運用基元構建化妝品包裝設計的產品族模型與設計流程

陳濤，王金廣，陸定邦,＊

（1.山東科技大學藝術學院, 山東 青島 266590; 2.廣東工業大學藝術與設計學院，廣東 廣州 510000）

隨著全球化妝品市場的不斷發展，了解消費者偏好并提供客制化產品服務對競爭格局中蓬勃發展的品牌來說變得越來越重要。品牌需要采用創新的包裝設計來滿足消費者多樣化的需求，為此，包裝設計成為化妝品品牌的競爭策略之一。消費者希望擁有獨一無二的化妝品產品，滿足他們的個性化需求。然而，隨著化妝品包裝樣式的多樣化發展，相應的生產成本也逐漸上升，傳統的大規模生產方式已經難以滿足消費者不斷增加的個性化需求。將產品族概念引入包裝設計領域，可以實現包裝的造型、色彩、圖形和材質等方面的模塊化配置，充分利用已有包裝的通用特征和零部件等資源，滿足客戶的個性化需求，提高產品吸引力。同時，這種方法還有助于減少資源浪費、降低開發成本和周期，符合包裝設計的個性化、人性化和綠色化的發展趨勢。

1 化妝品包裝設計問題與策略

化妝品行業屬于一個競爭激烈的領域，而包裝設計在吸引顧客和提升銷售額方面扮演著極為重要的角色。近年來，隨著消費者對個性化產品需求的不斷增長，化妝品包裝設計領域也在持續不斷地創新發展，包括引入新技術（如3D 打印）[1]、采用新材料（如抗菌材料）[2]，以及提供新型服務（如可持續性服務系統）[3]。通過對廣州市化妝品行業的中小型企業進行實地調查研究，筆者發現，與傳統的包裝設計中的二維元素，如色彩和圖形的定制相比，更大的挑戰在于對包裝造型的三維定制，這牽涉到模具的開發。隨著包裝種類的不斷增加，相應的模具開發成本也日益增加。此外，許多化妝品中小型企業在應對市場需求變化時，往往面臨著包裝設計服務不足、成本高昂以及周期長等問題。

因此，在面對化妝品包裝多樣化需求的背景下，企業需具備快速響應市場需求和靈活設計的能力。通過文獻研究與實地調研，筆者發現采用產品族設計可以成為應對這一問題的有效策略。產品族設計具備以下優勢：首先，它能夠快速響應多樣化需求，通過在現有設計框架內調整參數值，輕松創建新的包裝設計，而無需從頭開始設計每個產品，成本相對較低[4]。其次，產品族設計充分利用現有的模塊（公模）進行配置，可在保持品牌產品性能基礎上為不同產品配置個性化的包裝，從而提高客戶滿意度和忠誠度。再次，它能夠以結構化的方式在整個包裝設計周期中進行操作，有助于提高設計過程的可控性和效率[5]。設計師可以在已有的框架內工作，減少了重復勞動。最后，產品族設計以信息集成的方式構建產品族平臺，使得不同產品之間可以共享設計元素和資源，從而提高了產品配置的效率[6]。

2 基元模型化表達

基元理論采用形式化的模型語言研究事物元素拓展創新的方法與規律，用于處理復雜系統問題并尋找可行的解決方案[7]。在此理論框架下，基元模型被視為構成基元理論的核心基礎，其構建方式涵蓋了模型化與定量化的融合。一旦包裝設計問題及其需求以基元的方式進行描述，便可以充分利用基元的可拓性，從而開辟多種設計模塊和配置路徑，為產品族平臺的模塊配置提供了統一的邏輯基礎。這一方法的關鍵在于基元模型的靈活性和多功能性，能夠將抽象的概念與具體的包裝設計需求相連接，從而使得復雜系統的設計變得更具可操作性和可管理性。通過基元理論，用戶能夠更系統地理解問題，并更有效地尋求創新性的解決方案，這對于現代產品設計和系統工程領域具有重要意義。

針對用戶需求，基元模型采用形式化的基元作為設計問題的知識表示(Knowledge Representation)。以“基元”作為描述物質(Matter)、事件(Affair)和關系(Relation)模型的邏輯語言，通常以{Object,Characteristic,Value} 三元組形式分別表示物元M=(Om,Cm,Vm)、事元A=(Oa,Ca,Va) 和關系元R=(Or,Cr,Vr) 的概念[8]，它們構成了基元理論的邏輯細胞，其數學形式化表達如下：

2.1 物元(matter-element)

用物元作為產品本身的模型化表示。以物Om為對象，Cm為特征，Om關于Cm的量值Vm構成的有序三元組：M=(Om,Cm,Vm)作為物元的形式化表示。其中，Cm和Vm構成的二元組(Cm,Vm)表示Om的特征元。物Om的n 個特征Cm1，Cm2，···，Cmn及Om關于Cmi(i=1, 2,···, n)對應的量值Vmi(i =1,2 ,···, n)所構成的陣列：

2.2 事元(affair-element)

用事元描述產品的功能。物與物的相互作用稱為事。把動作Oa動作的特征Ca及Oa關于Ca所取得的量值Va構成有序三元組：A=(Oa,Ca,Va)作為事元的形式化表示。其中，Ca和Va構成的二元組(Ca,Va)表示Oa的特征元。動作Oa的n 個特征Ca1，Ca2，···，Can和相應的量值Va1，Va2，···，Van構成的陣列：

2.3 關系元(relation-element)

用關系元作為產品結構關系的模型化表達。事物之間有不同的關系，這些關系之間又相互作用和影響。關系元是描述這類現象的形式化工具。以關系詞Or的n 個特征Cr1，Cr2，···，Crn和相應的量值Vr1，Vr2，···，Vrn構成的n 緯陣列：

基元模型是一種采用形式化和模型化方法進行設計對象和問題研究的工具，旨在通過定性和定量分析，借助擴展分析和變換組合等方法，深入探索創意方案。這一特性為現有產品族體系結構的知識表示和模塊配置方法提供了一種全新的研究視角。接下來，筆者將運用基元理論來深入分析產品族建模的具體技術。

3 采用基元理論的產品族建模機制

通常情況下，在產品族FBS (Function-Behavior-Structure)模型中，反映了功能域、行為域和物理域三者之間相互關聯的關系[9]。功能域用于表達產品的總體功能以及其子功能目標；行為域則從技術角度描述了產品功能的技術原理；物理域則詳細描述了產品結構的物理組件裝配模型[10]。根據設計思維的理念，進一步引入需求域，以便描述產品設計前端的問題定義。這樣，就構建了一個從需求、功能、技術和結構四個方面的映射關系，形成了產品族基元模型。該模型包括需求模型、功能模型、技術模型和結構模型（圖1）。

圖1 產品族基元模型及映射關系圖

3.1 產品族的需求模型

產品族需求模型的主要作用在于精確地定義客戶需求，將這些需求以規范的形式化方式描述出來，以便準確地定義產品族。這一過程通過結合定性和定量分析，識別產品需求和關鍵元素，從而確定共性需求和個性需求。接著，以基元參數化的方式對需求的特征進行量值映射，以建立所需產品的物元、事元和關系元，如圖2 所示。最終，通過基元的應用，建立了產品族的需求模型。

圖2 產品族的需求模型

3.2 產品族的功能模型

根據需求模型（包括共性需求和個性需求），筆者進行了質量功能展開QFD(Quality Function Deployment)分析，以獲取所需的功能要求，并通過這一分析來映射出通用功能和獨特功能。筆者采用了基元分析方法，以形式化方式建立功能模型，包括通用功能模型與獨特功能模型（圖3）。在這一功能模型的基礎上，結合客戶需求，進行進一步的功能拓展分析，以得到通用功能模塊{Fc1,Fc2, ...,Fcn}和獨特功能模塊{Fd1,Fd2, ...,Fdn}。

圖3 產品族的功能模型

這一過程的核心是將客戶需求轉化為具體的功能要求，以確保產品能夠滿足用戶期望。首先，筆者將共性需求和個性需求結合起來，以建立一個全面的需求模型。然后，通過QFD 分析，將這些需求轉化為功能要求，優先考慮了各項需求的重要性和關聯性。接下來，筆者采用基元分析方法，將這些功能要求形式化為功能模型。這個模型包括通用功能模型，即那些在不同產品中都適應的功能，以及獨特功能模型，即那些特定于產品的功能。最后，在這個功能模型的基礎上，進一步分析了具體的功能拓展，以細化通用功能模塊和獨特功能模塊。這一步驟確保了筆者對產品或系統的功能要求有了更清晰的了解，可以為后續的設計和開發工作提供指導。

3.3 產品族的技術模型

產品的功能實現需要相應的技術支撐，功能與技術之間往往存在多元關系，例如不同的功能可能源自同一技術，或者多個技術實現某一特定功能等。為此，基于功能模型進行功能與技術的關聯分析，將功能需求與技術需求進行映射，構建基元表示的技術模型，包括通用技術模型和獨特技術模型（圖4）。根據產品族屬性，技術模型是關于從功能模型到結構模型映射過程中所使用大規模定制的原理方案。技術模型作為連接產品功能需求與結構部件的橋梁，通過技術模型聚類分析（K 均值聚類算法E=∑i=1 到k∑x ∈Ci||xμi||^2），減少相應的開發成本并提升配置效率。經過聚類分析把相似單元聚類在同一模塊中，形成通用技術模塊{Tc1,Tc2, ...,Tcn}和獨特技術模塊{Td1,Td2, ...,Tdn}。這一過程有助于更好地管理和優化產品族的技術架構，從而滿足不同的產品需求。

圖4 產品族的技術模型

3.4 產品族的結構模型

結構模型是用于描述產品族可能包含的各種物理結構和零部件之間裝配關系的關鍵工具。這一模型通過技術模型的映射而得，代表了功能模型和技術模型在物理結構上的實際呈現，以最終滿足需求模型所規定的要求。結構模型主要包括兩大類零部件，即平臺零部件{Sp1,Sp2, ...,Spn}和定制零部件{Sc1,Sc2, ...,Scn}。在產品的平臺配置過程中，通常會優先考慮使用已有的平臺零部件，以提高配置的效率。然而，為了滿足特定需求，需要引入定制零部件。這些定制零部件是在已存在的平臺零部件的基礎上進行拓展變換和個性化定制。這種基于現有結構的變化方法有助于確保各個產品在組合接口方面保持一致，同時又能夠以迅速且較低的成本完成產品族的設計（圖5）。

圖5 產品族的結構模型

4 產品族建模開發設計流程

根據上述產品族模型構建的研究，進一步運用產品族建模開發化妝品包裝設計的流程如圖6 所示。該流程分為以下步驟：

圖6 運用產品族建模開發化妝品包裝設計流程

1）首先需要獲取客戶需求，并將這些需求以基元的方式進行形式化表達，從而創建一個明確的需求模型。

2）基于需求模型，進行需求到功能的映射，以獲取產品的功能模型。隨后，對功能模塊進行通用性的檢索和匹配。若存在通用功能模塊可以滿足需求，那么這些模塊將被提取并進行結構組合，從而完成產品的設計。若沒有通用功能模塊能夠滿足需求，那么相似功能模塊將被提取，并根據映射關系構建技術模型。同樣，對技術模塊進行通用性的檢索和匹配。如果發現通用技術模塊，同樣會將其提取并進行結構組合，以完成產品的設計。

3）如果沒有通用技術模塊可以滿足需求，那么將對相似技術模塊進行可拓變換，以獲得滿足需求的技術模塊。

4）通過組合構成技術模塊的結構化零部件，形成一個產品族設計方案，以滿足客戶的需求。這一流程的邏輯清晰，確保了在產品族設計過程中的連貫性和有效性（圖6）。

5 結語

本文介紹了一項面向化妝品包裝設計的產品族建模技術。該技術采用基元理論進行形式化建模，以重新構建產品族配置設計和流程。它開發了針對化妝品包裝的產品族設計需求模型、功能模型、技術模型和結構模型。基元建模作為配置設計的邏輯架構貫穿于整個產品族設計流程中。在流程中，根據產品族建模方法進行需求、功能、技術和結構的模塊化映射配置。該方法以形式化和結構化的方式充分利用了現有企業包裝過程中的公模和零部件，發揮了產品族設計模塊化配置的優勢，從而降低了開發成本和設計周期，同時減少了資源浪費。此外，本研究還解決了產品族前端客戶需求定量化缺失以及中后端模塊配置邏輯一致性的問題。通過基元建模進行零部件配置的關聯性研究，提升了產品族配置設計效率。這項研究為化妝品包裝設計在產品族研究方面提供了新的技術方法和價值參考。