1.3 国内外产品概念设计方案求解研究现状

1.3.1 方案生成方法研究现状

方案生成是指由设计需求生成的诸多方案，既是设计综合过程，也是设计推理的过程。一般而言，方案生成的方法也就是概念设计的方法和推理的方法。概念设计方案生成方法可以分为系统化方法和智能化方法两类，其中系统化方法侧重于探求概念设计的机理和本质，并提供形式化的设计方法，属于概念设计理论和方法学研究范畴。智能化方法则通过引入智能推理技术求解方案集，属于概念设计自动化和智能化研究范畴。

1.系统化方法

系统化方法致力于寻找概念设计问题的结构化求解方法，为产品设计提供一般的、通用的设计程序，其目标是将基于经验的设计，转变为基于科学的设计，核心是结构化地表达设计过程。

系统化设计思想最早由德国柏林工业大学Pahl和Beitz在20世纪70年代提出，他们以系统理论为基础，制定了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。系统设计理论的主要特点是将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，系统中每个设计要素都具有相对的独立性，各个要素间存在有机联系并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。该方法认为产品功能和结构均具有层次性，通过分解总功能为子功能，可以获得对应结构，进而组合出设计方案。该方法将概念设计分为功能分解、功能表示及功能综合三个阶段，认为概念设计的一般性步骤为：从产品功能目标的抽象和总功能的分解与综合开始，寻找各子功能的可行解，并加以综合，然后作出方案的粗略草图，并分别进行综合评价，最后选择最佳方案。

系统化设计法因符合人脑的思维成为目前应用广泛的一种方法。在其基础上，目前已发展成多种理论和方法，常用的包括功能方法树方法、公理化设计理论、形态学矩阵法、TRIZ理论、设计目录法、质量功能配置、键合图法、运动链发散创新设计法等。

（1）功能方法树法

功能方法树是产生多个设计方案的最简单实用的方法。功能方法树的建立过程是从确定总功能开始，采用自顶向下的方法逐层分解为子功能，一直到最底层的方法为止。功能的解或实现称之为方法，功能被方法实现，方法与一系列实体相对应。基于这一原理，系统可用功能方法树表示，根据功能方法树，可生成多种设计方案。图1.4为某减振装置的功能方法树。

（2）公理化设计

以Suh为代表的公理化设计方法认为，千变万化的设计过程总是由一些基本规律所控制并将之归纳为两个公理，即功能独立性维护与信息最小化两个著名的设计公理，以此为出发点，导出若干设计准则，以指导设计过程。

Do和Park通过将行为域引入公理化设计作为功能域和载体域之间的转换桥梁，提出一种概念设计产品模型-域结构模板；并基于数理逻辑的方法建立域结构模板的数学模型，以便于计算机的表达和操作。

总体来说，公理化设计应用于概念设计阶段基本上是一种概念上的表达，距离完善的理论体系还有一段距离。

（3）形态学矩阵法

形态学矩阵法也是被人们普遍接受的一种方案生成方法。它主要用于功能元解的组合，将系统的功能元列为纵坐标，各功能元的相应解法（实现该功能的技术途径）列为横坐标，构成形态学矩阵。根据形态学求解规则，选择不同的元素进行组合，获得不同的方案解。

形态学矩阵法具有良好的动态组合性能，可以方便地形成数目可观的满足需求的设计方案。但形态学矩阵法存在以下技术问题：

① 需要判断解元素的组合相容性，这种判断难以通过计算机实现。

② 如何通过形态矩阵方法，从众多的设计方案中获得性能优良的设计方案。

③ 形态方法的解爆炸问题难以解决。

④ 方案的创新性不高，利用功能分解与组合方法得到的设计方案只能是问题的各种解法，这些解能够满足需求。

（4）TRIZ理论

以俄国学者G.S.Altshuller为代表的研究小组，深入研究了世界各国近250万件专利，揭示出了一些创新问题求解的基本原理，发展成为TRIZ理论。

根据创新性的程度不同，Altshuller将创新分为五个层次：

① 已知求解方案的重新选择，占创新量的32%。

② 求解方案的改进占创新量的45%。

③ 在不同专业领域内创造发明，占创新量的18%。

④ 不同专业领域间的启发式创造发明占创新量的4%。

⑤ 新的发明创造，占创新量不足1%。

技术冲突是设计过程中经常出现的问题，技术冲突的解决是概念设计取得创新解的关键。TRIZ理论用39个标准特征来表示产品性能中的技术冲突，建立了一套基于知识的逻辑方法来解决技术冲突，这些方法包括发明原理、发明问题解决算法及标准解。

TRIZ理论中的冲突理论似乎是原理创新的灵丹妙药，实际在应用该领域之前的前处理与应用之后的后处理都是很困难的，图1.5表明了问题求解的全过程。

（5）设计目录法

设计目录是一种设计信息库，它通过把设计过程中所需的大量信息有规律地加以分类、排列、储存，便于设计者查找和使用。目录中所包含的信息多种多样，所排列的解的具体化程度也各不相同，一般包括解的物理效应、作用原理、约束条件、计算方法及必要的说明等项目。设计目录不同于一般的手册和资料，作为一种设计信息载体，它具有信息完备性、可补充性及易检索性，并适合于计算机辅助设计。

设计目录法，首先收集功能的作用原理，整理、抽象、分类后，建立具有一定结构的设计目录，通过问题的分类和识别、由功能特征到作用原理特征的映射匹配、解的选择和评价等，得出适当的方案解。

在设计目录法的研究中，德国的K.Roth做了大量工作，他提出了一种设计目录的构造方案并提出利用目录的程式选择设计法（AAK法）。德国的Findeisen则利用解法目录储存了各种类型柱塞泵的基本信息，以方便设计者选用。国内的姚致扬构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。

（6）质量功能配置法

将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，将用户信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。质量功能配置法主要强调各个设计阶段之间的信息交流和作业协同，将客户需求信息合理而有效地转换为产品各个设计阶段的技术目标和作业控制规程。

（7）键合图法

键合图自20世纪60年代初提出后经若干学者发展及完善，现已成为系统分析与设计的有效工具。键合图法将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转换能量形式、传递能量等类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。檀润华等还将键合图法应用于计算机辅助概念设计领域，试图开发支持工程系统概念设计的软件工具，这项研究工作虽有一些基本思路，但实现方法和关键技术还有待于进一步研究和探讨。

（8）运动链发散创新设计法

运动链发散创新设计法，首先研究已有的机构设计并找出它们的拓扑特征，然后在这些已存在机构中任选一个作为初始机构，将这个机构转化为一般运动链，使其只包括杆和回转副，利用数综合方法并根据所需机构的杆数、运动副数及类型、自由度等，去求得运动链图谱，根据设计要求指定一般化运动链图谱中机构构件和运动副的类型，以得到特定化运动链，挑选出可以满足设计要求的、可采用的特定化运动链，详细规定每个可采用的特定化运动链的相应机构，得到满足需要的新机构。颜鸿森教授已将该方法成功地应用于越野摩托车后悬挂机构的设计中。

2.智能化方法

与系统化方法相比，智能化方法主要采用智能技术实现方案综合，通过引入智能推理技术求解方案集。在选取推理技术之前，应认识到该推理过程是需要大量的数据（称为数据驱动），还是需要关于该领域的先验知识（称为知识驱动），以便在其领域内选择正确的推理技术，所以，推理技术又可分为数据驱动和知识驱动两种推理技术。

（1）知识驱动

知识驱动应用于存在大量领域知识的情况下，强调规则的使用，用因果关系、逻辑思维加以推理。在方案推理中，常用的方法包括规则推理、类比推理、定性推理、Agent推理、进化推理、优化推理。区别于实例推理通过描述具体实例来指导设计，规则推理强调规则的使用，利用建立的规则实施推理，类比推理则从设计实例中抽象出一般知识指导设计，并分为领域内类比和领域间类比。定性推理常用离散符号系统表达知识，能够反映和推理物理原理包含的因果关系，而功能与结构通过行为联系，恰恰反映了这种因果关系。进化推理是指借鉴自然进化原理的一种推理方法，其表达模型是基因模型。目前进化推理主要集中在产品结构方案设计上，国内已进行了功能-结构映射推理的研究。优化推理是指把概念设计过程看做是满足一定功能要求和设计约束的优化过程，从而将其转化为优化问题进行求解。

（2）数据驱动

数据驱动指摒弃规则，依赖大量领域实际数据参与推理，即通过描述具体的产品来实现设计，如实例推理、神经网络、机器学习等。实例推理是一种相似推理方法，它通过建立实例数据库来执行推理，通过描述以往的设计实例来指导现有设计，它有效地利用存在于已有的设计事例中的知识，尤其适合设计规则难以总结的复杂产品设计，但实例修改和再设计问题尚需继续研究。

在方案生成中，常用的实例表达方法包括：设计模型实例；设计产品实例，设计过程实例，神经网络具有良好的数值处理、自学习、自组织和容错能力，能够处理具体产品数据，从数据中获取隐含知识，以指导设计，实现联想推理功能。本书后续章节对其在概念设计中的应用进行介绍。

机器学习机按推理方式可分为归纳学习、演绎学习、类比学习。归纳学习是从特殊到一般的推理方式，演绎学习是从一般到特殊的推理方式，类比学习则是不同范围内特殊到特殊的推理方式。集成式多策略学习正在成为机器学习的热点，许多学者提出了集成推理求解策略，即将多种推理技术集合起来形成新的推理技术，可生成更有效的问题求解系统。

此外，其他的一些推理技术还包括基于多色集合理论推理技术，基于约束满足的推理，基于生产过程规划的推理等。

1.3.2 方案评价方法研究现状

概念设计是一个复杂、不完全确定、创造性的设计推理过程。设计方案评价是产品概念设计过程中一个非常重要的环节，它是概念设计过程决策的重要依据，决定了后续设计的方向。

概念设计阶段，通常产生许多设计方案，概念设计方案的评价与决策就是对方案生成阶段产生的若干候选方案进行评价和比较，选择最佳概念设计方案。方案评价不仅考虑功能因素，还需考虑制造性、可靠性、安全性等要求，以及其他经济性和社会性要求，这是一个典型的多准则多目标评价决策问题。一般而言，方案评价的关键是确定评价指标体系、分配权重和计算总评价值。

1.概念设计方案评价的特点和本质

概念设计方案评价是概念设计过程的重要步骤，它对后续设计阶段的产品开发起着决定性的作用，是决定概念设计方案能否最终被接受的关键环节。如果所有候选方案都未能通过评价，那么必须对设计需求进行修改，并重新进行产品概念设计。

概念设计方案评价过程主要具有如下特点：

（1）多目标性

概念设计方案评价中需要同时考虑多个评价指标，方案评价过程要集中体现各个评价指标的作用及相互之间的影响。

（2）多层次性

概念设计方案评价问题的评价指标一般较多，而且评价指标间往往具有一定的层次结构，从而构成概念方案评价的指标体系。

（3）不确定性

概念设计过程的信息通常具有很大程度的不完全、不确定及不精确性，许多性能指标往往不具有严格的标准或清晰的边界，方案评价所需的知识通常具有多义性和不确定性。

概念设计方案评价是一项困难而又复杂的工作，它本质是一个多目标、多层次、不确定的复杂系统的评价和决策问题。

2.产品概念设计方案评价方法

概念设计阶段设计方案的评价决策对后续设计阶段的产品开发起着至关重要的作用，因此选择合适的方法对概念设计方案进行评价和决策至关重要。目前的方案评价方法可以分为层次分析法、效用价值分析法、模糊综合评价法、灰色评价法、价值工程评价法、系统工程评价法、神经网络评价法等。

（1）层次分析法

层次分析法由美国运筹学家、匹兹堡大学教授T.L.Satty在20世纪70年代提出，是广泛应用的系统分析的数学工具之一，它将人的思维过程层次化、数量化，并采用数学方法为分析、决策、预报或控制提供定量的依据。该方法把把复杂的问题分解为各个组成因素，将这些因素按支配关系组成有序的递阶层次结构，通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性，然后综合人的判断以决定决策诸因素相对重要性总的顺序。层次分析法主要包括以下几个步骤：

① 建立评价模型。

② 根据评价模型对各层次评价指标进行权重分配。

③ 确定各方案相对评价指标的评价值。

④ 综合各层次指标的方案评价值，形成相对于总目标的权重分配，即方案的综合评价排序。

目前，层次分析法是进行定性、定量因素相结合的复杂的多准则、多目标系统决策评价的一种较为实用的方法，已广泛应用于机械设计方案的评价和决策中。另外，层次分析法也是其他方案评价法中确定指标权重的一种常用方法。

层次分析法在很多领域的评价决策方面得到了广泛的应用，其评价结果也具有一定的权威性，但它对问题的评价决策是建立在人的主观经验和判断的基础之上的，不可避免地具有一定的主观性。

（2）效用价值分析法

效用分析法由是德国学者Pahl和Beitz提出，这类方法在确定评价指标并分配权值的基础上，就每项准则对方案打分，并利用效用公式计算方案的总价值，最后依据总价值对方案进行排序选择。由于难以准确地对方案定量打分，通常，通过确定等级对方案打分。最早将效用分析法应用于方案选择中，采用0～10分的价值谱给方案打分。Ulrich则采用1～5的评估等级给方案打分。

（3）模糊评价法

人类活动系统所产生的决策问题多数属于模糊决策，往往由决策者凭经验感知、偏好或通过讨论来确定决策方案，历来缺少系统的决策理论。Zadeh于1970年提出模糊决策的思想后，经Dubois等的改进，使决策问题转化为在多判据情况下，对给定的备选方案进行排序择优的问题，即模糊评价法。

模糊评价法是一种基于模糊数学的综合评标方法，其基本思想是根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象进行一个总体的评价。与效用分析法类似，模糊评价法的基本步骤如下：

① 建立评价因素集；

② 建立评价备择集；

③ 单因素评判；

④ 建立权值集；

⑤ 模糊综合评判。

概念设计过程的设计信息具有很大程度的不确定性，在进行机械产品概念设计的方案评价时，由于评价指标较多，它们往往很难用定量分析来完成，只能用“很好”、“好”、“一般”、“差”、“很差”等模糊概念来评价。由于模糊评价法允许设计者采用模糊术语打分，因此，更符合概念设计的抽象性和模糊性的特点，从而获得了广泛的应用。

概念设计方案评价的特点及模糊集合理论对不确定信息的处理能力，使模糊集合在概念设计的方案评价和决策中得到了广泛应用，但使用模糊评价方法将定性指标量化的过程仍不可避免决策者主观判断的影响，降低了评价结果的客观性。

（4）灰色评价法

灰色评价法指利用邓聚龙教授提出的灰色系统理论对方案实施评价的方法。灰色系统理论是指既有白色参数（已知参数），又有黑色参数（未知参数）的系统，其研究内容包括客观事物的量化、建模、预测、决策和控制等。因灰色系统理论善于处理贫信息，能在短资料、少信息的条件下预测和决策，因此在方案评价中得到了一定的应用。

（5）价值工程评价法

价值工程（Value Engineering，VE）就是通过集体智慧和有组织的活动对产品或服务进行功能分析，使目标以最低的生命周期总成本，可靠地实现产品或服务的必要功能，从而提高产品价值的一套科学的技术经济分析方法。价值工程的主要思想是以提高产品实用价值为目的，以功能分析为核心，以开发集体智力资源为基础，以科学分析方法为工具，用最低的成本去实现必要的功能，提高其价值。价值工程中，功能与成本的关系可以用如下公式表示：

式中，V为价值，F为功能，C为生命周期成本。

价值工程评价活动包括分析、综合、评价3个阶段，主要有以几步：对象选择和资料收集，功能分析，功能评价，提出改进方案，方案评价选择。价值工程的方案评价一般包括技术评价、经济评价、社会评价等内容。技术评价和社会评价通常采用“打分法”，经济评价可采用总额法、机会成本法、变动成本法、盈亏平衡法等。

机械产品的方案评价可以按它的各项功能求出综合功能评价值，以便从多种方案中合理选择最佳方案。即以功能为评价对象，以金额为评价尺度，找出某一功能的最低成本。

价值工程法要求有充分的实际数据作为依据，可靠性强，可比性好。虽然邓琳等人也尝试将价值工程应用于机械产品的概念设计过程，但由于概念设计阶段得到的只是产品的初步设计方案，不确定因素很多，方案的成本很难量化，使得价值工程法在机械产品概念设计方案评价中应用的困难较大。

（6）物元分析评价法

物元分析是由蔡文于1983年提出的，物元分析是研究解决不相容问题的规律和方法的新兴学科，是思维科学、系统科学、数学三者的交叉边缘学科。它的核心是研究“出点子，想办法”的规律、理论和方法，具有很浓的人工智能色彩。物元分析提出了“可拓决策”方法，可用于决策理论的研究。

（7）聚类分析评价法

聚类分析无严格的数学基础，其丰富的思想多于严格的数学推导，它用到一些数理统计的概念，但更多的是采用几何学语言。聚类分析是一种标准的分类技术，其基本思想是用相似尺度来衡量事物之间的亲疏程度，把相似的样本归为一类，以此实现分类。聚类有直接聚类、系统聚类、逐步聚类和模糊聚类等模型。其中，模糊聚类在系统方案评价中应用最多。

（8）系统分析评价法

对于任一概念设计方案来说，需要达到的目标往往很多，各目标的要求也不同，系统分析评价法就是将每一个概念设计方案作为一个系统，运用系统分析的方法从整体上对概念设计方案的各个评价指标进行综合评价，以便从多个方案中客观、合理地选择最佳方案。

系统分析评价的评价步骤如图1.6所示。国内赵向阳等在计算机技术的基础上运用系统分析法对评价决策思维方式进行了研究，为系统分析法在产品概念设计方案评价决策中的应用提供了可信的理论基础。邹慧君教授等人对机电一体化系统的概念设计进行了研究，并且使用了系统分析法对机电一体化系统的概念设计方案进行了评价决策。

（9）综合评价法

由于方案评价问题本身具有的多目标、多层次、多关联及信息不完备等特点，有时使用单一的评价方法对方案进行评价比较困难。为弥补单一评价方法在评价复杂设计方案时的不足，常将多种评价方法相互综合，构成方案评价的综合评价法。

由于综合评价法将多种评价方法综合在一起，各评价方法之间可以取长补短进行优势互补，使得综合评价法在概念设计方案评价中得到了越来越广泛的应用。

除了上述的评价方法外，还有可能性评价法、公理化评价法、熵权评价法、罚优化方法、粗糙集评价法等方法。任何一种评价方法都有它的使用条件和应用范围，如何根据不同的评价指标状态和已知条件开发不同的概念方案评价方法，从而更加科学、可靠地指导概念设计方案评价过程，尚有待进一步深入研究。