基于知识的产品创新设计

基于知识的产品创新设计

创新是公司生存和可持续发展的内在动力。任何公司的可持续发展都必须基于创新。企业创新是以产品创新为核心。产品创新需要更多的跨学科知识结构、更复杂的技术支撑和更完善的创新理论。然而,产品设计人员往往受专业领域的限制,使他们无法掌握和运用其他科技领域的知识。知识库(KnowledgeBase)是知识工程中结构化,易操作,易利用,有组织的知识集群,是针对某一(或某些)问题求解的需要,采用某种(或若干)知识表示方式在计算机存储器中存储、组织、管理和使用的互相联系的知识片集合。通过构建产品设计知识库,归纳整合产品设计过程中的知识,为设计人员提供丰富、广泛的知识,激发设计的创造思维,提高设计质量。目前,研究人员对产品设计知识库做了大量的研究,并取得了一定的成果。但这些研究对产品创新设计帮助有限,这是因为:(1)知识库的内容单一,仅能用于某类产品的设计或设计的某个阶段;(2)产品创新需要多领域、多学科的知识;(3)各种设计知识之间是存在相互联系的,知识之间进行组合、叠加、综合等操作之后才发挥新作用。针对以上问题,文中研究支持产品创新设计的知识库。通过对产品设计过程分析,确定了知识库的知识对象;采用了3层结构——概念词典、基本知识库和专题知识库来组织知识。构建产品设计的概念词典,建立了概念之间的联系;构建各子知识库之间及各知识单元之间的联系,形成知识网络;以问题为中心,将各相关知识进行整合形成专题知识库,以提高知识的查询和应用效率。1产品知识1.1产品创新设计过程模型设计是从市场需求映射(求解)至产品(设计解)的过程。通常,设计被划分为几个不同的阶段:需求分析、概念设计、技术设计和详细设计。在确定任务之后,通过抽象,拟定功能结构,寻求适当的作用原理及其组合等,确定出基本求解途径,得出求解方案,这一过程就称为概念设计。概念设计是产品方案设计的过程,是最具创造性的阶段,体现了产品创新的最重要、最大的价值部分。因此,概念设计成为设计理论研究中的焦点。悉尼大学的Gero提出了概念设计的功能-行为-结构(Function-Behavior-Structure,FBS)模型。功能(Function)来源于用户的主观意愿,是主观角度对行为的抽象,是产品最终的目的。行为(Behavior)是状态随着时间的变化序列,反映了产品的动态特性,对于联接功能和结构扮演着一个重要的角色,它由物理现象决定。结构(Structure)描述了产品的结构组件、结构组件的属性,以及它们之间的连接。基于FBS的概念设计是由产品功能映射为产品行为,再由行为映射到产品结构,最终生成产品的概念模型。图1是基于FBS的设计过程模型。产品设计包含两个问题:设计方法与设计知识。设计方法是产品设计的工具,而知识是设计方法的加工对象。谢友柏院士在多篇文章中指出:现代设计以知识为基础,以知识获取为中心。TRIZ理论认为:产品创新设计所依据的科学原理往往属于其他领域。产品设计不仅要利用行业内的知识,更要充分挖掘和利用其他领域的知识。1.2设计知识类专业知识产品设计过程中需要用大量不同的领域知识。为了便于对设计知识进行管理和组织,文中将其分成3类:第1类是科学原理知识,包括物理、化学、几何、生物和美学等基本原理,以及工程实践中的典型应用,可把它们归为基本知识;第2类是专业领域知识,如产品设计实例。第3类是集成类知识,如来自各国的专利库的专利信息,以及各类发明创造。图2是设计知识在设计各阶段的应用。文中提出的知识库包含了科学原理知识、设计实例知识和专利知识:(1)科学原理知识用于产品概念方案生成阶段,提供实现功能的原理解。来源于各个领域的科学原理知识,可以帮助设计人员开拓思维,获得更多的解决方案。(2)设计实例保存了以往设计经验知识,可以用于设计的全过程,包括功能建模、行为构造和结构设计等阶段。(3)专利知识来源于各领域的设计专利,专利知识包含了丰富、新颖的知识,有科学原理的新应用,新的设计思维等。专利知识可以在设计的各个阶段中使用,帮助激发思维。2rss振兴数据库培养ss知识表达的目的是把人类的知识进行逻辑表示,采用有效的数据结构,物理地表示并存储到计算机中,以便灵活地操作所存储的知识。文中采用面向对象思想建立知识表达模型,并应用XML实现知识表达。XML是一种描述型的标记语言,与HTML同为SGML(标准通用标记语言)的一种应用。XML文件是数据的集合,它是自描述的、可交换的,能够以树型或图形结构描述数据。XML文件本身是文本文件,结构严谨,是存储所有数据类型的极佳载体。因此,作为知识库的载体是很自然的。XML在处理文档方面可以达到的自动化程度与处理数据库所能达到的程度相同,从这个意义上来说,XML文件不像普通文档,反而更像数据库。这种文档应用于知识库系统中就是知识库。XML是保存信息的结构化载体,XML定义了一个框架结构,可以用它来创建解决方案。XML文档元素内容的颗粒度大小适中,非常适用于表示知识内容,特别是知识的搜索。用XML来描述知识,首先用文档类型定义(DTD)描述知识结构,即XML文档数据结构;然后再用XML文档建立知识库。DTD规定了XML文档数据的逻辑结构,并定义了XML文档中的元素、属性及其关系。通过定义一个DTD文件可以保证XML文档的结构良好性,使XML文档具有良好的共享性。确定了知识库的内容和知识的表达方法后,可以开始构建知识库。3知识体系的构建3.1基本信息库与知识来源设计知识的知识内容多且杂,需要对知识进行组织,以便于知识的管理及快速准确地查询到知识。文中将产品设计知识分为3层来组织:第1层是概念词典;第2层是基本知识库;第3层是专题知识库(如图3所示)。概念词典是一个以概念及概念之间关系为基本内容的知识库。概念词典的内容包括产品设计中所涉及的各类概念的定义(如“功能”、“分离物质”、“流”、“物质”等概念),以及概念之间关系(如“流”与“物质”、“分离”与“功能”的关系)。基本知识库由各种知识资源组成,又根据其知识来源具体分成:设计实例库,科学效应库和专利知识库。设计实例库存储产品的实例知识,主要是设计实例的概念信息,如功能结构、设计原理等。科学效应库提供各学科、领域的科学原理及原理应用实例。专利知识库存储了相关产品或技术的专利信息。专题知识库是由各个专题的知识资源构成,其内容是依据专题的知识结构来确定知识范畴和层次。专题知识库的内容是从概念词典和基本知识库中抽取出来的。知识库的层与层之间,以及各层的内部都是相互联系的。图4示出各知识库之间的联系。概念词典中对基本知识库中出现的概念,以及概念间的关系进行了定义,如对功能的定义及功能的分类。概念词典可以帮助描述基本知识库中的知识,如科学效应知识可以依据功能来分类组织。基本知识库中的各类知识之间也存在关联,如在设计实例中使用了某个科学效应,参考了某个专利或设计实例。专题知识库以问题为中心,从概念词典和基本知识库中查找出相关的知识,建立知识索引,形成专题资源。对知识库中的知识进行分层和分类,便于对知识进行管理;建立各层和各库之间的联系,将零散的知识形成知识网络或知识体,便于知识的应用。3.2建立产品概念网络体系概念是指对事物本质特征抽象概括的表征,人类认知结构和认知过程的重要组成部分。从某种角度看,概念是人类头脑中关于世界知识中的类别知识,它具有分类功能、推理功能、联结功能和系统功能。通过分类功能,把事物归类到一定的类别,一方面便于知识的组织与管理,另外从类别知识中获得该事物的更多知识。推理功能是通过对事物进行归类、提取相关知识后,对该事物进行解释和判断。联结功能是独立的概念单元通过各种关系而联结起来,形成更加复杂的概念和概念体系,构成一个概念语义网络。系统功能是指在具有相同知识背景(某一个系统)的情况下,人们对同一概念具有相同的理解,使得人们可以通过概念进行交流。构建概念词典的工作包括:(1)构建概念树,确定基本概念及概念的关系;(2)概念知识的计算机表达,实现概念知识的存储。文中采用“自顶向下”的方法建立产品创新设计领域的概念树。首先,从产品设计领域中抽取出专业术语,建立一个术语表;然后,从术语表中挑选最常用术语来表示概念,并按照层次关系建立概念的树形结构,形成概念树。图5示出产品设计概念树的一部分。在概念树的基础上进行概念的同义词扩展。通常一个概念会有多个表达词汇。同一概念的不同表达方式给知识的共享带来不便,容易产生歧义。通过建立同义词表,可以帮助消除这些知识共享的障碍。概念词典的DTD如下:在概念词典的XML文档中,只有一个根结点(conceptDB),根结点有子节点(concept)。节点(concept)描述了概念树中的所有节点,(concept)又包括子节点(name,definition,synonym,relation)。节点(name)描述概念名称,节点(definition)描述概念的定义。概念树中节点之间父子关系通过节点(relation)来描述,节点(synonym)用于描述概念的同义词。概念词典的XML文档如下:3.3基础存储基本信息层是由各种知识资源组成,又根据其知识来源具体分成:设计实例库,科学效应库和专利知识库。3.3.1基于fbs的实例知识产品是多种知识综合的成果,产品知识是多种知识综合形成的新知识。产品知识包含设计理论和设计方法的应用、产品的功能原理、结构等知识。通过借鉴已有产品知识,能够为新的设计提供很大的帮助,吸取成功的设计元素、规避设计风险。设计实例知识又可以按FBS模型分解成:功能知识、行为知识和结构知识。功能结构是产品总功能通过功能分解形成的总功能和各级子功能构成的功能层次树。行为结构描述了功能是如何实现的,表现为问题的解决策略。物理结构是功能的最终实现载体,也是行为的执行载体,表现为问题的最终解决方案。产品实例知识由4个XML文档保存,分别为设计实例、功能模型、行为模型和结构模型。设计实例文档用于保存实例的基本信息,包括产品名称、编号、产品的说明等。功能模型、行为模型和结构模型分别描述了设计实例的功能知识、行为知识和结构知识。这4个文档之间通过知识的编号(如产品编号)来建立连接。3.3.2学科知识背景科学效应库打破了不同行业或学科之间的界限,包括了物理、化学、几何、生物、电子、机械等各个学科的基本原理。科学效应库存储的各学科原理知识弥补设计师的知识领域广度不足,帮助设计师获得更大的设计求解空间,得到更多的设计方案;为得到最优解创造了条件,也为获得创造性设计方案提供了基础。在知识库中,科学原理知识的内容包括:原理的详细描述、原理的参数和公式、应用原理的前提条件、原理能够实现的功能、原理所能具有的行为、应用原理的典型物理结构、应用原理的约束以及特点、原理的参考内容和应用原理的相关产品。3.3.3triz分级专利信息的重要性专利知识是对来自世界各国专利库中的专利信息进行一定的整理得到的。专利文献是专利活动的完整记录,它能够反映各个技术领域中技术活动的现状,又能够用来研究某个特定技术领域技术活动的发展史。专利信息内容新颖、广泛;分类系统、详尽,实用性强;出版迅速,时效性强。由于专利信息的量非常大,并且不是每个专利都有很大的参考和应用价值。所以,应该对专利信息进行加工整理,以提高专利知识的应用效率。在进行专利信息分析时,首先依据TRIZ的分级方法将专利分级,再根据这些级别对专利信息进行详细或简单地分析。对于低级别的专利,简单记录下相关信息即可;对于高级别的专利信息,由于引入的新技术、新原理或解决了原有系统的冲突,所以应该从创新的角度进行详细的分析,包括技术分析和经济分析。专利分析的内容包括:此专利前的技术状况(产品系统的构成、应用的原理、存在的冲突),专利引入的新原理或新技术,专利解决的冲突。经过分析整理得到的专利知识是产品创新设计的重要知识来源。3.3.4抽样知识问题情境专题知识库是由各个专题的知识资源构成的,其内容也是依据专题的知识结构来确定知识范畴和层次。专题知识库将各类基本知识抽取出来,放置到某个问题情境(专题),一方面让抽象的、模糊的各类基本知识体现出具体的效用,让人对知识有更为直观的理解;另一方面,可以方便设计人员检索和使用某个专题的知识,而不用重复地在各个库中查找,从而提高检索效率。专题知识的内容包括专题的描述(问题描述),相关知识项(从概念层和基本知识层抽取出来索引信息,如知识的编号)。专题知识的DTD描述:4基于知识的设计实例库产品设计的一般过程是,设计人员首先把用户需求表示为功能;然后对功能进行反复分解为一些可以解决的子功能,最终这些功能和子功能形成了设计的功能模型;随后,设计人员对各子功能进行求解,得到实现功能的原理解,即行为模型;最后,再将原理解转化为实现功能的物理结构,即结构模型,也就是设计的概念方案。在整个设计过程中设计人员需要用到大量的各类知识,而知识库的作用就是提供了所需的知识,从而有力地保证了设计的进行,如图6所示。在设计的最初阶段,运用概念词典定义的功能名词来描述产品的功能,保证了设计过程中建立的概念模型可读性和共享性。在总功能分解为简单的子功能时,设计实例库可以为设计人员提供功能分解实例,帮助设计人员建立产品的功能模型。功能映射到行为的过程中,科学效应库帮助设计人员寻找到功能实现的原理;设计实例库和专利库为设计人员提供了映射实例,帮助设计人员建立产品的行为模型。行为映射到结构过程中,设计实例库和专利知识库提供了实现行为的物理结构实例。在整个设计过程中,知识库给设计人员提供了有力的帮助。设计实例和专利知识为设计人员提供设计参考。设计人员可以在这些设计实例的基础上扬长避短,进行创新设计。另外,不限专业领域的科学效应知识,可以拓展设计师的思维空间,寻找到更多的实现功能的原理或方法,增大了实现创新设计的可能性。而知识库的知识组织方式,有利于设计知识的查找和应用,从而使知识库最大限度地支持产品的创新设计。5库-应用的实现和应用5.1基于用户层和数据层面向产品创新设计的知识库系统总体设计采用3层体系结构(如图7所示):数据层、功能层和用户层。用户层是知识库提供给用户的操作接口,让用户可以方便地使用知识库;功能层主要实现知识库的各种功能,包括知识查询、获取、更新、维护等功能;数据层保存知识库的知识数据,可以通过应用程序接口(JDOM)对数据库(XML文档)进行操作。应用Java技术和XML技术构建了知识库系统原型。5.2查询和检索流程设定用户可以通过知识库提供的知识分类目录来浏览知识,也可以通过检索工具来检索知识,还可以通过知识链接浏览相关知识。知识库为用户提供多种知识检索工具,包括初级检索和高级检索。初级检索是直接将用户输入的检索词作为关键字检索知识。高级检索是基于概念词典的检索方式,它包括:(1)概念同义词检索:对于给定的查询关键词,依据概念表,找到其所有同义概念,并将它作为关键词进行信息搜索;(2)概念外延扩展检索:对提交的检索关键词,检索概念表,得到其子概念、父概念和兄弟概念,然后将它们作为关键词搜索知识库。知识库通过建立知识的关联,将各孤立的知识单元链接起来,形成知识链接。如在科学效应库中,将能实现同样功能的效应关联起来,形成“相似实例”的知识链接。在查询知识时,知识库提供给用户详细的知识内容,还有知识链接。通过知识链接,用户可以浏览到知识对象的相关知识,从而帮助设计人员拓展知识面。知识库使用流程(如图8所示)如下:(1)选择知识库:根据用户的需要,在知识库导航栏中选择相应的子库作为知识检索的范围;(2)选择检索方式:检索方式包括初级检索或高级检索;(3)输入检索条件:包括检索逻辑、检索字段,检索词;(4)执行检索:检索得到一个知识对象的列表,用户再选择相应的知识对象查看信息;(5)查看知识对象:知识对象的信息包括了知识的详细信息及知识链接信息(如图9所示)。5.3led手电的概念方案设计某公司要设计一种新型手电筒,从而改变传统手电筒市场低迷的状况。首先对设计问题进行分析,可以将该问题扩大化为:(1)设计一种照明工具;(2)该工具便于携带。在明确了设计目标之后,可以应用知识库系统查询专利知识、设计实例以及专题知识,了解设计问题的相关技术背景。通过查询了解到许多与手电相关的技术专利,如:伸缩式手电筒(专利号:98110681.1)、太阳能充电/照明两用手电(专利号:88107235.4)、聚光与升压手电筒(专利号:02148480.5)等。从这些专利可以发现,手电创新设