基于符號語義的產(chǎn)品模塊化設(shè)計原則及應(yīng)用研究

蔡紅梅 林康 劉林剛

摘要 ：針對產(chǎn)品模塊化設(shè)計中出現(xiàn)的用戶個性化定制問題，采用產(chǎn)品符號學(xué)概念建立產(chǎn)品符號語義模型，簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使使用者對產(chǎn)品的設(shè)計思路和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能信息等一目了然。方便了結(jié)構(gòu)信息和幾何數(shù)據(jù)信息在設(shè)計者和使用者之間的傳遞。這個信息在用戶之間傳遞的過程實際上就是設(shè)計者編碼用戶譯碼，然后更加簡便的定制出個性化產(chǎn)品的過程。本文通過符號語義在袋式除塵器的模塊化設(shè)計中的應(yīng)用，初步驗證了這一結(jié)論。

Abstract: For the customization of the product modularization design,we use the product symbol concept to build product semantic modle, and simplify product structure, in order to let the customers have a clear view of the product design idea and product structure. This make the geometry information data pass more convinent between designers and users. This process of information transfer among the users is actually a designer coding and user decoding process, and then customize the individualized product process more easily. This article primarily validates the conclusion through the application of symbols semantics in bag filter modular design.

關(guān)鍵詞 ：符號語義；模塊化設(shè)計；袋式除塵器；概念設(shè)計

Key Words: symbols semantics; modular design; bag filter; concept design

一 引言

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，作為經(jīng)濟增長引擎的制造業(yè)蘊藏著巨大的市場機遇，但同時存在著激烈的競爭。要想贏得未來競爭的勝利，制造業(yè)就必須通過優(yōu)化整個產(chǎn)品生命周期來左端產(chǎn)品上市時間、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，同時還要不斷通過研發(fā)來滿足客戶需求。技術(shù)的不斷進(jìn)步導(dǎo)致產(chǎn)品工程越來越復(fù)雜，企業(yè)必須在不斷變化的環(huán)境中適應(yīng)越來越復(fù)雜的工程技術(shù)。隨著個性化產(chǎn)品需求的增加，產(chǎn)品定制化也越來越明顯，企業(yè)必須創(chuàng)建大量的產(chǎn)品系列來滿足客戶需求。同時企業(yè)必須具備不斷提高創(chuàng)新能力和增加產(chǎn)品的科技含量的方法來滿足客戶日益增長的個性化需求。

企業(yè)一方面可以通過批量化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化來縮短產(chǎn)品的上市周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面還要通過產(chǎn)品創(chuàng)新，保持產(chǎn)品的競爭力來滿足客戶需求。這樣，周期短、成本低、批量大和多樣化生產(chǎn)之間就存在了很大矛盾。如何能夠使產(chǎn)品上市周期短、成本低、批量大、多樣化同時實現(xiàn)呢？

模塊化的產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)可以在保持產(chǎn)品較高通用性的同時提供產(chǎn)品的多樣化配置，因此模塊化的產(chǎn)品設(shè)計是解決定制化生產(chǎn)和批量化生產(chǎn)即周期短、成本低和多樣化之間矛盾的一個途徑。

產(chǎn)品開發(fā)必須滿足消費者的需求并為企業(yè)盈利，即使是為了公共目的而進(jìn)行的開發(fā)，也要顧及開發(fā)的效率。模塊化概念早在20年代的斯堪尼亞（當(dāng)今世界上領(lǐng)先的重型卡車和大型巴士制造商之一，它是一個有著一百多年發(fā)展歷史的瑞典企業(yè)。）已初露端倪[2]。在后來的發(fā)展過程中，這個理念不斷得以實踐及持續(xù)完善。1992年6月的東京國際會議正式提出了并行工程技術(shù)，隨之在此基礎(chǔ)上發(fā)展成為縮短產(chǎn)品設(shè)計周期為目的的快速設(shè)計技術(shù)和方法。系列化、模塊化設(shè)計技術(shù)與方法作為快速設(shè)計技術(shù)與方法的重要組成部分，受到了人們的大力關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，模塊化思想已經(jīng)被用于各個領(lǐng)域，如汽車、家電、建筑、船舶等工業(yè)產(chǎn)品和信息產(chǎn)品的模塊化設(shè)計[1]。模塊化設(shè)計方法無疑給產(chǎn)品設(shè)計者提供了方便。

但是，在模塊化產(chǎn)品設(shè)計迅猛發(fā)展的同時，對產(chǎn)品信息的表達(dá)方面一直是困擾開發(fā)商和用戶的一個難題，不管從哪個角度考慮，產(chǎn)品信息的表達(dá)都欠缺完整性、通俗性和易管理性。往往使使用者無法理解所要的和所給的對應(yīng)原則。這無疑不給個性化產(chǎn)品的定制帶來不便，給使用者制造了定制困難也給開發(fā)者提出了新的挑戰(zhàn)。

產(chǎn)品符號學(xué)的產(chǎn)生是設(shè)計思想史的一次重大變革，它源于語言學(xué)，使用者通過符號語義表達(dá)對產(chǎn)品的設(shè)計有了比較全面的了解，同時，產(chǎn)品概念設(shè)計中對產(chǎn)品細(xì)節(jié)信息表達(dá)的不足之處也得到了彌補。為了滿足快速變化的市場，產(chǎn)品開發(fā)者要盡可能的加快產(chǎn)品的開發(fā)速度同時提高產(chǎn)品的適應(yīng)性。模塊化思想簡化了產(chǎn)品設(shè)計者的設(shè)計過程，符號語義在產(chǎn)品模塊化設(shè)計中的應(yīng)用則為用戶和設(shè)計者之間的交流提供了方便，通過方便的交流途徑使設(shè)計者設(shè)計的產(chǎn)品更好的滿足用戶的需要。設(shè)計者通過符號語義的表達(dá)來描述符號對象及其之間的相互關(guān)系，使使用者對產(chǎn)品的設(shè)計不言自明。

因此，產(chǎn)品符號學(xué)在模塊化產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用快速回應(yīng)了用戶對個性化產(chǎn)品的大批量需求。通過產(chǎn)品信息的符號化表達(dá)，定制信息在使用者和設(shè)計者之間的交流將會更加方便。

二 相關(guān)概念

1 模塊化設(shè)計的概念

產(chǎn)品模塊化設(shè)計就是將產(chǎn)品分成幾個部分，也就是幾個模塊，每一部分都是具有獨立功能，具有一致的幾何連接接口和一致的輸入、輸出接口的單元，相同種類的模塊在產(chǎn)品族中可以重用和互換，相關(guān)模塊的排列組合就可以形成最終的產(chǎn)品。通過模塊的組合配置，就可以創(chuàng)建不同需求的產(chǎn)品，滿足客戶的定制需求 ；相似性的重用，可以使整個產(chǎn)品生命周期中的采購、物流、制造和服務(wù)資源簡化。

模塊化設(shè)計同時達(dá)到產(chǎn)品的低成本和品種多樣化的目的[3]。縮短產(chǎn)品的設(shè)計和制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，增加企業(yè)對市場的快速應(yīng)變能力。但是對產(chǎn)品信息的表達(dá)欠缺，不易于做好用戶服務(wù)。

在軟件的體系結(jié)構(gòu)中，模塊是可組合、分解和更換的單元。在模塊化產(chǎn)品設(shè)計中，應(yīng)遵循的基本原則：

（1）功能獨立性,可以對模塊進(jìn)行單獨設(shè)計、制造、調(diào)試、修改和存儲，這便于有不同的專業(yè)化企業(yè)分別進(jìn)行生產(chǎn)；

（2）互換性，模塊接口部位的結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，容易實現(xiàn)模塊間的互換，從而使模塊更大數(shù)量的滿足不同產(chǎn)品的需要；

（3）通用性，有利于實現(xiàn)橫系列、縱系列產(chǎn)品間的模塊的通用，實現(xiàn)跨系列產(chǎn)品間的模塊的通用[8]。

2 符號語義的概念

產(chǎn)品符號學(xué)的產(chǎn)生來自于語言理論：符號學(xué)。人通過處理符號來交流信息、采取行動。符號學(xué)是研究有關(guān)符號性質(zhì)和規(guī)律的學(xué)科，是交流的一種理論，它的目的是建立廣泛可應(yīng)用的交流規(guī)則[4]。符號學(xué)的應(yīng)用及其廣泛，目前已經(jīng)應(yīng)用到語言學(xué)、建筑學(xué)和工業(yè)設(shè)計等多個學(xué)科。

符號學(xué)的研究始于19世紀(jì)末期，主要有兩個源頭。分別是由瑞士現(xiàn)代語言學(xué)之父費迪南?德?索緒爾(Ferdinand de Saussure)創(chuàng)立的語言符號學(xué)和美國實用主義先驅(qū)查爾斯?桑德斯?皮爾士(Charles Sanders Pierce)創(chuàng)立的邏輯符號學(xué)。索緒爾說：“語言是一種表達(dá)觀念的符號系統(tǒng)。因此，我們可以設(shè)想有一門研究社會生活中符號生命的科學(xué)，我們管它叫符號學(xué)?！盵9]。后來，皮爾士的學(xué)生查爾斯?莫里斯(Charles Morris)創(chuàng)造性地把符號學(xué)分為“語義學(xué)”、 “語構(gòu)學(xué)”、和“語用學(xué)”。

產(chǎn)品語義學(xué)是隨著西方整個人文社會科學(xué)呈現(xiàn)語言學(xué)轉(zhuǎn)向而出現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的一種思潮，主要是基于皮爾士的邏輯符號學(xué)以及莫里斯所劃分的符號學(xué)體系。根據(jù)莫里斯所劃分的符號學(xué)體系，相應(yīng)的產(chǎn)品符號學(xué)包括：

（1）產(chǎn)品語義學(xué)：研究產(chǎn)品造型的形態(tài)與意義的關(guān)系。

（2）產(chǎn)品語構(gòu)學(xué)：研究產(chǎn)品造型與功能結(jié)構(gòu)的構(gòu)成關(guān)系。

（3）產(chǎn)品語用學(xué)：研究產(chǎn)品造型的可行性以及與人的關(guān)系。

因此可以說，產(chǎn)品語義學(xué)是根植于符號學(xué)，并且建立在其理論框架之上的，與符號學(xué)有著不可分割的緊密聯(lián)系。

以符號單元做為模塊化設(shè)計中設(shè)計師的表達(dá)工具，借助符號單元所具有的形狀載體作用及富有的高層次工程語義來實現(xiàn)產(chǎn)品模型的高層次功能描述與低層幾何表示的統(tǒng)一，并與語義相結(jié)合來描述符號對象及其之間的相互關(guān)系，實現(xiàn)了對符號單元抽象化和形式化的表達(dá)[5]。

3 符號語義的表示方法

在產(chǎn)品設(shè)計中符號語義的表示方法可以是樹狀圖的形式，也可以使數(shù)學(xué)公式的形式等等。不管哪種表示方法都是通過符號、字母、數(shù)字等一些元素組成，這些符號代表著一定的內(nèi)涵，通過這些符號將產(chǎn)品的設(shè)計信息傳達(dá)出來供使用者和顧客來參考解讀。

例如：花板是由板、孔、尺寸信息聚合而成。如下圖所示圓弧和字母A表示花板與三個元素之間的聚合關(guān)系。根據(jù)板、孔和尺寸信息的性質(zhì)不同其符號形狀也不一樣，如板和孔是組成花板的零部件用矩形框表示，而尺寸信息時文本形式的則用其他形狀來表示[5]。

樹狀圖表示法：

圖1 組件與元素之間的聚合關(guān)系

公式表示法：公式1

其中ai指組成組件的幾何元素板和孔bj指組成組件的文本元素即尺寸信息。

三 符號語義模型在模塊化產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

產(chǎn)品作為一個符號系統(tǒng)，必然由能指與所指共同構(gòu)成。它從用戶需求開始直至完成功能結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程是一個符號單元逐漸演變的過程。概念設(shè)計當(dāng)中符號單元的演變過程實際上就是各種設(shè)計信息和知識發(fā)生的從功能到符號，再從符號到結(jié)構(gòu)的映射過程。模塊化概念設(shè)計更加形象的表達(dá)了這個演變的過程，每一步的轉(zhuǎn)換都包含了抽象、分解、綜合、迭代、循環(huán)的過程。

基于符號語義的模塊化概念設(shè)計是一個設(shè)計者將用戶功能符號化，分析其功能信息并將其轉(zhuǎn)化為模塊化結(jié)構(gòu)信息，并展示在用戶面前的過程。這個過程本質(zhì)上是一個設(shè)計師與使用者交流的過程。設(shè)計師作為產(chǎn)品形式的創(chuàng)造者，同時也是信息的傳達(dá)者。設(shè)計者界定了需要向消費者傳達(dá)的信息之后，進(jìn)行編碼，將這些信息轉(zhuǎn)化為一定的符號，從而使產(chǎn)品形態(tài)成為傳達(dá)載體，將信息傳達(dá)給使用者，最后由使用者來決定產(chǎn)品的雛形。

圖2 模塊化概念設(shè)計圖解

上圖充分說明了產(chǎn)品設(shè)計的過程，在模塊化設(shè)計中，符號語義的作用是不可磨滅的，產(chǎn)品設(shè)計的過程是一個用戶將信息提供給設(shè)計者再由設(shè)計者將所設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息拿來與用戶交流，然后由用戶將其他一些功能信息傳達(dá)給設(shè)計者這樣一個循環(huán)往復(fù)的過程。

設(shè)計師對產(chǎn)品語義、生成方法以及對用戶理解造型符號的習(xí)慣的認(rèn)識，對于實現(xiàn)二者之間的成功交流來說是非常重要的。

四 應(yīng)用實例

根據(jù)對符號語義表示方法的理解，我們分別用兩種方法來表示符號語義在袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)的模塊化設(shè)計中應(yīng)用。

1 用符號公式的方法進(jìn)行模塊化設(shè)計描述

袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計分為四個模塊分別用s0：結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫模塊，s1：結(jié)構(gòu)CAE模塊,s2：結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊；s3：幫助文件。

（1）袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)可表示為：

,公式2

結(jié)構(gòu)圖文件用ai表示、文本文件用bj表示、對話框文件用ci表示，程序文件有兩種，一種是CAE程序文件用xi表示，一種是優(yōu)化程序用yj表示。

（2）結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫模塊：

，公式3

其中i取0、1、2時為整機結(jié)構(gòu)圖，其余為零部件結(jié)構(gòu)圖；

c0文件指材料性能對話框；

bj表示載荷文件，j取0～14時為型材文本文件，15～24為基礎(chǔ)載荷文件。

（3）結(jié)構(gòu)CAE模塊：

公式4

xi表示CAE程序文件，其中i取0～4時為整機CAE程序，取5～13時為零部件的CAE程序。

（4）結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊：

公式5

C1為快捷優(yōu)化對話框；yi為定制優(yōu)化程序；b25為快捷優(yōu)化結(jié)果文本文件。

（5）系統(tǒng)幫助模塊：

公式6

di表示結(jié)構(gòu)CAE模塊程序當(dāng)中的參數(shù)對照表，包括12個零部件的39個excel表格；

b26表示袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)的工礦定制情況說明；

b27表示系統(tǒng)分析結(jié)果驗證說明；

m表示系統(tǒng)幫助文件和系統(tǒng)簡介。

公式表示法表示模塊設(shè)計情況中，各個模塊之間是相互獨立的，易于讀者解讀和進(jìn)一步使用。而且各個零部件以及他們之間不同的組合關(guān)系、不同的相關(guān)度等都可以用不同的符號來表示再付一個映射表將更加清楚明了,如下所示：

表1 符號名稱對照表

符號參數(shù)名 在系統(tǒng)中的映射

S 袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)

s0 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫模塊

s1 結(jié)構(gòu)CAE模塊

s2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊

s3 幫助文件

ai 圖形文件（結(jié)構(gòu)圖）

bi 文本文件

ci 對話框文件

di excel表格文件

xi CAE程序文件

yi 優(yōu)化程序文件

m 幫助文件

2 用樹狀圖的形式實現(xiàn)模塊化設(shè)計的表達(dá)

對于樹狀圖表達(dá)形式比較直觀，很容易對整個系統(tǒng)形成完整的思想。

對袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)所建立的樹狀符號圖如下圖所示，其中父級和子級的關(guān)聯(lián)關(guān)系有多種包括組合關(guān)聯(lián)、概括關(guān)聯(lián)、實例關(guān)聯(lián)和聚合關(guān)聯(lián)，例如結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫及其下面的三個子級模塊的關(guān)系為概括關(guān)聯(lián)，用圓弧可字母A和三條起連接作用的直線表示；子模塊根據(jù)其屬性的差異用不同的形狀來表示，如結(jié)構(gòu)圖用一個立方體形狀的控件表示；文本說明類的文件用折頁的紙形狀的控件表示等等。

不論是以數(shù)學(xué)公式的方式還是以樹狀圖的方式給出的袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)模塊化設(shè)計的符號表示都使信息在使用者和設(shè)計者之間的傳遞顯得非常方便，以符號語義的形式來傳輸信息有利于用戶對系統(tǒng)的理解。

圖3 系統(tǒng)樹狀圖

通過符號語義在模塊化設(shè)計中的應(yīng)用，更加清楚明了的將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在使用者面前，在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計過程中，便于用戶對產(chǎn)品進(jìn)行個性化定制。解決了使用者和開發(fā)者之間的交流問題，即編碼和譯碼的繁瑣難懂得到了解決。而且，模塊化設(shè)計方法也使產(chǎn)品設(shè)計得到簡化，產(chǎn)品各個零部件的相似性和重用行等特點得到充分發(fā)揮，也便于文件、數(shù)據(jù)等的管理。所以，符號語義在模塊化定制設(shè)計中的應(yīng)用必將使產(chǎn)品設(shè)計尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計等這種讓人頭疼的事情得到緩解。

五 結(jié)語

人的意識過程是一個符號化的過程，思維即是對符號的一種組合、轉(zhuǎn)換、再生的操作過程。符號是人類認(rèn)識事物的媒介，它作為信息載體是實現(xiàn)信息存儲和傳遞的工具，是表達(dá)設(shè)計意圖的基本單元，是設(shè)計師描述設(shè)計對象與設(shè)計過程的工程語言。

本文介紹了符號語義在袋式除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)模塊化設(shè)計中的應(yīng)用。符號語義在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用為信息在使用者和設(shè)計者之間的交流提供了方便，也為功能信息和結(jié)構(gòu)信息的傳遞提供了一種途徑，而且也使系統(tǒng)數(shù)據(jù)便于管理?？傊?，符號語義在模塊化設(shè)計中的應(yīng)用為產(chǎn)品設(shè)計提供了方便，同時模塊化設(shè)計也實現(xiàn)了低成本、個性化、大批量的生產(chǎn)。通過模塊化設(shè)計用戶可以定制出多種個性化袋式除塵器產(chǎn)品，以滿足廣大用戶的需求。

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The application of the semeiology in modular design of product

Abstract Directed towards the modular design method of the structural optimization system, the conception of the symbol and semantic used in the product design can simplify the products structure and convenient the information transform between the users and the designers. Actually this process which pass message to the users can be describe as coding of the products message. This method can give convenience to the users. Paper provides an example which used symbol and semantic conception to help the modular design of the filter bag, and it also verified this conclusion.

Key words symbol and semantic, modular design，filter bag ,conceptual design

作者簡介： 蔡紅梅（1970- ）女，河北邯鄲人，從事計算機管理工作。林康（1983-）男，河北石家莊，從事計算機管理工作。劉林剛（1976- ）男，山西運城人，從事計算機管理工作。

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