基于组合原理的概念创新设计

1、计算机辅助设计与图形学学报 JOURNAL OF COMPUTER-AIDEDDESIGN& COMPUTER GRAPHICS1999年第3期No.31999基于组合原理的概念创新设计孙守迁包恩伟潘云鹤关键词创新设计,概念设计,组合原理,计算机辅助概念设计中图法分类号TP391.72CREATIVE DESIGN BASED ON COMBINATION PRINCIPLEFOR CONCEPTUAL DESIGNSUN Shou-Qian BAO En-Wei PAN Yun-He(State Key Laboratory. of CAD & CG, Zhejiang University

2、, Hangzhou 310027 (Computer Science and Engineering Department, Zhejiang University, Hangzhou 310027AbstractThe research on creative design is a focused problem on the field of advanced manufacturing and automation in resent years. And the conceptual design is the key phase for the product creativit

3、y. Nowadays, the research on creative design and conceptual design still lies in preliminary phase. This paper analyzes the creative thinking and all kinds of creative methods during the process of conceptual design, and develops a new method of creative design for conceptual design, which based on

4、combination principle. The detail realizing technologies are also elaborated. Finally, the paper introduces a creative design toolkit in our product conceptual design systemPCDS I.Key wordscreative design, conceptual design, combination, CACD1引言以知识为基础的新产品竞争是21世纪全球化制造环境下企业技术竞争的核心.一个新产品在功能、原理、布局、形状、结构

5、、人机操作、色彩、材质、工艺等任一方面的创新,都会直接影响产品的整体特性,影响产品的最终质量和市场竞争力.所谓创新性,是指对过去经验和知识的分解组合,使之实现新的功用.创新性是评在产品设计过程中,创新性表现最为集中、最为突出的阶段是产品的概念设计阶段.实践表明,产品创新主要来自概念设计阶段所涉及的功能、原理、形态、布局和结构等方面的创新.从产品创新的角度看,概念设计过程本质上就是一个产品的创新过程. 目前,关于产品创新原理、创新设计技术等的研究已成为先进制造与自动化技术领域的热点问题.在创新过程中,设计师的创造性思维、设计经验以及领域知识等内容处于相当重要的地位.因而,不少学者从人工智能角度出

6、发,进行创新技术的研究.目前,主要体现在对创新原理1-2、创新过程的描述模型3和计算模型4-7等建模技术的研究上.在产品概念设计领域,计算机辅助概念设计(Computer Aided Conceptual Design, CACD的研究已处于逐步深入的阶段,一些大型的CAD/CAM/CAE商品化软件如PTC/Engineer、EDS Unigraphics等都提供了面向概念设计的工业设计模块或草图设计模块.然而,关于概念设计过程创新技术的研究却未见有系统性的探讨.究其原因,主要在于设计过程中创造性思维所具有的独立性、连动性、多面性、跨越性、综合性等特性,加上概念设计过程本身的复杂性,以及客观条

7、件的局限性等原因,因而难以研制成功一套有效的、系统的创新设计工具.本文从计算机辅助的角度,通过深入分析和总结概念设计过程中的各类创新技法,在组件特征建模技术8的基础上,提出了一种基于组合原理的产品创新技术,并以此为基础开发了一套CACD系统中的辅助创新设计工具.2产品创新的组合原理2.1组合原理的基本概念M1,则称为复合切割.组合类型基本含义组合模式外 部 组 合自身基于产品功能、原理、布局、形态、结构、等方面的简单的、外在的低级组合方式,技术难度较 低. 非同类 同类内 部 组 合自身基于产品功能、原理、布局、形态结构等方面的复杂的、内在高级组合方式,技 术难度较高. 非同类 同类组合的目的

8、是实现产品的创新或优化.通过切割和组合,调整产品组成结构的诸要素,使其具有一个更加高效、合理的结构,以优化或增加产品的功能,从而实现产品在某一或某些方面的创新.综上所述,组合原理就是通过对产品的基本信息特征进行切割与组合操作,以实现产品创新的原理和方法.2.2基于组合原理的创新方法依据切割组合的简繁、难易程度,可把基于组合原理的创新方法分为3大层次,如图1所示 .图1基于组合原理的创新方法的3个层次 基于基本信息特征层次的创新方法这是最为简单的创新方法.切割组合的意义在于从信息特征出发,对产品进行切割,得到所需信息特征,然后按一定规则进行组合、归约、变异等操作,求得产品创新.常见的信息交合、形

9、态分析、组合创新等技法都是这一层次的方法. 基于知识和实例层次的创新方法这一层次主要是借助设计知识、规范实例等相对较为抽象、隐性的信息,进行产品的创新设计.切割组合的意义在于针对产品原有的信息特征,依据设计知识,对实例中的关联信息特征进行借鉴和引用,以求得产品创新.常见的联想推理法、类比推理法、差别交换法、置换法、仿生创造法都属于这一层次. 基于经验和思维层次的创新方法这一层次主要是借助设计师的经验,通过创造性思维来变革知识或信息,产生飞跃性的创见或设想,从而对构成产品的信息特征产生本质的变化,开发出具有创新性的产品.这一层次上的切割组合是思维上的切割组合,是切割组合的最高层次.2.3切割组合

10、创新方法的实现从创新方法的第1层次看,切割组合是单元化、模块化思想的延伸与拓展.其实现途径相对较为简单;从第2层次看,切割组合的思想来自对象选例、约束联想、抽象逆反、分解综合等4类设计求解模式.其实现途径主要是一些推理求解或构思激励工具;第3层次的切割组合主要依靠创造性思维的飞跃,目前计算机还难以对其实行有效地辅助. 基于上述认识,将文献8中组件特征模型的内涵加以拓展,形成了如图2所示的信息特征模型的框架结构. 图2基于组合的信息特征模型架结构从图中可看到,产品模型和过程模型都是基于组件特征模型.信息特征表达模型不仅能描述组件特征模型中的几何、工程、布局3类特征,同时也支持功能、原理、结构等较

11、为抽象的特征表达;信息特征过程模型则在组件特征操作模型的基础上增加了切割操作、组合操作和推理求解3个模块.这3个模块通过一个公共的信息转化、交换接口进行相互间的信息交流.3概念创新设计技术3.1概念设计中的组合创新完整意义上的CACD可定义为产品早期设计阶段,在CAD系统支持下进行产品创新设计的过程,包括了产品在功能、原理、布局、形态和结构等5个方面的创新活动.因而概念设计中的组合创新可归结为5个方面的创新.其中,功能组合创新是将各种相互关联的功能信息特征进行有机组合.原理组合创新一般是从功能要求出发,通过技术分析,寻求不同功能在原理上的可组合性,从而实现原理重组.布局组合创新是指按功能进行切

12、割组合,划分为不同类型的布局模式,然后通过布局的空间排列、配置方式和尺度变化等三要素8的变化来实现产品创新.形态组合创新主要是指对经过原理方案实体化后的初始产品形态,在遵循基本形态法则的基础上,对形状、色彩、材质等方面进行切割组合操作.结构组合创新主要是指在概念设计后期,对经过初步结构化的设计方案实行结构信息特征的切割重组.结构组合创新的对象不仅包含各个结构特征自身,同时对各特征之间的连接关系、控制关系等也可进行结构重组.上述5个方面的组合创新,虽然相对独立,但在实际创新过程中,往往相互依赖、互相影响.某一类信息特征的创新往往影响另外的信息特征,从而带动其他方面的创新.3.2关键技术及实现方法

13、图3描述了概念设计系统中组合创新工具的体系结构.分析图2,3,可归纳出概念创新设计的关键技术及其实现方法. 图3概念设计系统中组合创新工具的体系结构(1产品建模技术.在组件特征模型基础上,建立基于产品级的信息特征表达模型和操作模型;(2创新设计技术.建立基于组合原理的5个创新设计模块,并以信息特征模型为公共接口;(3智能支持技术.建立分布式的智能支持体系结构,可独立地、并行地实现对设计过程中人机交互、设计操作、辅助创新、评价检验等环节的支持;(4协同设计技术.建立基于双层黑板(Double-level Black Board的多Agent协同机制,以更加符合实际的设计情形;(5集成设计技术.主

14、要包含建立集成的信息环境和集成的设计环境2个内容.4PCDS中的创新工具包PCDS(Product Conceptual Design System I是一个基于PC平台的产品概念设计实验系统.目前,PCDS中加入了基于组合原理和信息特征模型的创新工具包.图4是上述产品在PCDS I创新工具包中对应的实体方案布局组合展示情况.其中,左上角是方案的三维实时显示窗口,右上角是组合方案的展示平台;左下角是纹理库,右下角是基本的信息特征库.关于工具包的详细情况,由于篇幅有限,将另文予以介绍. 图4布局特征数为3的产品布局排列配置形式5结论产品创新设计技术的研究,已愈来愈受到学者的关注.关于产品创新原理

15、、创新方法以及创新设计等内容都是有待于作进一步深入研究的课题.同时,作为产品创新主要阶段的概念设计过程的研究,已有相当程度的发展.这2个研究方向是密切相关、不可分割的.本文提出的基于组合原理的概念设计创新技术正是将两者进行有机结合的一次尝试. 图5PCDSI创新工具包随着产品的整体设计模式朝着数字化、集成化、网络化、智能化的方向发展,未来的设计系统必然是以人为核心的人机一体化智能集成体系9.而产品创新设计、概念设计作为设计过程的重要组成部分,也必须融入这一集成体系,而不能走孤立的发展方向.本文得到浙江省自然科学基金(No.696059和国家“八六三”项目(No.CIMS 511-04-0129

16、的资助.作者简介:孙守迁,1963年8月生,副研究员、博士,主要研究方向为CAID、概念设计、CAD/CAM.潘云鹤,教授、博士生导师、院士,主要研究方向为人工智能、创新设计、智能CAD.包恩伟,硕士研究生,主要研究方向为创新设计、CAID、CACD.作者单位:孙守迁包恩伟潘云鹤(浙江大学CAD & CG国家重点实验室杭州310027(浙江大学计算机系杭州310027参考文献1Gero J S. Design and creativity.In:Dartnall T,eds, AI and Creativity,Dordrecht: Kluwer, 1994.259-2672Richard C

17、. Creativity as commonplace. Design Studies, 1997,18(2:135-1413Nigel C. Descriptive models of creative design: Application to an example. Design Studies, 1997,18(4:427-4394Gero J S. Computational models of creative design process.In:Dartnall T eds.AI and Creativity.Dordrecht:Kluwer, 1994.269-2815Ale

18、m L, Maher M L. A model of creative design using a genetic metaphor.In:Dartnall Teds. Artificial Intelligence and Creativity: An Interdisciplinary Approach.Dordrecht:Kluwer, 1994. 281-2916Maher M L, et al.Assessing computational methods with a framework for creative design processes, Preprints Compu

19、tational Models of Creative Design.Sydney:University of Sydney, 1995, 233-2657Gero J S. Recent advances in computational models of creative design. In:Pahl P, Werner H eds, Computing in Civil and Building Engineering. Rotterdam: Balkema,1995.21-308Sun Shou-Qian, Bao En-Wei, Pan Yun-He. Component fea

20、ture model for product layout design. Journal of Computer Aided-Design & Computer Graphics, 1999,11(1: 21-25 (孙守迁, 包恩伟, 潘云鹤. 面向产品布局设计的组件特征模型. 计算机辅助设计与图形学学报. 1999,11(1:21-259Lu Yong-Xiang. Developing trend and future of engineering design. Chinese Mechanical Engineering, 1997,33(1:1-8(路甬祥. 工程设计的发展趋势和

21、未来. 机械工程学报, 1997,33(1:1-8修改稿收到日期:1998-12-25. 基于组合原理的概念创新设计作者:孙守迁, 包恩伟, 潘云鹤, SUN Shou-Qian, BAO En-Wei, PAN Yun-He作者单位:孙守迁,潘云鹤,BAO En-Wei,PAN Yun-He(浙江大学CAD & CG国家重点实验室,杭州,310027, 包恩伟,SUN Shou-Qian(浙江大学计算机系,杭州,310027刊名: 计算机辅助设计与图形学学报英文刊名:JOURNAL OF COMPUTER-AIDED DESIGN & COMPUTER GRAPHICS年,卷(期:1999(

22、3被引用次数:57次参考文献(9条1.路甬祥工程设计的发展趋势和未来 1997(012.孙守迁;包恩伟;潘云鹤面向产品布局设计的组件特征模型期刊论文-计算机辅助设计与图形学学报 1999(013.Gero J S Recent advances in computational models of creative design 19954.Maher M L Assessing computational methods with a framework for creative design processes, Preprints Computational Models of Crea

23、tive Design 19955.Alem L;Maher M L A model of creative design using a genetic metaphor 19946.Gero J S Computational models of creative design process 19947.Nigel C Descriptive models of creative design:Application to an example 1997(048.Richard C Creativity as commonplace外文期刊 1997(029.Gero J S Design and creativity 1994本文读者也读过(3条2.檀润华产品创新设计若干问题研究进展期刊论文-机械工程学报2003,39(9引证文献(57条5.家电创新设计系统的研究期刊论文-机电产品开发与创新 2009(518.麦小锋创造性思维的可拓空间理论及其应用研究学位论文硕士 200621.LI Li-min.TANG Wen-xian.FANG Ming