创新设计的研究

　　设计是一个需要多种专门知识和实践经验的工作，包含分析、综合、分解及评价等多个过程，是对合理需求给出正确实现的一种创造性活动。工程设计的最高境界是具有创造性，发明创造正是科学技术赖以发展繁荣的核心。产品设计是一项最具创造性的工作，但到目前为止，对创新设计的研究成果还不多见。

　　尽管创新设计已不再笼罩在“天赋论”和“遗传论”的神秘光环下，但到目前为止，创造还不是任何人可以完成的。虽然也有一些创新设计的研究成果，但主要是针对创造性思维的不同侧面的研究，还没有形成一个完整的理论，如头脑风暴法、组合创新法及类比方法等，主要是对关于如何有效地实现创新性这一现象的总结；而关于创造性思维过程的有：创造性思维的四阶段论和两阶段论，后者将创造性思维分为明显的两个阶段即变陌生为熟悉和从熟悉变陌生。这些主要给出了创造性思维过程的宏观描述；针对设计问题，Gero认为可以分为三类：常规设计，革新设计和创造性设计。如何实现后两种，也没有一个明确的方法，即使关于什么是创新设计也没有准确的定义。

　　那么创新设计的本质是什么?其主要障碍又是什么?在计算机飞速发展的今天，利用计算机技术能解决创新设计的哪些问题?对于这些问题的回答，将有助于更深入地理解创造性设计的意义，将有助于区分创造性设计中的哪些工作是影响其在计算机上实现的关键因素，分清哪些工作可以借助于现有的计算机技术来完成，哪些工作仍然需要由人来完成。

　　本文从资源模型入手， 首先探讨了设计方法的共性及创新设计与一般的设计工作的不同点， 在进一步研究设计过程性质的基础上， 给出了创造性设计的一种分类方式， 并指出了各类设计的难点及可以采用计算机实现的部分。

    1　对资源的再认识

　　资源：设Q，V为资源R的本体与变体，其中q1,q2,…,qi,…,qn,为本体的永真命题qi1,qi2,…,qim为qi的等价永真命题，则本体可表示为

    Q←→q1∧q2 ∧…(qi∧qi1∧…qi2∧…∧qim)∧…∧qn,

    变体中变量为v1,v2,…,vk,相应的值域为D1,D2,…,Dk,则变体可表示为D=D1×D2×…×Dk,D′为满足Q约束的子集，D′称为资源的变化范围，dk=(d1,d2,…dk)是资源中的一个点。(Q,dk)称为资源R的实例资源。资源R可表示为

　　资源的本体与变体从不同侧面描述了资源，只有二者的有机结合才是对资源的完整描述。资源的变体实际上是该资源本体约束下的资源的可行空间。

　　资源本体中的永真命题在产品开发中要么称资源的性质，要么称资源的特点或功能，这些都是产品开发中资源选择的依据，为了讨论的方便，以下统称为资源的性质。

　　在产品开发中，设计人员利用的是资源本体的性质，在产品资源中起作用的基本单元是资源本体中的性质，设计人员思考与使用的基本单元是资源，思考时是以人类概念资源为基本单元，使用时是以客观世界的具体物质资源为基本单元。

　　在设计中，设计人员所关心的是资源本体中可以利用的性质，所选用的是资源本体中的一个或几个性质，而不是所有性质。一个资源本体有多个性质，性质起作用的方式多种多样，不同的性质可以产生不同的作用，可以用于不同的目的，也可以用于同一个目的，而一个性质也可以用于不同的目的，这都取决于资源的使用方法。

　　一个资源本体具有多个性质，资源的价值就在于其性质，性质依附于资源，不能独立于资源而存在，而这些性质的存在是不以人的意志为转移的，当我们选用资源时，不管我们是否喜欢这些性质，它都客观存在于所选用的资源本体中。其中对设计有益的性质会起作用，对设计无益甚至起反作用的性质也会起作用。设计中，要利用有益的性质，处理有害的性质。例如在造船中，之所以选择钢材是要利用其在刚度、强度方面所具有的性质，而不是利用其易于生锈的性质，更不是利用其比重大于水的于造船无益的性质。

　　由于产品设计的核心是资源性质的利用，因此，对资源的灵活运用的关键就是对资源性质的灵活运用，而资源的灵活运用正是创新设计的关键。因而以下从资源的性质出发，给出一种设计的分类方式。

    2　创新设计分类

　　创新设计：能给出满足一部分人需求的被用户认可的新资源，或给出能指导设计出一部分人需求的资源的新理论或新方法。

　　(1) 常规设计

　　有清楚的问题，有完整的问题解决方案，用户的问题的解决方案都包含在现有的问题解决方案之中，一般只需对某些参数做些变动。

　　常规设计虽然不属于创新设计，但为了保证设计分类的完整性，仍将其作为单独的一类。

　　(2) 利用常见的性质进行发明(小发明)

　　发现问题，找出能解决问题所用的常见的性质，并给出最终的解决方案。这一般对应于小发明，但却满足了一定的需求，其关键是现有资源性质的灵活运用。

　　(3) 利用性质组合进行发明

　　发现问题，重新组合已知的性质，并最终给出问题的解决方案。这里又分利用不同资源的性质组合进行发明和利用某一个资源的多个性质进行发明。

　　(4) 利用不常见的性质进行发明

　　发现问题，查找不常见的性质进行发明，其关键是可用性质的查找。通过人类已知的性质进行发明，难度越来越大。影响人们利用已知性质进行发明的因素主要有两个。一是人类对概念(资源)中性质存在的好、坏等的偏见。偏见是影响人们进行正确利用已知性质进行发明的重要因素，通过现有资源的缺点来进行发明创造的例子并不鲜见；二是设计人员对人类已知的资源性质的未知，随着科学技术的飞速发展，学科越分越细，由于设计人员对本学科以外的知识(包括概念的性质)知之甚少，因而这些学科的知识就无法应用于产品开发。

　　很显然，性质组合将产生组合爆炸，如此构造的新资源是无穷的，而有些组合明显没有意义。因此，只有那些用户认可的创新，并对用户有用的新资源才能成为用户满意的新产品。

　　(5) 通过发现客观世界的性质进行发明创造

　　在产品开发中，找不到可用于发明创造的性质，只有通过性质的发现最终实现发明创造。实验和类比都是发现性质的基本方法。

　　在实际中，对于许多现象并没有形成理论，我们仅仅是发现了性质而并非理论，利用这些性质就可以进行发明创造。性质的发现不仅可用于产品的发明创造，还可以通过性质的不断积累，为最终建立该领域的理论打下良好的基础。也是通向建立理论的必由之路。

　　(6) 发现涵盖一类现象的理论进行发明创造

　　很显然，建立涵盖一类现象的理论，从理论可以推导出许多对人类有用的性质，这将导致许多发明创造的产生，并可以明确地给出一大类问题明确的解决思路，也容易使得许多问题的解进一步完善。牛顿力学就是最好的例子，在以后的产品开发中就不会出现前两种方法中花很大工夫找性质和发现性质的问题。

　　性质发现本身就是一项艰苦的科研工作。从性质发现到能否走向产品，其关键是能否利用该性质，并成功地将该性质服务于产品创新，这又是一项艰苦的科研工作，可以说性质发现与性质利用是创新设计两个不同阶段的工作。

　　在创新设计过程中，性质发现是一个重要环节，头脑风暴法、类比设计、缺点逆用法以及实验等方法的目的都是要在没有理论指导时进行性质发现，而头脑风暴法和缺点逆用法的作用都是进行对已有性质的查找，随着计算机硬件及知识库与数据库的不断发展，计算机的利用不可避免，而人类通过实验手段发现需求与性质也是不可避免。

　　当然，拥有大量知识就是拥有大量资源的性质，它是创新设计的基础，但这并不表示就能完成创新设计，没有用户需要解决的问题和性质的使用方法，大量的性质只能作为知识贮存起来，并不能转化为新产品。

3　与创新设计相关的若干问题探讨

    3.1　产品设计的多解性

　　产品的开发过程是资源树的构造过程。资源树的构造过程是资源选择、利用和连接等操作的实施过程。在这个过程中，有多种因素对最终产品(问题的解)产生影响，并导致解的多样性。

　　从上面讨论可知，在产品开发中，利用的是资源本体的性质，而使用的基本单元是物质资源，同一组性质可以存在于不同的物质资源本体中，而这些不同的资源本体除了有相同的性质外，还可以具有不同的性质。在设计中，由于使用的是具体的物质资源，因此设计人员利用不同资源本体的同一性质解决同一个问题，就完全有可能有不完全相同的结果。如：在凳子的设计中，由于强度及刚度的要求可以选择钢管、木材作支撑，但由于二者在其它方面性质的不同导致了最终产品的许多不同的特点。因此，同一需求可以有不同的实现方式。

　　另一方面，人类的许多需求本身就有变体，变体包含有一定的范围，因此问题的解必然是一个集合。例如，在凳子的设计中，其横撑的位置就是一个解集(如图1)。由于人类自身生理特点和认识水平，客观世界在人脑中的反映大多是事物现象而并非本质。例如人们可以看到和区分的是可见光，而并非具体的电磁波波谱。因此在产品设计中，用户自身需求的就是一个解集中的一个解，而非唯一解。也就是说，在资源树的构造过程中，从根结点出发，当细化到一定程度时，虽然还没有给出具体的解决方案，但当前方案变体中的任意一点都可以成为用户的满意解(如图2)。
 

图1　横撑的解

图2　问题的解是一个集合

　　在产品开发中虽然具有多解性，但用户使用的只能是一个具体的最终产品，它只是整个解集中的一个解。而一旦选择了一个解，形成了新的产品资源，其性质也就确定了，新资源也就不具备其它解的许多性质。

　　了解产品开发过程中的多解性，是在产品开发中为开发不同用户群，提供满足不同用户群需求的产品并创建新市场的条件之一。

    3.2　知识的灵活运用

　　创新设计是通过分解及综合过程将设计从不熟悉的功能和指标要求导入设计师所熟悉的指标要求的过程，实际上就是最后要落实到我们所熟悉的结构或方法来解决问题。产品设计不可能完全从头开始，要利用人类现有知识与概念，因为只有继承，才能在更高层次上有所作为，并把已知推向前进。

　　概念的形成来源于问题的提出和解决。产品开发的基本过程是提出问题，解决问题并最终给出产品，在大多数情况下，相应的产品也就成了人类的概念。因此，可以说现有概念给人类提供了一套问题解决方案，而且随着科技的不断发展，这套方案还在不断的完善之中。

　　在资源树的构造过程中，从根结点到叶子结点的过程是方案的设计过程，从叶子结点到根结点的过程是资源的实现和落实过程［3］。利用已有概念的方案可以高效快速地解决那些已经解决但又遇到的问题，实际上有些问题我们会反复遇到，用现有概念作为问题的解决方案，剩下就只是方案的落实了，若每次都从方案设计开始，不用现有概念，则问题的解决效率就很低。

　　人类形成的常识概念是解决问题的高效工具，解决问题的常用办法，但并非唯一工具和唯一办法。灵活运用现有事物概念，又不受现有概念的限制，是创新设计的基本点之一。资源灵活运用是人类的重要智能之一，能否实现资源的灵活运用，关键是能否充分了解要完成任务的基本要求，能否充分了解资源本体的基本性质。

　　一般而言，现有的概念是人类解决问题时利用某些资源本体的某些性质而形成的，而不是利用所有性质形成的，相应的概念也就成为了解决这一问题的习惯方法，这些性质的习惯发挥使用方法就成了概念中其它性质使用的障碍，也自然成为创新设计的障碍。所以知其为产品则可以使用，知其所以为产品则可以对其进行进一步的改善。例如：桌子的作用人所共知，但它不仅仅可当做桌子，还可以作为梯子，也可以作为燃料等。

　　在概念的使用中，既要知道一个概念的基本用途，又应了解人类对这一概念的基本要求，因为问题的解是一个范围，这样就可以灵活地提供问题的解决方案，例如：到桌子上做作业的问题，若常用的桌子被占用了，则应知道桌子有外延，有许多桌子，可以到其它桌子上去做；若还没有找到，则可在资源树上回溯(如图2)，找到对桌子的基本要求，满足这一要求的外延更宽，可以在更广泛的范围内查找，如找到凳子、箱子等资源。

　　而当我们对解空间结构有了准确的认识时，还可以利用优化方法找出问题的最优解。

　　总而言之，在产品开发中，设计人员利用的核心是资源本体的性质，如何根据问题对性质进行分类与再分类，如何改变性质所属范畴，如何从具体上升到抽象，如何再从抽象回到具体，怎样从新的角度看待问题和性质是知识灵活运用的关键，也是创新设计的关键条件之一。

4　实现计算机辅助创新设计

　　创新设计的关键是创新概念的提出，创新概念的提出属于概念设计范畴，创新概念提出的过程如下：

　　问题提出—→性质发现—→性质利用——方案的详细设计

　　在这一过程中，影响产品创新概念提出的主要因素为：

　　(1) 客观性质和客观规律的发现。

　　(2) 问题的发现。

　　实际上，问题的发现也可以归类于客观性质和客观规律的发现，但因为它是产品创新的初始环节，因此将其单列出来。问题的产生与人的实践活动和所处的环境密切相关，有些问题并不是人人都能碰到的，因此有些问题的发现具有确定性，而有些问题的发现就具有不确定性，对这类需求的掌握就具有随机性。

　　(3) 设计者的偏见。

　　(4) 个人精力和所掌握知识的局限性。

　　在大量的信息中找出符合要求的性质，并非一件很容易的事情，因为有利于设计的性质被人类掌握，而没有被设计者个人所掌握，这就容易造成有些人知道对新产品的需求却没有掌握人类已经掌握的实现产品的性质，而掌握了性质的设计师却不知道利用这些性质的方法。

　　人工智能的研究已经表明，完全可以从现有理论推导出其性质，以专家系统为主的知识处理系统的基础是逻辑思维，这是一种符号性表达体系，在推理论域的词汇表确定以后，其推理机制能够实现从整个既定空间中搜索(发现)一些早已存在但尚不知晓的状态或状态组合。

　　但是在问题答案的搜索空间界定以后，推理机制没有能力也不可能到给定的字符表(状态)以外去搜索而产生新的内容，从本质上讲，这个工作是一种符号运转的重组，宏观上显示出的新特性在微观上没有任何新意，从这个意义上讲，它只有发现能力，深度优先，启发式搜索都是针对性质“发现”。

　　其次，现有的知识表示方法不具有足够的灵活性，当在计算机上描述了一个事实：这是一个桌子时，则它就成为了桌子，当作推理中的基本事实，在使用中也就失去了灵活性，因此，也就失去了对创新设计的支持能力。实际上，当需要桌子时，它就是桌子，这样解决问题效率高，而当需要梯子，没有常规的梯子，则要找出我们对梯子的基本要求，以及梯子的那一个性质实现了这一基本要求，找出一个能替代梯子这一性质的概念(物体)，例如：桌子，这样解决问题具有灵活性、智能性，但效率则要低一些。

　　总之，在产品开发中，使用的单元是物质资源，以人类现有概念为基础，而实际使用的却是物质资源本体中的性质。上面的讨论已经表明，计算机可以提供那些已知的和部分未知的性质，并用于产品开发，在设计领域已有成功的设计型专家系统，如：R1、V带轮设计专家系统等。但是现有知识处理不能实现创新的关键问题是知识表达与组织结构不具有灵活性，如果采取适当的知识表示与组织结构，利用计算机来实现上述产品创新设计的前四种方法并非不可能，因为这几种创新设计利用的是人类已有的(知识)资源，虽然没有实现资源性质的微观创新，没有性质的创新，但确实实现了资源的宏观创新，只要能满足用户的需求，提供了用户认可的，现实世界没有的新资源(产品)，就是实现了创新设计。我们已经开始了这方面的软件开发工作。实际上，从牛顿力学到相对论，从算盘到计算机，无数历史经验表明，每当科技发展受到阻力的同时，总有科技人员挺身而出，攻克难点，这说明科技创新并非遥不可及，只是由于问题发现的随机性和人的精力的有限性等一些因素，才妨碍了创新设计的进行。

　　人类在认识世界和改造世界的过程中，也是从现有概念出发，不断抽象以获得关于世界更高的客观规律，例如从牛顿力学到相对论；或者从客观规律出发，造出成千上万符合客观规律的产品。过多超越人类现有概念反倒会失去人类的信任。对于那些还没有完全认识的客观规律，我们还要通过实验不断认识其性质，并最终认识整个客观规律。因为，人类掌握客观规律、认识客观规律的过程是一个渐进的进化过程。因此，资源的表达及储存也是后两种创新设计方法的基础。

    5　结论

　　本文从资源出发，探讨了资源及其性质的关系，说明在产品开发中，设计人员利用的是资源的性质，在产品资源中起作用的基本单元也是资源的性质，设计人员思考时是以人类概念资源为基本单元，使用时是以客观世界的具体物质资源为基本单元，并基于资源性质给出了一种创新设计的分类方式。文中还探讨了与创新设计密切相关的解的多样性问题，并指出知识的灵活运用是创新设计的关键点之一。

　　最后，从以上设计分类出发，指出利用已知性质进行计算机辅助创新设计是完全可能的。