中功能动词分类存在的问题，本文提出了一种基于 系统转换思想的功能动词分类体系，并按照功能动词的使用频率，将常见的功能 动词归类，建立了一个概念设计领域通用的功能动词库。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 提出一种易于实现计算机自动生成功能结构多解的方案 功能组合是实现概念设计创新的重要手段，单纯按照形态学功能组合容易导 致解的组合爆炸。结合功能动词库以及动词与对象匹配库，可以删除部分不合理 的子功能；通过分析子功能之间的逻辑关系和组合形式，可以进一步缩小子功能 的组合解的空问，从而可以既避免组合爆炸，又不致于漏掉可能存在的功能结构 解。 ( 3 ) 建立计算机辅助功能结构解的评价体系 计算机自动产生功能结构多解后，解的空间往往是比较大的，为了进一步 辅助设计师提高设计效率，建立一个计算机辅助功能结构评价体系帮助设计师尽 快选出最优功能结构解。 ( 4 ) 原型系统实现 本系统设计功能动词定义、功能结构抽象、功能与对象的匹配、逻辑关系考 察、功能组合、解的评价等。在人机交互的环境下能够实现功能动词的添加、删 除、修改等操作；实现功能结构解计算机自动生成，并对功能结构解进行评价。 系统通过具有代表性的设计问题检验，证明确实能够达到预期效果。 1 3 3 论文框架 围绕前面所述的主要内容，全文分为六章，每章主要内容如下： 第一章：分析了概念设计在现代企业竞争中的地位，讲述了概念设计的研究 现状和特点，讲述了概念设计中功能结构设计的重要性，以及功能结构设计存在 的问题，对功能结构设计的进程、功能表达等方面国t 勾9 t 研究现状进行阐述，最 后说明了本文的主要研究方向及内容。 第二章：建立了基于系统转换思想的功能分类、分层次体系，并总结出以汉 语为工作语言的概念设计功能结构建模中常用的功能动词( 包括通用功能动词和 技术功能动词) 。在此基础上，提出了功能动词语意层次性的功能结构多解策略， 以原木加工机为例对上述理论进行验证。 第三章：以功能组合的思想为基础，提出功能结构多解的几点策略，包括： 考察功能与对象的匹配关系；功能之间的逻辑关系以及功能的组合形式。通过匹 配过滤、逻辑关系考察过滤等步骤后再进行子功能的形态学组合，这样可以大量 减少无效解。 1 3 浙江大学硕士学位论文 第四章：主要讲述如何计算机辅助评价已经产生的功能结构解，本文所采用 的功能结构解的评价方法是先评价方案的可行性，将方案的可行性作为方案评价 的一个重要参数，然后再对建立评价指标体系对方案整体评价。 第五章：主要介绍基于前面几章理论研究开发的计算机辅助功能结构刨新软 件：c a f s d e s i g nv 1 0 ，该软件包括的主要功能有：功能定义、功能抽象、匹配 过滤、逻辑关系设置、解的组合以及评价等。实现的功能是辅助设计师进行功能 结构创新以及功能结构解的评价。 第六章：总结与展望。总结论文的研究成果及完成的基础工作，指出有待进 一步研究的内容。 浙江大学硕士学位论文 第二章基于功能分类的产品创新设计策略研究 【摘要】针对目前产品功能分类标准欠完善，提出了基于系统转换思想的功能 分类分层体系，并以汉语文化为背景，建立了转换时间、地点种类数量 大小、状态、成分特性、形状等9 类通用功能动词及其相应的技术功能动词库 在此基础上，通过建立通用功能语叉与技术功能语义之问的关联关系，提出了基 于功能语义层次性的功能结构多解策略。开发了计算机辅助功能结构建模原型系 统，将多解策略应用于圆木加工机创新设计中，取得了较好效果 关键词：功能分类；功能动词；功能建模；功能创新 2 1 前言 进行产品功能结构设计是实现产品方案创新的有效方法1 5 9 1 。为了能够用计算 机进行辅助功能结构设计，需要对功能的表达和分类进行规范。目前提出的功能 表达方式主要有：( 1 ) 动词+ 名词( v n p ) 1 2 1 、( 2 ) 输入、输出流变化( i o f t ) 1 3 1 和( 3 ) 输入输出状态变化( i o s t ) 1 4 1 等三种方式。其中l o f t 一般适合于简单 模型；i o s t 主要适用于适应性设计；v n p 由于表达方式简单易懂，符合设计师 习惯，因此得到了广泛的认可。 在功能分类方面，早期学者一般按通用功能语义进行划分，例如g p a h l & w b e i t z 将功能分为c h a n n e l ( 引导) 、c o n n e c t ( 连接) 、v a r y ( 改变) 、c h a n g e ( 转 换) 、s t o r e ( 储存) 等5 类【4 1 。h u n d a l 在g p a h l & w b e i t z 的基础上将v a r y 又细 分为c h a n g e m a g n i t u d e ( 改变大小) 和b r a n c h ( 分流) 两类，共6 类删。r k o l l e r 将功能分为7 种基本操作和5 种次基本操作1 6 i 。由于在许多实践情况下，只用通 用功能语义不利于后续功能求解。因此j u l i eh i r t z 提出了功能的层次性，将功能 分为c l a s s 层、s e c o n d a r y 层和t e r t i a r y 层，其中c l a s s 和s e c o n d a r y 层属于通用 功能语义层，t e r t i a r y 层涉及到一些具体领域的功能1 6 1 1 但由于h i r