机电产品工业设计综合评价系统设计与实现
熊 宏, 王小平, 乐万德, 黄 婷
(西北工业大学 工业设计学院,陕西 西安,710072)
摘要: 针对传统机电产品的设计手工评价中存在效率低、客观性差、评价方法单一等问题,设计并实现了一个融合工业设计内容的综合评价系统,并且给出了系统的基本结构,介绍了每个模块的具体功能。采用3层结构,运用评价目标树的方法构建了评价指标体系;采用德尔菲法和判定法确定指标权重,运用语言变量与模糊数学相结合的方法对定性指标进行量化,采用归一化原则对原始数据进行标准化处理;通过人机交互方式,采用点计分法、名次计分法、排队法、经济技术评价法以及评分法对设计方案进行评价,并在此基础上采用Borda法进行综合评价和排序。实例验证结果表明,应用该系统所得评价结果客观、公正、合理。
关键词: 工业设计; 综合评价; 德尔菲法
中图分类号:TB472 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)04-0637-05
Design and implementation of industrial design comprehensive evaluation system for mechanical and electric products
XIONG Hong, WANG Xiao-ping, YUE Wan-de, HUANG Ting
(Institute of Industrial Design, Northwestern Polytechnical University, Xian 710072, China)
Abstract: To solve the evaluation problems of low efficiency and absence of objectivity, a comprehensive evaluation system based on industrial design knowledge was developed. The structure of system was built. The function of every module was explicated. An evaluating branch framework was constituted by the evaluating target tree. The system allows the user to decide the branch weight using Delphi and ratio analysis. The qualitative branch was measured by linguistic information and fuzzy mathematics. The original data were disposed. Different methods, such as the evaluation of point, the evaluation of sequence, the evaluation of queue, the evaluation of technology and economy and the graded approach were adopted in the system. The comprehensive evaluation result was achieved by the evaluation method of Borda based on the former ways. The results show that the evaluation result is objective, just and rational.
Key words: industrial design; comprehensive evaluation; Delphi method
工业设计是应用技术和艺术手段来设计和塑造产品形象,并将实用功能、结构、工艺、宜人性、认知性和环境需求等统一于产品的外在形象中,以取得人、机、环境和谐的一项创造性设计。机电产品的工业设计评价远比其单纯的工程技术质量评价复杂,由于产品之间互相联系,且系统内部结构复杂,一个方案的评价往往需要综合考虑多项指标以及这些指标的若干因素,如布局的合理性、形状的美观性、使用的宜人性等等,因此,需要进行多目标综合评价。由于多目标评价存在指标集多、数据量大、计算量过大等问题,因而在以往的多目标评价过程中,往往存在着评价方法单一,建立和修改指标体系过程复杂和效率低等局限性[1-5]。为了解决该问题,作者采用经济技术评价法、名次计分法、排对法、点计分法、评分法[6]等多种评价方法进行单项评价,在此基础上采用Borda法对以上多种评价方法的评价结果进行综合评价。
1 综合评价系统的评价原理
1.1 评价指标体系的建立
机电产品工业设计的评价过程非常复杂,而且各评价产品的结构层次不等,既包括人机、色彩、形态、装饰评价因素,又包括社会、经济等评价因素,很难用计算机建立统一的评价数学模型,宜采用多层多级分类评价模型,结合定性和定量方法进行评价。参照目前通用的造型评价标准[7-9],融合工业设计内容,本系统采用3层结构,运用评价目标树的方法,逐层分解、细化评价目标,最后制定的机电产品工业设计综合评价系统指标体系如图1所示。
在本系统中,该评价指标体系对于用户或设计师只是一个参考指标体系,对于不同的产品或产品开发的不同阶段以及不同的评价方法,设计师或用户可以直接采用该指标体系,也可以运用本系统提供的开发工具开发相应的评价指标分析库,构建不同的评价指标体系。
1.2 指标的赋权和数据的标准化处理
1.2.1 指标权重的确定
一般地,各评价指标对评价对象的作用不是同等重要,因此,要对不同的评价指标赋以不同的指标权重。指标权重是反映评价指标重要程度的量化系数,指标权重大表示重要程度高。一般要对指标权重进行归一化处理,即gi〈1,且 
指标权重的确定方法有德尔菲(Delphi)法、强制判定法、统计法等。本系统采用德尔菲法和强制判定法来确定指标权重。
1.2.2 原始数据的标准化处理
机电产品工业设计综合评价是一个多目标的决策过程。在设计评价中,有许多感性的评价目标,如美观度、宜人性、安全性、加工性、时代性等,这些指标用传统的定量分析办法很难在计算机上进行评价。本系统运用语言变量与模糊数学相结合的方法[10]来量化定性指标。根据人们对问题的通常看法,定义语言变量集E={很差,差,较差,中,较好,好},对应的数值集T={0~0.15,0.15~0.30,0.30~0.45,0.45~0.60,0.60~0.80,0.80~1.00},从而使模糊信息数值化,以进行定量评价[10,11]。
此外,与设计方案相关的各项数值属性特征具
图 1 工业设计评价指标体系的结构
Fig. 1 Evaluating branch framework of industrial design
有多样性特点,它们在单位、数量级上都是不同的,因此,不能将它们直接作为原始数据应用于算法中,而必须先将其进行归一化处理,即将这些属性特征取值映射到区间[0,1]上。虽然评价指标的具体形式多种多样,但均可归为成本型(越小越好)、效益型(越大越好)和区间型(越接近某个区间[q1,q2]越好)3种类型。在评价模型中,设n为评价对象数,p为属性数,yij为第i个对象的第j个属性值,并记Zij为yij的规范化属性值,运用下列各式可将上述3种类型的定量指标规范化。
效益型指标(如利润等)为:
成本型指标(如成本等)为:
区间型指标为:
1.2.3 综合评价系统人机交互评价过程
机电产品工业设计综合评价系统是基于CAXA平台,采用面向对象的程序设计方法实现,具有交互性、规范性、模块性和通用性等特点,其人机交互评价过程为:
a. 确定评价对象集和评价目标;
b. 判断设计是否满足特定的技术指标,如果不满足,给出提示并返回设计状态,修改设计;
c. 运用评价目标树工具确定相应的指标体系;
d. 输入或从数据库中调出上一步中所确定的指标体系的指标属性值;
e. 选择评价原则;
f. 运用权值判定工具确定指标的权值;
g. 采用不同的评价方法对评价方案进行评价,并排序;
h. 对评价结果是否满意,如果不满意,返回c.重新进行评价。
i. 在此基础上,运用Borda法对以上多种评价方法的评价结果进行综合评价排序,并给出决策方案;
j. 将上述评价结果进行分析并给出相应的建议;
k. 评价结果和分析结果输出,结束。
以上各步均采用人机对话方式,系统起到了评价分析人的作用,并可对每个细节提出问题,通过一定的帮助设施引导评价者根据问题回答自己掌握的信息、偏好和判断等,实现人机信息的灵活交流;此外,系统通过中间结果的显示,可使评价者随时进行修改和调整,从而使评价者对问题的考虑更全面、更仔细、更加定量化,同时也增加了评价者对评价结果的信赖感。
2 综合评价系统基本结构
机电产品工业设计综合评价系统由人机交互界面、主控制器、评价指标体系管理子系统、信息查询子系统、综合评价与分析子系统、评价结果输出子系统组成,如图2所示。
图 2 工业设计综合评价系统的结构图
Fig. 2 Structure of industrial design comprehensive evaluation system
人机交互界面完成系统与用户的对话交互,具有菜单选择、查询、图形显示和评价结果输出等功能。主控制器帮助用户明确评价对象,制定评价目标,建立评价指标体系,协调和控制各子模块处理程序运行过程。
2.1 评价指标体系管理子系统
评价指标体系管理子系统由指标体系构造模块、评价指标权值判定模块、评价指标提取模块、评价指标库系统、内部接口组成。
指标体系构造模块用于构造或修改不同评价方案的指标体系结构,用户能根据评价方案要求动态地生成并修改评价指标;评价指标权值判定模块提供权值计算工具,用户能根据实际需要调整指标权值;评价指标提取模块用于提取指定评价对象或指定评价对象的某一指定评价目标的指标属性值;评价指标库系统用于存放评价指标体系以及指标属性值;内部接口是通过图像处理技术,包括模式识别、轮廓提取等,从机电产品的渲染图中得到机电产品的特征数据,包括色彩RGB、轮廓线及几何尺寸等,经过一些预处理后,这些数据便用到评价中。评价系统通过内部接口与其他设计程序一起构成机电产品工业设计综合评价系统,从而实现实时评价导向、迅速帮助设计。
2.2 信息查询子系统
信息查询子系统由信息查询模块、文本库、图形库和协调模块组成。
信息查询模块提供目录、索引、搜索等查询方式,并可以表格、直方图、曲线图等形式显示查询结果;文本库具有文本信息输入、保存各种文字描述信息,如评价方案的描述、系统的整体功能、参与评分的专家信息的保存等功能;图形库用于存放各种图形信息,如评价结果的图形表达等;协调模块主要是为信息查询子系统和评价结果输出子系统调用所需的模型和方法程序,并将结果进行存储。
2.3 综合评价与分析子系统
综合评价与分析子系统由综合评价模块、评价结果分析模块、知识库、数据库等组成。
综合评价模块由Borda法综合评价子模块、点计分评价子模块、排队法评价子模块、名次计分法评价子模块、技术经济评价子模块、评分法评价子模块等构成,用于引导设计者或用户选择评价模块、并通过人机交互方式为不同的评价指标权系数赋值以及选择相应的隶属函数对指标属性值量化,从而实现机电产品工业设计的综合评价;评价结果分析模块根据各种量化模型和知识库中的知识对评价结果进行分析,给出参考性意见;数据库用于保存评价结果和参考性意见等;知识库包括各种量化模型以及人机评价数据库、美学评价知识数据库、环境评价知识数据库等等。
2.4 评价结果输出子系统
评价结果输出子系统能够把用户需要的信息以多种形式(如报表、曲线图、优度图、直方图等)输出到屏幕或打印机打印。
3 系统应用实例
为了测试和分析该系统的评价效果,以某款机电产品的4个造型设计方案为例进行说明。
3.1 指标体系的确定
第1层指标为产品造型评价即本次评价的总目标;第2层指标有6个,从形态、色彩、人机、环境、装饰、其他6方面反映“产品造型”;第3层的指标是一些具体的指标,可以赋予具体的数值。具体评价指标体系结构见图1。
3.2 权重的确定
用户或设计师在输入各个指标的权重时,打分的范围为0~4。系统在运行之前,请5位专家打分,其中1位专家的打分结果如图3所示。在建立指标体系、确定权重、对数据标准化处理之后,选择评分法、点计分法、名次计分法、排队法、经济技术法分别对方案进行评价,并输出评价结果。
图 3 指标权重的专家打分结果
Fig. 3 Branch weight decided by an expert
4 结 论
a. 提出了一种融合工业设计内容的综合评价系统,并在CAXA平台上实现了本系统的软件编程,初步实现了典型机电产品的工业设计评价。
b. 所设计的综合评价系统通过人机交互,能根据任务要求确定评价目标,构建评价指标体系,并计算各评价指标的权重,针对不同的评价对象和目的采用不同的评价方法对设计方案进行评价并排序。
c. 系统经应用验证,可为工业设计师提供一种较客观、公正、合理的评价结果,为设计师提供参考,能缩短设计加工时间,提高设计质量。
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收稿日期:2005-01-10
基金项目:国家“863”高技术计划项目(2002AA411030)
作者简介:熊 宏(1972-),男,湖南长沙人,助理工程师,从事计算机辅助产品设计的研究
论文联系人: 熊 宏,男,硕士;电话:13135286712(手机);E-mail:hong1_x@163.com
