多视角的产品概念设计研究范文

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1基于多视角的概念设计表达层次模型

概念设计的利益相关者是与概念设计过程有关的一切人和事，但并非所有的利益相关者都是概念设计的参与者。设计参与者是利益相关者的代表，参与者对概念设计的要求直接影响设计方案，他们的要求就是概念设计需求的来源。参与者通过对概念设计提出要求来获得他所代表的利益相关者的利益。视角是人们观察事物的角度。一方面，从信息的展示角度，恰当的视角可以让观察者更容易抓住信息的本质；另一方面，从观察者的角度，观察者只会关心信息中感兴趣的那一部分，其他视角的信息没有多少用处。与产品概念设计相关的利益相关者很多，有产品前期沟通人员、市场营销人员、产品策划人员、外观造型设计人员、工业设计人员、结构设计人员、工艺设计人员、质量管理人员和产品经理负责人等。结合产品概念设计的现状，通过对概念设计的利益相关者和设计参与者的分析讨论，得出主要参与到产品概念设计过程中的设计参与者共有五类，分别是用户、概念设计者、产品经理、结构设计者和工艺设计者。这五类人员参与概念设计过程，从各自角度关注特定的产品设计信息，对在概念设计过程中形成最终的产品概念设计方案起不同的作用：用户关注产品功能和概念模型，表达对产品的需求；概念设计者进行产品概念设计，从分析用户需求到产生概念方案，关注与功能相关的实现原理、行为和结构；产品经理倾听用户需求，关注市场及产品总体竞争性，做各种复杂决策，保证设计顺利开展等；结构设计者辅助概念设计者，对产品进行简单设计，关注产品功能结构的具体完成形式及其合理性；而工艺设计者关注的是产品的可制造性及功能结构材料对工艺流程的影响。因此，将五类设计参与者的关注视角作为产品概念设计表达研究的五个视角，在产品概念设计过程中选择合适的表达视图，将需要的设计信息展示给适当的设计参与者。

基于多视角，结合概念设计的研究现状，本文构建了基于多视角的概念设计表达层次模型，此模型包含四层三映射。整个结构分为设计参与者层、概念设计过程层、表达视图层、视图生长层4层，各层的主要功能描述如下：（1）设计参与者层指参与概念设计的相关人员，如上述五类。他们是进行产品概念设计的主体，同时也是多视角的构建基础。（2）概念设计过程层相当于工作流，按照时间的顺序描述概念设计过程的进行，划分为机会识别、方案产生、方案评价和方案输出。（3）概念设计表达层包括概念设计过程中产生的概念设计信息，其表达形式多种多样。运用各种概念设计方法和工具能够产生各种概念结果，如质量屋、功能分解图和概念草图等。概念设计表达层是设计参与者进行概念设计活动的产物。（4）视图生长层概念设计表达层中的每一类视图的形成都有一定的流程，遵循一定的规律，每一类表达视图亦或存在多种方案，即视图具有多粒度性。概念设计信息流主要表现为向下传递和向上反馈，向下传递的是上层的设计信息，向上反馈的是设计参与者对上层设计信息的意见、变更建议等。整个多视角概念设计表达层次模型以设计参与者为中心，存在三种映射关系，各映射实现的功能描述如下：（1）Map1多视角概念设计通道实现机制Map1表示各类设计参与者进入适合其视角的设计入口进行概念设计，各类角色能够在概念设计的任意时间点参与到概念设计中。基于已有的概念设计研究成果，采用各种方法和工具进行概念设计，得到不同的表达视图。（2）Map2概念设计的多视图表达实现机制Map2表示设计参与者与多种表达视图的对应关系。依据五类设计参与者所代表的利益相关者的利益，建立参与者与表达视图的对应关系。有的表达视图只有一类设计参与者关注，有的表达视图则有多类设计参与者共同关注，且对于共同关注的表达视图，各类参与者的关注程度不同。（3）Map3多粒度的表达视图实现机制Map3表示各类设计参与者间的角色交互与操作权限。一个表达视图的形成，有时需要多类设计参与者往复多次设计决策，针对同一表达视图，必须设置各类设计参与者不同的操作权限。在多设计参与者共同参与设计某一表达视图的过程中，协调每类设计参与者间的协作，规定设计参与者的操作权限。Map1，Map2和Map3是并行和相互依赖的关系，基于多视角的概念设计表达视图的研究依赖于上述三种映射。

2映射实现机制

2．1Map1多视角概念设计通道实现机制

多视角概念设计通道。将概念设计过程分为机会识别、方案产生、方案评价和方案输出四个阶段，采用各种概念设计方法与工具进行产品概念设计，将产生与其对应的概念设计信息和结果，称为概念设计表达视图。概念设计表达视图拟采用相对成熟的概念设计工具和方法构建：①在机会识别阶段，采用用例建模的形式，捕捉功能性需求。功能从用例推导出来，功能性创新也在用例建模中完成。另外，顾客需求的表达采用质量功能配置（QualityFunctionDe－ployment，QFD）建模方法，将顾客需求转化为相应的设计要求或控制特性等。②在方案产生阶段，采用功能—行为—结构（FunctionBehaviorState，FBS）方法，致力于寻找概念设计问题的结构化求解方法，结构化地表达设计过程，同时得出规范化的概念表达视图。③在方案评价阶段，采用多属性决策方法，建立评价指标体系、分配权重等，计算总价值，最后得出评价矩阵，决策出最优最合适方案。在方案输出阶段，设计参与者自定义勾选需要查看的表达视图，将视图进行组合，并输出结果，得出合理的概念方案，使其更好地服务于后续设计。在概念设计过程中按照时间顺序输出相应的表达视图，前段表达视图支持后段表达视图的构建。多视角概念设计为各类设计参与者提供相应的设计入口，其操作过程为：（1）在整个概念设计过程中的各个设计阶段、各个时间点，登陆与其对应的设计入口。（2）获取概念设计表达视图库中的概念表达视图，根据其关注视角的不同搜索查看其关注的概念表达视图，然后进行产品概念设计。（3）新的概念设计结果，或者对已有概念设计结果进行添加、修改、评价及反馈，并将所有概念表达视图输入保存到概念表达视图库中。（4）设置感兴趣的概念设计表达视图类型、关注的关键词等，预定向其推送的视图和信息种类。

2．2Map2概念设计的多视图表达实现机制

概念设计的表达视图多种多样。因此，基于设计参与者的不同关注视角，将以上表达视图进行组织分类。例如，在机会识别阶段，用户只表达其对产品各方面的需求，产品经理关注用户需求、技术需求、用例建模图和设计进度表，概念设计者关注用户需求、用例建模图、技术需求、质量屋和设计进度表。对于不同设计参与者共同关注的同一种表达视图，设计参与者关注的程度不同，操作权限也不尽相同，如2．3节所述。按照以上分类，各类角色能够在任意设计时间点进入各自的设计通道，系统根据关注视角向其推送产品已建立的表达视图；各类角色也能根据其感兴趣的关键词搜索需要的表达视图来指导设计。将表达视图按照关注视角分类后，才能实现Map1中多设计通道的功能。

2．3Map3多粒度的表达视图实现机制

在进行产品概念设计时，不同设计参与者共同关注的同一种表达视图的构建往往需要多类设计参与者协同合作完成，当两个或两个以上设计参与者同时对同一表达视图进行操作时，可能会发生冲突；若某一表达视图的建立完全由某一类设计参与者完成，则不存在冲突。设计参与者A和各个概念设计表达视图P间的关系。用A表示设计参与者，则有用户A1、概念设计者A2、产品经理A3、结构设计者A4、工艺设计者A5；用P表示概念设计表达视图。A与P之间的关系有三种：①A不关注P，则A对P不进行任何操作，用0表示；②A关注P，但对P不进行处理操作，A可对P进行评价反馈，将建议反馈给具有更高权限的设计参与者进行修改，P对A也起提示启发作用，用－1表示；③A关注P，且A对P进行处理操作，包括提交、修改、删除等，用大于0的整数表示。对于一个表达视图，若大于0的整数个数多于1，则需设置设计参与者的操作处理权限等级。区间内的整数代表处理权限的高低，1为最高，4为最低。据此构建设计参与者A与概念设计表达视图P间的关系矩阵表。设置好不同设计参与者对同一种表达视图的操作权限后，本文构建了概念设计表达视图的流动方式，任何一种视图的构建都必须经过若干设计参与者的沟通反馈和修改等活动，即每一种表达视图都会在用户、概念设计者、产品经理、结构设计者和工艺设计者等至多五种角色间进行反复流动，直至关注此表达视图的所有参与者都认可通过，方可形成此表达视图，存入表达视图库。如图5a所示，实线箭头表示设计参与者进行产品概念设计，向系统输入概念设计表达视图；双点划线表示同一视图在各类设计参与者之间流动；虚线箭头表示向设计参与者输出已有的或正在构建的概念设计表达视图。当设计参与者对某一表达视图的操作权限为－1时，具有对表达视图的查看及评价反馈权限。若查看后满意，则将表达视图传递给具有更高权限的设计参与者或者输出保存到表达视图库中；若查看后不满意，则将反馈意见传递给该表达视图的构建者。当设计参与者对某一表达视图的操作权限大于0时，则具有对表达视图的构建、修改、删除和评价反馈等权限。

权限较低的设计参与者将其所构建的表达视图传递给权限较高者，若权限较高者查看后满意，则将表达视图传递给具有更高权限的设计参与者进行进一步审查，直至存入表达视图库；若查看后不满意，则将反馈修改意见传回给该表达视图的构建者。每一种概念设计表达视图经过上述流动后，在多类设计参与者之间流动，形成的表达视图具有多粒度的特性。例如对于质量屋的设计。用户与产品经理不关注质量屋。概念设计者将构建好的质量屋提交，结构设计者进行评价反馈，概念设计者进行修改后再次反馈给结构设计者，结构设计者满意后传递给工艺设计者，工艺设计者若不满意则重新流动，若满意则输出构建好的表达视图质量屋，并存入表达视图库。对于概念草图的设计，参与设计构建概念草图视图的设计参与者有用户和概念设计者，结构设计者与工艺设计者能查看和评价视图，而产品经理具有最高决策权。用户进入设计入口，提交U1．1和U2．1两套草图方案。其中，方案U1．1经过概念设计者、结构设计者和工艺设计者的评价反馈后，修改得到U1．2，结构设计者再次反馈评价后，用户再次修改得到U1．3，最终存入表达视图库；而对于方案U2．1，不但用户在得到评价反馈后对其进行修改，最终得到U2．3存入表达视图库，而且概念设计者受到U2．1的启发，在U2．1的基础上设计出草图C1．1，经多次评价反馈修改后最终得到草图方案C1．3存入表达视图库。概念设计者也能进入概念设计者设计入口，直接提交概念草图C2．1和C3．1，进行修改完善后存入表达视图库，或因与某些指标冲突，直接由产品经理删除。整个设计过程是一个往复循环的过程，因此每一个表达视图都按照表2的权限级别，最终确定视图的形式，实现表达视图在各设计者间的交互，而图6所示概念草图的形成过程仅为其中的一种情况。

3系统建模分析

基于上述理论研究能够构建计算机辅助概念设计原型系统的多视角信息管理模块。在建模方面，采用SysML进行功能建模分析。用例图和需求图是SysML的重要组成部分，用例驱动的软件开发方法已在软件系统分析和开发过程管理中得到广泛应用。

3．1多视角信息管理模块实现的功能结构

（1）SysML需求图需求图支持需求的分解，并以树形层次结构表示出来。符号表示需求的分解关系。计算机辅助概念设计原型系统的多视角信息管理模块包含六个子需求，即登录、设计过程管理、概念设计、表达视图管理、资源搜索、帮助，每个子需求下又能分解为更细致的子需求。（2）用例图用例图定义用例、参与者及其之间的通信，从用户的角度描述系统的功能。本文通过用例模型表述多视角信息管理模块的主要功能，分为六个功能组。1）登陆认证功能组设计参与者共有五类，分别为用户、概念设计者、产品经理、结构设计者、工艺设计者，这五类参与者在登录时被授予了不同的使用权限，以实现基于多视角的概念设计建模。2）设计过程管理功能组以树形图与流程图相结合的方式，实现从机会识别、方案产生、方案评价和方案输出的整个产品概念设计过程的导航，且设计参与者在设计的任意阶段可以返回到以前的步骤中进行信息查询或重新编辑。设计过程结束后，整个设计过程被记录下来，以便今后查询。3）概念设计功能组将产品概念设计方法分为系统化设计方法和非逻辑思维方法两类。其中系统化设计方法包括FBS方法、系统设计等；非逻辑思维方法包括头脑风暴法、KJ法（又称亲和图法（af－finitydiagram））、检核表法、六帽思考法、形态分析法等。4）概念设计表达视图管理功能组提供对视图的参考查看、构建保存、入库、修改删除、预定信息等功能。同时，系统的另一个参与者为概念设计表达视图库，这个库将模型进行组织分类，向不同的参与者推荐适应其特有视角的表达视图，并将该特定的表达视图类型存储于系统中，同时根据参与者的预定信息，保存更新其角色资料，以便更准确地推荐视图，使设计参与者能够以自己独立的视角参与产品的表达视图构建。5）帮助功能组包括理论基础说明、操作使用说明、培训教程三部分。采用文字、图表、动画、多媒体和实例等方式介绍系统的使用方法。6）资源搜索功能组采用自然语言搜索方式，从设计资源库中搜索相关信息。

3．2多视角信息管理模块框架

计算机辅助概念设计原型系统的多视角信息管理模块，包括用户层、表示层、功能层和数据层。用户层是五类设计参与者的用户登录层，设计参与者通过登录进入自己对应的设计通道进行概念设计，查看与其所代表的利益相关者相关的概念设计信息；数据层存放的是多视角信息管理模块自带的设计资源数据库、设计过程中产生的表达视图库、设计参与者资料库，以及管理和记录设计过程的设计过程数据库；功能层即应用服务器，是多视角信息管理模块的核心部分，能够实现模块的逻辑功能；表示层主要是将功能层提供的功能表示出来，提供给最终用户使用，对应于图中的客户端。最终用户从客户端登陆，应用服务器端向用户提供设计过程导航，用户能够进入概念设计的任意阶段进行设计操作，同时服务器端根据登录进来的设计参与者的角色类型，决定其能够查看的概念表达视图类型。最终用户能够进行表达视图的参考、搜索及查看，同时服务器也向用户推送其可能感兴趣的表达视图。设计过程的处理是模块的核心部分，服务器端将记录整个设计过程。最终用户能够提交、修改、删除其所建立的表达视图，也能提交对其他用户建立的表达视图的意见和更改建议等，还能够预定感兴趣的信息，服务器将上述用户的预定信息等资料进行储存更新，以便后续推送。最后，用户经过协商一致的表达视图，服务器存储视图。在概念设计的方案输出阶段，用户根据其关注点，勾选表达视图，服务器输出个性化的概念方案。利用本文所述方法，在本课题组CAIP3．0计算机辅助创新设计系统的基础上，在Eclipse环境下，采用Java语言，增加多视角信息管理模块，开发计算机辅助概念设计原型系统的多视角信息管理模块。多视角信息管理模块界面图，它包含七个组成部分，分别为设计参与者通道、设计过程导引、表达视图导引、设计窗口、查看窗口、设计资源搜索窗口和参考视图搜索窗口。五类设计参与者分别登录自己的设计通道，在设计过程导引处选择概念设计阶段，再选择要设计的表达视图，就能够在左上角的“设计窗口”提交、修改构建的功能分解图，也能在右上角的“查看窗口”查看已经建立起来的表达视图，同时利用左下角的“设计资源搜索窗口”搜索其他资源来帮助其设计，还能够利用右下角的“参考视图搜索窗口”对相关的、感兴趣的表达视图进行搜索查看。

4多视角概念设计应用实例

本文以冰茶机的设计为例，展示采用上述方法实现多设计参与者参与的概念设计。冰茶机的工作原理如下：自来水被注入一个水槽或蓄水容器中，茶叶则被放在一个浸泡篮中；当冰茶机被打开时，水通过产品底部的耐热元件加热，经由一个管道“蒸发”到其顶部，然后被引入浸泡篮中并滴在茶叶袋上，茶水则从浸泡篮底的孔中流出并进入一个装满冰的水罐里，从而制出冰茶。在冰茶机概念设计过程中产生的视图种类较多，由于篇幅限制，本文无法一一展示；而概略布局图反映的是产品各模块间的关系，它根据排列方式、配置方式、尺寸比例等要素进行产品布局，作为概念草图的一个雏形，描绘了产品的基本形状和布局，是产品概念方案产生的关键环节。因此，本文以概略布局图的形成为例阐述多视角多视图概念设计理论的可行性。根据冰茶机的工作原理，概念设计者简单地画出了此项产品的组成模块。五类设计参与者对概略布局图的关注程度和操作权限不同。对于概略布局图，产品经理、概念设计者、结构设计者和用户都对自己建立的概略布局图具有提交、修改和删除等权限。其中数字越小，权限等级越高，产品经理的操作权限最高，且权限高者可以更改、删除权限低者创建的表达视图。若在某一视图或某一细节处出现冲突，则遵循权限高者的意见。工艺设计者的操作权限为－1，表示工艺设计者关注概略布局图，但不可对其他设计参与者提交的概略布局图进行修改等操作，只可对概略布局图进行反馈评价，将建议反馈给具有更高权限的设计者。首先，用户进入冰茶机概略布局图的设计，提交了两套方案，然后，概念设计者、结构设计者、工艺设计者和产品经理也进入了设计、查看和反馈的过程。为了更好地展示各类设计参与者的设计、反馈和评价等过程，描述后台的设计思路和方向，绘制出冰茶机概略布局图在多类设计参与者间的生长过程图。概念设计者参考用户方案U1．1，进行变式设计，提交了三套概略布局图方案C1．n，C2．2和C3．2。其中：方案C1．n将浸泡篮和水箱叠加起来，置于茶水盛放容器左侧；方案C2．2将浸泡篮和茶水盛放容器叠加起来，置于水箱右侧，水箱的形状则十分瘦长；方案C3．2相比方案C2．2，缩小了水箱和茶水盛放容器间的距离，使结构更为紧凑。结构设计者对以上三种方案查看后发现，用户需求中有两项为“外形尺寸小”和“质量轻巧”，但这三种拼合式的方案都会导致外形尺寸较大，整体形状稍显臃肿；工艺设计者认为，叠加式产品相比拼合式产品，更容易实现加工和装配，建议返回给概念设计者，概念设计者赞同并删除了这三种方案。与此同时，概念设计者将用户方案U2．1作为灵感来源，再次进行变式设计，经过反复思考修改，采纳了结构设计者和工艺设计者的建议，这四套方案使得冰茶机有较为轻巧的结构，区别在于三个部分之间的叠加顺序不同。经结构设计者、工艺设计者和产品经理查看满意后，存入表达视图库。冰茶机概略布局图的生长过程阐述了多视角多视图的概念设计表达过程。五类设计参与者参与协作，形成了冰茶机概略布局图的多套方案多个表达视图，体现了概念设计过程的多视图性和多粒度性。概念设计者视角下，冰茶机概略布局图设计过程的模块界面图。概念设计者首先查看了结构设计者和工艺设计者对概略布局图C3．2的建议，结构设计者认为，C3．2是拼合式的设计，会导致底面积和体积较大，在考虑用户需求“外形尺寸小”、“质量轻巧”的情况下，建议删去此方案，采用叠加式设计；工艺设计者认为，叠加式设计相比拼合式设计，更容易实现加工和装配。概念设计者再次确认了用户需求，删去了C3．2，继而采用叠加式的设计方法设计出概略布局图C4．4，提交至表达视图库。

5结束语

本文建立了基于多视角的概念设计表达层次模型。分析了基于多视角的概念设计表达层次模型的主要层次、映射和功能，探索了概念设计过程中产生的表达视图，研究实现功能的各映射机制，完成整个概念设计过程。利用该方法，各类设计参与者能够快速精准地获取其关注的特定视角的设计信息，得出合理的产品概念设计方案；同时，设计参与者能以各自的视角进行创新性思考，提高了产品创新设计质量和效率。该研究为产品概念设计研究提供了一条新思路，但其中还有很多问题有待进一步研究，如多视角信息管理模块的完善问题、辅助机电领域解决实际问题的研究、概念设计表达视图的进一步完善等。

作者：姜莉莉李彦李文强熊艳单位：四川大学制造科学与工程学院