基于案例的工业设计情境模型及其应用

　　摘要：从基于案例推理和认知心理学的思想出发，提出包含问题情境、求解情境和解情境的设计情境概念，并建立基于案例的工业设计情境模型。该模型包含工业设计情境组织框架和情境推理模型。在此基础上以数控机床为对象，对该模型从情境三个方面进行知识表达，初步建立一个基于案例的计算机辅助工业设计系统，并应用到设计实践中。

　　关键词：工业设计;基于案例推理;设计情境;设计认知;设计知识;数控机床

　　O前言
　　以产品造型设计为核心的工业设计是创新设计和概念设计的核心技术，是振兴我国制造业，建立中国品牌的关键共性技术之一。工业设计涉及到艺术学、心理学、美学、人机工程学、工艺和制造领域的各种复杂问题，是一种典型的知识密集型创造活动。
　　基于案例的推理(CBR)的核心思想是通过对过去案例的推理，来获得对于当前案例的解决方法。由于工业设计知识，特别是其与形象思维有关的知识具有很强的经验性和模糊性，因此很难运用一般性、规则性知识进行表达；同时，根据先期进行的工业设计情境认知试验发现，工业设计过程是一个典型的包含从模糊问题开始的概念驱动过程和直接针对设计结果的数据驱动两种思维方式的基于案例设计的过程。在这个过程中，案例和情境扮演了十分重要的角色。
　　从基于案例推理的思想出发，以认知心理学中情境认知的研究为基础，结合基于案例的工业设计情境调研与认知试验和工业设计领域的特点，提出了“设计情境”的概念，并建立了一个基于案例的工业设计情境模型。以此为基础，构建了一个基于案例的计算机辅助工业设计系统，并利用此系统进行了具体的设计实践，对该模型和系统进行了验证。

　　1工业设计情境研究
　　1．1工业设计框架设计是一个从需求到目标的问题求解过程。对于设计知识而言，可以看作一个由行为域、功能域、物理域和过程域构成的设计框架。工业设计关注于产品的用途、外观和信息传达等，是设计领域中以考虑人的使用、审美、情感等为主的设计。工业设计关注用户域主要集中在用户对产品审美似方面的需求，其功能域体现在美学功能固和造型约束。产品审美包括满足生理层面功能需要和满足人的情感层面的需要，前者表现为能用、易用、好用等产品的物质功能，后者表现为风格、产品类别特征和品牌形象等情感功能。为了满足所表达的S和C，在物理域中创造了产品造型设计参数。而过程域通过若干过程变量将上述的映射过程及其内容进行表达。工业设计框架。由于工业设计涉及到大量形象思维以及人的审美、情感等难以量化方面的需求和问题，其设计结果与形态、造型有密切关系，同时，其需求域和功能域描述以及到物理域的映射关系相对模糊和复杂，采用现有的功能域和物理域的关系来构建设计模型和进行知识表达具有一定的难度。因此，以过程域为基础构建的设计案例来表达前面三个域中反映的设计知识，进而构建适合工业设计需要的设计知识模型。

　　1．2设计情境设计情境的概念源于认知心理学中的“情境认知”研究。该研究认为，人的认知与某个特定时间和地点的个人经验有关，表现为对某个曾经经历的情境的认知。从基于案例的观点看，设计情境是一个知识载体，不仅包含与设计直接相关的知识，而且将一些难于直接表达的知识通过案例情境进行表达，表现为一种“过程域”或操作层面上的知识。设计情境较好解决了工业设计域及其映射关系表达的问题，从而具有更大的知识容量。
　　按照设计问题求解的过程，一个完整的设计情境包含三个子情境：问题情境、求解情境和解情境。
　　三个子情境中分别代表了设计问题求解过程中的三个主要阶段，包含了设计者在设计过程中对设计对象(产品)的不同关系。
　　(1)问题情境是对设计问题初始状态的描述，是设计者对设计信息的获取和收集以及对设计问题本身的分析和探索。在问题情境中，设计问题、设计条件及其他限制因素是情境表达的重点。
　　(2)求解情境是设计者根据设计信息和设计问题，结合其设计经验，把设计问题转化为设计解的过程。求解情境是对设计过程的描述，是一个设计知识外在化为产品的过程。在求解情境中，设计者的求解策略、方法和求解步骤等是情境表达的重点。
　　(3)解情境是对问题目标状态的描述，是设计知识外在化的结果。在解情境中，设计结果是情境表达的重点，特别对于工业设计而言，由于解中包含情感和形象思维问题，因而是表达的难点之一。

　　2基于案例的工业设计情境模型基于案例的工业设计情境模型是针对工业设计领域特点的设计情境结构和推理方式，包括情境组织框架和情境推理模型两个方面。
　　2．1工业设计情境组织框架工业设计情境组织包含知识获取和知识运用两个层面。
　　在知识获取层面，由于设计者需要通过某种检索途径获取最终的设计案例，因此直接对设计情境的三个子情境，即问题情境、求解情境和解情境分别进行组织。每个设计情境都是一个由情境特征属性及其描述(值)构成的层次型网络。情境特征属性及其描述值之间的关系并不完全是一一对应得关系，而是按照一定的规则厂来进行组织的。例如，对于问题情境就是通过“问题特征因素集”和“问题描述”之间的隶属度关系来表达。
　　在知识运用层面，设计者主要通过借鉴设计案例的方法、工具甚至案例中设计的结果完成设计任务，因此情境组织应该以一个或者若干个具体完整的问题求解过程——即设计案例来进行组织。一个设计案例包含了三个设计子情境中的每个情境在某个层次上的一个情境描述，并结合过程参数，以构成一个完整的“问题一求解一解”的设计问题求解过程，表明某产品的工业设计过程。

　　2．2工业设计情境推理模型工业设计过程是通过对情境的相似性进行比较，获得最相似的设计案例，在该案例涉及的各个设计情境间进行转换，即案例内部转换；并通过设计情境，从一个案例转换到另一个案例，即案例间转换，如此循环迭代，最后生成一个新的案例的过程。就是一个典型的工业设计情境推理模型。
　　该模型包括工业设计情境推理的四个主要阶段：检索、案例内情境转换、案例间情境转换和案例运用(新案例生成)。
　　(1)检索。检索是基于案例的工业设计情境推理的起点，主要包括概念驱动检索和数据驱动检索两类。概念驱动检索针对设计问题进行逐步求精，将模糊的问题清晰化和系统化。数据驱动检索直接针对设计结果——产品造型进行检索，主要包括造型功能域的检索和造型物理域的检索。
　　(2)案例内情境转换。当设计者检索到一个案例后，可以对该案例所涉及的问题、求解和解三个子情境进行知识获取，这需要设计者在该案例的这三个情境中进行转换，以获得各个情境的知识。
　　(3)案例间情境转换。由于设计者在进行设计时候，可能需要借鉴若干设计案例的优点，如借鉴方案1的色彩方案2的造型，因此需要从某个案例转换到另外案例，获取其他案例的情境和知识。
　　(4)案例运用。案例运用是设计者从若干案例和情境中获取足够知识后，通过派生重用和转化重用等手段，构建新的案例。这样旧的情境就转化为新的情境，旧的产品也转化为新的产品，从而实现设计的创新。

　　3 工业设计情境模型表达实例工业设计情境模型的表达主要是对设计情境的三个子情境进行表达。以数控机床为例，对工业设计情境表达进行探讨。
　　3．1问题情境表达工业设计的问题描述具有很大的模糊和不确定性，更多表现为一种设计限制和设计建议的语言描述，如“设计风格保持一致”、“部件设计考虑和整体关系协调”等。采用基于模糊语义描述的“问题特征”构建情境，即用“问题特征因素集”和“问题描述”之间用隶属度表达问题情境。

　　4 结论
　　工业设计研究因涉及到形象思维问题，一直是设计研究的难点。利用认知心理学和基于案例推理两个领域的研究基础，结合相关试验研究，提出了基于案例的工业设计情境模型，对设计过程和设计形态等方面的知识进行了合理建模，并运用到实际设计活动中，取得了良好效果。
　　由于工业设计问题及其设计过程的复杂性，特别是其中涉及到形象思维的部分仍然有很多问题尚待研究，例如情境模型转换的类比具体机制的具体形式、工业设计需求建模、新情境的产生机制等，目前正在进一步研究之中。