楊 琨，李文強(qiáng)，李 彥，熊 艷

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

產(chǎn)品創(chuàng)新是企業(yè)得以生存和持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在動力［1］，而網(wǎng)絡(luò)平臺作為整合產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)資源的工具，已經(jīng)成為計算機(jī)支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的重要手段。如何將網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計環(huán)境下支持產(chǎn)品設(shè)計的海量服務(wù)資源，更有效、智能地進(jìn)行組織并實現(xiàn)與設(shè)計任務(wù)的合理匹配，成為計算機(jī)輔助設(shè)計的研究熱點［2］。

網(wǎng)絡(luò)平臺作為一種集成廣泛意義上的各類設(shè)計資源的載體，可為設(shè)計者提供一個設(shè)計方法、知識等服務(wù)資源共享、管理和協(xié)商的操作平臺，以推動產(chǎn)品自主創(chuàng)新，提高產(chǎn)品設(shè)計的競爭力。國內(nèi)外學(xué)者在基于Web的產(chǎn)品輔助設(shè)計平臺方面已經(jīng)開展了大量的理論研 究，如Brunkhorst［3］、Ras［4］、周丹晨［5］等提出針對網(wǎng)絡(luò)的分布知識庫及企業(yè)知識信息、集成共享和查詢優(yōu)化方法，從設(shè)計知識信息管理的角度構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；鎮(zhèn)璐［6］、潘善亮［7］分別從網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下面向發(fā)明問題解決理論（Theory of Invention Problem Solving，TRIZ）和產(chǎn)品設(shè)計子流程管理的角度進(jìn)行研究，分析產(chǎn)品創(chuàng)新平臺中產(chǎn)品設(shè)計方法和流程對設(shè)計者的激勵；更多的研究者從產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計的各類角度，如云服務(wù)［8］、業(yè)務(wù)鏈［9］、業(yè)務(wù)規(guī)則［10］等提出網(wǎng)絡(luò)化協(xié)作產(chǎn)品開發(fā)的資源集成服務(wù)機(jī)制，以覆蓋產(chǎn)品設(shè)計過程中的關(guān)鍵業(yè)務(wù)，對設(shè)計資源和過程進(jìn)行協(xié)同管理。

在實際網(wǎng)站搭建方面也有許多案例，現(xiàn)在已有的設(shè)計類網(wǎng)站大體分3類：①知識共享類，如中國科技資源共享網(wǎng)（sipo.gov.cn）、專利搜索引擎（soopat.com）等，主要側(cè)重原理性或行業(yè)內(nèi)知識的共享，為用戶提供目錄索引和檢索功能；②網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，如美國加州大學(xué)伯克利分校建立了世界上第一個基于萬維網(wǎng)（World Wide Web，WWW）的產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)［11］等，為用戶在線產(chǎn)品設(shè)計提供支持；③軟件推廣類，如CREAX、億維訊等，作為軟件公司的門戶網(wǎng)站，展示軟件案例和咨詢服務(wù)，同時提供簡化版在線軟件使用并整合一定數(shù)量的設(shè)計知識資源。

上述研究為輔助設(shè)計者進(jìn)行概念設(shè)計、搭建網(wǎng)絡(luò)平臺提供了思路，但是因為不同學(xué)者從不同需求出發(fā)，平臺所提供的設(shè)計服務(wù)往往針對特定領(lǐng)域，沒有從產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計完整流程所需資源的角度考慮，所以已有研究并不完全適用于支持產(chǎn)品概念設(shè)計的激勵，加上設(shè)計需求的動態(tài)多變經(jīng)常引起設(shè)計業(yè)務(wù)的邏輯重構(gòu)，需要設(shè)計服務(wù)具有更加敏捷的調(diào)整能力，以完成設(shè)計任務(wù)的實現(xiàn)，這些特點決定了支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺需要一個跨平臺的、擴(kuò)展性好的、組織靈活的框架，在動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)按需集成的流程構(gòu)建方式，支持設(shè)計者進(jìn)行設(shè)計服務(wù)的編排，以便為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計活動提供更多激勵。同時，已有設(shè)計類平臺普遍忽略了設(shè)計者——“人”是設(shè)計的主體這一事實，不利于很好地激發(fā)設(shè)計者的認(rèn)知思維和創(chuàng)造力，也無法最大程度地發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)新能力。因此本文基于設(shè)計者在創(chuàng)新設(shè)計過程中的內(nèi)在認(rèn)知機(jī)理，提出一種基于面向服務(wù)架構(gòu)（Service of Architecture，SOA）的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)認(rèn)知組合模型，根據(jù)設(shè)計過程中對策略服務(wù)的邏輯依賴和對知識服務(wù)的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，兩類服務(wù)交互規(guī)劃、合理組織并構(gòu)成完整的產(chǎn)品概念設(shè)計流程，最終實現(xiàn)對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的輔助和激勵。最終利用語義化描述和同構(gòu)化等計算機(jī)手段，實現(xiàn)面向服務(wù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)平臺體系架構(gòu)。

1 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)分析

1.1 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)組織需求

在復(fù)雜產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計過程中，影響創(chuàng)造力的因素包括知識、思維模式、設(shè)計方法和計算機(jī)支持工具等［12］，因此創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)平臺所提供的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計環(huán)境應(yīng)該綜合考慮產(chǎn)品設(shè)計階段以上所需的廣義設(shè)計資源，并在充分考慮設(shè)計者設(shè)計認(rèn)知激勵內(nèi)在機(jī)理的情況下，形成一種規(guī)范化的服務(wù)引導(dǎo)機(jī)制，從而輔助設(shè)計人員高效調(diào)用各類設(shè)計資源形式化后的服務(wù)，形成適應(yīng)設(shè)計需求的完整設(shè)計流程，最終有效處理跨領(lǐng)域的各類設(shè)計任務(wù)。因此，平臺開發(fā)的重點在于實現(xiàn)一種有效地發(fā)布與發(fā)現(xiàn)各類設(shè)計資源的機(jī)制，并利用結(jié)合認(rèn)知激勵機(jī)理的服務(wù)組合模型對這些服務(wù)進(jìn)行組織，從而為平臺具體開發(fā)設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計方案提供服務(wù)支持。

通過以上對平臺服務(wù)組織的需求分析，并考慮滿足作為服務(wù)請求者的設(shè)計者，根據(jù)設(shè)計需求對設(shè)計服務(wù)進(jìn)行篩選匹配，本文將采用業(yè)界認(rèn)可的一種系統(tǒng)集成框架——SOA，利用其松耦合、高彈性、易擴(kuò)展的特點，有學(xué)完成基于認(rèn)知激勵機(jī)理的網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)計服務(wù)組織，實現(xiàn)服務(wù)的無縫集成，從而滿足業(yè)務(wù)邏輯要求，最終產(chǎn)生適合的設(shè)計流程，解決傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜且靈活性差、無法適應(yīng)動態(tài)多變的設(shè)計需求及設(shè)計過程中流程需適時變化等問題，完成對整個概念設(shè)計過程的支持。

1.2 創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)類型

計算機(jī)輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計必須具有三個基本條件［13］：①有合適的創(chuàng)新設(shè)計方法論；②有一個足夠大的信息空間，以充分獲取適用的知識和激勵創(chuàng)新靈感；③有一個符合創(chuàng)新設(shè)計思維方法的輔助設(shè)計系統(tǒng)。因此，作為基于SOA 創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)模型的最基本的組成元素——服務(wù)，應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)以上創(chuàng)新設(shè)計知識維、創(chuàng)新設(shè)計策略維、計算機(jī)輔助工具維三個維度的構(gòu)建，得到兩類設(shè)計服務(wù)（知識服務(wù)和策略服務(wù)）及兩類服務(wù)間的映射關(guān)系（如圖1）。

（1）策略服務(wù)域 策略服務(wù)由創(chuàng)新設(shè)計策略維和計算機(jī)輔助工具維組合而成。根據(jù)認(rèn)知心理學(xué)對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的分析［14］，創(chuàng)新設(shè)計過程就是一個設(shè)定特定目標(biāo)、找到實現(xiàn)該目標(biāo)的解決策略的過程。而且設(shè)計問題的種類多種多樣，需要根據(jù)設(shè)計問題類型的不同對各類設(shè)計策略進(jìn)行分組，以更有針對性地為各類設(shè)計問題提供設(shè)計策略求解方法（面向問題、面向產(chǎn)品、面向目的、面向載體）［13］，通過語義擴(kuò)展、本體建模等計算機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)將方法策略的語義、能力、執(zhí)行過程等封裝成策略服務(wù)，為設(shè)計過程中的服務(wù)調(diào)配做好準(zhǔn)備。其中面向問題的策略用以解決設(shè)計過程中的沖突問題，面向產(chǎn)品的策略用以解決已有產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計，面向目的的策略用以解決全新產(chǎn)品或系統(tǒng)的設(shè)計問題，而面向載體的策略用以解決產(chǎn)品文化等非邏輯思維類的設(shè)計問題。創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)平臺根據(jù)四類設(shè)計構(gòu)建策略服務(wù)，保證每類設(shè)計問題至少包含一種設(shè)計策略加以實現(xiàn)。同時松散的平臺架構(gòu)能夠保證后續(xù)可繼續(xù)添加合適的策略服務(wù)。

（2）知識服務(wù)域 知識服務(wù)由創(chuàng)新設(shè)計知識維和計算機(jī)輔助工具維組合而成。產(chǎn)品設(shè)計知識具有形式多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、跨領(lǐng)域等特點，且在產(chǎn)品設(shè)計的不同階段，所需的知識類型及抽象層次不同，為了從海量的設(shè)計資源中提取設(shè)計所需知識，需要對知識進(jìn)行明確分類（原理性知識、綜合性知識、領(lǐng)域性知識）［15］，并利用 可擴(kuò)展 標(biāo)記語 言（eXtensible Markup Language，XML）、檢索技術(shù)、通信協(xié)議等計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)知識服務(wù)的封裝，實現(xiàn)設(shè)計過程中知識的同構(gòu)化表達(dá)、查詢檢索、服務(wù)間通信傳遞等功能。其中由原理性知識（設(shè)計原理知識、發(fā)明原理知識等）對產(chǎn)品設(shè)計的方法策略類知識（過程建模、需求分析、公理設(shè)計、TRIZ等）進(jìn)行支持，綜合性知識（功能知識、效應(yīng)知識、結(jié)構(gòu)知識等）通過不同抽象層次的知識對產(chǎn)品設(shè)計過程中的核心創(chuàng)新求解過程進(jìn)行支持，領(lǐng)域性知識（領(lǐng)域知識、專題知識等）通過各專業(yè)領(lǐng)域較為具體的事實類知識對設(shè)計方案的參考、驗證工作進(jìn)行支持。

（3）映射關(guān)系域 設(shè)計者在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程中，具體的設(shè)計行為表現(xiàn)為對策略服務(wù)的邏輯調(diào)用和對知識服務(wù)的條目操作，兩類服務(wù)內(nèi)在具有多對多的映射特性，當(dāng)用戶根據(jù)設(shè)計需求選擇適當(dāng)設(shè)計類型的策略服務(wù)時，根據(jù)設(shè)計策略與知識條目間一對多的映射關(guān)系確定適當(dāng)?shù)闹R服務(wù)，激發(fā)設(shè)計者產(chǎn)生較多設(shè)計方案；而知識條目與設(shè)計策略多對多映射特性可以支撐策略服務(wù)的實現(xiàn)，同時也可驗證策略服務(wù)是否選擇得當(dāng)。

2 具有認(rèn)知機(jī)理的創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)組合模型

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的一般過程分為設(shè)計需求分析、問題表征、概念設(shè)計、設(shè)計方案優(yōu)化及評價、方案生成等部分，針對各階段認(rèn)知特點的研究對激發(fā)設(shè)計者的認(rèn)知思維和創(chuàng)造力有至關(guān)重要的影響。Gero［16］、Wallas［17］等針對設(shè)計問題的求解過程及不同時期的認(rèn)知特點進(jìn)行分析并得到廣泛認(rèn)可，本文在此基礎(chǔ)上對創(chuàng)新設(shè)計過程進(jìn)行劃分，提出符合設(shè)計者創(chuàng)新設(shè)計創(chuàng)意方案生成的認(rèn)知習(xí)慣的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)認(rèn)知組合模型，如圖2所示。模型將產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程規(guī)劃為三個階段：準(zhǔn)備和醞釀期（preparation &incubation）的擴(kuò)充認(rèn)知通道、頓悟期（illumination）的認(rèn)知激勵通道以及確認(rèn)期（verification）的評價和輸出通道，各通道的銜接以設(shè)計方案生成過程作為主線，而設(shè)計過程中每一步的實現(xiàn)都需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計策略提供方法引導(dǎo)，相應(yīng)的知識數(shù)據(jù)提供材料支撐，這種設(shè)計步驟與策略間的邏輯關(guān)系、與知識間的數(shù)據(jù)關(guān)系，為之后產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程各階段服務(wù)的組織規(guī)則（邏輯依賴和數(shù)據(jù)依賴）提供依據(jù)，模型內(nèi)部各部分的關(guān)系建立有助于多個設(shè)計服務(wù)協(xié)調(diào)配合、共同完成設(shè)計方案的生成。

圖2中重點示意了概念設(shè)計過程中產(chǎn)生創(chuàng)意解的認(rèn)知激勵階段，以及各策略服務(wù)和知識服務(wù)對設(shè)計過程的支撐關(guān)系，然而實際設(shè)計過程中，設(shè)計過程的各認(rèn)知階段都需要相關(guān)策略服務(wù)和知識服務(wù)建立映射關(guān)系，以提供相應(yīng)的支撐，如多需求分析策略服務(wù)、質(zhì)量功能配置（Quality Function Deployment，QFD）知識服務(wù)等對擴(kuò)充認(rèn)知通道的支撐。

2.1 擴(kuò)充認(rèn)知階段服務(wù)組合

創(chuàng)新設(shè)計問題定義困難、表達(dá)模糊，缺乏明確的問題空間，沒有確定的解決路徑。通過認(rèn)知擴(kuò)充通道的認(rèn)知準(zhǔn)備工作，能夠?qū)⒃O(shè)計問題通過適合的問題表征，使其轉(zhuǎn)化為良好的設(shè)計需求和問題結(jié)構(gòu)，對創(chuàng)新設(shè)計的設(shè)計需求特征進(jìn)行明確，為下一步設(shè)計認(rèn)知激勵做好準(zhǔn)備。具體過程如下：①依據(jù)發(fā)散性的創(chuàng)造性思維特點，盡可能全面地收集設(shè)計需求及問題并進(jìn)行描述和分析，得到問題的初始狀態(tài)；②根據(jù)設(shè)計問題類型選擇適當(dāng)?shù)姆治霾呗苑?wù)，如QFD策略服務(wù)、系統(tǒng)建模策略服務(wù)等，對設(shè)計問題進(jìn)行表征；③利用需求分析策略服務(wù)關(guān)聯(lián)的知識服務(wù)，為設(shè)計者提供相關(guān)的設(shè)計知識，擴(kuò)大認(rèn)知通道中的有效信息，最終確定設(shè)計任務(wù)，實現(xiàn)認(rèn)知通道的擴(kuò)充。本階段依據(jù)不同設(shè)計問題的認(rèn)知特點，主要利用已有設(shè)計理論構(gòu)成的策略服務(wù)對設(shè)計問題進(jìn)行分析，知識服務(wù)起輔助設(shè)計任務(wù)確定的作用。

2.2 認(rèn)知激勵階段服務(wù)組合

針對認(rèn)知激勵通道中產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計最重要的階段——概念設(shè)計過程，利用課題組提出的三種認(rèn)知激勵方式（延展激勵、類比激勵、突變激勵）［18］對策略服務(wù)和知識服務(wù)進(jìn)行組織，利用服務(wù)間邏輯依賴和數(shù)據(jù)依賴兩類關(guān)系，具體實現(xiàn)眾多服務(wù)的選擇和銜接，生成一組服務(wù)有向序列SSa（KS1）?SSb（KS2?KS3?KS4）?…?SSm（KSn），使創(chuàng)新激勵設(shè)計流程由一組按規(guī)則連接的服務(wù)構(gòu)成，其中：SS為策略服務(wù)，KS為知識服務(wù)。邏輯依賴是指設(shè)計過程中對設(shè)計者完成某一類激勵時，根據(jù)各策略所能提供的業(yè)務(wù)邏輯能力來選擇適當(dāng)?shù)牟呗苑?wù)；數(shù)據(jù)依賴是指在執(zhí)行各策略具體操作的過程中選擇所需的知識服務(wù)，并將同構(gòu)化的知識條目數(shù)據(jù)在各服務(wù)間傳遞。具體操作時根據(jù)所需的創(chuàng)新層級確定認(rèn)知激勵方式后，利用邏輯依賴關(guān)系選擇策略服務(wù)，以滿足設(shè)計邏輯要求，當(dāng)存在多個策略服務(wù)滿足設(shè)計要求時，利用相關(guān)度計算進(jìn)行篩選；然后根據(jù)各策略服務(wù)對相關(guān)知識的依賴確定所需的知識服務(wù)，以滿足設(shè)計過程中方案的激勵和驗證，同時上一個服務(wù)的輸出為下一個服務(wù)的輸入，各服務(wù)按照業(yè)務(wù)邏輯和順序依次執(zhí)行，完成對設(shè)計者在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程中的激勵作用。

（1）延展激勵服務(wù)選擇

延展激勵方式主要適用于已有產(chǎn)品的再設(shè)計。選定系統(tǒng)建模中的一個組件，經(jīng)過策略服務(wù)中設(shè)計方法的引導(dǎo)，調(diào)用關(guān)聯(lián)知識服務(wù)中已有的方案資源，發(fā)現(xiàn)與該組件具有相似性的新實例，改變與其相連的一個或多個組件，從而將原有方案進(jìn)行延展，產(chǎn)生新的創(chuàng)意方案解。此時產(chǎn)生的方案與原有方案共用或相似的組件較多，相互差異不大，因此創(chuàng)新層次較低。適合延展激勵的策略服務(wù)主要推薦創(chuàng)造性模板法策略服務(wù)、基于設(shè)計的推理（Case-Based Design，CBD）策略服務(wù)等，根據(jù)映射關(guān)系調(diào)用結(jié)構(gòu)知識服務(wù)、領(lǐng)域知識服務(wù)等。

（2）類比激勵服務(wù)選擇

類比激勵方式主要適用于設(shè)計問題的解決和產(chǎn)品的全新設(shè)計。利用策略服務(wù)中封裝的方法作為設(shè)計操作步驟，利用類比思維的方法將相關(guān)知識服務(wù)中的設(shè)計知識作為組件類比原型，把能解決類似問題的解決方案作為操作原型，類比到關(guān)注的任務(wù)設(shè)計過程中進(jìn)行認(rèn)知激勵，以求解得到新方案。這種認(rèn)知激勵產(chǎn)生的創(chuàng)意解中的組件多為初次使用或全新組合，因此得到的設(shè)計方案與已有方案具有明顯差異，創(chuàng)新性較高。適合類比激勵的策略服務(wù)主要推薦功能—行為—狀態(tài)（Function-Behavior-Structure，F(xiàn)BS）策略服務(wù)、TRIZ 策略服務(wù)等，根據(jù)映射關(guān)系調(diào)用發(fā)明原理知識服務(wù)、效應(yīng)知識服務(wù)等。

（3）突變激勵服務(wù)選擇

突變激勵方式主要適用于非邏輯思維的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。突變激勵的刺激主要來自知識服務(wù)中使用頻率較高的知識信息的刺激，在策略服務(wù)方法的引導(dǎo)下，這些信息以外部變量的形式直接與設(shè)計單元中的相關(guān)組件發(fā)生強(qiáng)制聯(lián)想，新變量的導(dǎo)入使設(shè)計任務(wù)單元突變，產(chǎn)生新的組塊。因為突變激勵過程中多利用相關(guān)性低的激勵信息誘發(fā)設(shè)計方案突變，所以創(chuàng)新設(shè)計效果難以估計，但其產(chǎn)生的創(chuàng)意方案解往往是前所未有的，創(chuàng)新性非常高。為設(shè)計者推薦的突變激勵策略服務(wù)主要有頭腦風(fēng)暴策略服務(wù)、檢核表法策略服務(wù)等，根據(jù)映射關(guān)系調(diào)用功能知識服務(wù)、領(lǐng)域知識服務(wù)等。

2.3 方案輸出階段服務(wù)組合

整個創(chuàng)新設(shè)計方法中，每種激勵方式下組織的設(shè)計服務(wù)都可能產(chǎn)生不同的創(chuàng)意方案，但并不是所有創(chuàng)意方案都可作為設(shè)計輸出，需要對創(chuàng)意解進(jìn)行優(yōu)化和篩選：①利用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）策略服務(wù)得到各學(xué)科綜合考慮下的最優(yōu)解；②利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）策略服務(wù)等對這些創(chuàng)意方案的功能滿足度、實現(xiàn)可能性、企業(yè)承受度、市場效應(yīng)等指標(biāo)進(jìn)行綜合評判；③將符合要求的創(chuàng)意方案作為設(shè)計方案輸出，如果創(chuàng)意方案不能滿足設(shè)計要求則回到起始狀態(tài)，進(jìn)入新一輪的需求分析、問題表征、設(shè)計認(rèn)知激勵的過程。

3 面向服務(wù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計平臺體系架構(gòu)

基于SOA 的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)組合架構(gòu)如圖3所示，創(chuàng)新設(shè)計過程中所需的各類資源以服務(wù)的形式提供給設(shè)計者，一切服務(wù)組織活動圍繞產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程展開，并通過服務(wù)提供的策略語義標(biāo)注和知識同構(gòu)化來實現(xiàn)，主要分為知識資源層、策略服務(wù)層、服務(wù)組合層、設(shè)計流程層和平臺模塊層。

（1）知識資源層

知識資源層是由各類產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程中所需的發(fā)明原理知識、功能知識、效應(yīng)知識、結(jié)構(gòu)知識和多學(xué)科優(yōu)化知識等構(gòu)成的一個知識信息空間，該層為上層知識服務(wù)提供信息源。知識資源層主要為各類異構(gòu)設(shè)計知識資源的發(fā)布提供存儲空間，并根據(jù)對設(shè)計知識的分類對多源知識進(jìn)行管理，將響應(yīng)用戶的設(shè)計需求推送至相應(yīng)的知識服務(wù)，輔助設(shè)計人員完成設(shè)計任務(wù)。知識資源層中的設(shè)計知識以原始狀態(tài)保存，盡可能保留知識資源的最完整信息；根據(jù)知識資源的實際設(shè)計業(yè)務(wù)支持情況，封裝與相應(yīng)策略的映射關(guān)系，實現(xiàn)設(shè)計策略和設(shè)計知識的交互關(guān)系，最終為整個設(shè)計流程中的知識資源推送做準(zhǔn)備。

（2）策略服務(wù)層

策略服務(wù)層是為實現(xiàn)設(shè)計策略方法的可操作性而設(shè)計的。該層根據(jù)對設(shè)計過程中創(chuàng)新設(shè)計策略的業(yè)務(wù)處理方式和映射銜接關(guān)系進(jìn)行分析，通過語義標(biāo)注和邏輯關(guān)系綁定的方式把策略封裝成不同粒度的策略服務(wù)組件，建立可被計算機(jī)理解的銜接關(guān)系，從而為下一步自動邏輯篩選策略服務(wù)并構(gòu)成設(shè)計流程做準(zhǔn)備。服務(wù)提供者后續(xù)可以通過本層操作將策略方法封裝成自描述、平臺無關(guān)的策略服務(wù)，以方便設(shè)計服務(wù)平臺策略服務(wù)的發(fā)布與更新。

（3）服務(wù)組合層

各類設(shè)計服務(wù)的最終目的是為了被匹配和調(diào)用，以為服務(wù)使用者的設(shè)計人員提供業(yè)務(wù)支持。在服務(wù)組合層，按照具體的設(shè)計業(yè)務(wù)和產(chǎn)品激勵類型對策略服務(wù)和知識服務(wù)兩類服務(wù)進(jìn)行編排，小粒度服務(wù)根據(jù)邏輯依賴和數(shù)據(jù)依賴兩類關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的組合操作，加上兩種服務(wù)之間存在的交互映射關(guān)系，使雙方的服務(wù)組合選擇相互影響。策略服務(wù)根據(jù)策略服務(wù)層中各服務(wù)的語義標(biāo)注和語義擴(kuò)充等屬性進(jìn)行匹配，完成各策略服務(wù)對相應(yīng)的認(rèn)知激勵類型和設(shè)計任務(wù)的支持；根據(jù)知識服務(wù)中各類知識資源與相應(yīng)設(shè)計策略存在的映射關(guān)系，達(dá)到按規(guī)則組織知識服務(wù)的目的，通過知識服務(wù)中的異構(gòu)知識映射規(guī)則，將各類原始知識資源轉(zhuǎn)化為XML 類型，并根據(jù)各類知識間的彼此映射關(guān)系形成關(guān)系型的知識數(shù)據(jù)模式。

（4）設(shè)計流程層

設(shè)計流程層完成產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程的實現(xiàn)，該流程作為基于SOA 的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)認(rèn)知組合模型中的關(guān)鍵元素，是推動平臺各類服務(wù)組合的根本依據(jù)。根據(jù)設(shè)計流程將設(shè)計平臺中散亂的設(shè)計服務(wù)有邏輯地組織起來，部署的各類服務(wù)通過不同的組合方式實現(xiàn)新的設(shè)計功能，結(jié)合用戶的實際設(shè)計需求靈活快速地調(diào)整各服務(wù)的組合方式，完成平臺對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的激勵功能。策略服務(wù)和知識服務(wù)最終組織配合進(jìn)行邏輯聯(lián)結(jié)，完成對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程的支持，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計流程中具體設(shè)計類型的要求，將產(chǎn)品創(chuàng)新平臺中各個獨立的服務(wù)進(jìn)行串、并聯(lián)，有針對性地提供給相應(yīng)的用戶，更加合理、高效地支持創(chuàng)新設(shè)計活動。

（5）平臺模塊層

平臺模塊層是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)平臺功能的具體表現(xiàn)，直接與用戶操作相接觸，通過不同的視圖將產(chǎn)品設(shè)計過程和業(yè)務(wù)執(zhí)行情況展現(xiàn)給不同的用戶，激勵和支持設(shè)計者的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計活動，并實時反映產(chǎn)品創(chuàng)新的設(shè)計進(jìn)度。本層最終由各粒度的服務(wù)構(gòu)成并進(jìn)行相關(guān)的邏輯分組，以用戶的交互為驅(qū)動，動態(tài)調(diào)整服務(wù)組合，以完成各模塊的功能實現(xiàn)。該層中的幾大功能模塊作為課題組已有產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)平臺（Creap.cn）的子模塊進(jìn)行系統(tǒng)實現(xiàn)，采用瀏覽器／服務(wù)器（Browser／Server，B／S）結(jié)構(gòu)與用戶進(jìn)行交互，同時使服務(wù)提供者和服務(wù)使用者能夠進(jìn)行服務(wù)的發(fā)布、修改或者查詢等，以方便平臺服務(wù)的不斷升級。

4 關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)

4.1 策略服務(wù)語義化實現(xiàn)及映射關(guān)系的建立

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程中所使用的策略服務(wù)需要經(jīng)過發(fā)布、查詢、發(fā)現(xiàn)與組合的過程，各類創(chuàng)新策略轉(zhuǎn)化成可被查詢、調(diào)用的策略服務(wù)，此過程由服務(wù)提供者完成。傳統(tǒng)的服務(wù)匹配過程往往通過關(guān)鍵字對服務(wù)進(jìn)行名稱匹配，得到的并不是最符合用戶需求的服務(wù)，為消除策略與用戶間的語義分歧，本文對設(shè)計策略進(jìn)行了語義描述擴(kuò)充，重點增加了策略服務(wù)能力的語義描述，并抽取其所具有的認(rèn)知激勵能力信息對策略的概念理解達(dá)成共識，建立人機(jī)之間、機(jī)器與機(jī)器之間互相理解和操作的語義基礎(chǔ)。

具體操作由服務(wù)提供者利用Web服務(wù)描述語言（Web Service Description Language，WSDL）文件和相關(guān)語義標(biāo)注工具，建立各服務(wù)間的映射關(guān)系，并將服務(wù)的可執(zhí)行文件部署到平臺相應(yīng)的執(zhí)行環(huán)境中，完成設(shè)計策略向策略服務(wù)轉(zhuǎn)換的過程，最終達(dá)到不同粒度規(guī)模的策略服務(wù)進(jìn)行語義化描述和管理的目的，建立可被計算機(jī)理解的銜接關(guān)系。本文將策略服務(wù)形式化地表示為

式中：

SO 通過WSDL定義策略服務(wù)中的具體操作合集及操作的具體實現(xiàn)方法，以實現(xiàn)設(shè)計策略提供的功能；

A 為策略服務(wù)設(shè)計能力語義Web服務(wù)本體語義描述（Web Ontology Language for Service，OWL-S），利用Protégé軟件對服務(wù)SS所能提供的設(shè)計支持進(jìn)行語義標(biāo)注和本體關(guān)系建立（如圖4），定義為三元組A=（serviceProfile，serviceModel，serviceGrounding），其中：serviceProfile表示策略服務(wù)“做了什么”、“能解決什么問題”等，serviceModel表示服務(wù)推薦的激勵類型，標(biāo)注與延展激勵、類比激勵和突變激勵的相關(guān)匹配度，serviceGrounding 描述如何訪問和執(zhí)行服務(wù)；

Fs-k是該策略服務(wù)執(zhí)行過程中，根據(jù)數(shù)據(jù)依賴關(guān)系所確定與所需知識服務(wù)間映射關(guān)系的合集；

Rss是該策略服務(wù)有較好邏輯連接關(guān)系的其他策略服務(wù)之間的映射關(guān)系，本映射關(guān)系用于用戶選擇策略服務(wù)時的參考。

產(chǎn)品概念設(shè)計階段，通常設(shè)計者對設(shè)計問題只是一個模糊的認(rèn)識，無法明確地選擇并組織所需的策略服務(wù)，因此需要一種有效的策略組織和優(yōu)選機(jī)制進(jìn)行輔助。作為服務(wù)請求者的用戶，通過對產(chǎn)品創(chuàng)新層級進(jìn)行確定，并對所需滿足的設(shè)計要求進(jìn)行語義描述，利用邏輯依賴關(guān)系確定的映射關(guān)系選擇符合設(shè)計要求的策略服務(wù)，同時利用彼此間的邏輯關(guān)系進(jìn)行服務(wù)銜接，完成策略服務(wù)的組織。本質(zhì)上，邏輯依賴關(guān)系就是設(shè)計目標(biāo)描述與策略服務(wù)設(shè)計能力描述之間的相關(guān)（relativity）程度，當(dāng)各設(shè)計階段有多個策略服務(wù)具有類似業(yè)務(wù)能力時，相關(guān)度越大此服務(wù)越能滿足用戶的設(shè)計需求。本文采用向量空間模型（Vector Space Model，VSM）的計算方法來度量設(shè)計目標(biāo)描述向量Q與策略服務(wù)設(shè)計能力描述向量A之間的相關(guān)度Sim（Q，A），從而對策略進(jìn)行優(yōu)選。設(shè)計目標(biāo)描述和服務(wù)能力描述都是基于Web本體語言（Web Ontology Language，OWL）并按一定邏輯組合的概念集，因此向量的內(nèi)容為概念集中特征詞的權(quán)重，向量間的余弦值越趨近1，策略服務(wù)越滿足要求。如果得到的相關(guān)度Sim值低于用戶設(shè)定的閾值，則修改設(shè)計目標(biāo)的語義描述，重新檢索策略服務(wù)；如果多次修改仍無法滿足要求，則可通過手工直接選擇自己希望使用的策略服務(wù)。

4.2 知識服務(wù)同構(gòu)化實現(xiàn)及映射關(guān)系的建立

在創(chuàng)新設(shè)計過程中，對設(shè)計方案起激勵作用并為各類策略服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐的是種類繁多的知識資源，但因為來源、側(cè)重點不同等因素，導(dǎo)致多源異構(gòu)的設(shè)計知識不利于各服務(wù)間數(shù)據(jù)的銜接和傳遞，所以將知識資源的表達(dá)形式進(jìn)行同構(gòu)化，并建立各服務(wù)之間的邏輯關(guān)系，從知識服務(wù)功能上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)接口和邏輯接口的集成。數(shù)據(jù)接口面向各種異構(gòu)的原始知識，其目的是將知識中的數(shù)據(jù)提取出來轉(zhuǎn)換成操作所需的形式；邏輯接口面向其他已發(fā)布的各類服務(wù)，其目的是實現(xiàn)設(shè)計流程中服務(wù)的組織和配合。

多源異構(gòu)知識資源基于XML 映射規(guī)則完成同構(gòu)化，將數(shù)據(jù)間的關(guān)系和屬性描述為上層服務(wù)可以理解的形式，供設(shè)計流程共享和重用，在同構(gòu)化的過程中同時定義各知識服務(wù)之間的映射關(guān)系，為服務(wù)的組織做好準(zhǔn)備。因此知識服務(wù)有別于一般知識庫的特點：①知識服務(wù)都封裝了同構(gòu)的知識信息訪問；②知識服務(wù)封裝了與已同構(gòu)的知識服務(wù)和已部署策略服務(wù)間的訪問過程規(guī)則，實現(xiàn)兩類服務(wù)間的交互；③知識服務(wù)可以根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯形成過程編碼規(guī)則。因此用一個四元組對知識服務(wù)進(jìn)行定義：

其中：D 為各類原始知識資源，以知識條目、圖紙、網(wǎng)頁信息等異構(gòu)信息的狀態(tài)存儲，是所有知識信息的總和；X 為異構(gòu)資源進(jìn)行同構(gòu)化邏輯表達(dá)的映射規(guī)則，將知識信息的邏輯表達(dá)形式同構(gòu)化，為不同的服務(wù)提供統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)源D′，以效應(yīng)知識服務(wù)為例，De′=X（De）｛Ce，De，Sef，Ses｝，Ce為效應(yīng)標(biāo)題，De為效應(yīng)描述，大致描述為〈效應(yīng)描述De〉｛效應(yīng)內(nèi)容、效應(yīng)附圖、應(yīng)用條件、計算公式、參考信息、相關(guān)知識｝，Sef為該效應(yīng)能實現(xiàn)的功能標(biāo)識集合，Ses為實現(xiàn)該效應(yīng)的結(jié)構(gòu)標(biāo)識集合；Fk-s為該知識服務(wù)能夠較好地提供數(shù)據(jù)支持的策略服務(wù)的映射關(guān)系合集，逆向輔助策略服務(wù)的選擇；Rkk 是具有配合關(guān)系的知識服務(wù)間的映射關(guān)系，多個知識服務(wù)共同輔助一項策略服務(wù)的完成。

知識資源經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)XML的統(tǒng)一表達(dá)方式并封裝建立多源異構(gòu)知識間的映射規(guī)則后，發(fā)布為知識服務(wù)。經(jīng)過同構(gòu)和屬性描述的知識服務(wù)被統(tǒng)一部署成關(guān)系型數(shù)據(jù)模式，能夠被其他服務(wù)彼此理解，并使平臺中的業(yè)務(wù)過程可以共享和重用。設(shè)計過程中涉及的知識數(shù)據(jù)歸屬于不同的知識服務(wù)，其生成、修改、維護(hù)和更新都由同一個服務(wù)完成，從而可以同時保證知識服務(wù)中數(shù)據(jù)的唯一性，消除數(shù)據(jù)冗余。

5 示例

根據(jù)上述體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法，本文利用B／S模式，使用Microsoft Visual Studio.Net＋SQL Server 2008為具體實現(xiàn)技術(shù)，采用ADO.Net實現(xiàn)在.Net平臺下的數(shù)據(jù)庫訪問，在Windows平臺上，將產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)認(rèn)知組合模型作為課題組已有產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)平臺（creap.cn）的一個子模塊進(jìn)行系統(tǒng)實現(xiàn)。下面以意式咖啡機(jī)的改良設(shè)計案例為例，說明策略服務(wù)和知識服務(wù)是如何被部署并基于認(rèn)知機(jī)理進(jìn)行組合，以支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程的實現(xiàn)，如圖5所示。

在擴(kuò)充認(rèn)知通道，首先對意式咖啡機(jī)進(jìn)行需求分析和問題表征，因為此次設(shè)計是針對這類市場上較成熟的咖啡機(jī)進(jìn)行改良式創(chuàng)新設(shè)計，所以人為選擇了需求分析策略服務(wù)SS分析和問題表征策略服務(wù)SS表征來完成設(shè)計前期認(rèn)知的擴(kuò)充，并根據(jù)數(shù)據(jù)依賴關(guān)系映射得到5W2H 知識服務(wù)KS5W2H和系統(tǒng)建模知識服務(wù)KS建模，以提供相關(guān)的知識和數(shù)據(jù)支持，形成服務(wù)序列SS分析（KS5W2H）?SS表征（KS建模）。通過SS分析服務(wù)組件對現(xiàn)有的意式咖啡機(jī)存在操控復(fù)雜、功能單一、價格昂貴等缺點進(jìn)行分析，確定對咖啡機(jī)的已有功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵的改良設(shè)計目的（如圖5中①）；通過SS表征服務(wù)組件對咖啡機(jī)的工作原理進(jìn)行分析，并利用系統(tǒng)建模方法對設(shè)計問題進(jìn)行表征（如圖5中②）。意式咖啡機(jī)作為最能保留咖啡品質(zhì)的一類咖啡機(jī)，利用20Pa的壓力迫使90 ℃左右的熱水穿過幼細(xì)的咖啡粉，汲取咖啡粉中的咖啡脂等芳香物質(zhì)，并與熱水達(dá)到充分溶合后流入杯中，完成一杯意大利特濃咖啡，整個過程是一個物理化學(xué)變化的綜合過程，圖5中②表示了根據(jù)咖啡機(jī)的工作過程關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零件，推理確定本次設(shè)計活動中需要改進(jìn)的產(chǎn)品功能，并進(jìn)行功能建模以方便后續(xù)設(shè)計操作的進(jìn)行。

在認(rèn)知激勵通道，根據(jù)上一步確定的改良性設(shè)計目標(biāo)的創(chuàng)新層級，系統(tǒng)推薦類比激勵（如圖5 中③）作為創(chuàng)新認(rèn)知激勵手段，但根據(jù)邏輯依賴關(guān)系映射得到支持類比激勵的策略服務(wù)有TRIZ 策略服務(wù)、FBS策略服務(wù)等多類服務(wù)組件，因此系統(tǒng)根據(jù)擴(kuò)充認(rèn)知通道中所需設(shè)計的目的語義描述，與各類滿足業(yè)務(wù)要求的策略服務(wù)部署時Protégé工具建立的OWL-S描述文檔（如圖5中④）進(jìn)行VSM 相關(guān)度計算，優(yōu)選最能對功能、原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整分析的FBS策略服務(wù)SSFBS作為激勵工具，輔助產(chǎn)品進(jìn)行概念設(shè)計。根據(jù)FBS策略服務(wù)組件中封裝的知識服務(wù)調(diào)用數(shù)據(jù)依賴映射關(guān)系（如圖5中⑤）和策略操作步驟（如圖5 中⑥），完成對功能知識服務(wù)KS功能、效應(yīng)知識服務(wù)KS效應(yīng)和結(jié)構(gòu)知識服務(wù)KS結(jié)構(gòu)的調(diào)用，形成服務(wù)序列SSFBS（KS功能?KS效應(yīng)?KS結(jié)構(gòu)）。將知識資源中的已有方案類比到FBS的映射過程中，實現(xiàn)創(chuàng)新解的產(chǎn)生。

在示例中調(diào)用的知識服務(wù)是根據(jù)各原始知識資源（知識條目、專利和圖紙信息等）的結(jié)構(gòu)特點，通過映射規(guī)則Map將這些多源異構(gòu)的知識信息轉(zhuǎn)化成XML格式的知識數(shù)據(jù)（如圖5中⑦），完成各服務(wù)的調(diào)用和傳遞。通過類比知識服務(wù)所提供的已有案例，得到實現(xiàn)加熱功能的熱電效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)，并篩選得到基于熱電效應(yīng)的隔離式鍋爐結(jié)構(gòu)和基于帕爾貼效應(yīng)的冷熱兩用鍋爐結(jié)構(gòu)。

最后進(jìn)入方案評價輸出通道，根據(jù)邏輯依賴關(guān)系映射得到方案優(yōu)化策略服務(wù)SS優(yōu)化和方案評價策略服務(wù)SS評價，完成創(chuàng)意解的優(yōu)化和評價，最終得到設(shè)計方案，同時根據(jù)數(shù)據(jù)依賴映射關(guān)系得到MDO知識服務(wù)KSMDO和AHP知識服務(wù)KSAHP，為策略提供相關(guān)知識和數(shù)據(jù)支撐，形成服務(wù)序列SS優(yōu)化（KSMDO）?SS評價（KSAHP）。MDO 策略服務(wù)組件對方案中的各學(xué)科耦合關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，然后根據(jù)功能滿足度、實現(xiàn)可能性、企業(yè)承受度等指標(biāo)，對方案進(jìn)行AHP層次分析，隔離式鍋爐可防止溫度過高灼傷咖啡而影響口感，同時方便清潔和消毒，而基于帕爾貼效應(yīng)的加熱方式已成功應(yīng)用于半導(dǎo)體加熱與制冷，可用于咖啡煮制后的冰鎮(zhèn)，豐富產(chǎn)品功能。最后將這兩個創(chuàng)意解作為設(shè)計方案予以輸出。

意式咖啡機(jī)的整個創(chuàng)新設(shè)計過程依據(jù)邏輯依賴和數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，篩選并組織得到了一組服務(wù)有向序列SS分析（KS5W2H）?SS表征（KS建模）?SSFBS（KS功能?KS效應(yīng)?KS結(jié)構(gòu)）?SS優(yōu)化（KSMDO）?SS評價（KSAHP），對各設(shè)計過程不同的認(rèn)知特點提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)操作和知識數(shù)據(jù)支撐，最終獲得基于帕爾貼效應(yīng)和熱電效應(yīng)的冷熱兩用鍋爐、隔離式鍋爐兩類結(jié)構(gòu)方案，較好地實現(xiàn)了咖啡冰鎮(zhèn)、咖啡機(jī)清洗和消毒功能。

6 結(jié)束語

本文提出一種SOA 的創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)認(rèn)知組合模型，立足于“人”這一設(shè)計主體，結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計過程不同階段的創(chuàng)新認(rèn)知激勵特點，提出符合設(shè)計者創(chuàng)新設(shè)計認(rèn)知習(xí)慣的服務(wù)組合方式對設(shè)計服務(wù)和知識服務(wù)進(jìn)行組織，以最大限度地激勵設(shè)計者產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計方案，為創(chuàng)新設(shè)計過程中的策略使用、知識調(diào)用和系統(tǒng)集成探索了一種開放的、隨需應(yīng)變的組織模式。最后圍繞產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)組合架構(gòu)，建立了策略服務(wù)對設(shè)計策略的語義化描述方式和知識服務(wù)對知識資源的同構(gòu)化表達(dá)手段，為實現(xiàn)平臺服務(wù)的良好部署提供了解決方案，并利用創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)平臺中添加的服務(wù)組合子模塊實現(xiàn)對咖啡機(jī)的創(chuàng)新激勵再設(shè)計，證明了本方法的可行性和有效性。

本模型的提出基于單個設(shè)計者的設(shè)計認(rèn)知過程，暫未考慮實際設(shè)計中設(shè)計者之間的協(xié)同和交流，同時模型還需要向更復(fù)雜的實際創(chuàng)新認(rèn)知模式的方向推進(jìn)，以求更貼近設(shè)計者真實的創(chuàng)新設(shè)計過程。創(chuàng)新設(shè)計服務(wù)組合模型的有效實現(xiàn)，離不開設(shè)計策略間更合理的配合關(guān)系和海量多樣知識資源的合理表達(dá)，以及如何更有效地建立服務(wù)化后設(shè)計資源間的推理機(jī)制。下一步需要深入研究的重點是數(shù)學(xué)模型嚴(yán)密的表達(dá)形式和優(yōu)良的溝通品質(zhì)、對設(shè)計服務(wù)認(rèn)知組合過程進(jìn)行表示，以及對進(jìn)一步組織模型的計算機(jī)轉(zhuǎn)化提供指導(dǎo)。

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