（机械设计及理论专业论文）以人为原型的设计自动化理论与技术研究.pdf

摘要 摘要 全球化经济竞争和信息化技术的普及使设计人员面临高效与高质量创 新产品设计的挑战，自动处理大量设计信息并能辅助产生新产品概念的智能 工具日益得到研究领域的重视。然而发明创造的神秘性和机械设计工作对经 验的严重依赖性成为智能工具发展必须逾越的鸿沟。理论研究是先进智能工 具开发的关键内容。 人类是至今为止唯一创新来源，人从事设计活动，是设计活动的主角， 模仿人进行设计是设计自动化的主要途径之一。因此，本课题选择人为研究 对象，深入探讨了创新设计自动化的理论与技术，对先进智能工具的开发具 有重要的理论意义，对改进设计实践具有方向性的指导作用和实用价值。 本文首先系统综述了国内外产品设计理论和方法，现代主义设计哲学研 究，产品概念设计的关键技术及其发展现状，进而阐明了该领域研究中存在 的主要问题和未来研究趋势。 研究了人造物的产生发展历史，就人造物的不同结构进行了归纳，并且 比较和借鉴了生物体的生命特征，提出了以人为原型的设计自动化理论，试 图统一现存的设计理论和思想，进而研究了相关的设计自动化关键技术，开 发了概念设计自动化软件系统l o r d d a r f a d 。通过实例阐述和验证了以人 为原型的设计自动化理论思想和相应技术系统的正确性和有效性。 论文的主要内容如下： 在理论研究方面，综合运用分解重构理论、功能表而概念和广义定位原 理，系统提出了以人为原型的设计自动化理念，初步综合了各种设计理论和 思想在概念设计自动化领域的影响，为建立和开发可操作性强的概念创成设 计方法和设计自动化系统奠定了理论基础。 研究了人造物由简单到复杂的发展历史，重点剖析了原始人造物的产生 过程，在现有“机器是人类功能的延伸和替代”的一般哲学观基础上，总结 归纳出“人造物是人体的延伸”的设计技术思路，结合分解重构原理，发展 为“人造物从人原型上分解重构”的生氏型的设计方法，为产品概念结构设 本文得到国家白然科学基会资助( 5 0 4 7 5j2 9 j 山东大学博士学位论文 计提供了新的技术途径。 为了充分利用人类智能，提出了“非脑智能”的概念，进一步追溯了人 类智能的本源。通过研究人的静态特征，在产品设计过程中把人作为产品的 需求、结构、功能、信息原型；通过研究人的生长进化过程等动态特征，把 新产品或工具的产生看作是以人为起点的延伸，把产品开发过程看作一种以 人原型为起点的生长过程，从而建立了可操作的概念结构设计过程模型。 在技术研究方面，基于以人为原型的设计自动化理论，建立了关键的技 术模型一一人原型：在系统研究中建立了面向创新的需求原型和以人为原型 的生长型设计自动化过程模型。 基于人类对于自身的认识，深入分析并综合考察，建立了基于生物流概 念的人原型，定义了生命体的生物流和相应的产品生物流，并用人原型生物 流表达了产品设计发展的三个阶段，建立了每个阶段产品的概念原型。针对 机电产品的设计问题，提出了机电产品物质、能量、信息三流统一的结构概 念，进一步充实了以人为原型的设计自动化理论的思想体系。在技术模型研 究方面，进一步构建了以人为原型的实体模型，即反映人体静态结构参数的 可视化模型，并对这个模型的行为建模方法、姿态控制方法以及视域分析方 法进行了研究。 深入系统地考察了人类需求的发展过程和技术进化的规律，提出了以人 为原型的需求分析策略，形成了可操作的需求获取、需求可视化表达和应用 技术。把设计需求追溯到其本源一一人身上，进行了以人为原型的需求分类， 建立了基于分解重构的需求表达模型。使用基于分解重构的人原型进行需求 分析，把人的需求可视化表达为可操作的设计信息，直接连接设计过程。 在设计过程研究方面，构建了以人为原型的生长型设计自动化过程模 型。提出了人造物从人原型上逐渐分解重构的可操作设计模型。在具体实现 技术方面，综合应用了基于功能表面的产品信息建模技术。提出了功能表面 限位编码规则，针对概念设计过程的实现，采用面向对象技术定义了功能表 面、功能零件、概念产品、壳体零件类。 在产品信息建模的基础上，综合运用各种功能模式和容器模式概念，为 功能零件的匹配建立了可靠的基础，从而建立了以人为原型的生长型概念设 计自动化流程。 摘要 在系统开发和应用方面，介绍了以人为原型的生长型产品概念结构设计 系统l o r d d a r f a d 软件的设计流程、系统结构、系统实施及系统运行环 境。以滚字夹具和洗衣机为设计实例，使用人原型进行需求分析得到产品原 型，实现功能表面从初级到高级、零件从少到多、结构从简单到复杂的生长 型设计过程，最终得到产品的概念结构和实体结构，从而验证了以人为原型 的设计自动化理论及其关键技术的有效性。 关键词设计自动化；概念设计；设计理论；生长型设计；分解重构 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t 木 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m yc o m p e t i t i o na n d p o p u l a r i z a t i o no f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，ad e s i g n e ri sf a c i n gt h ec h a l l e n g ef r o mp r o d u c td e s i g n i n n o v a t i o nw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dq u a l i t y i n t e l l i g e n tt o o li sh i g h l yr e g a r d e d i n c r e a s i n g l y ，w h i c hc a na u t o - p r o c e s sag r e a td e a l o fd e s i g ni n f o r m a t i o na n d c r e a t en e wp r o d u c tc o n c e p t s h o w e v e r ，t h em y s t e r yo fi n v e n t i o na n dm e c h a n i c a l d e s i g nr e l y i n go ne x p e r i e n c ea r es t i l lag r e a tg u l ff i x e dw em u s tg e tc r o s s t h e r e s e a r c hw o r ko nt h e o r yh a sm o r ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et od e v e l o pa d v a n c e d i n t e l l i g e n tt o o l s h u m a ni so n ea n do n l ys o u r c eo fi n n o v a t i o nu pt ot h ep r e s e n t h u m a ni st h e c o n t r o l l e ri nd e s i g na n di m i t a t i n gt h ew a yi nw h i c hm a nw o r ki so n em a i n a p p r o a c ho fd e s i g na u t o m a t i o na c c o r d i n g l y h u m a ni sc h o s e na st h es t u d y i n g o b je c ti nt h et h e s i sa n di n n o v a t i v ed e s i g na u t o m a t i o nt h e o r ya n dm e t h o d o l o g y a r es t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l y ，w h i c hb r i n g st h eg r e a tt h e o r y s i g n i f i c a n c e o n d e v e l o p i n ga d v a n c e di n t e l l i g e n tt o o l s a n di ti sh e l p f u la n dv a l u a b l et oi m p r o v e t h ep r a c t i c a ld e s i g nw o r k t h et h e o r i e sa n dm e t h o d so fd o m e s t i ca n do v e r s e ap r o d u c td e s i g n ，t h e r e s e a r c hs i t u a t i o no fm o d e r n i s td e s i g n p h i l o s o p h y ，c o n c e p t u a ld e s i g n a n d e s s e n t i a lt e c h n o l o g ya r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h et r e n d si nt h ed o m a i n a r eg i v e na n ds o m ek e y sa r ep r o p o s e dt of u r t h e rs t u d y t h er e s e a r c hw o r ko fa r t i f a c t sh i s t o r ya n ds t r u c t u r ei sm a d ef u r t h e ra n d t h o r o u g h l y h u m a no r i g i n a t e dd e s i g na u t o m a t i o nt h e o r y i s p r o p o s e d w i t h c o m p a r i n ga n du s i n gc h a r a c t e r i s t i c so fb i o l o g yf o rr e f e r e n c et ou n i f o r mp r o d u c t d e s i g nt h e o r i e s a n di d e a s t h ec o r r e l a t i v e d e s i g na u t o m a t i o nt e c h n o l o g y i s s t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l ya n dt h ec o n c e p t u a ld e s i g na u t o m a t i o ns o f t w a r es y s t e m l o r d d a r f a di s d e v e l o p e d t h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo ft h eh u m a n o r i g i n a t e dd e s i g na u t o m a t i o nt h e o r ya n dc o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g yi sp r o v e db y + s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 4 7 51 2 9 ) a b s t r a c t e x a m p l e s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f r o mt h ev i e w p o i n to fd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d o l o g y ，b a s e d0 1 1t h e p r i n c i p l eo fd e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t i t u t i o n ，c o n c e p to ff u n c t i o ns u r f a c e a n dg e n e r a l i z e dl o c a t i o np r i n c i p l e ，h u m a no r i g i n a t e dd e s i g na u t o m a t i o nt h e o r y i sp u tf o r w a r d t h i st h e o r ys y n t h e s i z et h ei n f l u e n c e sw h i c ha l ls o r t so ft h e o r i e s a n di d e a si nc o n c e p t u a ld e s i g na u t o m a t i o n ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o ni nt h e o r y f o ro p e r a b l eg e n e r i cs t r u c t u r a l d e s i g na p p r o a c h a n d d e s i g na u t o m a t i o n s o f t w a r es y s t e md e v e l o p m e n t t h ee v o l u t i o n a r yd e v e l o p m e n ta n dh i s t o r yo fa r t i f a c t si ss u r v e y e d t h e f o r m i n gp r o c e s so fa r t i f a c t si sa n a l y z e d b a s e do nt h eg e n e r a lp h i l o s o p h i cv i e w t h a t “m a c h i n ei st h ee x t e n d i n ga n ds u b s t i t u t eo fm a n sf u n c t i o n s ”，w ec o n c l u d e s u c hd e s i g nt e c h n o l o g ym e t h o d o l o g yt h a t a r t i f a c ti st h ee x t e n d i n go fh u m a n b o d y ”，a n di th a sb e e nd e v e l o p e di n t og r o w t hp r o d u c td e s i g na p p r o a c hf o r a r t i f a c ti sc r e a t e df r o mh u m a n p r o t o t y p et h r o u g hd e c o m p o s i t i o n a n d r e c o n s t i t u t i o n i tp r o v i d e st h en e wt e c h n i c a la p p r o a c hf o rp r o d u c tc o n c e p t u a l s t r u c t u r a ld e s i g n c o n c e p to f “n o n - b r a i ni n t e l l i g e n c e i ss e tf o r t ht om a k ef u l lu s eo fh u m a n i n t e l l i g e n c e ，w h i c hr e v e r t s t ot h eo r i g i n a lo fh u m a ni n t e l l i g e n c ef u r t h e r w i t h s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d ，h u m a nb e i n gi sc o n s i d e r e da sp r o t o t y p e so f p r o d u c tf o rt h e i rn e e d s ，s t r u c t u r e ，f u n c t i o n s ，i n f o r m a t i o n i n p r o d u c td e s i g n p r o c e s s w i t hd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh u m a nb e i n ga r es t u d i e d ，s u c ha s g r o w t ha n de v o l u t i o n ，p r o d u c ta n dt o o l sa r ec o n s i d e r e da st h ee x t e n d i n gf r o m t h es t a r t i n gp o i n to fh u m a nb e i n g p r o d u c td e v e l o p m e n ti sc o n s i d e r e da st h e g r o w t hp r o c e s sf r o mt h es t a r t i n gp o i n to fh u m a np r o t o t y p e t h eo p e r a b l em o d e l o fc o n c e p t u a ls t r u c t u r a ld e s i g np r o c e s si se s t a b l i s h e d i nt e c h n i c a lr e s e a r c h ，b a s e do nh u m a no r i g i n a t e dd e s i g na u t o m a t i o nt h e o r y ， t h r e em o d e l sa r ee s t a b l i s h e d ：t h eh u m a np r o t o t y p ew h i c hi sk e yt e c h n i c a lm o d e l ； t h ei n n o v a t i o n o r i e n t e dr e q u i r e m e n tm o d e li ns y s t e ms t u d y ；t h eg r o w t hd e s i g n a u t o m a t i o np r o c e s sm o d e lo r i g i n a t i n gf r o mh u m a np r o t o t y p e v 山东大学博士学位论文 b a s e do nt h e s e l f c o g n i t i o n o fh u m a nb e i n g ，t h eh u m a n p r o t o t y p e i s e s t a b l i s h e d b i o l o g i cf l o wo fl i f ea n dc o r r e s p o n d i n gb i o l o g i cf l o wo fp r o d u c t a r ed e f i n e d 。b e s i d e s ，t h r e es t a g e so fp r o d u c td e s i g nd e v e l o p m e n ta r ee x p r e s s e d a sb i o l o g i cf l o wo fh u m a np r o t o t y p e t h ec o n c e p tm o d e l si n e v e r ys t a g ea r e b u i l t w i t hr e g a r dt op r o b l e m so fm e c h a t r o n i cp r o d u c t sd e s i g n ，m e c h a t r o n i c p r o d u c t su n i f o r ms t r u c t u r a lc o n c e p ti sb r o u g h tf o r t h ，i nw h i c hs u b s t a n c e ，e n e r g y a n di n f o r m a t i o no fm e c h a t r o n i cp r o d u c t sa r ec o m b i n e di n t ot h ei n t e g r a t e do n e i te n r i c h e st h es y s t e mo fh u m a no r i g i n a t e dd e s i g na u t o m a t i o nt h e o r y i nt h e a s p e c t o ft e c h n i c a lm o d e lb u i l d i n g ，t h es o l i dm o d e lb a s e do nm a na st h e p r o t o t y p ei sb u i l t ，w h i c hv i s u a l i z et h es t a t i cc o n s t r u c t i o n a lp a r a m e t e r s ag r e a t d e a lo fr e s e a r c hi sm a d ei nb e h a v i o rm o d e l i n g ，p o s t u r e sc o n t r o l l i n ga n dv i s u a l t h r e s h o l da n a l y s i so ft h em o d e l e v o l v e m e n to fr e q u i r e m e n t so fh u m a nb e i n ga n dp r i n c i p l e so ft e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y h u m a no r i g i n a t e dr e q u i r e m e n t a n a l y s i ss t r a t e g y i s p o i n t e d o u t ， o p e r a b l er e q u i r e m e n ta c q u i r e m e n t ， v i s u a l i z a t i o na n d a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y i s p u t f o r w a r d w i t h t r a c i n g r e q u i r e m e n t t oi t ss o u r c e 一一h u m a nb e i n g ，h u m a nr e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n d c l a s s i f i c a t i o ni sm a d ea n d r e q u i r e m e n te x p r e s s i o n m o d e lb a s e do n d e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t i t u t i o ni se s t a b l i s h e dt o l i n kt ot h ed e s i g np r o c e s s o p e r a b l y i nt h er e s e a r c ho fp r o d u c td e s i g np r o c e s s ，h u m a no r i g i n a t e dg r o w t hd e s i g n a u t o m a t i o np r o c e s sm o d e li sp r o p o s e d i tp r o v i d e so p e r a b l ed e s i g nm o d e l w h i c h a r t i f a c tg r o wf r o mh u m a np r o t o t y p et h r o u g hd e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t i t u t i o n g r a d u a l l y t h el o c a t i o nc o d eo ff u n c t i o ns u r f a c ei s e s t a b l i s h e d b a s e do n o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y ，f o u rc l a s s e sa r ed e f i n e dt os u p p o r t c o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s s ，w h i c h a r ef u n c t i o ns u r f a c e ，f u n c t i o np a r t ， c o n c e p t u a lp r o d u c ta n ds h e l lp a r t b a s e do nc o n c e p t u a lp r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l i n g ，f u n c t i o np a t t e r na n d c o n t a i n e rp a t t e r ni s p r o p o s e dt op r o v i d eas o l i df o u n d a t i o nf o rm a p p i n go f f u n c t i o n p a r t h u m a no r i g i n a t e dg r o w t hd e s i g n a u t o m a t i o n p r o c e s s i s a b s t r a c t e s t a b l i s h e dt ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rf a s ti m p l e m e n t a t i o no fp r i n c i p l ei n n o v a t i o n a n ds t r u c t u r ei n n o v a t i o n i nt h er e s e a r c ho fs y s t e mi m p l e m e n t ，t h ec o n c e p t u a ld e s i g na u t o m a t i o n s y s t e m ，l o r d - d a r f a d ，i sd e v e l o p e d i t sd e s i g nf l o w ，s y s t e mc o n f i g u r a t i o n a n di m p l e m e n t i n ge n v i r o n m e n ta r ei n t r o d u c e d w i t ht h ee x a m p l eo ff i x t u r ea n d w a s h i n gm a c h i n e ，p r o d u c tp r o t o t y p ei s a c h i e v e dt h r o u g hr e q u i r e m e n ta n a l y s i s b a s e do nh u m a np r o t o t y p e w i t ht h en u m b e ro ft h ep a r ti n c r e a s i n g ，t h el e v e lo f t h ef a c ea d v a n c i n g ，t h es t r u c t u r ec o m p l e x i n g ，a n dt h eg r o w t hd e s i g np r o c e s si s i m p l e m e n t e d a n d a c c o r d i n g l y t h e p r o d u c tc o n c e p t u a l s t r u c t u r ea n ds o l i d s t r u c t u r ea r eo b t a i n e d i ti n d i c a t e st h a tt h eh u m a no r i g i n a t e dd e s i g na u t o m a t i o n t h e o r ya n dt e c h n o l o g ya r ee f f e c t i v e k e y w o r d s ：d e s i g na u t o m a t i o n ；c o n c e p t u a ld e s i g n ；d e s i g nt h e o r y ；g r o w t h d e s i g n ；d e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t i t u t i o n v l l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：玉擅垦日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：舌挣尔导师签 s z 名缝耋囟期：型坐：兰王 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着社会的发展，技术的进步，物质供给极大丰富，消费者对新产品的 舒适度要求也越来越高，往往会提出一些非常个性化的要求，这都预示着市 场已经由传统的卖方市场转变为买方市场，产品设计相应地成为按定单的设 计，必须满足顾客这样、那样的需求f 。我国现已加入w t o ，在即将与全 球经济融为体的买方市场态势下，必须注重培养以产品创新为核心的持续 创新能力，才能保证我国生产力的可持续发展。企业竞争将由全国范围内的 竞争扩大为全球范围内的竞争，竞争的焦点就在于对市场的快速响应和产品 创新能力。产品创新成为企业生存的惟一出路。企业必须以不断提高的创新 能力，源源不断地开发、生产出顾客需要的产品，并以产品的质量、价格和 差异性在多企业的竞争中成为有效供给，才能保障市场竞争中的地位。 随着计算机技术的飞速发展，科学与工程技术领域广泛采用计算机化信 息处理技术。知识与数字化信息的“爆炸”给科技人员提出了合理使用计算 机自动化技术的迫切要求。 产品设计的概念设计阶段的工作高度地体现了设计的艺术性、创造性、 综合性以及设计师的经验性。通常，产品概念设计阶段是从产品功能要求出 发，设计出初步设计方案及其结构草图的过程，没有尺寸关系的详细要求， 其目标只是用功能来匹配运动结构f 甜。由于概念设计阶段涉及创造性设计思 维以及频繁的人机交互，尤其需要人工智能技术的辅助。但时至今日，c a d 技术仍然停留在支持设计过程的后续阶段，不足以支持产品概念设计i 引。自 动处理大量设计信息并能辅助产生新产品概念的智能工具日益得到研究领 域的重视。 鉴于概念设计在产品设计中的重要地位，如果能够实现计算机辅助的概 念设计自动化，同时保证实现产品结构上的创新，那么无疑对提高产品的设 计效率、设计质量乃至降低开发设计的周期、成本，从而提高我国企业、产 品在国际市场上的竞争能力具有巨大的作用。 山东大学博十学侍论文 我们在借用生物生长机理的基础上，提出了以人为原型的设计自动化理 论以及生长型概念设计方法，把新产品或工具的产生看作是以人为起点的延 伸，把产品开发过程看作一种生长过程，从而有效的操作设计过程的每一步。 设计过程真正支持产品设计自上而下、从无到有、从抽象到具体的进化过程， 体现着生物生长的自然选择、遗传与变异等机制，可实现产品概念结构的创 新设计。 我们试图探求以科学原理为基础的新的产品设计理论，以系统地提高科 学的设计方法和开发技术，发展用计算机辅助设计人员高效率、高质量地寻 求设计解的能力。另外，我们通过以人为原型的设计自动化理论以及生长型 概念设计方法，力图使得c a d 技术更为紧密地结合，增加计算机辅助概念 设计与结构设计的能力，实现与详细设计的自然衔接。 1 2 产品概念设计研究综述 从产品设计过程的发展历程可看到，随着设计过程的逐渐紧凑、目标分 化以及c a d 技术的逐步发展和应用，概念设计的内涵也在不断的发生变化。 为能对概念设计做一个全面的形式化定义针对其发展状况，从以下3 个方 面加以考虑1 4 j ： ( 1 ) 定位的完整性从设计方法学的角度看，完整意义上的概念设计包 含了工程设计与工业设计两大部分，两者密不可分。但由于历史的原因，他 们一直处于分裂的局面，前者主要由工程师完成，后者则由工业设计师完成。 工程设计将概念设计界定为产品设计的创造性设计思维阶段，目的在于 求得满足功能需求的原理解，即产品的功能设计、原理设计以及初步的结构 设计。不少学者从工程设计学出发，提出了层次概念设计模型、工程设计概 念模型、基于功率键图的概念设计等概念设计建模方法。 工业设计界则将其定义为在功能、原理基本确定的情况下，考虑产品结 构、人机工程、形态、色彩、制造以及成本等因素在内的产品外观造型的设 计，即产品的形态设计、色彩设计、布局设计与人机工程设计。不少学者从 产品设计方法学出发，提出了造型文法、色彩文法、形状文法等产品概念设 计原理、原则与方法。 此外，由于需求设计与概念设计之间高度耦合，迭代非常频繁，所以有 2 第1 苹绪论 皇曼曼皇曼曼曼! 皇曼曼曼鼍! ! 鼍曼舅曼蔓! 苎! 曼曼曼曼! ! ! n 一 n a m 鼍曼曼皇曼曼曼皇! 曼曼皇詈曼曼 时候也可以把需求分析纳入概念设计的研究范畴。 ( 2 ) 计算机的支持在信息技术迅猛发展的今天，产品概念设计己离不开 计算机的支持。概念设计内涵的不断变化，其最大的驱动因素就在于计算机 技术的不断发展。当前，计算机辅助概念设计( c 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 ) 的研究已受到众多学者的关注。c a c d 系统能满足概念设计师的各 类特殊需求，更为简捷地生成设计对象，有效的提高概念设计的质量，可避 免因设计失败面造成开发成本的浪费，并提供了一个进行信息交流和对象评 价的更好的平台。 ( 3 ) 产品创新的目的产品的创新性是产品是否具有竞争能力的关键因 素。而概念设计是产品设计过程中创新表现最为集中、最为突出的一个阶段， 其目的就在于追求产品的创新。概念设计与产品创新设计密切相关。 综上所述，概念设计可定义为产品早期设计阶段，在c a c d 系统支持下 进行产品创新设计的过程，包括了产品在功能、原理、形态、色彩、布局、 人机工程和结构这7 个方面的创新活动。 由于目前已有的许多c a d 系统的着眼点主要是“设计表达”存在许多 约束限制，从而导致其基本上是一个在设计方案基本定型之后的概念化( 草 图化) 绘图工具，而非辅助设计工具。所以，如何运用c a d 技术研制出 c a c d 系统，支持从需求分析到方案求解的概念设计全过程，就成为c a c d 需要解决的主要问题之一。 1 2 1 产品设计理论与方法研究概况 产品设计方法学是研究产品设计的过程、规律及设计中思维和工作方法 的一门综合性学科。设计方法学的研究结果包括设计理论与设计方法【5 i 。设 计理论是研究产品设计过程的系统行为和基本规律【6 l ，设计方法是产品设计 的具体手段。 目前的产品设计闯题一般表述为以经验为基础的演绎、归纳的设计过 程。设计是从需求出发寻求设计出的产品解的过程【7 - 8 j ，研究设计理论的目 的在于发展新一代用计算机可帮助产品设计人员高效率与高质量地寻求设 计解的技术。通过对有关设计方面的文献资料的综合与分析，现代产品设计 理论与方法的研究主要集中在以下三个方面i 1 】：设计本质的研究、设计过 3 山东大学博十学付论文 程的研究、设计技术的研究，如表1 - 1 所示。通常一种设计理论涉及多个研 究主题。 表1 - 1 现代设计理论与方法的研究 研究主题研究内容 侧重于从哲学与认知学的角度对人类设计活动的认知模型研究， 探讨设计活动的本质。如；日本东京大学的吉川弘之提出了通用 设计理论( g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ) 1 2 1 , 研究总结了人类设计过 设计本质的研究程，提出了反映设计本质的三个公理。山东大学黄克正教授提出 了分解重构理论( p r i n c i p l eo f d e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t i t u t i o n ) 1 1 3 - 1 4 1 ，指出新发明( 设计) 的本质是现实世界的分解和重新组 合构造。 研究设计活动进行的步骤与方式，可分为描述型与规定型两类 1 5 1 描述型过程模型对设计过程中可行的活动进行描述，强调 设计过程的研究求解的思路，如：f r e n c h 的四阶段进程【1 6 i 。规定型过程模型规 定设计过程所必需的滔动，规定出较好的活动模式，如：k o l l e r 提出的四阶段进程【1 7 j 及c r o s s 设计进程【”1 。 针对产品设计过程的某些阶段或某些方面研究其具体实现的方 法目前该方面的研究主要涉及设计的基本理论与技术、设计过 程某阶段的研究、设计方法及d f x 设计等方面。如：并行设计 设计技术的研究1 j 9 - 2 1 】、系统设计f 2 2 4 ”、功能设计f 2 4 2 s i ，价值工程1 2 6 。3 “，虚拟现 实”3 ”、仿真技术3 5 ”l 、人工智能理论【3 8 - 4 “概念设计【4 3 ”i 、 公差设计f 5 0 - s i 、参致化设计f 5 。5 ”、优化设计l “5 “田口设计方 法1 5 7 。l 、绿色设计1 s 9 6 0 1 、设计自动化【6 t + “1 等。 当前。越来越多的计算机技术融入到现代设计技术当中，现代设计技术 的发展趋势是向着数字化、智能化、网络化、并行化方向发展f 6 3 面4 1 。 目前主流的观点认为，产品设计问题一般表述为以经验为基础的演绎、 归纳的设计过程，需探求以科学原理为基础的产品设计理论，以系统地提高 设计方法。设计是从需求出发寻求设计出的产品解的过程，产品设计的理论 是研究设计人员在产品设计过程中的思维行为规律。研究设计理论的目的在 4 第1 章绪论 于发展新一代用计算机可帮助产品设计人员高效率与高质量地寻求设计解 的技术。目前有代表性的设计理论方法主要有： ( 1 ) t r i z - 一一发明问题解决理论【6 5 柳j 前苏联qs a l t s h u l l c r 等人通过5 0 年来对世界近2 5 0 万件发明专利的分析研究，总结出人类进行发明创造解决 技术问题中所遵循的原理和法则。建立一个由解决技术问题，实现创新开发 的各种方法、算法组成的综合理论体系，简称t r i z 。其基本原理是技术系 统进化遵循的客观法则群，其内容包括：分割、抽出、部分改变、对称性、 组合、多面性、多功能、潜套构成、事先对策预防、等位性、逆问题、同质 性等，这些问题覆盖了材料、构形与能量运动形态变换，动、静态力学原理， 基本功能的物理技术实现等方面。 t r i z 的方法不是针对某个具体的机构、机械或过程，而是要建立解决 闻题的模型及指明问题解决对策的探索方向，提供人们思考问题、解决问题 的科学化依据。t r i z 方法在工程上实用住强，但其方法核心系经验的集合。 t r i z 可视为一种知识库的方法。t r i z 没有提出如何随着人类在构思、创新 产品过程中的规律而建立一种有效的产品设计机制。 ( 2 ) 公理化设计( a x i o m a t i cd e s i g n ；简称a d ) 【8 ，弛6 9 1 美国麻省理工学 院机械工程系n a mp s u b 等学者自1 9 9 0 年来对设计理论进行了系统的研究， 提出了设计公理体系。a d 的出发点是将传统上以经验为主的设计，建立以 科学公理、法则为基础的公理体系。设计的问题域看作为顾客