羅良維,楊春燕

(廣東工業(yè)大學(xué)1.可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所；2.機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

基于基因可拓模塊化設(shè)計的陶瓷物流包裝設(shè)計研究

羅良維1,2,楊春燕1

(廣東工業(yè)大學(xué)1.可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所；2.機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

為解決低碳、綠色化的物流包裝柔性化設(shè)計問題，從包裝設(shè)計過程中涉及的矛盾問題出發(fā)，建立以可拓設(shè)計理論為基礎(chǔ)的解決陶瓷物流包裝設(shè)計領(lǐng)域矛盾問題的產(chǎn)品設(shè)計配置模型.結(jié)合可拓學(xué)理論與基因工程遺傳設(shè)計思想建立設(shè)計空間，對設(shè)計對象進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)錄成基因可拓模塊進(jìn)行可拓變換.通過顯隱性基元的模塊組合完成性狀表達(dá)，并建立關(guān)聯(lián)函數(shù)對其表達(dá)效果優(yōu)度評價，獲得新的設(shè)計方案.最后運用計算機輔助確定產(chǎn)品設(shè)計模型，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計方案，并驗證該設(shè)計方法的有效性和可行性.

可拓設(shè)計理論； 可拓學(xué)； 基因可拓模塊； 可拓變換； 關(guān)聯(lián)函數(shù)

陶瓷是實用價值和鑒賞價值很高的商品，但是，在運輸過程中極易受到?jīng)_擊碰撞，由于陶瓷制品脆值的影響發(fā)生損壞而失去其原有的價值.因此，物流包裝的設(shè)計對陶瓷制品品質(zhì)起著極其重要的作用[1].

為滿足社會對物流包裝產(chǎn)品的性能及可靠性的要求，提出了人機工程[2]、低碳和綠色設(shè)計[3]、無包裝設(shè)計[4]及二次結(jié)構(gòu)設(shè)計[5]等設(shè)計理念.滿足某項具體指標(biāo)完成的產(chǎn)品設(shè)計通常采用某一獨立的設(shè)計理論[6]，例如：以技術(shù)系統(tǒng)的演化規(guī)律為綱，采用物-場模型來描述產(chǎn)品功能，應(yīng)用具體的工具算法解決設(shè)計矛盾的有規(guī)律可循的TRIZ設(shè)計理論[7].單獨應(yīng)用這些設(shè)計理論，雖然對包裝產(chǎn)品的原始創(chuàng)新起到了一定的作用，但是易于達(dá)到設(shè)計極限.

可拓設(shè)計[8]是利用可拓論和可拓創(chuàng)新方法研究設(shè)計過程中矛盾問題的處理(包括形式化表示、建模、變換、推理、評價與決策)，以尋求較優(yōu)設(shè)計方案的一種新的設(shè)計理論與方法.目前已有很多研究成果，但還未檢索到將該方法應(yīng)用于陶瓷物流包裝設(shè)計領(lǐng)域的成果.

針對條件約束下的產(chǎn)品設(shè)計過程中存在的設(shè)計對象表達(dá)和變換問題，本文參考現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計理論，結(jié)合可拓設(shè)計[8]和基因工程的設(shè)計[9]思想，在處理陶瓷物流包裝產(chǎn)品設(shè)計的模塊劃分模型過程中，提出一種新的設(shè)計方法即基因可拓模塊化設(shè)計.

1 基因可拓模塊化設(shè)計

基因可拓模塊化設(shè)計基于已有的可拓設(shè)計方法，對現(xiàn)有產(chǎn)品的關(guān)鍵性狀或功能的分析.基元作為轉(zhuǎn)錄及變換模塊的結(jié)構(gòu)單元，通過模塊配置組合的模塊化處理，翻譯成設(shè)計產(chǎn)品，完成性狀表達(dá)最后生成設(shè)計方案的一種設(shè)計方法.

目前常用的模塊劃分模型有3類：(1) 功能—結(jié)構(gòu)模型：尋求能實現(xiàn)功能的對應(yīng)結(jié)構(gòu)形式，并將概念設(shè)計描述為功能和結(jié)構(gòu)兩個設(shè)計層次，但缺乏創(chuàng)新；(2) 功能—行為—結(jié)構(gòu)模型：解決功能—載體映射模型所存在的問題，描述完成功能所執(zhí)行的動作，表明“結(jié)構(gòu)如何實現(xiàn)功能”的思想；(3) 功能—原理—結(jié)構(gòu)模型：直接體現(xiàn)了設(shè)計任務(wù)及要求，描述了功能、需求的基本機理及其結(jié)構(gòu)形式，將效應(yīng)具體化，從功能和行為場景的角度來綜合考慮問題[10].

設(shè)計過程不能完全依賴于設(shè)計人員對某一因素的判斷來決定產(chǎn)品的設(shè)計，為了使設(shè)計要求更符合設(shè)計人員的思維習(xí)慣、更滿足人性化的設(shè)計需求，建立顯、隱性基因[9]可拓組合模塊.借助可拓學(xué)矛盾問題的求解方法，建立初步的矛盾問題可拓模型.判斷可拓模型后再采用基因可拓模塊化處理，建立基因可拓模塊配置模型.最后采用關(guān)聯(lián)函數(shù)定量化評價產(chǎn)品需求對產(chǎn)品性狀表達(dá)的滿足程度，確定產(chǎn)品設(shè)計.

解決定制設(shè)計矛盾問題的關(guān)鍵是尋找定性與定量相結(jié)合的產(chǎn)品族設(shè)計方法.基因可拓模塊化產(chǎn)品設(shè)計把產(chǎn)品族設(shè)計與顧客需求聯(lián)系起來，運用基元理論分析產(chǎn)品設(shè)計，再通過設(shè)計空間的可拓變換的可拓配置，實現(xiàn)產(chǎn)品族設(shè)計.基因可拓模塊化產(chǎn)品設(shè)計流程圖如圖1所示.

圖1 基因可拓模塊化產(chǎn)品設(shè)計流程圖Fig.1 Gene extension modular product design flow

2 陶瓷物流產(chǎn)品包裝設(shè)計操作步驟

下面以陶瓷物流產(chǎn)品包裝設(shè)計中的不相容問題為例詳細(xì)說明上述流程的操作步驟.

2.1 問題可拓模型的建立與判斷

問題可拓模型的建立，是產(chǎn)品設(shè)計體系的核心問題，它可以簡單直接地反應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計空間的結(jié)構(gòu)單元是否存在矛盾問題.設(shè)原問題的目標(biāo)為G0，條件為L0，則原問題P=G0*L0，其中G0、L0為基元、復(fù)合元或者它們的運算式.根據(jù)可拓學(xué)中不相容問題的可拓模型的建立方法，確定陶瓷包裝設(shè)計過程中的原問題模型：

設(shè)c0t為評價特征，c0t為條件L0中的對象元Z0關(guān)于c0提供的特征.取評價特征cg1為質(zhì)量，cg2為破損率，即cg1、cg2為條件L0關(guān)于目標(biāo)中的對象“陶瓷D”所需求的特征.則原問題的核問題可拓模型為[11]：

2.2 基因可拓模塊化

基元B=(OB,c,vB)是邏輯單元[11]作為模塊形式化表達(dá)的基礎(chǔ)，構(gòu)成基因可拓模塊化設(shè)計對象模板，控制產(chǎn)品的性狀或功能.利用可拓學(xué)中的共軛分析方法，可以對用基元表達(dá)的基因進(jìn)行淺顯共軛分析[11]，可分為顯性基元J和潛在基元j(即隱性基元).顯性基元J=(OJ,c,vJ)，在正常的環(huán)境和條件下控制顯性性狀的表達(dá)，只有顯性功能表現(xiàn)出正常的功能.隱性基元j=(Oj,c,vj)，是支配隱性性狀的基因單元.在一般的環(huán)境或條件下，只有顯性基元表達(dá)出顯性的性狀，維持正常的表現(xiàn)型，隱性基元不表達(dá)；隱性基元只有在環(huán)境或是條件相應(yīng)的變化時才會被激發(fā)變?yōu)轱@性基元.基因可拓模塊是指把以基元為邏輯單元對產(chǎn)品進(jìn)行作為模塊形式化表達(dá)，這一形式化表達(dá)的過程稱為基元的轉(zhuǎn)錄.

對陶瓷包裝領(lǐng)域的信息模塊化進(jìn)行基因可拓模塊化轉(zhuǎn)錄處理、分析，即信息轉(zhuǎn)錄成形式化物元的基因模塊，如圖2所示的陶瓷基因可拓模塊轉(zhuǎn)錄.

圖2 陶瓷基因可拓模塊轉(zhuǎn)錄
Fig.2 Ceramic gene extension module transcription

基元是有遺傳效應(yīng)的設(shè)計單元，是遺傳信息的攜帶者和傳遞者.在設(shè)計空間中，產(chǎn)品轉(zhuǎn)錄為基元模板，是不間斷的、簡單通用的載體，呈空間線性排列鏈或是空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).利用拓展分析方法中的發(fā)散分析和可擴分析，對陶瓷包裝基元B分析可得：

……

2.3 模塊化變換組合及翻譯

基因可拓模塊設(shè)計以原有產(chǎn)品的模型作為初始設(shè)計對象的模板，通過模塊化組合變換獲得產(chǎn)品設(shè)計.如圖3(a)所示的設(shè)計空間中，把不相容基元或?qū)α⒒鳛樵O(shè)計對象，設(shè)為坐標(biāo)起點，以社會、環(huán)境及技術(shù)作為3個坐標(biāo)軸來劃分可拓設(shè)計域.模塊化處理后對需求基元、功能基元、原理基元、結(jié)構(gòu)基元及其復(fù)合基元等進(jìn)行變換[11].沿著關(guān)鍵路徑1、關(guān)鍵路徑i……關(guān)鍵路徑n變換生成相應(yīng)處于矛盾問題激發(fā)狀態(tài)的次產(chǎn)品，再次對模板該特征(如圖3(b))所示進(jìn)行變換.每一次變換過程都是解決設(shè)計過程不相容問題的過程，具有其變換矢量.關(guān)鍵路徑矢量疊加的收斂性標(biāo)志基元翻譯的完成.

基因可拓模塊化設(shè)計是對顯、隱性基元的組合運算，不斷完成模塊組合的過程.對產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的唯一性具有決定作用的基元綜合模塊稱為本質(zhì)基元I=(OI,c,vI)，是其基元的組合集.結(jié)合顯、隱性基元運算和可拓變換方法建立可拓基因模塊配置模型.如圖4包裝產(chǎn)品在某種變換下的可拓基因模塊配置模型，不同的變換建立不同的配置模型.

圖3 可拓基因模塊設(shè)計空間Fig.3 Extension gene module design space

2.4 構(gòu)建產(chǎn)品模型并綜合評價

性狀的表達(dá)以產(chǎn)品為載體，由其在外部環(huán)境作用下顯現(xiàn)基元和隱現(xiàn)基元構(gòu)建的可拓基因模塊產(chǎn)品完成物理效應(yīng)、數(shù)學(xué)模型、原理結(jié)構(gòu)的性狀表達(dá).

綜合模塊結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化建立的顯、隱性基因可拓模塊(也稱綜合模塊)，保證不同功能模塊的組合和相同功能模塊的互換，具有可組合性和互換性，提高了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、規(guī)格化的程度.基于開發(fā)軟件構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計模型稱為模塊翻譯，如圖5所示的陶瓷基因可拓模塊化翻譯.

采用可充氣式的改性聚氯乙烯充氣材料[15]進(jìn)行設(shè)計，產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果模型如圖6所示.

為滿足物流活動各環(huán)節(jié)的專業(yè)性要求[13]，對其流通過程中的破損因素模型[14]進(jìn)行分析，以包裝為設(shè)計對象設(shè)定評價特征[1-5].建立關(guān)聯(lián)函數(shù)對設(shè)計過程中因素進(jìn)行評估(如表1所示).

基元的翻譯是指構(gòu)建模型指導(dǎo)產(chǎn)品的合成、控制性狀的過程.通常性狀的表達(dá)會隨環(huán)境而改變，從產(chǎn)品的保護(hù)性、緩沖性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性結(jié)合客戶評估對方案進(jìn)行評估，選擇較優(yōu)方案.根據(jù)變換前、后包裝的特征值，采用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)[12]計算k(x)、k′(x)、K、K′，得到數(shù)據(jù)表如表2.

圖4 包裝產(chǎn)品的可拓基因模塊配置模型Fig.4 Packaging products extension gene module configuration model

圖6 產(chǎn)品設(shè)計模型示意圖Fig.6 Schematic design model

四大準(zhǔn)則主要因素評價特征αm權(quán)重系數(shù)環(huán)境陸地、海洋和大氣層環(huán)保性0．1經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)性、市場和效益可承載質(zhì)量0．2保護(hù)程度0．2成本0．2社會可持續(xù)發(fā)展的理念使用壽命0．2技術(shù)生產(chǎn)力水平自動化程度0．1

1)特征及各權(quán)重系數(shù)的選取應(yīng)參照各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

表2 產(chǎn)品族評價數(shù)據(jù)表1)Tab.2 Data sheet of Product family assessment

1)文中i、j、m、n、t∈R，αm參考表1.驗證評價得sum(K′)>sum(K)，確定產(chǎn)品設(shè)計.

3 結(jié)束語

本文提出了基因可拓模塊化設(shè)計方法，并通過模擬設(shè)計實例建立創(chuàng)新產(chǎn)品方案設(shè)計的可拓配置模型，揭示產(chǎn)品族設(shè)計與顧客需求之間的聯(lián)系.該方法具有以下特點：

(1) 有效地處理和解決物流包裝過程和設(shè)計過程中多層次、多屬性的矛盾問題，不易陷入局部最優(yōu)解，具有較強的靈活性.

(2) 將設(shè)計人員的創(chuàng)造性思想形式化地引入設(shè)計過程，對其突發(fā)性、易變性、不穩(wěn)定性進(jìn)行定性與定量處理，便于計算機處理及設(shè)計工具的實現(xiàn).

(3) 顯、隱性可拓基因綜合模塊使得基元的翻譯與表達(dá)和定性定量化相結(jié)合，強調(diào)環(huán)境對產(chǎn)品設(shè)計過程中的性狀表達(dá)及需求的影響，增強了產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新性設(shè)計能力和適應(yīng)性設(shè)計能力.同時，對設(shè)計人員的多學(xué)科領(lǐng)域知識要求降低，容易被接納、理解和運用，能夠極大地促進(jìn)企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計.

本文通過陶瓷物流產(chǎn)品包裝設(shè)計的實例對基因可拓模塊化設(shè)計模型的應(yīng)用進(jìn)行了說明.然而，深層次復(fù)雜的產(chǎn)品包裝設(shè)計研究還不夠成熟，結(jié)合基于SolidWorks軟件API接口的二次開發(fā)[16]及矛盾問題智能化處理[17]的可拓設(shè)計，建立產(chǎn)品包裝的智能化設(shè)計框架有待研究.

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Study on Ceramic Logistics Packaging Design Based on Gene Extension Modular Design

Luo Liang-wei1,2, Yang Chun-yan1

(1. Research Institute of Extenics and Innovation Methods, Guangdong University of Technology;2. School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

This paper establishes a configuration model of product design to solve the low-carbon, green logistics packaging problems of flexible design in the field of ceramic logistics packaging based on the extension design theory. It sets design space, analyzes design objects and transcribes them into gene extension module for extension transformation based on the combination of extension theory and genetic engineering. It can express the characteristics by the implicit and explicit primitive module combinations and get a new design and favorable evaluation by establishing correlation function. Finally, by the aid of computer a new design model is determined and optimized with its effectiveness and feasibility verified.

extension design theory; Extenics; gene extension module; extension transformation; correlation function

2014- 10- 21

國家自然科學(xué)基金資助項目(61273306)；廣東省科技計劃項目(2012B061000012)

羅良維(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為可拓學(xué)、智能化設(shè)計、機械設(shè)計制造及其自動化.

楊春燕(1964-)，女，研究員，主要研究方向為可拓學(xué)、信息與知識管理、數(shù)據(jù)挖掘、系統(tǒng)科學(xué)等，E-mail:fly_swallow@126.com

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.02.002

TP18；TH122

A

1007-7162(2015)02- 0011- 06