基于可拓實例推理與用戶需求的產品設計方法

付文娟 呂健 于佳雯 張正明

關鍵詞：可拓學 實例推理 基本需要 感性需求 產品可拓設計

引言

隨著經濟全球化的飛速發展，各行業市場競爭日益激烈。對于產品開發企業而言，產品不僅要快速適應市場的變化，還要最大程度地滿足用戶的需求，提升產品功能、結構、外觀等各項用戶滿意度。因此，快速準確的產品設計方法成為企業及學者的重要研究內容。

用戶需求的獲取是產品開發設計的起點[1]，用戶需求是多維度、多層次的，有部分需求屬于用戶的基本需求，可轉換為產品的功能，可拓學中將這部分“用戶需求”定義為“用戶需要”[2]。另一部分需求涉及用戶的情感，對應的是產品的風格特征，是客戶的主觀認知行為，被稱為用戶的感性需求。

可拓實例推理作為一種利用實例、經驗及可拓學知識進行推理的問題求解機制[3]，對于準確把握用戶需求、改進已有產品從而實現產品創新具有較大的現實意義。已有學者運用可拓學及實例推理（Case-based reasoning，CBR）[4]知識對設計中的矛盾問題進行了不同程度的分析，趙燕偉[5]將可拓學中“距”的概念引入CBR，并應用于油鋸實例配置設計，驗證了可拓實例推理方法的可行性。呂云隆[6]采用可拓學第三創造法，對現有馬鈴薯收獲機的作業功能與外觀進行改進。朱上上等[7，8]將隱性的感性需求及文化語義與可拓學相結合，對基于用戶隱性需求的產品研究進行可拓推理。上述研究推動了產品設計方法的發展，但對于用戶多維需求及實例的拓展運用仍有所局限，基于此本文提出一種基于可拓實例推理與用戶需求的產品設計方法。

一、基于可拓實例推理的產品設計方法

本文考慮已有產品的可借鑒性及用戶需求多維度、隱蔽性的現狀，對產品進行設計方法研究，建立了基于可拓實例推理與用戶需求的產品創意生成的一般流程。首先，將收集的實例樣本進行分解，得到影響產品風格及功能的關鍵設計部件，從而建立產品實例庫。其次，通過焦點小組針對現有產品進行需求分析，將用戶需求分為基本需要與感性需求；分別對兩類需求信息進行可拓設計建模：針對基本需要，將其從用戶需要事元映射到產品功能事元，結合實例庫進行拓展分析，生成產品創意集；針對用戶感性需求，對風格部件元素庫中各元素進行篩選，結合風格特征評估實驗及聯合分析，得到風格部件可拓元素庫中各元素在風格特征評估下的權重與貢獻率，以此量化感性需求與產品風格特征評估值的映射關系。最后，采用ROS仿真技術進行創意方案仿真[9，10]，專家參考仿真結果為產品創意的優劣進行打分。根據優度評價方法得出各產品創意的功能特征優度，結合風格特征評估值，選擇較優的創意以形成最終設計方案。具體方法研究框架如圖 1所示。

二、產品實例庫搭建及用戶需求獲取與表征

（一）產品實例庫搭建：產品實例庫是設計支持系統的重要組成部分，不僅為后期設計實踐提供資源路徑，也能滿足新方案的知識獲取與聚類。搭建實例庫首先需從網絡、文獻、著作以及國內外同行企業中搜集目標產品樣本，采用共軛分析法及形態層次分析法[11]對樣本進行分解。其次對影響產品功能特征及影響產品風格特征的設計部件，分別整理其方案、功能、材料、工藝等方面的詳細資料，建立形式化表達產品部件共軛部的各種基元模型，從而構建產品實例庫。

根據實例庫內容進行劃分，可將產品設計實例庫分為功能部件元素庫及風格部件元素庫。根據基元表征方法，設實例庫中所有部件集合為S={S1，S2，...Sn}，可將Si 表征如下，其中O為部件分類，C為部件案例，V為案例知識，即案例的具體儲存內容。

（二）用戶需求獲取與表征：用戶滿意度動態影響著產品的市場占有率，為滿足用戶多維度的需求，對目標產品及相關產品的結構、功能及造型特征進行分析，獲取用戶的基本需要與感性需求。基本需要對應產品的結構、功能特征，滿足用戶的行為需求；感性需求對應產品的風格特征，滿足用戶的情感需求，通常以一系列感性意象語意詞匯來表達。為避免獲取的用戶需求信息片面，本文采用焦點小組與數據挖掘相結合的方法，以保證用戶需求信息獲取的準確性與全面性，此外，為確保信息的時效性，獲取用戶對目標產品實時情感傾向及需求分布，采用數據挖掘相關方法獲取網絡評價等感性數據[12]。基于可拓學，可將用戶需求用事元模型表示為：

三、基于可拓實例推理的產品設計方法的一般步驟

（一）用戶基本需要可拓設計建模方法

綜合實例庫對用戶的基本需要進行可拓設計建模，可得到滿足功能需求的產品創意集。

1.基本需要事元與功能事元的映射。用戶的基本需要應與產品功能相對應，因此可從用戶需要出發，構建需要事元與功能事元的映射模型，輔助高效準確地研發新產品。文獻[13]指出功能事元的映射是在需要事元中賦予一系列特征及相應的量值實現的。產品的功能事元應包含具體的使用動作和使用工具，其中工具為一個完整的產品或產品的某一個模塊。當Ofi =Oni，Cfi =Cnij，Vfij =Vnij，j =1，2，...，s 時，需要事元與功能事元的映射關系可表示如下，工具量值Mi為實現功能模型Afi的部件物元。

2.功能事元的拓展分析。可拓學中的拓展分析包括發散分析方法、蘊含分析方法、相關分析方法和可擴分析方法。其中，發散分析可將一個功能事元Afi從多特征及量值的角度出發進行拓展，得到與需要事元對應的多個功能事元。蘊含分析可使某些難以直接實現的功能，通過實現與該功能有蘊含關系的功能，達到實現該功能的目的。

3. 產品創意集生成。對實現功能模型Afi的部件物元Mi進行物元分析，從滿足需要的可能方向出發，檢索功能部件元素庫，并根據領域知識對部件物元進行拓展分析，可得到多種新的產品創意。邀請專家設計師，根據產品設計相關知識，初步剔除部件組合不合理、成本過高及工藝過于復雜的方案，形成產品創意集。

（二）用戶感性需求可拓設計建模方法

對用戶感性需求進行可拓設計建模，可量化感性需求與產品風格特征的映射關系，具體步驟如下：

1.風格特征元素集構建。通過感性意象語意初篩，應用多元尺度分析法及SPSS層次聚類分析法，對前期焦點小組從相關網站、文獻、產品型錄中提取的感性意象語意詞匯知識建模，生成產品風格特征元素集。

2.風格部件可拓元素庫構建。對風格部件元素庫中各元素進行篩選，借助可拓設計變換實現產品設計部件的二維圖形表達。可拓設計變換的方式包括增加、刪減、置換與分解等，通過分析對不同的風格部件應用合適的變換方式，將得到的二維圖形設計元素進行知識建模，從而建立產品風格部件可拓元素庫。

3.風格特征評估。借助語義差異法進行產品風格特征評估實驗，借助統計學中的聯合分析[14]，將評估實驗的數據輸入SPSS，根據數據分析結果構建多維線性模型，從而量化風格特征與產品部件可拓元素之間的映射關系。

（三）設計創意的優選及方案生成研究

1.功能特征評估。結合專家評估及可拓創新方法中的優度評價法，對產品創意集進行功能特征評估。根據產品實際使用場景搭建仿真環境，基于ROS軟件對產品創意集進行仿真實驗，并邀請相關專家根據仿真效果進行打分，確定評價特征及評估區間，并確定衡量指標、權重及各指標正域，采用文獻[11]中的簡單關聯函數，計算各方案的關聯度、規范關聯度和優度，從而得到功能特征評估值。

2.綜合優度的計算及方案生成。在產品開發設計中，用戶基本需要滿意度及用戶感性需求滿意度同樣重要。因此，為綜合篩選出滿足用戶需求的產品，需對功能特征評估和風格特征評估得到的數據進行歸一化處理，并求其平均值，從而得到各方案的綜合優度，歸一化處理如式（1）所示。將優選出的最佳方案具體化，形成最終產品設計方案。

四、實例應用

（一）確定研究產品及實例庫搭建

智能化物流傳輸系統作為現代化智慧醫院建設的重要標志之一，其高效運行能力是醫院現代化、智能化的重要保障。當前醫院物流系統中常用的收發站點（箱式物流輸送系統的終端）缺乏匹配使用的AGV，運輸箱通常由醫護人員人工搬動，AGV研發中也較少同時考慮用戶的基本需要與感性需求。根據提出的方法，本文以站點配送AGV為例進行實例應用研究。搭建產品實例庫需對實例樣本進行分解與編碼，通過對網絡、文獻及國內外企業搜集到的134例AGV樣本進行分析，可將AGV分解為影響功能特征的部件和影響風格特征的部件，從而建立AGV功能部件元素庫及AGV風格部件元素庫。功能部件元素庫包含AGV重要硬件部件及各部件實例對應的案例知識。產品的風格特征受產品不同造型部件的共同影響，在搭建風格部件元素庫時，需分析AGV的風格特征。將搜集到的AGV樣本去除特殊樣本及品牌標識，由專家設計師對AGV三視圖及透視圖進行層次分析及分解變換，總結得到影響AGV風格的不同設計部件：整體造型、燈光模塊、移動機構、負載機構：

（二）事元模型構建

邀請某醫療配送AGV開發公司的管理人員、銷售人員和專家設計師組成焦點小組，分析現有AGV的功能、結構、造型特征，并對目標用戶進行實地調研。可將用戶的基本需要和感性需求用可拓學中的事元模型表示為：功能類（An11、An12、An13、An14）操作類（ An 21、An22）及用戶感性需求類（An31 、An32）。

（三）用戶基本需要的可拓分析

將需要事元Anij映射至功能事元，可得到功能事元合集{Afij }。限于論文篇幅，僅列出An13的映射過程：

在待設計AGV中，M1為實現功能Af 13的部件。對功能事元Af 13進行發散分析，并根據領域知識檢索功能部件元素庫，對功能事元集中的各個工具M進行拓展分析，可得到Af 13的功能事元集。

對于難以直接在功能部件元素庫檢索得到的工具M，需對M對應的功能事元進行蘊含分析，得到較易進行實例庫檢索的功能事元。文中對Af 132進行蘊含分析，獲得的蘊含分析模型如圖2所示。

由于醫院收發站點多為雙層站點，且多為傳送帶運輸，因此當待設計AGV與站點等高時，也可實現自動獲取運輸箱，功能事元Af 132的蘊含分析模型中：

以需要事元An13的可拓分析為例，對每一個需要事元進行分析，可得到不同功能部件組合而成的多個產品創意。本文僅對調研得到的需要事元進行討論，對不包含在內的功能部件用市面上常用的部件進行補虧變換。專家設計師對多個產品創意進行初步篩選，得到AGV產品創意集：{R}={R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，R10，}。限于篇幅，文中僅列出產品創意R1，R2，，R3，：

（四）用戶感性需求的可拓分析

通過多元尺度分析法及SPSS層次聚類分析法，對焦點小組提取的適用于AGV的感性意象語意詞匯進行分群，得到6組感性意象形容詞對——S1：現代-傳統、S 2：舒適-別扭、S 3 ：精致-粗獷、S 4：耐用-易壞、S5：簡約-繁復、S 6：輕巧-厚重。生成AGV風格特征元素集：

借助可拓設計變換，可實現AGV風格部件元素庫中具體元素的二維圖形表達，以整體造型PTA為例，先篩選出具有代表性的整體造型部件元素，由于AGV整體造型的形態特征線中包含對最終展示效果影響較小的形態線，因此需要對其進行可拓設計變換，如下表所示。

根據表1所述步驟對篩選出的整體造型及燈光模塊所有相關部件進行增刪變換，得到整體造型部件可拓元素庫PTA和燈光模塊部件可拓元素庫PTB：PTA=[PTA1，PTA2，PTA3，PTA4，PTA5]，PTB=[PTB1，PTB2，PTB3，PTB4，PTB5]。由于AGV移動機構及負載機構的部件元素難以提取形態特征線，故以其常見部件類型進行形態劃分。得到移動機構部件可拓元素庫 和負載機構部件可拓元素庫PTD：PTC=[PTC1，PTC2，PTC3，PTC4]，PTD=[PTD1，PTD2，PTD3，PTD4，PTD5]。其中PTC1、PTC2、PTC3、PTC4分別代表移動機構為隱藏式、半露式、小輪、大輪。PTD1、PTD2、PTD3 、PTD4、PTD5分別代表負載機構為機械臂式、傳送帶式、多層式、抽屜式、艙門式。綜上所述，對各部件可拓元素進行編碼，得到AGV風格部件可拓元素庫：

借助語義差異法對AGV設計風格進行評估測試，具體實驗流程如下：（1）樣本選擇。焦點小組從搜集到的134例AGV樣本中選出具有差異化的典型樣本25例，結合表2，每個樣本均可被表達為相應的設計部件編號組合。（2）被試選擇。邀請35名被試者，其中男性19名，女性16名，由設計專業在校學生及醫護人員組成。（3）實驗過程。將25例樣本與6組感性意象形容詞對結合，應用語義差異法制作七點量表評估問卷，要求被試在觀察所給樣本后，對25例AGV樣本的風格特征進行意象語義評價。其中每組詞匯左端對應“1”，右端對應“7”，中點為“4”。以“現代—傳統”為例，左端“1”表示非常現代，中間“０”表示中等，右端“7”表示非常傳統。將實驗得到的評價數據輸入SPSS進行聯合分析得到AGV各部件可拓元素在風格特征評估下的權重Vx /%與貢獻率Vy，如表3所示。

用戶對AGV在某感性需求下的風格特征評估值為S，該值可通過多維線性模型進行量化表達，如式（2）所示。通過多維線性模型可根據用戶的感性需求推導出對應的AGV部件元素設計組合方案，也可計算不同方案在某感性需求下的風格特征評分，實現雙向推理。

其中：S i為產品在滿足用戶某個感性需求下的風格特征評估值；權重Vxai∈（0，1），Vxai +Vxbi +Vxci +Vxdi =1；a，b，c，d分別為不同部件的可拓元素，Voyai，Voybi，Voyci，Voydi為不同部件可拓元素在風格特征評估下的貢獻率；o，p，q，r 分別為對應部件的編號；S為產品在滿足多個感性需求下的風格特征評估值。

AGV產品創意集中，僅負載機構屬于風格部件可拓元素庫，即表2中的部件D，因此需計算出滿足用戶感性需求的最優ABC部件組合，根據式（2）計算得到最佳部件組合為A4、B3、C2。加上不同部件D的值后，可得各產品創意的風格特征評估值，見表4。基于風格部件可拓元素庫及產品創意集可生成各產品創意方案草圖，產品創意方案草圖推演過程如圖 3所示。

（五）產品創意優選

為從產品創意集中選出功能較優的創意，根據AGV產品設計特點，對產品創意集進行功能特征評估。首先，利用ROS仿真進行產品創意的首次評價。將收發站點按真實比例建模作為仿真環境，選擇較大尺寸的標準周轉箱（660X450X350，單位mm）作為運輸物品，將識別并自動運輸周轉箱作為AGV仿真測試的參考標準。將仿真評分區間定義為[0，10]，低于6分則表示方案應用價值低，需剔除。邀請專家設計師根據仿真結果打分，評分結果如表5所示。可知R5的評分低于6分，需剔除該產品創意。

其次，計算各方案的關聯度、規范關聯度和優度，對仿真評價后的產品創意集進行篩選，以得出較優的AGV產品創意方案，具體操作如下：（1）確定評估區間。通過調查問卷，邀請專家對滿足功能需要的產品創意進行初步的定量化評估，根據問卷結果，得出評估區間為[0，10]。（2）確定衡量指標及權重。產品的衡量需從技術、經濟及社會層面考慮，文中選擇成本、功能效果、結構合理性及穩定性作為AGV產品創意的衡量指標。根據專家意見，各衡量指標的正域分別為<130000，200000> ，<6，10>，<5，10>和<6，10>，即衡量指標分別為：MI1=（成本，<130000，200000>），MI2=（功能效果，<6，10>），MI3=（結構合理性，<5，10>），MI4=（穩定性，<6，10>），且對應的權重分別為0.3，0.35，0.15，0.2，其中最佳成本為160000。

檢索功能部件元素庫，選擇性能較好且價格合理的最優部件作為產品創意方案的部件，根據核心部件的總體價格，可計算出產品創意方案的成本；根據仿真評分結果可得功能效果的分值，結構合理性及穩定性分值則由專家打分得出。各衡量指標的分值如表6。

（3）計算關聯度、規范關聯度和優度。根據表 6及各指標正域，采用簡單關聯函數對指標關聯度進行計算，根據計算所得的指標關聯度可進一步計算出產品創意的規范關聯度和功能特征優度Cg，如下表所示。

風格特征評估值越接近1表示方案越滿足用戶簡約、現代的感性需求，越接近7則表示方案越不符合用戶感性需求，因此用7減去風格特征評估值，并歸一化處理，可得到產品創意風格特征優度 。對產品創意功能特征優度 進行歸一化處理，可得到產品創意風格特征優度Cf。對產品創意功能特征優度Cg進行歸一化處理，與風格特征優度Cf求均值后，可得到各產品創意方案的綜合優度：

根據表 8可知，對需要事元An進行可拓分析得到的產品創意集{R} 中，產品創意方案R3綜合優度最高，故R3為最佳產品創意方案。將R3具體化，形成最終設計方案，AGV的外觀效果圖如圖 4所示。

該方案的創新點主要有：（1）對用戶的基本需要及感性需求進行了較為全面的分析，運用文中提出的方法進行產品設計，最終生成的產品創意R3不僅滿足了產品的功能需求，提高了醫院物流系統的運輸效率，減少了醫護人員的工作量，而且在風格特征上滿足了用戶的感性需求。（2）基于已有產品的可借鑒性搭建了實例庫及AGV風格部件可拓元素庫，生成的產品創意R3借鑒了較優的成熟案例，減少了后續修改，取得了良好的效果。

結論

本文提出了基于可拓實例推理的產品設計方法，根據實例庫內容分類，搭建了產品功能部件元素庫及風格部件元素庫；通過對目標產品調研，分析了用戶的基本需要與感性需求，并對兩類信息分別進行了可拓設計建模；經拓展分析與可拓變換，將用戶的基本需要事元映射為產品的功能事元，形成了產品創意集；搭建了產品風格部件可拓元素庫，并結合聯合分析量化了用戶感性需求與產品風格特征的映射關系；利用ROS仿真和優度評價方法，對產品創意方案集的風格特征及功能特征進行評分，最終優選出滿足用戶多維度需求的最佳創意方案，完成了用戶基本需要及感性需求至產品方案生成的推理。當前研究僅以一種醫療AGV為例進行分析，并未建立智能生成匹配用戶多維需要的定制系統，對于提高方案生成效率與用戶多維需要匹配準確性有待提升。