基于可拓設計的產(chǎn)品個性化定制方法

朱上上，樓曉霏，李文杰，董燁楠

(浙江工業(yè)大學 設計與建筑學院，浙江 杭州 310023)

0 引言

隨著社會的進步，物質生活水平提高，市場環(huán)境開始從合理主義過渡到個性主義，客戶需求日趨多樣化與個性化。全面獲取客戶個性化需求，定制符合客戶偏好的產(chǎn)品，已成為現(xiàn)代企業(yè)關注的重要課題。近年來，針對產(chǎn)品個性化定制方法的創(chuàng)新研究多集中于機械領域，胡東方等[1]提出將客戶個性化需求通過質量屋轉換為工程特性，結合人工免疫系統(tǒng)(Artificial Immune System, AIS)達到定制產(chǎn)品的高效智能精準的快速設計；王海軍等[2]利用數(shù)學方法解決客戶個性化需求動態(tài)配置問題，并用優(yōu)化工具得到最優(yōu)變量配置方案與符合客戶個性化偏好的定制信息；趙燕偉等[3]將可拓變換用于鞋類產(chǎn)品的個性化定制，通過定量與定性分析得出符合顧客個性化需求的產(chǎn)品。以上研究在一定程度上推動了產(chǎn)品個性化定制領域的發(fā)展，但有關產(chǎn)品造型的研究還存在一定的缺失。造型作為傳遞產(chǎn)品信息的首要因素，也是客戶與設計師溝通的橋梁[4]，其作用是將客戶的隱性情感認知轉化為顯性幾何特征。目前，工業(yè)設計領域常用統(tǒng)計學[5]、感性工學[6]和遺傳算法[7-8]等方法，將客戶需求與產(chǎn)品造型的映射關系進行量化，為產(chǎn)品造型層面的研究做出了大量貢獻，但仍然存在以下不足：

(1)對客戶需求信息獲取不夠全面，缺乏與產(chǎn)品造型之間系統(tǒng)的相關性分析。由于客戶需求的多維性、模糊性、隱蔽性與不完整性[9]，在獲取時往往存在片面且不夠準確的情況。已有研究中表示客戶需求與產(chǎn)品造型之間的映射模型主要集中在通過推理需求信息得出產(chǎn)品造型特征，但如何從產(chǎn)品造型中體現(xiàn)客戶的個性化需求還存在一定的缺失。

(2)關于造型層面研究不夠深入，缺乏對部件的拓展分析，未能體現(xiàn)產(chǎn)品整體與部件的關聯(lián)度，無法很好地指導產(chǎn)品整體造型設計。產(chǎn)品造型通過幾何特征傳遞給客戶的心理感覺，是由具體的設計部件共同影響的，而不同設計部件的多種維度對客戶的影響存在一定差異，這在當前運用較多的模塊化設計[10]、參數(shù)化設計[11]和實例推理[12]等設計方法中均未很好地體現(xiàn)。

(3)未考慮到客戶需求的動態(tài)性?；ヂ?lián)網(wǎng)時代，信息變化日新月異，客戶認知及需求存在動態(tài)性與不確定性，現(xiàn)有研究大多局限于獲取客戶當前需求，很少通過關注客戶動態(tài)需求來預測客戶目標時間內(nèi)的偏好[13]，因此很難形成一套可持續(xù)的設計方法。

可拓設計[14]是以可拓學理論[15]為基礎，將設計中的矛盾問題通過形式化建模，再進行定性定量分析的智能現(xiàn)代設計方法[16]。該研究方法主要包括可拓設計建模、可拓設計聚類、可拓設計推理和可拓設計變換等方式，由于其方法的多樣性與綜合性，可以為設計系統(tǒng)、設計對象、設計過程中產(chǎn)生的不同矛盾問題提供借鑒與參考，為解決上述問題提供有效思路。如DOU等[17]提出基于問題導向的可拓工業(yè)設計方法，指導學生通過形式化和模塊化方法完成戶外雨傘系統(tǒng)的設計；趙亞男等[18]將可拓學理論與感性設計相結合，對扶手殼體特征與用戶情感進行可拓推理;陳香等[19]基于可拓語義對有軌電車造型與文化進行定性定量分析，設計出更符合地域文化的產(chǎn)品。上述研究成果運用可拓設計在不同程度上解決了產(chǎn)品設計中的矛盾問題，推動了工業(yè)設計領域產(chǎn)品造型設計的發(fā)展，但在個性化定制層面還缺乏較深入的研究。

因此，本文提出一種基于可拓設計的產(chǎn)品個性化定制方法。首先，通過調(diào)研目標產(chǎn)品造型特征定性研究客戶的需求信息，將客戶需求分為基本需求與感性需求；其次，分別對兩類需求信息進行可拓設計建模，通過風格特征評估實驗結合聯(lián)合分析量化兩者關系；分析具體設計元素的拓展性，建立產(chǎn)品可拓設計元素庫，進而構建面向客戶需求的產(chǎn)品個性化推薦機制；最后，構建產(chǎn)品個性化定制系統(tǒng)，并通過實例進行驗證，證明了該方法的可行性與有效性。

1 基于可拓設計的產(chǎn)品個性化定制方法

在定制環(huán)境下，準確全面地把握客戶需求信息是保證企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要前提。通過對目標產(chǎn)品的調(diào)研，定性分析客戶需求，提取產(chǎn)品顯性的造型特征與隱性的風格特征分別對應的客戶基本需求與感性需求。其中顯性的產(chǎn)品造型特征與隱性的產(chǎn)品風格特征在可拓學范疇屬于設計矛盾問題，本文運用可拓設計中的知識建模來形式化表達矛盾問題，將其抽象成有序的三元組(物元、事元與關系元)，即B=(O,C,V)，其中O表示研究對象，C表示特征，V表示O關于C的可拓性。通過對客戶需求信息進行可拓設計建模得到產(chǎn)品部件設計元素集與風格特征元素集；基于風格特征評估實驗結合聯(lián)合分析量化兩者之間的映射關系，計算產(chǎn)品設計元素對應風格特征的可拓量值；建立產(chǎn)品可拓設計元素庫；構建面向客戶需求的產(chǎn)品個性化推薦機制。最終通過構建個性化定制系統(tǒng)，生成匹配客戶個性化需求的最優(yōu)設計方案，實現(xiàn)產(chǎn)品造型特征與風格特征之間的雙向推理。此外，系統(tǒng)評價模塊有利于企業(yè)把握客戶需求的動態(tài)性，可用于及時優(yōu)化個性化推薦機制。具體方法研究框架如圖1所示。

1.1 客戶需求提取與表征

分析目標產(chǎn)品的造型特征，獲取客戶的基本需求與感性需求。其中：基本需求對應的是產(chǎn)品顯性的造型特征，如顏色、材質、尺寸等；感性需求對應的是產(chǎn)品隱性的風格特征，是客戶的的主觀認知行為，通常以一系列產(chǎn)品風格特征詞匯來表達他們的心理感受[20]。

為保證客戶需求信息獲取的全面性與準確性，本文采用焦點小組與數(shù)據(jù)挖掘相結合的方法。焦點小組由企業(yè)相關人員組成，由于客戶對產(chǎn)品的專業(yè)知識認知有限，所表達的需求信息往往是片面、不完善的，因此通過焦點小組的形式來全方位獲取客戶需求信息，并結合已有文獻及著作提取產(chǎn)品相關的專業(yè)知識，保證信息的準確性與有效性。此外，信息化時代，網(wǎng)絡評價作為獲取客戶需求的反饋機制，能反應出當下客戶對目標產(chǎn)品的情感傾向及需求分布[21]，結合數(shù)據(jù)挖掘技術獲取相關內(nèi)容既能提升信息的全面性，也保證了時效性。

1.2 產(chǎn)品可拓設計元素庫

產(chǎn)品可拓設計元素庫為后期設計實踐提供的資源路徑，由產(chǎn)品部件設計元素集與風格特征元素集共同組成。在建立產(chǎn)品可拓設計元素庫前，需要對產(chǎn)品造型特征與風格特征分別進行處理。

將前期提取到的產(chǎn)品風格特征詞匯進行知識建模，得到產(chǎn)品風格特征元素集。為系統(tǒng)性地研究產(chǎn)品造型特征與風格特征之間的映射關系，運用形態(tài)層次分析法將產(chǎn)品拆分成不同部件，并結合可拓變換工具將部件轉換為具體的設計元素。進行可拓變換的方式有多種，如置換、分解、增加與刪減等，通過分析部件形態(tài)特征應用適合的變換方式，將得到部件設計元素進行知識建模，從而得到產(chǎn)品部件設計元素集。

根據(jù)可拓學中物的虛實共軛原理[22]，實部產(chǎn)品部件設計元素集與虛部產(chǎn)品風格特征元素集具有相關性。通過語義差異法進行風格特征評估實驗，分析不同產(chǎn)品部件設計元素的可拓性，最終得到產(chǎn)品可拓設計元素庫。

1.3 個性化推薦機制

在產(chǎn)品可拓設計元素庫的基礎上構建個性化推薦機制。得到風格特征評估實驗的數(shù)據(jù)后，結合統(tǒng)計學中的聯(lián)合分析[23-24]，將實驗數(shù)據(jù)輸入SPSS，可獲得影響產(chǎn)品風格特征的設計部件所占權重及具體部件設計元素的貢獻率，基于數(shù)據(jù)分析結果，構建多維線性模型，通過代入權重及貢獻率指標，量化風格特征與產(chǎn)品部件設計元素之間的映射關系。

根據(jù)以上量化模型，結合可拓設計元素庫，即可建立匹配客戶需求的個性化推薦機制，基于量化模型可根據(jù)客戶風格特征需求推導出對應的產(chǎn)品部件元素設計組合方案，實現(xiàn)個性化設計方案的推薦；也可計算不同產(chǎn)品部件設計元素組合而成的定制方案在某種風格特征上的評價分值，實現(xiàn)雙向推理。

1.4 面向客戶需求的產(chǎn)品個性化定制系統(tǒng)

個性化定制系統(tǒng)基于個性化推薦機制建立，結合現(xiàn)代計算機技術實現(xiàn)快速、精準、智能生成匹配客戶需求的產(chǎn)品設計方案。根據(jù)定制需求程度的差異性，定制功能可分為局部定制與全新定制，局部定制是客戶根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品進行局部調(diào)整生成符合自己需求的產(chǎn)品，全新定制即客戶輸入需求參數(shù)，后臺根據(jù)個性化推薦機制計算得出適配的產(chǎn)品設計方案，客戶可根據(jù)偏好調(diào)整至滿意為止。

此外，設計評價作為反映客戶需求的重要內(nèi)容，其功能不應局限于驗證與審核設計方案的可行性[25]。系統(tǒng)將合理運用評價模塊把握客戶動態(tài)的需求信息，定期邀請客戶對系統(tǒng)中定制產(chǎn)品方案進行評價，儲存有效評價數(shù)據(jù)，用于對個性化推薦機制的迭代更新。隨著評價數(shù)據(jù)量的累積，一方面可以提升系統(tǒng)個性化推薦機制的合理性與精準性，另一方面有助于把握目標時間內(nèi)客戶的動態(tài)需求，使企業(yè)達到可持續(xù)發(fā)展。系統(tǒng)具體使用流程如圖2所示。

2 實例應用

2.1 確定研究產(chǎn)品

自17世紀以來，我國傳統(tǒng)紅木家具歷經(jīng)了幾百年的生產(chǎn)和創(chuàng)造，其匠心獨具的工藝，經(jīng)久不衰的造型，科學精巧的榫卯結構已成為寶貴的文化遺產(chǎn)，紅木材質穩(wěn)定性高經(jīng)久耐用，在市場上仍備受青睞。目前市面上生產(chǎn)的紅木家具大多延續(xù)了明清時期的固有造型[26]，極少考慮當代客戶的個性化需求。因此，本文以條案的正面視角為例(正面視角包含大部分造型設計元素)進行實例應用研究。由于紅木家具類別較多，構造復雜，對所有類別同時展開研究的難度較大，后續(xù)可對其他產(chǎn)品類別進行延伸拓展應用。

2.2 客戶需求信息提取與表征

在進行產(chǎn)品個性化定制之前，邀請某紅木家具公司的管理人員、銷售人員與專家設計師組建焦點小組，分析條案造型特征并對客戶的需求進行分類。其中，基本需求為客戶對條案整體造型的期望，包含材質、尺寸、紋樣與工藝；感性需求受條案造型中題材典故、社會背景等多維因素的影響，需結合文化歷史背景及情感認知進行綜合分析。為此，焦點小組從紅木家具相關著作及文獻中提取有關的風格特征詞匯，借助Python對各大電商平臺紅木家具客戶的評論數(shù)據(jù)進行爬取，應用貝葉斯方法對前期焦點小組調(diào)研得到的風格特征詞匯進行驗證，最終篩選出6組風格特征詞匯——S1：簡約—復雜、S2：樸實—華麗、S3：輕巧—厚重、S4：現(xiàn)代—古典、S5：精致—粗獷、S6：百搭—個性。生成條案風格特征元素集為：

S=S[S1,S2,S3,S4,S5,S6]。

根據(jù)基元理論模型三元組B=(O，C，V)進行量化描述，

(1)

其中：O為研究對象即條案;C為條案的風格特征;V為風格特征量值。

2.3 條案部件設計元素集

產(chǎn)品的風格特征是產(chǎn)品造型中不同部件的共同作用，在研究產(chǎn)品造型特征與風格特征的映射關系之前，需要分析條案的造型特征。從網(wǎng)絡、文獻、著作以及實體店中搜集條案樣本82例，去掉特殊案例及品牌標識，經(jīng)紅木專家設計師對條案產(chǎn)品的正面形態(tài)進行層次分析后，總結得到不同的設計部件：案面、牙子與案腿。

借助可拓設計變換實現(xiàn)條案設計部件具體元素的二維圖形表達，以條案O為例，鑒于條案的對稱性，以中點為基準線，提取正面一半形態(tài)特征線進行表示，具體流程如下：

(1)分解變換

首先對條案O進行分解變換，即TB(分解變換，條案，PT)，得到式(2)：

(2)

PT為條案部件集合,PT=[PTA,PTB,PTC]，篩選出具有代表性的案面部件設計元素，表示為

PTA=[PTA1,PTA2,PTA3,PTA4,PTA5,PTA6]。

(2)增刪變換

由于條案中的牙子PTB部分包含角牙、牙條等不同構造類型(根據(jù)內(nèi)部結構需要，不影響最終展示效果)，因此需要對其進行增刪變換進行統(tǒng)一表達。T2B(增刪變換，牙子，PTB),如表1所示。

表1 部件牙子增刪變換

根據(jù)表1所述步驟，對篩選出的所有牙子相關部件進行增刪變換，得到牙子部件設計元素集

PTB=[PTB1,PTB2,PTB3,PTB4,PTB5,PTB6]。

條案中的案腿PTC部分多有線腳修飾，但對產(chǎn)品正面形態(tài)影響較小，因此對該部分進行刪變換，即T3B(刪變換，案腿，PTC),如表2所示。

表2 部件案腿刪變換

根據(jù)表2所述步驟，對篩選出的案腿進行刪變換，得到案腿部件設計元素集：

PTC=[PTC1,PTC2,PTC3,PTC4,PTC5]。

綜上所述，對得到的所有部件設計元素進行編碼，得到條案部件設計元素集，如表3所示。

表3 條案部件設計元素集

2.4 基于風格特征評估的個性化推薦機制

2.4.1 風格特征評估

借助語義差異法對紅木條案設計風格進行評估測試，實驗流程如下：

(1)樣本選擇 由焦點小組從搜集到的條案產(chǎn)品中選取出具有差異化的典型樣本25款。結合表3，每款產(chǎn)品均可表達為相應的設計部件編號組合。

(2)被試選擇 邀請30名被試者，其中男女各15人，由紅木專家設計師、銷售人員及紅木家具愛好者組成。

(3)實驗過程 基于上述風格特征詞匯設計7點量表調(diào)查問卷，要求被試者對25款紅木條案樣本的風格特征進行匹配度評價。其中每組詞匯左端對應“-3”，右端對應“3”，中點為“0”。以“簡約—復雜”為例，左端“-3”表示非常簡約，中間“0”表示中等，右端“3”表示非常復雜。

將實驗得到的評估數(shù)據(jù)輸入SPSS進行聯(lián)合分析，得到各部件設計元素在風格特征評估中的權重與貢獻率如表4所示。

表4 各部件在風格特征評估下的權重與各設計元素的貢獻率

續(xù)表4

為更好地指導條案整體造型的個性化定制，需要對部件設計元素進行可拓分析。將條案部件基元表示為式(3)，在部件權重Vx與部件設計元素對應風格特征的貢獻率Vy的基礎上計算可拓量值V，即V=(Vx，Vy)，其中：Vx為各部件權重，指對風格特征的影響程度，Vx越大表示該部件對條案風格特征的影響越大；Vy為具體部件設計元素對應風格特征的貢獻率。

(3)

根據(jù)V=VxVy，計算不同部件設計元素在不同風格特征下的可拓量值，以條案案面元素A1為例，如表5所示。

表5 A1設計元素風格特征的可拓量值

即

(4)

其余設計元素按上述方法依次計算，得到的可拓量值用于輔助后期推薦方案的驗證。結合前面得到的條案部件設計元素集與風格特征元素集，共同組成條案可拓設計元素庫，為后續(xù)個性化定制系統(tǒng)提供資源路徑。

2.4.2 個性化推薦機制

根據(jù)聯(lián)合分析結果，獲得影響具體條案風格特征的設計部件所占權重Vx及具體部件設計元素貢獻率Vy(如表4)，在此基礎上可得到客戶對條案在某風格特征上的具體評價分值S，結果通過多維線性模型的形式進行量化表達，如式5所示。運用多維線性模型可根據(jù)客戶風格特征需求推導出對應的條案部件元素設計組合方案，即風格特征與部件設計元素之間的映射關系，以此實現(xiàn)個性化設計方案的推薦。

(5)

根據(jù)以上量化模型，結合可拓設計元素庫，建立匹配客戶感性需求的個性化推薦機制，進而構建面向客戶需求的個性化定制系統(tǒng)。通過系統(tǒng)進行產(chǎn)品定制時，一方面后臺根據(jù)不同的部件設計元素組合，計算出其所對應的某一風格特征下的對應匹配分值；另一方面根據(jù)客戶風格特征需求，調(diào)用匹配度高的部件設計元素組合呈現(xiàn)為最佳的推薦設計方案，實現(xiàn)雙向推理。

2.5 面向客戶需求的個性化定制系統(tǒng)

基于Solidworks和Visual C++進行二次開發(fā)，生成面向客戶需求的紅木家具個性化定制系統(tǒng)。當客戶輸入需求參數(shù)，后臺自動調(diào)用算法，基于產(chǎn)品可拓設計元素庫映射生成匹配客戶個性化需求的產(chǎn)品定制方案，將部件設計元素的二維特征線對稱復制并快速生成三維模型，提升對設計需求的響應效率。系統(tǒng)主要分為首頁、定制、評價及我的4大模塊。

(1)首頁模塊 紅木家具按不同品類進行展示，客戶可根據(jù)需求選擇相關品類瀏覽，如圖3所示。

不同品類下對應的產(chǎn)品分為傳統(tǒng)產(chǎn)品與定制產(chǎn)品兩大類，客戶點擊圖片進入產(chǎn)品詳情頁查看更多信息。如通過功能按鈕編輯部件跳轉至定制界面進行局部定制，可對現(xiàn)有產(chǎn)品進行局部調(diào)整，如圖4所示。

(2)定制模塊 客戶輸入需求參數(shù)與風格評價后，后臺根據(jù)個性化推薦機制調(diào)用相應設計方案編碼進行組合，生成推薦的條案設計方案，以三維模型的形式進行可視化展示。此外，部件設計元素區(qū)域允許客戶在推薦方案的基礎上進行局部部件設計元素的替換，直至獲得滿意方案，定制模塊如圖5所示。

(3)評價模塊 存儲企業(yè)的個性化定制方案，定期邀請客戶對定制家具進行風格評價或建議，掌握客戶動態(tài)需求的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)推理能力。將獲取到的評價信息儲存到系統(tǒng)后臺，隨著評價數(shù)據(jù)量的累積，定期迭代更新系統(tǒng)的個性化推薦機制，使得系統(tǒng)推薦的面向客戶個性化需求的定制方案愈發(fā)精準且符合客戶動態(tài)需求及社會發(fā)展趨勢，系統(tǒng)評價模塊如圖6所示。

(4)我的 幫助企業(yè)進行信息化管理，銷售人員記錄客戶的相關信息會在該模塊進行展示，包括客戶基本資料、訂單進程、定制方案等。

3 結束語

本文提出了基于可拓設計的產(chǎn)品個性化定制方法，通過調(diào)研目標產(chǎn)品造型特征，分析了客戶基本需求與感性需求，對兩類需求信息分別進行可拓設計建模；經(jīng)聯(lián)合分析量化兩者間的映射關系，建立了產(chǎn)品可拓設計元素庫，進而構建面向客戶需求的個性化推薦機制；最終通過構建個性化定制系統(tǒng)，智能生成匹配客戶個性化需求的最優(yōu)方案，實現(xiàn)了產(chǎn)品造型特征與風格特征之間的雙向推理，并定期邀請客戶通過評價模塊獲取評價數(shù)據(jù)用于迭代更新系統(tǒng)的個性化推薦機制，以適應客戶的動態(tài)性需求。當前研究僅對目標產(chǎn)品的正面視角進行分析，后期還將擴展到其他視角進行探討與應用，并結合大數(shù)據(jù)技術提升系統(tǒng)推薦匹配的精準率。