基于粗糙集理论的产品意象造型元素辨识方法

基于粗糙集理论的产品意象造型元素辨识方法

随着技术的快速发展，产品市场竞争日益激烈。如何更好地满足所有需求已成为许多公司可持续发展的重点。用户不仅需要完整的产品，还希望产品能够满足自己的情感和个性化需求。感知人类学是将产品的感知意象转换为设计元素的有效方法。然而，实际应用是基于复杂的数据量和知识。如何从各种不确定、模糊和不完整的信息中获得有用的信息。这是人工智能、挖掘、智能决策等研究领域的热点。厚集理论的属性相对简单，可以用来解决这些问题。基于力学的产品建模，可以应用于基于线性技术的产品建模过程中，产品的平台要素和个性元素可以识别。产品意象造型中的平台因素是指对用户感性意象影响较小的造型元素,即一组产品可共享而保持不变的部分.产品平台体现了产品的通用性,是降低产品成本的有效手段.企业针对不同用户需求,通过在产品平台基础上添加、去除、替换一个或多个模块可以衍生出满足个性化需求的不同产品,或者通过扩展平台的一个或多个个性因素来满足特殊的市场需求,推出新的衍生或扩展产品.在传统的产品设计过程中,设计师首先调研用户需求,然后凭借自身的知识结构进行解读,最后展开产品设计.其中对于设计师和终端用户的差异虽有考虑,但仍是黑箱,解读的效果主要依靠设计师的经验积累.本研究以感性工学为导向,应用粗糙集的理论方法,分别提取影响设计师和终端用户最主要的产品意象造型元素,得出产品意象造型的平台因素和个性因素,解析设计师和终端用户的认知差异,识别出复合设计师和终端用户意象的造型元素,用以指导产品意象造型设计过程,进而提高设计效率和减少开发成本.1基于sd调查的设计性意象研究方法在产品造型设计中,设计师处于一种复杂的认知思维活动.采用的方法千差万别,比如形态导入、问题导入、需求导入、概念导入和情感导入等设计方法.情感导入设计就是将“人”对产品所产生的感性意象转化成设计要素的一种方法,其中感性工学是有效方式之一,它是运用工程技术手段来探讨“人”的感性与“物”的设计特性间的关系.具体来说,它是将人们对“物”(包括实物产品、虚拟产品数字等)的感性意象定量、半定量地表达出来,与产品设计特性相关联,以此来实现在产品设计中体现“人”(包括用户、设计师等)的感性感受,设计出更符合“人”的感觉期望的产品.此方法因“以人为本”的设计思想而越来越多地运用到产品开发设计过程中.感性意象是人对所持有物体的感觉,是对物的心理上的期待感受,是一种高度凝聚的深层次的人的情感活动.由于社会分工的不同,用户对产品造型的评价具有自己强烈的个性,这与设计师的感知意象之间存在着较大差异.语意差分法(semanticdifferentialmethod,SD)是心理度量上的一种常用方法,可用于研究受测者的感性认知.通过寻找与研究目的相关的意象语意词汇来描述研究对象的意象风格,使用类似“现代的-传统的”等形容词汇对从不同的维度来度量“意象”这个模糊的心理概念,建立心理学量表,以很、较、中等来表示不同程度的连续的心理变化量(如很现代、较现代、中等、较传统、很传统).本研究以甘肃工业设计网为调研平台,借助SD调查问卷,提取设计师和终端用户的感性意象.确定样本个数n以及设计师和终端用户对各个样本的感性评价值为式中:i=1,2,…,m;k=1,2,…,n;i,k∈N,k为样本数,i为意象语意词汇对的数量.定义决策矩阵为分别得出设计师和终端用户的意象决策矩阵D(s)和D(z).2基于z.pawlak的数学工具本研究应用粗糙集理论辨识出复合设计师和终端用户意象的造型元素.粗糙集(roughset,RS)理论是波兰数学家Z.Pawlak在1982年提出的,是继概率论、模糊集、证据理论之后处理不确定性的一种有效数学工具.它近年来越来越受到重视,是当前国际上人工智能理论及其应用领域中的研究热点之一,主要用于知识表达系统的知识约简、知识相关性的发现、数据意义的评估、决策控制算法的获取、近似分类和近似推理等,有效性已在许多科学与工程领域的成功应用中得到证实.2.1产品造型元素的提取知识表示是智能信息处理的首要问题.运用形态分析法,解析产品造型,将复杂的形态分解为若干个子元素(aj),并且将元素种类符号化(用自然数Nnj标记),形成有利于计算机处理的信息和知识数据集合,即知识表达系统.知识表达系统是进行数据分析的全部对象数据集合,可视为一个关系数据表.知识表达系统主要有两种类型:一类是信息系统(信息表),即不含决策属性的知识表达系统;另一类是决策系统(决策表),即含有决策属性的知识表达系统.本研究中主要在决策表的基础上来辨析产品意象造型元素.决策表DT被定义为如下的四元组:U:对象的非空有限集合,即产品样本集合,也称论域,U={1,2,…,n};C:条件属性的非空有限集合,即产品造型的子元素(aj);D:决策属性,全体属性的值域,即设计师和终端用户对样本U的感性评价值D(s)和D(z);f:信息函数,表示对象属性到决策属性值域的映射,f:U×C→D.将上述决策矩阵D的数据离散化后输入任一决策属性di的数据,关系表的行对应研究对象(即产品样本),关系表的列对应对象属性(即符号化后的产品造型的子元素),对象信息通过指定对象的各属性值(即产品造型元素代码)来表达,形成决策表1.知识表达系统中通常含有冗余的知识和信息,而粗糙集理论提供了知识约简方法删除其中的冗余知识.本研究在保持决策表的分类能力不变的前提下,进行知识约简,针对复合意象提取出产品的平台因素与个性因素.从决策表属性约简算法的途径看,决策表的知识约简分为两种:一是删除法,就是指从决策表的属性全集入手,随机地从属性集中删除属性,直到获取一个约简为止,如盲目删除属性约简算法;二是添加法,就是从决策表的D核开始,按照一定的启发信息来逐步添加属性,直至获取决策表的一个约简,如属性重要度的属性约简算法.两种不同的方法结合,可以找到决策表的最优D约简或次优D约简.2.2约简属性集的提取决策表DT中,对任意aj,如果aj满足:则称aj在C中是D不必要的,或者说aj在C中相对于决策D是冗余的,反之,则称aj在C中是D必要的,C中所有D必要的属性集称为D核,记为,流程如图1所示.在决策表中删除某属性的情况下,决策表的分类能力(条件属性相对于决策分类的能力)变化越大,说明该属性相对于决策就越重要.反之,则不重要.提取出来的D核,即为产品的个性因素集合,其余的为平台因素.分别得出设计师和终端用户的约简属性集D核为B(s)和B(z),两者求并集,得出最终CORE(D)=B.2.3产品造型设计总体流程决策表DT中,取ue02faj∈B,定义为条件属性aj对条件属性集B相对于决策属性D的重要度.在盲目删除属性约简的基础上,提取出个性因素集合B,针对某个感性意象,进行排序,得出的结果从大到小依次为影响感性意象程度的大小.本研究分别得出设计师和终端用户的重要度排序,将最重要的属性合并,得出最影响复合意象的造型元素CI,即同时对设计师和终端用户的感性意象认知影响较大的造型元素.总体流程图如图2所示,如漏斗一样,以设计师和终端用户两条支线分别分析计算,最终从造型属性集中筛选出最影响复合设计师和终端用户意象的造型元素,进而辅助设计师从庞杂的数据库中提取出有效信息,比较客观的进行产品造型设计.3案例研究本研究以折弯机设计作为研究实例,造型意象要求具有现代感.3.1提取三对感性词汇,并对前现代各单词的运用,将数据通讯以及在各1)运用形态分析法,解析具有代表性的20个折弯机的造型元素,将复杂的产品造型分解为若干个子元素,且将子元素符号化,形成数据集合,见表2.2)运用焦点讨论法,设计师和终端用户分别对若干折弯机样本进行初步的感性评价,将提到最多的三个形容词提取出来(“现代的”、“硬朗的”、“华丽的”),与相反意义的词汇结合,形成三对感性词汇:“现代的-传统的”、“华丽的-朴实的”和“圆润的-硬朗的”,结合20个具有代表性的折弯机样本,制作SD调查问卷,如图3所示.完成设计师和终端用户总计42人的有效问卷调查,设计师组和终端用户组分开收集和统计数据.3)调查数据离散化处理.将感性评价结果在区间[1,2]里的用数字1编码,将结果在区间[2,4]里的用数字2编码,将结果在区间[4,5]里的用数字3编码,得出设计师和终端用户的决策矩阵D(s)和D(z).本研究以“现代的”决策属性为例进行说明,将处理后的数据与信息系统相结合,得到设计师和终端用户的决策表DT(s)和DT(z),表3为设计师d1(现代的)决策表.3.2造型元素的应用1)以设计师的决策d1(现代的)为例,即a1在C中是d1必要的,依次可以得到a2、a3、a6、a7在C中是d1必要的,a4、a5在C中是d1不必要的.得出Bs(d1)=[a1,a2,a3,a6,a7].基于设计师的调研数据,工作立板和后部增板对于“现代的”感性意象影响较小.同理,基于终端用户的调研数据,a3、a4、a5对于“现代的”感性意象影响较小.得出Bz(d1)=[a1,a2,a6,a7].由此看出设计师与终端用户在意象认知上有一定的差异,设计师更加注重细节的设计.求Bs(d1)和Bz(d1)的并集,得出“现代的”的约简D核B=[a1,a2,a3,a6,a7].所以影响“现代的”感性意象的个性因素为上夹板、油缸罩壳、工作立板、标识位置和主色相,左右防护和后部增板对整体感性意象影响不大,为平台因素.2)在识别出个性因素的基础上,运用决策表的属性重要度,将个性因素针对某一感性意象的影响程度进行排序,得出最有影响的意象造型元素.以设计师的决策属性d1(现代的)为例,B=CORE(d1)=[a1,a2,a3,a6,a7],得同理可得,sig(a2)=0.5,sig(a3)=0.2,sig(a6)=0.5,sig(a7)=0.2.因此,折弯机各部分的造型对于感性意象“现代的”(决策属性d1)的重要性排序为:a1=a2=a6>a3=a7,设计师对于“现代的”感性意象比较注重上夹板、油缸罩壳和标识位置这三种造型元素的设计.同理,可得出终端用户对于“现代的”感性意象的重要性排序为:a1=a2=a7>a3=a6,终端用户对于“现代的”感性意象比较注重上夹板、油缸罩壳和主相色这三种造型元素的设计.可看出设计师与终端用户最为关注的造型因素不同,存在差异性认知.解决方法为将两者最关注的造型因素合并,得出对“现代的”的感性意象影响较大的复合设计师和终端用户的意象造型元素为CI(d1)=[a1,a2,a6,a7].因此,为了满足复合意象“现代的”要求,设计师在设计折弯机的过程中,需着重将精力专注于上夹板、油缸罩壳、标识位置和主相色这四种造型元素的设计,有的放矢,提高效率.4粗1.2属性重要度