面向开放式创新的产品集成设计理论与方法研究

摘要

随着经济全球化的日益加深，激烈的国际市场竞争对技术产品的竞争力和创新性提出了更高的要求。如今，企业仅依靠自身内部的资源进行高成本的创新活动，已经难以适应快速发展的市场需求和日益激烈的市场竞争。在这种背景下，创新模式正在经历一场从传统的封闭式创新逐渐向互联网时代的开放式创新进行转变。本文以面向开放式创新的产品集成设计理论与方法为主题，探讨在开放式创新模式下产品集成设计中的若干问题，取得了一些创新性的研究成果，主要体现在以下四个方面:
　　一、建立了以“知识集成”为视角的产品集成设计理论。在以五个不同的视角分析了集成设计相关领域国内外研究现状的基础上，论述了设计科学的四个基本定律:(1)设计以已有知识为基础定律;(2)设计知识的不完整性定律;(3)设计以新知识获取为中心定律;(4)设计知识的竞争性定律。以设计科学的四个基本定律为理论依据，提出以“知识集成”为视角的矩阵式产品集成设计理论框架，并建立了以“新知识获取为中心”的知识集成设计过程模型。该理论模型可以帮助设计师在更高的抽象层次上理解集成设计过程，从而提高设计师对集成设计过程的认知，该模型也是本文后续章节的理论基础。
　　二、提出基于智能规划的概念设计集成方法。从人工智能领域中的智能规划过程与概念设计过程的相似性得到启发，提出了基于智能规划的概念设计集成方法。明晰了概念设计中的功能、系统、功能知识、以及功能知识集成等基本概念。在智能规划理论的基础上，借助状态-动作的设计状态和动作功能的知识表达方法，提出了一种启发式的功能知识集成方法以此来支持创新设计。该方法基于规划图技术，将概念设计过程分为两个阶段，即设计规划阶段和设计组合阶段。通过海浪发电照明系统的概念设计为例表明:该方法能够帮助设计师在多学科的解空间内找到更多可行的创新解提供了可能，从而提高了计算机辅助概念设计系统的集成创新设计能力。
　　三、提出基于状态方程的行为知识集成设计框架与在线知识服务研究。基于系统状态空间法，提出了行为知识集成设计框架及其求解技术。基于框架Frame的知识表示方法作为知识服务接口，开发了两个点对点的知识服务组件:知识服务发布组件和知识服务消费组件。以内燃机活塞二阶运动与摩擦学行为仿真计算过程为例，说明系统行为知识集成设计和知识服务过程。通过这两个组件实现对其计算过程进行服务封装、发布和调用，从而实现知识服务提供方和知识服务消费方在互联网上进行知识服务全过程。
　　四、集成创新设计资源环境的构建与实践。将上述集成设计理论与方法与企业项目实际应用相结合，构建了集成创新设计资源环境示范工程，开发了基于互联网的分布式设计资源知识服务平台。以该网络平台为依托，在企业内部选择了12个试筹建的资源单元进行建设，实现在设计资源知识服务平台上发布知识服务、请求知识服务、提供知识服务、交易知识服务、仲裁知识服务等功能。该网络平台可以帮助企业充分高效地利用其分布式的设计资源，实现产品快速集成创新，对进一步提升企业产品设计的竞争力具有重要的战略意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 课题来源

1．3 开放式创新与集成设计的内涵

1．3．1 开放式创新的内涵与理论模式

1．3．2 集成设计的内涵

1．4 集成设计相关领域研究现状

1．4．1 视角1：集成设计过程的视角

1．4．2 视角2：系统集成设计的视角

1．4．3 视角3：多学科集成设计优化的视角

1．4．4 视角4：计算机辅助概念设计综合的视角

1．4．5 视角5：设计思维集成的视角

1．5 本文的研究视角及研究内容

1．5．1 本文的研究视角

1．5．2 本文的研究内容

第二章 面向开放式创新的集成设计理论基础

2．1 引言

2．2 设计科学的四个基本定律

2．2．1 设计以已有知识为基础定律

2．2．2 设计知识的不完整性定律

2．2．3 设计以新知识获取为中心定律

2．2．4 设计知识的竞争性定律

2．3 开放的矩阵式集成设计理论框架

2．3．1 水平层的知识集成

2．3．2 垂直层的知识集成

2．3．3 开放式的知识资源层

2．4 面向开放式创新的集成设计过程模型

2．5 小结

第三章 基于智能规划的功能知识集成方法

3．1 引言

3．2 功能知识的内涵

3．2．1 用户的目的功能和组件的动作功能

3．2．2 动作功能与系统、零件间的关系

3．3 智能规划的基本概念

3．3．1 智能规划与概念设计综合的相似性

3．3．2 智能规划的基本概念

3．4 基于智能规划的设计知识表达

3．4．1 设计状态的表达

3．4．2 动作功能的表达

3．5 一种启发式的功能知识集成方法

3．5．1 构建状态转移系统及规划图

3．5．2 三种集成求解策略

3．5．3 两阶段集成求解算法

3．5．4 算法评价

3．6 设计实例

3．7 小结

第四章 基于状态方程的行为知识集成框架与在线知识服务

4．1 引言

4．2 机械系统的状态空间法建模

4．2．1 系统状态方程和输出方程

4．2．2 系统状态方程中的结构

4．3 基于状态空间法的行为知识集成设计框架及其求解

4．3．1 基于状态空间法的行为知识集成设计框架

4．3．2 系统行为知识集成设计框架的建立过程

4．3．3 状态方程的迭代求解过程

4．4 基于Frame的知识服务发布和消费组件

4．4．1 知识服务组成要素

4．4．2 Frame知识表示方法

4．4．3 知识服务发布组件(KSPA)

4．4．4 知识服务消费组件噼SCA)

4．5 设计案例

4．6 小结

第五章 集成创新设计资源环境的构建与实践

5．1 引言

5．2 企业现状调研与分析

5．2．1 企业现状概述与调研

5．2．2 存在的问题

5．2．3 项目目标与任务

5．3 资源单元与知识服务规划

5．3．1 试筹建的资源单元

5．3．2 知识服务分类与建模

5．3．3 知识服务流程规划

5．4 开放式的设计资源知识服务平台设计与实现

5．4．1 系统功能和架构设计

5．4．2 数据结构设计

5．4．3 系统界面实现

5．5 设计资源知识服务平台运营效果分析

5．5．1 资源单元建设概况

5．5．2 知识服务运营效果分析

5．6 小结

第六章 总结与展望

6．1 全文内容总结

6．2 主要贡献与创新点

6．3 研究展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的学术论文、专利情况

攻读博士学位期间参与的主要科研课题

致谢