一种基于文本生成3D模型技术的新型产品设计方法，用于实现大规模个性化定制

《Computers & Industrial Engineering》：A novel product design method based on text-generated 3D model technology for mass personalization

　　

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  提出了一种基于AIGC的MP产品设计框架，以实现价值共创。
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  构建了三层提示系统，以支持动态语义转换。
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  通过语言评估矩阵减少了用户数据的依赖性。
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  利用TRIZ解决了需求冲突并提高了设计灵活性。
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  讨论了所提出方法的优势、挑战和未来发展方向。

引言

工业5.0的概念作为对工业4.0局限性的回应而出现，提供了一个实现可持续发展的有效框架（Ghobakhloo等人，2022年）。与工业4.0相比，工业5.0预计将更好地促进个性化产品的生产，从而提高个别客户的满意度（Adrian等人，2023年），这需要大规模个性化的新范式（MP）（LI等人，2019年）。MP是在客户维度上对大规模定制的延伸，强调通过用户认知元素实现独特的客户体验（Wang等人，2017年）。

为了适应多样化和个性化的功能，在设计阶段需要进行重大创新（Maddikunta等人，2022年）。针对MP的解决方案设计方法将用户输入转化为可变、可适应和可配置的设计，通过模块化设计和可适应的开放架构产品平台来满足个别客户的需求（Adrian和Dr?ghici，2023年；Du等人，2014年；Zheng等人，2017a年）。这样的解决方案设计需要客户参与的指数级增长，并在早期充分考虑制造问题。因此，如何在早期设计阶段高效地实现客户和制造商之间的价值共创成为核心焦点（Shaukat等人，2022年）。然而，关于针对MP的有效解决方案设计方法的研究很少（Siiskonen等人，2023年），这成为MP广泛应用的障碍。

此外，工业5.0通过将人工智能（AI）融入人类操作来增强人类能力（Leng等人，2022年），这在推动各行业的可持续实践中发挥着关键作用（Lu等人，2022年）。采用先进技术对于在制造业等领域建立有弹性和可持续的系统至关重要（Zhang等人，2023年），同时也深刻地重塑了人类在生产过程中的角色（Longo等人，2020年）。在这种情况下，在一个促进有效MP的设计框架中找到人类和技术因素之间的平衡成为了一个关键的挑战（Kabir等人，2024年）。为了解决这个问题，AI生成内容（AIGC）的概念可以提供一个有前景的方向。近年来，AIGC取得了显著进展，并展示了其在产品设计过程中的辅助潜力（Jonasson等人，2024年）。特别是文本生成的3D模型技术的出现降低了设计的专业门槛，使用户能够更广泛地参与设计过程。

基于上述分析，本文旨在提出一种针对MP的解决方案设计方法，该方法利用文本生成的3D模型技术来促进用户、制造商和AI之间的价值共创。具体来说，所提出的方法旨在通过AI的快速生成能力，弥合用户需求的不明确动态与制造商技术实现能力之间的巨大知识差距。此外，该方法还旨在将语言评估矩阵与TRIZ结合起来，量化用户需求并评估制造可行性，从而提高用户、设计师和制造商之间的知识传递效率。本文的其余部分组织如下：第2节将对相关文献进行综述。在此基础上，第3节提出了一个通过AIGC支持MP解决方案创新的设计框架。为了验证所提出方法的可行性和适用性，第4节给出了一个个性化自行车座椅设计的示例。第5节通过用户访谈进一步验证了所提出方法的有效性。最后，第6节总结了主要贡献和未来研究的方向。

章节摘要

相关工作

为了更好地理解针对MP的解决方案设计方法，下文将对MP设计框架的相关工作以及AIGC在工业设计中的应用进行回顾。

方法

为了填补研究空白，提出了一种基于AIGC的针对MP的新解决方案设计方法，如图1所示。应当注意的是，所提出的设计方法遵循模块化设计原则。因此，所提到的个性化方案并不是完整的，只有某些模块将根据实际生产情况进行个性化设计。此外，只有当现有模块无法满足需求或推荐的技术方案...

步骤1：解决与制造相关的问题

可以根据第3.1.2节构建的TRIZ创新库来解决矛盾，然而，矛盾的识别仍然是一个问题。当矛盾会导致制造问题时，它们通常与PI之间的关系类型有关，这些关系可以分为三类：正相关（互补）、不相关和负相关（冲突）（Song和Sakao，2017年）。在构建...

步骤3：合并信息以生成提示

除了用户需求外，所有保证可制造性的信息和知识将合并成一个提示，输入到微调的Get3D模型中。提示统一表示为：(产品类别, $\left(\left({\mathit{PI}}_1,w_{{\mathit{DV}}_1}\right),\left(PI,w_{{\mathit{DV}}_2}\right),?\right)$, M1,P1,M2,P2,?, 设计风格, TRIZ创新知识, 颜色, 需求描述)。产品类别指的是产品架构中的最小可制造模块，例如格子垫模块或安装导轨...

案例研究

自行车作为成熟的工业产品，其生产技术简单，市场需求个性化，且需要快速的市场响应——使它们成为应用MP设计原则的理想案例。自行车上的各种模块以及不同个体的骑行习惯创造了多样化的座椅设计需求。座椅的舒适性、支撑性和适应性往往非常...

讨论

通过所呈现的案例研究，证明了所提出的方法提供了清晰和结构化的设计流程。为了进一步阐述其有效性，通过访谈评估了测试用户的满意度，重点关注两个方面：系统的响应速度和解决方案的个性化程度。结果如下表6所示。然后邀请15名测试用户将所提出的方法与传统方法进行比较。

结论

本文提出了一种基于AIGC的MP导向产品设计方法。提出了一个考虑可制造性的新框架，以实现AI、客户和制造商之间的价值共创，解决了MP带来的挑战。根据新方法，用户的需求、制造商的知识以及AI的生成能力被有机整合，以提供符合MP预期的个性化解决方案。

两个主要贡献是...

资金来源

资金支持：本研究得到了河北省教育厅科研项目（项目编号：BJ2025160）；天津大学自主创新基金[项目编号2024XJS0024]；天津飞翔鸽集团有限公司自行车产品创新与设计研究项目[项目编号2023GKF-0416]的支持。

数据可用性声明：

支持本研究发现的数据可从相应作者[J.C.C]处获得，如有合理请求。

CRediT作者贡献声明

杨俊宇：撰写——审阅与编辑，项目管理，方法论，资金获取，概念化。吴欣：撰写——初稿，验证，方法论，调查，数据管理。董亮：撰写——审阅与编辑，方法论。徐诺：软件，形式分析，数据管理。邹强：方法论，概念化。龚静辰：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，调查，概念化。

未引用的参考文献

Altshuller等人，2002年；Berdyugina和Cavallucci，2023年；Iyengar等人，2022年；Hao，2019年；Lu和Xu，2019年；Shaukat，2022年；Zheng等人，2017年；Zheng等人，2017年。

致谢

在撰写这篇论文的过程中，我获得了大量的支持和帮助。

首先，我想感谢我的导师，您的专业知识在制定研究问题和方法论方面非常有价值。您的深刻反馈促使我明确了思路，将我的工作提升到了一个新的水平。

我特别要感谢我的团队成员，他们的出色合作和耐心支持。

我还要感谢图书馆提供的工具...

杨俊宇|吴欣|董亮|徐诺|邹强|龚静辰