孫 強，李牧醒，汪亞林

(蚌埠學院a.藝術設計學院；b.機械學院，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

在大規(guī)模機械化產(chǎn)品定制和生產(chǎn)中，具有共同特征的“家族化”系列產(chǎn)品以低開發(fā)成本、較短開發(fā)周期、明確的風格特征和多樣化的功能滿足客戶追求高品質(zhì)個性化的需求，由此催生了產(chǎn)品族的形成。產(chǎn)品族是指一組或一個系列產(chǎn)品擁有高度相似的零部件和共同的造型識別特征，如同是一個家族中的若干成員，它們在整個產(chǎn)品序列中有自己獨特的位置，或滿足個性化的使用功能，或體現(xiàn)個性化的產(chǎn)品風格，既滿足了不同客戶對個性化產(chǎn)品的需求，又在大規(guī)模生產(chǎn)中實現(xiàn)了零部件共享，從而有效降低生產(chǎn)成本和開發(fā)周期。產(chǎn)品族是實現(xiàn)大規(guī)模定制的重要使能技術，產(chǎn)品配置是一種有效聯(lián)系個性化客戶需求與定制產(chǎn)品的手段[1]，它是由眾多具有共同核心識別特征的產(chǎn)品組成的一個序列，假設產(chǎn)品族A中有n個系列產(chǎn)品，那么這些產(chǎn)品可表示為PA1，PA2……PAn。n個產(chǎn)品都有著共同的核心識別特征，這些特征的最終指向是產(chǎn)品的品牌識別。同時它們也有自己的個性特征，或具有不同的功能、風格，或具有不同的色彩、造型，等等，類似于生物圈的進化。產(chǎn)品族中一系列產(chǎn)品的設計過程實質(zhì)上是它們共同擁有產(chǎn)品族設計DNA的特征，即產(chǎn)品族設計DNA進行信息復制、變異、增殖的過程，因此在產(chǎn)品族設計過程中，原本屬于生物概念的DNA的迭代、進化理論及其規(guī)律經(jīng)常會被用來模擬產(chǎn)品族設計特征信息的傳遞和修改，而產(chǎn)品族設計特征信息的傳遞和修改又導致下一代產(chǎn)品功能的遺傳(高相似度設計)和變異(低相似度設計)，因此對產(chǎn)品族設計的研究本質(zhì)上是對產(chǎn)品族中的設計DNA的遺傳性和變異性的研究。

1 相關研究

劉興中等認為，產(chǎn)品族規(guī)劃是產(chǎn)品平臺設計的關鍵環(huán)節(jié)，它主要包括市場細分與產(chǎn)品族定位兩個階段，幫助企業(yè)在恰當?shù)氖袌鎏峁┣‘數(shù)亩鄻有浴榱吮苊猱a(chǎn)品族設計中的主觀模糊因素，作者提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的產(chǎn)品族規(guī)劃方法[2]。張云帆等為了避免產(chǎn)品族設計中的主觀模糊因素，利用可量化的指標構成準則層，采用層次分析法提取品牌典型產(chǎn)品，利用對目標意象在“模糊評價因素集”中的最大隸屬原則確定產(chǎn)品族基因[3]。程賢福等將產(chǎn)品族的參數(shù)決策與定制參數(shù)求解作為產(chǎn)品設計的相互作用又相對獨立的兩個層面，建立了產(chǎn)品族的雙層規(guī)劃模型[4]。Suri等提出采用人機工程學的口語分析和情境構建法來確定產(chǎn)品設計的創(chuàng)意特征，為準確把握產(chǎn)品意象構建產(chǎn)品族打下基礎[5]。Yu等嘗試將產(chǎn)品族的知識共享與重用運用在軟件產(chǎn)品的定制方面[6]。

2 產(chǎn)品族設計DNA的建構

產(chǎn)品族設計DNA的建構依據(jù)產(chǎn)品種類以及產(chǎn)品中顯性和隱性DNA的具體情況進行，整個建構過程有著諸多不確定性，總體而言分為產(chǎn)品族特征元素分析、設計DNA的提取、設計DNA的優(yōu)化與重組、設計DNA的定型描述這四個主要階段。

2.1 產(chǎn)品族DNA的結構布局

產(chǎn)品族DNA的結構布局包括設計管理、建構內(nèi)容、建構方式、產(chǎn)品基因描述四個層面。

設計管理是指整合市場需求信息、產(chǎn)品文化信息、競爭對手情況、設計知識和生產(chǎn)技術等多方面知識，對包括品牌管理、產(chǎn)品體系、構建概念產(chǎn)品等設計全過程進行綜合控制。在產(chǎn)品族特征元素分析、設計DNA的提取階段，通過對產(chǎn)品的功能結構、審美風格、市場偏好等因素的系統(tǒng)分析，歸納產(chǎn)品族的基礎功能和本質(zhì)特征，分別從顯性與隱性層面確定產(chǎn)品族的核心識別DNA。在對產(chǎn)品族設計DNA的優(yōu)化與重組階段，通過產(chǎn)品實現(xiàn)技術分析、口語分析、意象元素數(shù)據(jù)化處理、特征建模等方式，進行反復優(yōu)化、提煉、重組測試，建立一套相對固定的設計DNA組合模式。在產(chǎn)品族設計DNA的定型與描述階段，對產(chǎn)品的核心識別DNA以及組合模式進行歸納整理，形成一系列設計知識模塊，這些設計知識模塊最終在設計管理的控制下參與產(chǎn)品系統(tǒng)設計。

2.2 產(chǎn)品族設計DNA的遺傳與變異

產(chǎn)品族設計DNA的遺傳和變異可概括為如下模型：假設產(chǎn)品族A中有n個系列子產(chǎn)品，這些子產(chǎn)品中具有核心識別性DNA以及非識別性的或非核心的DNA。識別性的DNA稱為AD，非識別性的以及非核心的DNA分別稱為AR，XR，在進行產(chǎn)品族設計時AD會被設計師主觀地保留下來，與外部的變化性需求進行匹配產(chǎn)生新的子產(chǎn)品。顯性DNA在與外部變化性需求進行匹配時會出現(xiàn)兩種情況：一是AD的識別黏性大于變量S，則產(chǎn)生新產(chǎn)品的DNA表現(xiàn)為遺傳性；二是AD的識別黏性小于變量S，則產(chǎn)生的新產(chǎn)品將體現(xiàn)與眾不同的新特征，此時的設計DNA表現(xiàn)為變異性。遺傳性與變異性只是產(chǎn)品族設計中DNA傳遞的兩種不同傾向，本身并無優(yōu)劣之分，具有遺傳性的產(chǎn)品族設計DNA雖然更多地繼承了成功的父代產(chǎn)品，但過分地相似有時也有扼殺創(chuàng)新的可能。變異性的設計理念也具有兩面性，一種是失敗的應該被放棄的設計，另一種是突破性的新設計。當今，在競爭激烈的市場環(huán)境刺激下，大部分品牌公司都爭相嘗試變異性的產(chǎn)品族DNA設計，尋求在市場上獲得更多的突破，實際上無論遺傳性還是變異性的設計DNA，對企業(yè)都具有一定的風險。

3 產(chǎn)品族設計DNA的關鍵技術

產(chǎn)品族設計DNA一般涉及以下關鍵技術。

3.1 產(chǎn)品與市場分析

對企業(yè)已生產(chǎn)的產(chǎn)品進行歸納分析，提取這些產(chǎn)品的共同功能、色彩、人機界面、造型、風格特征，形成自身品牌的標識性設計DNA。

對市場上大量同類產(chǎn)品進行綜合分析歸納，提取產(chǎn)品共性特征并優(yōu)化重組，形成這一產(chǎn)品的功能性設計DNA。通過對產(chǎn)品技術性生成過程的解構，運用DNA設計模型對設計目標進行推理求解，并提取求解結果的本質(zhì)特征，從而形成產(chǎn)品族的設計DNA。

3.2 產(chǎn)品族核心標識性設計DNA的提取

產(chǎn)品族核心標識性設計DNA的提取是產(chǎn)品族設計的前提。產(chǎn)品設計師需要從結構與功能層面、造型與風格層面等諸多方面對產(chǎn)品中的顯性和隱性特征進行提煉和歸納，經(jīng)過優(yōu)化后，作為產(chǎn)品設計的核心，這就是標識性設計DNA。標識性設計DNA在后續(xù)設計過程中與外部需求因素進行匹配或組合。

3.3 產(chǎn)品族設計DNA遺傳與變異的建模技術

這一過程主要是對產(chǎn)品族設計DNA構成元素的功能特征進行綜合性的描述，整個過程在產(chǎn)品族DNA的遺傳和變異操作以及基因延續(xù)法則的相互交替作用下進行。設計DNA遺傳與變異的建模是通過對所得到的DNA片段進行優(yōu)化組合，完整排列產(chǎn)品族中子產(chǎn)品的全部數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)繼承關系，包括疊合、交叉、破分等，因此這一模型所包含的產(chǎn)品設計信息非常完整，市場需求、信息設計構思、產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析、制造方法和質(zhì)量控制準則等各方面信息均由描述性信息所涵蓋，這些信息還具有動態(tài)性和相關領域的深層知識。同時，為更有效地描述這些信息，還應支持產(chǎn)品語義描述和CAD模型的融合機制，并對信息提供全程交互式修改以及系統(tǒng)操作過程提示等。

3.4 產(chǎn)品族設計DNA推理求解技術

從根本上說，設計問題無法用數(shù)學模型進行完整表達，因為設計本身是一種尋求多種途徑求解的過程，所需要的思維方式是多維度、多樣化的。同時，思維過程中涉及到的設計知識也很難有一個確定的邊界，因此設計過程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)的約束性質(zhì)、約束層次和強度都有很大的變動，由此產(chǎn)品族設計DNA的推理求解技術也呈現(xiàn)多樣化。例如，基于實例的推理求解、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等，最終的目的是在產(chǎn)品族原有DNA的基礎上，繁殖新一代的子產(chǎn)品。

3.5 支持產(chǎn)品族設計DNA的知識庫技術

支持產(chǎn)品族設計DNA的知識庫是一種數(shù)據(jù)和信息的集合，對設計知識的分類獲取、知識表示以及設計知識重用多種操作予以支持。同時它也負責設計隱性知識向顯性知識的轉(zhuǎn)化，最大限度地整合設計信息資源。支持產(chǎn)品族設計DNA的知識庫包含宏觀與微觀信息，其中市場需求信息、技術發(fā)展前景、企業(yè)規(guī)劃等信息屬于知識庫中的宏觀信息；產(chǎn)品中的人機工程數(shù)據(jù)、設計風格、功能與結構分布等屬于微觀信息。宏觀信息影響著產(chǎn)品的設計規(guī)劃，微觀信息直接影響著產(chǎn)品族設計的研發(fā)方向。

4 應用實例

本文以某客戶要求的一款多用途拼插收納盒的設計為例，按照上文提出的設計方法對產(chǎn)品族設計DNA進行分析、提取，并進行關鍵技術的驗證?？蛻魧κ占{盒的具體要求是：①收納盒由眾多模塊構成，每個模塊既可獨立完成收納功能，也可以拼接在一起形成具有區(qū)域分割的大盒；②拼接、拆卸方便，符合人機工程學要求；③造型簡潔，富有設計感和趣味性。從以上要求可以看出，收納盒中的眾多小模塊功能獨立、造型相似且具有高度的相關性，符合產(chǎn)品族設計DNA的特征。

4.1 產(chǎn)品族相關產(chǎn)品分析

通過市場調(diào)研，從市場選擇了有代表性的各類品牌收納盒，對其使用特點、審美特征、材質(zhì)特征、價位檔次等方面進行比較。表1為各類品牌收納盒的風格及優(yōu)缺點比較。

表1 各類品牌收納盒的風格及優(yōu)缺點比較

4.2 產(chǎn)品功能分析

針對客戶需求，對收納盒的功能作進一步分析。使用功能層面主要體現(xiàn)為技術指標與功能指標的實現(xiàn)，審美功能層面主要分為造型與色彩的設計?？紤]到收納盒屬于小型學習或辦公用品，因此造型設計講究內(nèi)部空間分隔的針對性與合理性，外部造型則要求精美與別致，色彩設計強調(diào)色調(diào)的統(tǒng)一與多樣性。具體產(chǎn)品功能分析如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品功能分析圖

4.3 產(chǎn)品族DNA的提取與建構

以七巧板的七個塊面作為收納盒產(chǎn)品族的DNA序列，分別對其進行分析、設計并繪制草圖。七個板塊的幾何形屬于產(chǎn)品族的DNA遺傳部分，它們的高低層次、色彩等屬于產(chǎn)品族的DNA變異部分。對產(chǎn)品形態(tài)進行設計的同時要考慮各部分之間拼插的榫卯接口的樣式，故本設計采用現(xiàn)代“工”字榫與傳統(tǒng)直榫相組合的榫卯接口方式，使得板塊與板塊之間的拼插既方便又多樣化，同時也對拼插后板塊的各種移動方向都有很好的限制。收納盒榫卯接口設計的結構草圖如圖2所示。

圖2 收納盒榫卯接口設計的結構草圖

4.4 產(chǎn)品族DNA構件的組合、拼接與尺寸設計

根據(jù)以上結構設計，對產(chǎn)品族的每個DNA構件設計進行細化，并對產(chǎn)品尺寸作符合人機工程學的確定。產(chǎn)品族形態(tài)匹配分析如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品族形態(tài)匹配分析

由圖3可知，板塊1與板塊4，板塊4與板塊6在設計的結構尺寸上以遺傳性為主，因此可分別作為產(chǎn)品序列1，2。同時，板塊7是板塊4與6的組合延伸形態(tài)，因此在結構尺寸上板塊7也被納入4與6的DNA延伸產(chǎn)品尺寸之中。板塊3與板塊5呈現(xiàn)產(chǎn)品的結構尺寸變異性，被列入產(chǎn)品序列3。產(chǎn)品族結構與尺寸如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品族結構與尺寸

4.5 完成收納盒產(chǎn)品族設計

最終完成的收納盒產(chǎn)品族中的系列產(chǎn)品可以自由拆裝、單獨或組合使用，并根據(jù)客戶的喜好和辦公桌的位置提供多種色彩的拼裝樣式，具有使用的便利性、靈活性和趣味性。產(chǎn)品族效果圖如圖5所示。

圖5 收納盒產(chǎn)品族效果圖

5 結論

本文從產(chǎn)品設計出發(fā)，對基于形態(tài)的產(chǎn)品族設計DNA的概念、設計方法和關鍵技術進行了探討，對產(chǎn)品與市場、產(chǎn)品族核心標識性設計DNA的提取、產(chǎn)品族設計DNA遺傳與變異的建模技術、產(chǎn)品族設計DNA推理求解技術、支持產(chǎn)品族設計DNA的知識庫技術進行了分析，并以榫卯接口的收納盒設計為例，對產(chǎn)品族設計DNA的程序和方法進行了驗證。