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产品概念设计
第1章绪论
1.1产品创新的核心——产品概念设计
中国已经成为工业生产的大国，但还不是工业生产的强国。
我国的产品大多以OEM贴牌加工的方式变成了外国的货品，而即使是我们自有品牌的出口，也因为设计的粗陋使得中国制造的产品成了低质低价的代名词，过于注重模仿与引进，不注重自主知识产权和产品创新设计是我国多数产品的通病。
一个非常著名的提法是，中国要成为世界产品的“生产车间”，但与那些跨国企业生产的造型新颖、工艺考究的产品赚取的成倍利润相比，这个生产车间为自己创造的利润只有1%~2%。
惟有创新，才能令中国企业走上自强之路；惟有重视设计，才能令中国由“制造大国”走向“制造强国”。
中国工程院院士、浙江大学校长潘云鹤教授在谈到产品创新时说，创新有两类：
第一类是原理上的改变，如从无到有的创新，比如科技发明；第二类创新是在第一类的基础上进行改进，这类改进更符合使用者的行为习惯和个性需求。
在产品设计过程中，能集中体现这两类创新的工作就是产品概念设计。
产品概念设计作为设计过程的早期阶段，其核心就在于产品创新。
一旦概念设计被确定，产品设计的60%~70%也就确定了，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60%以下，并且很难或不能在详细设计阶段纠正产品设计的缺陷。
因此产品概念设计质量与效率不仅对产品的创新性、功能的合理性、使用的宜人性和外观造型的美观性等起着决定性的作用，同时也直接影响到整个产品的开发周期、上市时间、生产成本等重要因素。
1.1.1产品设计发展历程与趋势
纵观产品设计过程的发展历程和趋势，大致可分成如图1-1所示的4个发展时期。
1．第一时期（20世纪六七十年代）
这一阶段把设计过程划分为功能设计（阐明任务书）、原理设计（方案设计）和技术设计（结构设计）三大阶段。
在这个阶段，计算机辅助技术主要局限于工程设计绘图的层次，并没有打破传统的设计过程划分。
制造过程也主要是基于传统的“制造装配→实样试验→批量生产”的流程。
2．第二时期（20世纪八九十年代）
随着计算机图形学特别是三维CAD系统的迅速发展，这一阶段的产品设计过程开始在相当大的程度上依赖于计算机的辅助。
设计过程一般被分为概念设计、方案设计和详细设计3个阶段。
其中，概念设计是创造性设计思维阶段，方案设计是概念设计与详细设计的过渡阶段，包括功构映射、初步结构设计、方案布置设计等，详细设计则主要是在CAD系统的支持下确定产品各类参数的过程。
在这一阶段，一些新的制造模式如计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）等得到了深入研究并逐步应用于企业的生产实践。
3．第三时期（20世纪九十年代后期）
这一阶段，由于真实感显示、多媒体、虚拟现实（VR）等技术的发展以及CAD系统的逐渐完善和广泛应用，设计过程变得更加紧凑、简捷，概念设计的内涵和范围逐步扩大，一般就分成概念设计和详细设计两个阶段。
各阶段目标也更为明确。
其中，概念设计是指产品设计早期的创造性设计阶段，目的在于实现产品创新。
而详细设计主要是面向装配和制造，将概念设计方案详细化、精确化，同时修正存在的不妥之处。
这一阶段，VR技术不仅应用于设计过程中的各个环节，而且也应用于产品的装配、检测和评价上，如虚拟原型（VirtualPrototype）、虚拟装配（VirtualAssembly）和虚拟产品（VirtualProduct）等。
此外，出现了一些新的制造模式如数字样机（DigitalMock-up，DMU）、敏捷制造（AgileManufacturing，AM）等。
图1-1产品设计过程的发展历程与趋势
4．第四时期（21世纪初期）
到了这一阶段，产品的制造模式将发生根本性的变化，基本上达到虚拟制造（VirtualManufacturing，VM），甚至敏捷制造的水平。
设计过程高度集成化，概念设计和详细设计几乎并行进行。
先进的CAD系统提供了一个数字化、集成化、协同化、智能化、网络化的设计开发环境。
1.1.2产品概念设计内涵
从产品设计过程的发展历程可看到，随着设计过程的逐渐紧凑、目标分化以及CAD技术的逐步发展和应用，概念设计的内涵也在不断地发生变化。
为能对概念设计作一个全面的形式化定义，针对其发展状况，从以下3个方面加以考虑：
（1）定位的完整性
从设计方法学的角度看，完整意义上的概念设计包含了工程设计与工业设计两大部分，两者密不可分。
但由于历史的原因，它们一直处于分裂的局面，前者主要由工程师完成，后者则由工业设计师完成。
工程设计界将概念设计界定为产品设计的创造性设计思维阶段，目的在于求得满足功能需求的原理解，即产品的功能设计、原理设计以及初步的结构设计。
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。
工业设计界则将其定义为在功能、原理基本确定的情况下，考虑产品结构、人机工程、形态、色彩、制造以及成本等因素在内的产品外观造型的设计，即产品的形态设计、色彩设计、布局设计与人机工程设计。
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。
此外，由于需求设计与概念设计之间高度耦合，迭代非常频繁，所以有时候也可以把需求分析纳入概念设计的研究范畴。
（2）计算机的支持
在信息技术迅猛发展的今天，产品概念设计已离不开计算机的支持。
概念设计内涵的不断变化，其最大的驱动因素就在于计算机技术的不断发展。
当前，计算机辅助概念设计（Computer-AidedConceptualDesign,CACD）的研究已受到众多学者的关注。
CACD系统能满足概念设计师的各类特殊需求，更为简捷地生成设计对象，有效地提高概念设计的质量，可避免因设计失败而造成开发成本的浪费，并提供了一个进行信息交流和对象评价的更好的平台。
（3）产品创新为目的
产品的创新性是产品是否具有竞争能力的关键因素。
而概念设计是产品设计过程中创新表现最为集中、最为突出的一个阶段，其目的就在于追求产品的创新。
概念设计与产品创新密切相关。
综上所述，概念设计可定义为产品早期设计阶段，在CACD系统支持下进行产品创新设计的过程，包括了产品在功能、原理、形态、色彩、布局、人机工程和结构这7个方面的创新活动，如图1-2所示。
图1-2概念设计新内涵
①功能设计：
将需求分析转化为功能设计任务书，并针对市场需求进行功能上的改进或创新的过程。
②原理设计：
按照功能设计说明书，进行产品原理解的求取和创新的过程。
③形态设计：
包括各部件的形状、材料、工艺、表面造型、肌理在内的产品形态创新过程。
④色彩设计：
在功能、材料、批量生产的加工手段、时尚、生理、人机工程学等条件的制约下，对设计的形体赋予色彩。
⑤布局设计：
根据排列方式、配置方式、尺寸比例等要素进行产品布局。
⑥人机设计：
考虑产品与人以及环境的全部联系，全面分析人在系统中的具体作用，明确人与产品的关系，确定人与产品关系中各部分的特性及人机工程学要求设计的内容。
⑦结构设计：
包括尺寸、结构、部件之间连接关系在内的产品结构创新过程。
图1-3描述了概念设计中7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概念设计往往是创造性设计，而以布局创新、形态创新、色彩创新、人机工程创新和结构创新为主的产品概念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。
1.1.3产品概念设计特点
概念设计阶段的工作高度体现了设计的艺术性、创造性、综合性。
随着时代的进步，设计的难度日益增大，很难全面准确地捕捉市场现实和潜在的需求，也很难把握众多相关领域技术的发展。
整体而言，概念设计具有如下特性：
图1-3概念设计中的产品创新
（1）创新性——创新是概念设计的灵魂。
只有创新才有可能得到用户最需要、最适用、最满意的新产品。
这里的创新可以是多层次的，如，从结构修改与替换、布局变换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加、形态变异、人机约束满足等高层次的创新活动看，都属于概念设计的范畴。
一个新产品在功能、原理、形态、色彩、布局、结构、人机工程、材质、工艺等任一方面的创新，都会直接影响产品的整体特性，影响产品的最终质量和市场竞争力。
（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方案的多样化。
不同的市场需求，不同的功能定义、分解，不同的工作原理，不同的产品形态，不同的布局形式等，都会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在产品概念设计中产生完全不同的解决方案。
1.2计算机辅助概念设计
1.2.1发展由来
概念设计是一个创造性设计的过程。
但目前以CAD为核心的计算机辅助工具主要应用在详细设计阶段，如Pro/Engineer、EDSUnigraphics等，这些系统的着眼点主要是“设计表达”，虽能生成复杂、精确、完整的三维造型，但由于其本身并不是为概念设计而开发的，存在许多约束限制，不允许快速输入和再现不完备的概念造型，从而导致其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，而非辅助设计工具。
针对上述情况，CACD的研究以及CACD系统的开发就应运而生了。
CACD系统的根本目的就在于能有效支持产品的创新设计。
在设计早期应用CACD系统至少有如下优势：
（1）它能满足概念设计师的各类特殊需求；
（2）它能有效地提高概念设计的质量；
（3）它能更为简捷地生成设计对象；
（4）它提供了一个进行信息交流和对象评价的更好的平台；
（5）它可以避免因设计失败而造成的开发成本的浪费。
1.2.2基本内容
CACD，即通过计算机技术的辅助来进行产品的概念设计，以达到产品创新的目的。
它是CAD领域的一个重要分支。
概念设计不仅与需求分析、详细设计紧密相连，其内部的各个环节也相互依赖，互为驱动，因而概念设计是一个相当复杂的过程。
一个好的设计方案既要有合理的功能结构、美观的造型、简便的操作，同时还要富有创新性。
CACD涉及到了设计方法学、人机工程学、人工智能、CAD以及认知与思维科学等多个领域的方法与技术。
因此，计算机辅助概念设计的研究，就需要去研究概念设计方法学。
概念设计过程如此复杂，内容这么丰富，随着信息技术的发展，该如何依靠计算机实现从需求分析到方案求解的概念设计全过程呢？
谢友柏院士曾提出设计理论和方法主要应当研究两个问题：
求解的方法论和知识基础。
这应该是目前CACD又一需要解决的主要内容。
由于目前已有的许多CAD系统的着眼点主要是“设计表达”，存在许多约束限制，从而导致其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，而非辅助设计工具，所以如何运用计算机辅助设计技术研制出计算机辅助概念设计系统，支持从需求分析到方案求解的概念设计全过程，就成为CACD需要解决的另外一个主要问题。
随着CACD系统功能的逐步强大，计算机辅助概念设计系统必然越来越受到概念设计师的欢迎，从而在概念设计过程最终替代传统的CAD系统。
基于以上认识，目前CACD的研究内容主要有以下3方面：
（1）概念设计方法学的研究；
（2）产品信息模型及基于该模型的概念设计求解方法的研究；
（3）应用CACD技术开发CACD系统。
1.2.3研究现状
由杭州市人民政府、浙江大学、中国计算机学会CAD&CG专业委员会、中国机械工程学会工业设计分会以及浙江省计算机学会共同主办的第五届国际计算机辅助工业设计与概念设计会议（the5thInternationalConferenceonComputer-AidedIndustrialDesignandConceptualDesign，CAID&CD）于2003年10月19日至20日在中国杭州召开。
此前，第一、二、三、四届国际计算机辅助工业设计与概念设计会议分别在中国桂林、泰国曼谷、中国香港和中国济南召开。
目前，国内外对计算机辅助概念设计领域的研究都比较重视，设立了相关的研究计划，如MITAILAB的DesignRationale项目，MITCADLAB的CAID、DOME，CMUComputationalDesignResearchGroup开展的几何建模、并行设计、智能推理的工作，CMU在DesignProcessManagement方面开发的Odyssey系统，普林斯顿大学开发的3DModelSearchEngine，加州大学伯克利分校专家系统实验室开展的“计算机辅助概念设计概念库的建立及其在机械中的应用”等。
在国内，国家自然科学基金委员会资助了很多项目，如“基于可拓学理论的智能化概念设计方法研究”、“产品进化过程驱动的概念设计模型研究”、“基于演化的概念设计生物建模理论与方法的研究”、“机械运动系统概念设计智能化平台的研究”、“产品概念设计中对立创新模型的研究”等。
此外，国家863计划为此还在“现代集成制造系统技术”主题里设立了“数字化设计与制造”专题。
计算机辅助概念设计已经成为许多专家学者所关注的研究方向。
由于设计过程中创造性思维所具有的独立性、连动性、多面性、跨越性、综合性等特性，加上概念设计过程本身的复杂性以及客观条件的局限性，国内学术界在CACD领域的研究起步较晚，进展也相对迟缓，还有诸多关键技术问题有待解决，在各方面特别是CACD技术的应用研究上，与国际上发达国家还存在相当大的差距。
1．概念设计方法学
概念设计的本质在于设计的人性化和创新性，概念设计方法学的研究也要体现这两个本质特性。
近来涌现的诸如绿色设计、定制设计、敏捷设计、并行设计、全生命周期设计、创新设计等方法，其本质目的也在于通过设计营造一个人性化的环境，满足人们个性化和多样化的需求。
如绿色设计所提出的4R原则：
减量（Reduction）、复用（Reuse）、回收（Recycling）和再生（Regeneration），其着眼点在于全人类未来总体的生存和发展；定制设计所提出的个性化定制服务，则更加细致地体现个人的特殊需要；创新设计的研究则主要在于创新技法的研究，如“功能变换式创新”、“技术融合式创新”、“品种外拓式创新”、“产品剔弊式创新”和“设计改型式创新”等。
从概念设计的参与者来看，目前企业让用户参与设计有两种方式：
一是企业为用户设计产品，二是将用户的产品需求融入产品概念设计中，然后由设计师进行设计。
这两种方式，都是在产品设计前端将用户需求引入设计流程，这样很可能会因时滞效应而在新产品推向市场时就已落后于用户的需求。
因而今后概念设计方法学的研究还应关注一些新的设计模式如“用户愿望设计模式”等。
2．产品信息模型及求解方法
（1）产品信息模型
在产品信息模型方面，目前常见的产品信息模型有3大类：
①面向几何的产品信息模型
这一类模型主要由线、框、面、实体和混合模型表示，它着重于产品完整和明确的几何构成数据，不能表达功能、布局、原理、用户需求、设计师风格、材料等非几何信息，无法支撑抽象、复杂的概念设计求解过程。
②面向特征的产品信息模型
目前有许多专家学者提出了如基于特征技术的智能产品信息模型、特征关联语义模型、基于变动特征的模型、特征精练模型等，但是这一类模型一般只支持产品设计的后期阶段，且存在着产品信息关联性差、信息不完全、特征定义不一致、特征识别困难等问题。
③集成产品信息模型
以基于STEP标准的产品功能信息模型、基于图元对象的工程产品CAD信息集成模型等为代表的集成产品信息模型，推广了特征的含义，包含了产品生命周期内多种特征信息，解决了CAD/CAPP/CAM集成化中数据共享和一致性、信息不完全等问题。
但是这些模型大部分是面向制造的，开放性差，无法清晰而简洁地模拟客观的设计过程。
另外一类集成产品信息模型，如组件特征模型等，虽然立足于面向产品级的特征内涵，但也未考虑到用户对概念设计全过程的影响，难以支持用户全程参与概念设计、设计师超越用户导向的产品概念设计过程。
（2）概念设计求解方法
概念设计的求解是指从需求分析到方案求解的推理过程，其目的是为了产品创新。
在概念设计创新技法方面，国内外专家学者先后提出了发明创造的科学方法TRIZ、基于系统综合方法的产品创造性设计理论TIPS、组合创造方法等。
在机械产品概念设计求解方法方面，Stugres通过定义功能之间的关系，使功能图的语义更加完善来创造新思想；冯培恩等研究了复合功能原理方案设计特征模型及其求解过程。
另外，还有许多专家学者尝试着以进化模型、多级菱形思维模型等获得概念设计方案。
上述这些方法对概念设计求解进行了一些有意义的探索工作，但是由于人脑中的求解方法具有计算机所无可比拟的广泛性、自适应性和更新速度，所以企图以通过记录人的求解方法、找出其中的规律并将它们赋予计算机的研究还远远没有达到实用阶段。
3．计算机辅助概念设计技术
（1）智能概念设计技术
智能概念设计技术目前的研究主要包括以下内容：
①概念设计中创新思维的模拟；②智能设计方法的研究；③智能概念设计平台的研制。
在第四届国际CAID&CD学术会议上，香港理工大学的JohnFrazer教授展示了其将遗传算法应用于玻璃杯设计的成果；加拿大国家工程中心的Shen教授展示了基于WEB的多智能体技术在PDA产品概念设计过程中的应用成果。
目前，国内外许多专家对上述3个方面内容的研究也进行了大量的工作，如以可拓学为基础的方案设计方法，基于遗传算法的工程设计，用于设计环境的模糊系统Xfuzzy，基于synectics技术的产品创新设计，不确定推理模型，概念设计专家系统等。
但是由于概念设计过程中创造性思维所具有的独立性、连动性、多面性、跨越性、综合性等特性，加上概念设计过程本身的复杂性，所以目前该领域的研究陷入了以下困境：
①计算机辅助设计以限制概念设计的创新空间为代价换取设计信息的数字化和推理过程的自动化；②求解方法的研究过于依赖计算机，不注重产品信息模型即知识基础的研究。
2001年在北京召开的中国人工智能学会第九届全国学术年会中许多学者提出的“广义人工智能论”、“泛逻辑学”、“准全息论”等或许可以对本领域的研究带来突破性的进展。
（2）协同概念设计技术
计算机支持的协同概念设计（ComputerSupportedCooperativeConceptualDesign）是由两个或两个以上的概念设计主体，应用CSCW理论和技术通过一定的信息交换和协同机制，共同完成某一概念设计目标的过程。
目前协同概念设计主要研究内容有以下几点：
①协同概念设计求解模型；②协同概念设计体系结构及系统的研制；③协同概念设计冲突消解方法的研究。
在第四届国际CAID&CD学术会议上，中科院计算所林宗楷研究员介绍了国内外在CSCW方面的研究状况，其中包括通过任务分配实现异地同时设计、通过网络实现网上沟通与写作、冲突解决机制的制定及实施等；英国NottinghamTrent大学的Prof.Su结合自己研究的成果以及在计算机辅助概念设计中的应用，介绍了网络化协同机制、人机交互等内容。
在协同概念设计求解模型方面，ThomasKvan提出了3种协同概念设计方式：
相互协同（Mutualcollaboration）、分散协同（Exclusivecollaboration）、集中协同（Dictatorcollaboration）；Taura提出了形状比较、设计过程展示这两种协同形状设计的方法；ByongG.Lee提出了主动标识方法模型来支持协同工作。
协同概念设计系统的研制主要保证以下几点：
①同步和异步交互；②任务协调；③远程交互和控制；④数据可视化和易用性；⑤数据共享。
LeslieM.分析了典型的集成产品设计与开发系统，如图1-4所示，在这个系统中，各个设计小组可以进行方案评估，提出创新性设计和改良性设计。
LeslieM.同时还指出了该体系结构所必须具备的功能：
①通用的访问接口；②基于网络的远程访问；③设计活动的集中调度；④文档的统一管理；⑤集成的在线规划和分析工具；⑥配置和管理方便。
基于这些功能要求，LeslieM.提出了一个面向集成产品设计与开发的虚拟CSCW架构，如图1-5所示。
该体系架构中主要集成了三大主要部件：
①在线决策支持工具；②WEB服务器和浏览器；③协作工作组。
这种结构的优点在于：
①缩短设计周期；②设计方案可以及时更新；③各设计小组通信畅通；④能快速有效地使用产品信息模型数据；⑤设计方案质量得到提升。
图1-4典型的集成产品设计与开发系统
图1-5虚拟CSCW体系架构
目前代表性的冲突消解方法主要包括：
基于共享数据库的协作事物模型、基于约束的冲突消解方法、基于知识的冲突消解方法、冲突分层消解策略、基于经济效用协议的消解策略、基于多Agent的冲突检测和消解模型、基于协商的冲突消解策略、基于集成的冲突消解策略等。
以上这些协同设计求解模型、体系架构、冲突消解方法等主要是针对设计师与设计师之间的协同概念设计。
与这一类协同设计相比，用户和设计师有着更为独立的知识结构和问题求解策略，因而他们之间的协同将更为复杂，冲突将更为明显，今后有必要研究适合于用户和设计师共同参与产品概念设计的协同求解模型、体系架构以及冲突消解方法。
（3）虚拟概念设计技术
随着与虚拟现实技术相关的硬件和软件技术的不断进步，在虚拟环境下将产品开发、设计、评价一体化已经成为学术界和工业界的一个热点问题。
例如，美国的JohnDeere公司，运用虚拟现实技术对新产品反铲装载机的3个技术方案进行建模仿真，结果否定了其中的两个方案，节约了大量的研制经费。
在第四届国际CAID&CD学术会议上，许多专家提出了基于Internet的虚拟设计、虚拟展示及电子商务等研究与应用问题。
香港理工大学的TangMingxi博士阐述了全球虚拟设计中心（GlobalVirtualDesignStudio）在世界范围内的研究及应用情况，并实时展示了其虚拟设计漫游系统，其中包括演示、设计、协同及互动过程，还介绍了该系统的研究方法，包括虚拟现实技术、网络技术、协同技术、视觉和虚拟规划过程等。
目前虚拟概念设计技术主要研究以下3个问题：
①VR环境下的概念可视化；②VR环境下的概念产品评价模型；③VR环境下的人机交互界面。
概念可视化是指设计师透过图面或模型，将市场的需求转换成可视化的具体形态。
概念设计是否能符合目标用户的需求、引导消费流行的趋势，用“眼见为凭”的图面或模型表现是最为方便的方法。
主要包括两方面内容的研究：
一是物体/场景的建模，二是产品概念的可视化。
目前二维的建模方法已经较为成熟，MITMediaLab提出了基于真实图像序列且用于场景建模的全景图像的自动/半自动镶嵌技术；FrankA.提出了采用几何约束方法的基于单幅图像的三维物体的二维真实感建模技术；三维物体/场景建模方法是进一步建立真实感环境模型的热点，DavidSarnoff研究中心的H.S.Sawhney和S.Ayer在视频的分层表示（LayeredRepresentation）方面提出了能够将运动物体和静止的背景分开的2D/3D主运动分析法以及多个运动估计的方法。
在产品概念可视化方面，H.Masuda等人提出了3DCAD模型的拓扑结构；M.Weyrich等研制了一个应用于虚拟概念设计的“虚拟工作台”，为设计师提供了类似于画板的工具。
在概念产品评价模型的研究中，D.Thompson提出了一套新颖的协同虚拟评价系统；KadeforsRoland从人机工程角度出发，提出了一种基于视频交互的评价模型。
但是这些评价模型都未能充分利用虚拟现实的3I的基本特征，无法真正让评价者进入沉浸状态，通过真实的交互进行设计评价或者构想。
因此，未来理想的VR环境下的概念产品评价模型应该
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