由功能驱动的产品概念方案进化设计方法*

□ 成佳庆 □张 凯 □于 淼

四川大学 机械工程学院 成都 610065

1 研究背景

概念设计主要完成产品创新概念设计方案的生成、评价与选择,是产品创新设计过程中最能体现产品创新性的一个环节。通过概念设计，可以开发市场上没有的产品、垄断性的产品及能够引领未来市场消费潮流的产品。在新产品开发流程体系中,概念设计是未来产品雏形的培育、拟定、规划[1-2]。

进化,又称演化,在生物学中指种群中的遗传性状在世代之间发生变化。历史上，国外学者Holland率先提出Evolutionary Design一词,即进化设计。进化设计在国内外研究中主要分为两类。一类是仿照生物进化的进化设计,从生物学的角度出发，将生物进化的原理、过程及体系引入产品的概念设计中[3-6]。另一类是基于萃智理论的进化设计[7-11],从设计学的角度出发，将技术发展演化规律融入产品设计与开发的过程中。其实，这两类从本质上而言是统一的，即迭代是进化设计的内在表现。

目前已经有大量理论和方法对产品概念设计进行深入研究，并取得丰富成果,但应用中依然存在设计者和用户对设计方案认知偏差、需求模糊不定等问题。产品概念设计过程中，缺乏设计方法与知识，无法解决方案重构和进化问题,无法实现设计创新。基于萃智理论，与已有的定制产品概念设计方法相结合,笔者提出由功能驱动的产品概念方案进化设计方法，以产品功能模块为载体，通过设计意图驱动技术和创新方法迭代,按照进化方向捕捉、进化路线规划、进化设计求解的路径,完成产品从初始方案到最终方案的进化。

2 进化设计框架

在原有产品概念设计方案的基础上,由功能驱动的产品概念方案以产品功能模块为设计载体,实现需求到结构的关联映射。在产品概念设计阶段，研究有效消除设计认知差异性和提高方案创新性的产品进化设计方法,推动产品从功能模块结构到整体型结构的进化演变,达到提高产品设计效率和创新性,实现快速响应市场,最终提高企业利润的目的。

进化设计基础流程模型如图1所示。借鉴产品设计、模块化设计、用户参与式设计、进化设计等相关理论和方法,产品进化设计包括进化方向捕捉、进化路线规划、进化设计求解及进化设计评价。进化方向捕捉是进化设计的前期规划,也是概念设计中创新性的集中体现。进化路线规划、进化设计求解、进化设计评价则用于在产品进化方向中实现产品的重构进化。在设计意图驱动技术、萃智理论、创新方法及迭代思想的作用下，通过反复迭代回溯的形式获取用户满意的产品概念设计方案,整个流程都是围绕产品功能展开的。

▲图1 进化设计基础流程模型

由功能驱动的定制产品进化设计如图2所示，主要包括三个核心内容。

(1) 进化方向捕捉。进化方向捕捉是定制产品进化设计中其余相关工作的前提和基础。分析现有产品设计方案中的功能模块和市场中用户的需求,采用设计意图驱动技术，将用户需求意图和设计者设计意图融入产品的功能设计中,运用交互式遗传算法获取满足条件的功能设计方案,来构建产品功能结构模型,进而通过萃智理论中的功能进化定律，关联映射出功能模块的进化方向。从用户需求和产品自身出发,将产品功能作为进化方向的载体,通过设计意图驱动技术和萃智理论来捕捉功能进化方向集,优化未满足需求的功能,在一定程度上推动产品的功能进化。

(2) 进化路线规划。进化路线承接进化方向，引出进化求解,因此，进化路线的规划显得至关重要。基于传统的产品设计过程,以设计问题为规划进化路线的关键。在设计约束的作用下，将进化方向映射关联为设计问题。根据设计方案和进化方向之间的偏差，将设计问题划分为启发型、组合型和改进型。再将由创新方法和设计资源组成的设计策略与子设计问题关联,在进化方向中找到适合的设计策略来解决设计问题,完成进化路线的规划。

(3) 进化设计求解。设计过程中一般都在两个甚至多个不同的空间内搜索,具体以迭代回溯的内在表现和产品重构进化的外在表现来呈现。迭代是进化的过程,创新是进化的内核,基于规划好的进化设计路线,再借助问题最大化、问题最小化的思想,将创新方法与迭代设计相结合，在设计问题空间和设计方案空间中对解集回溯，通过方法、知识等多因素相互作用而进行不断碰撞、放大与压缩,将各个局部进化或全新进化的功能模块集合为整体。对所生成的概念设计方案进行回溯评价、反复改进，可以实现真正意义上的产品概念设计重构进化。进化设计求解包含进化设计评价阶段,迭代可以描述为方案生成、评价决策、迭代进化的过程。考虑到客户的需求偏好，在评价指标体系的基础上提出集成狩野模型和层次分析法的模糊评价方法。

▲图2 由功能驱动的定制产品进化设计

3 进化设计关键技术

由功能驱动的产品概念方案进化设计方法，其核心内容包括产品进化方向捕捉、产品进化路线规划、产品进化设计求解。为支撑整个进化设计过程，提出了产品进化设计的三个关键技术，如图3所示。

▲图3 产品概念方案进化设计关键技术

(1) 基于设计意图驱动和萃智理论的进化方向捕捉。在产品开发阶段,为消除用户和设计者对设计方案的认知偏差，获取功能进化的基本方向,对原产品设计方案进行用户需求获取与分析，以及功能模块划分,对用户需求和功能要素进行关联映射,作为设计意图驱动模型的输入。通过设计意图驱动的产品功能设计模型和交互遗传算法,得到新产品的功能设计方案,再通过萃智理论捕捉功能模块可能的进化方向,为形成更好的产品概念设计方案打下坚实的基础。

(2) 基于设计问题与创新策略关联的进化路线规划。基于对产品功能模块进化方向的特征描述,以设计约束为映射规则,形成各功能模块的设计。基于设计方案和进化方向之间的偏差,将模块设计问题分为启发型、组合型和改进型,对相应的设计策略与设计问题进行关联映射,形成基于设计问题与设计策略的进化路线规划,为设计者提供适合进化方向的有效设计路线,在设计策略的指导下求得产品设计方案的解。

(3) 基于创新迭代的进化设计求解。使用创新方法与设计资源集成进行概念设计问题求解,基于规划好的进化设计路线,在方案解空间和设计问题空间中对解集进行回溯，迭代搜索，综合获得各模块多方案及最终整体设计方案,实现产品方案的重构进化。评价在概念设计中发挥着重要的作用,构建产品概念设计方案评价指标体系,再基于对客户需求偏好的分析,提出集成狩野模型和层次分析法的评价指标权重确定方法。设计评价中存在许多难以定量分析的因素,通过模糊数学使模糊信息得到定量化分析。通过以上工作完成对概念设计方案的评价,为后续方案提供改进和迭代的方向。

4 结束语

笔者提出了由功能驱动的产品概念方案进化设计方法，构建了由功能驱动的产品概念方案进化设计框架,着重在功能驱动、问题定义、方案求解、进化模式等方面寻求突破,使更多用户参与到整个设计过程中，并应用基于设计意图驱动和萃智理论的进化方向捕捉、基于设计问题与创新策略关联的进化路线规划，以及基于创新迭代的进化设计求解等关键技术。在进化方向捕捉中，消除设计者对用户设计意图驱动和设计方案理解存在的偏差及需求模糊不定。在方案进化求解中，运用创新方法迭代形成设计方案,以适应当今用户需求多样化、市场环境复杂多变、生产技术蓬勃发展的现状。笔者在产品概念设计过程中,根据产品的特性,在每一阶段给出对应的方法或工具,提高了最终概念方案的科学性,验证进化设计在产品概念设计中的可行性,同时为设计者提供了设计思路,有助于提高设计效率,对企业实施产品定制具有参考价值。