2.3 协同产品创新中概念设计过程模型构建

2.3.1 概念设计的基本框架

通过对协同创新主体的基本特征、基本特性的系统性分析，以及对协同产品创新中概念设计基本特征的研究，可知协同产品创新中的概念设计是具有多知识背景、多创新动机的分角色创新主体参与的创新过程，同时也是构建整体性框架式创新设计方案的关键阶段。

协同创新组织利用集成网络化与信息化的协同创新平台，在协同创新组织内共享创新思维、创新理论以及创新方法等基本科学原理，作为协同产品创新概念设计的重要支撑，并根据创新问题的具体特征，将基本支撑原理与自身的创新经验及创新知识相融合，整合组织为多领域、多类型的创新工具、创新知识、创新技术，以及与之相适应的行为规则与组织机制。在此基础上，通过一系列有组织、有序的创新活动，形成了具有高度创新性和市场主导力的有序的框架式创新解决方案。协同产品创新中概念设计作为协同系统，主要包括基础层、应用层、机制层、行为层、目标层五个层次，具体内容如下。

①目标层。协同产品创新是将分角色创新主体的“拉动型”创新需求与“推动型”创新需求系统集成，构建出科学合理的概念设计创新目标体系。其中“推动型”创新需求是为客户提供未知的领先创新服务和创新体验，属于显性需求；“拉动型”需求直接反映了市场对产品创新的多样化及差异化期望，属于隐性需求。

在产品创新过程中充分发挥协同创新主体的创新知识与创新智慧的价值，需要在综合考虑创新动机与创新需求的基础上，明确创新任务本身的目标，并将其作为协同产品创新中概念设计的驱动力。

②行为层。行为层主要将协同产品创新中的概念设计分为三大阶段：第一，通过分解创新目标，对不同的创新设计问题进行界定，可以确定出创新问题的初始条件、目标任务、构成要素及约束条件；第二，通过融合多创新主体的创新思维，形成最初的创新策略，进一步有针对性地组织信息与知识，并对设计问题进行创新设计，从而生成产品创新的概念设计方案；第三，根据约束条件及评价标准对概念设计方案进行评价，对选出的方案进行进一步的系统性优化，未选的方案可通过反馈进行再次修订。

③机制层。协同产品创新中的机制是以一定的运作方式将系统各部分联系起来，协调彼此之间的运行关系。在知识方面，包括知识传播机制、知识转换机制以及知识库扩充机制等；在组织方面，包括团队组建机制、组织协调机制以及群体决策机制等；此外，还包括资源匹配机制、技术选择机制及组织激励机制等。

④应用层。主要包括环境子域、技术子域、知识子域与组织子域。其中，环境子域包括资源条件状态、产品信息状态、组织行为状态、协同工作状态等；技术子域包括创新设计平台、创新设计工具、创新集成方案、创新集成技术等；知识子域包括组织知识，即组织共享的知识以及技能经验，个体知识，即个体拥有的个性化、特质化的知识以及技能经验；组织子域包括参与协同产品创新的客户群体、专家团队以及设计团队等。

⑤基础层。基础层是产品创新概念设计的支撑层，为其提供创新思维、创新理论以及创新方法等内容。创新思维包括联想思维、逆向思维、辐射思维、类比思维、形象思维等一系列的思维；创新理论包括理性选择理论、模糊理论、系统理论、归因理论、动因理论等基础理论；创新方法包括可拓学、公理设计法、通用设计法、推理法、QFD、TRIZ等主要创新方法。

基于此，可构建出协同产品创新中概念设计的基本框架，如图2.5所示。

2.3.2 概念设计的技术路线

基于“协同创新”及其相关领域的基础理论等研究成果，结合协同产品创新中的概念设计的基本特点及框架结构，可以将协同产品创新中的概念设计具体描述为：协同产品创新中的概念设计是由分角色创新主体共同参与的创新设计活动的规划前端。通过集成网络化与信息化的协同创新平台，借助多协同创新主体的复杂创新理念而共同形成的具有高度和广度的理性创新思维，可将模糊性创新动机与差异性创新需求提炼整合为科学系统的协同创新目标，并融合多角色、多层次的创新知识与多领域、多类型的创新工具，从而形成具有高度创新性和市场主导力的有序的框架式创新解决方案，以引导下一阶段的详细设计工作。

由此可知，协同产品创新中概念设计过程需要解决以下4个主要的问题。

①问题一：“确定需要解决什么创新问题（Q——Questions）”。在客户协同产品创新设计过程中，由于分角色创新主体对创新任务本身有着不同的创新理解和认识，因而有着不同的创新需求，包括反映市场对产品创新的多样化及差异化期望的“拉动型”需求，以及企业期望为市场提供领先创新服务和体验的“推动型”创新需求，二者将共同构成创新目标。因此，需要从整体上构建出协同产品创新中概念设计的目标体系。

②问题二：“明确有哪些解决方案（S——Solutions）”。通过对创新体系的分析，可以确定出需要解决的多个创新问题。对于其中的任意一个创新问题，需要从不同的方向、不同的角度去探索解决问题的办法或答案，这就要求创新主体能够选择合适的方法对所建立的创新问题进行求解，即寻找满足一定创新需求和约束条件的可行解的过程，从而生成创造性、突破性的设计方案。

③问题三：“如何选择最优的解决方案（O——Optimal Solution）”。协同产品创新的概念设计是一个复杂、不确定、创造性的设计过程，而概念设计方案评价是概念设计过程中的关键环节。在第二阶段针对同一个创新目标，常常会有不同的创新解决方案，即会产生多个创新设计思路，第三阶段就是将上述若干备选方案进行评价和比较，从而选择出最优的概念设计方案。

因此，它对后续详细设计阶段的产品研发起着决定性的作用，是决定概念设计方案能否最终被接受的关键环节。评价中需要同时考虑多个评价指标，方案评价过程要集中体现各个评价指标的作用及相互之间的影响，且指标之间往往具有一定的层次结构，需要构建系统的概念方案评价指标体系。评价信息通常具有很大程度的不完备性和不确定性，许多性能指标往往不具有严格的标准或清晰的边界，因此，需要一套科学合理的评价方法，以决策出最优的解决方案。

④问题四：“如何对方案进行进一步的优化（F——Future Optimization）”。由第三阶段所决策出的概念设计方案，是由协同创新主体共同确定其可行性的，但是创新主体并不能确定这些解决办法可以达到最优的状态。主要原因在于以下两方面。

其一，创新主体对创新任务本身有着不同的理解和要求，其各自的创新基础和创新条件参差不齐，知识经验和创造技能上并不对称。在这种情况下，就需要利用协同创新平台，融合分角色创新主体的创新知识，确定出最优产品创新概念设计方案的关键参数，给予协同创新主体在后续的详细设计阶段以有效指导与科学规范。

其二，由于制造企业的目标市场并不完全相同，不同的客户群体的对于创新的需求呈现层次化的分布特征。作为制造企业来讲，最终要采用的创新设计概念设计方案，需要根据自身的市场定位和消费群体在创新方面的特定需求而进行进一步的优化。

因此，在协同产品创新的环境中，不能简单地将所有的创新解决方案直接提供给制造企业，而需要科学分析创新产品的具体特征和不同的创新需求，并最终形成最优的产品创新概念设计方案。

因此，可得出协同产品创新中概念设计的技术路线，如图2.6所示。

2.3.3 过程建模的基本原则

①系统性原则。由协同产品创新中概念设计的基本框架可知，协同产品创新中概念设计过程是一个系统性的过程，系统中各个要素之间相互联系、相互作用、相互依赖，具有特定的组织结构和功能作用，是处在协同创新的整体环境下的有机整体。因此，在协同产品创新中概念设计的目标体系构建、方案生成、方案评价决策、方案参数确定，以及方案层次化集成的过程中，必须要遵循系统性原则，结合对现实条件的客观认知，以及对创新问题的理性思考，从系统的角度去寻找创新问题的解决思路和解决方案。

②独立性原则。相对独立原则是指创新主体之间的相对独立性。协同创新的最大特点在于充分利用了不同创新主体在创新能力、创新经验、创新知识以及创新驱动在组织协调下所表现出的异质性特质。因此，每一个创新主体的个体行为或者个体表达都将作为创新系统的输入。创新主体之间的相对独立，可以保证创新输入的客观性与真实性，实现创新结果的整体性与有效性，从而有效提高创新绩效。

③协同性原则。在协同产品创新中概念设计的各个阶段，创新主体的创新行为只有在遵循协同性的前提下，才能够充分利用不同创新主体的创新知识、创新经验及创新构思，并保证各个阶段的创新活动的有序性与创新成果的有效性，以及协同创新效率的不断提升。

2.3.4 过程模型构建

协同产品创新中的概念设计作为关键的规划前端，其过程模型是真实设计过程的一种抽象。通过建立逻辑化、系统化、协同化的设计过程，可以有效指导协同创新主体解决真实设计过程中产生的各种问题。协同产品创新的概念设计过程是通过集成网络化与信息化的协同创新平台，各个阶段相互联系、相互协调、相互影响，从而形成具有高度创新性和市场主导力的有序的概念设计方案以引导后续的详细设计阶段。

首先，协同角色创新主体通过资料数据搜集、调查问卷、交流访谈等多种途径及方式，进行市场整体环境调研、市场创新需求分析、核心竞争优势研究等前期准备工作，了解并掌握协同产品创新的内外部环境及相关影响因素。

其次，在客户协同产品创新设计过程中，由于协同创新主体对创新活动有着不同的创新理解和认识，因而有着不同的创新需求，包括反映市场对产品创新的多样化及差异化期望的“拉动型”需求，以及企业期望为市场提供领先创新服务和体验的“推动型”创新需求，二者将共同构成创新目标。因此，需要对上述不同的创新进行研究，构建具有整体性与系统性的协同产品创新的概念设计目标体系，确定出协同产品创新的整体方向以及需要解决的具体创新问题。

再次，集成多种创新知识、创新方法及创新工具，形成创新思维，制定创新策略，进而生成协同产品创新的概念设计方案。下一步，由于协同产品创新的概念设计是一个复杂、不确定、创造性的设计过程，对于同一个创新目标，常常会生成不同的创新解决思路，即会产生多个产品创新的概念设计方案，因此，需要对若干备选方案进行评价和比较，利用有效的评价指标与评价方法，对备选的产品创新概念设计方案进行评价，从中选择出可行方案。通过创新主体共同对上述概念设计方案进行创新性评价，最终形成满足不同创新主体的创新需求与创新定位的协同产品创新的概念设计方案。

最后，为使概念设计能够满足不同创新主体的创新需求，需要对其进行进一步的优化，可根据协同创新活动的具体属性特质与实际情况，从不同的维度对其进行优化，包括面向产品整体、面向产品功能、面向产品结构、面向产品制造等，从而使得概念设计方案具有更强的针对性与合理性，更能有效指导下一阶段的详细设计活动。

基于此，可构建协同产品创新中概念设计的过程模型，如图2.7所示。

2.3.4.1 第一阶段为协同产品创新中概念设计目标体系的构建

第一阶段的主要任务是“确定需要解决什么创新问题（Q——Questions）”。

客户协同产品创新是由多创新主体的“推动型”创新需求与“拉动型”创新需求共同驱动的设计过程。由于创新需求存在差异性与不确定性，从而导致难以构建科学合理的概念设计创新目标体系。

首先，通过研究多创新主体的创新需求，构建了协同创新概念设计目标体系的基本框架，保证了创新目标的整体性与系统性。

其次，提出了协同创新概念设计目标重要度的三阶定量分析方法。

①采用AHP与熵值法的综合主客观赋权方法，确定出第一层创新目标的重要度。采用基于AHP的主观赋权，能够有效处理难以完全定量分析的复杂决策问题，充分利用协同创新主体的创新经验以判断不同目标的重要程度，使得判断结果不会违背基本的创新规则与创新常识；采用基于熵值法的客观赋权，可以通过决策矩阵信息，利用熵的概念客观反映出同一系统中各项目标的差异程度，从而计算出创新目标重要度，依靠数学理论依据而避免判断结果的主观随意性；进一步将上述两种方法所计算出的重要度数值进行几何平均，从而确定出第一层创新目标的重要度，以保证协同创新主体在创新方向上达成一致。

②确定同一维度中的多个创新子目标的排序问题，即计算出第二层创新目标的重要度。由于创新产品本身的不确定性与复杂性，以及协同创新主体在认知上的模糊性，难以用精确数值对创新子目标进行直接评判，因此采用语言决策理论，避免决策信息失真；同时，由于分角色创新主体受限于创新知识、创新经验以及产品本身的复杂程度等主客观因素的差异性，其所提供的语言变量呈现非平衡态，即其中可能包含确定型语言变量或不确定型语言变量，且不同创新主体的语言决策信息的语义粒度并非完全一致。因此，第二层创新目标重要度采用基于多粒度非平衡性的语言决策理论进行计算，以确保多创新主体复杂语言决策信息的一致性与准确性。

③在此基础上，由于创新产品是否成功最终需要通过市场来进行检验，市场竞争性将会是最重要的影响因素之一，因此，需要进行市场竞争性预测，进一步对创新目标重要度进行修订，使得创新目标重要度更具针对性与合理性。

2.3.4.2 第二阶段为协同产品创新中概念设计方案的生成。

第二阶段的主要任务是“明确有哪些解决方法（S——Solutions）”。

产品创新可以认为是针对市场新的需求和产品的问题、不足，不断用新的产品功能、结构和工艺去替代老产品的过程；协同产品创新的概念设计方案生成是从创新目标到产品概念设计可行方案的形成过程，是产品创新中最能体现创新主体的创造力的环节，即利用现有的科学原理、公理结合具体实际条件，寻找技术、经济可行的方案构想。目前产品创新的概念设计方案生成方法主要包括3种。

（1）TRIZ理论

20世纪中叶，苏联学者Genrich Shuller及其同事通过分析研究大约250万件技术领域的发明专利，在综合多学科领域原理、法则的基础上，提出了解决创造性问题的理论——TRIZ，而Shuller也因为TRIZ理论的提出和发展做出了卓越的贡献，被人们称为TRIZ之父[98]。如图2.8所示，TRIZ理论的本质在于，对具体问题先进行一定程度的抽象，进而给出抽象问题的解决途径，再用这些途径指导具体问题的解决[99]。

TRIZ理论提出用39个通用工程参数，将冲突描述通用化和标准化，利用该方法把实际工程设计中的冲突转化为一般的或标准的技术冲突。同时，Shuller提出了40条发明原理。运用冲突解决矩阵时，首先针对具体问题确定技术冲突，然后采用标准的两个工程参数对该技术冲突进行描述，通过标准工程参数序号在冲突矩阵中确定可采用的发明原理，最后将发明原理产生的一般解转化为具体问题的特殊解[100]。如果具体问题为物理冲突，可采用TRIZ中的分离原理进行分析，而四类分离原理与40条发明原理有相应的映射关系，即可通过40条发明原理解决创新设计中产生的技术及物理冲突[101]。

（2）实例推理理论

实例推理（Case-Basde Reasnonig, CBR）是人工智能发展过程中出现的一种推理模式，起源于人类认知的心理学理论，由SCHAN于1982年首次提出[103]。其基本原理为：人们在解决问题的过程中，常常依赖先前的相似经验，但是在很多情况下，经验中并没有可以解决新问题答案，而是需要根据特定问题的具体目标，通过修改类似问题的解决方案以适应新的问题，或者通过综合已成功的多种方法来得到最优的解决方案[104]。

CBR有两种基本类型：解释型CBR和问题求解型CBR。解释型CBR是应用旧范例构建一种分析和证明，以对新范例做出某种解释；问题求解型CBR则是通过调整旧范例的解答以满足新问题的要求[105]。

“实例”主要是指问题所产生的特定环境及其解决方案。经过多年的发展，CBR理论已成为产品创新概念设计中的关键支持技术之一。实例推理理论的主要优点在于，当面对同样的问题时，CBR系统并不是对初始条件和规则集进行推理，而是采用一个解决方案，在采用这个方案的过程中就体现了求解问题的推理机制[106]。

（3）可拓学理论

可拓学理论最早于1983年蔡文在《科学探索学报》上发表的文章“可拓集合和不相容问题”中提出[107]，以基元理论、可拓集合理论和可拓逻辑为基础，其中，基元理论用物元、事元与关系元描述被研究对象，可拓集合理论是矛盾问题转化的定量表达手段，可拓逻辑则是辨证逻辑和形式逻辑的科学集成[108-109]。可拓学理论是专门研究解决矛盾问题的规律和方法，用形式化语言描述相互关系，研究化解矛盾问题的形式化方法，把哲学上用自然语言表示的规律与逻辑，转化为用计算机可操作、可处理的方法体系[110]。该理论将需要解决问题的过程形式化，通过物元之间的相互转化以解决冲突问题，从而得出创新设计方案[111]。

以上三种创新设计理论仅为创新产品的概念设计中常用的理论，随着计算机辅助设计的广泛应用，越来越多的学者研究重点逐步转向如何根据产品创新的概念设计具体过程，综合运用多种技术方法进行概念设计方案的求解，以实现概念设计方案生成的智能化与科学化。

2.3.4.3 第三阶段为协同产品创新中概念设计方案的评价决策

第三阶段的主要任务是“选择出最优的解决方案（O——Optimal Solution）”。

在客户协同创新过程中，面对具体的创新目标，不同的创新主体会提出不同创新解决方案，而方案的决策结果将会直接影响到后续的详细设计阶段。因此，对创新设计方案进行科学评价是协同创新设计中的关键环节之一，为科学有效地选择创新设计方案，提出了基于R-A-WNN的协同产品创新中概念设计方案的评价方法。首先，建立了一套系统性、层次性、合理性的客户协同创新方案评价指标体系，并运用粗糙集理论（RST）对评价指标进行预处理，降低了评价指标及其数据的冗余度；其次，借助小波神经网络（WNN）构建了协同创新设计方案评价的基本网络模型，并利用蚁群算法模型（ACO）对其中的关键参数进行了同步优化。

该模型为充分利用协同创新组织的创新经验，从案例知识库中选取了相似的创新案例，将可参照方案的评价数据与综合评价数据进行约简，并将其作为样本数据输入小波网络模型中，在学习的过程中用连续性蚁群算法对小波网络的关键参数进行寻优，即对小波网络进行训练，使其掌握各种评价指标对创新方案综合评价的影响程度及动态变化关系。利用训练好的网络模型，将创新方案的评价数据作为输入量，则可以输出创新方案的最终综合评价值。

2.3.4.4 第四阶段为协同产品创新中概念设计方案的优化

第四阶段主要任务是“如何进行进一步的优化（F-Future Optimization）”。

根据协同创新活动的具体特征，可从不同的维度进行方案优化，本书面向协同产品创新概念设计，分别提出了基于参数驱动与智能重组的方案优化方法：①为有效指导协同创新主体的下一阶段详细设计工作，提出协同产品创新中基于参数驱动的概念设计方案优化方法。首先，结合协同产品创新概念设计的特点，对方案参数优化问题进行了系统描述；其次，构建了基于QFD的协同产品创新中概念设计的方案参数优化模型，该模型充分利用协同创新主体的创新知识和创新经验，解决了创新期望与概念设计方案参数之间的复杂多维映射问题；②为科学定位分角色创新主体所提创新方案中的创新点，系统研究了产品创新的基本类型，包括基本创新、重要创新、关键创新与简单创新，并提出了其分类方法；其次，为定量化描述不同创新点的创新程度，提出了基于粗糙集理论的创新性评估方法；在此基础上，提出基于智能重组的概念设计方案优化方法，以满足协同创新主体的特定创新需求。最后，通过实例验证了该方法的可行性与有效性。