基于可拓实例推理与用户需求的产品设计方法

付文娟 吕健 于佳雯 张正明

关键词：可拓学 实例推理 基本需要 感性需求 产品可拓设计

引言

随着经济全球化的飞速发展，各行业市场竞争日益激烈。对于产品开发企业而言，产品不仅要快速适应市场的变化，还要最大程度地满足用户的需求，提升产品功能、结构、外观等各项用户满意度。因此，快速准确的产品设计方法成为企业及学者的重要研究内容。

用户需求的获取是产品开发设计的起点[1]，用户需求是多维度、多层次的，有部分需求属于用户的基本需求，可转换为产品的功能，可拓学中将这部分“用户需求”定义为“用户需要”[2]。另一部分需求涉及用户的情感，对应的是产品的风格特征，是客户的主观认知行为，被称为用户的感性需求。

可拓实例推理作为一种利用实例、经验及可拓学知识进行推理的问题求解机制[3]，对于准确把握用户需求、改进已有产品从而实现产品创新具有较大的现实意义。已有学者运用可拓学及实例推理（Case-based reasoning，CBR）[4]知识对设计中的矛盾问题进行了不同程度的分析，赵燕伟[5]将可拓学中“距”的概念引入CBR，并应用于油锯实例配置设计，验证了可拓实例推理方法的可行性。吕云隆[6]采用可拓学第三创造法，对现有马铃薯收获机的作业功能与外观进行改进。朱上上等[7，8]将隐性的感性需求及文化语义与可拓学相结合，对基于用户隐性需求的产品研究进行可拓推理。上述研究推动了产品设计方法的发展，但对于用户多维需求及实例的拓展运用仍有所局限，基于此本文提出一种基于可拓实例推理与用户需求的产品设计方法。

一、基于可拓实例推理的产品设计方法

本文考虑已有产品的可借鉴性及用户需求多维度、隐蔽性的现状，对产品进行设计方法研究，建立了基于可拓实例推理与用户需求的产品创意生成的一般流程。首先，将收集的实例样本进行分解，得到影响产品风格及功能的关键设计部件，从而建立产品实例库。其次，通过焦点小组针对现有产品进行需求分析，将用户需求分为基本需要与感性需求；分别对两类需求信息进行可拓设计建模：针对基本需要，将其从用户需要事元映射到产品功能事元，结合实例库进行拓展分析，生成产品创意集；针对用户感性需求，对风格部件元素库中各元素进行筛选，结合风格特征评估实验及联合分析，得到风格部件可拓元素库中各元素在风格特征评估下的权重与贡献率，以此量化感性需求与产品风格特征评估值的映射关系。最后，采用ROS仿真技术进行创意方案仿真[9，10]，专家参考仿真结果为产品创意的优劣进行打分。根据优度评价方法得出各产品创意的功能特征优度，结合风格特征评估值，选择较优的创意以形成最终设计方案。具体方法研究框架如图 1所示。

二、产品实例库搭建及用户需求获取与表征

（一）产品实例库搭建：产品实例库是设计支持系统的重要组成部分，不仅为后期设计实践提供资源路径，也能满足新方案的知识获取与聚类。搭建实例库首先需从网络、文献、著作以及国内外同行企业中搜集目标产品样本，采用共轭分析法及形态层次分析法[11]对样本进行分解。其次对影响产品功能特征及影响产品风格特征的设计部件，分别整理其方案、功能、材料、工艺等方面的详细资料，建立形式化表达产品部件共轭部的各种基元模型，从而构建产品实例库。

根据实例库内容进行划分，可将产品设计实例库分为功能部件元素库及风格部件元素库。根据基元表征方法，设实例库中所有部件集合为S={S1，S2，...Sn}，可将Si 表征如下，其中O为部件分类，C为部件案例，V为案例知识，即案例的具体储存内容。

（二）用户需求获取与表征：用户满意度动态影响着产品的市场占有率，为满足用户多维度的需求，对目标产品及相关产品的结构、功能及造型特征进行分析，获取用户的基本需要与感性需求。基本需要对应产品的结构、功能特征，满足用户的行为需求；感性需求对应产品的风格特征，满足用户的情感需求，通常以一系列感性意象语意词汇来表达。为避免获取的用户需求信息片面，本文采用焦点小组与数据挖掘相结合的方法，以保证用户需求信息获取的准确性与全面性，此外，为确保信息的时效性，获取用户对目标产品实时情感倾向及需求分布，采用数据挖掘相关方法获取网络评价等感性数据[12]。基于可拓学，可将用户需求用事元模型表示为：

三、基于可拓实例推理的产品设计方法的一般步骤

（一）用户基本需要可拓设计建模方法

综合实例库对用户的基本需要进行可拓设计建模，可得到满足功能需求的产品创意集。

1.基本需要事元与功能事元的映射。用户的基本需要应与产品功能相对应，因此可从用户需要出发，构建需要事元与功能事元的映射模型，辅助高效准确地研发新产品。文献[13]指出功能事元的映射是在需要事元中赋予一系列特征及相应的量值实现的。产品的功能事元应包含具体的使用动作和使用工具，其中工具為一个完整的产品或产品的某一个模块。当Ofi =Oni，Cfi =Cnij，Vfij =Vnij，j =1，2，...，s 时，需要事元与功能事元的映射关系可表示如下，工具量值Mi为实现功能模型Afi的部件物元。

2.功能事元的拓展分析。可拓学中的拓展分析包括发散分析方法、蕴含分析方法、相关分析方法和可扩分析方法。其中，发散分析可将一个功能事元Afi从多特征及量值的角度出发进行拓展，得到与需要事元对应的多个功能事元。蕴含分析可使某些难以直接实现的功能，通过实现与该功能有蕴含关系的功能，达到实现该功能的目的。

3. 产品创意集生成。对实现功能模型Afi的部件物元Mi进行物元分析，从满足需要的可能方向出发，检索功能部件元素库，并根据领域知识对部件物元进行拓展分析，可得到多种新的产品创意。邀请专家设计师，根据产品设计相关知识，初步剔除部件组合不合理、成本过高及工艺过于复杂的方案，形成产品创意集。

（二）用户感性需求可拓设计建模方法

对用户感性需求进行可拓设计建模，可量化感性需求与产品风格特征的映射关系，具体步骤如下：

1.风格特征元素集构建。通过感性意象语意初筛，应用多元尺度分析法及SPSS层次聚类分析法，对前期焦点小组从相关网站、文献、产品型录中提取的感性意象语意词汇知识建模，生成产品风格特征元素集。

2.风格部件可拓元素库构建。对风格部件元素库中各元素进行筛选，借助可拓设计变换实现产品设计部件的二维图形表达。可拓设计变换的方式包括增加、删减、置换与分解等，通过分析对不同的风格部件应用合适的变换方式，将得到的二维图形设计元素进行知识建模，从而建立产品风格部件可拓元素库。

3.风格特征评估。借助语义差异法进行产品风格特征评估实验，借助统计学中的联合分析[14]，将评估实验的数据输入SPSS，根据数据分析结果构建多维线性模型，从而量化风格特征与产品部件可拓元素之间的映射关系。

（三）设计创意的优选及方案生成研究

1.功能特征评估。结合专家评估及可拓创新方法中的优度评价法，对产品创意集进行功能特征评估。根据产品实际使用场景搭建仿真环境，基于ROS软件对产品创意集进行仿真实验，并邀请相关专家根据仿真效果进行打分，确定评价特征及评估区间，并确定衡量指标、权重及各指标正域，采用文献[11]中的简单关联函数，计算各方案的关联度、规范关联度和优度，从而得到功能特征评估值。

2.综合优度的计算及方案生成。在产品开发设计中，用户基本需要满意度及用户感性需求满意度同样重要。因此，为综合筛选出满足用户需求的产品，需对功能特征评估和风格特征评估得到的数据进行归一化处理，并求其平均值，从而得到各方案的综合优度，归一化处理如式（1）所示。将优选出的最佳方案具体化，形成最终产品设计方案。

四、实例应用

（一）确定研究产品及实例库搭建

智能化物流传输系统作为现代化智慧医院建设的重要标志之一，其高效运行能力是医院现代化、智能化的重要保障。当前医院物流系统中常用的收发站点（箱式物流输送系统的终端）缺乏匹配使用的AGV，运输箱通常由医护人员人工搬动，AGV研发中也较少同时考虑用户的基本需要与感性需求。根据提出的方法，本文以站点配送AGV为例进行实例应用研究。搭建产品实例库需对实例样本进行分解与编码，通过对网络、文献及国内外企业搜集到的134例AGV样本进行分析，可将AGV分解为影响功能特征的部件和影响风格特征的部件，从而建立AGV功能部件元素库及AGV风格部件元素库。功能部件元素库包含AGV重要硬件部件及各部件实例对应的案例知识。产品的风格特征受产品不同造型部件的共同影响，在搭建风格部件元素库时，需分析AGV的风格特征。将搜集到的AGV样本去除特殊样本及品牌标识，由专家设计师对AGV三视图及透视图进行层次分析及分解变换，总结得到影响AGV风格的不同设计部件：整体造型、灯光模块、移动机构、负载机构：

（二）事元模型构建

邀请某医疗配送AGV开发公司的管理人员、销售人员和专家设计师组成焦点小组，分析现有AGV的功能、结构、造型特征，并对目标用户进行实地调研。可将用户的基本需要和感性需求用可拓学中的事元模型表示为：功能类（An11、An12、An13、An14）操作类（ An 21、An22）及用户感性需求类（An31 、An32）。

（三）用户基本需要的可拓分析

将需要事元Anij映射至功能事元，可得到功能事元合集{Afij }。限于论文篇幅，仅列出An13的映射过程：

在待设计AGV中，M1为实现功能Af 13的部件。对功能事元Af 13进行发散分析，并根据领域知识检索功能部件元素库，对功能事元集中的各个工具M进行拓展分析，可得到Af 13的功能事元集。

对于难以直接在功能部件元素库检索得到的工具M，需对M对应的功能事元进行蕴含分析，得到较易进行实例库检索的功能事元。文中对Af 132进行蕴含分析，获得的蕴含分析模型如图2所示。

由于医院收发站点多为双层站点，且多为传送带运输，因此当待设计AGV与站点等高时，也可实现自动获取运输箱，功能事元Af 132的蕴含分析模型中：

以需要事元An13的可拓分析为例，对每一个需要事元进行分析，可得到不同功能部件组合而成的多个产品创意。本文仅对调研得到的需要事元进行讨论，对不包含在内的功能部件用市面上常用的部件进行补亏变换。专家设计师对多个产品创意进行初步筛选，得到AGV产品创意集：{R}={R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，R10，}。限于篇幅，文中仅列出产品创意R1，R2，，R3，：

（四）用户感性需求的可拓分析

通过多元尺度分析法及SPSS层次聚类分析法，对焦点小组提取的适用于AGV的感性意象语意词汇进行分群，得到6组感性意象形容词对——S1：现代-传统、S 2：舒适-别扭、S 3 ：精致-粗犷、S 4：耐用-易坏、S5：简约-繁复、S 6：轻巧-厚重。生成AGV风格特征元素集：

借助可拓设计变换，可实现AGV风格部件元素库中具体元素的二维图形表达，以整体造型PTA为例，先筛选出具有代表性的整体造型部件元素，由于AGV整体造型的形态特征线中包含对最终展示效果影响较小的形态线，因此需要对其进行可拓设计变换，如下表所示。

根据表1所述步骤对筛选出的整体造型及灯光模块所有相关部件进行增删变换，得到整体造型部件可拓元素库PTA和灯光模块部件可拓元素库PTB：PTA=[PTA1，PTA2，PTA3，PTA4，PTA5]，PTB=[PTB1，PTB2，PTB3，PTB4，PTB5]。由于AGV移动机构及负载机构的部件元素难以提取形态特征线，故以其常见部件类型进行形态划分。得到移动机构部件可拓元素库 和负载机构部件可拓元素库PTD：PTC=[PTC1，PTC2，PTC3，PTC4]，PTD=[PTD1，PTD2，PTD3，PTD4，PTD5]。其中PTC1、PTC2、PTC3、PTC4分别代表移动机构为隐藏式、半露式、小轮、大轮。PTD1、PTD2、PTD3 、PTD4、PTD5分别代表负载机构为机械臂式、传送带式、多層式、抽屉式、舱门式。综上所述，对各部件可拓元素进行编码，得到AGV风格部件可拓元素库：

借助语义差异法对AGV设计风格进行评估测试，具体实验流程如下：（1）样本选择。焦点小组从搜集到的134例AGV样本中选出具有差异化的典型样本25例，结合表2，每个样本均可被表达为相应的设计部件编号组合。（2）被试选择。邀请35名被试者，其中男性19名，女性16名，由设计专业在校学生及医护人员组成。（3）实验过程。将25例样本与6组感性意象形容词对结合，应用语义差异法制作七点量表评估问卷，要求被试在观察所给样本后，对25例AGV样本的风格特征进行意象语义评价。其中每组词汇左端对应“1”，右端对应“7”，中点为“4”。以“现代—传统”为例，左端“1”表示非常现代，中间“０”表示中等，右端“7”表示非常传统。将实验得到的评价数据输入SPSS进行联合分析得到AGV各部件可拓元素在风格特征评估下的权重Vx /%与贡献率Vy，如表3所示。

用户对AGV在某感性需求下的风格特征评估值为S，该值可通过多维线性模型进行量化表达，如式（2）所示。通过多维线性模型可根据用户的感性需求推导出对应的AGV部件元素设计组合方案，也可计算不同方案在某感性需求下的风格特征评分，实现双向推理。

其中：S i为产品在满足用户某个感性需求下的风格特征评估值；权重Vxai∈（0，1），Vxai +Vxbi +Vxci +Vxdi =1；a，b，c，d分别为不同部件的可拓元素，Voyai，Voybi，Voyci，Voydi为不同部件可拓元素在风格特征评估下的贡献率；o，p，q，r 分别为对应部件的编号；S为产品在满足多个感性需求下的风格特征评估值。

AGV产品创意集中，仅负载机构属于风格部件可拓元素库，即表2中的部件D，因此需计算出满足用户感性需求的最优ABC部件组合，根据式（2）计算得到最佳部件组合为A4、B3、C2。加上不同部件D的值后，可得各产品创意的风格特征评估值，见表4。基于风格部件可拓元素库及产品创意集可生成各产品创意方案草图，产品创意方案草图推演过程如图 3所示。

（五）产品创意优选

为从产品创意集中选出功能较优的创意，根据AGV产品设计特点，对产品创意集进行功能特征评估。首先，利用ROS仿真进行产品创意的首次评价。将收发站点按真实比例建模作为仿真环境，选择较大尺寸的标准周转箱（660X450X350，单位mm）作为运输物品，将识别并自动运输周转箱作为AGV仿真测试的参考标准。将仿真评分区间定义为[0，10]，低于6分则表示方案应用价值低，需剔除。邀请专家设计师根据仿真结果打分，评分结果如表5所示。可知R5的评分低于6分，需剔除该产品创意。

其次，计算各方案的关联度、规范关联度和优度，对仿真评价后的产品创意集进行筛选，以得出较优的AGV产品创意方案，具体操作如下：（1）确定评估区间。通过调查问卷，邀请专家对满足功能需要的产品创意进行初步的定量化评估，根据问卷结果，得出评估区间为[0，10]。（2）确定衡量指标及权重。产品的衡量需从技术、经济及社会层面考虑，文中选择成本、功能效果、结构合理性及稳定性作为AGV产品创意的衡量指标。根据专家意见，各衡量指标的正域分别为<130000，200000> ，<6，10>，<5，10>和<6，10>，即衡量指标分别为：MI1=（成本，<130000，200000>），MI2=（功能效果，<6，10>），MI3=（结构合理性，<5，10>），MI4=（稳定性，<6，10>），且对应的权重分别为0.3，0.35，0.15，0.2，其中最佳成本为160000。

检索功能部件元素库，选择性能较好且价格合理的最优部件作为产品创意方案的部件，根据核心部件的总体价格，可计算出产品创意方案的成本；根据仿真评分结果可得功能效果的分值，結构合理性及稳定性分值则由专家打分得出。各衡量指标的分值如表6。

（3）计算关联度、规范关联度和优度。根据表 6及各指标正域，采用简单关联函数对指标关联度进行计算，根据计算所得的指标关联度可进一步计算出产品创意的规范关联度和功能特征优度Cg，如下表所示。

风格特征评估值越接近1表示方案越满足用户简约、现代的感性需求，越接近7则表示方案越不符合用户感性需求，因此用7减去风格特征评估值，并归一化处理，可得到产品创意风格特征优度 。对产品创意功能特征优度 进行归一化处理，可得到产品创意风格特征优度Cf。对产品创意功能特征优度Cg进行归一化处理，与风格特征优度Cf求均值后，可得到各产品创意方案的综合优度：

根据表 8可知，对需要事元An进行可拓分析得到的产品创意集{R} 中，产品创意方案R3综合优度最高，故R3为最佳产品创意方案。将R3具体化，形成最终设计方案，AGV的外观效果图如图 4所示。

该方案的创新点主要有：（1）对用户的基本需要及感性需求进行了较为全面的分析，运用文中提出的方法进行产品设计，最终生成的产品创意R3不仅满足了产品的功能需求，提高了医院物流系统的运输效率，减少了医护人员的工作量，而且在风格特征上满足了用户的感性需求。（2）基于已有产品的可借鉴性搭建了实例库及AGV风格部件可拓元素库，生成的产品创意R3借鉴了较优的成熟案例，减少了后续修改，取得了良好的效果。

结论

本文提出了基于可拓实例推理的产品设计方法，根据实例库内容分类，搭建了产品功能部件元素库及风格部件元素库；通过对目标产品调研，分析了用户的基本需要与感性需求，并对两类信息分别进行了可拓设计建模；经拓展分析与可拓变换，将用户的基本需要事元映射为产品的功能事元，形成了产品创意集；搭建了产品风格部件可拓元素库，并结合联合分析量化了用户感性需求与产品风格特征的映射关系；利用ROS仿真和优度评价方法，对产品创意方案集的风格特征及功能特征进行评分，最终优选出满足用户多维度需求的最佳创意方案，完成了用户基本需要及感性需求至产品方案生成的推理。当前研究仅以一种医疗AGV为例进行分析，并未建立智能生成匹配用户多维需要的定制系统，对于提高方案生成效率与用户多维需要匹配准确性有待提升。