（机械设计及理论专业论文）面向形态的产品创新设计方法研究.pdf

旁星 面向形态的产品创新设计方法研究 机械设计及理论号业 研究生；李婷指导教师：扬随先教授 摘要 形念设计是工业设计的重要组成部分，尤其是在“以人为本”的现代设计 理念之下，作为最直接的人机界面，外观形态在产品设计中具有越柬越重要的 地位，通过外观形态创新可以为产品注入深层的精神文化内涵，创造品牌价值， 提高产品的市场竞争力。 刨莎一直是现代设计理论及方法学研究的热点。目阿创新设计理论大部针 对技术i 域的问题求解，而忽视了对人“方便使用”、“舒适使用”、“快乐使用” 等生理心理需求的创新思考，而这些正是“人性化设计”必须关注的内容。 面向形态的产品创新设计以用户为中心，通过分析用户的生理与心理需求，运 用各种创新思维和系统化创新设计方法进行创新思考，以创造出更宜人的产品 形态 本文以产品形念创新设计方法为研究对象，主要研究内容和成果如下： 影响形卷创新设计的主要因素研究 结合认知心埋学和设计方法学，分析了产品形念设计的创新过稃，耐影响 产品形态刨新的主要因素进行了较为详尽的分析，认为影响产品形念创新的主 要因素有思维惯性、思维及判断的主观性和复杂的设计资源。详细分析了这些 影响因素在产品形态创新中的具体表现，为后续的形态创新设计方法及创新思 维研究奠定了基础。 基于认知心理学的产品形念刨新方法研究 。运用认知心理学，分析了产品形，奈设计的创新认知过程，提出了以形念问 i j 【l i l l 人学坝i 论文 题空间为基础的系统化创新思考方法。根据认知系统的模块化特征，建立了作 为创新思考独立单元的思维模块。提出了通过创新思维模块链进行创新思考的 具体方法。 摹于t r i z 的产品形态创新设计方法研究 分析了t r i z 发明问题解决理论在产品形态创新设计中应用的可行性。为降 低产品形念创新设计的主观性，将产品形态创新分为形态的功能属性创新和形 态的视觉表现创新，并针对产品形态功能属性的创新，提出了应用t r i z 冲突矩 阵的创新解决方法。 面向形态的产品创新设计方法研究 将系统化的设计流程与发散的创造性思考相结合，提出了面向形念的产品 创新设计的系统化创新方法，给出了详细的设计流程。将h o q 应用于设汁资源 的分折和整理，建立了面向形念设计的l t o q ，并借助h o q 探讨了形态关泣点的确 定方法。提出了运用t r i z 理论中的冲突矩阵和f e e 模型进行产品形态功能墉性 创新的具体方法。研究了产品形态视觉观感创新的主要内容，提出了将水平思 维、头脑风暴以及思维导图应用于产品形，奈视觉观感创新的方法。讨论了新溉 念化产品形态的实现方法和流程。 快餐店座椅设计的应用实例 将面向形| 奈的产品创新设计方法成功地应用于快餐店座椅设计中，取得了 令人满意的效果。 关键词；产品形态设计；创新设计；t r i z ；创新思维；认知心理学 l l m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e l it i n g s u p e r v i s o ry a n gs u i x i a n a b s t r a c t f o r md e s i g ni so n eo ft h em a i na r e a so fi n d u s t r i a ld e s i g n b a s e do nt h em o d e m d e s i g np r i n c i p l e ，f o r md e s i g ns h o u i dp a ym o r ea t t e n t i o nt op e o p l e sf e e l i n g t h e d i r e c th u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ef o r mi sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti np r o d u c tf o r m d e s i g n i ft h ep r o d u c tf o r mc a l lg e td e e pp s y c h i ca n dc u l t u r a lm e a n i n g ，t h ep r o d u c t s b r a n dv a l u ew i l lb ei m p r o v e d ，a n dt h e nt h ec o m p e t e n c yo ft h ep r o d u c tw i l lb e i m p r o v e d p r o d u c ti n n o v a t i v ed e s i g ni sh o ti nm o d e r nd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o dr e s e a r c h a tc u r r e n t , m o s to fr e s e a r c h e so nc r e a t i v ed e s i g ne m p h a s i z et os o l v ep r o b l e m si n t e c h n i c a l s y s t e m ，a n dt h ep h y s i c a la n dp s y c h o l o g i c a lr e q u i r e m e n t sa r eo f t e n n e g l e c t e d ，s u c ha su s i n gc o n v e n i e n t l y , u s i n gh a p p y , u s i n gc o m f o r t a b l ya n ds oo n h o w e v e r , t h e s er e q u i r e m e n t sa r ei m p o r t a n ti np e o p l e - o r i e n t e dd e s i g n ，f o r m o r i e n t e d i n n o v a t i v ep r o d u c td e s i g ni sau s e r - o r i e n t e df o r md e s i g nm e t h o & i nw h i c ht h e a p p r o p r i a t ec r e a t i v ea p p r o a c h e sc a nb ec h o s e nb ya n a l y z i n gt h eu s e r s p h y s i c a la n d p s y c h o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s ，a n dt h e nt h em o r ep l e a s a n tp r o d u c tf o r mc a nb e d e s i g n e d t h em e t h o do fp r o d u c tf o r mi n n o v a t i v ed e s i g nh a sb e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s t h em a i nw o r k sa n dr e s u l t sa l el i s t e db e l o w s t u d yo nt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r so ff o r mi n n o v a t i o nd e s i g n i i i ! ! ! ! 旦叁兰竺! 堂丝丝竺一 b a s e do nc o g n i t i v ep s y c h o l o g ya n dd e s i g nm e t h o d o l o g y , t h ec r e a t i v ep r o c e s so f p r o d u c tf o r md e s i g ni sa n a l y z e dd e e p l y t h em a i n f a c t o r sh a v eb e e nd i s c u s s e dw h i c h w i l li n f u e n c et h ef o r mi n n o v a t i o nd e s i g n t h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa r et h i n k i n g i n e n i a n u m e r o u sd e s i g n r e s o u r c e sa n d s u b j e c t i v i t y o fi n n o v a t i v ef o r m d e s i g n t h e r e p r e s e n t a t i o n si nt h ec r e a t i v ep r o c e s so f t h ei n f l u e n c ef a c t o r sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l a sw e l l t h o s ew o r k sa r et h ef o u n d a t i o no f t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k s s t u d yo nt h em e t h o do fi n n o v a t i v ep r o d u c tf o r md e s i g nb a s e do nc o g n i t i v e p s y c h o l o g y a c c o r d i n gt ot h ev i e wo fc o g n i t i v ep s y c h o l o g y ，t h ed e s i g np r o c e s si sac r e a t i v e c o g n i t i v ep r o c e s s b a s e du p o nt h i so p i n i o n ，t h ec r e a t i v ec o g n i t i v ep r o c e s so fp r o d u c t f o r md e s i g ni sa n a l y z e d ，a n das y s t e m a t i cc r e a t i v ed e s i g nm e t h o di sp r o p o s e db a s e d o nt h ep r o b l e m s p a c et h e o r y c o n s i d e r i n gt h em o d u l a rc h a r a c t e r i s t i co fc o g n i t i v e s y s t e m ，t h ec r e a t i v et h i n k i n gc h a i nc o m p o s e do fm a n yd i f f e r e n tt h i n k i n gb l o c k i n g si s e s t a b l i s h e d t h et h i n k i n gb l o c k i n g sa r ei n d e p e n d e n tc r e a t i v ec e l l so fc r e a t i v e t h i n k i n gc h a i ns e p a r a t e l y , a n dt h ed i f f e r e n tc o m b i n a t i o no f t h o s eb l o c k i n g sw i l lb r i n g d i f f e r e n to u t c o m e s t u d yo nt h em e t h o do f i n n o v a t i v ep r o d u c tf o r md e s i g nb a s e do n t r i z i ti sd i s c u s s e dt h a tt h ef e a s i b i l i t yo fu t i l i z i n gt r i zt of i n i s ht h ei n n o v a t i v ef o r m d e s i g n s i no r d e r t or e d u c et h es u b j e c t i v i t yo fp r o d u c tf o r md e s i g n ，p r o d u c t i n n o v a t i v ef o r md e s i g ni sd i v i d e di n t ot w od i f f e r e n ta s p e c t s ，t h ef o r mf u n c t i o n a l i t y i n n o v a t i o na n dt h ev i s u a li m p r e s s i o ni n n o v a t i o n a na p p r o a c ht oi m p l e m e n tt h ef o r m f u n c t i o n a l i t yi n n o v a t i o nh a sb e e np u tf o r w a r db yu s i n gt h ec o n f l i c tm a t r i x r e s e a r c ho nt h ef o r m o r i e n t e di n n o v a t i v ep r o d u c td e s i g nt e c h n i q u e w i t ht h ei n t e g r a t i o no fs y s t e m a t i cd e s i g np r o c e s sa n dd i v e r s et h i n k i n g ， f o r m - o r i e n t e di n n o v a t i v ep r o d u c td e s i g nt e c h n i q u ei sp u tf o r w a r df o rp r o d u c tf o r m i n n o v a t i v ed e s i g n t h ed e s i g np r o c e s si se s t a b l i s h e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l t h e h o qt o o li sa p p l i e dt oa n a l y z ed e s i g nr e s o u r c e ，t h eh o qf a c e do np r o d u c tf o r m d e s i g ni ss e tu p t h em e t h o dt od e t e r m i n et h ef o r mf o c u sb yu s i n gt h eh o q t o o li s d i s c u s s e d b o t ht h ec o n n i c tm a t r i xt o o la n dt h ef e et o o la r ea p p l i e dt of i n i s ht h e f o r mf u n c t i o n a l i t yi n n o v a t i o n t h ei m p l e m e n tp r o c e s si sp u tf o r w a r da n d 虻l i s c u s s e d l v v 第1 章概论 1 1引言 第1 章概论 企业参与市场竞争的核心是产品，企业赖以生存和发展的基础是产品，市 场竞争归根结底是产品的竞争“1 。一个企业能否快速开发出适应市场需求的产 品，成为决定该企业能否获得持久市场竞争力的关键嘲 创新已越来越受到人们的关注，不仅是设计方法学理论研究中的热点，更 在企业生产、管理以及市场销售领域内引起了广泛的重视，其中一些成熟的创 新设计方法和创新思维更是被广泛应用在企业运作中，并取得了良好的效果。 在现有产品的基础上，进行形态的创新改型设计或功能的改进设计，是加快产 品发展速度，提高产品革新能力的有效手段。 形态是产品最直观的价值体现，良好的外观造型不仅可以传达产品本身的 价值，还可以映射企业文化和经营理念。面向形态的产品改型设计，可以以较 小的成本换取相对高的利润空间，争取到市场上更多的潜在用户群，对企业的 不断发展和快速提升企业的公众形象是非常有利的。因此，面向形态的产品创 新设计研究将有助于缩短新产品开发周期，有助于提升企业竞争力、增强企业 发展动力。 1 2 产品设计概述 1 2 1 产品形态设计过程与特点 ( 1 ) 产品形态设计的过程 产品形态设计是一个涉及多学科的复杂系统问题，与科学知识、认知方式、 实时信息、地域文化、流行时尚等密切相关。形态设计是一个融合了多领域知 识的创新系统。 以创新为目的的形态设计包括两个重要过程，一是由设计要求和必要的设 计信息出发，通过推理、判断、想象、联想等创新思考方法以及一些有效的创 新工具，来完成的形态创意；二是在综合考虑制造技术、工艺、成本等现实条 四川大学硕士学位论文 件的基础上，运用各种创新工具来解决创新形态产品化过程中出现的种种问题， 以实现产品最终的整体优化。 在“以功能为主导”的传统产品设计中，形态设计零散地包含在设计过程 中，对形态的创新思考只停留于简单的外观修饰。然而，成功的产品形态不仅 仅是外在的美观优雅，还具有符合人体工学的操作使用参数，以及具有通过产 品语义学所传达出的方便安全等特性。图i 所示的形态设计过程将形态创意与 新形态产品化截然分开，在形态创意过程中，回避复杂的技术参数，单纯从人 ( 使用者、生产者、销售者等与产品直接相关的人) 的角度分析形态创新的方 向和内容，通过创新思考最大限度地挖掘产品形态的创新元素。在新形态产品 化的过程中，专门针对新形态的实现进行创造性思考，解决批量生产中可能面 对的问题，以保证新形态的最终实现。这样的设计过程从产品形态创新出发， 提供了创新思考的空间，将实现过程放在形态创新思考之后，更有利于创造出 新颖独特的产品形态。这种设计过程也适用于成熟产品的改型设计。 ( 2 ) 形态设计并不是简单意义上的装饰，而是贯穿产品设计整个过程的创造性 图1形态设计的基本过程 活动。产品设计是一个系统化的信息知识的整合过程，其中的形态设计涉及人 的主观美感，既包括将视觉审美和谐地融于产品之中，也包括建立产品与用户 之间的情感交流，通过形态的独特表现令产品功能更适用、更易用。产品形态 设计的基本过程有如下特点： 产品形态设计是发散的形象思维与严谨的逻辑思维相互激励融合的过 程。 产品形态设计是将产品美观舒适性与其功能、技术要素合理统一的过程。 2 一信识| l 求一一的知| i 要一一要和| | 计一嚣 第l 章概论 产品形态设计的目的是使产品整体性能最优，并在此基础上协调各部分 之间的比例参数。产品形态设计涉及多领域问题的求解和融合，是创造性思考 以及多种创新工具综合应用的过程。 1 2 2 产品形态设计发展概况 最初的形态设计称之为“造物设计”，为满足人类自身生存和发展需要而制 造出的物品，这些物品设计都较为简单，大部分以自然形态为基本模式进行制 造。 中世纪前后的设计称之为“手工业设计”，这一阶段的形态设计主要服务于 贵族，受贵族高贵、尊荣的观念影响，奢华和雕琢是这一时期手工业形态设计 的主要特征，设计相当于装饰的代名词。尽管采用木材和石材作为主要材料， 但镀金，镶嵌宝石、银饰等豪华的装饰手段被用在几乎所有的手工业品制造上。 这一时期的形态设计也被称之为“工艺性设计思潮”，认为装饰性远比实用性和 结构来得重要。1 7 、1 8 世纪的巴洛克、洛可可设计将这种富丽堂皇、繁琐矫饰 的装饰性设计风格发展到前所未有的高度，从这一时期的壁画、器皿上都可以 看出这一点。 1 8 世纪英国的工业革命正式将人类带入了以机械化和社会大分工为主要特 征的工业时代。从这时开始，才有了所谓的“工业设计”。包豪斯的出现标志着 “工业设计”作为一个独立学科的存在。包豪斯打破了装饰美学与实用荚学之 间的对立伽，创造了工业时代的形态设计特点机器美学，以形态和表面的纯 净、观念和意义的清晰为设计理想，几乎完全抛弃了传统装饰，以直线取代复 杂的曲线，以源自数学的几何形取代面向自然的肌理纹样，讲究实用、简洁和 自由，弱化民族特点和地域差别“。其风格简洁朴素、结构严谨、讲究材料的实 用性。这也就是后来被称为功能主义的设计风格。这一时期包豪斯的系列钢管 椅，以及1 8 5 1 年为伦敦第一届博览会而建的展览馆“水晶宫”都是这一时期的 代表性作品。 随着计算机技术、微电子技术和信息技术的飞速发展，以计算机辅助设计 为标志的“后工业设计”随之出现，使设计方式发生了根本性变化，不仅体现 在计算机绘图代替手工绘图，快速原型技术代替油泥模型，利用虚拟现实技术 四jr l 大学硕t 学位论文 进行产品仿真演示等，更重要是由此建立起了一种并行结构的设计系统，将设 计、工程分析、制造三位一体优化集成于一个系统，使不同专业的人员能及时 相互反馈信息，大大缩短了开发周期，保证了设计和制造的高质量。 伴随材料科学的迅速发展，塑料的出现为形态设计提供了极大的创作空间， 产品形态的设计风格开始趋向于呈圆弧的有机形，色彩鲜明，细部处理变得硬 朗清晰，柔和细腻的表面肌理，干净利落的平面转换等特殊处理效果都达到了 非常精致的程度“1 。 此外，随着人们对赖以生存的环境状态的密切关注，以可持续发展为核心 内容的“绿色设计”已经受到人们的广泛关注。 1 2 3 传统产品形态设计及其优缺点 传统形态设计以起源于包豪斯的“形态跟随功能”的设计理念，和“功能 跟随形态”的设计理念为典型代表。 ( 1 ) “形式跟随功能”的设计理念 1 9 世纪末，美国建筑师l o u i ss u l l i v a n 提出了“形态跟随功能”设计理念， 后来成为德国包豪斯所倡导的设计哲学，这种认为外观、形状、使用方式应来 源于特定功能目标的设计思路被产品设计师作为形态设计的基本原则“1 ，并广泛 流行于整个后工业时代。“形态跟随功能”的设计思路认为“功能”既是产品形 态设计的依据，也是形态设计的目的，“好的功能就是好的形式”】。产品设计 应该适应工业化生产，高效率加工的要求，剔除多余的附加装饰。“形态跟随功 能”的设计理念是机械化大生产的必然要求，也在工业时代前期获得了极大的 成功。 “形式跟随功能”还引发了后期包豪斯所倡导的“功能主义”，其主要观念 认为，“有用物品的美是由其材料和结构的实效来决定的”。这一时期出现了大 量简单纯粹的几何体造型，从贝伦斯设计的一系列产品中可以看出功能主义的 设计风格外观简洁，摈弃了附加的装饰元素，图2 所示的产品是“功能决 定形式”的代表作品。 “形态跟随功能”以及后来的“功能主义”设计理念都广泛地采用几何化 造型语言”1 ，通过不同几何形之间的分割、组合和变化而获得的，这种抽象的几 4 第1 章概论 何化造型语言是将建筑、美术、雕塑和手工艺等多种造型艺术整合融会而建立 起来的，由此而获得的形态可以完全融入产品结构之中，并与产品功能紧密相 图2“功能主义”代表作品：贝伦斯的设计 a a e g 制造工厂b 电动钟表c 电风扇 连，完全满足了以功能为核心的现代主义设计观的要求。 ( 2 ) “功能跟随形态”的设计理念 “功能跟随形态”设计理念的典型代表是美国加州理工学院的天体物理学教 授f 茨维基提出的建立在系统概念基础之上的“形态分析法”他将产品系统 分解为几个具有一定结构或功能的形态特征的部分，每个形态特征可以作为解 决问题的一个参量和特征。而各个形态特征又有许多表现形式或具体方案，彼 此之间又可以任意组合，每种组合就是一种解决问题的方案。 “功能跟随形态”的设计理念实际上是反求设计或再设计，将产品形态看作 一个整体，以功能的实现作为设计的最终目的，通过对各部分形态特征的分析 而最终获得产品设计的整体解决方案，茨维基正是利用这种方法在短期内成功 地解决了火箭制造领域中的问题”1 ( 3 ) 优缺点分析 不论是“形态跟随功能”还是“功能跟随形态”都以实现技术功能为目的。 不同的是前者直接从功能入手，整个产品设计围绕功能的实现展开，其中的形 态设计只是在产品概念形成之后的简单装饰，而后者则从形态特征入手，对现 有或常规模式进行分析，并思考更为合理的解决方案。“形态跟随功能”的设计 s 四川大学硕士学位论文 理念强调功能技术的实现，弱化外观造型的美感要求，而几何构成的外观造型 完全适应了当时大规模机械化生产的要求，也刨造出大量千篇一律的实用主义 产品。“功能跟随形态”的设计理念基于系统化概念，根据产品各部分形态特征 对功能技术的实现方式进行改进，从而实现产品整体从功能到外观的和谐完善， 其中的形态设计不是单纯的装饰，而是在整体优化前提下的视觉表现。“形态跟 随功能”的设计理念以产品的功能技术为中心，忽视了用户的使用性及情感需 求，“功能跟随形态”则使设计师有可能更多地考虑用户需求，令产品更人性化， 实现“以人为本”的现代设计理念。这两种传统设计理念的优缺点对比如表l 。 表1两种传统设计思路特点对比 比较因素。形态跟随功能”的设计思想。功能跟随形态”的设计思想 从实现产品功能的角度出发，分析产品的外部形态应该反映其内部的结 设计思想设计要求，整合各种设计要素。形 构和功能，因此从产品的整体外观出 态设计成为单纯的装饰设计，并尽发分析其中备部分形态特征，由此反 可能减少纯美学目的的装饰。求产品功能的实现方式。 以实现技术功能为目的，技术化的同样以实现产品功能为目的。但由整 设计目的设计理念抑制了产品外观的视觉美 体形态出发的设计方法兼顾了整体外 学表现。观的和谐统一。 造型美学抽象的几何化造型语言，利用不同 系统化的设计思路以整体的和谐与美 法则 几何形之间的分割，组合和变化进感为形态设计的原则。 行形态设计。 设计结果单纯实用的外形风格。甚至是僵硬更美观合理的外形特征，同时更和谐 死板的线条 地配合功能技术要求 针对功能的实现要求寻求实用的问从形态特征出发的反求设计思路拓展 创新性题解决方法，缺乏新意的常规模式。 了创新思考的空间，有利f 多角度全 面的发散思考。 以产品功能为中心，容易忽视来自从形态特征入手，关注用户的使用心 人体工学 用户的使用要求。理和期望。在实现功能的同时，满足 用户的使用及情感需求。 有效性 适合全新产品的设计开发。对产品的改进犁设计或者再设计。 产品设计是关于信息知识处理的复杂的系统化工程。这里涉及的信息和知识 大体可以分为两类：实现功能必须具备的技术要素，包括技术参数、安全要 求、生产条件等；与用户直接相关的形态要素，包括使用的方便性、美观的 造型、有时代感的色彩等。简单地说。就是功能的关联信息和形态的关联信息。 产品设计的最终目的是取悦用户，在此基础上整合功能和形态两方面的设 6 第1 章概论 计要素j 能设计出优秀的产品。通过更人性化的使用操作方式和更富表现力的 造型色彩能使产品更切合用户的期望，币是形念设计所专注的问题，是产品形 态创新设计要解决的问题。 1 2 4 产品形态创新设计的研究现状 1 2 4 1 基于计算机的产品形态设计 计算机绝不仅仅作为一种工具介入设计过程中，更重要的足为设计师提供 了支持创新思考的平台，计算机支持下的创新系统在产品概念设计前期有效地 支持设计师的创新思考以及方案的评估。 数字化时代的产品设计特征主要体现在：传统设计工具已基本上被数字 化设计工具所取代，基于特征的参数化建摸不仅方便设计师进行产品外观造型 的表达，更实现了产品设计与制造的一体化；产品语义学、人体工学方面的 ， 深入研究令产品更宜人；利用神经网络和遗传算法来生成产品的色彩与造型 并加以评估，尽管其中一些模糊判断因素尚不成熟，但这种模糊因子数字化的 方式对于计算机创新系统有非常重要的意义；以计算机和网络技术为基础的 7 网络化协同设计提供了更高效合理的设计方法。 计算机辅助设计已基本上取代了传统的图纸设计，通过计算机不仅可以构 建出理想的产品造型，还可以利用先进的渲染技术进行真实感表达，生成二维+ 一。 效果图或三维动画束展示产品各部分的细节。虚拟现实建模技术支持用户在虚 拟环境下对新产品外形、功能进行全方位考察，实现了产品设计过程的动态交 互和智能感知9 1 。 狭义的计算机辅助设计分为两部分：建模和渲染。通过这两个过程设计师 可以快速有效地将产品造型及结构表现出来。基于特征的参数化造型是目前应 用最广泛的三维建模技术。基于特征的参数化造型技术通过基本尺寸参数及其 与实体之间的约束关系来创建或调整造型，方便设计师对产品造型的精确修改 和完善，并能够在最终产品上保留各功能形索的原始定义和相互依赖关系，用 统一的新产品模型代替了传统设计中成套的图纸和技术文档o ”，实现了设计与 生产之l 日j 的一体化。设计中被广泛应用的主流软件p r o e 、s o l i d w o r k s 等都是 基于特征的参数化设计软件。 7 过人机交互的方式人为控制搜索方向，这是传统优化方法无法实现的”。h i l l 和t a y l o r d 利用遗传算法束抽取几何原始图形，为2 维图形解释提取几何原型“”， 在此基础上，用于外形设计的一般解析曲面重构方法被建立，该方法利用遗传 算法和人工神经网络从某个具体曲面得到离散的数据集，然后掘此重构一般的 复杂曲面。遗传算法在外观造型的创新设计方面也得到了越来越广泛的应用， 基于遗传算法的进化设计系统可以生成无数极富创新性的建筑造型“，遗传 镰1 章概论 算法并结合c a d 可视化技术可以帮助设计师产生很多新颖独特的产品外观造 型”，尽管目前利用遗传算法只能生成较为简单的产品造型，但生成的方案在 创新性方面很有价值。 遗传算法作为一种计算机优化算法，在产品形态设计方面最直接的应用是： 利用从同系列产品中提取的形态特征，通过遗传算法生成大量具有这些必要特 征的产品形态。生成的形态大多是随机任意组合的，具有很强的创新性。此外， 遗传算法可以在生成的设计方案中保留某些被汪明是成功的或是用户明确要求 的形念特征，并以此为标准对设计方案进行模糊评估和选择。 ( 2 ) 利用模糊神经网络( n n ) 处理形态设计中的大量主观信息 模糊神经网络集语占计算、逻辑推理、分却式处理和非线性动力学为一体 恤1 ，能够较好地逼近任意复杂的非线性系统，具有良好的学习能力，采用并行 方式处理信息，运行速度快。目前在产品设计中，利用模糊神经网络对评测目 拓繁多，目标之间关系复杂的产品设计系统进行综合评估，取得了令人意想不 到的良好效果。”。基于模糊神经网络的自适应漠糊推理系统被用束评估产品设 计中非线性的主观信息也非常有效，已经在织物风格的评价中得到印证”“。模 糊神经网络在产品生命周期设计过程中也得到了很好的应用矧。 模糊神经网络是人工智能的基础，通过这种过程未知的“黑箱式”的信息 处理模式，计算机可以模仿人脑的认知模式柬处理主观的不确定的信息和知识。 形态设计是产品设计过程中主观性最强的部分，其中涉及到认知心理、风格、 美感评价等主观要素，如何将这些主观要素有所取舍地融入现实产品之中是形 态设计的关键，而模糊神经网络的非逻辑处理信息方式可以有效地解决这一问 题。利用模糊神经网络以及人工智能来整合形态设计中的主观信息和用户的认 知心理，有助于形态设计过程的系统化，并可以利用计算机束对复杂多变的主 观信息进行加工和处理。 ( 3 ) 基于知识库的创新平台研究 基于知识的创新平台主要研究如何利用领域知识进行设计，以及知识表示、 获取等，如号家系统，c b r 系统、学习系统等在设计中的应用，以及基于计算机 的创新软件的研究。现有的二维、三维c a d 系统实际上只是绘图工具，真正的 计算机辅助设计是以计算机为平台支持产品设计全过程，包括在最仞的概念设 计阶段都由计算机支持生成更多更具有独创性的创意方案。近年来，工程设计 9 四人学坝 。学位论史 | 口j 题已经由传统的数掘资料密集型转化为知识信息密集型4 ，基于知识层次的 创新设计可以借助设计知识和规范化的范例，柬引导设计师捕捉更多设计意图， 获得更多没计灵感。与此同时，随着人工智能的不断发展，通过将人工智能的 思想、方法和技术引入c a d 系统中束实现产品智能化设计的智能c a d 出现， 建立支持产品概念设计创新的基于知识库的创新平台成为可能。 目前，多数较为成熟的计算机辅助创新软件都以发明问题解决理论t r i z 为 核心原理而开发的。美国i q c 公司开发了基于知识的创新工具 i m c t e c h o p t i m i z e r 以t r i z 理论为基础，结合现代设计方法学、o f d 和价值工 程、计算机辅助技术、多学科领域知识，分析解决新产品开发过程中遇到的技术 难题，为产品研发创新提供实时的指导，实现产品和工艺创新。亿维讯公司丌发 的创新软件p r o i n n o v a t o r 是发明问题解决理论t r i z 、本体论、现代设计方法 学、自然语言处理技术与计算机软件技术相结合的产物”1 ，对产品创新设计过 程中所需的知识、工具、市场提供了全面支持，以帮助设计师在概念设计阶段 进行创新思考以及刨新设计方案的生成。此外，除了以t r i z 为核心原理的计算 机辅助创新软件之外，还有很多其他模式的创新平台，例如，同足荚国i q c 公 司丌发的g o l d f i r ei n n o v a t o r 是以d f s s ( 六西格玛设计) 为核心，以t r i z a r i z 为工具的完整的实现计算机辅助创新的新产品丌发环境”1 ，其中内嵌有超过 9 0 0 0 条各个领域的科学原理，外挂全球7 0 多个专利库，并与全球3 0 0 0 多个专 业网站实时相连，包罗万象的知识库为设计师提供了一个功能强大、使用方便 的创新平台。 专门针对形态设计的创新平台尚未成熟，但对于技术创新理论和创新工具 对产品设计支持方式的深入研究，同样有助于设计师对产品形态的创新思考， 为产品形念的创新设计提供了重要的理论基础。 1 2 4 3 形态创新设计理论的研究 ( 1 ) 基于产品语义学的创新设计研究。 基于“产品形念应该易于传达其功能”这一理念“3 ，1 9 8 3 年美国的克罩彭 多夫( k k r i p p e n d o r f ) 、德国的柿特教授( r b u t t e r ) 明确提出了产品语义 学的概念，并由荚国工业设计师协会给出了定义：产品语义学足研究人造物的 麓i 帝概论 形态在使用情形下的象征特性，并将此应用于设计之中3 。随着产品语义学领 域的应用和研究不断深入，现代设计理论突破了传统的将人的因索都归入人体 工学的简单作法，而是将设计冈素深入至人的心理、精神因素”。 基于形念语义学的创新设计是一种用户导向型设计，产品语义设计最著名 的口号是“使机器容易懂”o ”，其目的足使产品更加适应人的理解和使用过程。 形惫的语义表达帮助设计师分析、评价、整合新产品形态中的非参数化信息， 建立“以人为本”的设计理念，在产品操作或使用界面上创造曼符合人生理和 心理的形念特征。 产品语义学在设计方法方面的应用主要体现在通过语义表达令产品更适用 更易用( 面向人机工学的语义表达) ，以及透过产品语义学传达产品精神层面的 内涵( 面向感知觉的语义表达) 。 面向人机工学的语义表达包括m 1 ：对形状的语义表达。对方向的语义 表达。对状态的语义表达。对判断的语义表达。对操作使用方法的语义 表达。由此令产品形态更明确地传达出产品功能、使用方式等人机工学方面的 信息。面向人机工学的语义设计已被广泛应用于产品设计中，明确合理的语义 表达在很多产品使用界面上的应用都取得了良好的效果。 产品语义学不仅要清晰地表达方便用户使用和安全操作的各种信息，更要 在感性的精神层面传达产品的情感内涵，其中包括产品的风格，企业文化及历 史和为取悦用户而创造的情感倾向。这些内容的语义表达与视知觉、认知心理 密切相关，被称为产品形态的感知觉语义。产品形态的感知觉语义包括以下内 容“：具有空问感觉的形态语义。具有运动感觉的形念语义。具有生命 知觉特征的形态语义。 掘有时尚性的形态语义。感知情感的形态语义。 社会论理性情感的形态语义。| j i 三方面的语义表达使形态传达出产品的风格品 质，后两方面的语义使形态传达出产品的人性化和亲和力。形态设计的目的是 如何设计出令人快乐的产品，怎样的产品属性能够激起用户的正面情绪以及如 何通过产品造型唤起这样的情绪1 。 色彩语义学通过对人们生理、心理、风俗习惯和时代特点等因素的全面分 析，进行色彩设计，利用不同色彩传达功能、结构、操作使用方法等产品信息。 产品语义学还为产品造型设计标准化和个性化的研究提供了理论基础”1 ，界定 了唯一性和排他性的特点，在被认可的成为标准的形态特征与新颖独特的形态 叫川夫学垧 学位论文 j i i 程模型j 关 主的i i 设计师i 户t g 从j l i 以工程j 括发放j ，形态1 两部分 发散思 思考， 法，产 良好的 特征之问找到了平衡。基于产品语义学以及视觉形象集成的形态设计过 也已见锥形1 。产品设计语义学是信息时代产品设计和实践领域最引人 思潮之一，产品语义学是沟通设计师与用户之间的桥梁，通过产品语义 明确传达出了功能、色彩含义、设计理念以及使用方式等产品信息，用 中获得了更安全易用的产品形态特征。 ( 2 ) 形态创新设计方法的研究 产品创新设计方法的研究主要包括基于心理学的创造性思维方法和 技术发展规律为对象的发明问题解决理论。对于形念创新设计而言，包 形象的创新思考和对形态要素系统逻辑的整合两方面的创新内容。因此 创新设计方法由基于认知心理学的创新思维方法以及系统化的创新理论 构成。 创造性思维方法着重研究人的思维方法，强调打破思维定势，通过 考产生创新概念，例如：头脑风暴韬1 、水平思维1 ”方法都从不同的角度 克服心理定势对创造性思维的约束和抑制，强调想象力和非逻辑思维方 生多个创新概念。但应用于技术系统和产品创新设计时，缺乏系统性和 可操作性，效率较低。 专门解决技术系统创新问题的发明问题解决理论t r i z ( t h e o r yo fi n v e n t i v e p r o b l e ms o l v i n g ) 、创造性模扳c t ( c r e a t i v i t yt e m p l a t e s ) 等以技术创新中存在 的解决问题一般规律为基础，通过逻辑思维，采用系统化方法，从特定的角度 定向思维，以缩小搜索空甘j 。但t r i z 和c t 主要以现有系统为研究对象，对于 现有产品的改进设计更有效，应用于新产品的丌发尚有不足。对于产品形念创 新设计而言，这种系统化的设计方法能够大大降低形态创新的盲目性，提高形 态创新的效率，但一般的发明原理规律在某种程度上也阻碍了想象与联想的发 散思考。 形态设计是产品设计的重要组成部分，形念创新设计需要综合发散的创造 性思维与系统化创新方法两方面的技巧。以系统化的创新设计流程作为创新思 考的方向，其中利用创造性思维方法进行创新思考，这样有助于降低创造性思 维发散的无序和盲目性，提高形态创新设计的效率。 鲭l 章概论 1 3 课题来源与本文主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题以国家自然科学基合资助项目“产品刨新设计的创造力模型及关键 属性研究”( 5 0 4 7 5 1 7 2 ) 为背景，课题从工程技术和产品设计的角度，结合认知 科学和心理学、信息技术和计算机技术，研究影响产品创新设计的各种因素， 从而建立支持产品创新设计的创造力模型；对创造力模型的关键属性进行研究， 提出提高产品刨新设计的方向和有效方法：在此基础上，建立产品创新设计的 人机交互创造性思维方法，研究利用知识和信息对创造性思维激发的方法，研 究知识与思维、心理学和技术系统、想象力和问题求解效率之间的关系和矛盾， 从而建立一个计算机辅助产品创新设计系统结构并开发一个软件原型系统。 对于创新设计理论及工具的研究，国内外许多研究者从不同的研究角度出 发，提出了很多有效的创新方法，大致分为三类”：第一类是以领域知识为中 心，侧重于研究知识的获取、表示以及在设计中的应用的基于知识的设计方法 “。”1 ，如专家系统，学习系统等。第二类足以设计过程本身为中心，着眼于解决 具体设计问题的系统化产品创新设计方法”1 ，如t r i z 、创造性模扳、公理设 计等：第三类是以心理学为中心，辅助设计者进行发散思考以产生多种方案。 这些方法已经广泛地在产品创新设计的应用中起了重要的指导作用。 产品形念的创新设计是产品创新的重要组成部分，其中不仅涉及到系统化 设计方法的构架，还包括发散的创造性思维的具体应用，如何将二者有机地结 合，改变传统形态设计中创新思考的盲目性，提高创新效率足形念创新设计的 关键。 1 3 2 本文的主要研究内容 形念设计是实现“人性化”设计要求的重要内容，在对形态创新设计的研 究过程中，分析并突破产品形态设计过程中的创新障碍是产品形念创新设计系 统化方法研究的第一步。本文通过对产品形态设计过程及特点的深入分析，概 括出产品形态创新的主要障碍，并详细阐述了这些影响因素在形态创新设计过 程中的具体表现，在此基础上提出了三种面向形态的产品创新设计方法，以实 阳川大学硕i 学位论戈 现“人性化设计”的设计理念和要求。本文的研究工作主要包括以下几方面： ( 1 ) 影响形念创新设计的主要因素研究 现代产品形念设计中的创新不仅是抽象的、发散的思考过程，更是一种系 统化的设计方法，对产品形态设计的主要内容及特点的分析是深入了解其创新 障碍的基础。产品形态