计算机辅助创新设计的研究方法探讨

1、计算机辅助创新设计的研究方法探讨摘要对现有的与计算机辅助创新设计有关的研究思路从两方面进行了归纳、分析和探讨, 指出了两种思路各自的优缺点，提出在研究方法上应相对均衡地重视研究求解的方法论和知识基础两方面,以更好地创建符合创新设计思维方法的实用的计算机辅助设计系统。关键词计算机辅助，产品创新设计, 设计方法模型，研究思路0 引言面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑战，世界各国普遍重视提高新产品开发的设计水平，以不断提高产品的竞争力。以知识为基础的产品创新竞争正成为全球制造业竞争的核心。一个新产品的创新程度，将直接影响产品的整体特性，影响产品的最终质量和市场竞争力.产品创新意味着需要更多的跨学科的

2、知识结构、更复杂的技术支撑和更完善的创新理论1。只有从根本原理上进行革新的创新活动，才能真正为社会提供广受欢迎的高性价比新产品, 实现产品的性能、质量、价格等方面产生质的飞跃。 可以说现代设计的核心就是创新设计2,这就对创新设计方法提出了新的更高的要求。因此,许多研究人员不断尝试将人工智能中的各种方法、技术融入现代CAD 技术之中, 试图获得更加先进有效的创新设计方法，以便更好地支持产品的开发设计。通过不懈努力，目前已提出了许多种计算机辅助创新设计方法, 这对加速新产品的开发起了积极的作用。然而机械产品创新设计是一个极其重要而又困难的实践性较强的研究课题。目前创新设计方法研究虽然已取得一些成果

3、，但创新学还处于发展初期，各种不同理论及工具不断涌现，远没有形成普遍可以接受的统一的理论体系3。因此，开展产品创新活动需要更多的跨学科的知识结构,更复杂的技术支撑和更完善的创新设计理论方法, 以及更有效的计算机辅助产品创新设计的软工具的支持4。随着科技和经济的迅速发展，计算机在设计领域的应用已越来越广阔，创新设计的方法也由原来的智爆法、联想法、形象思维法等基于认知的方法（Cognitive Approach）向基于系统的方法（System Approach）方向发展，对设计进程和设计对象进行建模、模拟人类的认知思维模式，极大地推进了创新设计的自动化，并且利用系统论和信息论的研究成果，创新设计开

4、始向智能化发展。当前，关于产品创新原理、创新设计技术等的研究已成为CAD、CIMS领域的一个研究焦点.在这一过程中，由于研究的出发点和侧重点的不同，很多学者提出了不同的甚至带有争议性的理论体系和方法。但这些设计理论和方法不论如何复杂和有争议,主要应当研究的还是两个问题:求解的方法论和知识基础5。因此，这些方法论的争执，究其本质，根源于目前应用人工智能技术进行计算机辅助创新设计研究中主要存在着两种不同思路。第一种思路是从设计方法学角度出发，注重求解的方法论与设计模型研究；第二种思路则是从资源利用角度出发，注重知识基础及知识的获取的研究。下面对这两种思路的分别加以叙述、分析。1 第一种思路：从创新

5、设计方法学角度出发，注重求解方法论与设计模型研究产品创新设计过程是一个从市场和用户的需求出发，以产品的设计要求为初始输入, 以具有创新性的产品设计方案为最终输出的充满创新活动的过程。其中的需求分析和概念设计阶段是决定产品最终创新性及其所具有的竞争能力最重要设计阶段。因此，许多研究都非常重视这一阶段的创新，广泛采用创新设计方法学的基本原则作为指导并融入人工智能技术，以实现产品创新的目的。比较有代表性的实现原理是从产品需求分析入手, 继而进行功能分解，将设计过程视为在满足约束的条件下由功能确定出结构形式的过程，或称为由功能到结构形式的映射，从而形成一种支持产品设计创新的思路。在这一思路中，一般是从

6、设计方法学角度建立计算机辅助创新设计方法的设计过程模型.并且根据其发展过程可以分为3种观点: 1.1 面向对象设计模型6, 7将设计建立在已有的专家经验之上,对原有设计方案进行演变或者简单地对部分功能以及结构进行调整.整个设计过程变成从功能分解的高层往低层不断地进行基于专家经验知识库的虚功能的特化或者分解过程。1.2 GDT (General Design Theory)模型8，9 将设计的核心视为一个分解过程、一个映射过程和一个综合过程。它以功能目录为依据,将设计要求进行逐层分解, 直至功能目录中存在的基本功能单元为止.然后根据所要设计的基本功能的特点从功能目录中挑选能够完成该设计要求的子功

7、能零部件组，再依据各单元之间的关系将各个子功能零部件组合成一个整体. 尽管有些学者提出通过对设计要求进行层次分解来建立功能结构图的讨论, 但一般还要通过人工干预进行。从功能到结构的映射, 实际上是功能结构图中的每一个分功能与能实现该分功能的结构进行匹配, 一般情况下, 总体功能往往包含着许多分功能。而每一功能可以由不同的结构来实现, 因此存在组合、协调和评价筛选的问题。总体上，这种模型属于开环系统, 无法对设计解进行回溯控制, 而在实际生活中一次创新设计的结果是很难实用的.对于总功能如何分解为子功能、功能如何表达(因为从不同的角度提出的功能表达词汇是不相同的) 以及如何有效根据功能索引子结构等

8、问题有待进一步探讨和研究10。1.3逐步求精模型11, 12对设计过程不是作为简单的功能映射过程处理, 而是从需求描述(requirement) 入手, 把需求描述为功能(functions)、行为(behaviors) 和属性(att ributes) , 在设计过程中这3种描述被逐渐细化、修正、测试, 直到能够形成产品为止. 整个设计过程是一个不断递归循环的子单元设计过程. 它充分体现了人的创新思维模式: 继承中创新、反复迭代, 代表着工程设计方法学中有回溯控制的创新设计阶段. 这种设计方法的最大优点是存在解的评价层, 允许对解进行反馈控制, 进行产品优化, 因此它是一个闭环设计方法, 比

9、较符合工程设计人员的思维模式. 我们觉得对设计模型的进一步研究可以集中在这种方法上, 关键是如何使认知模型的理论适应实际的工程设计.可见，即使从创新设计方法学角度出发，对面向产品创新设计的求解方法论与设计模型所进行的研究，也存在着不同的观点。由于目前概念设计系统还存在着缺乏统一的集成信息表达模型，来支持各类产品信息的有效表达和它们之间的集成和影射，也缺乏产品功能到结构的影射推理方法，尚不能实现与后续设计的无缝集成。因此，有学者基于可拓学研究了概念设计的可拓知识表达及方案推理方法，提出了面向可拓知识集成的创新设计系统结构，以图解决上述矛盾13。总体来看，这条思路是从设计方法学角度出发， 注重求解

10、的方法论与设计模型研究，尤其重视创新设计过程中需求分析和概念设计阶段的研究，已经取得了相当的进展，出现了多种设计方法及模型。但目前的研究还多局限于较多关注概念设计阶段的功能分解和功能到结构的映射，寻求由计算机推理获得结果 ，因此，还需要在集成整个产品创新设计过程的各个方面上进行深入研究。从总体发展趋势看，概念设计作为产品设计开发过程中的重要组成部分，与其它设计过程最终必将建立统一的产品设计支撑模型，形成一种并行的、协同的、面向全生命周期的设计过程模式，其结果应能够直接进行详细设计，并且概念设计师能简捷有效地对详细设计过程中的方案进行概念层次上的修改14。前述文献12提到的面向可拓知识集成的创新

11、设计系统结构，正朝着解决目前概念设计系统存在的问题方面努力。2 第二种思路：从对资源的整合利用角度出发，注重知识基础及知识的获取创新性作为新产品开发设计的指导思想，对直接依赖于知识的生产、分配和应用的知识经济来说有着至关重要的影响。随着知识经济的发展,知识要素日渐成为新产品竞争的决定性因素，知识来源也日益多样化，人们也越来越发现创新设计需要有多科学领域的广博知识做支撑。为了有效支持新产品的创新设计，人们对知识基础、知识的获取以及知识的有效应用也更加重视。设计过程实际上是由对产品性能的需求驱动的,文献15对产品性能进行了定义, 提出了用产品的性能特征代替造型特征来驱动设计和组织、使用、获取知识资

12、源的思想。认为概念设计阶段是一个从任务空间到可能解的集合，虽然也有获取新知识的成分,但是主要是在已有知识的基础上工作,其中包括从各种载体上搜索和学习到的,都属于已有知识的范畴，由此所得到的解只是可能解，随后设计的任务才进入测试、评估、优化和再设计的所谓新知识获取的阶段。以知识为基础的创新设计理论与方法研究强调获取新知识的核心作用。一些文献特别重视设计知识获取的研究 1, 16。服务于创新设计的知识来源于对信息的有效处理,通常只有经过信息融合和知识挖掘,才可以产生指导创新行为的有用知识.文献17就提出已有知识的搜索能力和新设计知识的获取能力,是一种综合实力,它们的总和, 可以看成是一种资源，为了

13、得到可能解和使“可能解”变成“确切解”,需要从多种信息来源获取信息。因而建议一种以信息在互联网上顺利流动为基础的水平知识资源结构和知识获取资源结构, 以满足全球经济一体化的需要。文献15还试图解决目前网上合作设计的信息交互性差、兼容性差等突出问题, 为在下一代互联网上进行信息交换的网上合作设计,提供了理论基础和技术平台，在国内外第一次提出面向产品性能特征,采用下一代互联网技术,实现设计知识的发布、发现和集成的研究。文献1甚至提出了采用语义搜索引擎获取知识资源的概念，认为除了建立各学科的基本科学技术原理和知识库，以便通过指定文档来源和路径可以搜索到所需的结构化和非结构化的信息外,也应可以扩展到一

14、个非常宽松的网上冲浪进行信息搜索,在这个过程中,寻找必要的信息、知识和外部激发。搜索方式采用自然语言方式,并不受语种的限制。搜索原理采用贝叶斯定理(Bayesian Inference) 和香农信息论(Shannon in2formation theory) 的组合。总体来看，以上重视从知识基础方面进行创新设计理论和方法研究,即研究知识基础的内容、性质、形成的方法和最有效的应用。认为设计过程实际上是由对产品性能的需求驱动的，为实现产品性能驱动设计，提出了用产品的性能特征代替造型特征来驱动设计和组织、使用知识资源和知识获取资源的思想。从目前研究现状来看，对于知识在设计中的获取、表征、传递、运用等

15、，科研人员已经展开了广泛的研究，但由于我国在这方面的研究尚处于起步阶段，还有一些关键技术没有完全解决，因此，还有很大的发展空间18。3 结论 目前, 对面向产品创新设计的CAD 方法的研究已经取得了一定进展： 根据第一条思路，从设计方法学角度出发， 注重求解的方法论与设计模型研究，尤其重视创新设计过程中需求分析和概念设计阶段的研究，已经取得了相当的进展，出现了多种设计方法及模型；根据第二种思路 ，从对信息资源和智力单元的整合利用角度出发，注重知识基础及知识的获取，已逐渐形成一套理论框架，提出了一种以信息在互联网上顺利流动为基础的水平知识资源结构和知识获取资源结构,以及面向产品性能特征,采用下一

16、代互联网技术,实现设计知识的发布、发现和集成的新构想。总的说来, 采用上述方法有力推动了计算机辅助创新设计的发展, 但是也存在着一些不足: 第一种思路由于寻求依靠计算机帮助从任务空间(市场需求)推理达到解空间(创新设计)，概念解则是预置于设计系统中，虽然可以有一个由抽象到具体的逐步求精过程，但其结果终究受知识库容量及推理水平制约，获得创新思想的灵活性受到一定程度的限制。同时，由于目前的研究还多局限于较多关注概念设计阶段的功能分解和功能到结构的映射，寻求由计算机推理获得结果 ，因此，还需要在集成整个产品创新设计过程的各个方面上进行深入研究。第二种思路由于概念设计阶段的概念解或称可能解不可能完全直

17、接地从设计系统以外的现实环境与虚拟网络环境（比如互联网等）中找到，在以获取适用的知识，服务创新目的的资源整合利用中，如何将获得的初始设计思想有效表达出来，并使所表达出来的设计方案具有较高程度的原创性和实际可用性还需进一步加强研究。许多创新既不是由任务空间仅仅通过推理简单就能达到达到解空间,也不是仅靠一两个领域知识就能解决，在知识经济时代，在信息社会，往往需要以现有知识库容量为基础，受最新知识与信息的刺激来获得创新灵感，因此，推理求解得方法与知识基础不能各自独立地研究。将两者有机结合，并引入TRIZ理论等创造性思维的技术方法和手段，以共同推动计算机辅助创新设计的发展仍需加强研究。 进一步地研究应

18、特别重视以下几个方面: (1) 在研究方法上应相对均衡地重视研究求解的方法论和知识基础两方面，形成科学完整的创新设计方法论，并由之创建一个符合创新设计思维方法的辅助设计系统。(2) 整个创新设计过程应建立统一的产品设计支撑模型，产品设计过程是一种并行的、协同的、面向全生命周期的设计模式。(3) 既要重视研究计算机所能提供的知识空间与信息平台作用，又要重视研究人的创新灵感的激发与获取，让计算机完成一切可以由计算机完成的工作，人则完成计算机所不能完成的工作，人和机分工协作。总之，创新的源泉从本质上来自于人类的一切智慧形式，研究计算机辅助创新设计不应排斥个体的独立创新性，而应依靠科学完整的创新设计方

19、法论，创造宽松的条件和环境，提供推理高度自动化的设计平台和时效充分的知识资源，同时在灵感的激发方面加强实用化研究，掌握好人机分工与模型统一的辩证关系，更好地体现以人为本的理念。参考文献1创造性思维及计算机辅助产品创新设计研究 李彦,王杰,李翔龙,赵武,胡伟 四川大学 计算机集成制造系统CIMS Dec . 2 0 0 3 Vol. 9 No. 122 面向产品创新设计的CAD方法综述 俞杰耿卫东潘云鹤 浙江大学人工智能研究所计算机辅助设计与图形学学报 1999 年第11 卷第2 期3基于WEB的计算机辅助机械创新设计系统研究 现代制造工程 孙延明 赖朝安 郑时雄 2001（12）4计算机辅助机

20、械产品创新设计关键技术及应用研究 林岳徐燕申 段海波 北京理工大学 天津大学 亿维讯科技有限公司 组合机床与自动化加工技术 20045知识服务互联网上合作设计的基础 谢友柏 院士 中国机械工程第13卷第4期2002年2月 6To sh im ich iM. Object-oriended design support system for machine tools. Journal of IntelligentM anufacturing, 1994, (5) : 47- 547To sh im ich iM. Knowledge-based decision suppo rt system

21、 fo r basic design fo r mach ine too ls. In: P roceedings of M SET21,Tokyo: 55- 608A lan B. D IDS: Rap idly p ro to typing configuration design system s. Journal of IntelligentM anufacturing, 1994, (5) : 33- 459Chandrasekaran B. Design P roblem so lving: A task analysis . A I Magazine, 199010机械方案创新设计过程模型研究 五邑大学 孔凡国 上海交大 邹慧君 机械设计与研究 1999 No. 1 11Tetsu. From general design theo ry to know ledge-intensive engineering. A rtificial I