基于符号语义的产品模块化设计原则及应用研究

蔡红梅 林康 刘林刚

摘要 ：针对产品模块化设计中出现的用户个性化定制问题，采用产品符号学概念建立产品符号语义模型，简化产品结构，使使用者对产品的设计思路和产品结构、功能信息等一目了然。方便了结构信息和几何数据信息在设计者和使用者之间的传递。这个信息在用户之间传递的过程实际上就是设计者编码用户译码，然后更加简便的定制出个性化产品的过程。本文通过符号语义在袋式除尘器的模块化设计中的应用，初步验证了这一结论。

Abstract: For the customization of the product modularization design,we use the product symbol concept to build product semantic modle, and simplify product structure, in order to let the customers have a clear view of the product design idea and product structure. This make the geometry information data pass more convinent between designers and users. This process of information transfer among the users is actually a designer coding and user decoding process, and then customize the individualized product process more easily. This article primarily validates the conclusion through the application of symbols semantics in bag filter modular design.

关键词 ：符号语义；模块化设计；袋式除尘器；概念设计

Key Words: symbols semantics; modular design; bag filter; concept design

一 引言

随着经济的迅速发展，作为经济增长引擎的制造业蕴藏着巨大的市场机遇，但同时存在着激烈的竞争。要想赢得未来竞争的胜利，制造业就必须通过优化整个产品生命周期来左端产品上市时间、提高产品质量、降低成本，同时还要不断通过研发来满足客户需求。技术的不断进步导致产品工程越来越复杂，企业必须在不断变化的环境中适应越来越复杂的工程技术。随着个性化产品需求的增加，产品定制化也越来越明显，企业必须创建大量的产品系列来满足客户需求。同时企业必须具备不断提高创新能力和增加产品的科技含量的方法来满足客户日益增长的个性化需求。

企业一方面可以通过批量化、标准化和通用化来缩短产品的上市周期、降低成本、提高产品质量，另一方面还要通过产品创新，保持产品的竞争力来满足客户需求。这样，周期短、成本低、批量大和多样化生产之间就存在了很大矛盾。如何能够使产品上市周期短、成本低、批量大、多样化同时实现呢？

模块化的产品设计和生产可以在保持产品较高通用性的同时提供产品的多样化配置，因此模块化的产品设计是解决定制化生产和批量化生产即周期短、成本低和多样化之间矛盾的一个途径。

产品开发必须满足消费者的需求并为企业盈利，即使是为了公共目的而进行的开发，也要顾及开发的效率。模块化概念早在20年代的斯堪尼亚（当今世界上领先的重型卡车和大型巴士制造商之一，它是一个有着一百多年发展历史的瑞典企业。）已初露端倪[2]。在后来的发展过程中，这个理念不断得以实践及持续完善。1992年6月的东京国际会议正式提出了并行工程技术，随之在此基础上发展成为缩短产品设计周期为目的的快速设计技术和方法。系列化、模块化设计技术与方法作为快速设计技术与方法的重要组成部分，受到了人们的大力关注。随着科学技术的发展，模块化思想已经被用于各个领域，如汽车、家电、建筑、船舶等工业产品和信息产品的模块化设计[1]。模块化设计方法无疑给产品设计者提供了方便。

但是，在模块化产品设计迅猛发展的同时，对产品信息的表达方面一直是困扰开发商和用户的一个难题，不管从哪个角度考虑，产品信息的表达都欠缺完整性、通俗性和易管理性。往往使使用者无法理解所要的和所给的对应原则。这无疑不给个性化产品的定制带来不便，给使用者制造了定制困难也给开发者提出了新的挑战。

产品符号学的产生是设计思想史的一次重大变革，它源于语言学，使用者通过符号语义表达对产品的设计有了比较全面的了解，同时，产品概念设计中对产品细节信息表达的不足之处也得到了弥补。为了满足快速变化的市场，产品开发者要尽可能的加快产品的开发速度同时提高产品的适应性。模块化思想简化了产品设计者的设计过程，符号语义在产品模块化设计中的应用则为用户和设计者之间的交流提供了方便，通过方便的交流途径使设计者设计的产品更好的满足用户的需要。设计者通过符号语义的表达来描述符号对象及其之间的相互关系，使使用者对产品的设计不言自明。

因此，产品符号学在模块化产品设计中的应用快速回应了用户对个性化产品的大批量需求。通过产品信息的符号化表达，定制信息在使用者和设计者之间的交流将会更加方便。

二 相关概念

1 模块化设计的概念

产品模块化设计就是将产品分成几个部分，也就是几个模块，每一部分都是具有独立功能，具有一致的几何连接接口和一致的输入、输出接口的单元，相同种类的模块在产品族中可以重用和互换，相关模块的排列组合就可以形成最终的产品。通过模块的组合配置，就可以创建不同需求的产品，满足客户的定制需求 ；相似性的重用，可以使整个产品生命周期中的采购、物流、制造和服务资源简化。

模块化设计同时达到产品的低成本和品种多样化的目的[3]。缩短产品的设计和制造周期，提高产品质量和可靠性，增加企业对市场的快速应变能力。但是对产品信息的表达欠缺，不易于做好用户服务。

在软件的体系结构中，模块是可组合、分解和更换的单元。在模块化产品设计中，应遵循的基本原则：

（1）功能独立性,可以对模块进行单独设计、制造、调试、修改和存储，这便于有不同的专业化企业分别进行生产；

（2）互换性，模块接口部位的结构、尺寸和参数标准化，容易实现模块间的互换，从而使模块更大数量的满足不同产品的需要；

（3）通用性，有利于实现横系列、纵系列产品间的模块的通用，实现跨系列产品间的模块的通用[8]。

2 符号语义的概念

产品符号学的产生来自于语言理论：符号学。人通过处理符号来交流信息、采取行动。符号学是研究有关符号性质和规律的学科，是交流的一种理论，它的目的是建立广泛可应用的交流规则[4]。符號学的应用及其广泛，目前已经应用到语言学、建筑学和工业设计等多个学科。

符号学的研究始于19世纪末期，主要有两个源头。分别是由瑞士现代语言学之父费迪南•德•索绪尔(Ferdinand de Saussure)创立的语言符号学和美国实用主义先驱查尔斯•桑德斯•皮尔士(Charles Sanders Pierce)创立的逻辑符号学。索绪尔说：“语言是一种表达观念的符号系统。因此，我们可以设想有一门研究社会生活中符号生命的科学，我们管它叫符号学。”[9]。后来，皮尔士的学生查尔斯•莫里斯(Charles Morris)创造性地把符号学分为“语义学”、 “语构学”、和“语用学”。

产品语义学是随着西方整个人文社会科学呈现语言学转向而出现在产品设计领域的一种思潮，主要是基于皮尔士的逻辑符号学以及莫里斯所划分的符号学体系。根据莫里斯所划分的符号学体系，相应的产品符号学包括：

（1）产品语义学：研究产品造型的形态与意义的关系。

（2）产品语构学：研究产品造型与功能结构的构成关系。

（3）产品语用学：研究产品造型的可行性以及与人的关系。

因此可以说，产品语义学是根植于符号学，并且建立在其理论框架之上的，与符号学有着不可分割的紧密联系。

以符号单元做为模块化设计中设计师的表达工具，借助符号单元所具有的形状载体作用及富有的高层次工程语义来实现产品模型的高层次功能描述与低层几何表示的统一，并与语义相结合来描述符号对象及其之间的相互关系，实现了对符号单元抽象化和形式化的表达[5]。

3 符号语义的表示方法

在产品设计中符号语义的表示方法可以是树状图的形式，也可以使数学公式的形式等等。不管哪种表示方法都是通过符号、字母、数字等一些元素组成，这些符号代表着一定的内涵，通过这些符号将产品的设计信息传达出来供使用者和顾客来参考解读。

例如：花板是由板、孔、尺寸信息聚合而成。如下图所示圆弧和字母A表示花板与三个元素之间的聚合关系。根据板、孔和尺寸信息的性质不同其符号形状也不一样，如板和孔是组成花板的零部件用矩形框表示，而尺寸信息时文本形式的则用其他形状来表示[5]。

树状图表示法：

图1 组件与元素之间的聚合关系

公式表示法：公式1

其中ai指组成组件的几何元素板和孔bj指组成组件的文本元素即尺寸信息。

三 符号语义模型在模块化产品设计中的应用

产品作为一个符号系统，必然由能指与所指共同构成。它从用户需求开始直至完成功能结构设计的过程是一个符号单元逐渐演变的过程。概念设计当中符号单元的演变过程实际上就是各种设计信息和知识发生的从功能到符号，再从符号到结构的映射过程。模块化概念设计更加形象的表达了这个演变的过程，每一步的转换都包含了抽象、分解、综合、迭代、循环的过程。

基于符号语义的模块化概念设计是一个设计者将用户功能符号化，分析其功能信息并将其转化为模块化结构信息，并展示在用户面前的过程。这个过程本质上是一个设计师与使用者交流的过程。设计师作为产品形式的创造者，同时也是信息的传达者。设计者界定了需要向消费者传达的信息之后，进行编码，将这些信息转化为一定的符号，从而使产品形态成为传达载体，将信息传达给使用者，最后由使用者来决定产品的雏形。

图2 模块化概念设计图解

上图充分说明了产品设计的过程，在模块化设计中，符号语义的作用是不可磨灭的，产品设计的过程是一个用户将信息提供给设计者再由设计者将所设计的产品结构信息拿来与用户交流，然后由用户将其他一些功能信息传达给设计者这样一个循环往复的过程。

设计师对产品语义、生成方法以及对用户理解造型符号的习惯的认识，对于实现二者之间的成功交流来说是非常重要的。

四 应用实例

根据对符号语义表示方法的理解，我们分别用两种方法来表示符号语义在袋式除尘器结构优化系统的模块化设计中应用。

1 用符号公式的方法进行模块化设计描述

袋式除尘器结构优化系统设计分为四个模块分别用s0：结构数据库模块，s1：结构CAE模块,s2：结构优化模块；s3：帮助文件。

（1）袋式除塵器结构优化系统可表示为：

,公式2

结构图文件用ai表示、文本文件用bj表示、对话框文件用ci表示，程序文件有两种，一种是CAE程序文件用xi表示，一种是优化程序用yj表示。

（2）结构数据库模块：

，公式3

其中i取0、1、2时为整机结构图，其余为零部件结构图；

c0文件指材料性能对话框；

bj表示载荷文件，j取0～14时为型材文本文件，15～24为基础载荷文件。

（3）结构CAE模块：

公式4

xi表示CAE程序文件，其中i取0～4时为整机CAE程序，取5～13时为零部件的CAE程序。

（4）结构优化模块：

公式5

C1为快捷优化对话框；yi为定制优化程序；b25为快捷优化结果文本文件。

（5）系统帮助模块：

公式6

di表示结构CAE模块程序当中的参数对照表，包括12个零部件的39个excel表格；

b26表示袋式除尘器结构优化系统的工矿定制情况说明；

b27表示系统分析结果验证说明；

m表示系统帮助文件和系统简介。

公式表示法表示模块设计情况中，各个模块之间是相互独立的，易于读者解读和进一步使用。而且各个零部件以及他们之间不同的组合关系、不同的相关度等都可以用不同的符号来表示再付一个映射表将更加清楚明了,如下所示：

表1 符号名称对照表

符号参数名 在系统中的映射

S 袋式除尘器结构优化设计系统

s0 结构数据库模块

s1 结构CAE模块

s2 结构优化模块

s3 帮助文件

ai 图形文件（结构图）

bi 文本文件

ci 对话框文件

di excel表格文件

xi CAE程序文件

yi 优化程序文件

m 帮助文件

2 用树状图的形式实现模块化设计的表达

对于树状图表达形式比较直观，很容易对整个系统形成完整的思想。

对袋式除尘器结构优化系统所建立的树状符号图如下图所示，其中父级和子级的关联关系有多种包括组合关联、概括关联、实例关联和聚合关联，例如结构数据库及其下面的三个子级模块的关系为概括关联，用圆弧可字母A和三条起连接作用的直线表示；子模块根据其属性的差异用不同的形状来表示，如结构图用一个立方体形状的控件表示；文本说明类的文件用折页的纸形状的控件表示等等。

不论是以数学公式的方式还是以树状图的方式给出的袋式除尘器结构优化系统模块化设计的符号表示都使信息在使用者和设计者之间的传递显得非常方便，以符号语义的形式来传输信息有利于用户对系统的理解。

图3 系统树状图

通过符号语义在模块化设计中的应用，更加清楚明了的将产品的结构呈现在使用者面前，在产品详细设计过程中，便于用户对产品进行个性化定制。解决了使用者和开发者之间的交流问题，即编码和译码的繁琐难懂得到了解决。而且，模块化设计方法也使产品设计得到简化，产品各个零部件的相似性和重用行等特点得到充分发挥，也便于文件、数据等的管理。所以，符号语义在模块化定制设计中的应用必将使产品设计尤其是结构复杂的产品设计等这种让人头疼的事情得到缓解。

五 结语

人的意识过程是一个符号化的过程，思维即是对符号的一种组合、转换、再生的操作过程。符号是人类认识事物的媒介，它作为信息载体是实现信息存储和传递的工具，是表达设计意图的基本单元，是设计师描述设计对象与设计过程的工程语言。

本文介绍了符号语义在袋式除尘器结构优化系统模块化设计中的应用。符号语义在产品设计中的应用为信息在使用者和设计者之间的交流提供了方便，也为功能信息和结构信息的传递提供了一种途径，而且也使系统数据便于管理。总之，符号语义在模块化设计中的应用为产品设计提供了方便，同时模块化设计也实现了低成本、个性化、大批量的生产。通过模块化设计用户可以定制出多种个性化袋式除尘器产品，以满足广大用户的需求。

参考文献

【1】 王志,张进生,于丰业,王鹏,任秀华.基于模块化的机械产品快速设计【J】.机械设计.2004.8,21（8）:1-3.

【2】 模块化思想溯源/模块化

-产品开发的一种工程哲理.卡车天地，商用汽车2009-2.

【3】 王海燕,张冠伟.面向大规模定制的产品开发设计的关键技术【J】.机床与液压.2005.11.9,32-34

【4】 李乐山.产品符号学的设计思想【J】.设计纵横.（108）4-5.

【5】 魏喆，冯毅雄，谭建荣，李中凯.支持公里设计的产品符号语义模型【J】.清华大学学报.2007,47（S2）:47-50.

【6】 顾娟，陆长德，余隋怀，苟秉宸，李晓玲.基于产品符号魔传递模型的设计定制系统设计与实现【J】.计算机应用研究.2005，（11）:79-82.

【7】 常艳，潘双夏，郭峰，张健.面向模块化设计的客户需求分析【J】.浙江大学学报.2008，42（2）:249-252.

【8】 马志军.产品设计中模块化设计的再认识与思考.2008，（118）:80-81.

【9】 陶阳.产品语义学及其在汽车造型设计中的应用研究【D】.重庆大学硕士学位论文.2006.

【10】 Suh N P. The Principles of Design [M]. 2nd edition. New York: Oxford University Press, 2000.

【11】 Gero J S, Kannengiesser U. The situated function-behaviour-structure framework [J].Design Studies, 2004，25(4): 373 - 391.

The application of the semeiology in modular design of product

Abstract Directed towards the modular design method of the structural optimization system, the conception of the symbol and semantic used in the product design can simplify the products structure and convenient the information transform between the users and the designers. Actually this process which pass message to the users can be describe as coding of the products message. This method can give convenience to the users. Paper provides an example which used symbol and semantic conception to help the modular design of the filter bag, and it also verified this conclusion.

Key words symbol and semantic, modular design，filter bag ,conceptual design

作者簡介： 蔡红梅（1970- ）女，河北邯郸人，从事计算机管理工作。林康（1983-）男，河北石家庄，从事计算机管理工作。刘林刚（1976- ）男，山西运城人，从事计算机管理工作。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。