2创新设计理论及方法

　　设计在产品的整个生命周期中占有相当重要的位置，从根本上说，决定着产品的品质、质量及成本。只有基于认识理论上的设计过程模型才是充分可靠的。将智能过程模拟出来，必须从思维出发。而创造性思维反映着物质属性和内在、外在的有机联系，是一种可以物化的思想心理活动。在产品的创新设计中，最关键的便是创造性构思与最佳方案的选择。为了进行自行车创新设计，本章在检索、阅读、整理国内外相关文献的基础上，介绍有关创新设计的理论及方法。

　　2.1设计方法

　　2.1.1设计技术的发展

　　设计技术从发展历程上看可以分为三个发展阶段:传统设计、现代设计和先进设计。

　　传统设计首先主要以人工设计形式为代表，后以计算机辅助设计(CAD)为代表。传统CAD技术依靠算法的结构性能分析和计算机辅助绘图这两大特征，在产品设计中获得了广泛应用。它能完成如最优化设计、有限元分析、计算机绘图等各种计算型工作，但难以胜任推理型工作。

　　事实上，新产品的研究与开发是一种智能行为，是人的创造力与环境条件交互作用的过程，需要充分应用多学科知识、实践经验、分析推理、运筹决策、综合评价才能取得圆满结果。智能CAD系统则是在传统CAD基础上融入了知识处理系统，能够提供推理、知识库管理、查询结构等多方面的信息处理功能。将人工智能与数值处理有机结合起来，计算机就能更多地参与到方案决策、结构设计、性能分析、图形处理等设计的全过程当中。

　　计算机集成制造系统(CIMS)在八十年代迅速发展，先进制造技术应运而生。先进设计技术以人机智能设计系统为代表，更强调系统的集成性，对设计全过程提供一体化的计算机支持。人机智能设计系统相对于现代设计技术阶段的设计型专家系统，具有如下更充分的优越性:

　　(1)人机智能设计系统是一种面向整个设计过程的开放性知识体系结构。

　　(2)人机智能设计系统能够处理多领域、多种描述形式的知识，是集成化的大规模知识处理环境。

　　(3)考虑专家思维、推理和决策的模型以及设计产品的模型，让计算机在更大范围内、更高水平上对人类专家群体的推理过程进行模拟，做出准确而具体的设计决策。

　　2.1.2设计分类

　　设计的本质是革新和创造。根据设计活动中创造性的大小，可将设计分为三类:常规设计、革新设计和创新设计。

　　常规设计以成熟技术为基础，在工业生产中大量存在。为满足市场需求，提高产品竞争力，必须改进旧产品，改进生产加工工艺、研制新品种。创新设计和革新设计都具有创造性，但前者在设计探索中最富有挑战性，没有现成的设计规划，甚至没有类似的已有设计作为借鉴，很大程度上凭借设计者的灵感去创造。创新设计的成果一般具有较高的社会价值，形式新颖且独特，值得提倡。后者也称为改进设计，是为增加原有产品的功能或适用范围，提高性能或改进结构、尺寸而进行的部分创造性活动。

　　设计是一项思维活动，与人的思维密切相关。关于思维科学，著名学者钱学森先生有过深入而系统的研究。他将人的思维划为三种形式:逻辑思维、形象思维和灵感思维，并指出人的每种思维活动过程并非单纯的一种思维在起作用〔川。这三种思维形式在创造性方面有不同的表现:灵感思维最强，形象思维次之，逻辑思维最次。灵感思维的突发性、偶然性、独创性、模糊性往往是科学研究发生重大突破，对人类产生重大影响。通常，常规设计主要是通过逻辑思维实现的。创新设计通常是采用发散而不是聚合的思维过程的设计，这使得形象思维乃至灵感思维在创新设计中显得尤为重要和突出。

　　这样，我们可以知道了，(1)设计型专家系统基本属于常规设计和革新设计的范畴，主要模拟人类专家的逻辑思维，解决的主要问题是模式设计以及方案设计(precept design)。 (2)人机智能设计系统包括创新设计和革新设计，主要模拟人类专家的形象思维和灵感思维，解决创造性设计问题，以及并行设计(concuurrent design)。

　　2.2创造性思维和创新原理

　　创造性思维指能对客观事物之间的联系进行新的探索，并能创造出新的思维形态(如概念、假设、原理和理论等)来概括、反映这些联系的思维过程。其本质是在社会实践需要的制约下，在一定心理结构和操作中，对存储信息和外来信息，经过鉴别和筛选，重新联接和组合的过程。

　　创造性思维具有目的性、求异性、突变性等特征，表现为逻辑思维和非逻辑思维两种基本类型。逻辑思维主要运用概念、判断、推理的思维形式，包括归纳逻辑、演绎逻辑和数理逻辑，对产品创新进行程序化、量化或公式化分析。变换合成法是一典型的以逻辑思维为基础的创新技法。非逻辑思维包括联想、形象思维、灵感、创造性想象等多种方式，经过理性分析后的知觉材料，在头脑中重新加以组合和联想，从而形成新构思、新形象。许多重大理论的发现直接来源于这种直觉思维。但在整个产品创新过程中，两种思维是相互结合进行的。在感性认识与实践的基础上，利用有意识的`逻辑思维获得和完善对产品创新问题的理性认识，进一步地，利用潜意识活动能力，开展非逻辑思维，将理性认识综合化、形象化、具体化，继而又用逻辑思维予以完善、修正和检验。我们能从具有创造力的人群中发现他们具有的共性:

　　(1)善于从全局出发，站在较高的水平来明确问题，制定系统性的发展策略。这种能力是他们冲破常规，从外面的特定领域进行思考与处理。而最好的新念头往往来自于能够把设计从一种产品转向另一种产品的过程中。

　　(2)极具个性，没有单一固定的方式。他们宁愿自己去提出问题而不是由别人来提问。

　　(3)完成创新性设计，并非机遇或偶然事件，而是始于对原有产品模型及系统的熟悉掌握与深入研究，其发展是必然的结果。

　　人工智能专家与心理学家对创造性思维的认知过程本质作了深入的研究，提出了基于事例的推理、类比移植推理以及分解综合推理等几种典型的人工智能创造性思维模式。

　　2.2.1创造性思维模式

　　(1)基于事例的推理

　　基于事例的推理是一种认知行为，通过借鉴先前的成功或不成功的范例来指导现在的问题求解。它是一种基于记忆的重要的设计思维模拟方法。事例库模拟了人脑的记忆，其中存储过去的经历，并按照一定的方式组织，以便需要时被迅速提取。提取过程就是检索相关事例的过程，检出的事例可能与新事例不一致，需加以修改、预测，若仍然不合适新情况，仍需进一步修改。最后将正确解答纳入事例库，新的索引被建立和存储，形成新知识。这种创造性思维模式是在原有基础上进行局部调整，属于革新设计。

　　(2)类比移桂推理

　　类比推理指依据两个事物之间的相关性，从己知一对象的某种性质推出另一对象具有某种相应性质的推理过程。即提取一个新事例情境的某些己知特征，与事先记忆的事例情境逐一比较，若相似则推出该情境具有与事例情境的其它特征相类似的特征。类比推理的核心是一个匹配过程(遵循语义相似性原则和结构一致性原则)和一个映射过程(映射内在特征而非外在表现)。类比移植包含继承、改进、变异及创新，可以在技术结构、技术原理、思想方法、不同技术领域间或同一技术领域内不同结构之间等方面进行移植。类比推理的主要特征是:

　　(1)属或然性推理，能得到继承性和创新性结论;

　　(2)核心强调情境间的相似联系，而不是命题的真假。结论需验证正确性;

　　(3)存在的联系是内在的相关性，而不是外在的表现;

　　(4)是一种极具创造力的思维方法，体现原理层创新，继承中创新的思想。在产品设计中的应用体现是创新设计。

　　(3)分解蛛合推理

　　分解综合推理是一种复合推理模式，包括逻辑思维(分解过程)和形象思维(求解过程、综合过程)。这种思维模式最具创新力，因为分解过程能够依据已有的知识经验将新问题分解为一系列老问题，具备强劲的解决新问题的能力;求解过程的基于事例的推理模式和类比推理模式都具有创新能力;综合过程采用不同的策略得到不同结果，更具有创新力。

　　在创造性思维过程中，必然继承原有的科学知识的概念、命题、原理和定律，并与之发生种种逻辑联系;必然有新的事实、新的联系等内容假如于其中。基于事例的推理与类比推理的本质区别在于，前者强调新问题与事例间的逻辑联系，按一定的索引方式检索己有的事例，其创造性是后来的修改。而后者强调新问题与类比问题之间的形象联系，依据两者在某方面的类似性，推理出一者的解具有与另一者的解相类似的结构。分解综合推理体现创造性思维过程解决问题的完整过程，前两项推理过程侧重于创造性思维过程的求解过程。

　　2.2.2创新原理

　　创造性思维只有在一定原理的约束和导向下才能得到有效的创造性结果。G. S. Altshuller通过对上万件发明专利的研究与分析，抽出40个发明创造所遵循的原理，成为解决技术矛盾的关键。下列几项原则具有指导性意义:

　　(1)综合:组合相同性质的物体;将相近性质的作业在同一时间内组合;使物体具有复合功能。如电子计算机是大规模集成电路技术、计算数学、精密机械的综合;激光技术是光学、机械、电学的技术综合等。

　　(2)还原:围绕产品功能进行创新。如在应用系统化设计法进行原理方案设计，先从功能分析入手，利用创造性构思等方法求解多种方案，然后进行技术经济评价，通过选择和优化，求得最佳方案。

　　(3)类比:借鉴成熟的原理与技术加以比较，找到相似点。

　　(4)移植:多种技术的移植嫁接，形成新技术、新材料、新产品、新工艺。如系统间相互替换(机械系统、光学系统、听觉系统、嗅觉系统、场强等)，机构间的相互利用(气压机构、水压机构、油压机构、机械机构等)。

　　(5)离散:将原有产品技术进行分离，形成新构思。如隐形眼镜是镜片与镜框分离的结果;音箱是扬声器与收录机分离的结果。

　　(6)强化:如采用金属粉末热喷涂强化工艺，提高机械零件表面强度、硬度和耐磨性;采用复合材料增强结构刚度、稳定性、减震性。

　　(7)换元:如采用材料替代、零件替代、方法替代、包装替代、品牌替代等。

　　(8)迂回:面临困难时扩大搜索范围，从其它领域寻找启发，激发创意，解决问题。

　　(9)逆反:突破传统的思维定势，进行逆向思维，引出新的创意。

　　(10)仿形:从产品造型上模仿。如鸟的翅膀与飞机机翼，海洋生物的流线型躯体与潜艇造型等。

　　(11)群体:依靠群体智慧，相互启发，集思广益。

　　2.3创新设计

　　现代设计的核心是创新设计，根据以往的设计经验、新兴技术所提供的新原理、新方法进行产品的分析、设计。开发创新思维，学习和掌握创新设计方法，是现代设计的需要。正向、逆向、侧向等多种思维有助于我们从不同深度、广度进行思考，提出创新构思和解决问题的方法。创新设计的方法有很多，如智力思维法、推理思维法、联想思维法、组合创新法等。文则将面向产品创新设计的CAD方法归纳为基于分解的功能方案设计方法、面向功能单元的结构设计方法、面向全过程的设计方法。前两类是创新设计过程的两个主要阶段，第三类主要从设计方法学角度论述计算机辅助设计方法的设计过程模型。

　　2.3.1基于分解的功能方案设计方法

　　技术创新时，首先要明确新产品应该具备的功能。产品的功能方案设计处于整个设计过程的最初阶段，但是地位最重要。对功能的各种可能方案进行优选，关键是进行广泛而深入的功能分析和功能分解，包括设计目标的辨认和确定，功能的描述和定界，并用多种实体结构(功能载体)去实现。将抽象的产品设计转化为具体的、现实的功能，充分体现着人的创造性活动。

　　功能逻辑分解法和功能行为状态分解法是目前研究的两种典型方法。功能逻辑分解法的关键在于如何建立一个丰富功能定义库以及定义一个功能块关系描述定义集。功能行为状态分解法是基于行为的分解，关键是如何将功能一行为一状态一基本物理模型有机地结合在一起，是功能分解具有认知理论的依据。

　　2.3.2面向功能单元的结构设计方法

　　这种方法强调如何将功能性的描述转化为能实现这些功能的具有形状、尺寸以及相互关系的零部件的描述，其核心是一个映射过程。采用功能一结构一装配三个层次的转换方法，即建立一个中间结构层，完成从功能视图向装配体视图的迁移。

　　2.3.3面向全过程的设计方法及模型

　　对于面向全过程的设计方法及模型，根据其发展过程有三种观点:

　　(1)面向对象设计模型

　　面向对象设计模型代表设计方法学的组装创新设计阶段。它认为设计过程应是从功能分解的高层向低层不断进行基于专家经验知识库的虚功能特化和再分解的过程。特化过程指当知识库存在能够满足虚功能对象的时候，产生该对象的实例。再分解过程指在不满足的情况下，按照知识库中的分解方法将虚功能再次分解为子虚功能，直到全由特化对象实例来完成，形成多叉树结构，分叉点是分解，叶结点是特化。

　　(2)一般性的设计理论模型GDT (General Design Theory)

　　GDT模型体现创新设计方法学的创新思维过程(分解、映射、综合)，代表开环设计阶段。它认为设计核心是分解—映射—综合的过程。功能目录列出了所有基本功能单元和一对多对应的实现方案，该模型以功能目录为依据，基本组成都出自功能目录库。

　　(3)逐步求精模型

　　逐步求精模型认为设计应从需求描述(包括功能、行为、属性等方面)入手。这种描述在设计过程中不断被细化、修正和测试，直到产品成形，形成一个不断递归循环的子单元设计过程。该模型能充分体现人的创新思维模式:继承中创新、反复迭代、代表工程设计方法学的闭环控制创新设计阶段。第三章自行车创新发展

　　自行车是人们日常生活中不可缺少的代步工具，其造价低廉、维修简单、使用方便，无污染，深受人们喜爱。目前，国内自行车行业纷纷加快产品开发步伐，出现了花色繁多，系列品种趋于齐全、结构新颖的新局面。为了进行自行车创新设计，本章通过收集、整理有关文献，介绍自行车创新的发展现状及其创新内容。

　　2.4自行车的发展历史

　　自行车历史渊源久长。据史料文字记载，大约公元前2300年，中国、埃及、印度都出现过人类原始的自行车雏形。意大利庞贝城中的壁画是最早的图形记载。世界上第一辆真正的自行车是由法国人米狄·德，西福拉克于1790年发明的两轮脚蹬自行车。链条式驱动装置的发明者是英国人丁·斯塔利和劳森。1888年英国人邓洛普将实心轮胎改为充气轮胎，使行驶更为便轻。但纵观早期自行车发展，由于没有系统的理论作指导，制造技术相对落后，自行车发展很缓慢。

　　随着社会发展、科技进步和人类审美观念的不断变化，自行车产品在近代和现代得到了迅速发展，造型日趋完美，功能日趋完善。在造型设计、动力驱动、新型材料、传动方式、结构功能等多方面不断改造与创新。