基于可供性的知识驱动创新设计理论和方法研究

To meet the non-functional requirements of design solution in classical Knowledge-Driven Innovative Design (KDID) researches, this project intends to introduce the affordance concept into KDID, and studies the affordance-based KDID method. Different from Design for X (DFX) methods which aim to optimize the properties of the design soloution itself such as manufacturing cost, assembling time, etc, the new affordance-based KDID method aims to improve the performance of design solution by optimizing the interactions betwwen design solution and its external environment. In affordance-based KDID, the affordance relations are used to represent the interactions betwwen knowledge cell and its external environment in design, mancfacture and use stages. During the process of knowledge reuse, both functional and structural properties of knowledge cell itself , and its affordance relations are considerd comprehensively. The research of affordance-based KDID includes knowledge cell modeling, knowledge cell clustering and design solution generating based on affordance concept. Among these studies, we will focus on the affordance modeling, affordance reasoning and affordance optimizaiton problems which are the key issues in this project. Through affordance-based KDID reseach, the final optimized design solution of innovative design will not only satisfy the functional requirements, but also will be processed and operated conveniently for engineers and users. Furthermore, besides theoretical study, we will develop a related innovative design system in this project, and design a new visual prosthesis device to verify the feasibility of theoretic result..In short, the research of affordance-based KDID is a new complement for tranditional DFX methods, and provides an operational way for affordance design theory. Thus, it has an important theoretical and practical significances for manufacturing enterprises.

针对传统知识驱动创新设计忽视设计解非功能性要求问题，不同于以优化设计解自身属性（制造成本、装配时间等）为目标的面向X设计方法，本项目拟引入可供性理念，以改善设计解与外界作用关系为目标，研究基于可供性的知识驱动创新设计方法。该方法旨在用可供性关系表征知识元在设计、制造和使用阶段与外界作用关系，并在创新设计的知识重用过程中，综合考虑知识元本身功能与结构特性，以及知识元与外界可供性关系。本项目研究内容包括：基于可供性的知识元建模、知识元聚类和设计解生成，重点解决可供性建模、可供性推理和可供性优化问题，从而使最终设计解既满足功能需求，也方便工程师加工和用户操作。本项目将开发相关创新设计系统，把理论研究成果在典型生机电产品人工视觉假体的创新设计中进行应用验证。.本项目研究是对传统面向X设计方法的补充，并为可供性设计理论提供了具体可操作方法，对于提高企业新产品开发能力，具有重要理论研究价值和实际意义。

知识驱动创新设计为设计者提供了系统化设计过程，降低了设计盲目性，但设计结果仍然无法满足非功能性要求（制造、使用、维护等）。不同于传统面向X的设计方法（DFX），仅注重产品自身属性（如制造成本、装配时间、是否可拆解）。本项目关注产品与外界的交互（如用户对产品的操作行为，以及操作过程中产品对外界的影响），在知识驱动创新设计中，引入可供性概念，表征知识元在设计、制造和使用阶段与外界的作用关系，并提出基于可供性的知识驱动创新设计理论和方法，使设计解既满足功能要求，又满足非功能性要求，即易于产品加工和用户操作。.本项目研究内容包括：1）研究基于功能-结构-可供性的知识元建模方法，分别用知识元设计可供性、制造可供性和使用可供性，表示知识元本体在设计、制造和使用阶段与外界作用关系；2）研究基于可供性的知识元聚类方法，通过知识元设计可供性中功能语义相关性，由目标产品期望功能推理得出相关的知识元，组成知识元初始聚类解空间，并根据知识元使用可供性，通过使用情景相容性分析，在初始聚解类空间中由目标产品使用情景约束推理得出相容的知识元，组成知识元聚类解空间；3）提出基于可供性的设计解生成方法，根据知识元制造和使用可供性，分析知识元聚类解空间中不同知识元组合而成的设计解加工性和操作性，并以此为优化目标，通过知识元组合优化，获取聚类解空间中最优设计解，最终通过知识元本体功能与结构映射，结构化表达最优设计解。本项目在理论研究基础上，开发了知识驱动创新设计工具集, 包括设计需求分析、设计方案评价、设计解生成等设计工具。同时，为了验证理论方法有效性，在典型机械产品与生机电产品开发中进行了应用验证。.本项目研究实现了知识驱动创新设计与可供性设计理论的结合，符合当前重视产品非功能性需求的产业转型要求与设计学科发展潮流，研究成果对于提高企业新产品开发能力，具有重要的理论研究价值和实际意义。