面向功能的可视化创新概念设计方法研究

摘要

概念设计是产品设计过程中的早期阶段，对产品的全生命周期有着极为重要的影响。产品设计的目标是实现产品的功能，在概念设计的研究中，核心问题在于概念设计的功能建模和针对功能的创新设计求解过程。提升概念设计能力的重要途径就是结合设计者的创造性思维和计算机推理演算的计算能力。本文在综合分析概念设计领域国内外的研究历史和现状后，针对当前计算机辅助概念设计研究存在的主要问题，探讨了面向功能的可视化创新概念设计的描述、方法和系统实现，取得了一些具有理论意义和应用价值的成果，主要体现在以下四个方面：
　　 (1)面向功能创新的功能模型研究。在研究了国内外概念设计过程理论和实现方法的基础上，着重论述了功能在创新概念设计求解过程中的作用。通过分析现存功能定义存在的问题，提出了体现了人类问题求解特征的基于粒度计算的功能模型，给出了功能粒度表示、功能层次结构和功能粒度运算规则，并提出了基于相似推理的功能模型建模过程。
　　 (2)功能模型创新推理方法的研究。推理功能是人类智能的主要特征之一，而模糊推理是模糊专家系统、模糊控制系统的理论基础和核心，是信息科学中进行模糊信息处理和实现机器智能的重要工具。面向功能的创新概念设计，既包含了设计者的思维所带来的启发性和创造性，也包含了针对功能模型的模糊推理过程。针对概念设计的特点，提出了基于三I模糊推理和相似模糊推理两种方法，以此快速地从功能需求出发得到较合理的功能模型。
　　 (3)基于信息可视化的“人-机”结合功能设计系统研究。功能模型创新推理的来源一方面是计算机的逻辑推理，通过将人类智能中极具逻辑性和可计算性的部分计算机化得到；另一方面是没计者的创造性思维，由计算机启发人的创造性思维，并将启发性知识应用于设计之中，两者相辅相成，缺一不可。定义功能模型格式语言FFL，建立FFL模型(以FFL语言描述的规范化的功能模型)；开把信息可视化手段引入创新概念设计之中，建立FFL模型与可视化模型、可视化视图的映射关系，以直观生动的可视化方法动态显示，在人机交互的支持下，提高创新推理过程的灵活性、有效性和交互性，从而高效地获得创新设计解。同时，也使得没计者的创造性思维能够推动逻辑推理的有效进行，增强逻辑推理的合理性和创新性。
　　 (4)面向功能的可视化创新概念设计原型系统实现。以上述理论框架为基础，依托行业科研项目，结合企业实际产品创新需求，开发了面向功能的可视化创新概念设计原型系统，它包含人机交互、功能建模、概念求解、结果输出和知识管理等子系统。该系统在井下掘进机自动测量和定向系统的创新没计中得到应用，提出了基于激光双目的三维表面建模系统。其中，可视化创新概念设计原型系统已获得国家软件著作权登记，所设计的基于双目的三维表面建模系统已经获得国家发明专利的授权。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

第1章绪论

1.1 课题的提出及研究意义

1.2 可视化创新概念没计

1.2.1 研究目标

1.2.2 研究内容

1.2.3 可视化对于创新概念设计的意义

1.3 研究概况

1.3.1 创新概念设计研究

1.3.2 信息可视化

1.4 本文的组织结构

第2章基于粒度计算的功能模型

2.1 问题的背景

2.2 粒度计算基本理论

2.2.1 粒度计算的一般理论

2.2.2 商空间理论

2.3 基于粒度计算的功能模型

2.3.1 粒度计算基本概念

2.3.2 功能粒度的定义

2.3.3 功能粒度结构和运算

2.4 本章小结

第3章概念设计中功能模型的模糊推理

3.1 功能模型建模过程

3.1.1 基于相似推理的功能模型建模

3.1.2 相似建模算法

3.1.3 相似建模实例

3.2 基于相似推理的模糊推理

3.3 基于三Ⅰ方法的模糊推理

3.3.1 相关背景

3.3.2 三Ⅰ模糊推理

3.3.3 实例分析

3.4 本章小结

第4章可视化创新概念设计方法

4.1 可视化创新概念设计的总体流程

4.2 可视化功能模型格式语言

4.2.1 功能模型研究现状及存在的问题

4.2.2 可拓功能模型

4.2.3 FFL模型研究

4.3 可视化映射与显示

4.3.1 相关可视化映射方法

4.3.2 可视化映射过程

4.3.3 可视化显示

4.4 人机交互的创新推理过程

4.5 本章小结

第5章应用实例

5.1 系统总体结构和功能模块介绍

5.1.1 系统总体结构

5.1.2 系统功能模块介绍

5.2 基于系统的创新设计实例

5.3 本章小结

第6章总结与展望

6.1 论文总结和贡献

6.2 论文创新之处

6.3 论文不足之处和展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间的获奖情况