基于基元模型的产品创意设计方法与表征研究

刘玲玲 ， 薛澄岐， 李 晶， 林 丽

（1. 东南大学机械学院，江苏 南京 211189；2. 桂林理工大学艺术学院，广西 桂林 541004;3. 贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550003）

产品创新中，产品概念设计阶段的成本只占 产品总成本的5%，但却决定着70%～80%以上的价值[1]，因而工业设计以设计定位、概念设计等为核心的产品开发前端过程，更成为数字化设计制造技术的研究热点[2]。工业设计归于分析的、半正规化和半经验化，以及创意的生成过程无系统的逻辑推导方法，设计过程具有“黑箱”性质，因不可被计算机识别，而与数字化设计制造技术脱节[3]。思维创新的重要任务就是如何将这种难以捕捉的心智活动转化为易操作的设计方法[4]。

基于此，本研究借助可拓学理论，针对设计问题具备不确定的“模糊前端”(Fuzzy front-end，FFE)[5]的特性，定量化求解设计问题中的动态不确定性因素，建立产品创意过程的可拓机制，提出基于基元模型的产品创意设计方法及表征理论思想，为产品设计方法学提供有效的理论支撑。

1 产品创意设计基元模型

1.1 基元

可拓学是基于定量和定性有机结合的科学理论[6]，以形式化、逻辑化和数学化为基础，研究物、事、关系的可拓展性，建立合理有效的可拓机制，提出解决问题的基本方法以及相应的测评策略[7]。

基元是可拓学逻辑细胞，是分析问题、解决问题的基础。基元主要包括物元R、事元I、关系元Q3个类别和层次，根据研究对象的属性特征选择相应的基元类别和层次形式化描述核心问题[8]。

1.2 创意信息数据集

设基元为A，以物元R为逻辑细胞，依据可拓学物元R=（N，c，v）定义，N为事物的名称，c为关于N的特征，v为关于c的量值。创意设计过程素材信息海量Rn，且每个事物Nn都具有多元特征Cn及对应的量值Vn，由此，基于多维特征的多维基元所构成的阵列表示为An，An称为研究对象N的n维基元，构成创意信息多维数据集。

基于上述基元模型构建任何客观事物同时包含定性和定量的形式化表征，奠定形象思维有序展开基础。

2 产品创意设计方法与表征

借助可拓学(Es)对客观世界中的事、物和关系的最小逻辑细胞的知识表征方式，融会贯通理解可拓学发散树“一物多征”、“一征多值”、“一值多征”等拓展分析过程[9]，结合工业设计学科属性，提出“异特征”、“异量值”、“异规则”、“关系同构”4个构思方法层面，细化分物元获取参照体系，以保证物元变换品质，构建产品创意设计方法学。

2.1 异特征法C：一物多征

依据物元定义，R= (N,c,v)，即（物，特征，量值）。异特征法，即固定研究对象（N，如加湿器），但特征元(c,v) 灵活选定，可确立创意设计的切入点，工业设计领域以特征Ci={外观}改造为主。

给定特征co，若Cf(co),Cr(co),C×(co),Cz(co)分别为co的同域特征集、相关特征集、可积特征集、共轭特征集，称CE(co)=Cf(co)∪Cr(co)∪C×(co)∪Cz(co)为特征co的可拓特征集，co∈CE(co)。

具体运用到新产品开发，一物多征，从{外观、功能、结构、包装、宣传、品牌、价格、质量}等多个属性拓展，形成产品可拓特征元集Cn。以特征Ci={外观}改造为主，工业设计领域常规一级分特征元为Ci1={形态，色彩，材质}，依次细分C形态={点，线，面，体，倒角…}，以获取新的产品创意方案，此法较多应用于商业款式更新，保证产品上市的更新换代。

2.2 异量值法V：一征多值

依据可拓学定义，量值v，指一物关于某一特征的数量、程度、或范围，分为数量值和非数量量值。异量值法，即固定研究对象（N，如加湿器）和特征元（C，如外观），但V灵活变化，可形成别具一格的创意方案。著名英国设计师麦金托什“高直椅”为异量值法的典型应用。

给定量值vo，若VN(vo),Vc(vo),Vr(vo),V×(vo),Vz(vo)分别为vo的同物量值集、同征量值集、相关量值集、可积量值集和共轭量值集，称VE(vo)=VN(vo)∪Vc(vo)∪Vr(vo)∪V×(vo)∪Vz(vo)为量值vo的可拓量值集，vo∈VE(vo)。

具体到工业设计领域，有非数量值“意象”量值V1={奢华，卡通，简约，复古…}，也有数量值“形体”量值V2={长，宽，高，比例，定位轴线，偏心距，元件布局…}。运用强调与隐藏、统一与分离等量值变异构思手法，打破常规形态规律，引发视觉张力。

2.3 关系同构N：一征多物

依据可拓学定义，关系元Q描述一组物、事、人等与其他的物、事、人存在逻辑相关性。关系同构法，即以逻辑相关性为切入点，提取两组或多组具有逻辑相关性的事物Nn，分别获取其某一特征Cn，通过设计手法组合，推进后期产品语义概念置换，形成创意素材来源。

给定事物No，若Nc(No).Nv(No).Nr(No).N×(No)分别为No的同征事物集、同值事物集、相关事物集、可积事物集，称NE(No)=Nc(No)∪Nv(No)∪Nr(No)∪N×(No)为事物No的可拓事物集，No∈NE(No)。

工业设计师往往确立产品功能意象（如加湿器的加湿），利用进行关系同构（如湿润意象）发散拓展相关事物集（如嫩芽、水滴），提取事物集（如嫩芽、水滴）的特征曲线，转化为产品物理形态，形成具有主题意义的形态方案。

2.4 异规则

产品除物元要素(N,c,v)以外，人机交互过程不可或缺。依据可拓学定义，物与物的相互作用称为事，事元I=(d，b，u)即（动作，特征，量值）。动作的基本特征有：支配对象、施动对象、接受对象、时间、地点、程度、方式、工具等。

工业设计过程中，从使用方式[10]入手，常见产品使用方式In={按压，旋扭，推拉，敲击，踩踏，把握，撕拽，…}。另有产品伴随成长型设计，产品随时间变化，使用方式随之变化，以童车最为典型。

3 创意设计物元变换

物元变换，物元Ro= (No,co,vo)改变为物元R= (N,c,v)或若干物元R1= (N1,c1,v1),…,Rn= (Nn,cn,vn)，称为物元Ro的变换，记作TR0=R或TR0={R1,R2,…,Rn}。

物元变换实际上是对其要素事物、特征和量值的变换或它们的组合。对n维物元R的变换，实际上是对其分物元R1,R2,…,Rn的变换。构思新产品时，首先产品自身要素（包括自身要素和附加要素）等一一列出，如图2所示，并找到对应的分物元，将n维物元R的分物元重新排列

从而得到一系列的新物元R*，即TR=R*，亦即得到一系列的新产品N*

4 实例研究

本文提出基于基元模型的产品创意设计方法与表征，其流程如图1所示。产品创意要素分为自身要素和附加要素两大类，自身要素区分为感官要素和功能机构要素，其中感官要素包括产品的形态、色彩、质感和肌理，功能机构要素涉及产品生产加工与制造因素。感性消费时代来临，产品附加要素以消费者心理需求为主显得尤为重要，本文从“情感语义、文化符号、个性需求、使用交互”4个方面细分。下面以家用加湿器设计为例，推理加湿器创意设计的转化过程。

图1 产品创意设计及可拓表征流程

4.1 加湿器设计调研

对某滞销产品家用加湿器使用人群调查，受试对象50人，均有4年以上使用加湿器经验，其中，工业设计师10人、卖场销售员5人、普通用户35人，通过访谈和问卷，对外观造型、使用方式、消费者精神需求等7项相关要素进行调研，得到加湿器改良方向，如表1所示。

表1 某家用加湿器改良要素列表

根据家用加湿器优缺点列表可知，加湿器技术成本不高，生产原理简单，操作简易，用户最大诉求是造型成为家居时尚摆设，故着重产品附加要素分物元获取，考虑生产技术及现实条件，忽略异特征中Ci={功能，结构，工艺…}及异规则Ii={旋，触，按…}等使用交互方式变化。

4.2 加湿器创意要素表征

对原有产品滞销产品加湿器N0，它可由物元R表征如下：

设新产品为N，列出N的特征元 (c1,v1),(c2,v2),…, (ck,vk) (k

本设计实例为商业改款案例，切入点R0={加湿器，外观，风格意象}，获取侧重“产品附加要素”分物元Ri，如表2所示，从{情感语义，文化符号，个性需求}3个方向出发，利用发散树法，寻找满足(ck,vk)，(风格意象，湿润)，(风格意象，神秘)，(风格意象，文化内涵)，(风格意象，亲切)，(风格意象，个性)…的事物Ni，即

由此得到发散事物集为{Ni},记作

N湿润= {嫩芽破土，吐泡泡，雾，胖头鱼，竹筒，雨巷，水滴，…}

N神秘= {外星人，飞碟，沙漏，机器人，长江7号，…}

N亲切= {奶茶，易拉罐，…}

N个性= {口哨,香烟,灭火器,香烟,子弹，…}

N文化= {汉服，唐装，戴望舒《雨巷》，丁香姑娘，…}

…

列出N相应于N0的其它特征元，设为(ck+1,vk+1),…, (cn,vn)，将由N及这些特征元构成的物元记为

并作V2的发散量值集

综合以上Ni={嫩芽破土，香烟，外星人，飞碟，胖头鱼，吐泡泡，汉服，唐装，沙漏，竹筒，奶茶，灭火器，口哨，子弹，易拉罐，雨巷，丁香姑娘，…}

创意概念赋予实形，结合工业设计学科属性，运用造型手法：造型手法单元序列集为Gz={体块改造，引入面片，重塑边缘，调整轴线，丰富材质，增加亮色，特征线提取，整体轮廓线提取，…}结合4个重构手法：OT为重构规则集，OT∈{置换，聚分，增删，扩缩}，本例主要采用置换手法，进行产品语意概念反复置换，造型手法采用增删。

由此，加湿器创意设计的基元模型A构建如下：

美观合理的外观形态的形成往往需要一个或多个重构规则相互作用，多次迭代，受到技术、经济等条件的约束。

4.3 加湿器设计方案评价

以工业设计专家和熟练用户为评价群体，优选针对加湿器4个N1={长江7号，戴望舒《雨巷》，飞碟，灭火器}事物集拓展方案，如图2所示，使用层次分析法，在[0,1]范围内给权系数ai赋值为a1=1、a2=0.9、a3=0.8、a4=0.4，同时，采用5点量表法对构思新颖、造型美观、生产成本、包装运输等关联度k进行量值测评，最后通过计算汇总，结果显示，方案1实用性较好，方案2具有良好的概念创新。由此，设计师根据加湿器加工工艺等设计要求，以优选出的设计方案为形态基础，进一步完善加湿器造型。

图2 加湿器造型创意方案

5 结 束 语

本文提出基于基元模型的产品创意设计方法与表征研究，首先根据可拓学基元理论构建产品创意设计的可拓模型，提出基于可拓模型的产品创意表征方式，明晰分物元获取参照方法，保证产品创意物元变换品质，在此基础上，采用层次分析法对产品设计新方案给予测评，从而得到基于产品概念创意的合理设计定位，满足产品工业产品精神功能方面要求，最后，以家用加湿器设计实例验证了本方法的有效性、实用性和创新性。

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