二、基于知识的智能设计技术

产品开发设计中的许多创新性工作离不开人，这些创新性工作需要在前人知识的基础上、综合多人的知识进行。基于知识的设计以人为中心，基于知识的智能设计也同样以人为中心，但后者的特点是利用智能技术实现知识的有效获取、整理和推送，使设计者能够快速获取所需要的知识；利用智能技术支持不同的设计人员共享知识，协同创新。

（一）概述

1．基于知识的设计对智能技术的需求

目前我国产品开发设计中存在的问题是：

1）产品开发设计是一个系统工程，涉及制度法规、知识产权、管理、技术、人的教育等，但目前我国制造企业产品开发设计的系统完整性还相对不够。

2）产品开发设计需要一个完整的技术体系或知识体系，但目前在我国该体系还不完整。

3）学习、获取和整理知识是一个长期的过程，我国过去比较多的是引进技术，缺少系统的、自主的知识，如研制不出各种高水平的产品开发设计专业软件，即使开发了一些软件，其知识含量也远不如发达国家的软件。

4）我们的科技人员学习刻苦，每个人有较强的学习能力，有自己的知识体系，但相互间的知识共享程度不高，结果产品开发设计往往是在低水平上重复。

5）我国许多产品设计数据缺乏，如可靠性数据等。不少人急功近利，不注重知识积累，只管推出新产品。

6）虽然国际化合作给中国产品的快速推出带来有利条件，但产品的核心技术还是掌握在外国人手中，如我们许多产品的市场份额世界第一，但产品的核心部件是别人的。我国制造业在付出昂贵的资源、能源和环境代价后，得到的利润非常微薄。

我国人口众多，专业技术人员数量世界第一。如何发挥这一优势，缩短知识的获取、积累和整理过程，也是值得研究的问题。信息技术特别是互联网技术的发展，有助于这一优势的发挥。

2．对知识网络的需求

人的大脑在存贮知识、搜索和关联知识方面已经有一套很有效的方法。基本架构是网络型的存贮和关联模式。开发设计需要这样一种知识网络，作为基础设施。具体理由如下：

1）人的大脑中的知识是通过本人的学习、观察、体验获得的。开发设计中的知识需要通过许多专家协同学习、观察、体验获得。

2）人的知识通过各种文本知识和言传身教的方法得以传承。开发设计中的知识也需要通过类似的方法传承。

3）人的大脑中的知识如果不能很好地表达为显性知识，或者通过言传身教的方法让别人掌握，那么，当人走了，知识也带走了。人类有许多知识就这样失传了。开发设计更偏向于利用组织的知识、显性的知识。

4）开发设计首先需要有一个很好的知识网络架构，然后需要一种很好的机制让众人把自己的知识传授给系统，并建立起知识间的关系，这样就能开展开发设计。

因此，作为国家的智能制造发展战略应重点放在建立知识网络，梳理现有的知识，建立比较完整的知识体系。

3．基于知识的开发设计框架

图3.7为基于知识的开发设计的框架。

（二）基于知识库的智能设计

1．知识的分类（谭建荣等，2008）

知识正在成为越来越多的企业的主要财富，企业需要一个强大的知识库对这些财富进行管理。

知识的分类有多种。

（1）显性知识和隐性知识

首先根据知识的可转移性，知识可分为显性知识和隐性知识：

1）显性知识（编码型知识）一般是指可以编码和度量的、可以由计算机处理的知识。显性知识可以十分简单地被表述出来，例如，如果出现条件A，那么最好的解决方法将是B。这种知识可以以多种方式转移而保持其正确性。

2）隐性知识（意会性知识）一般是指头脑中属于经验、诀窍、灵感、想法、洞察力、价值，以及判断的那部分知识。许多隐性知识很难表述，因为它们与丰富的语境相联系。两千年前中国的古人就说过“书不尽言，言不尽意”，就是这个意思。

知识库主要是对显性知识进行管理。

（2）数据、信息和知识

1）数据的一般特征是关于事件和关于世界的一组独立的事实的符号表示。数据可以直接来源于传感器，如某种变量的测量值；也可以存在于高度结构化的数据库，如ERP（企业资源计划）系统中的现场生产数据库。

2）信息是已经排列成有意义的形式的数据，是组织或结构化的数据，是放在上下文中并赋予其特定含义的数据。例如，数字是数据，而一张随机数字表则是信息。

3）知识是信息的应用。知识深刻地反映了事物的本质。可以利用知识来进行预测，进行相关性分析和支持决策的制定，即得到新的知识。也有人认为，知识是有用的信息，如用户需求报告。信息组合成知识的过程非常复杂，主要依靠人的创新性工作。

从数据到信息，从信息到知识，它们之间并没有严格的界限。

知识库中不仅有知识，还有许多重要的数据和信息。在本章中，不特别说明时，知识也包括重要的数据和信息。

（3）知识群化、外化、整合、内化、应用和创新及知识评价和激励

基于知识的设计主要包括6个主要环节：知识群化、知识外化、知识整合、知识内化、知识应用和知识创新。它们之间的关系如图3.8所示。在基于知识的设计过程中，知识不断地被群化、外化、整合和内化，显性知识和隐性知识在不同阶段螺旋形动态转化和上升，并被随时用于企业的设计过程中。

1）知识群化。从隐性知识到隐性知识，即隐性知识在人之间的转移和再用。

2）知识外化。使员工的隐性知识转变为显性知识，从而方便地被整个企业共享，并可被继承和再用。

3）知识整合。对不同的、零碎的显性知识进行整合，即条理化、系统化和优化。

4）知识内化。指组织范围内显性知识向个体的隐性知识的转换，这实际上是一个学习过程。

5）知识应用。即利用已有知识增加企业价值。

6）知识创新。知识创新是利用企业自身所拥有的知识创造出新的知识，获得持续的创造力，从而使企业具有较强的竞争优势。

7）知识评价和激励。知识评价是对知识的价值进行评价，以便“心中有数”，在此基础上对积极参与知识共享的员工进行有效激励，促进知识共享的深入开展。

（4）知识的粒度

企业知识库中，知识的粒度大小是不同的，如图3.9所示。

2．基于知识库的智能设计系统

基于知识库的智能设计系统有以下几种。

（1）基于实例推理（CBR）的设计。当系统根据相似性搜索到新的作用原理或物理结构后，相应的实例被自动调出。在此基础上可以开展基于实例推理的设计，如图3.10所示。

（2）基于TRIZ的智能设计系统。TRIZ的含义是发明问题的解决理论，其拼写是由发明问题解决理论俄语含义的单词转换成拉丁文的词头缩写。TRIZ的产生可追溯到第二次世界大战刚刚结束的1946年。在苏联，以G.S.Altshuller为首的研究人员开始了有关TRIZ理论和实践的研究。其主要目的是研究人类在进行发明创造、解决技术问题的过程中所遵循的科学原理和法则。为此，由苏联的大学、研究所和企业所组成的数百人的研究组织用了近50年时间来查阅并研究了世界各国近250万件发明专利，从中总结出了TRIZ的基本原理。在东西方冷战时期，TRIZ的研究一直被作为苏联的国家机密，西方国家知之甚少。苏联解体后，大批TRIZ研究者移居美国等西方国家，TRIZ的研究与实践得以迅速普及和发展。西北欧、美国、日本，以及中国台湾等地出现了以TRIZ为基础的研究、咨询机构和公司，一些大学将TRIZ列为工程设计方法学课程。TRIZ方法工程实用性强，其方法核心系经验的集合，所以可视为一种知识库的方法。如今它已在全世界被广泛应用，创造出了成千上万项重大发明（曾令卫，2003）。在获得美国发明专利最多的十大公司中，半数以上的公司都在采用TRIZ理论进行创新。

Altshuller将他研究过的20万个发明专利所涉及的发明问题分成5类：

第1类（32%），利用已知方法继续发展现有技术系统（例如增加壁的厚度以提高强度）。

第2类（45%），现有技术系统的小幅度改进，但这种改进往往是妥协的折中解决方案（例如使用结合剂将两种不同材料焊接在一起）。

第3类（18%），运用现有技术实现现有技术系统的重大改进（例如以半导体取代电化学继电器，或在摩托车上以万向轴传动取代链条传动）。

第4类（4%），运用新的技术产生新的一代技术系统（例如显微镜，蒸汽机车、复印机等）。

第5类（1%），基础性的新发现（例如发现X射线、激光、青霉素、DNA、超导材料等）。

Altshuller认为，TRIZ作为可普遍运用的原理和可定义的思维模式，适合于解决第2至第4类发明问题。第1类不算真正的发明，第5类则属于发现新的自然现象。

运用TRIZ解决发明（创新）问题的关键就是找出矛盾是技术矛盾还是物理矛盾，然后利用不同的TRIZ工具，通过类比思考的方式，找到解决矛盾的思考方向。TRIZ的出发点是：发明问题的基本原理是客观存在的，这些原理不仅能被确认也能被整理而形成一种理论，掌握该理论的人不仅能提高发明的成功率，缩短发明周期，也使发明问题具有可预见性。

TRIZ理论解决创新性问题的思路在于它采用科学的问题求解方法，具体办法就是将特殊的问题归结为TRIZ的一般性问题，然后应用TRIZ带有普遍性的创新理论和算法寻求标准解法，在此基础上演绎形成初始问题的具体解法。这种从特殊到一般的方法，充分体现了科学的问题解决的思想，富有可操作性，为计算机环境下的创新提供了重要的理论与方法基础。

基于TRIZ的智能设计系统将TRIZ、本体论、现代设计方法学与IT技术等融为一体，帮助设计者在概念设计阶段有效地利用多学科领域知识和前人的智慧，遵循创新规律，打破思维定式，快速地发现技术系统中存在的问题，找到新的解决方案，同时有效地规避现有的竞争专利，促进创新。

基于TRIZ的智能设计系统有：美国Invention Machine公司的Tech-Optimizer、Ideation International公司的Innovation WorkBench（IWB）、IMC（Invention Machine Company）的Goldfire InnovatorTM，德国TriSolve公司的TriSIDEAS，荷兰Insytec B.V．公司的TRIZ Explorer，美国亿维讯公司（IWINT, Inc.）的Pro/Innovator软件等。我国商品化的CAI软件有河北工业大学TRIZ研究中心的InventionTool软件、天津大学的webTRIZ等。

这些软件将TRIZ中的概念、原理、工具与知识库、专利库紧密结合。设计者通过使用这些软件，可以参考世界上的优秀工程设计实例，为产品开发提供设计思路，快速并高质量地完成概念设计。

例如，Pro/Innovator通过对欧美900万件发明专利的分析，形成涵盖众多领域的创新方案知识库。Pro/Innovator可以帮助用户及时发现已有成功的解决方案，向用户提供在原有方案基础上快速寻求自己的问题的合理解决办法。其中主要的模块有：项目导航、技术系统分析、问题分解、解决方案、创新原理、专利查询、方案评价和报告生成、知识库扩充、专利申请等。

需要指出的是，来自几千万个专利的知识整理不是少数专家能够完成的，需要依靠广大专业人员一起来做。每年几百万件专利涌现，专利中的知识只能依靠精通相关技术的专家挖掘和分析。因此，未来基于TRIZ的智能设计系统的知识库将基于Web 2.0的方法，依靠各行业专家共同建设和维护。

3．知识库的自组织优化

基于知识库的设计的关键是知识库的建立和完善，该项工作靠少数人去做，难度很大，因为知识很专、很多，因此，需要有一套知识库的自组织优化的方法，帮助解决这一问题。

知识库的自组织优化方法见本章“四、智能设计的关键技术”。

（三）基于模块化的智能设计

1．基本概念

产品模块化设计的定义是：对产品中的相同和相似模块识别、分类、定义、规范，建立通用模块，在此基础上对通用模块进行组合和变型，设计出低成本、高质量、快速地满足用户的多样化和个性化需求的定制产品。

产品模块化设计主要包括两个过程：产品模块化过程和基于模块的订单产品设计过程。

（1）产品模块化（即产品模块建立）过程。在全面分析和研究客户需求、根据产品历史生产情况和市场预测的基础上，按照系统工程思想，将复杂成套装置/整机/部件/零件等分解成系列化和通用化的，易于组合、变型和快速重用的模块，并对模块的变型范围进行标准化，最终建立模块化产品平台。

产品模块化过程往往与产品开发过程结合在一起。

在不同时期，不同企业和产品的模块化水平也不相同。

（2）基于模块的订单产品设计（即模块的重用）过程。根据客户的产品订单需求，选择合适的模块组成满足客户需求的产品，其中某些模块有时需要进行重新设计（适应性设计）或变型设计。

2．基于模块化的智能设计的需求

（1）产品技术创新的需求

模块化技术能够很好地支持产品创新，其作用主要是：减少产品开发设计复杂性、缩短产品开发周期、有效支持企业间的协同创新设计、支持客户参与产品开发设计。

1）减少产品开发设计复杂性。制造业的复杂性主要源于产品的复杂性。模块化技术通过降低产品的复杂性，进而提高产品开发设计效率。

复杂产品如果不进行模块化，而是作为一个内部高度关联的整体进行设计，那么开发设计的复杂性急剧增加，多人协同开发设计的难度大大增加，从而严重阻挠了产品开发设计。

2）缩短产品开发周期。在产品开发设计阶段，设计人员可以大量利用其他产品中的通用模块，通过通用模块与新设计模块的组合，开发出新产品，从而缩短产品的开发时间。而在进行按订单的产品设计时，可以利用已有的模块或增加少量的专用模块组合成满足客户需求的产品。据统计，在设计过程中利用模块化技术能节约50%的时间。

3）有效支持企业间的协同创新设计。模块化改变了企业间的关系，可以让模块供应商在开发模块方面有更大的自主权，它们可以千方百计提高模块的性能，降低模块的成本，赢得某类模块的市场份额，成长为所谓的“小巨人企业”。通过模块供应商之间的竞争，进一步提高整机的性能。

4）支持客户参与产品开发设计。模块化技术可以使客户也有可能参与产品开发设计，支持客户配置设计出自己想要的产品。

图3.11描述了产品开发设计阶段不同环节中不同层次的产品模块化技术的作用。

（2）提高效率的需求

1）提高制造协同的效率。模块化的产品结构是组织专业化生产和社会化协作的基础。产品中的许多模块可以交由专业厂生产，在专业厂中，模块成为系列化的商品，实现了批量生产，大大降低了成本，许多整机厂增加了外购和外协模块的数量，减少了自行设计和制造的工作量，从而缩短了产品制造周期，降低了产品的成本。如波音公司的主要工作是整机的组装和新品种的开发，而将非核心的作业扩散给1600家零部件企业，大大缩短了产品的交货周期和新产品的开发周期。

2）提高企业制造和管理的效率。在模块化技术基础上容易采用成组技术，形成较大成组批量，提高制造和管理的效率。例如，单元制造系统、独立制造岛等制造模式都是建立在产品模块化基础上的。模块化技术使相似模块集中在一起加工，将加工该类模块的设备和人员集中在单元中，完成模块加工所需要的工艺设计、数控编程、生产调度、各种相关工种的加工，既满足人的高层次需求，如对工作全流程的自主掌控、有较多的学习机会等，提高了人的积极性，又简化了管理。企业可以利用各种模块化的零部件，根据客户的不同需求组合成不同的产品。对于客户来说，得到的是符合特定需求的“新产品”；而对于制造厂来说，则是利用成熟技术和模块制造的“成熟产品”，只是组合方式和构成要素不同而已。

3）提高制造信息化的效率。模块化技术使制造信息系统得以简化，而信息技术使模块化技术的作用得到充分发挥。例如，计算机辅助工艺设计系统可以采用变型设计方法，充分利用以往的工艺设计模板和知识。

（3）低碳环保的需求

1）满足绿色产品的快速开发要求。按模块化设计开发的产品结构是由便于装配、易于拆卸和维护、有利于回收及重用的模块单元组成的，从而明显简化了产品结构，并能快速组合成客户和市场需求的产品。

2）便于拆卸回收和维护更换。模块化设计可将产品中对环境或对人体有害的部分、使用寿命相近的部分等集成在同一模块，便于拆卸回收和维护更换等。同时，由于产品由相对独立的模块组成，便于维修，必要时可更换模块，而不致影响生产。模块化产品互换性强，便于拆装、维修和搬运。通用模块易于从整机中拆卸和组装，维修可以模块为单位进行，从而大大改善了维修条件，简化了维修工作，加快了维修速度，提高了维修质量。模块化后零部件数量显著减少，因而可显著降低维修配件库存，减少大量资源消耗和能耗。

3）减少零部件数量，简化产品结构。按照传统的观点，整机由部件组成，部件由组件构成，组件由零件构成，因而要生产一种产品，就得制造大量的专用零件。而按模块化的观点，产品由模块构成，模块是构成产品的单元，从而减少了零部件数量，简化了产品结构。模块化产品中的模块可以形成较大批量，有确定的工艺流程和工艺装备，生产效率高，制造周期短。零部件数量过多会导致或加剧企业的很多问题，如管理混乱、成本过高等。产品模块化设计可以大幅度减少零部件以及工艺过程、工艺装备的种类，充分考虑零部件以及工艺过程、工艺装备的可重用性。减少了零部件数量能够明显减少资源和能源的消耗。

4）提高产品可重用性和可重构性。模块化设计可以根据绿色设计的不同目标要求来进行。如在模块化设计时，若以可重用性为主，则需要考虑两个主要因素：期望的零部件寿命及其重用性能。当考虑零部件寿命时，可将长寿命的零部件集成在相同模块中，以便产品维护和回收后的重用；当考虑可重用性（回收价值与回收成本之比）时，应将具有相同重用性的零部件集成在同一模块中。模块化产品能够很好地满足建立“环境友好型、资源节约型社会”的要求。模块化使得产品具有可重构性，当产品不再使用时，其中的许多模块还可以组成新的产品继续使用。这意味着减少了新产品中新模块的使用量，减少了零部件的制造量，降低了制造过程中的能耗和物耗，减少了污染。

5）解决客户需求个性化与环境友好的矛盾。客户需求个性化和多样化是当前工业化的必然趋势。根据批量—成本法则，这必然会带来更多的能耗和资源消耗，对环境产生更多的不良影响。模块化设计和制造有可能在以较低的成本和较快的速度满足客户需求多样化和个性化需求的同时节约资源和能源，减少污染，实现环境友好。基于模块化技术开发的新产品，具有高度的结构合理性，可以以较低的成本和交货期适应未来不同客户的多样化和个性化需求，使产品具有较强的市场竞争力。在满足产品多样化需求的同时，模块化技术有效地统一、简化和限制了零部件的品种和规格，有效地减少了产品的内部多样化。模块化产品是按模块来组织生产的，可以形成一定的批量，有确定的工艺流程和工艺装备，生产效率高，制造周期短。模块化使得企业能够控制日益增加的产品和过程的复杂性，使设计人员、管理人员和使用者都获得了很大的灵活性。标准模块是一种技术比较先进、结构比较合理的通用部件，在作为标准模块之前，一般均经过试用和实践验证，并反复修改优化，因而标准模块的质量比较高，具有较高的可靠性。重复应用标准模块，便于总结经验、优化设计、提高质量。这意味着显著减少废品、延长产品的寿命，在帮助企业节省成本的同时，实现产品的环境友好。

6）支持绿色设计中的企业集成。当前，多企业协作的重要性越来越明显。例如产品模块的协同设计和制造的参与企业越多，模块的通用性往往就越好，能耗越少。产品模块化有助于设计师快速找到环境化零部件和相应的环境化制造企业，并快速确定最环境化的产品设计方案。

7）支持绿色设计的整体优化。相比传统的设计和制造，绿色设计增加了环境友好优化目标和约束，并且所优化的空间和时间范围大大拓宽，需要从产品全生命周期进行环境友好的整体优化。产品生命周期的某个局部环境友好不一定等于产品全生命周期的环境友好，还需要将相似的不同产品集成进行环境友好的整体优化，如产品模块化。

图3.12描述了基于模块化的智能设计的意义。

3．基于模块化的智能设计的发展趋势

产品模块化智能设计的发展趋势主要是：大范围跨企业的产品模块化、从原理到结构的产品模块化、并行的产品模块化、基于Web 2.0的协同产品模块化、基于维基和掘客模式的零件本体自组织建设与维护、基于零件库的产品智能设计。

（1）大范围跨企业的产品模块化

互联网的发展使得产品模块化的范围在迅速扩张，如零件库的快速发展。这使得产品模块化范围从企业内向跨企业方向发展。产品模块化所考虑的产品种类越多，所得到的标准件和通用件的数量就越多，标准件和通用件的批量就越大，成本就越低，所消耗的资源和能源就越少。

大范围跨企业的产品模块化的特点和需求主要是：

1）自发性。要有“多赢”的机制，使企业乐于发布自己的产品模块资源，并乐于不断更新自己所提供的产品模块资源。通过产品模块资源整合模式，贡献产品模块资源的企业能够从中获利。

2）自组织性。要有技术的支持，能让产品模块资源在使用中不断有序化，而不是成为无序资源的堆砌。

3）自助性。要有信息技术的支持，让企业或个人能方便地将产品模块资源整合在一起，能让用户自助服务，这样可以显著降低产品模块资源发布和利用的成本，提高响应速度，满足多用户同时个性化服务的需求。

4）正反馈性。模块资源多了，价值大了，产品模块资源使用者就越来越乐于使用产品模块资源，人数也越来越多；使用人多了，产品模块资源更值钱了，产品模块资源发布者就越来越乐于发布产品模块资源，发布者的人数也就越来越多。两者互动，形成良性正反馈发展态势。

5）集成性。产品模块资源整合中最大的问题是发布者和使用者习惯用自己的描述体系（如名称、定义、结构等），结果使产品模块资源的搜索难度加大，重用性降低。本体技术可以帮助解决这方面的问题，但本体的应用也需要一种自组织、自优化、正反馈的发展模式。

6）广域性。整合的模块资源范围越广，内容越多，模块资源的利用效率也就越高。

（2）从原理到结构的产品模块化

产品模块化最初只是从产品结构优化入手，追求降低成本，促进产品大批量定制。随着产品模块化向纵深方向发展，将产品功能原理、技术方案和结构优化的全面模块化结合起来，可以全面支持产品创新、产品大批量定制和绿色设计：设计人员在产品概念设计阶段，就可以充分利用已有的产品功能原理、技术方案和结构等方面的模块化信息及知识，提高产品创新、产品大批量定制和绿色设计能力。

（3）并行的产品模块化

传统的产品模块化是串行进行的，产品开发结束后再进行产品模块化。未来越来越多的产品模块化工作将与产品开发工作并行进行，这将带来如下好处：

1）支持复杂产品的协同开发。不同企业共同参与复杂产品的开发，如果能够尽可能早地将产品模块化，定义好接口，各协作企业分头开发各自负责的模块，无疑会提高产品开发的效率。

2）充分利用现有的通用模块。在产品开发阶段尽可能利用通用模块可以提高新产品的模块化率，降低成本，缩短交货期，提高产品开发质量。

3）使产品模块化的潜力得到充分发挥。在产品开发阶段就考虑模块化问题，可以充分挖掘产品模块化的潜力，使产品性能优化。

（4）基于Web 2.0的协同产品模块化

产品模块化是当今机械制造业的发展方向之一，企业协同化也是当今制造业的发展方向之一。产品模块化能够有效支持企业协同化，通过不同专业化企业生产的模块，整机厂能够快速配置出用户需要的个性化产品。这种产品具有成本低、交货期短、质量稳定等特点。

如何对来自不同企业的产品进行整合，确定被各企业认可的通用的产品模块，并快速形成相关标准，是产品模块化的关键。

传统的方法是将生产某类相似产品的企业标准化人员召集在一起，进行该类产品模块标准的制定。这种方法花费成本高，所需要的周期长。

互联网技术，特别是Web 2.0技术的发展使得企业可以在互联网环境中方便地开展产品模块化工作。

1）任何在基于互联网的模块化产品平台中注册的产品生产企业都可以在平台中发布模块化的信息，如某类产品模块的标准阶段稿、结构文件及相关文档等，以征求其他企业的意见。

2）其他生产相似产品的企业以及使用该类产品的企业可以对该模块的标准阶段稿进行评论、修改，甚至提出自己的标准阶段稿、结构文件及相关文档等。

3）在经过一段时间的征求意见后，进入投票阶段。各企业对不同版本的产品模块的标准阶段稿、结构文件及相关文档进行网络投票，并根据得票数，进行各种版本的排队。

4）得票数多的产品模块的标准阶段稿作为正式的标准阶段稿，并发布和听取大家的意见，进行修改完善。其他企业可以对标准阶段稿中各条款和产品模块中的各种属性特征项进行评论和修改，提出自己的意见。

5）在经过一段时间的征求意见后，再次进入投票阶段。各企业以及使用该类产品的企业对产品模块的标准阶段稿中各个条款、结构文件及相关文档各种属性特征项的不同评论和意见进行网络投票，并根据票数，吸收最能反映大家意愿的评论和意见，形成产品模块的标准、结构文件及相关文档。

6）在该类产品模块的使用过程中，企业可以及时将使用中出现的问题通过基于互联网的模块化产品平台进行反馈和发布，并得到大家的评价。在此基础上，形成该类产品模块的标准、结构文件及相关文档的修改稿。经过一定的时间，组织重新投票，形成该类产品模块的新标准、结构文件及相关文档，使该类产品模块与时俱进，适应市场和企业环境的变化。

未来，当零部件库中的信息非常丰富时，就会出现这种情况：通过各种模块的组合，很容易获得新的产品。更多的情况是：在一些老产品中，采用模块化的零部件降低成本。总之，让分散的、大量的中小企业通过互联网协同进行产品模块化信息的发布、评论、修改、投票和应用，可以快速地、大范围地实现产品模块化，并且不断进行产品模块的优化。

（5）基于维基和掘客模式的零件本体自组织建设与维护

维基是一种支持多人协作的写作工具，它提供“共同创作”的环境，赋予用户相当大的编辑修改权，允许任何人创建新网页，编辑自己或他人已经创建的网页。维基技术的以下特性保证了其可应用于零件本体的协同共建：

1）相关性。维基网站一般都有一个统一的关注主题，维基站点的内容必须与主题有高度的相关性。

2）权威性。维基网站具有信息的完整性和充分性的特点，从而使其具有权威性。

3）协作性。通过许多有共同志向的人的协作，完成主题的共建。

同一个站点下的零件本体编撰者构成了一个社群，维基系统能够为该社群提供简单的交流工具。社群中任何一个人都可以根据需要修改或添加新的条目。每一个条目对应了零件本体中的一个零件族。为避免恶意修改或删除网页，所有维基都有“版本控制”的概念，用于帮助使用者找回之前的正确版本。为了避免由于零件名称不统一而造成零件本体概念的冗余，建议编撰者在编写新的条目前，利用零件核心词对词典进行搜索，选择符合该零件定义的条目，并添加新的零件名称作为同义词。在本体构建过程中，领域专家和知识工程师可以借助维基平台各自发挥特长进行合作来创建形式化的本体，而大众可为本体知识的获取、知识管理及知识服务提供语义级的支持，为最终实现本体知识的集成、共享和重用提供保证，如图3.13所示。

随着零件本体库在使用中不断增长，不经过优化处理的零件本体库中难免存在大量的冗余信息，为此，需要采用以下的优化方法进行处理：

1）冗余本体信息的优化方法。去掉重复的、不相关的信息，将长期无人问津的信息放入“非常用本体库”。除非特别请求，否则在一般设计中不使用“非常用本体库”。同时，应该能够建立本体信息目录，将搜索到的本体信息自动分配到正确的目录下，以保证本体信息的搜索和匹配效果。

2）基于掘客技术的零件本体优化的自组织机制。利用掘客模式，可以对零件本体进行评价和过滤，将使用次数多、评价度高的零件本体推荐给用户，如图3.14所示。

（6）基于零件库的产品智能设计

当人们设计新产品的时候，会发现新产品所需要的零件在网络零件库中都可以找到，此时设计工作会变得很轻松。网络零件库不仅提供了组成新产品所需要的零件，还告诉设计者，这些零件用在哪些相似的产品中，被做过什么样的仿真分析和试验，在使用中的表现如何。所有这些信息，可以帮助设计者减少大量的试验分析工作，提高设计的质量。

基于零件库的智能设计的特征是：

1）更透彻的感知。知道擅长制造某类零部件供应商；知道他们的水平、价格、交货情况和信誉；知道他们制造的零部件曾用于哪些产品；知道这些零部件的性能和制造过程中的碳排放数据；可以方便找到这些零部件的三维模型，以便用于产品设计；知道供应商的信息；零部件供应商也清楚地知道整机企业的需求。

2）更全面的互联互通。快速搜索零件、组合产品，进行仿真测试；让用户参与产品仿真测试，参与设计自己喜欢的个性化产品；客户需求信息迅速分解给各供应商，反馈回报价和交货期信息；订单需求信息迅速分解给各供应商，组织协同制造；企业获知供应商的生产计划，并可实时监督；对供应商的生产过程和零部件质量可远程监控。

3）更深入的智能化。自动搜索所需要的零件组合产品；自动集成和综合供应商的报价，给出产品的报价和交货期；自动监督供应商的供货情况，对可能的延误提出预警；对协同制造中的问题快速提出解决预案；设计和制造出低碳化的产品。

（四）基于网络的开放式智能设计

1．开放式设计概述

大脑的工作则更像是一家挤满了人的餐馆，看上去人们都在无秩序地四处走动，但不管怎样，最终，店员们还是上齐了菜，食客们还是享用完了美餐。一般情况下，计算机是按顺序处理各种信息的，而大脑则是多管齐下、多渠道地同步处理各种信息（桑德拉·阿莫特，王声宏，2009）。

基于网络的开放式设计依靠广大员工协同进行开发设计。

开放式设计的特点是（顾新建等，2010）：

（1）设计的大众化。大家都可以方便地参与到设计过程中来，可以为产品设计贡献自己微薄的力量。

（2）设计的协同化。通过协同设计平台，使协同设计变得非常方便。不同学科的人可以在这里找到合作伙伴，使自己的设计成果与他人的设计成果有机集成。冷门专业人才也可以在这里找到用武之地。

（3）设计知识价值的最大化。一些人身怀绝技无处施展，正好在开放式设计平台中大展身手；一些人千辛万苦掌握一技之长，往往用过一次，就束之高阁，在开放式设计平台中则可持续创造价值。

2．创新2.0

创新2.0，即面向知识社会的下一代创新，它的应用可以让人了解目前由于信息通信技术（ICT）发展给社会带来深刻变革而引发的科技创新模式的改变——从专业科技人员实验室研发出科技创新成果后用户被动使用，到技术创新成果的最终用户直接或通过共同创新平台参与技术创新成果的研发和推广应用全过程。

创新2.0强调公众的参与，倡导利用各种技术手段，让知识和创新共享和扩散。如果说创新1.0是以生产为导向、以技术为出发点，创新2.0则是以人为本、以服务为导向、以应用和价值实现为核心。创新2.0的典型案例还包括开放源代码、自由软件以及麻省理工学院提出的微观装配实验室（Fab Lab）等。

创新2.0的特点主要是：

（1）全员创新文化，创意来源多。由于创新理念的更新，创新文化融入企业的每个阶层，创新不再被认为是企业高层和研发机构的事情，全员都可以激发创意，大到一项价值链创新的策划，小到一个办公环境改善的点子，都会获得广泛的关注。每个员工都能随时随地提出好的创意并和他人分享，都能快速评价他人的创意，每个好的创意都会获得其他人的赞赏和认同。企业内的创意如泉涌般汇聚而来。同时创意可以来自企业外部的供应商和客户。从整体上看，新模式的创意来源多，数量大。

（2）创意管理规范化，成功概率高。每个创意从产生到发展，到被评估，到最终确定，到产出效益，其完整生命周期的每个阶段都有恰当的管理工具进行管理。创意落地为企业效益的成功概率高于传统模式。

（3）高效协作，落地周期短。一个创意从产生到被认可的阶段，由于恰当层次与恰当规模的人员参与而变得决策效率更高；而从被认可到最后产出效益的阶段，又由于规范严格的项目管理和协作流程，使得整体执行周期缩短，最终的结果是创新到落地的周期变短，创新速度大为加快。

（4）知识支撑强。与知识管理工具结合能让创新行为更加有效。借助知识管理手段，可以将每个创新行为作为案例登记到组织的知识库中，每个创新者都可以方便地在他人已有成果的基础上进行创新，从而一方面有效避免重复发明轮子的事件，另一方面也成功地将个人创新行为转化为团队协作创新，并最终沉淀为组织的知识资产。

创新2.0更加关注创新的前端，期望以最少的投资获得最大量的创意，从而开阔创新的来源，并实现无边界的员工、伙伴和客户协作，同时可以创造自动化的内部创意孵化环境，还因获得前期客户反馈而增加成功机会。

3．基于网络的开放式设计的自组织发展机制

基于网络的开放式设计所遇到的最大问题是如何吸引大家参与，如何保护大家参与的积极性。因为人们习惯于将产品设计看作是领导布置的工作，被动地按任务书去进行设计，并且人们担心自己的设计成果被他人窃取、自己的工作是在为他人作嫁衣裳。所以基于网络的开放式设计也需要一套自组织发展机制，其特点是：

（1）设计过程的透明化。整个设计过程及评价过程高度透明，一方面防止投机取巧的现象出现，另一方面，对设计人员的评价更加公允。

（2）开放式设计的持续化。设计成果在开放式设计平台中容易得到承认和保护，得到有效的激励，使人们积极地、主动地去参与设计。这还需要完善、激发科技人员积极性、创造性的机制，包括建立以科研能力和科研成果为导向的科技人才评价标准，加快创新文化的建设。

（3）开放式设计的智能化。创新网络凝聚大量的支持创新的知识，并形成高度有序的知识网络，智能地支持企业员工的创新。

4．基于供应链协同的智能设计及制造

当前，越来越多的企业将大量的设计和制造任务外包，面临以下的挑战：

（1）供应链管理涉及的企业多，协调难。需要一种智能的优化协调方法。

（2）零件库中的零部件数量“爆炸”，利用效率低。需要一种智能的方法促进零部件的有序化。

（3）供需企业多，各自使用的概念和名称往往差别较大，导致供需双方匹配难。需要有一种解决信息异构的智能方法。

基于供应链协同的智能设计及制造的目标是：利用新一代信息技术，建立信息集成平台，促进企业间的信息流畅通，支持制造资源的优化配置、供需双方的快速匹配和网络化协同设计制造，提高产品设计和制造的效率，支持制造业提供高效率、高精度、环境友好型和能源节约型的装备和产品。

基于供应链协同的智能设计及制造的目标是：

（1）制造和设计信息透明化。知道擅长设计和制造某类零部件供应商，了解他们的水平、价格、交货情况和信誉，以及所设计和制造的零部件的性能及制造过程中的碳排放数据；对供应商的生产过程、零部件质量和环境影响情况可远程监控。

（2）制造企业协同化。订单需求信息迅速分解给各供应商，组织协同设计和制造，通过分工专业化和协同化，提高制造效率和效益，并可实时监督供应商的生产计划的执行情况；对产品制造过程中的方法、不同企业的制造过程、供应链的零部件的组合过程进行全面优化；充分利用已有的零件和制造能力，降低协同制造的成本，降低产品的造价，缩短交货期，提高质量，快速响应市场的需要。

（3）制造过程智能化。快速搜索零件库中零件，组合所需要的产品，进行仿真测试；自动集成和综合供应商的报价，给出产品的报价和交货期；对制造过程中的协同问题和环境影响问题快速提出解决预案；对企业外部和内部的变化快速反应，以最合适的方式进行应对，使制造过程保持稳定或适应这种变化。

（五）基于网络的用户协同智能设计

1．传统的产品设计模式（戴凌燕，陈劲，2003）

产品设计实质上是技术和市场的有效结合，因此，理解用户需求，确认市场趋势对产品设计是不可或缺的。许多企业花费了大量精力去收集用户的需求信息，有的企业还开展了领先用户研究，让领先用户与技术人员接触并直接进入原型构建过程，力求缩短产品概念形成和发展的时间。

但通常说来，这样的产品设计是比较困难的。因为“需求”信息（用户的要求）依附在用户身上，而“解决方案（如何满足需求）”则由企业掌握。在传统的产品设计过程中，产品设计的责任由企业承担，于是企业就不得不绞尽脑汁去收集用户的需求信息。由于今天的用户需求复杂而多变，而且不同的用户需求往往还不一样，所以这个过程的成本就相当高，而且需要大量的时间。另一方面，用户往往也不太清楚自己的需求是什么，即使明白自己想要的是什么，他们往往也不能将之清晰地、完整地传递给企业，只有体验了产品原型后才清楚什么适合自己，什么不适合。

显然，传统的产品设计是一个持久的过程，在企业和用户之间不断往复。首先企业根据收集到的不完全的需求信息开发出产品原型，然后交由用户试用，用户发现缺陷并反馈给企业，企业再据之进行修改。这个过程将一直循环下去，直到出现一个满意的解决方案为止（见图3.15）。

2．用户协同设计的背景

用户协同设计模式是给予用户一定的工具，让他们设计和开发属于自己的产品，从细微的修改到重大的创新，都可以由用户自己完成。企业通常将这些工具集成到一个工具包中，即用户协同设计工具，其中有的用户协同设计工具还设置了计算机模拟和快速构造原型的功能，使得产品创新更加迅速，成本更加低廉。在用户创新中，产品创新、开发和消费完全由用户完成。无论个人还是企业，任何一个用户实体，都可以脱离企业而创造出自己真正想要的东西。

用户协同设计模式的背景是：

（1）今天少数领先用户的协同设计成果也许明天就会成为大众需求。特别是当领先用户有条件进行协同设计，并有可能将他们的协同设计成果推广时，这种情况更可能发生。

（2）能更好地满足用户细致复杂的个性化需求。由于企业不可能像用户自己那么清楚需求，而且即使了解了用户需求，企业也未必有足够的动力去一一满足这些需求，除非用户的需求达到一定规模，否则企业不会为之进行产品创新。所以在某些产品和服务开发过程中，由用户自行设计（至少承担部分的产品设计任务）是相当适合的。

（3）用户可以在自己的地方设计产品，所以整个设计过程大大加快。

（4）如果用户遵循了用户协同设计工具的规则（而且如果所有的技术缺陷都已经解决），他们的设计可以一次成功，大大节省了与企业的交易成本。

（5）用户协同设计过去一直作为一种自发的现象存在，只是现在企业为了开发出更能满足用户需求的产品，需要有意识地利用和发展用户协同设计，并且技术的发展也能更好地支持用户协同设计。

图3.16描述了用户协同设计模式。

3．用户创新模式与传统产品创新模式的区别

表3.5对用户协同设计模式与传统的产品设计模式进行了比较。

4．用户协同智能设计工具

用户协同智能设计工具应具备以下特性：

1）智能支持用户完成一系列的设计循环，并使用户能迅速了解设计的结果，可进行反复的试验。

2）用户界面友好，采用用户熟悉的设计语言。

3）提供各种已通过测试的模块和部件，以免所有部件都得用户自己构造，使用户将精力投入真正的协同设计中去。

4）提供有关所设计产品的可制造性和可装配性的知识，保证用户的设计从生产角度上看是可行的。

5）提供有关所设计产品的成本和交货期的信息，使用户得到自己设计的产品的制造信息。

用户协同设计工具技术的发展以及功能的完善使得越来越多的用户愿意自行开发产品。当然，用户协同设计工具不可能满足用户的所有需求。因为，不是任何设计方案都是可以由用户协同设计工具生成的，而且它设计出的产品在技术上往往不如在传统方法下由经验丰富的工程师开发的产品。所以在用户自行设计（要求详细理解用户需求的产品，或更新非常快的产品）的潮流中，企业会继续用传统方法开发某些产品（尤其是技术需求比较复杂的产品）。

5．在线产品配置器

在线产品配置器是一种最简单的用户协同设计工具，是一种互动的基于Web的系统，用户可以利用它设计自己需要的产品和服务，在产品特点、组合、价格和发送等菜单中进行选择。用户的选择结果送交给供应商的制造系统，进一步启动采购、组装和发送过程。

在线产品配置器可以被看作是一种专家系统，包括产品特征选项和相应规则等知识。企业中有关产品设计的专家知识都被映射在软件系统中的逻辑控制和数据库中，并通过友好的人机界面容易获得。在数据库里存放所有产品模块的最新信息，并可随时更换，帮助供销人员和/或用户配置出用户所需要的产品。

随着用户对定制产品要求的交货期越来越短，而激烈的市场竞争使产品的价格越来越低，采用产品配置器进行产品快速配置设计，可以充分利用现有资源，尽可能满足用户的需求。

在线产品配置器在很大程度上帮助用户方便快捷地获得自己所真正想要的产品，同时也帮助企业快速地、低成本地制造和装配出用户所需要的产品。表3.6是对不同行业产品配置器的比较。

6．用户协同设计工具智能化发展方向

智能化是用户协同设计工具的发展方向，具体有：

（1）虚拟协同设计环境。虚拟协同设计环境使用户能够将产品与所对应的环境集成进行设计，提前了解产品的使用效果。如家具、家装等的设计需要与用户所居住的环境相联系，这时需要提供包括家具、家装等在内的住房空间的虚拟环境。又如，服装需要与用户的体型、外貌等相匹配，这时需要提供可定制的虚拟模特。

（2）个性化的虚拟产品模型展示。用户通过建立网上的个性化的虚拟产品模型，对产品的形状和物理特征有全面的了解，可以充分表达自己的需求，最终获得自己真正需要的产品。例如，个性化的服饰、汽车、电梯等。

（3）产品快速智能配置。对企业和用户而言，个性化产品最好是通过标准模块配置得到，一方面方便用户配置自己所需要的产品，另一方面企业通过标准模块的配置，降低产品成本，增加产品销量。产品快速智能配置不仅需要提供丰富的产品模块，还要建立产品模块组合的规则库，提供产品模块配置成产品后的效果展示平台。

（4）产品快速智能变型。产品快速智能变型能够在产品基型的基础上快速满足用户的个性化需求。例如，用户选中某款服装，但发现在某些方面需要进行尺寸的变化。用户只要输入自己的身材尺寸，甚至只要提供自己的不同角度的照片，产品快速智能变型技术就可以为用户提供合身的服装。类似地，用户选中某款鞋子，但希望企业提供合脚的鞋子，用户只要提供自己双脚在A4纸上的不同角度的照片，就可以得到合脚的鞋子。