论文题目：认知差异下知识驱动的机械产品概念设计方法研究
摘要：现代产品设计是用户和设计师主观认知和客观知识等因素协同作用的结果,它的本质是创新,其核心在于概念设计阶段。概念设计是一种知识密集型工作,必须利用知识资源作为战略资源,以驱动产品的设计创新。对于机械产品的设计,产品的功能是用户最基本的要求,外观形态是机械产品的设计升级。因而本文研究的核心问题是实现更为满足功能及用户需求的机械产品概念设计,以此提高机械产品设计的效率和创新性。而要实现机械产品的设计创新,设计师首先需保证用户对产品需求的认知心理,利用“互联网+”的环境优势,采用高效的方法,降低设计过程中感性及理性因素对设计的影响。鉴于此,需以用户对产品制造需求为出发点,从产品内部和外部以双驱动的设计形式,深入研究知识驱动的机械产品概念设计相关理论和方法,以解决如下问题:1.“互联网+”环境下机械产品定制的知识获取及管理问题。如何根据用户和设计师对机械产品认知的不同,结合个性化需求及设计特点,准确获取产品设计的需求,并构建“互联网+”机械产品定制设计的知识库,这是解决“互联网+”定制设计的基础创新问题。2.“互联网+”机械产品个性化需求定制的智能设计问题。如何将“互联网+”环境下不确定的、隐性的需求智能转化为设计所需的产品设计要素,以实现机械产品定制设计的智能化,这是提高产品设计效率及设计成败的关键问题。3.用户深度参与的机械产品评估体系构建及方案收敛问题。如何根据用户和设计师设计立场的不同,构建科学全面的机械产品设计方案评估体系,针对不同的机械产品形成用户深度参与的概念设计模式,以准确地推荐出符合用户需求的机械产品创新设计方案,这是提高设计需求满意度的有效途径。本文在国内外对相关产品概念设计研究的基础上,利用“互联网+”的环境优势,以用户和设计师认知差异为着力点,以知识为驱动源,融入了知识间传递的智能方法,应用于用户深度参与的机械产品概念设计的过程模型中,并结合本文的研究工作和成果,构建了一个机械产品概念设计知识辅助原型系统。基于该系统为机械产品概念设计探索了一种快捷的研究方式,以提高设计需求的可靠性,确保设计出的机械产品符合用户多样化的需求。全文主要研究成果有:1.提出了产品概念设计中面向知识流的PFBS知识库构建方法。为了提高设计过程中知识重用的效率问题,首先对用户与设计师间的认知差异进行了分析,并从概念设计中用户和设计师认知的角度将设计知识分为设计者设计经验和用户意象认知两类,并提出了“互联网+”环境下用户偏好需求知识获取的方法。引入了知识流的概念,构建了产品结构设计模块的PFBS知识库和产品形态设计模块的PFBS知识库。提出了利用知识流解释了产品结构设计中产品的设计类型（用户意图驱动的产品设计、改造型设计和创造性设计）。最后构建了面向概念设计的产品设计知识传递模型。2.提出了结构概念设计中多要素知识求解的推理映射模型。以用户需求为导向,融合改造型设计和创造性设计两种创新设计类型于功能求解的过程中,提出结构概念设计知识求解的推理映射策略。研究模糊层次Kano模型与QFD集成的方法获取用户期望创新的产品功能需求;根据功能在知识库中的三种表示形式,分别用不同的方法求解产品结构,实现功能-结构的直接映射;研究行为求解的功能启发式推理方法,以行为为桥梁实现功能-结构的间接映射,智能推理出产品功能的载体结构,以扩展设计师的设计思维。3.提出了形态概念设计中意象驱动的设计要素辨识方法。为了降低用户与设计师间的认知差异,保证用户设计知识的实用性,提出一种利用认知多维度对产品进行形态要素解构的方法,另外采用因子分析法和聚类分析相结合的方法,提取用户对产品代表性的意象词汇对。利用感性工学的思想,在改进的BP神经网络的基础上建立了面向多维感知的用户意象预测模型,探索产品关键设计要素与用户意象的映射关系,以指导设计师对产品的形态设计。4.提出了基于灰关联粗数的TOPSIS设计方案收敛方法。结合现代用户的参与心理,提出基于灰关联粗数的TOPSIS综合评价法对设计方案进行适应性评价,缩小产品设计方案集合,快速推荐用户感性需求的产品设计方案。
关键词：机械产品;认知差异;功能结构;推理映射模型;多维感知
学科专业：机械工程
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 论文的研究背景和意义
1.2 研究现状分析
1.2.1 机械产品设计知识研究
1.2.2 产品结构与形态的研究
1.2.3 概念设计的研究
1.3 论文的主要研究内容及结构
1.3.1 论文研究思路
1.3.2 主要研究内容
1.3.3 结构框架
第二章 机械产品设计知识分类及知识库构建
2.1 用户与设计师的认知差异
2.2 产品设计知识分类
2.2.1 设计者设计经验
2.2.2 用户意象认知
2.3 “互联网+”环境下用户偏好需求知识的获取
2.3.1 数据源获取
2.3.2 数据预处理
2.3.3 基于权重的关联规则产品特征挖掘
2.3.4 基于多维词典的语义情感极性分析
2.3.5 实验结果与分析
2.4 面向知识流的P-F-B-S知识库构建
2.4.1 知识流相关理论研究
2.4.2 产品结构设计模块知识库构建
2.4.3 产品形态设计模块知识库构建
2.4.4 产品结构设计类型的知识流解释
2.5 面向认知差异的产品概念设计知识传递模型
2.6 本章小结
第三章 面向设计意图理解的产品功能结构要素推理模型
3.1 多要素知识求解的推理映射策略
3.2 基于模糊层次KANO模型的QFD需求转化
3.2.1 模糊层次Kano模型调查问卷的设计
3.2.2 基于客户分类的需求类别判断
3.2.3 Kano-QFD客户需求重要度计算
3.2.4 功能需求权重确定
3.2.5 案例研究
3.3 面向多种功能表达方式的结构匹配推理模式
3.3.1 多种功能形式的结构匹配推理的基本思路
3.3.2 面向多种功能表达方式的功能-结构相似度计算
3.3.3 案例研究
3.4 行为求解的功能启发式推理模式
3.4.1 启发式推理思路
3.4.2 行为求解的启发式过程
3.4.3 结构知识项灰关联求解
3.4.4 案例研究
3.5 本章小结
第四章 用户感性意象驱动下的产品形态要素辨识
4.1 基于感性工学的设计要素辨识的研究流程
4.2 用户偏好意象分析
4.3 多维通道产品设计元素获取
4.3.1 产品特征属性
4.3.2 产品多维特征解析
4.3.3 多维特征空间设计要素提取
4.4 产品形态要素辨识的BPNN感性关联模型
4.4.1 产品形态意象关联模型的构建
4.4.2 改进的四层BP神经网络激活函数的选取
4.4.3 基于改进BPNN的感性预测模型学习法
4.5 案例研究
4.5.1 情感认知空间的构建
4.5.2 多维特征空间的构建
4.5.3 产品关键设计要素的提取
4.5.4 产品形态要素与用户感性意象的BPNN映射关系
4.6 本章总结
第五章 基于灰关联粗数的TOPSIS设计方案收敛方法
5.1 机械产品设计方案评价指标体系
5.2 基于灰关联粗数的TOPSIS评价法
5.3 实例研究
5.4 本章小结
第六章 概念设计知识辅助原型系统及应用实例
6.1 概念设计知识辅助原型系统
6.1.1 系统总体框架
6.1.2 系统功能模块
6.2 净水器的概念设计
6.2.1 净水器结构要素获取
6.2.2 净水器结构要素组合改造设计
6.2.3 净水器形态设计要素获取
6.2.4 净水器用户参与方案评价
6.3 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 主要创新点
7.3 工作展望
参考文献
致谢