基于元素的迭代意图理解方法用于复杂产品概念设计

《Applied System Innovation》：An Element-Based Iterative Intent Understanding Method for Complex Product Conceptual Design

　　

产品设计构成一个以用户需求为中心的迭代过程。在这个过程中，用户需求被收集、由设计人员解释并转化为设计目标，然后通过解决方案生成和评估进行细化以产生最终产品；这通常是一个迭代的人机交互过程。意图理解过程将模糊的用户需求转化为标准化的表达方式供设计人员使用。对于复杂产品，现有的意图理解方法受到过度依赖经验、缺乏迭代机制以及关键性能属性识别不足的阻碍。为解决这些局限性，本文提出了一种基于元素的计算方法用于意图理解，定位为未来人机协同设计系统的基础层。在功能、性能和结构三个层面引入了“元素”的概念，以帮助设计目标的标准化。定义了元素之间的关系并用其构建设计目标，建立了从元素到目标的转换模型。进一步提出了一种设计迭代下元素-目标转换的迭代重构方法。通过反应堆燃料处理案例研究实证验证了该方法的可行性。

### 基于元素的迭代意图理解方法在复杂产品概念设计中的应用研究解读

#### 1. 研究背景与问题提出

复杂产品，如航天器、飞机、汽车和数控机床，涉及机械、电子、控制及系统工程等多学科领域，其设计通常需要高度的设计自由度和多功能优化架构。这类产品的概念设计不仅要满足几何和材料上的复杂性，还需应对制造约束和设计-制造-材料属性间的复杂依赖关系。产品设计是一个以用户需求为输入、设计方案为输出的知识驱动迭代过程，其中意图理解阶段将模糊的用户需求转化为清晰、可执行的设计目标，通常以功能和性能的组合表达。然而，现有意图理解方法存在显著局限：过度依赖设计人员的经验、缺乏迭代机制、且未能充分识别关键性能属性（如可靠性）。此外，需求信息高度模糊和非结构化，设计目标常被预先定义，缺乏对需求传播和迭代修正的动态适应性。因此，本研究旨在建立一种计算驱动的方法，通过引入“元素”作为中间表示，桥接用户需求与设计目标之间的语义鸿沟，为未来人机协同设计系统提供基础层。

#### 2. 研究内容与核心方法

研究人员提出了一种基于元素的意图理解方法，核心在于将用户需求分解为功能、性能和结构三个层面的元素，并定义元素间的本体论关系。该方法首先通过元素分解实现需求标准化，其次利用七种关系类型（包含、半包含、冲突、半冲突、顺序、共存和独立）构建元素链，进而形成结构化的设计目标。在迭代设计过程中，提出简化和重构算法，通过距离赋值和骨架提取降低关系复杂度，同时保留设计意图的关键信息。研究采用案例研究法，以核反应堆燃料处理设备为对象，验证了方法的可行性。主要技术方法包括：基于功能基（functional basis）的元素定义、元素关系矩阵（element relationship matrix）的构建、距离赋值规则（如包含关系距离最大、独立关系距离无穷大）以及骨架提取和分支识别的算法流程。

#### 3. 研究结果与结论

案例研究显示，所提出的方法成功将11个元素和29对非独立关系简化为包含8条边的主链和2个分支，关系复杂度降低65%，平均元素关系度从5.1降至1.6。简化后的元素结构直接映射到最终设计中的固定平台、移动抓取系统、密封结构和屏蔽结构等功能模块。研究结论包括：（1）建立了本体论元素关系模型，定义了功能-性能-结构元素间的七种关系类型，为设计意图提供了结构化表示；（2）提出了基于骨架的简化和重构过程，通过距离赋值和系统关系分析提取主元素链和分支元素，有效降低了关系复杂度；（3）通过燃料处理设备案例验证了方法的实用性，简化结构成功指导了满足所有用户需求的概念设计方案。该研究的主要贡献在于将意图理解定位为计算基础层，为未来人机协同设计系统提供了形式化框架，包括元素本体、关系矩阵和算法重构。

#### 4. 讨论与展望

讨论部分指出，简化方法在降低复杂性的同时，可能因线性链结构而无法完全捕捉多分支中心关系，未来需探索层次化骨架。距离赋值的主观性虽导致不同设计者产生不同简化结果，但也被视为一种灵活性。此外，案例分析证明了方法在核工程领域的可行性，但推广至其他复杂产品领域需进一步验证。研究结论强调，该方法为设计意图的可追溯性、可操作性和可计算性提供了方法论基础，有助于在迭代设计中动态调整设计目标，提升人机协同效率。