设计思考过程知识循环迭代归并方法与流程

本发明提出了一种设计思考过程知识循环迭代归并方法。涉及计算机应用技术领域和、涉及设计思考过程知识建模方法。

背景技术：

细粒度设计思考过程模型是本文开展研究的基础，模型由设计意图(Design Intent)、设计选项(Design Option)、设计决策(Design Decision)、设计依据(Design Justification)和设计操作(Design Operation)五种元素组成，同时定义五种元素之间的关联关系。如图1以ATM机纸币处理机构的设计思考过程模型为例说明细粒度设计思考过程模型的知识结构及元素关系。该例子中总的设计意图是ATM机纸币处理机构，为实现这个设计意图，设计者通过分解关系(decomposed-into)将其分为四个子意图，例如分离纸币。然后设计者为实现“分离纸币”意图，通过满足关系(achieved-by)提出三个设计选项，如摩擦、真空吸附和旋转离心。每一个设计选项的设计依据由依据关系(refer-to)连接。设计者根据设计标准(结构简单、成本低和不易损坏纸币)做出设计决策(选择真空吸气机构)。设计选项与设计决策之间通过决策关系(decided-by)连接。接着该设计决策由“草图”操作执行(实现关系：realized-by)。最后设计操作通过触发关系(initiate)提出新的设计意图，如真空纸币分离机构。

设计思考过程模型由不同的设计认知要素，如设计意图、设计选项以及对其进行选择的依据和得出的决策的标准组成。在设计过程中，由于新知识的获取、设计要求的变更、设计者知识、经验及偏好的不同以及设计情境的改变，不可避免会出现设计意图、选项和决策的变更，存在设计活动的不断反复、评价与迭代。细粒度设计思考过程模型以顺序发生的设计情节来详细地描述整个设计思考过程。因此，设计思考过程模型中会包含大量高相似度的重复设计情节，这会对设计思考过程知识的表达、组织和应用产生严重影响。首先，大量重复的设计情节的堆砌不能显性化地表达设计反复、迭代等过程，无法清晰反映设计认知演进等设计活动的本质特征，并且使设计思考过程模型结构更加庞杂、混乱，影响知识查询的有效性及效率。其次，重复设计情节的记录会产生大量的冗余信息，增加知识组织、管理的难度。

以下面的设计思考过程表达图例(如图2)来说明：在ATM纸币处理机构设计过程中，围绕设计意图eI1“传动方案设计选择”实现的设计思考过程图8所示。在比较给出各种传动类型的选项后，设计者做出决策D2“带圆柱齿轮传动”，然而进行电动机选择和传动装置总传动比确定和分配，但在后续的设计过程中发现D2的传动比确定和分配中不满足设计要求或不是最佳的决策，因此，设计者会重新思考需要实现的意图，添加新的设计选项O11“二级圆柱齿轮传动”，做出新的决策D6“二级圆柱齿轮传动方案”。由新的决策D6又进行电动 机选择和传动装置总传动比确定和分配工作。图2中方框中表达的内容则是设计思考过程模型关于“确定齿轮传动方案”和后续设计过程的重复记录。

对设计过程的顺序记录引起细粒度设计思考过程模型中相同设计认知要素及关系的大量重复，不但产生大量的冗余信息，还难以清晰呈现设计的反复和迭代过程。细粒度设计思考过程模型以一个个连续的设计情节来表达整个设计过程，对设计问题的认识变化、设计方案的更改、反复评价与验证等活动都是由大量高相似度的设计情节顺序表达，无法清晰设计活动的动态演进过程。因此，需要开展设计迭代和演进过程信息提取，并归纳总结细粒度设计思考过程模型中设计活动情节的设计迭代类型，定义新的设计思考过程元素和关系，构建设计思考过程演进模型，显性表达设计活动中的设计迭代与演进信息，实现设计思考过程模型对设计认知过程的准确刻画。

技术实现要素：

基于现有建模方法存在的问题：对设计过程的顺序记录引起细粒度设计思考过程模型中相同设计认知要素及关系的大量重复，不但产生大量的冗余信息，还难以清晰呈现设计的反复和迭代过程。本发明提供了一种设计思考过程知识循环迭代归并方法。

本发明具体步骤为：

步骤1：构建设计思考过程演进模型，包括明确设计思考过程中设计迭代的表现形式和设计演进模型知识结构。

步骤2：提出基于设计脉络的设计思考过程迭代归并方法，包括给出设计脉络的定义、采用基于向量空间模型的TF-IDF方法进行词语相似度匹配和设计思考过程迭代归并范式。

本发明提供了一种显性表达设计活动中的设计迭代与演进信息，实现设计思考过程模型对设计认知过程的准确刻画的设计思考过程知识建模方法，通过对隐性知识的再处理，进一步提高知识的效用和服务效率，有助于促进设计过程知识的积累、共享与重用，为指导相关工具开发研究提供理论指导，为提高设计者的创新能力提供有力支持。并且，本发明从理论上和机理上丰富和突破设计过程知识的获取方法，对拓展设计过程知识研究、深化产品知识管理和知识工程应用具有重要的价值。

附图说明

图1是设计思考过程模型元素关系

图2是重复设计过程的顺序描述

图3是设计思考过程片段

图4是设计脉络1

图5是设计脉络2

图6是模型重构(完全重复迭代)

图7是模型重构(设计意图添加)

图8是模型重构(设计意图变更)

图9是模型重构(设计选项添加)

图10是模型重构(设计选项变更)

图11是模型重构(设计决策变更)。

图12是设计思考过程反复迭代归并示例。

图中标号、代号说明如下：

decomposed-into为分解关系，achieved-by为满足关系，refer-to为依据关系，decided-by为决策关系，initiate为触发关系，Rework-Loop为重复循环，Intent-Redefinition-Loop为意图重定义循环，Option-Stimulation-Loop为选项刺激循环，Decision-Reuse-Loop为决策重用循环，Evolve-to为版本变更关系。

I为设计意图，sI为子意图，eI为元意图，O为设计选项集合，Op为设计操作集合，

“I+数字”为设计思考过程模型中的设计意图节点，“sI+数字”为设计思考过程模型中的子意图节点，“eI+数字”为设计思考过程模型中的元意图节点，“O+数字”为设计思考过程模型中的设计选项节点，“O+数字”为设计思考过程模型中的设计选项节点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例来说明本发明的技术方案。

本发明主要遵循设计思考过程知识建模方法必须与设计活动本质规律一致，能够准确刻画设计活动中的设计认知过程。其核心思想是分析设计思考过程模型与设计迭代关系，归纳和凝练演进模型的知识结构，通过基于设计脉络的设计思考过程迭代归并方法和设计思考过程迭代归并典型范式，实现对设计思考过程演进模型的构建。下面对实现步骤进行说明。

步骤1：构建设计思考过程演进模型。

步骤1.1：分析设计迭代过程的主要表现形式。

细粒度设计思考过程模型以顺序发生的设计情节来详细地描述整个设计思考过程。在设计过程中，由于新知识的获取、设计要求的变更、设计者知识、经验及偏好的不同以及设计情境的改变，不可避免会出现设计意图、选项和决策的变更，发生设计活动的不断反复、评价与迭代。设计活动中的反复和迭代等演进过程在设计思考过程模型中主要表现在以下几个方面。

(1)设计意图的添加、更改和删除

设计意图的添加是指在后续的设计过程中，需要为前面已完整实现的或实现过程中的设计意图补充新的兄弟意图或子意图，并继续实现的过程；设计意图的更改是指在对前面已完整实现或实现过程中的设计意图进行更改并重新实现的过程；设计意图的删除是指当设计过程中不再需要考虑某些设计意图时，则删除该设计意图及其包含的子意图。

(2)设计选项的添加、更改和删除

设计选项的添加是指在后续设计过程中，设计者认为原有的设计选项不能很好地实现设计意图或者影响后续的设计过程，提出新的设计选项；设计选项的更改是指在后续设计过程中，设计者认为原有的设计选项不能很好地实现设计意图或者影响后续的设计过程，对原有的设计选项做出修改；设计选项的删除是指在后续设计过程中认为前面提出的设计选项不能符合设计要求或其它原因而不予考虑。

(3)设计决策的更改

设计决策的更改主要是指设计意图更改、设计选项添加及更改、以及在后续设计过程中各种因素变更需要对已有的设计决策做出改变。

步骤1.2：确定设计思考过程演进模型知识结构。

按照设计迭代的内容，可以将设计迭代分为两大主要类型：设计任务迭代和认知活动迭代。设计任务迭代是在设计项目中的重复设计任务，设计任务重复产生是由于设计不能满足设计约束和标准，或者设计迭代过程产生新的信息导致设计任务反复，这种迭代活动在团队设计项目中体现更加明显。而设计认知活动迭代则更多体现在一个正在执行设计任务的设计师的头脑中设计思维跳转。

为了清晰呈现设计反复和迭代活动中蕴含的设计思考演进信息，进一步揭示设计思考过程的本质及动态演进迭代规律，在细粒度设计思考过程模型知识表达的基础上，增加对设计思考过程中设计迭代关系的表达，从而确定设计思考过程演进模型的知识结构。设计思考过程演进模型中新增的元素关系分别是重复循环(Rework-Loop)、意图重定义循环(Intent-Redefinition-Loop)、选项刺激循环(Option-Stimulation-Loop)、决策重用循环(Decision-Reuse-Loop)和版本变更关系(Evolve-to)以及新的要素属性。具体内容如下：

(1)重复循环Rework-Loop

定义1：最小长度设计思考过程片段：设计思考过程模型中任一元意图与对其所做的决策或操作之间包含的所有认知元素节点及其交互关系称为一个最小长度设计思考过程片段。

重复循环表示设计过程中最小长度设计思考过程片段完全的重复迭代过程，其表现形式遵守由设计意图节点或设计决策/设计操作节点迭代到另一个设计意图节点或设计决策/设计操作节点的同类迭代，或者由设计决策节点迭代到设计决策/设计操作节点的规则，即Rework-Loop<intent,intent>，Rework-Loop<Decision,Decision>、Rework-Loop<operation,operation>和Rework-Loop<decision/operation,intent>。

(2)意图重定义循环Intent-Redefinition-Loop

意图重定义循环表示设计过程中设计意图的变更引起的设计迭代过程，其表现形式遵守由设计操作或者设计决策节点迭代到一个设计意图节点的规则，即Intent-Redefinition-Loop<decision/operation,intent>。

(3)选项刺激循环Option-Stimulation-Loop

选项刺激循环表示设计过程中设计选项的变更引起的设计迭代过程。其表现形式遵守由设计操作或者设计决策节点迭代到一个设计意图节点的规则，即Option-Stimulation-Loop<decision/operation,intent>。

(4)决策重用循环Decision-Reuse-Loop

决策重用循环表示设计过程中设计决策更改引起的设计迭代过程，其表现形式遵守由设计决策节点迭代到另一个设计决策节点的规则，即Decision-Reuse-Loop<decision,decision>。

(5)版本变更关系Evolve-to

版本变更关系表示设计过程中设计意图、选项及决策的演进过程，其表现形式遵守由设计思考过程节点迭代到另一个版本的设计思考过程节点规则，即Evolve-to<intent,intent>，Evolve-to<option,option>,Evolve-to<decision,decision>。

步骤2：基于设计脉络的设计思考过程迭代归并。

本步骤是设计思考过程知识循环迭代归并的核心步骤。在保证符合设计活动循环迭代本质的基础上，开展设计思考过程知识循环迭代识别，并按照设计脉络思想，根据提供设计思考过程迭代归并若干范式，将识别出来的循环迭代进行迭代归并，实现设计思考过程演进模型的构建。本步骤包括定义设计脉络的思想、设计思考过程模型节点相似度计算和定义设计思考过程迭代归并范式。

步骤2.1：设计脉络。

图2虚线框所标示的内容就是细粒度设计思考过程模型中的重复冗余信息，为了对冗余信息进行约简，并使设计反复、迭代的过程更加清晰地显现，本文提出设计脉络(design context)的概念。

Tang[5]等将设计脉络定义为一系列由单个设计者引起的设计活动，用于表达设计变量和其相联系的设计参数的子集。每个设计者都拥有自己的设计脉络，并在自己的设计脉络中对设计变量或设计参数以及相关的约束进行添加、修改等操作。虽然不同的设计者之间可能存在设计冲突，但设计脉络使得设计者暂时分开、只关注自己的设计过程，冲突的管理及解决由脉络管理器来处理。本文对设计思考过程模型设计脉络做出如下定义。

定义2设计脉络：设计思考过程模型中满足设计意图的一种设计方案所包含的设计思考过程要素的逻辑组合称为该设计意图的一个设计脉络。

在设计思考过程模型中，每一个设计思考过程要素都有其前向、后向逻辑关联的要素，这些要素组成与核心设计思考过程要素关联的设计逻辑。图3是一个设计思考过程片段，反映了设计意图I1的完整实现，其中包含两种逻辑关系，and和or。设计意图I1分为子意图sI11和元意图eI12，sI11与eI12之间是and关系，表明只有当sI11与eI12同时实现时，设计意图I1才能够完全实现。选项O1和O2之间的关系为or，表明二者任选其一就可以满足eI111的实现。因此，设计思考过程要素之间的不同依赖关系决定了设计思考过程模型中可以存在满 足设计意图的不同的设计思考过程要素的逻辑组合，即不同的设计脉络。

图4中虚线标示的设计思考过程要素逻辑组合表示了满足设计意图I1的一个设计脉络。当设计者考虑了其他的设计标准或做出不同的权衡做出了新的设计决策D2，选择了O2时，图5中虚线所示的设计思考过程要素逻辑组合形成了满足设计意图的另一个设计脉络。

因此，在设计过程中，当设计者需要更改设计意图、设计选项或设计决策时，可以直接在设计思考过程模型中相关节点增加一个新的设计脉络，在该设计脉络中进行设计，而不需要删除以前的设计过程。因此，设计脉络允许设计者并行地探索新的设计方案，并使得设计思考过程模型能够显性表达完整的设计思考过程信息。

步骤2.2：设计思考过程模型节点相似度计算。

在对设计思考过程模型进行不同粒度层次的柔性构建之前，需要对设计思考过程模型元素节点的描述内容进行相似度计算，便于后续处理过程进行分析和处理。设计思考过程实例中同一个设计者对设计反复、迭代过程中相同元素的节点描述一般来说相似度很高，很少出现使用完全不同的词形容同一内容，故无须对节点及进行语义分析扩展或句法处理。为此，本文在进行设计思考过迭代归并操作中，关于设计思考过程同类节点之间(如意图之间、选项之间、决策之间)相似度计算采用基于向量空间模型的TF-IDF方法进行词语匹配[6]，节点相似度计算方法如下：

设计思考过程模型节点内容采用正向匹配法进行分词处理，设定设计思考过程模型的n个独立节点为D＝{d₁,d₂,d₃,…,d_n}，去掉无用词并进行分词处理后其关键词集合为{t₁,t₂,t₃,…,t_n}，首先计算每个词语t_i在每个节点d_i中出现次数tf_i,t，然后计算逆向句频数isf_t，就得到每个词t_i在每个节点的权重ω_i,t。

ω_i,t＝tf_i,t*isf_t (1)

isf_t＝1+log(n/n_t) (2)

其中n_t是包含词t的节点数。

设d_i,d_j为两个同类型设计思考过程节点(如设计意图)内容描述，将两个节点内容描述表示为关键词特征向量形式，d_i＝(ω_i,1,ω_i,2,…,ω_i,n)和d_j＝(ω_j,1,ω_j,2,…,ω_j,n)，其中ω_i,k和ω_j,k(1≤k≤n)分别为d_i和d_j的第k个关键词的权重，则定义节点d_i和d_j的相似度为：

步骤2.3：设计思考过程迭代归并范式。

(1)归并完全重复迭代设计过程

设计过程中类似的任务或步骤往往表现在设计周期不同的点上，以不同的信息应用类似的操作过程，它包括重新访问类似的设计活动，以达到不同或相同的目标，而不是使用不同的方法达到统一个目标。如图6所示，若后续的一个或多个最小长度设计思考过程片段和前文的一个或多个最小长度设计思考过程片段一致，则在与后面完全重复迭代过程所在的设计思考过程片段连接的决策节点D2与原设计意图节点I1之间建立Rework-Loop关系，在原完全重复迭代的设计思考过程片段尾端的设计决策节点D1与后一完全重复迭代的设计思考过程片段中连接的设计意图节点I5之间建立Rework-Loop关系。由此可知Rework-Loop关系都是成对出现的，并且Rework-Loop循环关系没有对设计思考过程模型的节点属性产生影响，因此没有产生版本变更关系Evolve-to，这是与其他重复迭代归并过程最大的不同，这也符合Rework-Loop设计迭代不能促进设计过程向最终设计演进的设计认知规律。

(2)归并由设计意图变化导致的反复迭代设计过程

1)设计意图的添加

设计意图的添加包括子意图的添加以及初始意图的添加，初始意图是指设计思考过程片段中无父意图的意图节点。

a)初始意图的添加。如图7-a所示，若前一设计思考过程片段中一个初始意图I1在后续的设计思考过程片段中增加了兄弟意图I4，则初始意图I1在后面的设计思考过程片段中与新增加的兄弟意图I4拥有共同的新的父意图I5，因此在与后续重复迭代过程所在设计思考过程片段相连接的决策节点D1与其初始意图I1之间建立Intent-Redefinition-Loop关系，在原初始意图I1与新的父意图I5之间建立Evolve-to关系，并将该父意图的版本属性值加1，删除后续设计思考过程片段中的重复迭代设计过程，其它不重复的节点及关系连接到已有设计思考过程片段的相应节点上。

b)子意图的添加。如图7-b所示，设计意图I1在后面的重复设计片段中增加了新的子意图I4，则在与后续重复设计过程相连接的决策节点D1与原设计意图节点I1之间建立Intent-Redefinition-Loop关系，在原设计意图节点I1与重复设计过程中包含了新增子意图的设计意图节点I1之间建立Evolve-to关系(这两个意图节点的名称描述虽然相同，但其包含的子意图数目已经不同，即属性已发生改变，发生版本变化)，并将Evolve-to关系连接的新意图I1的版本属性值加1，最后删除后续设计片段中与前面设计片段中重复的过程，其它不重复的节点及关系连接到已有设计思考过程片段的相应节点上。

2)设计意图变更

如图8所示，若前后设计思考过程片段中出现设计意图节点内容的变化时(I4变更为I5)，在与后续重复迭代过程所在的设计思考过程片段连接的决策节点D2和发生更改的意图I4之间建立Intent-Redefinition-Loop关系，在原意图I4与新意图I5之间建立Evolve-to关系，将新意图I5的版本属性值加1，删除后续设计思考过程片段中的重复过程，其它的节点及关系 连接到已有设计思考过程片段的相应节点上。

3)设计意图删除

一般来说设计者不会在设计过程中专门返回并删除不再需要考虑的设计意图，只是在设计思考过程模型中表现为对需要删除的设计意图的相关设计脉络的中断，具体的节点信息中会表明相关的决策理由，因此一般不存在重复的设计思考过程片段。

(3)归并由设计选项变更导致的反复迭代设计过程

1)设计选项添加

如图9所示，若同一设计意图I1在后面片段中增加了设计选项O3，则在与后面重复过程所在的设计思考过程片段连接的决策节点D2与原设计意图节点I1之间建立Option-Stimulation-Loop关系，在原设计意图节点I1与后一设计思考过程片段中包含了新增设计选项O3的设计意图节点I1之间建立Evolve-to关系(这两个意图的名称描述虽然相同，但与其相关的设计选项数目已经不同，即意图的属性已发生改变，发生版本变更)，并将Evolve-to关系连接的新意图I1的版本属性值加1，删除后面设计思考过程片段中的重复设计过程，其它的节点及关系连接到已有设计思考过程片段的相应节点上。并且，设计者在后续设计过程中返回添加相应的设计选项，必定是前面所做的决策不能够满足设计要求，因此，设计选项的添加必然会引起设计决策的变化，因此，在设计选项添加前的设计决策节点D2与添加后的设计决策节点D3间建立Evolve-to关系，并将新决策的版本属性值加1。

2)设计选项变更

如图10所示，若前后设计思考过程片段中同一设计意图I1下出现设计选项节点O2内容的变化时，在与后续重复迭代过程所在的设计思考过程片段连接的设计决策节点D2和原设计意图节点I1之间建立Option-Stimulation-Loop关系，在原设计意图节点I1与后一设计思考过程片段中包含更改的设计选项O3的设计意图节点I1之间建立Evolve-to关系，并将新意图I1版本属性值加1；在原设计选项O2与新设计选项O3之间建立Evolve-to关系，将新设计选项O3的版本属性值加1，并删除后续设计思考过程片段中重复迭代的设计过程，其它的节点及关系连接到已有设计思考过程片段的相应节点上。同样，在设计选项更改前的设计决策节点D2与更改后的设计决策节点D3间建立Evolve-to关系，并将新决策D3的版本属性值加1。

3)设计选项删除

与设计意图的删除相同，一般来说设计者不会在设计过程中专门返回并删除原来提出的不符合设计要求的设计选项，只是在设计思考过程模型中表现为对需要删除的设计选项的相关设计脉络的中断，具体的节点信息中会表明相关的决策理由，因此一般不存在重复的设计片段。

(4)归并由设计决策变更导致的反复迭代设计过程

如图11所示，若前后设计片段中同一设计意图I1下对相同的设计选项做出的决策D1发生变化时，则在与后面重复过程所在的设计思考过程片段连接的决策节点D2和发生更改的设计决策D1之间建立Decision-Reuse-Loop关系，在原设计决策D1与新设计决策D3之间建立Evolve-to关系，将新设计决策D3的版本属性值加1，并删除后续设计思考过程片段中的重复设计迭代过程，其它的节点及关系连接到已有设计思考过程片段的相应节点上。

在实际的设计过程中，以上的设计意图、选项和决策的变化情况并不是独立或孤立地发生，设计的迭代和演进是在这些变化过程的交错或交互中进行的。因此，在实际的设计思考过程模型变换中，重复迭代过程的归并重构要更加复杂。

下面举例说明基于设计脉络的设计思考过程迭代归并方法的实现过程，还是以图2为示例阐述细粒度设计思考过程模型中的重复冗余信息的重复迭代归并过程，其归并后的模型结构如图12所示。示例中存在两种类型的设计思考过程重复迭代过程，分别是选项刺激循环(Option-Stimulation-Loop)和重复循环(Rework-Loop)，其中蓝色的虚线矩形框表示的是由于设计选项的变更引起的重复设计迭代过程，紫色的虚线矩阵框表示重复循环过程。根据设计思考过程演进模型知识结构和基于设计脉络的设计思考过程迭代归并方法，添加选项刺激循环(Option-Stimulation-Loop)和重复循环(Rework-Loop)，涵盖了原模型中的重复迭代信息，并使设计思考过程的演进脉络更清晰地展现。