计算机辅助创新技术(CAI)在产品设计过程中的应用研究

计算机辅助创新技术（CAI）在产品设计过程中的应用研究

摘要：详细介绍了产品的设计过程，概念设计在产品设计中的地位和特点，重点介绍了辅助创新（CAI）技术在概念设计中的应用范围，提出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。

关键词：产品设计过程、概念设计、计算机辅助创新、发明问题解决理论

0 前言

面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑战，世界各国普遍重视提高产品和工艺开发的水平，不断提升企业的核心竞争力；随着工业生产的发展，设备和产品的功能与结构日趋复杂，产品更新换代也越来越快，新产品和新工艺开发在整个企业生命周期内占有越来越重要的位置。计算机辅助创新（Computer Aided Innovation）是新产品开发中的一项关键基础技术，它是以近年来在欧美国家迅速发展的发明创造方法学(TRIZ)研究为基础，结合现代设计方法学、计算机技术、本体论等多领域科学知识综合而成的创新技术。能够充分挖掘人才与知识的潜力与价值，提高人才及企业的创新能力，缩短设计周期，提高研发效率，提高产品的创新能力，为企业创造巨大的经济价值。

1 产品设计过程

产品设计过程没有统一而严格的定义，国内外已有很多的论述，主要是由于对产品设计过程的理解不同，或者说是由于对设计的内涵认识不同和对设计的理论理解不同。一般认为，产品设计过程是一个由综合到分析的反复迭代过程，从设计任务出发，把产品设计分为需求获得、需求分析、方案设计、结构设计和详细设计五个阶段，把需求分析环节、方案设计环节和部分结构设计环节规划到概念设计阶段，而这几个环节相互独立又彼此紧密相关，如图1所示。

图1产品设计过程几个环节

需求分析是新产品开发过程中的一个前期过程，通过对企业需求、用户需求和技术需求三大方面进行分析，确定新产品的开发方向和具体要求。

设计人员在需求分析的基础上，进一步提取需求信息中有用的设计参数、技术要求及产品约束，在概念设计过程中根据这些设计参数、技术要求及产品约束形成概念产品。在产品的结构设计和详细设计阶段将概念产品的技术参数进一步具体化，并确定其生产要求、加工精度及工艺流程等。

2 概念设计在产品设计中的地位

产品设计的目的是创新产品，满足市场需要和占领更大市场。产品设计本身是创造性的劳动，设计的本质是创新。因此，创新设计是增加产品竞争力的根本途径。

在产品设计的环节中，产品的概念设计是产品设计过程中最重要、最复杂，同时又是最活跃、最具创造性的设计阶段，产品的创新及其所具有的竞争能力，基本上也是在这个设计阶段被确定下来的。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，又导致了产品的可塑性，为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，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。因此，概念设计是产品开发过程中最具创造性的阶段，好的概念设计可以为产品走向市场奠定良好的基础。

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，主要包含产品全生命周期的成本、产品的质量和性能等，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。因此，产品的概念设计阶段是产品创新性的关键阶段，对产品创新也主要集中在这一阶段。

同时我们也看到，随着以计算机技术为支柱的信息技术的不断发展，世界经济格局发生了巨大变化，逐步形成了一个统一的一体化市场，市场竞争日趋激烈。同时，工业产品由传统的机械产品向信息电子产品方向发展，技术含量不断提高，而社会的消费观念也在不断地发生变化，需求层出不穷，概念设计作为需求分析和详细设计之间的桥梁，其主导地位和重要性日益明显。国外很多大公司的产品设计部门包括：Concept Design——概念设计、Detail Design——详细设计、Manufacturing Design——制造设计。由此可见，概念设计是设计领域中的一个重要方面。

3 概念设计的定义和特点

3.1 概念设计的定义

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2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。

概念设计应包括以下主要内容：①功能创新；②功能分析和功能结构图设计；③工作原理解的搜索和确定；④功能载体方案构思和决策。

图2 概念设计的定义

3.2 概念设计的特点

概念设计中技术创新的本质就是要在工程设计领域中发现某种新事物、提出某种新思想，在很多情况下是因为现有的产品不能满足社会（用户）的需求而激发出的新颖构思和创见。技术创新在概念设计中发挥着至关重要的作用。技术创新的基础是知识的积累和灵感的迸发，是设计人员进行创造性思维的结果。创新本身就意味着不拘一格，不局限也不依赖于某种特定的模式，在诸多方面都是孕育技术创新。

概念设计具有如下特性：

（1）创新性；创新是概念设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低廉的富有竞争力的机械产品。创新可以是多层次的，如从结构修改、结构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加等高层次的创新活动都属于概念设计的范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中，将产生一组可行的“新”方案。

（2）多样性；概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的多样化。不同的功能定义、功能分解和工作原理等，会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。从而产生了机械式手表和石英手表这两种完全不同的设计结果。

（3）层次性；概念设计的层次性体现在两方面。一方面，概念设计分别作用于功能层和载体结构层，并完成由功能层向结构层的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层上，而结构修改、结构变异则作用于结构层，由映射关系将两层连接起来。另一方面，在功能层和结构层中也有自身的层次关系。例如功能分解就是将功能从一个层次向下一层次推进。功能的层次性也就决定了结构的层次性，不同层次的功能对应不同层次的结构。例如结构“自行车”的功能是代步，而自行车的子功能之一“控制行进方向”则由子结构“车把”完成。

4 CAI在概念设计中的应用

4.1 TRIZ（萃智）理论的发展催生了计算机辅助创新技术（CAI）

TRIZ（萃智）理论中文名字叫发明问题解决理论，它是由前苏联发明家G. S. Altshuller在1946年创立的，TRIZ就是“发明问题解决理论”的俄语缩写。当初Altshuller在处理世界各国专利过程中，发现任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样，都是有规律可循的。掌握了这些规律，就能能动地进行产品设计并能预测产品的未来发展趋势。于是在他的领导下，前苏联的数十家研究机构、大学、企业组成了TRIZ的研究团体，分析了世界近250万份高水平的发明专利，总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，以及解决各种工程矛盾的创新原理和法则，逐渐形成了当前著名的TRIZ创新理论体系。

TRIZ（萃智）理论的核心思想在于它采用科学的问题求解方法，首先将特殊的问题归结为TRIZ的一般性问题，然后应用TRIZ（萃智）理论寻求标准解法，在此基础上演绎形成初始问题的具体解法（见图1）。这其中包括一套科学系统的问题模型构建与分析方法，对问题和矛盾的定义，解决各种矛盾的创新法则，以及各种标准解法和算法等等，这都保证了它是一种科学，可操作的创新方法，为计算机环境下的创新提供了重要的理论与方法基础。

图3 TRIZ解决问题的模式

计算机辅助创新技术（CAI）作为工程领域又一个重要的计算机辅助技术而出现，和其它CAX技术一样，它得益于相关的先进创新理论、方法的发展及其和计算机技术的不断融合。传统的创新方法更多的是依赖心理因素，具有很大的随机性和偶然性，创新效果也很难保证。而TRIZ（萃智）理论的出现则彻底改变了这种情况，它是一种在前人创新成果与创新方法基础上的提升和集成，成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，它着力澄清和强调系统中存在的矛盾，而不是逃避矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解，而不是采取折衷或者妥协的做法，而且它是基于技术的发展演化规律研究整个设计与开发过程，而不再是随机的行为。即：TRIZ（萃智）理论的发展催生了计算机辅助创新。

计算机辅助创新（CAI）技术以其科学的方法体系，直观的方案知识库成为辅助概念设计的利器，为自主创新、掌握关键技术知识产权的企业带来了方法与工具地支持。其中，计算机辅助创新软件Pro/Innovator是CAI技术的一个代表产品。借助该工具，技术人员可以有效地对问题进行分析，借鉴不同领域的知识，从而高质、高效地构建解决方案。

4.2 CAI在概念设计中的应用

4.2.1 面向产品创新的概念设计

在产品设计的全生命周期都需要创新，如概念设计阶段、工艺阶段、制造维护阶段等，但是它们创新的层次和特点是不同的，对整个产品的影响力也是不同的。其中，概念设计是产品设计的先导，又是产品构型设计的前提，自由概念设计搞

好了，产品设计才有可能达到高水平。如果仅仅依靠人的灵感进行概念设计，将会制约它的进展，现在我们在概念设计中可以采用计算机辅助创新（CAI）工具进行产品的创新，使传统的产品概念设计转变为面向创新的概念设计。

4.2.2 CAI在概念设计中的应用

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。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，也就是计算机辅助创新（CAI）工具在概念设计中的主要应用方面。

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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，同时体现在结构上的创新性。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。

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。

5 结论

总之，概念设计是产品设计中最重要的一环，也是提高产品质量、降低成本和提高企业竞争力的主要手段。计算机辅助创新工具（CAI）提供了先进的方法和理论，充分利用各行业设计人员的专业知识和实践经验，辅助工程技术人员在概念设计等方面进行创新设计，从而改善我国产品设计落后、缺乏竞争力的被动局面。可以预见，CAI技术具有光明的应用前景，同时，也应该看到CAI技术的发展时间较短，还有很多有待完善之处