基于問題方案共進模型的設計知識獲取方法

劉 征 魯 娜

1.中國美術學院，杭州，310024 2.浙江財經學院，杭州，310028

基于問題方案共進模型的設計知識獲取方法

劉 征1魯 娜2

1.中國美術學院，杭州，310024 2.浙江財經學院，杭州，310028

為獲取工業設計領域設計過程中的動態知識，提出一種基于問題方案共進模型轉化信息的方法。通過討論工業設計知識基本概念，指出了該領域存在大量隱性知識和創新知識空間不斷擴張的特征。面向概念設計案例，通過口語報告采集過程信息。通過識別知識源，基于已有概念體系定義高價值信息。面向不良定義的設計問題，通過劃分問題空間和方案空間，形成了用于描述創新過程的問題方案共進模型，并構建設計要求與方案本體的基本框架。利用該模型劃定設計過程中的重要節點，面向節點調用本體，并標示本體之間的關系，進而捕捉工業設計知識，采用框架層級結構輸出。最后，通過應用知識獲取管理系統，以閃存U盤的設計知識獲取、轉化為例，驗證了該方法的正確性。

工業設計；設計要求；草圖；本體

0 引言

工業設計是知識密集型活動：一方面，新產品開發需要大量信息資源，以支持設計方案的生成和完善；另一方面，概念設計過程中會產生多種多樣的知識，從而推進設計理論的演化。因此，面向過程的設計知識獲取成為知識資源管理的重要內容之一，它既是知識更新、發現的必要環節，又是概念設計質量提升的有效途徑。

在工業設計領域，知識的獲取、轉化、表達已經受到了學者的廣泛關注。已有研究建立了集成化知識平臺，用于整合用戶與設計師的相關知識，輔助設計師進行協同設計［1］。還有研究提出了基于群體文化學的方法，研究用戶和設計師的隱性知識表達，推動以用戶為中心的設計［2］。此外，還有學者提出了基于知識的工業設計輔助系統，通過對設計師進行口語分析，了解設計思維程序，構建數控機床的設計知識表達和應用模塊［3］。還有學者提出了利用工業設計情境求解問題的方法，通過定義問題情景，求解過程情景、方案情景，基于案例產生方案［4］。然而，以往研究存在兩個方面的不足：①僅從感性工學的研究方法出發，局限于用戶及設計師對產品外觀反饋進行探索，知識范圍有待擴展；②設計創新過程的認識仍需進一步深入，對設計創新的底層機制缺乏細致描述，捕捉方法有待完善。

本文通過探討工業設計知識的內涵，指出該領域的知識特征，提出包括信息采集、知識識別和轉化的獲取原則。基于問題方案共進模型，對創新過程進行劃分，通過構建設計要求與方案本體，捕捉動態設計知識。

1 工業設計知識特征

（1）工業設計知識中存在大量的隱性知識有待轉化。面臨特殊設計問題時，設計師雖然可以根據情景作出反應，利用以往的經驗和技巧，迅速地進行識別、轉化，然而過程中采用的知識卻很難定義。這是由于直覺性決策活動是設計過程的主導［5］。設計創新時，隱性知識具有內在性、模糊性和偶然性的特點，難以被明確描述并進行重用。因此，隱性知識有待從機制上入手進行挖掘。

（2）設計知識空間不斷擴張。創新是設計的生命力所在。由于設計思維的差異，新技術與新風尚不斷地涌現，設計創新的內容總是發生著廣泛而深刻的變化。設計知識空間也隨之突破原有局限，向未知領域擴張，因此，有必要應用知識管理系統對創新活動的經驗和知識進行捕捉，擴充知識資源。

2 工業設計知識的獲取

2.1 設計信息的采集

從信息中提取知識，是向設計規則、方法以及系統理論轉化的前提。本文的信息來源取材于面向過程的設計案例，即設計任務過程中集合的各種信息，包含問題初始狀態、問題目標狀態和求解策略［6］。完整的案例是存儲顯性和隱性設計知識的有效機制。本文采取草案分析，又稱口語報告方法［7］，獲取反映設計師思維的言語數據。

2.2 知識源的識別

案例包含的信息眾多，不是所有的信息都具有獲取價值。通過對設計知識作用結果進行初步判斷，能夠識別是否存在有效用價值的知識。主要包括以下兩種方法：

（1）通過比較最終方案與預想結果來判別知識源。新知識如果對設計活動發生了作用，會導致最初預想結果和最終產生的方案存在差異，由此可以判斷知識源的存在。

定義：設計知識Kx產生方案S，S′為預設結果范圍，Kn為新設計知識，則有

（2）通過比較相同設計問題產生的方案來判別知識源。針對同一個設計問題，由于設定了不同的目標和解決方法，常生成不同的方案。追溯產生差異的原因，有可能發現新知識的來源。

定義：Q為設計問題，Sm、Sn為設計方案，Kn為新設計知識，則有

2.3 獲取信息向知識的轉化

在初步判斷信息獲取價值后，將信息轉化為知識。轉化知識的過程可以看作是預設概念對獲取信息的一種定義，即在原有理論知識的基礎上，采用概念、參數描述設計活動和對象的特征。本體是面向內容的概念體系［8］，能夠以一種清晰的方式將信息分解為一組概念和它們之間的關系。這里基于本體對信息進行定義并輸出知識，建立工業設計知識主題。工業設計知識獲取過程如圖1所示。

圖1 工業設計知識的獲取過程

定義：O為本體體系，I為案例中獲取的信息，Kn為新設計知識，信息向知識的轉化表示為

2.4 設計知識的本體輸出

本體具有樹狀層級結構，分為類、子類、槽、側面以及實例等級。根據知識主題每一等級向下分解，下一等級都是對上級內容的詳細解釋。復雜知識主題由多個本體構成，形成網狀的關聯結構。采用本體將設計知識輸出的優勢集中在以下兩個方面：

（1）采用本體有利于領域知識的規范化表達。本體術語具有公認明確的含義，經過本體轉化的領域知識具有一致性和確定性，便于共享和重用。

（2）采用本體有利于知識內容的挖掘。一方面，本體將獲取的信息逐層分解，能夠說明知識的構成要素；另一方面，本體可以定義要素之間的關系，形成相互制約、維系的語義場［9］，便于知識的推理。

在內容上，獲取的設計知識屬于下層附屬概念，即在特定情境下對設計對象細微特征的描述與設想，它們是上層要領性概念的深入和演化。在形式上，獲取的設計知識采用框架的層級形式輸出。框架結構頂層為固定的知識對象，下層逐層分解基于本體表達對象各個方面的屬性。

3 問題方案共進模型

3.1 問題方案共進模型的描述

設計面臨不良定義問題（ill－defined problem）時，設計活動是狀態性行為［10］。多種狀態構成了求解的范圍空間，可劃分為問題空間和方案空間。在認知層面，設計被描述為定義設計問題同產生方案在各自空間中平行發展，相互促進，逐步完善的過程［11］。設計問題提出目標，驅動產生設計方案，根據生成的設計方案提出反饋信息，不斷修正和深化設計問題，直至產生令人滿意的方案。因此，創新不是由問題向方案的一種跳躍性突破，而是一個逐步探索發展的結果，如圖2所示。其中，P（t）指設計要求，S（t）指設計方案，State（n）指設計狀態。

圖2 問題方案共進模型

3.2 基于共進模型知識轉化的優勢

問題方案共進模型在本文主要用于設計信息的初步分類，其知識轉化優勢在于：

（1）該模型有助于創新性設計知識的發現。設計活動紛繁蕪雜，創新手段變化多樣，設計經驗豐富多彩。共進模型在認知層面簡潔地概括了設計活動特征，提供了在較小抽象粒度下進行信息轉化的方法。

（2）該模型有助于隱性知識的顯性化。由于隱性認知是一個從細節附帶知覺向焦點知覺轉向的過程［12］，故獲取背景信息是否全面直接影響到隱性知識的顯性轉化。共進模型面向個體經驗，全面展現了信息的類別和對應關系，有利于知識的衍生。

3.3 基于共進模型知識轉化的步驟

（1）執行工業設計任務，利用口語報告的方法收集各類信息，形成一個設計案例。

（2）對案例進行初步分析，識別其中是否存在具有價值的知識源。

（3）構建設計要求與設計方案本體。

（4）利用問題方案共進模型，將設計過程分段，劃定設計狀態，即重要節點。

（5）針對重要節點，調用相應本體，并標示本體之間的關聯，由上而下定義信息，獲取設計知識。

3.4 基于共進模型的節點劃分與轉化

由問題方案共進模型發現，設計是一個逐步演化的過程，因此，設計過程可以分成不同狀態。通過判斷狀態的轉移，即概念草圖的對象變化，完成狀態的劃分，這里稱為節點。多種多樣的設計活動可以簡化為若干彼此關聯的重要節點，每一個節點由設定要求和繪制草圖方案兩類活動組成。

因此，通過本體定義設計要求、設計方案、兩者之間的關系以及節點之間的關系，來產生對象性和程序性工業設計知識。這里主要包括5個方面，用以下表達式描述：

式中，P為Node（n）設計要求集合；節點Node（n）為設計過程中的重要狀態；S為Node（n）設計方案集合；M1、M2為P、S之間的映射；M3為Node（n）與Node（n＋1）之間的映射；O 為相關本體；K1、K2、K3、K4、K5為產生的工業設計知識。

基于共進模型的信息轉化如圖3所示。其中，K1、K2來源于對于設計要求與方案本身的定義，而K3、K4、K5來源于對設計要求與方案之間關聯的定義。

圖3 基于共進模型的信息轉化

4 知識本體的構建

4.1 本體構建的步驟

構建知識本體是獲取知識的前提，大致分為以下5個步驟：

（1）劃定范疇。根據工業設計活動，特別是概念設計過程所涉及的操作性和對象性領域，劃定知識范圍，列舉重要的術語概念。

（2）修訂概念。由于工業設計領域廣泛，因此需要設計專家參與，建立領域內共同認可的術語概念體系，并對其進行維護。

（3）描述本體。利用框架結構將本體形式化［13］。一方面，通過分類、劃歸層次的方法，構建概念類、子類、槽、側面以及實例等級結構；另一方面，建立概念之間的關系。

（4）評價本體。對建立的本體進行評價和修整，保障本體術語無歧義、邏輯一致、可擴展。

（5）適應案例。由于設計案例千差萬別，故需通過本體操作，標示本體之間的關系，達到本體適應特定情境，精確描述對象的目標。

4.2 設計要求與設計方案本體

設計要求是指待解決問題所包含的內容，預想設計對象應具有的屬性［14］，是構建設計問題的重要步驟。通過羅列活動中的多重目標，設計要求本體規劃整個設計活動的方向，促成設計方案的生成。草圖是一種具有動態性、多義性、松散性和高度集成性的視覺符號系統［15］，是設計方案的載體。基于設計方案本體可以說明設計對象的色彩、材質、形式風格、整體感受，表達設計師的構思，展現多樣化設計方案。設計要求與方案領域本體的總體框架如圖4所示。這里采用protégé完善本體基本框架。

圖4 設計要求與設計方案相關本體基本框架

在常用語義聯系的基礎上，根據工業設計知識領域具體情景，進一步定義本體之間的關系，如表1所示。

表1 本體關系定義

4.3 知識本體的操作

為了適應具體案例，通過知識本體操作和標示本體來有效地獲取工業設計知識。以下主要對本體操作進行規范：

（1）本體分裂。依照結構將本體向下層分解，產生新的具有更小粒度的節點，并繼承上一層本體的特征。KN 為原始節點，KNi、KNj為分裂的新節點，分裂操作表示為

（2）本體合并。將兩個或多個本體向上層聚合，產生具有更大粒度的新節點，并綜合了下一層本體相關的特征。KNi、KNj為原始節點，KN 為合并的新節點，合并操作表示為

（3）本體插入。為準確描述對象，調用插入相關的本體或子本體。KNi為相關本體，插入操作表示為

（4）本體刪減。為準確描述對象，將無關的本體或子本體刪掉。KNi為無關本體，刪減操作表示為

4.4 本體關聯的操作

在設計要求與方案的本體框架式知識輸出后，需建立兩者之間多方面的關聯，以便知識的進一步挖掘、解釋。

（1）節點中設計要求或設計方案自身以框架式表達，層級結構中槽與槽之間的關聯可進一步定義。

（2）節點中設計要求與設計方案之間的關聯定義。除了框架頂端的知識對象關聯外，兩個知識空間不同層次之間的槽也可以建立聯系。

（3）整個設計過程中，兩個知識空間之間的要求與方案本體知識層級之間建立關聯。

5 應用案例

筆者建立了面向工業設計過程的知識管理系統（KAMS），對前述的知識獲取方法進行驗證。移動存儲設備（如U盤）為典型的電子類產品，內部主要由相對穩定的pcb電路板構成，外觀設計在新產品開發中占有重要地位。不同設計師根據自身的經驗，能夠產生多種多樣的方案。以往由于受到開發流程反復、知識管理意識淡薄的影響，工業設計知識的收集常被忽略，導致創意資源的流失。KAMS系統配合知識工程師工作，可以彌補該方面的不足，獲取工業設計知識，供研發團隊共享與重用。

5.1 設計知識獲取系統結構

KAMS系統由6個模塊組成，見圖5。①過程信息采集模塊，知識工程師利用口語報告方法收集設計過程中的信息；②本體構建模塊，基于protégé建立設計要求和設計方案相關本體；③設計知識轉化模塊，知識工程師同系統交互，調用本體轉化獲取的信息；④設計知識庫，將獲取的設計知識以XML形式存儲；⑤設計知識查詢模塊，設計師利用關鍵詞或本體查詢知識；⑥設計知識評價模塊，設計師對獲取知識的創新性、一致性、完整性進行評價和補充。以下著重對設計過程中信息采集、設計知識轉化兩個環節進行介紹。

圖5 KAMS系統的結構

5.2 設計信息的采集

設計信息采集活動由知識工程師組織協調。設計師在接受移動存儲設備設計任務、收集相關信息后，進入試驗場地。試驗場地設有兩架攝像機，分別記錄設計師活動與草圖繪制內容。

設計師要求在2h內完成概念設計的同時，盡可能多地說出當時的想法。作為補充，在事后觀看視頻時，設計師需充分解釋活動目的并作評價，知識工程師就設計內容進行提問。信息采集后，進行初步分類：首先，根據草圖頁數劃分信息，同一頁草圖的信息劃分在一起；其次，根據草圖繪制對象的轉移劃分節點，將言語信息對應；最后，初步標記設計要求和方案。試驗中，設計師共繪制了6張草圖，產生了2個較為完整的方案，收集的部分信息如表2所示。

5.3 設計知識的轉化

設計知識的轉化由知識工程師同KAMS系統交互完成。第2張草圖節點1是設計師在整理思路，規劃方向，是產生最終設計概念的重要階段。知識工程師選擇該節點進行深入挖掘。

首先，知識工程師根據自身經驗，設立“概念生成”知識主題進行完善。KAMS系統支持拖曳操作。知識工程師從控件中選擇“設計過程”、“設計方法”、“設計概念”、“描述方法”等多個本體排布在操作界面上，初步形成知識主題框架。其次，對本體進行操作，增加或刪減子本體，并標示本體之間的關系，使知識主題充分表達案例情景。例如，將“設計概念”本體進行分裂操作，分解為“外觀”、“用戶”、“功能”、“文化”等子本體，將“設計過程”與“概念生成”之間設置為擁有關系等。再次，以框架形式將“概念生成”知識主題進行表達，建立案例中對應信息關聯。將第2張草圖節點1中的言語和草圖信息放入該知識主題的實例中，以便信息回溯。最后，設計師重用設計知識，對知識輸出結果進行評價，完善知識內容。

試驗中的“概念生成”知識主題就是對設計過程早期概念生成活動的方法、內容和影響因素進行闡述。一方面，該知識主題可以幫助設計師在接手設計任務時，迅速進入角色、建立概念，避免自身經驗的局限。另一方面，知識主題為形成復雜的語義網進行知識推理奠定基礎。

5.4 對案例的討論

案例表明，通過該方法獲取設計知識，同設計師以及知識工程的個人經驗有著直接的關系。經驗豐富的設計師在完成設計任務時，運用并產生的設計知識豐富，知識工程師獲取高價值知識的可能性比較大，反之亦然。而知識工程師由于領域的熟悉程度不同，常會產生不同的知識主題。此外，由粒度小的信息向粒度大的知識轉化過程中，知識工程師根據具體情景產生的知識并不完備，還需要進行完善和修正。

表2 采集的部分設計信息分類

6 結論

（1）工業設計知識的獲取建立在預設概念對未知信息定義的基礎上。

（2）面向不良定義的設計問題，設計過程可以概括為設計要求同設計方案相互促進、共同演化的活動。基于以上模型，可以將過程中的信息結構化，獲取知識。

（3）目前，知識轉化方法自動化程度低，如何在保障獲取知識效用的前提下，進行半自動設計知識轉化，是下一步工作的重點。

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Method of Design Knowledge Acquisition Based on Co－evolution Model of Problem ＆Solution

Liu Zheng1Lu Na2
1.China Academy of Art，Hangzhou，310024
2.Zhejiang University of Finance and Economics，Hangzhou，310028

In the industrial design areas，a method for information translation based on the co－evolution model of problem ＆solution was put forward to acquire the dynamic knowledge from design process.The basic concepts of industrial design knowledge were discussed；the characteristics in this area were pointed out，which had a great deal of tacit knowledge and expanding spaces of innovation knowledge.The information of design process was collected by the oral report from the cases of concept design.After the knowledge resource was identified，the high value information was defined by the existing system of concepts.Facing the ill－defined design problems，a co－evolution model of problem＆solution was formed to describe the innovation process by distinguishing the problem space and solution space.At the same time，the general frameworks of ontology for design requirements and solutions were also built up.The important nodes were determined by the above model.And the industrial design knowledge of the nodes was captured by adopting the relevant ontology，and signing the relationships among the ontologies.The format of output was of level structure of frameworks.In the end，the system of knowledge acquisition ＆management was established to test the above methods by the cases of flash disc form design knowledge acquisition ＆translation.

industrial design；design requirement；sketch；ontology

TB472

1004—132X（2011）10—1207—07

2010—07—26

國家自然科學基金資助項目（51005203）

（編輯 袁興玲）

劉 征，男，1978年生。中國美術學院工業設計系講師。主要研究方向為設計過程、設計認知、設計知識。發表論文10余篇。魯 娜，女，1981年生。浙江財經學院藝術學院講師。