设计意图驱动的产品形态设计方法 设计意图驱动的产品形态设计方法

设计意图驱动的产品形态设计方法

  • 期刊名字:计算机集成制造系统
  • 文件大小:633kb
  • 论文作者:杨延璞,刘琼
  • 作者单位:长安大学工程机械学院
  • 更新时间:2020-10-30
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论文简介

第21卷第4期计算机集成制造系统Vol. 21 No.42015年4月.Computer Integrated Manufacturing SystemsApr. 2015DOI: 10.13196/j. cims. 2015. 04. 001设计意图驱动的产品形态设计方法杨延璞,刘琼(长安大学工程机械学院,陕西西安710064)摘要:为减小用户和设计师对产品形态方案的认知差异,将产品形态设计中的设计意图分为设计需求意图、设计编码意图和设计解码意图,建立了设计意图模型,构建了以满足用户需求意图、体现设计师设计编码意图及减小用户解码与设计师编码之间差异为目标的设计意图模型求解算法,探讨了设计意图驱动的产品形态设计过程,研究了基于交互式遗传算法的设计意图求解方法。以家用轿车前脸形态设计为例,分别进行了设计需求意图获取与映射、设计编码意图表达以及交互遗传解码研究,验证了所提方法的有效性。关键词:设计意图;产品形态设计;设计需求;设计编码;设计解码;交互式遗传算法中图分类号:TB472文献标识码:AProduct form design method driven by design intentYANG Yar pu, LIUQiong(School of Construction Machinery, Chang 'an University, Xi'an 710064, China)Abstract: To reduce the cognition difference of product form between users and designers, the design intent in prod-uct form design process was divided into design need intent, design encoding intent and design decoding intent, ancthe design intent model was constructed. A solution algorithm was proposed aiming to meet users' need intent anddemonstrate designers' design encoding intent, and reduce decoding and encoding divergence between users and de-signers. The process of product form design driven by design intent was discussed. Interactive Genetic Algorithms(IGA) was applied to seek an itelligent solution of design intent. The family car face design was taken as an exam-ple to verify the effectiveness of the proposed method by researching design need intent acquisition and mapping, de-sign encoding intent expression and design evolution and decoding based on IGA were researched respectively.Key words: design intent; product form design; design need; design encoding; design decoding; interactivegenetic algorithm程,也是产品信息的进化过程,不仅包括设计师对产0引言品形态信息的编码,还包括用户通过认知过程进行产品形态是产品的物质载体,传达着产品的物的解码。用户需求信息、设计师编码过程与用户解质功能与精神功能,是用户与设计师沟通的重要媒码过程共同构成产品形态设计意图。随着感性消费介。产品形态设计活动始于设计师的表意传达,终与用户体验的发展,如何准确获取用户设计需求意于用户的感受与理解,其核心在于表达与沟通口。图、捕捉设计师的设计编码意图、减小用户解码意图该过程是面向用户需求满足的创意思考的发展过与设计师编码意图之间的差异,成为产品形态设计收稿日期:2014-07-04;修订日期:2014-09-30. Received 04 July 2014;accepted 30 Sep. 201中国煤化工基金项目:陕西省自然科学基金资助项目(2011Q8013);中央高校基本科研业务费资助项MYHCNMH。 items: Project supported by the Natural Science Foundation of Shannxi Province, China(Na. 2011Research Funds forthe Central Universities ,China(No.2014G1251032).868计算机集成制造系统第21卷成功的关键[2]。(1)设计需求意图在产品形态设计中,目前对用户设计需求意图设计需求意图是用户感性认知的反映,是产品的研究集中在用户感性需求的获取与处理,针对设形态设计的目的,属于目的意图。用户感知意象的计编码意图和解码意图分别集中在产品形态方案的形成过程,是从形态元素到形成子意象、再形成总意生成与评价。在设计需求意图研究方面,常用语义象的过程07。因此,用户的设计需求意图既包括感差异(Semantic Differential, SD)法[341] 分析并获取性需求,又包括反映该感性需求的形态元素。感性用户的意象感知,以聚类方法实现对感性需求的降需求是形态元素的语义描述,形态元素是用户感性维处理[57]。对于设计编码意图,文献[8]提出自适需求的外,显化表达。应机制跟踪并捕捉设计师的形态设计意图;文献[9](2)设计编码意图将遗传算法和形状文法结合,通过交互式操作产品.设计编码意图是设计师心理活动的直接体现,形态特征辅助设计编码意图表达;文献[10]构建了是设计师综合运用各方面知识进行创造性设计活动产品基因调控网络模型,用以发现产品形态要素之的综合意图体现,是产品形态设计的直接意图,属于间的关系并辅助设计师进行设计编码。对设计解码过程意图。设计编码意图包括规划意图、策略意图意图的研究主要体现为用户对设计编码方案进行评和执行意图。其中,规划意图为产品形态设计过程.价,常用模糊综合评价法[、灰关联分析法[12]、交制定合适的开发顺序;策略意图为产品形态设计过互式遗传算法[13]、层次分析法(Analytic Hierarchy程的每个阶段制定详细的行动计划;执行意图确定Process,AHP)和逼近理想解的排序(Technique产品形态设计过程的执行方法、步骤与内容等信息。for Order Preference by Similarity to Ideal Solu-(3)设计解码意图tion,TOPSIS)方法[4等。然而,如何同时将设计设计解码意图是由用户参与,对产品形态设计需求意图、设计编码意图与设计解码意图融人产品.结果进行解码并按照一定标准作出决策,从而促使形态设计过程,辅助设计师把握设计需求意图,减小产品形态设计的进一步 决策或优化,属于过程意图。用户解码和设计师编码之间的差异,还有待于进-设计解码意图包括评价意图和决策意图。步研究。产品形态设计过程的设计意图层次关系如图1,本文通过分析产品形态设计过程的设计意所示。图,分别对设计需求意图、设计编码意图和设计解形态元素码意图进行建模,构建了以满足用户需求意图、体设计需求意图关|↑现设计师设计编码意图及减小用户解码与设计师编码之间差异为目标的设计意图模型求解算法,水蒙吃处感性需求目的提出了设计意图驱动的产品形态设计过程,基于交互式遗传算法研究了设计意图模型的求解方设计编码意图设计解码意图|过程意图法。最后,以家用轿车前脸的形态设计为例验证反馈了方法的有效性。策略执行理价决策意图登图查團|意图|1设计意图图1设计意图层次关 系图1.1设计意图分类设计意图(Design Intent, DI)指设计过程中设.2 设计意图建模计者所有心智活动和活动的结果,既包括设计的目令设计意图为DI,设计需求意图为DIN,设计标,又包括对将要得到结果的考虑[5。产品形态设编码意图为DIE,设计解码意图为DIp,三者共同构计主要涉及产品的感性特质[16],其“设计的目标”是成设计意图,表示为满足用户的感性需求,“对将要得到结果的考虑”是(1)设计师创造性思维过程的体现。据此,可将产品形(1)设中国煤化工态设计中的意图分为设计需求意图、设计编码意图对于设MHcNMH性需求集合为和设计解码意图。KN= {KN; ,KN,., KNm},产品形态元素集合第4期杨延璞等:设计意图驱动的产品形态设计方法869为PF= {PF,PF...PF,},满足KN,∩KN;= .8,PF∩PF;=0,则有min F(x) = min[η点|w,(C,-0)l+m点.DIN = ;|w,(D:-0) l]+min21C-D,I;f(PF ,KN) = N(F(KN)∩G(PF))/N(G(PF))≥0mim。2)maxf(x) = max(η 2wCi+ m Zw,D,).(5)式中:F(KN)为用户需求KN映射的形态元素集合;G(PF)为形态元素PF的语义特征集合;N(a)式中:p 和r为用户和设计师对设计意图模型产生为集合a的元素个数;8m为满足KN所需的形态元产品形态方案意象评价的权重,一般而言,办>p。.素PF的比例最小值,且8m≥0;f(PF,KN)=1表η+ nm=1;K为意象评价指标的数目;C;和D;为用示PF能够满足KN,f(PF,KN)=0表示PF不户和设计师对第 i个意象指标的评价值;w;为各个能满足KN ,将大于等于8mn小于等于1的值做进一意象指标的权重,且 w+w+..+wk=1.步细分,可判定PF满足KN的强弱程度。式(5)可进-一步表示为(2)设计編码意图建模max{f(x)- F(x)}.(6)设计编码意图DIg主要反映设计师在设计过(2)设计变量设计意 图模型求解过程有形态程中的规划策略和执行方法,通过综合设计需求意元素变量和意象评价变量两个设计变量。形态元素图与产品约束,最终以产品形态方案的形式表达出变量是设计编码意图模型的输人,意象评价变量是来。设目标产品形态元素集合为TPF= {TPF,设计解码意图模型的输人,对这两个变量的求解结E.,TPF,).则其设计过程的设计编码意图果可直接纳人后续详细设计。可表示为(3)约束空间针对设计变 量,约束空间也分为DIg= TPF士aA(TPF,)士A(PF)。(3)形态元素约束和意象评价值约束两类。建立约束空式中:1≤i≤p,1≤j≤n;A为转换矩阵,代表形态推间如下:理规则(具体使用方法见文献[18]);a>0,p≥0,且PF = {PF,PF..PF.};a,β∈N' ,表示转换矩阵的应用次数。TPF = TPFt,TPF,.,TPF,};(3)设计解码意图建模x=工,.,∈s∈R';设计解码意图DIp包括评价意图和决策意图,x∈[a,b;],i= 1,2,.,d.(7)主要由用户根据评价指标对产品设计方案作出评式中:PF和TPF为产品形态元素约束;x为d维价,实现对方案的选择决策和指导后续方案的改进。决策变量,表示意象评价指标的数目;[a,b.]为意假设经设计编码意图建模得到的目标产品造型方案象指标x;的取值范围。集合为PE= (PE,E,..PE,则设计解码意2设计意图驱动的产品形态设计过程图可表示为DIp = .(4)产品形态设计过程是设计师利用自身知识、经式中:fEv为评价函数,fom为决策函数。验、创意实现用户某种特定需求的过程,用户需求是1.3设计意图模型求解问题的来源和设计的起点[09]。产品形态设计是总设计意图的实现过程是用户与设计师共同参与设计意图,分意图为设计需求意图、设计编码意图和产品形态设计的过程,其目的是将设计需求意图作设计解码意图,各个分意图又可分解并衍生为下一为约束空间,将设计编码意图作为设计可调参数,将级子意图。随着产品形态设计过程的进行,各级子设计解码意图作为设计求解目标,使最终设计方案意图逐步分解成意图单元,直至设计过程完成。意尽可能逼近用户需求。其中有三个关键因素:图单元为不可再分的设计意图,具有直接描述产品(1)目标函数目标函数构建以满足用户需求形态设计各分意图的特征、属性和指标等。设计需意图、体现设计师设计编码意图及减小用户解码与求意图映射为设计需卢华配t积设计编码意图映设计师编码之间的差异为目标。对于任一-产品形态射为设计师H中国煤化工码意图映射为编码方案,目标意象值设定为0,用户意象评价值为用户对产品.CNMHG以此驱动产品C,设计师意象评价值为D,构建目标函数形态设计过程,如图2所示。870计算机集成制造系统第21卷产品形态设计过程设计需求获取创意设计表达设计评价决策设计需求意图设计编码意图设计解码意图感性产品形态规划策略执行评价决策需:元素意图形态需求1元素1头脑创意概念指标1方案1设想图草图需求2元素2.指标2方案2...求需求获取]|需求分析|意「创意思考[设计策略[创意表达1| 指标体系 评价方法思t意图单元考价日实现方法|与|决图2设计意图驱动的产 晶形态设计过程(1)设计需求获取意图,三者在创意思考过程、设计策略选择与设计表设计需求获取过程可映射为设计需求意图分解达过程中同时作用,以头脑风暴图、创意设想图、概过程。感性需求与产品形态元素为二级子意图,可念草图等形式将创意思维可视化,最终形成产品形进一步分解为感性需求意图单元、形态元素意图单态方案。该过程由设计师融合目标产品形态元素与元及其之间的相互关系。感性需求意图单元可通过设计需求获取得到的参考形态元素及感性需求约问卷调查、口语分析、专家访谈等方法获取,并借助束,结合个人创意、灵感、经验等进行设计表达,其呈统计、聚类等分析方法进行降维处理。感性需求意现形式为概念草图、三视图、效果图和样机模型等。图单元与形态元素意图单元之间的关联关系可由灰(3)设计评价决策关联分析、数量化- -类理论等方法建立,获取能够表设计评价决策过程可映射为设计解码意图分解达感性需求的形态元素特征集,为设计师设计编码过程,集中体现用户对产品形态方案的感知,通过用提供参考。户参与评价和决策选择方案。评价意图分解为评价(2)创意设计表达指标意图单中国煤化工炎等方法建立;创意设计表达过程可映射为设计编码意图分解决策意图分YHCNMHG体现用户决策过程。规划意图、策略意图与执行意图构成二级子的方式与决策结果。第4期杨延璞等:设计意图驱动的产品形态设计方法871应度函数3产品形态交互遗传操作K"设计意图分解得到的产品形态元素,是设计意Fit(x)=杂2 ZwC6(x)+U2图视觉化的表现形式之--,构成了产品形态自动求| w(C;(x)一0) 1I+解的基本单元。用户和设计师对求解结果的理解,wD(x>-42Z在一定程度上能够反映他们之间的认知差异,通过K UD产品形态的交互遗传操作,可以让用户与设计师共同参与寻优过程,以保证最终解方案与用户和设计师的相容性。2C,(x)-六2De(x) 1]。(8)由于交互式遗传算法追求满意解而非最优解,式中:Uc和Up分别为参与评价的用户和设计师的而满意解具有不唯一-性[3] ,为了降低用户与设计师数目;C;(x)为第j个用户对第i个意象指标的评价交互操作的疲劳度,本文认为进化过程出现满足要值;D&(x)为第k个设计师对第i个意象指标的评求的满意解时即结束进化操作。算法流程如图3所价值,且C; (x),D* (x)∈[a,b;];0=aXb;,a为用示。首先根据用户需求意图输人产品形态元素单户满意度因子,- -般取0.8~1.0。元,根据目标意象分别进行自动初始化方案和设计(3)算法终止条件师选择产品形态元素初始化方案;然后综合用户评在进化代数约束下,规定当满足如下条件时即终价和设计师评价获得个体适应度值,判断是否满足止交互遗传操作:种群中出现的个体综合评价值超过进化终止条件,满足则输出产品形态方案,否则将最目标满意度值,且满意度个体的数量达到预设值。优个体保存至下一代,其他个体进行选择、交叉、变4实例验证异操作。输入形态元素以汽车形态设计为例,对上述方法进行应用验证。研究表明,影响汽车形态意象的关键特征为车参数设置灯侧面轮廓线与进风格栅[20]。因此,本研究选定车灯与进风格栅作为研究对象,其中车灯包括车大自动初始化方案设计师初始化方案灯和雾灯,进风格栅包括上进风格栅和下进风格栅。(1)设计需求获取初始种群从网站、书刊、杂志、论文等媒介搜集关于家用轿车前脸的感性词汇,去除相近、相似、不合理的冗适应度求解生成余描述,以Likert七级量表建立网络问卷,调查用用户评价设计师评价“户对家用轿车前脸形态的感性需求,经聚类分析和-满足进化、N、选择|设计师聚焦,获取用户期望的意象形容词为时尚、动终止条件2|变异|感。为了将用户感性需求外显化,同时避免同类产输出产品形态方案品可能引起的思维定势,首先挑选128幅除目标产品外的参考产品前脸,包括摩托车、火车、船只、飞行83 交互式遗传算法求解流程器及其他相关交通工具类产品,由两名设计师经初(1)编码方式步分析与相似产品剔除,最终确定46个产品样本作初始形态元素采用二进制编码,染色体由初始为参考样本。对用户期望意象构建Likert七级量形态元素映射的产品形态部件构成。如果初始形态表(时尚(3)-落伍(- 3)、动感(3)-静态(-3)),随元素集合为PF= {PF,PF2,.,PFn},则染色体机选取23名用户对参考样本打分,最后选出得分较可表示为{PF,PF,PF..}.其中PF,,PF,和高的16款产几作为用世花芒产品前脸与汽PF,分别对应相应的产品形态部件。车车灯和进YHCNMHG寸应,所以由设(2)适应度求解计师将参考阳的前胜付证线问几干车灯和进风格根据式(5)~式(6) ,可构建编码方案的个体适栅特征线转换,得到车大灯、上格栅、下格栅、雾灯形872计算机集成制造系统第21卷态线数量均为16,如图4所示。(2)设计编码表达车大为体现设计编码意图,由两名设计师根据形态元素集,同时结合自己对设计需求的理解,再分别对汽需求车前脸的四种部件创意设计两款方案。将设计师所「时尚1|设计的车灯与进风格栅纳人形态元素集,经排列组合可产生20*种汽车前脸方案。对形态元素集中的各「动感下元素采用六位二进制编码(编码顺序为车大灯、上格」栅栅、下格栅.雾灯),初始方案种群由算法自动生成40606可款,设计师通过个人选择生成4款,得到初始方案样本8款。初始设计方案与二进制编码形式如图5图4意象需求与形态元素所示。.101110 110001 101010 101010100110 101010 11001 101100110000 110100 10000 101111101010 100110 11000 101117D110110 110110 110110 110110110111 10111110111 110111111000 11000 11000 11000111001 11001 11001 11001图5 初始设计方案与二进制编码(3)设计解码8名用户和2名设计师共同参与交互设计解码。个体方案评分采用5分制,即a;=1,b;=5。设定时尚与动感的权重均为0. 5,用户与设计师的评价权重分别为0.8和0.2。遗传操作采用轮盘赌方式选择,交叉方式为离散重组,种群规模为8,交叉概率为0.8,变异概率为0. 15,最大进化代数为20,期望得到三个满意个体。相关参数如表1所示。在图6交互操作界面矢量图形软件CorelDRAW X4中应用VBA语言进体满足目标(满意度值大于0),进化过程终止。各行二次开发,构建交互操作引擎如图6所示。代最优个体如图7所示,各代对应的适应度值综合表1遗传操作相关参数设置评价值及用户与设计师认知的差异度变化曲线如图种群规模评价者数量满意8所示。对结果进行分析可知,交互进化解码过程自动设计师编码-叉变异满意进化人具有以下特征:初始化初始化方式用户 设计师概率概率因子代数数量(1)进化过程是收敛的数据表明 ,在交互进化二进制 82 0.80.150.9 20 3.解码过程中方案评价值可能下降加图8b) ,但适应度值均呈增中国煤化工法有较好的全(4)结果分析局收敛性。YHCNM HG经过9代进化操作,得到第2,6和8代三个个(2)方案整体满意度在提升图8b所示为个体第4期杨延璞等:设计意图驱动的产品形态设计方法873 ;石商第0代第1代第2代第3代第4代适应度值Fit(x)=3.10适应度值Fit(x)=3.15适应度值Fit(x)=3.30适应度值Fit(x)=3.35适应度值Fit(x)=3.45综合评价值(x)=4. 05综合评价值f(x)=4. 10综合评价值f(x)=4.55综合评价值(x)=4.25综合评价值f(x)=4.25西京bdabdoao第5代第6代第7代第8代第9代,适应度值Fiu(x)=3. 65适应度值Fit(x)=3. 70适应度值Fit(x)=3. 90适应度值Fit(x)=3. 95适应度值Fit(x)=4. 15综合评价值f(x)=4.20综合评价值f(x)=4.40综合评价值f(x)=4. 60综合评价值f(x)=4. 45图7各代最优个体4.2个5. 0r4.0.83.4警0.7-3.≤0.663. o0.58十234ζδ7893.872345678904123↓56789进化代数七最大适应度值一平均适应度值十最大评价值十 平均评价值b图8 进化过程中的适应度值、评价值与认知差异度值最大评价值呈波动的现象,原因是被试者对进化新图驱动的产品形态设计过程,探讨了基于交互式遗个体的评价值受主观性与疲劳程度的影响,并非一传算法的设计意图求解流程。通过家用轿车前脸的直增加。而平均评价值逐渐增大,且逐渐接近目标.形态设计实验,验证了本文方法有助于设计师把握满意度值,表明被试者对方案的整体满意度在提升。用户需求,减小用户与设计师之间对产品形态设计(3)能够在一定程度上减小用户和设计师的认方案的认知差异。然而,本文的研究还存在不足之知差异度图8c所示为用户与设计师的认知差异处,例如用户需求具有模糊性,无法准确建立向产品度逐渐缩小,但这种差异不可能完全消除,且存在.形态元素的映射关系,尚需通过大量实验进一步将波动用户需求具体化。下一步研究将考虑采用客观方式综上可知,交互进化解码过程能够在- -定程度建立用户需求向设计需求意图的映射机制,使设计上缩小用户和设计师的认知差异,生成满足用户和编码意图表达更为准确有效。设计师需求的方案。第2,6和8代方案作为满意解,可供设计师进- - 步细化设计。参考文献:1] YANG Tsai-Lin, HO Ming Chyuan, LUH Ding Bang. 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