創新設計管理論文范文

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篇1

機械方案設計是一個創造性很強的活動，其思維過程是形象思維和抽象思維綜合作用的結果。目前計算機輔助設計（CAD）主要解決了在計算和繪圖等設計后續階段對設計者的支持。而對于極富創造性的早期方案設計階段的計算機支持至今沒有取得實質性的進展。即使是智能CAD系統，所采用的方法的理論基礎仍是基于傳統的人工智能的知識表示與推理方法，即邏輯思維為基礎，其中多以知識工程和專家系統的方法實現。這種CAD與AI的簡單組合，沒有也不可能從真正意義上實現方案設計自動化。創造性如何在方案設計過程中體現一直是困擾設計理論研究工作者的棘手問題，也一直沒有很好地解決，本文將就這一問題作一探討。

1機械方案設計的一般過程

一般認為，方案設計階段主要有兩個任務：首先是建立技術系統的功能結構。然后通過選擇相應于功能結構中的每個功能的功能載體，并組合這些被選擇的功能載體形成整個技術系統的設計方案。

通用設計理論認為，方案設計過程可表述為兩個映射過程（圖1）：即用戶需求域到功能域的映射以及功能域到結構域的映射。由需求域到功能域的映射過程最能體現設計者的創造能力，這一過程涉及到對設計思維規律以及創造性機理認識水平，涉及到自然語言到專業技術語言的轉化。盡管有些學者提出通過對設計要求進行層次分解來建立功能結構圖的討論，但一般還要通過人工干預進行。從功能到結構的映射，實際上是功能結構圖中的每一個分功能與能實現該分功能的結構進行匹配，一般情況下，總體功能往往包含著許多分功能。而每一功能可以由不同的結構來實現，因此存在組合、協調和評價篩選的問題。具體的機械方案設計過程如圖2所示。

圖2所示的機械方案設計過程還可通過數學形式進行描述。設總體功能為U，它可分解為一些子功能，分解過程可形式化為：

U＝（U1，U2，…Um）（1）

即總體功能是有m個子功能UI（I＝1，2，…m）組成的。

任何一個子功能UI（I＝1，2，…，m）對應著能夠完成該分功能的子結構的集合TI，即

TI＝（tI1，tI2，…，tin）（I＝1，2，…，m）（2）

式中tij（j＝1，2，…，n）對應于能完成子功能UI的所有子結構，n為完成該子功能的子結構總數。如果用UI定義行，tij為元素構成矩陣，即得到功能與結構相聯系的“功能—結構技術矩陣”：

（3）

當然能夠實現各子功能的子結構數并不相等，可以將能夠實現某一子功能的最多子結構數定為n，少于這個數的子功能元素項用零表示。圖2所描述的機械方設計的一般過程，看起來很簡單，但計算機實現有許多問題需要解決。如總功能如何分解為子功能、功能如何表達（因為從不同的角度提出的功能表達詞匯是不相同的）以及如何有效根據功能索引子結構等問題有待進一步探討和研究。

2基于機構結構類型變異綜合方法

自60年代圖論理論首次被應用于機構設計以來，它在機構分析與綜合方面的應用得到深入的研究。在圖論中，封閉的圖代表機構，頂點代表連桿，邊代表運動副。圖可以用矩陣（如鄰接矩陣和關聯矩陣）表示、分析和計算。1979年，Freudenstein和Maki提出“功能與結構分離”的方法用于機構綜合，隨后許多學者對這一方法進行研究和深化。該方法包括如下幾個環節：

2．1根據用戶的需求，提出機構創新設計任務與技術要求：

（1）拓撲結構要求

如運動性質（平面運動或空間運動）、基本回路數（或獨立環數目）、運動副類型及數目、構件類型及數目、主動副類型及其位置以及機架的構件類型及其位置；

（2）功能性要求

如輸出構件數目及其位置、每一輸出構件的任務（如軌跡生成、函數生成、導引以及其它要求、滿足對預定的速度及加速度要求、滿足對機構整體的動力學性能要求；

（3）約束條件

如運動精度、結構緊湊性、剛度、機械效益、軸銷作用反力以及制造、裝配、成本等方面的約束。

2．2結構類型綜合

通過結構類型綜合列出滿足設計任務要求的全部結構類型并以適當形式表示。

2．3優選結構類型

根據功能要求和約束條件，篩選出好的結構類型。

該方法目前研究局限在平面連桿機構的結構類型綜合，且一般集中在運動鏈同構識別、自由度識別方法以及平面運動鏈自動生成等理論方法研究階段。盡管有一些應用的研究報道，但都是針對簡單機構（如變沖程發動機活塞機構、車門開啟機構等）通過人工方式實現。計算機實現還有一些關鍵技術沒有很有效的方法，如運動鏈同構識別問題，主動副位置確定、機架位置的確定、桿組的自動劃分以及對運動鏈進行評價篩選等問題。

3集成功能推理及結構推理的方案創新設計過程模型

如果用人工智能語言描述，在上述第1小節中討論的機械方案設計的一般過程是基于功能推理方式，而第2小節中所討論的機構結構類型變異綜合方法是基于結構推理方式。這兩種方式有其內在的聯系，如何將這兩種方式有機地聯系在一起對于機械方案創新設計是一件很有意義的工作。功能推理主要解決功能到結構之間的映射，通過結構部件組合途徑形成機械方案。而結構推理是從結構部件的拓撲結構上通過機構演繹（機架變換，主動件位置變換以及運動副類型變換）途徑對機構進行變異創新，盡管目前結構推理局限在平面連桿機構結構類型綜合，但通過本文的研究，該方法可以擴展到一般剛體機械方案創新設計。有鑒于此，作者提出如圖3所示的集成功能推理和結構推理的機械方案創新設計過程模型。

該設計過程模型由以下主要步驟組成：

Step1：功能結構圖的建立。根據設計要求，建立功能結構圖。

Step2：根據建立的功能結構圖，尋找滿足各子功能要求的功能載體并組合成為原始機械方案。

Step3：將原始機械方案進行抽象化為表達機械方案連接信息的運動鏈表示。并記錄原始方案一些約束信息，如自由度數、桿數、原動件必須是幾副桿、輸出構件是否必須與機架相連等等。

Step4：運動鏈發散。列舉所有與抽象化表示的運動鏈具有相同自由度、桿副類型以及桿數的非同構運動鏈，并進行篩選。

Step5：機械方案元型集的生成。對篩選的運動鏈進行機架識別、原動件識別、桿組識別，形成用連桿和轉動副表達的機械方案元型。

Step6：候選方案集的生成。將以上生成的機械方案元型通過類型替代，形成候選方案集。

Step7：方案的評價決策。得到最優方案。

Step8：方案的尺度綜合。

4機械方案創新設計智能支持系統

根據以上的過程模型，我們開發了機械方案創新設計智能支持系統MCIDISS。系統的結構如圖4所示。該系統由五大模塊組成：

（1）基于實例功能推理的原始機械方案生成模塊：該模塊采用兩級實例推理的模型，完成從設計任務到功能結構圖的建立以及裝置提取與組合協調設計生成原始機械方案的

任務。

（2）基于結構推理的方案設計創新模塊：該模塊在上面模塊產生的原始機械方案的基礎上，通過抽象化表示，將原始機械方案表達為一般化運動鏈，從機械方案拓撲聯接上進行變異創新。

（3）評價決策模塊：該模塊主要任務是對各階段的設計解進行評價決策。系統主要采用模糊綜合評價決策方法。

（4）機構尺度綜合模塊：該模塊主要任務是對組成機械方案的機構參數進行綜合，以便從尺度上論證方案的可行性。

（5）運動分析及仿真模塊：該模塊是在完成機構尺度綜合后，對其進行運動分析和仿真，以便使設計者對所設計的方案有一個清晰直觀的認識。

篇2

聯想創新設計中心總經理姚映佳告訴《財富》（中文版），中心的作品曾獲得世界最著名的三項工業設計領域大獎（IDEA、REDDOT、IF）和日本G-Mark工業設計大獎、亞洲最具影響力設計獎、Intel創新PC獎等獎項。最近，在本刊進行的中國最佳創新設計評選中，聯想的產品又名列前茅。北京工業設計促進中心主任陳冬亮在跟聯想共同工作的十年當中，見證了它從一個自發的工業設計小組逐漸成長為國際著名設計機構的過程。他說，聯想獲得的獎項已經不僅僅是獎勵，而是已經成了一個品牌、一種標志，它標志著企業自主創新能力和企業設計師的創新能力的形成。

企業重視設計工作，最直接的目的是希望通過產品獲得市場更大的認可，推動產品的銷售。具體到一種設計到底能給企業帶來多大的收益，姚映佳認為這是很難具體量化的，但國外的統計顯示，在設計方面每投入1美元，就會給企業帶來至少10倍的增值。設計帶來的不僅是企業有形的價值增值，更重要是無形資產包括品牌價值的提升。1999年聯想天禧電腦上市后，由于是一款創新性的產品，其中的單鍵飛梭設計讓用戶上網更加容易，因此深受歡迎。再加上創新的商務模式和服務模式，使天禧成了既叫好又叫座的產品。到了2000年，天禧已經為聯想創下37.5億元的產值，也幫助聯想在1999年登上亞太市場PC銷量榜首，并躋身全球十強。同時，它使聯想在香港的股價同期上升了100%。另一款創新性產品天驕電腦，由于新穎的設計和獨特的功能，上市當天就獲得了2.5萬臺的訂單。如果按照1萬元1臺計算，其所創造的銷售收入就達到2.5億元。

一款設計新穎的產品，也意味著新的商機。不久前，聯想設計的一款筆記本電腦產品，采用了中國紅的顏色外觀，可口可樂公司覺得很漂亮。在請聯想打上自己公司的標識后，可口可樂公司進行了集中采購。在姚映佳的印象里，諸如此類的例子舉不勝舉。

當然，設計不是產品熱賣的惟一原因，熱賣是多方面因素共同作用的結果。至于技術創新與設計創新的關系，姚映佳說，如果用"桃核"理論來比喻，那么技術就是桃核。消費者在買桃子時，不會直接看到桃核，但桃子是不能沒有桃核的。消費者關注的是桃肉、桃皮，這些就是設計所帶來的東西。因此，設計和技術是一個密不可分的整體，它們的聯系越緊密，越能充分發揮企業的核心競爭力。技術和設計還有一層關系，涉及到設計的一個基本目的:實現技術對用戶的價值最大化。

不管是技術還是設計，都有一個共同點，那就是創新。在聯想集團高級副總裁兼首席技術官賀志強看來，設計就是創新，就是不斷追求新的可能。這種理念也是為什么聯想把工業設計中心變成創新設計中心的原因之一。

聯想早在1996年就在業界率先引入工業設計，使之開始在產品開發中發揮作用。當時，姚映佳是聯想引進的第一位設計師。到了2000年，聯想成立了工業設計中心，開始把關注點轉移到"以用戶為核心"上。通過對產業生命周期的分析，聯想發現，在產業成熟期，以用戶需求為中心，對用戶群進行細化，滿足用戶需求和實現用戶增值，是實現商業突破性發展的關鍵。在不斷強化設計工作的過程中，聯想發現只做好外觀和結構設計并不能滿足市場的需要，不能滿足產品創新深度需求和用戶對產品易用性和安全性需求，于是多專業協同開發創新就成了必然的選擇。如今的聯想創新設計中心，已經是一個跨越眾多專業的部門，涵蓋了模具工程、材料工程、產品設計、結構設計、平面設計、交互設計、機電工程以及社會學、心理學等多專業領域。

經過10年的體驗，姚映佳覺得，聯想重視設計是意料之中的事情，因為設計跟商業的聯系越來越緊密。天禧電腦正是有了設計師的參與，才取得不同凡響的市場效果。現在，聯想重視創新設計中心的程度跟其重視PC市場份額一樣，已經把設計工作視為聯想的核心競爭要素之一。對于設計工作的重要性，姚映佳喜歡把它比喻成企業的右大腦，負責情感管理，是人類思考藝術情感的器官。一個企業就像一個人一樣，如果右腦被抑制，就會顯得缺乏活力和吸引力。在整個聯想集團，創新設計中心的另一種突出作用是成為集團的橋梁，連結著幾乎所有部門，包括市場、制造、服務等。正是設計把集團連成了一個更加緊密的整體。

在一般人心目中，一談到設計，想到的更多是風格、造型等因素。實際上，設計工作是藝術與技術的統一體，它本身就是一個具有人文成分的學科，要求設計師既要理性思考，又要用感性去創新和發現。在產品創新過程中，不是說做一個多么漂亮的設計，而是首先了解設計為誰而做。在聯想創新設計中心，專門有從事用戶研究的部門──焦點用戶實驗室。比如，要開發一種針對高端人士的手機，首先要確定哪些用戶屬于高端用戶。在具體研討時，各個部門都要參與進來。

聯想內部經常說的一句話，就是"滿足用戶的潛在需求"。聯想的設計理念，可以理解為"以用戶需求為核心，使設計成為連接技術和市場的橋梁，多專業協同增值"。

在這個意義上，企業的設計產品與藝術作品會有很大的區別。藝術作品要求盡善盡美，而企業設計則要充分考慮用戶的使用感受。藝術家可能會嘔心瀝血于一件經典之作，而設計人員會考慮產品是否可以批量制造，跟商業結合是否緊密。當年，聯想在設計天禧電腦的單鍵飛梭時，是根據當時國人普遍不會熟練操作電腦的情況出發，設計出只要按下一個鍵就可以方便進入操作界面的易用功能，使普通用戶使用電腦不再是一件難事。姚映佳說，這一設計加快了因特網在中國的普及，為中國社會的進步做出了貢獻。

設計工作要滿足用戶的潛在需求，姚映佳覺得最大的困難是設計師如何挑戰自己，超越自己。只有跳出老圈子，原有的束縛，才能打開一片新天地。同時，設計作為一門給人以舒適和美的藝術，離不開文化和社會環境。聯想作為一家起源于中國的國際企業，已經形成了基于中國文化基因的創新設計風格。獲得本刊最佳設計大獎的聯想天驕A電腦的整體造型，其語言靈感就來自中國的玉器；新天逸系列筆記本電腦的外形曲線靈感，則來源于中國古代的陶器（這款產品于2005年獲得被譽為工業設計界"奧斯卡"的德國"紅點獎"）；而在天逸F30/40筆記本電腦上，可以看到一個明顯的標志性設計，能夠一指玩轉所有影音功能的"娛樂飛梭"。這一設計巧妙地運用了點線的組合，讓人聯想起中國古代的折扇。