工业产品设计专家系统思索

随着商品竞争程度不断加强，这就要求企业不但要提高产品性能，而且要尽可能缩短产品供应周期。传统的产品设计方法将设计对象分解为许多独立部件分别进行研究，孤立静止的分析问题，因此使得设计结论带有片面性和局限性，难以满足需要。随着现代设计理论、方法不断完善，特别是基于知识的专家系统设计方法的产生和发展，使利用计算机求解工业产品设计过程中大量数值和非数值性问题成为可能。通过引入专家系统对设计过程进行控制，对设计结果进行评价，减少了设计过程中的盲目性，节省了设计时间。然而考虑到产品设计过程存在着大量的非理性的因素，可定位该专家系统为一个辅助工具，为充分发挥设计者的能力，可将系统意见作为设计参考，而把最后的决策权交给设计者。

1专家系统与工业产品设计

1.1专家系统及其发展状况

专家系统是人工智能的一个重要研究分支。它是一种具有大量知识和经验的计算机程序。专家系统从领域专家那里获得知识，用一定的方法进行表达、存储、管理和维护，通过对专家知识和经验的综合运用，进行推理和判断，从而解决现实世界中的复杂问题。[1]目前已有多种类型的专家系统被广泛应用于国民经济的各个领域，包括解释型、诊断型、设计型等多种不同的类型。虽然它们的功能不同，但是它们具有下列共同的特点：

1)以足够复杂的问题为对象；

2)从某个问题领域的专家处获取专业知识；

3)能对知识进行推理或控制；

4)具有与专家同等程度的解决该专业领域内问题的能力。不同领域的专家系统，其功能和结构也不尽相同。但一个完整的专家系统有以下六个主要部件:即知识库、推理机、综合数据库、知识获取、解释机制和人机接口。现在流行的专家系统的一般结构如图1所示。其中，知识库和推理机是主要部件。

1.2工业产品设计与专家系统

通过上面的阐述，知道一个专家系统能利用专家的知识进行启发式推理，能解释其推理过程，对用户的询问做出回答，并且能够不断地、灵活地增加新的知识。专家系统把许多事实和有关专业内的经验法则结合在一起，通过系统地应用这些事实和启发规则，不断地缩小搜索范围，引导问题的解决。[2]对于工业设计来讲，目前工业设计被广泛采用的定义为：“就批量生产的工业产品而言，凭借训练、技术知识、经验及视觉感受而赋予材料、结构、形态、色彩、表面加工及装饰以新的品质和资格，叫做工业设计。”通常工业产品设计具有以下两个特点：第一，在设计过程中，很多工作是非数值计算性的，更多问题要通过思考、推理和判断来解决。设计过程不能追求唯一解，往往是在多个设计可行解中进行优化决策，且设计结果具有模糊性；第二，由于大多数设计模型不是简单的数学模型，而是建立在大量知识基础上的知识模型，因而，设计结果的优劣大多取决于设计者的知识、经验和思考问题的方法。工业产品设计也是一项系统工程，在总体设计过程中，要对大量的信息进行处理，需要运用多学科的专门知识与丰富的设计经验，并要通过多次反复的综合分析才能得到一个好的设计结果。通过上面的定义和分析我们可以看出，一个工业设计师的能力是通过训练，学习相关的技术知识和经验得来。设计过程是在综合大量的知识基础上推理、思考和判断。由此工业设计专家系统的知识库即包含产品的主要组成要素——材料、结构、形态、色彩、表面加工及装饰的相关知识，以及基本的设计理论，其推理过程则是对相关的信息作出比较、筛选、判断，用专家的设计经验结合在一起进行而得出能够解决问题的方案。

2专家系统在工业产品设计过程中的应用

工业设计的宗旨就是创造更为合理的生存方式，一个新产品的诞生不是一蹴而就的事，而是一个不断发展、渐进和系统的过程。设计的起点首先是从生活中发现问题，收集各种信息，然后是分析问题。通过前期设计调研和分析，对收集的各种信息进行分析使之概念化，也就是确定一个可开展的方向。接下进入创意设计阶段，即把产品概念转换成可视化的具体若干形态方案。形成形态方案后，必须通过设计评估，以选择最优设计方案，最后实现设计的商品化。基本的产品设计过程可以抽象成图2所示。在工业产品设计的这几个流程中，用专家系统来解决相关的设计问题，将对设计时间的缩短和设计质量的提高有着实际的作用。

2.1信息搜集与整理

信息的获取将是整个系统最首要的工作。建立智能信息采集系统，根据事先的设定目标，自动在一些信息载体上采集相关的设计信息和资料，在获取包含所需信息后，能够有效的提取出所需信息和数据，将这些数据下载到本地进行分类整理，以特定的形式存入数据库，为设计人员检索资料奠定基础。当然如果能从已有的设计资料中直接获取所需要得资料信息是最理想得，通过市场调查，获得需要设计的产品的相关信息，主要有文字的描述信息，产品的尺寸信息以及产品的图形图像信息，一般以图形图像信息居多。于是就要求系统能够自动从图片中提取产品的一些关键要素，如色彩，线型等信息，并能按照一定的规则，如时间得顺序，线型得相似性等等进行归类排列，整理出具有一定规律性和逻辑性的信息，并能求解设计风格变化趋势，做出预测，以为后面创意设计阶段所用。

2.2产品创意设计

创意设计的主要内容体现在产品的外观形态设计上。由于产品形态千变万化，因此产品形态设计方法具有较大的灵活性。设计师在长期的设计实践中总结出一些较为实用的设计方法，如比例设计方法、线型设计方法等。所谓比例设计方法即产品形态比例设计应遵循和符合美学法则的常用比例关系，如黄金分割比。这些典型的比例不仅自身有良好的比例美效果，而且它们之间又存在多种形式的转换与变化关系以及内在的数学关系，种种比例性质及变化为产品造型设计提供了多种多样形态间的比例关系和丰富多彩的构成形式。产品形态中的线条是形态要素的内容之一，而线的形式和风格往往是整体形态风格和特征的重要表现形式。因此产品形态设计可以首先从线型的风格定位及总体协调的角度出发，建立整体的产品形态，这就是形态设计中常用的线型设计方法。进行产品形态的线型设计时，首先确定产品的形态线型风格，如流畅、柔和、坚硬、刚毅等，然后确定线型的组织方式，即形成产品的基本形态。以上形态设计基本原理知识已经成熟并为设计师所公认，任何形态的设计都需遵循这些原则。这样就为产品形态设计提供了一个成熟的知识库，输入产品的风格特征，通过推理机的运算，可以得出适合需要的形态设计方案。此模块的专家系统的基本方法是把产品的特性进行分解，排列，最后检测它们之间的相互关系和可能的组合方式。首先定义基本信息特征，是指从不同角度反映产品整体信息的基本构成要素，如产品的功能特征、形态特征、结构特征等等，从这些角度对产品信息特征进行切割，使这些产品信息特征成为相对独立的形态特征。通过专家系统的对独立的产品形态信息特征的辅助设计，形成若干设计形态。最后进行组合，将分别来自专家系统的输出的形态特征进行合并，生成一个新产品。此过程的流程如图3所示。

2.3设计评价决策模块专家系统

对于设计方案的评定涉及到很多领域的知识，包括美学、人机工程学、社会心理学、加工制造工艺学、市场营销学等等，而且具有随机性和模糊性，单独一名设计师很难掌握如此广泛的知识，因而也就很难独立完成产品的方案评定。要想全面对产品的各方面进行综合评定，而又在缺乏相关领域专家的情况下，可以采用专家系统来辅助完成工作。

2.3.1确定设计方案的评价准则评价准则制定得是否合理是保证评价科学性的关键问题之一。评价准则来自产品所追求的目标，也即对产品提出的要求、愿望和通常的约束条件。评价准则应该全面包括主要的目标和约束，包括整个产品生命周期中的不同方面，如技术、经济、安全、外观、环境等。这些方面具有不同的重要性。因此，评价准则不止一个，其重要程度也不相同，它们组成了一个评价指标系统。评价指标系统的制定必须遵循科学性与实用性、完整性与可操作性、不相容性与系统性、定性指标与定量指标结合、静态指标与动态指标相统一的原则。[3]一般采用多层次的结构模型，水平方向各项是评价指标项目，垂直方向表示指标的分级层次。一般来说，垂直方向的分级不宜多于4级，水平方向的指标项目不宜多于10个。对于某个具体产品来说，垂直方向分几级，每一级的指标项目是多少，应就问题的复杂程度而有所取舍。

2.3.2确定各评价目标所占的权重由于各评价指标对设计总目标的重要程度不同，首先必须确定各个项目的权重。针对评价主体的不同，同一个产品相同的项目所给的权重有可能不一样，对于一般企业而言，可以通过市场调查，从某个产品以往的用户的各种评价中得出各项指标的评价权重，然而这种数据及其难以获得，而且不具有通用性。更多的情况下，是对每个产品详细划分的评价指标进行优劣判断，分别代表优、良、中、差、劣五个等级来判断。其优点在于不仅保持了这种经验知识的模糊性，同时可采用软件方法处理，易于产生对比标度值。相对而言，评价的专家系统方面的研究较多，较为成熟，很多其他的各种评价的专家系统的都可以为工业产品设计的专家系统所用。

3结语

专家系统经过多年的发展，各种理论都越来越趋近于成熟，应用面也越来越广，将专家系统的相关理论知识引入到工业产品设计中，既是对工业设计理论的一种扩展尝试，也是对专家系统应用的一种扩展尝试，本文只是讨论了专家系统在工业产品设计中的应用的基本理论层面，没有进行实际的建立专家系统模型。这也是随着以后研究需要进一步深入的研究和探索的内容。