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基于多级创新的概念设计过程模型*

李文强，李彦，熊艳

（四川大学制造科学与工程学院成都610065）

Emil:[e-mail]

摘要：针对现有产品设计方法和设计系统往往立足于设计过程部分阶段创新的不足，本文以产品公理化设计内在规律为依据，在
双次菱形创新思维模型的指导下，提出了一种基于多级整体创新的概念设计过程模型。利用功能元和功能载体元描述设计产品信
息，借助可拓冲突解决工具，将产品设计过程定义为包含五种设计状态，四步映射的一个整体系统。用数学语言描述了该模型完
整的逻辑过程，并通过紧急切断阀为例论述了具体设计过程，为揭示概念设计过程的本质与具体设计过程的探索进行了积极实践。
关键词：概念设计多级创新过程映射可拓理论数学模型
中图法分类号：TG156文献标识码：A

引言

产品概念设计过程是在全面考虑各种设计约束条件下,在实现原理和载体层次上对设计目标的刻画过
程。它是产品设计中最重要的阶段，不但决定着产品创新来源，还制约着整个设计过程70％的成本和难以
纠正的设计缺陷[1]。在“以问题为中心”和“以产品为中心”[2，3]的设计策略下，近年来，设计人员提出
了不少概念设计模型[4，5]和计算机辅助概念设计系统[6，7]。但它们大都集中在对概念设计具体实现方法的
研究上，对设计过程中整体设计创新策略的讨论较少，并且由于对所提模型缺乏完善的数学模型支持，也
限制了模型在微观层上对创新过程的表达。面对这一问题，本文以产品公理化设计内在驱动规律为依据，
借助层次化产品描述方法，提出并描述了一个基于多级创新的概念设计过程模型。讨论了该模型各阶段的
创新策略，并利用严密的数学语言描述了该模型的设计过程框架。为概念设计理论和实践进行了积极有效
的探索，为具体概念设计系统的开发奠定了基础。

1多级创新概念设计过程

1.1多级创新设计过程模型
概念设计的目的是实现产品的功能需求，而功能设计的核心是创新。所以，如何有效地支持产品创新
设计就成为了概念设计模型优先考虑的问题。公理化设计(axiomaticdesign)模型【8】将设计过程描述为用户
域、功能域、物理域和过程域间的“之”字映射过程，从整体上为产品设计过程展示了完整的设计范式和
一般规律。其不足是对设计中的创新过程缺少具体的应对策略。系统化设计(Function-Structure)模型[9]则将
设计过程分解为建立功能结构，寻求功能载体解和组合载体解的具体过程。并通过行为空间的拓展，为概
念设计过程提供了行之有效的创新手段。它的不足是因过多关注设计过程中的冲突解决策略而忽略了对设
计过程的整体表现能力。鉴于两种设计模型的特点，本文将描述整体的公理化设计模型和行之有效的FBS
模型相结合，利用可拓理论[10]中的各种拓展方法，提出了一种基于多级创新的概念设计过程模型。将整个
产品设计过程定义为需求域、原理解域、载体域、拓展域和方案域间的多级映射过程，并在不同阶段，采
用多种创新策略，使整个概念设计的创新过程在各映射域间依次逐级实现，如图1。

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20050610033)
作者简介：李文强:男，1976年生，四川大学制造科学与工程学院博士研究生,主要研究方向：产品概念设计。

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图1多级创新概念设计过程模型

1.2多级映射中的创新策略
创新设计是借助创新思维策略在常规设计基础上实现的。创新思维策略通常有三种方式：转换已有概
念空间、探索新的概念空间和组合熟悉概念空间，它们需要通过不同概念空间集合间的映射过程来实现。
本文通过将概念设计过程定义为包含四步映射过程的一个整体系统，使设计信息在不同的设计特征域间进
行转换，为创新思维的实现提供了广阔空间。具体设计特征域间映射过程如下：
1)用户需求域到原理解域的映射：这个映射是利用功能匹配方法，在原理解功能库中搜索实现用户主
要需求功能的最初原理解。尝试以多种知识途径解决用户需求功能，扩展已有概念解空间，这一映射过程
决定着设计方案解的多样性和创造性。
2)原理解域到载体域的映射：以行为要素为信息桥梁，对搜索到的最初原理解建立功能模型并实现对
应载体解。通过设计要求对所建模型进行评价，确定该原理解设计系统中的局部功能冲突和功能载体冲突，
完成概念冲突空间的转换，为概念设计创新空间的进一步拓展开辟道路。
3)载体域到拓展域的映射：对具体原理解设计系统中的所有冲突，利用可拓理论的各种拓展机制，最
终消除全部冲突，从局部上对设计过程进行拓展和创新。
4)拓展域到方案域的映射：通过对各满意载体解进行组合算法，在基于最少设计信息和最短求解路线
的评价策略下，确定出一条最佳的方