由功能驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念方案進(jìn)化設(shè)計(jì)方法*

□ 成佳慶 □張 凱 □于 淼

四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 成都 610065

1 研究背景

概念設(shè)計(jì)主要完成產(chǎn)品創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)方案的生成、評(píng)價(jià)與選擇,是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中最能體現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新性的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)概念設(shè)計(jì)，可以開發(fā)市場(chǎng)上沒有的產(chǎn)品、壟斷性的產(chǎn)品及能夠引領(lǐng)未來(lái)市場(chǎng)消費(fèi)潮流的產(chǎn)品。在新產(chǎn)品開發(fā)流程體系中,概念設(shè)計(jì)是未來(lái)產(chǎn)品雛形的培育、擬定、規(guī)劃[1-2]。

進(jìn)化,又稱演化,在生物學(xué)中指種群中的遺傳性狀在世代之間發(fā)生變化。歷史上，國(guó)外學(xué)者Holland率先提出Evolutionary Design一詞,即進(jìn)化設(shè)計(jì)。進(jìn)化設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外研究中主要分為兩類。一類是仿照生物進(jìn)化的進(jìn)化設(shè)計(jì),從生物學(xué)的角度出發(fā)，將生物進(jìn)化的原理、過(guò)程及體系引入產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)中[3-6]。另一類是基于萃智理論的進(jìn)化設(shè)計(jì)[7-11],從設(shè)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)，將技術(shù)發(fā)展演化規(guī)律融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的過(guò)程中。其實(shí)，這兩類從本質(zhì)上而言是統(tǒng)一的，即迭代是進(jìn)化設(shè)計(jì)的內(nèi)在表現(xiàn)。

目前已經(jīng)有大量理論和方法對(duì)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，并取得豐富成果,但應(yīng)用中依然存在設(shè)計(jì)者和用戶對(duì)設(shè)計(jì)方案認(rèn)知偏差、需求模糊不定等問(wèn)題。產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過(guò)程中，缺乏設(shè)計(jì)方法與知識(shí)，無(wú)法解決方案重構(gòu)和進(jìn)化問(wèn)題,無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。基于萃智理論，與已有的定制產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法相結(jié)合,筆者提出由功能驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念方案進(jìn)化設(shè)計(jì)方法，以產(chǎn)品功能模塊為載體，通過(guò)設(shè)計(jì)意圖驅(qū)動(dòng)技術(shù)和創(chuàng)新方法迭代,按照進(jìn)化方向捕捉、進(jìn)化路線規(guī)劃、進(jìn)化設(shè)計(jì)求解的路徑,完成產(chǎn)品從初始方案到最終方案的進(jìn)化。

2 進(jìn)化設(shè)計(jì)框架

在原有產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,由功能驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念方案以產(chǎn)品功能模塊為設(shè)計(jì)載體,實(shí)現(xiàn)需求到結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)映射。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，研究有效消除設(shè)計(jì)認(rèn)知差異性和提高方案創(chuàng)新性的產(chǎn)品進(jìn)化設(shè)計(jì)方法,推動(dòng)產(chǎn)品從功能模塊結(jié)構(gòu)到整體型結(jié)構(gòu)的進(jìn)化演變,達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和創(chuàng)新性,實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)市場(chǎng),最終提高企業(yè)利潤(rùn)的目的。

進(jìn)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)流程模型如圖1所示。借鑒產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、用戶參與式設(shè)計(jì)、進(jìn)化設(shè)計(jì)等相關(guān)理論和方法,產(chǎn)品進(jìn)化設(shè)計(jì)包括進(jìn)化方向捕捉、進(jìn)化路線規(guī)劃、進(jìn)化設(shè)計(jì)求解及進(jìn)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。進(jìn)化方向捕捉是進(jìn)化設(shè)計(jì)的前期規(guī)劃,也是概念設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性的集中體現(xiàn)。進(jìn)化路線規(guī)劃、進(jìn)化設(shè)計(jì)求解、進(jìn)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)則用于在產(chǎn)品進(jìn)化方向中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的重構(gòu)進(jìn)化。在設(shè)計(jì)意圖驅(qū)動(dòng)技術(shù)、萃智理論、創(chuàng)新方法及迭代思想的作用下，通過(guò)反復(fù)迭代回溯的形式獲取用戶滿意的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方案,整個(gè)流程都是圍繞產(chǎn)品功能展開的。

▲圖1 進(jìn)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)流程模型

由功能驅(qū)動(dòng)的定制產(chǎn)品進(jìn)化設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括三個(gè)核心內(nèi)容。

(1) 進(jìn)化方向捕捉。進(jìn)化方向捕捉是定制產(chǎn)品進(jìn)化設(shè)計(jì)中其余相關(guān)工作的前提和基礎(chǔ)。分析現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中的功能模塊和市場(chǎng)中用戶的需求,采用設(shè)計(jì)意圖驅(qū)動(dòng)技術(shù)，將用戶需求意圖和設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)意圖融入產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)中,運(yùn)用交互式遺傳算法獲取滿足條件的功能設(shè)計(jì)方案,來(lái)構(gòu)建產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)而通過(guò)萃智理論中的功能進(jìn)化定律，關(guān)聯(lián)映射出功能模塊的進(jìn)化方向。從用戶需求和產(chǎn)品自身出發(fā),將產(chǎn)品功能作為進(jìn)化方向的載體,通過(guò)設(shè)計(jì)意圖驅(qū)動(dòng)技術(shù)和萃智理論來(lái)捕捉功能進(jìn)化方向集,優(yōu)化未滿足需求的功能,在一定程度上推動(dòng)產(chǎn)品的功能進(jìn)化。

(2) 進(jìn)化路線規(guī)劃。進(jìn)化路線承接進(jìn)化方向，引出進(jìn)化求解,因此，進(jìn)化路線的規(guī)劃顯得至關(guān)重要?；趥鹘y(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程,以設(shè)計(jì)問(wèn)題為規(guī)劃進(jìn)化路線的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)約束的作用下，將進(jìn)化方向映射關(guān)聯(lián)為設(shè)計(jì)問(wèn)題。根據(jù)設(shè)計(jì)方案和進(jìn)化方向之間的偏差，將設(shè)計(jì)問(wèn)題劃分為啟發(fā)型、組合型和改進(jìn)型。再將由創(chuàng)新方法和設(shè)計(jì)資源組成的設(shè)計(jì)策略與子設(shè)計(jì)問(wèn)題關(guān)聯(lián),在進(jìn)化方向中找到適合的設(shè)計(jì)策略來(lái)解決設(shè)計(jì)問(wèn)題,完成進(jìn)化路線的規(guī)劃。

(3) 進(jìn)化設(shè)計(jì)求解。設(shè)計(jì)過(guò)程中一般都在兩個(gè)甚至多個(gè)不同的空間內(nèi)搜索,具體以迭代回溯的內(nèi)在表現(xiàn)和產(chǎn)品重構(gòu)進(jìn)化的外在表現(xiàn)來(lái)呈現(xiàn)。迭代是進(jìn)化的過(guò)程,創(chuàng)新是進(jìn)化的內(nèi)核,基于規(guī)劃好的進(jìn)化設(shè)計(jì)路線,再借助問(wèn)題最大化、問(wèn)題最小化的思想,將創(chuàng)新方法與迭代設(shè)計(jì)相結(jié)合，在設(shè)計(jì)問(wèn)題空間和設(shè)計(jì)方案空間中對(duì)解集回溯，通過(guò)方法、知識(shí)等多因素相互作用而進(jìn)行不斷碰撞、放大與壓縮,將各個(gè)局部進(jìn)化或全新進(jìn)化的功能模塊集合為整體。對(duì)所生成的概念設(shè)計(jì)方案進(jìn)行回溯評(píng)價(jià)、反復(fù)改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)重構(gòu)進(jìn)化。進(jìn)化設(shè)計(jì)求解包含進(jìn)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)階段,迭代可以描述為方案生成、評(píng)價(jià)決策、迭代進(jìn)化的過(guò)程?？紤]到客戶的需求偏好，在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上提出集成狩野模型和層次分析法的模糊評(píng)價(jià)方法。

▲圖2 由功能驅(qū)動(dòng)的定制產(chǎn)品進(jìn)化設(shè)計(jì)

3 進(jìn)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

由功能驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念方案進(jìn)化設(shè)計(jì)方法，其核心內(nèi)容包括產(chǎn)品進(jìn)化方向捕捉、產(chǎn)品進(jìn)化路線規(guī)劃、產(chǎn)品進(jìn)化設(shè)計(jì)求解。為支撐整個(gè)進(jìn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，提出了產(chǎn)品進(jìn)化設(shè)計(jì)的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，如圖3所示。

▲圖3 產(chǎn)品概念方案進(jìn)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

(1) 基于設(shè)計(jì)意圖驅(qū)動(dòng)和萃智理論的進(jìn)化方向捕捉。在產(chǎn)品開發(fā)階段,為消除用戶和設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)方案的認(rèn)知偏差，獲取功能進(jìn)化的基本方向,對(duì)原產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行用戶需求獲取與分析，以及功能模塊劃分,對(duì)用戶需求和功能要素進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射,作為設(shè)計(jì)意圖驅(qū)動(dòng)模型的輸入。通過(guò)設(shè)計(jì)意圖驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)模型和交互遺傳算法,得到新產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)方案,再通過(guò)萃智理論捕捉功能模塊可能的進(jìn)化方向,為形成更好的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方案打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(2) 基于設(shè)計(jì)問(wèn)題與創(chuàng)新策略關(guān)聯(lián)的進(jìn)化路線規(guī)劃?；趯?duì)產(chǎn)品功能模塊進(jìn)化方向的特征描述,以設(shè)計(jì)約束為映射規(guī)則,形成各功能模塊的設(shè)計(jì)?；谠O(shè)計(jì)方案和進(jìn)化方向之間的偏差,將模塊設(shè)計(jì)問(wèn)題分為啟發(fā)型、組合型和改進(jìn)型,對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略與設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射,形成基于設(shè)計(jì)問(wèn)題與設(shè)計(jì)策略的進(jìn)化路線規(guī)劃,為設(shè)計(jì)者提供適合進(jìn)化方向的有效設(shè)計(jì)路線,在設(shè)計(jì)策略的指導(dǎo)下求得產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的解。

(3) 基于創(chuàng)新迭代的進(jìn)化設(shè)計(jì)求解。使用創(chuàng)新方法與設(shè)計(jì)資源集成進(jìn)行概念設(shè)計(jì)問(wèn)題求解,基于規(guī)劃好的進(jìn)化設(shè)計(jì)路線,在方案解空間和設(shè)計(jì)問(wèn)題空間中對(duì)解集進(jìn)行回溯，迭代搜索，綜合獲得各模塊多方案及最終整體設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案的重構(gòu)進(jìn)化。評(píng)價(jià)在概念設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用,構(gòu)建產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,再基于對(duì)客戶需求偏好的分析,提出集成狩野模型和層次分析法的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定方法。設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)中存在許多難以定量分析的因素,通過(guò)模糊數(shù)學(xué)使模糊信息得到定量化分析。通過(guò)以上工作完成對(duì)概念設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià),為后續(xù)方案提供改進(jìn)和迭代的方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了由功能驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念方案進(jìn)化設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了由功能驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念方案進(jìn)化設(shè)計(jì)框架,著重在功能驅(qū)動(dòng)、問(wèn)題定義、方案求解、進(jìn)化模式等方面尋求突破,使更多用戶參與到整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，并應(yīng)用基于設(shè)計(jì)意圖驅(qū)動(dòng)和萃智理論的進(jìn)化方向捕捉、基于設(shè)計(jì)問(wèn)題與創(chuàng)新策略關(guān)聯(lián)的進(jìn)化路線規(guī)劃，以及基于創(chuàng)新迭代的進(jìn)化設(shè)計(jì)求解等關(guān)鍵技術(shù)。在進(jìn)化方向捕捉中，消除設(shè)計(jì)者對(duì)用戶設(shè)計(jì)意圖驅(qū)動(dòng)和設(shè)計(jì)方案理解存在的偏差及需求模糊不定。在方案進(jìn)化求解中，運(yùn)用創(chuàng)新方法迭代形成設(shè)計(jì)方案,以適應(yīng)當(dāng)今用戶需求多樣化、市場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變、生產(chǎn)技術(shù)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀。筆者在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過(guò)程中,根據(jù)產(chǎn)品的特性,在每一階段給出對(duì)應(yīng)的方法或工具,提高了最終概念方案的科學(xué)性,驗(yàn)證進(jìn)化設(shè)計(jì)在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的可行性,同時(shí)為設(shè)計(jì)者提供了設(shè)計(jì)思路,有助于提高設(shè)計(jì)效率,對(duì)企業(yè)實(shí)施產(chǎn)品定制具有參考價(jià)值。