运用基元构建化妆品包装设计的产品族模型与设计流程

陈涛，王金广，陆定邦,＊

（1.山东科技大学艺术学院, 山东 青岛 266590; 2.广东工业大学艺术与设计学院，广东 广州 510000）

随着全球化妆品市场的不断发展，了解消费者偏好并提供客制化产品服务对竞争格局中蓬勃发展的品牌来说变得越来越重要。品牌需要采用创新的包装设计来满足消费者多样化的需求，为此，包装设计成为化妆品品牌的竞争策略之一。消费者希望拥有独一无二的化妆品产品，满足他们的个性化需求。然而，随着化妆品包装样式的多样化发展，相应的生产成本也逐渐上升，传统的大规模生产方式已经难以满足消费者不断增加的个性化需求。将产品族概念引入包装设计领域，可以实现包装的造型、色彩、图形和材质等方面的模块化配置，充分利用已有包装的通用特征和零部件等资源，满足客户的个性化需求，提高产品吸引力。同时，这种方法还有助于减少资源浪费、降低开发成本和周期，符合包装设计的个性化、人性化和绿色化的发展趋势。

1 化妆品包装设计问题与策略

化妆品行业属于一个竞争激烈的领域，而包装设计在吸引顾客和提升销售额方面扮演着极为重要的角色。近年来，随着消费者对个性化产品需求的不断增长，化妆品包装设计领域也在持续不断地创新发展，包括引入新技术（如3D 打印）[1]、采用新材料（如抗菌材料）[2]，以及提供新型服务（如可持续性服务系统）[3]。通过对广州市化妆品行业的中小型企业进行实地调查研究，笔者发现，与传统的包装设计中的二维元素，如色彩和图形的定制相比，更大的挑战在于对包装造型的三维定制，这牵涉到模具的开发。随着包装种类的不断增加，相应的模具开发成本也日益增加。此外，许多化妆品中小型企业在应对市场需求变化时，往往面临着包装设计服务不足、成本高昂以及周期长等问题。

因此，在面对化妆品包装多样化需求的背景下，企业需具备快速响应市场需求和灵活设计的能力。通过文献研究与实地调研，笔者发现采用产品族设计可以成为应对这一问题的有效策略。产品族设计具备以下优势：首先，它能够快速响应多样化需求，通过在现有设计框架内调整参数值，轻松创建新的包装设计，而无需从头开始设计每个产品，成本相对较低[4]。其次，产品族设计充分利用现有的模块（公模）进行配置，可在保持品牌产品性能基础上为不同产品配置个性化的包装，从而提高客户满意度和忠诚度。再次，它能够以结构化的方式在整个包装设计周期中进行操作，有助于提高设计过程的可控性和效率[5]。设计师可以在已有的框架内工作，减少了重复劳动。最后，产品族设计以信息集成的方式构建产品族平台，使得不同产品之间可以共享设计元素和资源，从而提高了产品配置的效率[6]。

2 基元模型化表达

基元理论采用形式化的模型语言研究事物元素拓展创新的方法与规律，用于处理复杂系统问题并寻找可行的解决方案[7]。在此理论框架下，基元模型被视为构成基元理论的核心基础，其构建方式涵盖了模型化与定量化的融合。一旦包装设计问题及其需求以基元的方式进行描述，便可以充分利用基元的可拓性，从而开辟多种设计模块和配置路径，为产品族平台的模块配置提供了统一的逻辑基础。这一方法的关键在于基元模型的灵活性和多功能性，能够将抽象的概念与具体的包装设计需求相连接，从而使得复杂系统的设计变得更具可操作性和可管理性。通过基元理论，用户能够更系统地理解问题，并更有效地寻求创新性的解决方案，这对于现代产品设计和系统工程领域具有重要意义。

针对用户需求，基元模型采用形式化的基元作为设计问题的知识表示(Knowledge Representation)。以“基元”作为描述物质(Matter)、事件(Affair)和关系(Relation)模型的逻辑语言，通常以{Object,Characteristic,Value} 三元组形式分别表示物元M=(Om,Cm,Vm)、事元A=(Oa,Ca,Va) 和关系元R=(Or,Cr,Vr) 的概念[8]，它们构成了基元理论的逻辑细胞，其数学形式化表达如下：

2.1 物元(matter-element)

用物元作为产品本身的模型化表示。以物Om为对象，Cm为特征，Om关于Cm的量值Vm构成的有序三元组：M=(Om,Cm,Vm)作为物元的形式化表示。其中，Cm和Vm构成的二元组(Cm,Vm)表示Om的特征元。物Om的n 个特征Cm1，Cm2，···，Cmn及Om关于Cmi(i=1, 2,···, n)对应的量值Vmi(i =1,2 ,···, n)所构成的阵列：

2.2 事元(affair-element)

用事元描述产品的功能。物与物的相互作用称为事。把动作Oa动作的特征Ca及Oa关于Ca所取得的量值Va构成有序三元组：A=(Oa,Ca,Va)作为事元的形式化表示。其中，Ca和Va构成的二元组(Ca,Va)表示Oa的特征元。动作Oa的n 个特征Ca1，Ca2，···，Can和相应的量值Va1，Va2，···，Van构成的阵列：

2.3 关系元(relation-element)

用关系元作为产品结构关系的模型化表达。事物之间有不同的关系，这些关系之间又相互作用和影响。关系元是描述这类现象的形式化工具。以关系词Or的n 个特征Cr1，Cr2，···，Crn和相应的量值Vr1，Vr2，···，Vrn构成的n 纬阵列：

基元模型是一种采用形式化和模型化方法进行设计对象和问题研究的工具，旨在通过定性和定量分析，借助扩展分析和变换组合等方法，深入探索创意方案。这一特性为现有产品族体系结构的知识表示和模块配置方法提供了一种全新的研究视角。接下来，笔者将运用基元理论来深入分析产品族建模的具体技术。

3 采用基元理论的产品族建模机制

通常情况下，在产品族FBS (Function-Behavior-Structure)模型中，反映了功能域、行为域和物理域三者之间相互关联的关系[9]。功能域用于表达产品的总体功能以及其子功能目标；行为域则从技术角度描述了产品功能的技术原理；物理域则详细描述了产品结构的物理组件装配模型[10]。根据设计思维的理念，进一步引入需求域，以便描述产品设计前端的问题定义。这样，就构建了一个从需求、功能、技术和结构四个方面的映射关系，形成了产品族基元模型。该模型包括需求模型、功能模型、技术模型和结构模型（图1）。

图1 产品族基元模型及映射关系图

3.1 产品族的需求模型

产品族需求模型的主要作用在于精确地定义客户需求，将这些需求以规范的形式化方式描述出来，以便准确地定义产品族。这一过程通过结合定性和定量分析，识别产品需求和关键元素，从而确定共性需求和个性需求。接着，以基元参数化的方式对需求的特征进行量值映射，以建立所需产品的物元、事元和关系元，如图2 所示。最终，通过基元的应用，建立了产品族的需求模型。

图2 产品族的需求模型

3.2 产品族的功能模型

根据需求模型（包括共性需求和个性需求），笔者进行了质量功能展开QFD(Quality Function Deployment)分析，以获取所需的功能要求，并通过这一分析来映射出通用功能和独特功能。笔者采用了基元分析方法，以形式化方式建立功能模型，包括通用功能模型与独特功能模型（图3）。在这一功能模型的基础上，结合客户需求，进行进一步的功能拓展分析，以得到通用功能模块{Fc1,Fc2, ...,Fcn}和独特功能模块{Fd1,Fd2, ...,Fdn}。

图3 产品族的功能模型

这一过程的核心是将客户需求转化为具体的功能要求，以确保产品能够满足用户期望。首先，笔者将共性需求和个性需求结合起来，以建立一个全面的需求模型。然后，通过QFD 分析，将这些需求转化为功能要求，优先考虑了各项需求的重要性和关联性。接下来，笔者采用基元分析方法，将这些功能要求形式化为功能模型。这个模型包括通用功能模型，即那些在不同产品中都适应的功能，以及独特功能模型，即那些特定于产品的功能。最后，在这个功能模型的基础上，进一步分析了具体的功能拓展，以细化通用功能模块和独特功能模块。这一步骤确保了笔者对产品或系统的功能要求有了更清晰的了解，可以为后续的设计和开发工作提供指导。

3.3 产品族的技术模型

产品的功能实现需要相应的技术支撑，功能与技术之间往往存在多元关系，例如不同的功能可能源自同一技术，或者多个技术实现某一特定功能等。为此，基于功能模型进行功能与技术的关联分析，将功能需求与技术需求进行映射，构建基元表示的技术模型，包括通用技术模型和独特技术模型（图4）。根据产品族属性，技术模型是关于从功能模型到结构模型映射过程中所使用大规模定制的原理方案。技术模型作为连接产品功能需求与结构部件的桥梁，通过技术模型聚类分析（K 均值聚类算法E=∑i=1 到k∑x ∈Ci||xμi||^2），减少相应的开发成本并提升配置效率。经过聚类分析把相似单元聚类在同一模块中，形成通用技术模块{Tc1,Tc2, ...,Tcn}和独特技术模块{Td1,Td2, ...,Tdn}。这一过程有助于更好地管理和优化产品族的技术架构，从而满足不同的产品需求。

图4 产品族的技术模型

3.4 产品族的结构模型

结构模型是用于描述产品族可能包含的各种物理结构和零部件之间装配关系的关键工具。这一模型通过技术模型的映射而得，代表了功能模型和技术模型在物理结构上的实际呈现，以最终满足需求模型所规定的要求。结构模型主要包括两大类零部件，即平台零部件{Sp1,Sp2, ...,Spn}和定制零部件{Sc1,Sc2, ...,Scn}。在产品的平台配置过程中，通常会优先考虑使用已有的平台零部件，以提高配置的效率。然而，为了满足特定需求，需要引入定制零部件。这些定制零部件是在已存在的平台零部件的基础上进行拓展变换和个性化定制。这种基于现有结构的变化方法有助于确保各个产品在组合接口方面保持一致，同时又能够以迅速且较低的成本完成产品族的设计（图5）。

图5 产品族的结构模型

4 产品族建模开发设计流程

根据上述产品族模型构建的研究，进一步运用产品族建模开发化妆品包装设计的流程如图6 所示。该流程分为以下步骤：

图6 运用产品族建模开发化妆品包装设计流程

1）首先需要获取客户需求，并将这些需求以基元的方式进行形式化表达，从而创建一个明确的需求模型。

2）基于需求模型，进行需求到功能的映射，以获取产品的功能模型。随后，对功能模块进行通用性的检索和匹配。若存在通用功能模块可以满足需求，那么这些模块将被提取并进行结构组合，从而完成产品的设计。若没有通用功能模块能够满足需求，那么相似功能模块将被提取，并根据映射关系构建技术模型。同样，对技术模块进行通用性的检索和匹配。如果发现通用技术模块，同样会将其提取并进行结构组合，以完成产品的设计。

3）如果没有通用技术模块可以满足需求，那么将对相似技术模块进行可拓变换，以获得满足需求的技术模块。

4）通过组合构成技术模块的结构化零部件，形成一个产品族设计方案，以满足客户的需求。这一流程的逻辑清晰，确保了在产品族设计过程中的连贯性和有效性（图6）。

5 结语

本文介绍了一项面向化妆品包装设计的产品族建模技术。该技术采用基元理论进行形式化建模，以重新构建产品族配置设计和流程。它开发了针对化妆品包装的产品族设计需求模型、功能模型、技术模型和结构模型。基元建模作为配置设计的逻辑架构贯穿于整个产品族设计流程中。在流程中，根据产品族建模方法进行需求、功能、技术和结构的模块化映射配置。该方法以形式化和结构化的方式充分利用了现有企业包装过程中的公模和零部件，发挥了产品族设计模块化配置的优势，从而降低了开发成本和设计周期，同时减少了资源浪费。此外，本研究还解决了产品族前端客户需求定量化缺失以及中后端模块配置逻辑一致性的问题。通过基元建模进行零部件配置的关联性研究，提升了产品族配置设计效率。这项研究为化妆品包装设计在产品族研究方面提供了新的技术方法和价值参考。