1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào) JOURNAL OF COMPUTER-AIDEDDESIGN& COMPUTER GRAPHICS1999年第3期No.31999基于組合原理的概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)孫守遷包恩偉潘云鶴關(guān)鍵詞創(chuàng)新設(shè)計(jì),概念設(shè)計(jì),組合原理,計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)中圖法分類號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引言以知識為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品競爭是21世紀(jì)全球化制造環(huán)境下企業(yè)技術(shù)競爭的核心.一個(gè)新產(chǎn)品在功能、原理、布局、形狀、結(jié)構(gòu)

5、、人機(jī)操作、色彩、材質(zhì)、工藝等任一方面的創(chuàng)新,都會直接影響產(chǎn)品的整體特性,影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量和市場競爭力.所謂創(chuàng)新性,是指對過去經(jīng)驗(yàn)和知識的分解組合,使之實(shí)現(xiàn)新的功用.創(chuàng)新性是評在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,創(chuàng)新性表現(xiàn)最為集中、最為突出的階段是產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段.實(shí)踐表明,產(chǎn)品創(chuàng)新主要來自概念設(shè)計(jì)階段所涉及的功能、原理、形態(tài)、布局和結(jié)構(gòu)等方面的創(chuàng)新.從產(chǎn)品創(chuàng)新的角度看,概念設(shè)計(jì)過程本質(zhì)上就是一個(gè)產(chǎn)品的創(chuàng)新過程. 目前,關(guān)于產(chǎn)品創(chuàng)新原理、創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)等的研究已成為先進(jìn)制造與自動化技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題.在創(chuàng)新過程中,設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性思維、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及領(lǐng)域知識等內(nèi)容處于相當(dāng)重要的地位.因而,不少學(xué)者從人工智能角度出

6、發(fā),進(jìn)行創(chuàng)新技術(shù)的研究.目前,主要體現(xiàn)在對創(chuàng)新原理1-2、創(chuàng)新過程的描述模型3和計(jì)算模型4-7等建模技術(shù)的研究上.在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域,計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)(Computer Aided Conceptual Design, CACD的研究已處于逐步深入的階段,一些大型的CAD/CAM/CAE商品化軟件如PTC/Engineer、EDS Unigraphics等都提供了面向概念設(shè)計(jì)的工業(yè)設(shè)計(jì)模塊或草圖設(shè)計(jì)模塊.然而,關(guān)于概念設(shè)計(jì)過程創(chuàng)新技術(shù)的研究卻未見有系統(tǒng)性的探討.究其原因,主要在于設(shè)計(jì)過程中創(chuàng)造性思維所具有的獨(dú)立性、連動性、多面性、跨越性、綜合性等特性,加上概念設(shè)計(jì)過程本身的復(fù)雜性,以及客觀條

7、件的局限性等原因,因而難以研制成功一套有效的、系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具.本文從計(jì)算機(jī)輔助的角度,通過深入分析和總結(jié)概念設(shè)計(jì)過程中的各類創(chuàng)新技法,在組件特征建模技術(shù)8的基礎(chǔ)上,提出了一種基于組合原理的產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù),并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了一套CACD系統(tǒng)中的輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具.2產(chǎn)品創(chuàng)新的組合原理2.1組合原理的基本概念M1,則稱為復(fù)合切割.組合類型基本含義組合模式外 部 組 合自身基于產(chǎn)品功能、原理、布局、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、等方面的簡單的、外在的低級組合方式,技術(shù)難度較 低. 非同類 同類內(nèi) 部 組 合自身基于產(chǎn)品功能、原理、布局、形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面的復(fù)雜的、內(nèi)在高級組合方式,技 術(shù)難度較高. 非同類 同類組合的目的

8、是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新或優(yōu)化.通過切割和組合,調(diào)整產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)的諸要素,使其具有一個(gè)更加高效、合理的結(jié)構(gòu),以優(yōu)化或增加產(chǎn)品的功能,從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在某一或某些方面的創(chuàng)新.綜上所述,組合原理就是通過對產(chǎn)品的基本信息特征進(jìn)行切割與組合操作,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的原理和方法.2.2基于組合原理的創(chuàng)新方法依據(jù)切割組合的簡繁、難易程度,可把基于組合原理的創(chuàng)新方法分為3大層次,如圖1所示 .圖1基于組合原理的創(chuàng)新方法的3個(gè)層次 基于基本信息特征層次的創(chuàng)新方法這是最為簡單的創(chuàng)新方法.切割組合的意義在于從信息特征出發(fā),對產(chǎn)品進(jìn)行切割,得到所需信息特征,然后按一定規(guī)則進(jìn)行組合、歸約、變異等操作,求得產(chǎn)品創(chuàng)新.常見的信息交合、形

9、態(tài)分析、組合創(chuàng)新等技法都是這一層次的方法. 基于知識和實(shí)例層次的創(chuàng)新方法這一層次主要是借助設(shè)計(jì)知識、規(guī)范實(shí)例等相對較為抽象、隱性的信息,進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì).切割組合的意義在于針對產(chǎn)品原有的信息特征,依據(jù)設(shè)計(jì)知識,對實(shí)例中的關(guān)聯(lián)信息特征進(jìn)行借鑒和引用,以求得產(chǎn)品創(chuàng)新.常見的聯(lián)想推理法、類比推理法、差別交換法、置換法、仿生創(chuàng)造法都屬于這一層次. 基于經(jīng)驗(yàn)和思維層次的創(chuàng)新方法這一層次主要是借助設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn),通過創(chuàng)造性思維來變革知識或信息,產(chǎn)生飛躍性的創(chuàng)見或設(shè)想,從而對構(gòu)成產(chǎn)品的信息特征產(chǎn)生本質(zhì)的變化,開發(fā)出具有創(chuàng)新性的產(chǎn)品.這一層次上的切割組合是思維上的切割組合,是切割組合的最高層次.2.3切割組合

10、創(chuàng)新方法的實(shí)現(xiàn)從創(chuàng)新方法的第1層次看,切割組合是單元化、模塊化思想的延伸與拓展.其實(shí)現(xiàn)途徑相對較為簡單;從第2層次看,切割組合的思想來自對象選例、約束聯(lián)想、抽象逆反、分解綜合等4類設(shè)計(jì)求解模式.其實(shí)現(xiàn)途徑主要是一些推理求解或構(gòu)思激勵(lì)工具;第3層次的切割組合主要依靠創(chuàng)造性思維的飛躍,目前計(jì)算機(jī)還難以對其實(shí)行有效地輔助. 基于上述認(rèn)識,將文獻(xiàn)8中組件特征模型的內(nèi)涵加以拓展,形成了如圖2所示的信息特征模型的框架結(jié)構(gòu). 圖2基于組合的信息特征模型架結(jié)構(gòu)從圖中可看到,產(chǎn)品模型和過程模型都是基于組件特征模型.信息特征表達(dá)模型不僅能描述組件特征模型中的幾何、工程、布局3類特征,同時(shí)也支持功能、原理、結(jié)構(gòu)等較

11、為抽象的特征表達(dá);信息特征過程模型則在組件特征操作模型的基礎(chǔ)上增加了切割操作、組合操作和推理求解3個(gè)模塊.這3個(gè)模塊通過一個(gè)公共的信息轉(zhuǎn)化、交換接口進(jìn)行相互間的信息交流.3概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)3.1概念設(shè)計(jì)中的組合創(chuàng)新完整意義上的CACD可定義為產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)階段,在CAD系統(tǒng)支持下進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程,包括了產(chǎn)品在功能、原理、布局、形態(tài)和結(jié)構(gòu)等5個(gè)方面的創(chuàng)新活動.因而概念設(shè)計(jì)中的組合創(chuàng)新可歸結(jié)為5個(gè)方面的創(chuàng)新.其中,功能組合創(chuàng)新是將各種相互關(guān)聯(lián)的功能信息特征進(jìn)行有機(jī)組合.原理組合創(chuàng)新一般是從功能要求出發(fā),通過技術(shù)分析,尋求不同功能在原理上的可組合性,從而實(shí)現(xiàn)原理重組.布局組合創(chuàng)新是指按功能進(jìn)行切

12、割組合,劃分為不同類型的布局模式,然后通過布局的空間排列、配置方式和尺度變化等三要素8的變化來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新.形態(tài)組合創(chuàng)新主要是指對經(jīng)過原理方案實(shí)體化后的初始產(chǎn)品形態(tài),在遵循基本形態(tài)法則的基礎(chǔ)上,對形狀、色彩、材質(zhì)等方面進(jìn)行切割組合操作.結(jié)構(gòu)組合創(chuàng)新主要是指在概念設(shè)計(jì)后期,對經(jīng)過初步結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方案實(shí)行結(jié)構(gòu)信息特征的切割重組.結(jié)構(gòu)組合創(chuàng)新的對象不僅包含各個(gè)結(jié)構(gòu)特征自身,同時(shí)對各特征之間的連接關(guān)系、控制關(guān)系等也可進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組.上述5個(gè)方面的組合創(chuàng)新,雖然相對獨(dú)立,但在實(shí)際創(chuàng)新過程中,往往相互依賴、互相影響.某一類信息特征的創(chuàng)新往往影響另外的信息特征,從而帶動其他方面的創(chuàng)新.3.2關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法

13、圖3描述了概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)中組合創(chuàng)新工具的體系結(jié)構(gòu).分析圖2,3,可歸納出概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法. 圖3概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)中組合創(chuàng)新工具的體系結(jié)構(gòu)(1產(chǎn)品建模技術(shù).在組件特征模型基礎(chǔ)上,建立基于產(chǎn)品級的信息特征表達(dá)模型和操作模型;(2創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù).建立基于組合原理的5個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊,并以信息特征模型為公共接口;(3智能支持技術(shù).建立分布式的智能支持體系結(jié)構(gòu),可獨(dú)立地、并行地實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)過程中人機(jī)交互、設(shè)計(jì)操作、輔助創(chuàng)新、評價(jià)檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)的支持;(4協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù).建立基于雙層黑板(Double-level Black Board的多Agent協(xié)同機(jī)制,以更加符合實(shí)際的設(shè)計(jì)情形;(5集成設(shè)計(jì)技術(shù).主

14、要包含建立集成的信息環(huán)境和集成的設(shè)計(jì)環(huán)境2個(gè)內(nèi)容.4PCDS中的創(chuàng)新工具包PCDS(Product Conceptual Design System I是一個(gè)基于PC平臺的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).目前,PCDS中加入了基于組合原理和信息特征模型的創(chuàng)新工具包.圖4是上述產(chǎn)品在PCDS I創(chuàng)新工具包中對應(yīng)的實(shí)體方案布局組合展示情況.其中,左上角是方案的三維實(shí)時(shí)顯示窗口,右上角是組合方案的展示平臺;左下角是紋理庫,右下角是基本的信息特征庫.關(guān)于工具包的詳細(xì)情況,由于篇幅有限,將另文予以介紹. 圖4布局特征數(shù)為3的產(chǎn)品布局排列配置形式5結(jié)論產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)的研究,已愈來愈受到學(xué)者的關(guān)注.關(guān)于產(chǎn)品創(chuàng)新原理

15、、創(chuàng)新方法以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)等內(nèi)容都是有待于作進(jìn)一步深入研究的課題.同時(shí),作為產(chǎn)品創(chuàng)新主要階段的概念設(shè)計(jì)過程的研究,已有相當(dāng)程度的發(fā)展.這2個(gè)研究方向是密切相關(guān)、不可分割的.本文提出的基于組合原理的概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新技術(shù)正是將兩者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的一次嘗試. 圖5PCDSI創(chuàng)新工具包隨著產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)模式朝著數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展,未來的設(shè)計(jì)系統(tǒng)必然是以人為核心的人機(jī)一體化智能集成體系9.而產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)過程的重要組成部分,也必須融入這一集成體系,而不能走孤立的發(fā)展方向.本文得到浙江省自然科學(xué)基金(No.696059和國家“八六三”項(xiàng)目(No.CIMS 511-04-0129

16、的資助.作者簡介:孫守遷,1963年8月生,副研究員、博士,主要研究方向?yàn)镃AID、概念設(shè)計(jì)、CAD/CAM.潘云鶴,教授、博士生導(dǎo)師、院士,主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄堋?chuàng)新設(shè)計(jì)、智能CAD.包恩偉,碩士研究生,主要研究方向?yàn)閯?chuàng)新設(shè)計(jì)、CAID、CACD.作者單位:孫守遷包恩偉潘云鶴(浙江大學(xué)CAD & CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杭州310027(浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系杭州310027參考文獻(xiàn)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 (孫守遷, 包恩偉, 潘云鶴. 面向產(chǎn)品布局設(shè)計(jì)的組件特征模型. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào). 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. 工程設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢和

21、未來. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 1997,33(1:1-8修改稿收到日期:1998-12-25. 基于組合原理的概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)作者:孫守遷, 包恩偉, 潘云鶴, SUN Shou-Qian, BAO En-Wei, PAN Yun-He作者單位:孫守遷,潘云鶴,BAO En-Wei,PAN Yun-He(浙江大學(xué)CAD & CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州,310027, 包恩偉,SUN Shou-Qian(浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系,杭州,310027刊名: 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)英文刊名:JOURNAL OF COMPUTER-AIDED DESIGN & COMPUTER GRAPHICS年,卷(期:1999(

22、3被引用次數(shù):57次參考文獻(xiàn)(9條1.路甬祥工程設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢和未來 1997(012.孫守遷;包恩偉;潘云鶴面向產(chǎn)品布局設(shè)計(jì)的組件特征模型期刊論文-計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào) 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本文讀者也讀過(3條2.檀潤華產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)若干問題研究進(jìn)展期刊論文-機(jī)械工程學(xué)報(bào)2003,39(9引證文獻(xiàn)(57條5.家電創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究期刊論文-機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新 2009(518.麥小鋒創(chuàng)造性思維的可拓空間理論及其應(yīng)用研究學(xué)位論文碩士 200621.LI Li-min.TANG Wen-xian.FANG Ming