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山东师范大学硕士学位论文 r b f 网络在产品概念设计评价中的应用研究 摘要 在知识经济飞速发展的时代，日益增强的市场竞争对产品的创新能力提出了 更高的要求，也为产品的设计增加了难度。概念设计在设计阶段起着重要作用， 它决定了产品的基本特征和主要框架，如何在多个设计结果中选择一个符合各种 约束条件的最优的设计结果，关键在于能够对所得到的评价对象进行准确的综合 评价。产品造型评价是对复杂而多解问题的决策，多目标评价成为提高产品造型 设计质量的一个重要环节。因此，产品造型设计的综合评价问题成为产品概念设 计领域的热点问题，受到了越来越多专家和学者的热切关注。 工业产品造型设计是满足人的生理和心理需求、协调产品与环境间的关系、 提高产品附加价值的创造性行为。它的评价内容包括以下几方面：产品造型符 合人体工程学的需求；造型形态清楚表达产品功能的需求；造型色彩的协 调性需求；造型表面装饰的适度性需求；造型与环境的和谐性需求；造型 的经济性需求等。 由于神经网络具有很强的自组织性、自学习和联想记忆的能力，能够通过对 已有样本的学习获得对评价目标重要性的权重，而且对弱化权重确定中的人为因 素、保证权值的有效性十分有益，因此，目前神经网络模型被广泛应用予解决实 际预测和方案评价问题。对于这一类问题，主要是通过对现有实际数据或评价结 果( 称为学习样本) 的学习、记忆、联想，然后达到预测或评价的目的。径向基函 数网络是前向型神经网络的一种类型，具有强大的矢量分类功能和快速计算能 力，能以任意精度逼近任意非线性函数，被誉为“最适合于模式识别任务的神经 网络”。 基于以上研究现状，本文针对手机创新概念设计的特点，建立了相应的综合 评价体系，进行了相关技术的研究和探索。主要包括以下工作： 1 、结合创新概念设计、人机理论和模糊概念提出了手机造型创新设计的评 价因素。 从对产品造型有影响的物的因素和人的因素两个方面，结合产品造型设计评 价中存在的模糊性特点，总结了影响工业产品造型评价的因素。 2 、提出了基于r b f 神经网络的二级综合评价模型。 研究了目前常用于评价的一种人工神经网络模型径向基神经网络，针对 径向基神经网络模型存在的问题提出了一种基于岛屿迁徙模型和多神经网络集 成优化思想的集成神经网络模型岛屿迁徙r b f 网络集成模型。结合手机造型 创新设计的特点，提出了基于r b f 神经网络的二级综合评价模型。 3 、以手机为例实现了创新概念设计评价系统。 硼 山东师范大学硕士学位论文 基于上述理论，利用v c + + 6 0 和m a t l a b 6 5 结合数据库技术初步实现了评价系 统，取得了较好的评价效果。评价结果具有较高的精度和可信度，不仅为设计人 员的创新设计提供了思路和改进依据，而且保证了设计质量，提高了设计效率。 并且r b f 网络具有良好的泛化能力，适用性广，在产品造型设计的评价问题上显 示出了良好的应用前景。 关键词：创新概念设计；人机工程；径向基神经网络；产品造型评价 分类号：t p 3 9 1 。7 山东师范大学硕士学位论文 t h er e s 既k ho f 恤e 舳fn e t w o r kmt h ee v a l u a t i o no ft h ep 如d u c t n p t l i a i d e s i 驴 a b s t r a c t h lt o d a y sr a p i d l ye v o l v i n g 舀o b a la l l df i e r c e l yc o m p e t i t i v ee c o n o m y c 0 m p 锄i e s n e e dt oi 肋o v a t ec o n t i n u o u s l y ni sa l s om o r ed i f f i c u l tt ot h ed e s i 印i n go ft h ep r o d u c t c o n c e p t u a ld e s i 印i n gi sv e r yi m p o n 觚ti nt h ed e s i 印i n gs t a g e ；i td e t e 加i n e dt h eb a s i c f c a t u r e 卸dt h em a i n 仃a m e0 ft h ep r o d u c t 。t h ek e yt h a th o wt os e l e c tt h eb e s t d e s i 印i n gc o n s e q u e n c ea c c o r d i n gw i t hl 【i n d so fr e q u i r e m e n tf 幻mm 觚yd e s i 印i n g c o n s e q u e n c ei sg a j n i n gt h ea c c u r a t em u l t i p l ee v a l u a t i o n0 ft h ee v a l u a t i n gt a r g e t p r o d u c tm o d e le v a l u a t i o ni sl om a k ef i n a ld e c i s i o ns o l v ec o m p l e xp r o b l e m sl h a th a v e m o r es o l u t i o n s m u l t i - t 缸g e te v a l u a t i 伽h a sa l r e a d yb e c o m e 孤i m p o n 姐ts t e pt 0 i m p r 0 v ed e s i g nq u a l i t yf o rp r o d u c tm o d e lt h e r e f o r e ，t h ep r o b l e mo ft h ep r o d u c t m o d e ld e s i 印i n gb e c o m e sah o ts p o ti nt h ef i e l do ft h ep r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i 印，a i l d m o r ea n dm o f ee x p e n sa n ds t u d e n t sp a yd o s ea t t e n t i o nt 0i t i i l d u s t r i a lp r o d u c tm o d e ld e s i g ni st h ec r e a t i v ea c t i o nt h a ts a t i s f i e dp e o p l e s p h y s i o l o g ya n dp s y c h o l o g yr e q u i r e m e n t ，c o o r d i n a t e dt h er e l a t i o no ft h ep r o d u c ta n d t h ee n v i r o n m c n t ，a i l df a i s e dt h ea d d i t i o n a lv a l u eo ft h ep r o d u c t 1 t se v a l u a t i n gc o n t e n t c o n t a i n e d ：t h ep r o d u c tm o d e la c c o r d e dw i t ht h er e q u i f e m e n to ft h eh u m a np r o j e c t ；t i l e m o d e l sp a t t e mc a ne x p r e s st h e 如n c t i o no ft h ep r o d u c tc l e a r l y ；t h ec 0 i o r d i n a t i o no ft h e m o d e l sc o l o r ；t h em o d e r a t i o no ft h em o d e ls u r f a c e sd e c o f a t i o n ；t h ec o n c o r d 柚t 托q u i r e m e n tb e 锕e e nt h em o d e la i l dt h ee n v i r o 姗e n t ；t h ee c o n o m i c a lr e q u i r e m e n to f t h em o d e la n ds oo n n o wn e u r a ln e t w o r km o d e l i se x t e m i v e l yu s e dt 0s o l v et h ep r o b l e m0 ft h e c a l c u l a t i o na n dt h ee v a l u a t i o nb e c a u s et h a tt h en e u r a ln e t w o r kh a sv e f y9 0 0 d s e l f - o r g a n i z a t i o n ，s e l f - s t u d ya n dt h ea b i l i t yo ft h ea s s o c i a t i o na n dm e m o a n d i tc 柚 g a i nt h es t e e l y a r dw e i g l l to ft h ei m p o n 锄c eo ft h ee v a l u a t i v et a 培e tb ys t u d y i n gt l l e s 锄p l e ，a n di ti sg c i o dt ow e a k e nt h eh u m a i lf a c t o ra n dp l e d g et h ee f f e c to f t h e s t e e l y a r dw e i g l l t t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，i ti sm a i n l yb ys t u d y i n g 锄dm e m o r y t h e i e a ld a t ao re v a l u a t i n gc o n s e q u e n c ea n dt h e na t t a i n st h ep u 印0 s eo ft h ec a l c u l a t i o na n d t h ee v a l u a t i o n r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t _ w o r ki sak i n do ff e e d f o 州a r dn e u r a l n e 锕o r k 。i th a sg o o da b i l i t yt oc l a s s i f yt h ev e c t o ra n dh i g h s p e e dc o m p u t i n g ，a n di t c a np r c s s0 nt o w a r d sw i l l f u l l yn o n l i n e a rf u n c t i o nb yw i l l f u l l ya c c u r a c y s oi ti s n a m e dt h en e u r a ln e t w o r kw h i c hi st h eb e s ts u i t a b l ef b rt h ep a t t e mi d e n t i f i c a t i o nt a s k b e c a u s eo ft h ea b o v er e s e a f c hc u 盯e n ts i t u a t i o n ，ac o l l r e s p o n d i n ge v a l u a t i o n s y s t e mi sf 0 肌e di nt h i st h e s i si nt h el i g l l to f t h ec h a r a c t e r i s t i co ft l l em o b i l ep h o n e v 山东师范大学硕士学位论文 i i l i l o v a t i v e 姐dc o n c e p t u a ld e s i 缈。m a i n l yi n c l u d i n gw o r k ： 1 、田l ef a c t o f se x i s t e di nt h em o b i l ep h o n ec r e a t i v ed e s i g n i n ge v a l u a t i 伽i sp r e s e n t e d b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ec r c a t i v ec c c p t u a ld e s i 驴，e 瑁嘶o m i c 觚dt h ef u z z y c o n c e p t i o n n i st h e s i ss u m m a r i z e dt h ef a c t o r sw h i c ha 虢c tt h ei n d u s t r i a lp m d u c tm o d e l c v a l u a t i o nf | o mt h ef a c t o r so fs u b s t a i l c ca n dp e o p l e 锄dt h e 配z yf e a t u r cc x i s t e di n t h ep r o d u c tm o d e lc v a l u a t i o n 2 、1 1 i e 觚ol e v e ls y n m e t i c a ie v a l u a t i n gm o d e li sr a i s e d b a s e do nt h er a d i a lb a s i s f u n c t i o nn e u r a ln e t 、) l ，0 r k 。 r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e 帆o r k ，an e u r a ln e 俩o r km o d e lw h i c hi su s u a l l y u s e di nt h ee v a l u a t i o nn o w a d a y s ，i sr e s e a r c h e di nt h et h e s i s i i lt h el i g h to ft h e q u e s t i o ne x i s t e di nt h er b f n e 觚o r km o d e l ，t h ei s l a n dm i g r a t i n gn e u r a ln e t 、) i r o r k e n s e m b l em o d e lb a s e do n 锄i s l a l l dm i 伊a t i n gm o d e l 柚dt h et h o u g l l to fs e v e r a ln e u n l n e 觚o r k se n s e m b l ei sp r e s e n t e d 。c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o b i l e p h o n et h et w ol e v e ls y n t h e t i c a le v a l u a t i n gm o d e l i sr a i s e d 3 、t h ee v a l u a t i n gs y s t e mi sr e a l i z e db a s e do nt h em o b i l ep h o n e b a s e do nr e s e a r c ho ft h ec r e a t i v ec o n c e p t u a ld e s i g n ，e l 苫o n o m i ca n dr a d i a lb a s i s f h n c t i o nn e u r a ln e t w o r kt h et h e s i sr e a l i z e dt h ee v a l u a t i n gs y s t e mu s e dv c + + 6 。0a n d m a t l a b 6 5a i l dt h et e c h n o l o g yo fd a t ab a s e a n di t g a i n e d ag o o dr e s u l tf r o m e v a l u a t i n g n er e s u l th a sh i 曲e rp r e c i s i o na n dq u i t eg o o dd e p e n d a b i l i t y i tn o to n l y p r 0 v i d e st h et r a i no ft h o u g l l ta n dt h ei m p r o v i n gf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g n e r ，e n s u f e s t h ed e s i 印i n gq u a l i t yb u ta l s or a i s e st h ed e s i g i l i n ge f ! f i c i e n c y a n dt h er a d i a lb a s i s f u n c t i o nn e u r a ln e t w o r kh a s 舀) 0 de x t e n s i v ea b i l i t y 柚dt a k e so nw i d ea p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d k e y w o r d s ：c r e a t i v ec o n c e p t u a ld e s i g i i ；e 增0 n o m i c ；r b fn e u n ln e 觚o r k ； p r o d u c t m o d e le v a l u a t i o n c l a s s i f ；c a t 主o n ：t p 3 9 1 7 山东师范大学硕上学位论文 独创声明 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，也不包含为获得一一( 注：如 没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材 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。 学位论文作者虢羽编 导师签字 学位论文版权使用授权书 浏勿 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、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。 本人授权堂撞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：到 1 导师签字：二：? 7 哆 签字日期：2 0 08 年f 月多or签字日期：2 0 08 年j 月初日 山东师范大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 课题的研究背景和意义 1 1 1 课题的研究背景 人工神经网络是上世纪8 0 年代中后期迅速发展起来的一种数学工具，其理论 及应用的研究是当今世界控制界研究的热点之一。它是模拟人的神经系统智能行 为的新型信息处理系统n 1 ，该网络一般包含大量的人工神经元，每个神经元的结 构和功能都不复杂，但神经网络的动态行为则是十分复杂的。人工神经网络是一 个自适应、非线性的动态系统，具有并行计算能力、容错能力、泛化能力，以及 以任意精度逼近未知非线性对象的特点，为解决未知非线性对象的控制问题提供 了一种有效的方法。因此，人工神经网络已被广泛应用于模式识别、信号处理、 人工智能等各个领域嘲口1 。径向基函数( r b f ) 神经网络是基于人脑的神经元细胞 对外界反应的局部性而提出的一种新颖、有效的前馈式神经网络，因其具有很好 的逼近特性而被广泛应用于函数逼近、通信自适应均衡及模式识别等领域。但 r b f 神经网络目前还存在不少问题尚待解决，最突出的是：网络拓扑结构的确定， 尤其是网络隐含层结点数目的选定及其性能速度比还需要进一步研究n 1 ；隐含层 结点中心值的确定，这还有待于聚类算法的发展，很多学者对此进行了改进研究 但很多算法只适用于网络结构确定的情况，不能同时对网络的参数进行优化 嘲1 n ；快速有效的递推算法是r b f 网络在控制领域可以在线实时应用的前提，目 前主要是将递推k 均值算法和递推最小二乘法结合起来使用，取得了一定效果， 但还需要更有效的改进随儿9 l 。解决好上述几个问题将会进一步促进r b f 网络在各 领域中的应用。 一个新产品的设计过程是不同学科领域设计群体相互协作，经过复杂推理而 做出决定的过程。特别是产品的概念设计，是一个求解实现功能、满足各种技术 和经济指标的、可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。创新概念 设计是设计学中的重要的研究课题，有关该方面的研究有众多的文献。而评价工 作是计算机辅助创新设计中的一个重要的环节，可以为设计决策提供辅助支持。 产品造型设计评价属于多目标决策问题，要解决这种问题，就要先分析设计对象 的特点、要求及各种制约因素，再综合搜索各种设计方案做出决策，选出符合设 计目标要求的最佳方案。目前，许多学者已对产品造型评价的方法做了深入的研 究，如模糊综合评价法、基于灰度理论的评价法、人工神经网络评价法等等。这 些服务于产品整个生命周期的产品设计评价的研究，虽然已取得了一定的成果， 但还存在着不同程度的局限性，大体表现在以下几个方面： 1 ) 注重单个部件的设计合理性，缺乏对产品整体的考虑。 2 )自动化与智能化程度较低，人工参与过多。 山东师范大学硕士学位论文 3 ) 某些方法虽然理论可靠，但难以应用于实际生产当中。 4 ) 对产品设计的评价往往发生在产品的详细设计完成之后，无法对产品 的前期设计阶段提供充分有效的支持，从而限制了产品设计的优化程 度。 1 1 2 课题的研究意义 在当今环境下，企业的激烈竞争和市场的不断变化，为产品的设计提出了更 高的要求。产品的设计过程总伴随着大量的评价和决策，随着设计需求的日益复 杂化，单凭经验和直觉来指导设计已越来越不适应时代的发展。评价不仅是对方 案的选择评定，还应针对方案的技术、经济、美学等方面的弱点加以改进和完善。 长期以来，设计师和入机工程学专家处于一种无交集状态，由于人机工程学家们 无法将其研究成果在实际的产品开发中得以应用，结果导致设计师设计出来的产 品不符合人机工程学原理，宜人性差n0 。目前，产品的宜人性以及良好的人机特 性也越来越重要，研究和应用人机工程设计原理和方法，已成为概念设计专家面 临的新课题之一。人机工程设计作为概念设计中的一个重要内容，主要研究在概 念设计过程中如何充分考虑人的特性、实现概念设计过程中的人机工程实时分析 与评价，使得概念设计方案设计过程与人机设计过程的同步与统一，进而大大缩 短产品开发周期，提高产品质量。 评价工作是计算机辅助创新设计中的一个重要的环节，它有助于开拓计算机 辅助创新设计n 门研究的新领域，其系统研究将为开展基于产品造型的计算机辅助 创新设计的研究奠定基础，有助于建立和完善产品设计理论与方法体系，有助于 产品设计和评价的科学化、规范化和定量化。近年来，已有众多专家和学者对有 关产品设计的评价方法做了深入的研究。与其它综合评价方法相比，基于人工神 经网络的综合评价方法也越来越显示出它的优越性。人工神经网络评价法能够处 理那些有噪声或不完全的数据，具有很强的泛化功能和容错能力。由于实际综合 评估往往是非常复杂的，各个因素之间互相影响，呈现出复杂的非线性关系，人 工神经网络为处理这类非线性问题提供了强有力的工具，而r b f 网络与其它网络 模型相比具有良好的特性，因此被广泛的运用在各个行业的评价中n 2 1 3 1 。 在对产品造型设计的评价过程中，不可避免的要涉及到美的概念，而美是一 个模糊集合，所有事物都在美和丑之间连续分布，因此，针对产品外型美学评价 的特点，结合模糊数学的方法n4 。，利用r b f 网络良好的逼近能力、可增强模糊模 型的透明性以及减少模糊集合数的特点n5 | ，可有效的解决计算机辅助设计中的智 能评价问题。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 神经网络的理论研究是一门新兴的边缘和交叉学科，它的产生和发展一方 2 山东师范大学硕士学位论文 面受其它学科的影响，反过来又势必影响其它学科的发展。生物神经元具有局部 响应的特点，b r o o m h e a d 和l 0 w e 将这一思想引入神经网络设计，产生了r b f 神经 网络。r b f 神经网络是一种前向神经网络，和其它前向网络相比，这种网络具有 结构简单，全局逼近能力强n6 l ，训练方法快速易行的优点，使得其在预测、信号 处理及模式识别等很多领域得到了广泛的应用n 7 儿1 8 3 ，也成为近年来的研究热点。 但r b f 网络的结构尤其是其隐含层结点的确定是个难题，针对其存在的问题，研 究人员对其学习算法、网络构造及提高其逼近能力和复杂性等方面n 们啪1 做了很多 的改进工作。近年来，对于r b f 网络的研究主要在以下几个方面： l 、从理论上研究r b f 网络结构的确定及对其网络结构进行有效地改进。 目前，对r b f 网络结构的设计和训练正处于探索阶段，尚未有一种统一有效 的方法乜。从数学理论的角度出发，研究r b f 网络结构的确定，对于r b f 网络的 进一步推广和应用将起到里程牌的作用。r b f 网络结构本身也有必要改进，比如： 增加补偿网络，在隐含层和输出层间增加类内竞争层，引入反馈网络的思想，将 r b f 网络与其它前向网络组合等。r b f 参数的确定对网络的性能也有着很大的影 响n 引，有效的优化网络参数能使r b f 网络具有更广大的应用前景。 2 、将r b f 网络与其它网络模型相结合形成集成网络。 单个网络解决问题的能力是有限的，将不同的神经网络预测结果进行适当的 集成，以便综合利用各个神经网络提供的有效信息，尽可能提高预测模型的精度， 从而更好解决实际问题。因此，多网络集成也成为神经网络的一个发展趋势。 3 、将r b f 网络与其它智能技术相结合。 除人工神经元网络( a n n ) 以外，当前人工智能技术主要有专家系统( e s ) j 遗传算法( g a ) 、模糊系统( f z ) 。它们各有长处和局限性，目前已有学者将模拟 自然生态的蚁群算法用到了h o p f i e i d 网络模型中乜引，假如r b f 网络也能与它们进 行有机地结合，那么r b f 网络的性能将得到更大的发挥乜3 儿2 引。 1 3 本文主要工作 本文针对创新概念设计的特点，研究了基于设计实例和人工神经网络的智能 评价方法，建立了相应的综合评价体系，并实现了该综合评价方法的主要功能； 同时也进行了相关技术的研究和探索。主要做了以下几个方面的工作： 1 、结合创新概念设计、人机理论和模糊概念提出了手机造型创新设计的综 合评价目标。 对产品造型设计的创新性要素、产品造型设计评价中存在的模糊性以及符合 人体尺度、操作控制造型合理并处于最佳的工作区域的人机因素等进行了探讨。 从对产品造型有影响的物的因素和人的因素两个方面，分析了影响工业产品造型 评价的因素，并将上述理论用于手机创新概念设计的评价中，形成了综合评价的 总体思想。 3 山东师范大学硕士学位论文 2 、提出了基于r b f 神经网络的二级综合评价模型。 研究了目前常用于评价的一种人工神经网络模型径向基神经网络阻钉啪1 ， 针对径向基神经网络模型存在的问题啪h 制提出了一种基于岛屿迁徙模型和多神 经网络集成优化思想的集成神经网络模型岛屿迁徙r b f 网络集成模型。结合 手机造型创新设计的特点，提出了基于r b f 神经网络的二级综合评价模型。 3 、以手机为例初步实现了创新概念设计评价系统。 在v c + + 6 0 和m a t l a b 6 5 环境下，结合上述理论以及数据库技术，以手机造型 创新概念设计为例建立评价模型，对基于径向基神经网络的手机创新概念设计评 价方法的有效性进行了初步验证。利用该系统，不仅为设计人员的创新设计提供 了思路和改进依据，而且保证了设计质量，提高了设计效率。 4 山东师范大学硕士学位论文 第2 章人机工程与造型创新概念设计研究 2 。1 引言 市场经济的发展加剧了产品竞争，当产品市场由卖方向买方转变时，产品的 功能已经不再是消费者决定是否购买的最主要因素，产品的创新性、外观造型的 亲和性、使用的宜人性等因素越来越受重视。而在产品设计过程中，产品创新性、 亲和性和宜人性表现最为集中和突出的阶段是产品概念设计阶段口1 | 。因此，我们 必须将产品概念设计的研究提到一个新的高度。创新是概念设计的本质和灵魂， 概念设计包含了设计创新的最主要过程。由于对设计人员的约束较少，具有较大 的创新空间，概念设计最能体现设计者的经验、智慧和创造性。遗憾的是，至今 尚没有一套全面探索及实现概念设计的有效方法b 2 j 。因此，对概念设计，尤其是 创新概念设计的研究是非常迫切并具有实际意义的。 生活中常常会遇到一些指示不明的记号、隐晦难懂的说明，以及坐起来不舒 适的座椅和操作复杂而且难以理解的设备，所有这些都给我们的生活带来不便。 社会在发展，人们的需求在发展，设计的观念与研究的范围也在发展。传统人机 工学注重于各种测量数据与人体感知性方面的研究，旨在提高工作效率与减少事 故的发生。当代人机观念更多地从定性的角度来考虑人机关系，强调用户使用过 程中的适宜性、易理解性、易用性、舒适性和情感性等方面的需求；强调从宏观 的自然和社会角度，用可持续发展观念来研究人机关系。 目前，翻开某些产品说明书或广告册，“人性化设计”、“人体工学设计 和“艺术造型设计的科技词语，已成为产品广告和点缀产品设计技术水平的 道道靓丽风景线。大到飞机、汽车等工业设备，小到个人电脑、手机等家居产品， 无不把“以人为本”、“人体工程学”和“外观艺术造型”的设计作为产品的特 质来重点宣传。传统产品设计过程中，设计人员通常主要是根据产品基本属性( 功 能、质量、寿命、成本) 指标进行设计，其设计指导原则是3 i ：只要产品易于制 造并满足所要求的功能、性能，而较少或基本没有考虑美学、人机环境的影响。 这样设计生产制造出来的产品，不但不能带给消费者美的享受，还可能伤害机器 的使用者或严重污染生态环境，影响生产发展的持续性。事实上，随着现代科技 的兴起，人类已经从温饱生活进入高科技时代，所有产品的设计都要围绕人的需 求来展开，产品及其环境的设计要更好地适应和满足人类的生理( 人机环境协调) 和心理( 美感) 的特点，这已逐渐被产品的设计制造者和消费者形成共识。在满 足产品固有功能的条件下，产品的人机工程和外观造型设计已成为产品竞争的重 要手段之一，成为了工业产品开发设计中必不可少的重要组成部分。因此，作为 个现代工程设计人员，了解和掌握人机工程与造型设计的基础理论及基本技能 就尤为重要副。 5 山东师范大学硕士学位论文 2 2 计算机辅助造型设计基础 计算机辅助造型设计是指以计算机软、硬件技术为依托，设计师在设计过 程中，凭借计算机参与新产品的造型开发设计的一种新型的设计方式。它以提高 效率、增强设计的科学性和可靠性、适应信息化社会的生产方式为目的。在计算 机辅助造型设计中，主要倾向于对产品的形态、色彩、材料等设计要素的模拟， 是当今社会起主导作用的设计方式。 从历史上讲，从来没有一种技术像计算机技术那样对人类历史产生如此深远 的影响，它几乎渗透进人类生产、生活及科研的各个方面，在造型设计领域也不 例外。计算机辅助造型设计是造型设计理论与计算机技术相结合的产物，也是技 术与艺术的完美结合。与传统的造型设计相比，计算机辅助造型设计在各个方面 都发生了质的变化，它不仅涉及工业设计的知识，而且还涉及计算机辅助设计技 术、人工智能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、敏捷制造、优化技术、模糊技 术、人机工程学等许多技术领域，已成为一门综合性的交叉学科。 传统的效果图只能表现某一透视角度呈现的形象，不能全面反映产品的真实 外貌，影响了对产品的正确评价。方案确定后，设计者需要将效果图转换成通用 的工程图形式，作为结构设计和模型制作的参考。由于转换方式固有的缺陷，容 易导致设计方案不能准确表达、制图工作繁重等问题，尤其是工程制图很难准确 表达自由曲面的和双曲面等形体，需要制作模型才能表达清楚，而将模型再次转 换成工程图还是困难重重，给设计工作带来许多束缚，影响了创造力的发挥。使 用计算机建模则有效地避免了上述问题，数字模型不但能准确表达各种形体，而 且该设计数据还能完整无误地传输到加工、制造系统和其他协作部门，将设计和 制造紧密联系起来。 计算机和网络实现了资源的共享，改变了过去企业内部各部门之间相对封闭 的状态，与传统的工业设计相比，计算机辅助造型设计在设计方法、设计过程、 设计质量和效率等各方面都发生了质的变化。从某种意义上说，设计的过程就是 修改的过程。在传统的设计方式中，修改意味着从头再来；但如果使用计算机辅 助建模，就可以避免设计修改时的重复劳动，设计师一旦完成模型的创建，建模 的整个过程就能被记录下来，只需修改某些特征参数，模型数据就能全部更新。 通过给模型赋予材质和场景渲染还可以多角度观看产品的真实感立体效果，使设 计评价更为准确。同时设计数据也可通过网络进行传递，用于远程协同作业、用 户调查、设计发布等，使不同专业背景的设计人员可以借助网络与计算机进行实 时沟通，实现并行的工作方式，使设计开发过程更加科学有序，极大地提高了生 产效率。 2 3 人机工程与造型设计 6 山东师范大学硕士学位论文 2 3 1 人机工程理论与造型设计的关系 人机工程与造型设计都是新兴的综合性学科，它们不仅涉及科学和美学、技 术和艺术、材料与工艺，而且还与人们的心理、生理等方面有极其密切的关系。 长期以来，尽管人机工程与造型设计都有共同的理论基础，如美学法则与色彩设 计，但却分属于不同的研究领域，人机工程学是作为一门独立学科而诞生的。随 着计算机辅助设计技术的成熟和广泛应用，人机工程学逐渐演变成计算机辅助造 型设计的基础理论之一。产品造型设计的主要特征，表现为产品功能的实用性， 工作原理的科学性和造型艺术性以及人机环境的协调性，它们之间的关系是相互 牵连、相互影响、不可分割的整体。产品的造型设计不是孤立的计算机三维设计， 它要求在满足使用功能的先决条件下实现综合造型设计，以满足人的心理、生理 上的要求和审美要求，从而达到产品实用、美观、经济、节能和环保的目的。 人机工程也从人与机器之间的关系扩展到了人、机器与环境之间的关系，国 外称之为“环境友善技术 ( e n v i r o n m e n t a ls o u n dt e c l u l o l o g y ，e s t ) ，国内称 之为绿色技术( g r e e nt e c h n o l o g y ，g t ) 或绿色设计b 引。它的基本思想是要预先 设法防止产品及工艺对环境产生的副作用，然后再制造。概括起来，绿色设计是 一种在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性( 可拆卸性、可回收性、可 维护性、可重复利用性等) ，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时， 保证产品应有的基本功能、实用寿命、质量等的设计。绿色设计要求，在设计产 品时必须按环境保护的指标选用合理的原材料、结构和工艺，在制造和使用过程 中降低能耗、不产生毒副作用，其产品易于拆卸和回收，回收的材料可用于再生 产。 造型设计与人机工程学在发展过程中不断相互融合，相互渗透，人机工程已 成为产品造型设计中必须要考虑的要素之一，而造型设计也成为人机工程学的主 要应用领域之一。人机工程学对工业造型设计的作用主要体现在：为工业造型设 计中考虑“人的因素提供尺度参数；为工业造型设计中“物”的功能合理性提 供科学依据；为工业造型设计中考虑“环境因素 提供设计准则，为以“人”为 核心的造型设计思想提供工作程序。 人机工程学的研究成果应用于工程造型设计的目的已不仅仅是增加产品附 加值。在造型设计中尽可能地利用工程领域的新工艺、新技术及基础科学领域的 新理论，充分考虑人的因素，己成为产品能够具有竞争力的必要条件。因此，不 考虑人机工程学的造型设计不仅是不完整的，而且是无价值的。同时，人机工程 学在心理学、美学等基础上，不断加强其在工程实际中的应用，也对学科自身的 完善发展具有促进作用。 2 3 2 产品造型设计的美学基础 7 山东师范大学硕士学位论文 产品造型设计的美学基础包括以下几项内容m 1 ： 1 、美感 美感是指人对美的认识和由此而引起的情感活动。美是客观的，美感是主观 的，美感是美的反映。美和美感的关系是审美客体( 审美对象) 和审美主体( 审 美者) 的关系。美感通过人的感官获得，更主要的是通过人的视觉和听觉获得。 视觉美感是由真切的形象感引起的，它具有空间性和凝固性。工业产品造型 的美感，客观上是来源于产品外在形式的反映。产品形态创造，以形式美法则为 基础，以技术美要求为准绳。 2 、韵律 在产品造型设计中，可通过线、体、色、质感来创造节奏和韵律感。韵律的 表现形式主要有循环韵律、连续韵律、渐变韵律、交错韵律、起伏韵律等。 3 、统一与变化 统一与变化是造型艺术形式美的基本法则，是诸多形式美的集中与概括，反 映了事物发展的普遍规律。 统一是指组成事物整体的各个部分之间，具有呼应、关联、秩序和规律性， 形成一种一致的或具有一致趋势的规律。在造型设计中，统一起到治乱、治杂、 治散的作用。增加艺术的条理性，体现出秩序、和谐、整体的美感。 变化即事物各部分之间的相互矛盾、相互对立的关系，使事物内部产生一定 的差异性，产生活跃、运动、新异的感觉。变化是视觉张力的源泉，有唤起趣味 的作用，能在单纯呆滞的状态中重新唤起新鲜活泼的韵味。 变化与统一是一对相对的概念，存在于同一事物中。但统一与变化在造型艺 术中又不能平均对待，要注意各方面“度 的关系。过分的统一会使造型显得呆 板单调，缺乏艺术的视觉张力。因为人的精神和心理如果缺乏刺激则会产生呆滞， 先前产生的美感也会逐渐消失，视觉张力减弱，因此统一中又需要有变化。但是 过度的变化会导致造型凌乱琐碎，引起精神上的动荡，给视觉造成不稳定和不统 一感，因此，变化必须服从统一。统一中求变化，产品显得统一而丰富；变化中 求统一，产品显得丰富而不紊乱。统一与变化是事物矛盾的对立面，其相互对立、 相互依赖，构成了万事万物的不同形态。统一与变化反映了事物发展的普遍规律， 统一是主流，变化是动力，这也是衡量造型艺术形式美的重要法则。 2 3 3 造型的技术美要求 美学家认为，美有三种基本形态，即自然美、社会美、艺术美。而工业产品 造型设计还具有独特的第四种美的形态技术美口副。 技术美是现代科学技术和现代工业在美学领域中的重要分支。技术美的研究 同其他美学研究存在着共性，同时也受到产品物质功能和经济、技术条件等因素 的制约，而具有自身的特点。工业产品的美学是功能、精神、科学、材料和工艺 8 山东师范大学硕士学位论文 等领域内美的因素的综合，而不是单一的形式美。任何一件工业产品，都不可能 仅仅停留在形式美感上，简单地表现自己，它必须综合自身的功能要求及科技内 容来塑造其特定形状。 总的来说，技术美有以下几方面的基本要求： 1 、功能美 任何产品都是为了满足某种功能上的要求而出现的。产品的物质功能是产品 的灵魂。如果产品失去了物质功能，也就失去了存在的意义。功能美就是指产品 良好的技术性能所体现的合理性，是科学技术高速发展对产品造型设计的要求。 产品功能的美不在于功能本身，它体现在规律性和目的性的统一中，体现在产品 的功能和形式的统一中。因此，凡是人工设计和制作的产品，在功能上达到了完 备、完善、完美的要求，能适应和满足人和社会的物质需求和精神需求的，就是 体现了功能美的产品。而功能美是技术美的核心内容，因而也就是体现了技术美 的产品。技术上的良好性能是构成产品功能的必要条件。当一种新的产品推向市 场时，其功能美是吸引市场的主要因素。 产品的功能范围要确定得当，其功能美的表现形式就与产品的类型有关。比 如汽车，由其具体功能的要求不同，可分为轿车、货车、大客车等，这在造型中 必然会有所体现。新的功能，体现了产品的内容美。同时，新功能的出现，势必 要求有新的结构、新的造型与之吻合。因此，造型设计师必须为具有新功能的产 品提供新的结构以及与产品新功能相吻合的新的美的造型。 2 、结构美 所谓结构美，就是产品依据一定原理而组成的具有审美价值的结构系统。结 构是保证产品物质功能的手段，材料是实现产品结构的基础。同一功能要求的产 品可以设计成多种结构形式，若选用不同的材料其结构形式也可产生多种变化。 结构形式是构成产品外观形态的依据，结构尺寸是满足人们使用要求的基础。 许多力学的新成就为产品造型的结构美提供了重要的科学根据。如现代的有 限元法和实验应力分析，可以把结构物各部分的应力分析精确地计算并直观地显 示出来。设计者可以根据结构上的受力情况，对各部分材料进行加强和减弱，甚 至取消。因而使产品设计显得更轻盈、刚劲有力、单纯简洁。随着计算机在工程 设计中的应用更加广泛，各种力学和设计方法也有了长足的进步，各种新的造型 结构也层出不穷。比如，空气动力学的发展使船舶、飞机、火车、汽车等高速运 行的工业产品在结构上采取鱼形的低阻流线体态，来减少运行中的流体阻力。这 些新结构必然会具备新的美学特征。 3