工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計專家系統(tǒng)思索

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隨著商品競爭程度不斷加強，這就要求企業(yè)不但要提高產(chǎn)品性能，而且要盡可能縮短產(chǎn)品供應(yīng)周期。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法將設(shè)計對象分解為許多獨立部件分別進行研究，孤立靜止的分析問題，因此使得設(shè)計結(jié)論帶有片面性和局限性，難以滿足需要。隨著現(xiàn)代設(shè)計理論、方法不斷完善，特別是基于知識的專家系統(tǒng)設(shè)計方法的產(chǎn)生和發(fā)展，使利用計算機求解工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計過程中大量數(shù)值和非數(shù)值性問題成為可能。通過引入專家系統(tǒng)對設(shè)計過程進行控制，對設(shè)計結(jié)果進行評價，減少了設(shè)計過程中的盲目性，節(jié)省了設(shè)計時間。然而考慮到產(chǎn)品設(shè)計過程存在著大量的非理性的因素，可定位該專家系統(tǒng)為一個輔助工具，為充分發(fā)揮設(shè)計者的能力，可將系統(tǒng)意見作為設(shè)計參考，而把最后的決策權(quán)交給設(shè)計者。

1專家系統(tǒng)與工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計

1.1專家系統(tǒng)及其發(fā)展狀況

專家系統(tǒng)是人工智能的一個重要研究分支。它是一種具有大量知識和經(jīng)驗的計算機程序。專家系統(tǒng)從領(lǐng)域?qū)＜夷抢铽@得知識，用一定的方法進行表達、存儲、管理和維護，通過對專家知識和經(jīng)驗的綜合運用，進行推理和判斷，從而解決現(xiàn)實世界中的復雜問題。[1]目前已有多種類型的專家系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，包括解釋型、診斷型、設(shè)計型等多種不同的類型。雖然它們的功能不同，但是它們具有下列共同的特點：

1)以足夠復雜的問題為對象；

2)從某個問題領(lǐng)域的專家處獲取專業(yè)知識；

3)能對知識進行推理或控制；

4)具有與專家同等程度的解決該專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)問題的能力。不同領(lǐng)域的專家系統(tǒng)，其功能和結(jié)構(gòu)也不盡相同。但一個完整的專家系統(tǒng)有以下六個主要部件:即知識庫、推理機、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取、解釋機制和人機接口?，F(xiàn)在流行的專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，知識庫和推理機是主要部件。

1.2工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計與專家系統(tǒng)

通過上面的闡述，知道一個專家系統(tǒng)能利用專家的知識進行啟發(fā)式推理，能解釋其推理過程，對用戶的詢問做出回答，并且能夠不斷地、靈活地增加新的知識。專家系統(tǒng)把許多事實和有關(guān)專業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗法則結(jié)合在一起，通過系統(tǒng)地應(yīng)用這些事實和啟發(fā)規(guī)則，不斷地縮小搜索范圍，引導問題的解決。[2]對于工業(yè)設(shè)計來講，目前工業(yè)設(shè)計被廣泛采用的定義為：“就批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品而言，憑借訓練、技術(shù)知識、經(jīng)驗及視覺感受而賦予材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、色彩、表面加工及裝飾以新的品質(zhì)和資格，叫做工業(yè)設(shè)計。”通常工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計具有以下兩個特點：第一，在設(shè)計過程中，很多工作是非數(shù)值計算性的，更多問題要通過思考、推理和判斷來解決。設(shè)計過程不能追求唯一解，往往是在多個設(shè)計可行解中進行優(yōu)化決策，且設(shè)計結(jié)果具有模糊性；第二，由于大多數(shù)設(shè)計模型不是簡單的數(shù)學模型，而是建立在大量知識基礎(chǔ)上的知識模型，因而，設(shè)計結(jié)果的優(yōu)劣大多取決于設(shè)計者的知識、經(jīng)驗和思考問題的方法。工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計也是一項系統(tǒng)工程，在總體設(shè)計過程中，要對大量的信息進行處理，需要運用多學科的專門知識與豐富的設(shè)計經(jīng)驗，并要通過多次反復的綜合分析才能得到一個好的設(shè)計結(jié)果。通過上面的定義和分析我們可以看出，一個工業(yè)設(shè)計師的能力是通過訓練，學習相關(guān)的技術(shù)知識和經(jīng)驗得來。設(shè)計過程是在綜合大量的知識基礎(chǔ)上推理、思考和判斷。由此工業(yè)設(shè)計專家系統(tǒng)的知識庫即包含產(chǎn)品的主要組成要素——材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、色彩、表面加工及裝飾的相關(guān)知識，以及基本的設(shè)計理論，其推理過程則是對相關(guān)的信息作出比較、篩選、判斷，用專家的設(shè)計經(jīng)驗結(jié)合在一起進行而得出能夠解決問題的方案。

2專家系統(tǒng)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計過程中的應(yīng)用

工業(yè)設(shè)計的宗旨就是創(chuàng)造更為合理的生存方式，一個新產(chǎn)品的誕生不是一蹴而就的事，而是一個不斷發(fā)展、漸進和系統(tǒng)的過程。設(shè)計的起點首先是從生活中發(fā)現(xiàn)問題，收集各種信息，然后是分析問題。通過前期設(shè)計調(diào)研和分析，對收集的各種信息進行分析使之概念化，也就是確定一個可開展的方向。接下進入創(chuàng)意設(shè)計階段，即把產(chǎn)品概念轉(zhuǎn)換成可視化的具體若干形態(tài)方案。形成形態(tài)方案后，必須通過設(shè)計評估，以選擇最優(yōu)設(shè)計方案，最后實現(xiàn)設(shè)計的商品化。基本的產(chǎn)品設(shè)計過程可以抽象成圖2所示。在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的這幾個流程中，用專家系統(tǒng)來解決相關(guān)的設(shè)計問題，將對設(shè)計時間的縮短和設(shè)計質(zhì)量的提高有著實際的作用。

2.1信息搜集與整理

信息的獲取將是整個系統(tǒng)最首要的工作。建立智能信息采集系統(tǒng)，根據(jù)事先的設(shè)定目標，自動在一些信息載體上采集相關(guān)的設(shè)計信息和資料，在獲取包含所需信息后，能夠有效的提取出所需信息和數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)下載到本地進行分類整理，以特定的形式存入數(shù)據(jù)庫，為設(shè)計人員檢索資料奠定基礎(chǔ)。當然如果能從已有的設(shè)計資料中直接獲取所需要得資料信息是最理想得，通過市場調(diào)查，獲得需要設(shè)計的產(chǎn)品的相關(guān)信息，主要有文字的描述信息，產(chǎn)品的尺寸信息以及產(chǎn)品的圖形圖像信息，一般以圖形圖像信息居多。于是就要求系統(tǒng)能夠自動從圖片中提取產(chǎn)品的一些關(guān)鍵要素，如色彩，線型等信息，并能按照一定的規(guī)則，如時間得順序，線型得相似性等等進行歸類排列，整理出具有一定規(guī)律性和邏輯性的信息，并能求解設(shè)計風格變化趨勢，做出預測，以為后面創(chuàng)意設(shè)計階段所用。

2.2產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計

創(chuàng)意設(shè)計的主要內(nèi)容體現(xiàn)在產(chǎn)品的外觀形態(tài)設(shè)計上。由于產(chǎn)品形態(tài)千變?nèi)f化，因此產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計方法具有較大的靈活性。設(shè)計師在長期的設(shè)計實踐中總結(jié)出一些較為實用的設(shè)計方法，如比例設(shè)計方法、線型設(shè)計方法等。所謂比例設(shè)計方法即產(chǎn)品形態(tài)比例設(shè)計應(yīng)遵循和符合美學法則的常用比例關(guān)系，如黃金分割比。這些典型的比例不僅自身有良好的比例美效果，而且它們之間又存在多種形式的轉(zhuǎn)換與變化關(guān)系以及內(nèi)在的數(shù)學關(guān)系，種種比例性質(zhì)及變化為產(chǎn)品造型設(shè)計提供了多種多樣形態(tài)間的比例關(guān)系和豐富多彩的構(gòu)成形式。產(chǎn)品形態(tài)中的線條是形態(tài)要素的內(nèi)容之一，而線的形式和風格往往是整體形態(tài)風格和特征的重要表現(xiàn)形式。因此產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計可以首先從線型的風格定位及總體協(xié)調(diào)的角度出發(fā)，建立整體的產(chǎn)品形態(tài)，這就是形態(tài)設(shè)計中常用的線型設(shè)計方法。進行產(chǎn)品形態(tài)的線型設(shè)計時，首先確定產(chǎn)品的形態(tài)線型風格，如流暢、柔和、堅硬、剛毅等，然后確定線型的組織方式，即形成產(chǎn)品的基本形態(tài)。以上形態(tài)設(shè)計基本原理知識已經(jīng)成熟并為設(shè)計師所公認，任何形態(tài)的設(shè)計都需遵循這些原則。這樣就為產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計提供了一個成熟的知識庫，輸入產(chǎn)品的風格特征，通過推理機的運算，可以得出適合需要的形態(tài)設(shè)計方案。此模塊的專家系統(tǒng)的基本方法是把產(chǎn)品的特性進行分解，排列，最后檢測它們之間的相互關(guān)系和可能的組合方式。首先定義基本信息特征，是指從不同角度反映產(chǎn)品整體信息的基本構(gòu)成要素，如產(chǎn)品的功能特征、形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征等等，從這些角度對產(chǎn)品信息特征進行切割，使這些產(chǎn)品信息特征成為相對獨立的形態(tài)特征。通過專家系統(tǒng)的對獨立的產(chǎn)品形態(tài)信息特征的輔助設(shè)計，形成若干設(shè)計形態(tài)。最后進行組合，將分別來自專家系統(tǒng)的輸出的形態(tài)特征進行合并，生成一個新產(chǎn)品。此過程的流程如圖3所示。

2.3設(shè)計評價決策模塊專家系統(tǒng)

對于設(shè)計方案的評定涉及到很多領(lǐng)域的知識，包括美學、人機工程學、社會心理學、加工制造工藝學、市場營銷學等等，而且具有隨機性和模糊性，單獨一名設(shè)計師很難掌握如此廣泛的知識，因而也就很難獨立完成產(chǎn)品的方案評定。要想全面對產(chǎn)品的各方面進行綜合評定，而又在缺乏相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业那闆r下，可以采用專家系統(tǒng)來輔助完成工作。

2.3.1確定設(shè)計方案的評價準則評價準則制定得是否合理是保證評價科學性的關(guān)鍵問題之一。評價準則來自產(chǎn)品所追求的目標，也即對產(chǎn)品提出的要求、愿望和通常的約束條件。評價準則應(yīng)該全面包括主要的目標和約束，包括整個產(chǎn)品生命周期中的不同方面，如技術(shù)、經(jīng)濟、安全、外觀、環(huán)境等。這些方面具有不同的重要性。因此，評價準則不止一個，其重要程度也不相同，它們組成了一個評價指標系統(tǒng)。評價指標系統(tǒng)的制定必須遵循科學性與實用性、完整性與可操作性、不相容性與系統(tǒng)性、定性指標與定量指標結(jié)合、靜態(tài)指標與動態(tài)指標相統(tǒng)一的原則。[3]一般采用多層次的結(jié)構(gòu)模型，水平方向各項是評價指標項目，垂直方向表示指標的分級層次。一般來說，垂直方向的分級不宜多于4級，水平方向的指標項目不宜多于10個。對于某個具體產(chǎn)品來說，垂直方向分幾級，每一級的指標項目是多少，應(yīng)就問題的復雜程度而有所取舍。

2.3.2確定各評價目標所占的權(quán)重由于各評價指標對設(shè)計總目標的重要程度不同，首先必須確定各個項目的權(quán)重。針對評價主體的不同，同一個產(chǎn)品相同的項目所給的權(quán)重有可能不一樣，對于一般企業(yè)而言，可以通過市場調(diào)查，從某個產(chǎn)品以往的用戶的各種評價中得出各項指標的評價權(quán)重，然而這種數(shù)據(jù)及其難以獲得，而且不具有通用性。更多的情況下，是對每個產(chǎn)品詳細劃分的評價指標進行優(yōu)劣判斷，分別代表優(yōu)、良、中、差、劣五個等級來判斷。其優(yōu)點在于不僅保持了這種經(jīng)驗知識的模糊性，同時可采用軟件方法處理，易于產(chǎn)生對比標度值。相對而言，評價的專家系統(tǒng)方面的研究較多，較為成熟，很多其他的各種評價的專家系統(tǒng)的都可以為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的專家系統(tǒng)所用。

3結(jié)語

專家系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，各種理論都越來越趨近于成熟，應(yīng)用面也越來越廣，將專家系統(tǒng)的相關(guān)理論知識引入到工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中，既是對工業(yè)設(shè)計理論的一種擴展嘗試，也是對專家系統(tǒng)應(yīng)用的一種擴展嘗試，本文只是討論了專家系統(tǒng)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用的基本理論層面，沒有進行實際的建立專家系統(tǒng)模型。這也是隨著以后研究需要進一步深入的研究和探索的內(nèi)容。