需求与知识耦合驱动的创新设计理论与方法研究

Innovative design is the process of satisfying the requirement and using multidisciplinary knowledge. Requirement-driven design theories include axiomatic design, TRIZ and so on. Knowledge-driven design theories include case-based design, biologically inspired design and so on. The project focuses on the divergent thinking, innovative thinking and convergent thinking of the three stages of innovative design. In this project, the theories and methods of requirement and knowledge coupling driven innovative design are presented. First, the requirement and knowledge coupling driven principle solution space generation methods are presented in the earlier stage of innovative design. Second, the knowledge and requirement coupling driven structure solution space generation methods are presented in the metaphase stage of innovative design. Finally, the methods of knowledge and requirement coupling driven innovative solution generation, new knowledge discovery and new requirement acquirement are presented in the later stage of innovative design. The system of innovative design is developed. The study result should be applied in the innovative design process of mechanical-electrical products, optical-mechanical-electrical products, and biological-mechanical-electrical products to validate the proposed methods. The application of the project should construct the theories and methods of requirement and knowledge coupling driven innovative design, strengthen the continual innovation ability of product.

创新设计实质上是设计者针对需求使用多领域知识进行的创造性工作。需求驱动的设计理论有公理化设计理论、TRIZ理论等，知识驱动的设计理论有基于实例的设计理论、生物激励设计理论等。本项目围绕创新设计的三个阶段的特点：创新设计初期的发散性、中期的创新性和后期的收敛性，从系统层面上提出需求与知识耦合驱动的创新设计理论与方法。研究创新设计初期的需求与知识耦合驱动的原理解空间生成方法；研究创新设计中期的知识与需求耦合驱动的结构解空间生成方法；研究创新设计后期的知识与需求耦合驱动的创新解生成，以及设计过程中的新知识与新需求的获取方法。开发需求与知识耦合驱动的创新设计软件系统工具集，以机电产品、光机电产品、生机电产品这三类典型产品设计为对象进行应用验证。本项目的实施，对于构建需求与知识耦合驱动的创新设计理论，提高产品的持续创新设计能力具有重要的理论与现实意义。

创新设计实质上是设计者针对需求使用多领域知识进行的创造性工作，创新设计过程不是单纯的需求驱动或者知识驱动，实质上是需求与知识的耦合作用。本项目围绕创新设计的三个阶段的特点：创新设计初期的发散性、中期的创新性和后期的收敛性，系统地研究了需求与知识耦合驱动的创新设计理论与方法，从理论层面上提出了1）需求/知识耦合驱动的原理解空间生成方法，实现需求的扩展、需求到原理解的双向映射；2）知识/需求耦合驱动的结构解空间生成方法，实现结构解空间的聚类与评价；3）耦合驱动的创新解、新知识与新需求的生成方法，实现最大程度满足需求的创新解，并形成驱动下一轮持续创新的新知识和新需求。本项目的研究在耦合驱动的原理解生成、耦合驱动的结构解生成、耦合驱动的创新解/新知识/新需求的生成三个方面取得了突破。从应用层面上，本项目开发了软件工具集，在典型机电产品、光机电产品和生机电产品开发中进行了应用，设计了新型的工业机器人散乱件抓取控制器和运动轨迹控制器运动轨迹控制器、显微成像装置、人工视觉假体视觉采集装置等新产品。研究成果出版专著1部，发表论文23篇，获得授权发明专利2项，公开发明专利6项，获得软件著作权5项，培养博士后1名，博士生5名，硕士生3名。本项目的实施，对于创新设计理论与方法的深入研究，以及进一步构建完整的需求与知识耦合驱动的创新机制，提高企业产品持续性创新设计能力，具有重要的理论研究价值和现实意义。