面向产品创新的概念设计技术研究 - 文章

面向产品创新的概念设计技术研究

作者：包恩伟孙守迁潘云鹤

欢迎访问e展厅
展厅 2	工业设计/产品设计展厅产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ...

引言

产品概念设计是设计过程的初始阶段，其目标是获得产品的基本形式或形状。广义上的概念设计（如图1所示）是指从产品的需求分析之后，到详细设计之前这一阶段的设计过程。它主要包括功能设计、原理设计、布局设计、形状设计和初步的结构设计等五部分。这几个部分虽存在一定的阶段性和相互独立性，但在实际的设计过程中，由于设计类型的不同，往往具有侧重性，而且互相依赖，相互影响。

图1 概念设计的定义

概念设计是产品整个设计过程中一个非常重要的阶段。这一阶段的工作高度地体现了设计的艺术性、创造性、综合性以及设计师的经验性。实践表明，一旦概念设计被确定，产品设计的60％－70％也就被确定了；然而，概念设计阶段所花费的成本和时间在总的开发成本和设计周期中占的比例通常都在20％以下。

当前，由于工业产品由传统的机械产品向机电一体化产品、电子产品方向发展，市场竞争日趋激烈，消费观念不断变化，从而导致一个产品的功能已不再是消费者决定购买的最主要因素。产品的创新性、外观造型、宜人性等因素愈来愈受到重视，在竞争中占据着突出地位。这种趋势促使企业在着手进行新产品开发时把面向产品的创新性、外观造型、人机工程学的设计提到一个新的高度，从而也迫切要求对产品概念设计的研究能有进一步的突破，以提高产品的设计水平和市场竞争力。

1．概念设计的研究现状

概念设计在产品的整个设计开发过程有着无可替代的作用。因而，对这一过程的研究一直以来都是CAD／CAM、CIMS等领域的热点。特别是近年来，随着计算机图形学、虚拟现实、敏捷设计、多媒体等技术的发展和CAD／CAM应用的深入，产品概念设计的研究也有了新的进展。

从工程设计的研究角度，概念设计包括了产品的功能设计、原理设计、方案设计及初步的结构设计等内容。不少学者从工程设计学出发，提出了层次概念设计模型、工程设计概念模型、基于功率键图的概念设计等概念设计建模方法。

从工业设计的研究角度，概念设计主要是指考虑功能、结构、人机工程以及制造等因素在内的产品外观形态的设计。不少学者从产品设计方法学出发，提出了造型文法、色彩文法、形状文法等产品概念设计原理、原则与方法。

另外，从技术的应用角度，有学者从智能辅助的角度提出了基于多层推理机制的概念设计、概念设计专家系统等概念设计方法和机制；也有学者从虚拟现实的应用角度提出了基于虚拟界面的概念形状设计、基于多通道用户界面的概念设计等等。

从上述现状可看到：对概念设计的认识和研究目前还处于一个分离的局面。从工程设计角度进行的研究往往以产品的功能原理为出发点，将概念设计看成是功能原理方案的草图实现过程，而计算机辅助概念设计（Computer Aided Conceptual Design，以下简称CACD）则是提供一个产品的草图绘制和三维重建工具。因而很少从概念设计本身和设计思维的角度进行研究；从工业设计角度进行研究的学者则往往从产品的外观造型出发，他们擅长设计理论，但不了解计算机的辅助能力。因而其理论很难通过程序形式加以实现。

另外，当前一些大型CAD／CAM／CAE商品化软件系统如Unigraphics、Pro/Engineer等也提供了概念设计／工业设计模块，其设计结果能直接传递给系统中其他模块进行后续设计。但根本的问题在于：

① 这些模块提供的基本上是一个在设计方案基本定型之后的概念化／草图化绘图工具而非设计工具。它缺乏设计方法学的支持；

② 整个模块基本上没有体现概念设计的设计过程，设计流程没能从概念设计师的角度出发，与设计思维不能很好融合；

③ 这些模块没有从产品的创新性着眼，难以体现概念设计过程中的创新设计。

事实上，从设计方法学的角度看，概念设计包含了功能设计与形式设计两大部分。但由于种种历史的原因，一个统一的设计工作被分离为功能设计与形式设计两个侧面，分别由不同领域的设计师承担工作。功能设计师即工程设计师，形式设计师即工业设计师（如图2所示）。

图2 概念设计的统一

当前，产品设计与制造朝着数字化、网络化、集成化的方向发展，同时随着并行设计、协同设计、全生命周期工程设计（Life-Cycle Engineering Design）思想的逐步深入和运用，产品的概念设计也必将走向统一化，最终形成一个既相互分工又紧密合作的并行式协同设计过程。

2．概念设计中的产品创新

在概念设计阶段，产品各要素处于一种抽象、模糊的离散状态。这种状态既导致了设计的复杂性，同时也导致了产品的可塑性，给设计师提供了一个广阔的设计思维空间。而到设计后期或制造阶段，则要考虑到各种客观情形如产品的材料、工艺、成本等，从而大大约束了创意思维的发挥，使得产品的创新难以得到体现。因而概念设计阶段是产品创新最为集中的一个阶段。

作者把概念设计中的产品创新归结为功能、原理、布局、形状以及结构等五个方面的创新。

● 功能创新

功能创新主要依赖于市场需求的分析结果。在传统的设计过程中，主要靠人工来完成。随着信息技术的进一步发展，特别是数据库、信息管理、人工智能等技术的深入应用，最终必将使计算机在辅助产品功能创新中发挥其巨大的作用。

● 原理创新

原理创新一般是从产品的功能要求出发，通过技术分析，寻求产品创新的过程。这种方法主要是把复杂的设计要求通过功能关系的分析抽象为简单的模式，以便寻求能满足设计对象主要功能关系的原理方案。传统上，常用简图或示意图来表示所构思的内容。而计算机辅助的原理创新工具则有形态学、协同学的求解工具以及基于原型、事例等的联想类比求解工具等。这些工具的实现很大程度上依赖于网络化设计、协同化设计以及智能设计等领域的进展程度。

● 布局创新

布局创新主要是指对整个产品按功能进行分解或组合，从而划分为若干个组件单元，然后通过产品布局的空间排列、配置方式和尺度变化等三要素的变化来实现产品创新的过程。由于布局三要素可用数学表达方法进行形式化描述，因而完全可以通过在内部建立的数学模型的支持下实现计算机辅助的产品布局创新工具。

● 形状创新

形状创新主要是指对经过原理方案实体化后的初始产品形状，在遵循基本的形状法则的基础上，通过形状变换操作而实现产品创新的过程。其中变换操作包括了变异、置换、替代、组合等等，对象则包括产品整体、部件或部件组合。形状创新的操作机制与传统特征模型中的特征操作以及变量模型中的变量操作存在着一定的相似性。

● 结构创新

概念设计过程的结构创新主要是指概念设计后期对方案进行初步结构化过程中的产品创新过程。这一过程从产品结构的角度出发，对构成产品的各个部件进行初步结构化，以达到与后续设计的衔接，同时力示在结构上的创新性。因为在详细设计中的结构设计过程，由于受到各种约束，产品结构上的创新已难以体现。

图3描述了概念设计中五个方面的产品创新。其中，以功能创新和原理创新为主的产品设计往往是创造性设计，而以布局创新、形状创新和结构创新为主的产品设计主要是变型性设计。它们虽存在一定的相互独立性，但在实际的概念设计过程中往往相互影响，相互制约。

图3 概念设计中的产品创新

3．面向产品创新的概念设计

①面向产品创新的概念设计基本内容和要求

从创新角度看，概念设计过程本质上就是一个产品创新的过程。面向产品创新的概念设计的基本内容就是针对概念设计的五个方面的创新，在现有研究的基础上，从设计方法学和产品创新的角度出发，并结合产品设计开发模式的整体发展趋势，提出它们在概念设计过程中的实现方法，最终研制一套CACD系统和工具。

从产品创新的实现角度看，其中的功能创新和原理创新，由于涉及到众多的领域知识，信息需求量大，而且设计师的思维和经验也占了相当的比重，因而要实现这一过程，需要建立在信息集成化的基础上，有网络化的协同设计平台的支持，同时提供知识获取、信息处理的相关工具。目前，由于客观条件的种种限制，要实现上述目标尚有相当难度。

布局创新、形状创新和结构创新主要依赖于产品造型、产品结构、部件组合等因素。这些因素主要涉及到产品的三维造型技术，人机交互技术以及产品建模技术等等，而上述技术目前已发展比较成熟，因而有可能从这个角度首先得到突破。

因而，作者目前的研究重点就是以产品的布局创新、形状创新和结构创新为出发点，进行面向产品创新的概念设计研究。

面向产品创新的概念设计，首要条件是要建立在设计方法学的基础上，从设计思维出发，并体现概念设计的全过程；同时，要紧密结合计算机的自身特点，扬长避短，使设计师在计算机的辅助下能更加简捷、有效的完成设计工作。

另外，须强调的一点是产品的概念设计是面向产品级层次的，因而其产品建模技术必须建立在产品级层次上。这与传统工程设计中基于零件级层次的特征模型、变量模型有着本质区别。基于此，作者提出了产品级层次的组件特征模型。

② 面向产品创新的概念设计过程

从设计流程看，面向产品创新的概念设计过程可分为（如图4）：

图4 面向产品创新的概念设计过程

● 组件特征录入过程

这个过程实质上是需求、功能、原理等信息的实体化过程，或称产品数据的可视化过程。其目的是形成产品的初始实体。整个录入过程以组件特征为单元逐步进行。具体过程为首先输入产品的总体信息，包括几何信息与语义信息等；其次录入产品的各个初始组件特征，包括总体特征、几何特征、工程特征、布局特征等信息，特征的录入非常灵活，若设计师无法确定某些要素，完全可以省略。同时录入过程有多种形式，可直接键入、从系统组件库中选择或加以组合；也可暂时不录入，在设计过程中再加以添加或进行组件特征分解。

● 产品创新设计过程

这一过程是概念设计的核心过程，包括了以布局、形状和结构创新为主的全部概念创新过程。这一过程将提供一些常用的概念设计创新工具和产品方案的实时三维展示平台工具。设计师可根据自己经验和实际需求，选择不同的创新工具进行产品创新。整个创新过程是设计师与计算机的协作、交互过程。

● 方案评价过程

每进行一步创新，系统都将记录当前历史，并进行分析和评价，同时将满足当前要求的方案显示出来，并由设计师进行进一步的评价。系统随之响应设计师的评价和修改指令，对当前的状态和方案进行修正。

● 产品方案展示过程

设计师可对选定的单个或多个方案进行设计方案的展示，可以给展示方案添加真实感纹理、对产品组件进行进一步的精细化；可以添加各种模拟现实环境的场景；可以进行静态或动态的演示等等。

● 方案输出过程

方案输出是概念设计的最后阶段。在这一过程，产品方案可以以多种方式进行输出；可以存储成标准的文件格式，从而直接传递给后续设计过程；或根据不同的需求形成不同的概念设计效果图和报告书等等。

③面向产品创新的概念设计实现

从系统的实现角度看，要实现上述设计过程，开发一套CACD系统和工具，必须解决如下几项关键技术，如图5所示。

图5 面向产品创新的概念设计系统的支撑技术

●人机交互技术

由于概念设计整个过程都需有设计师的参与，因而设计一种符合设计思维、简捷有效的人机交互机制是本系统的一项关键技术。本系统将通过建立一套设计操作集来实现设计过程中的人机交互。

●基于组件特征模型的产品建模技术

建立有效的产品模型和过程模型是实现概念设计过程的基础。本系统将建立基于产品级层次的组件特征模型，以实现设计过程中的信息存储、转化、传递，对象表达，设计操作等等。

●产品创新技术

产品创新技术是系统的核心所在。本系统从布局创新、形状创新和结构创新的角度，建立一套集成化的辅助创新工具。设计师在这些创新工具的辅助下，可以有效地进行产品的创新设计。

●标准化的输入与输出接口技术

本系统作为一个辅助概念设计的工具，其设计结果要传递给后续设计阶段进行详细设计，因而必须具备一个标准化的输出接口；同时，本系统的输入是产品需求分析和初步的功能、原理设计方案，因而也必然要有一个标准化的输入接口。

●三维图形显示技术

系统的设计过程都基于可视化的操作界面。对概念设计来说，它重在设计的实时性、多样性、一致性，而对物体的显示精度、真实感等要求并不高。因而必须在现有研究基础上，建立一种适合概念设计的三维图形显示机制。

4．一个概念设计系统－－PCDSI

PCDS I （Product Conceptual Design System I)是目前正在开发的一个基于PC平台的面向产品创新的概念设计实验系统。它采用WINDOW95／NT、Visual C++5.0、OpenGL开发环境和工具。系统的内部数据格式采用标准化的三维数据存储格式，同时支持DXF、VRML（．WRL）文件的读写，以达到与现有的CAD软件的衔接、符合网络化、Internet的发展趋势；同时也为协同概念设计研究奠定基础。

图6是系统的总体模块构成图。本系统主要包括系统界面模块、组件录入模块、产品创新模块、组件特征操作模块、方案评价模块、方案展示模块、方案输出模块、数据库管理模块等八个模块。

图6 PCDS I系统总体模块构成

5．结论

产品创新和概念设计是一个极为复杂的过程，这一方向必将成为国内外产品设计领域的研究热点。本文主要针对现有基础，对一些问题作了基础性的研究。其中本文讲述到的几个关键技术如人机交互、创新工具、产品建模等则随着PCDS I的逐步进展，将另文予以介绍。此外，必须注意到在概念设计研究中，不能对其进行孤立探讨，而要融入产品设计的整个发展趋势。概念设计过程中的虚拟设计技术、协同设计技术、全生命周期建模技术等等都是今后要进一步深入研究的问题。

主要参考文献
1．Tushar H Dani, Rajit Gadh. Creation of concept shape designs via a virtual reality interface. Computer-Aided Design, 1997,29(8): 555-563.
2．G.帕尔，W．拜茨著．张直明等译．工程设计学学习与实践手册．北京：机械工业出版社，1992．6：35－36．
3．Newton Margulies, Anthony P.Raia. Conceptual Foundations of Organizational Development. McGraw-Hill Book Co. Newyork, 1991.
4．邵春，孙守迁，许海明．计算机支持的工程设计概念模型．计算机辅助工程， 7（1），1998：12－17．
5．檀润华，谢英俊，基于功率键图的概念设计．机械设计，1997．7：1－3．
6．庄明振，邓建国．造形溯衍模式应用与产品造形开发之探讨．工业设计（台湾），1995，24（1）：3－16．
7．Knight, T . Wdissmam. Color Grammars: The Representation of Form and Color in Design. LEONARDO. 1993, 26(2): 117-124.
8．Wallance, R. David, Jakieia, Mark J. Automated Product Concept Design: Unifying Aesthetics and Engineering. IEEE CG&A. 1993, July: 66-75.
9．邹慧君，王石刚，蔡逆水，亢金月．基于多层推理机制的机械产品概念设计，计算机辅助设计与图形学学报，1997， 9（6）：549－553．
10．陆志强，李锐，蔡建国．产品设计中的计算机辅助设计工具及其实施方法．机械设计与研究，1997． 1：37－39．
11．Chi-Cheng P Chu , Tushar H Dani, Rajit Gadh. Multi-sensory user interface for a virtualrealith-based computer-aided design system. Computer-Aided Design, 1997, 29(10): 709-725.
12．张宪荣编著．工业设计理念与方法．北京：北京理工大学出版社．1996．3：35－36．
13．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．(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/24/2006)


您的位置：首页 > 服务/培训/工业设计展区 > 工业设计/产品设计展厅 > 产品库 > 技术论文 > 正文	产品库会展人才帮助 \| 注册登录