⾯向概念设计过程的隐性知识获取⽅法
第47卷第14期2011年7⽉
机械⼯程学报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vol.47 No.14
Jul. 2011
DOI：10.3901/JME.2011.14.184
⾯向概念设计过程的隐性知识获取⽅法*
刘征1 鲁娜2 孙凌云3
(1. 中国美术学院设计艺术学院杭州 310002；
2. 浙江财经学院艺术学院杭州 310028；
3. 浙江⼤学现代⼯业设计研究所杭州 310027)
摘要：在⼯业设计领域，为扩展设计知识空间，提出⾯向概念设计过程的隐性知识获取⽅法。在讨论设计知识和隐性知识基本概念的前提下，指出概念设计过程集成特定的问题、情境和设计经验，是隐性知识的重要来源。根据隐性知识产⽣和转化的特征，建⽴从底层认知⾏为⼊⼿、完备概念定义体系以及信息逐层加⼯的知识获取策略。在隐性知识获取过程中，基于⼝语报告、问题、选项及标准(Question, Option, Criterion, QOC)和草图解释的⽅法捕捉设计师个体活动信息，并通过草图⽅案划分设计状态，初步整理收集信息。基于预设概念定义获取信息的知识转化原理，通过知识元级模型和本体配置单元，表达设计对象和设计过程两⼤类⽬标知识。通过主客观相结合的⽅法，评价转化知识的创新程度。通过应⽤知识获取系统，以获取闪存U 盘隐性知识为例，验证以上⽅法。
关键词：概念设计隐性知识知识获取⼝语报告
中图分类号：TB472
Tacit Knowledge Acquisition Method for the Process of Concept Design
LIU Zheng1LU Na2 SUN Lingyun3
(1. Design Art College, China Academy of Art, Hangzhou 310002;
2. Art College, Zhejiang University of Finance and Economics, Hangzhou 310028;
3. Modern Industrial Design Institution , Zhejiang University, Hangzhou 310027)
Abstract：In the industrial design area, a method of tacit knowledge acquisition for the concept design process is put forwards to expand the design knowledge space. With the discussion on the basic definition of design knowledge and the tacit knowledge, the concept design process is the important resource of tacit knowledge, which integrates specific problem, scenario and design experience. According to the characteristics of the tacit knowledge production and transformation, the knowledge acquisition strategies are established，including collecting the date from the bottom cognitive behavior, defining full concept system and processing the information by degrees. During the tacit knowledge acquisition process, the information on designer’s individual activities is captured on the basis of oral reports, QOC(Question, Option, Criterion) and sketch explanation method. The design states are divided according to the sketch scheme, and items of information are collected and arranged. Based on the knowledge transformation principle of the pre-concept defining information, the target knowledge of design object and process is expressed by the knowledge meta-model and the ontology configuration. The innovation degree of transformed knowledge is evaluated by the combination method of objection and subjection. Finally, the knowledge acquisition system is establis
hed to verify the above methods by the cases of USB flash disk form tacit knowledge acquisition for USB flash disk form design.
Key words：Concept design Tacit knowledge Knowledge acquisition Oral report
0 前⾔
按照编码和传播程度的难易，可以将知识分为显性和隐性两⼤类。显性知识易于形式化，能够⽅
*国家⾃然科学基⾦资助项⽬(51005203，61004116)。20101022收到初稿，20110407收到修改稿便地传递和共享。⽽隐性知识不易明⽰，转化困难，却直接影响着个⼈或组织的创新⼒与竞争⼒。设计是创新性智⼒活动，⼤量的隐性知识依附于设计师个体。因此，隐性知识的获取成为充分共享设计经验，推动设计组织持续创新的必要⼿段之⼀。
隐性知识获取涉及信息科学、认知科学以及管理学等领域，研究是围绕信息的收集、知识显性转
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化和形式化表达⽽展开的。JOSé等[1]总结知识获取活动⼀般由领域专家、知识⼯程师和软件⼯程师合作完成。但由于知识内容复杂，知识显性化的过程缓慢且容易出错。HERSCHEL等[2-3]指出信息的结
构化是隐性知识向显性知识转换的重要机制，通过认知地图可以将包含隐性知识的案例存储以供重⽤。在⼯业设计领域，罗仕鉴等[4-6]总结了设计师隐性知识表达呈现⽹状的特征，利⽤知识转移交流模型和螺旋模型，描述了显性、隐性知识的传递、转化与融合的过程，并提出基于语义差异和意象尺度的产品造型语义隐性知识表达。以往研究多采⽤感性⼯学的⽅法，知识获取对象集中于设计静态结果：产品外观，存在知识来源有限、转化成本⾼的问题。因此，新研究需要扩展隐性知识的来源，运⽤⼯具以提升知识转化的效能。
subjection本⽂在讨论隐性知识产⽣原理的基础上，建⽴了隐性知识的获取策略，提出了⾯向产品概念设计阶段包括设计信息收集、隐性知识显性化、获取知识再加⼯与评价在内的隐性知识转化⽅法。研究为设计知识管理、设计教育提供参考。
1 隐性知识与概念设计过程
1.1设计知识基本概念
就⽬的⽽⾔，能够产⽣设计(⽅案)的知识，都可以称为设计知识[7]。就⼿段⽽⾔，设计知识通过描述性和规范性两类知识⽀持设计活动[7]。描述性知识体系对设计进⾏解释，提供辨认、预测、理解设计活动规律的标准；规范性知识体系为设计提供⼿段，构建⽅法达到特定的设计⽬标。总之，设计知识可以提供原理、⽅法、模型、标准、概念等不同层次的信息，系统地⽀持设计产⽣、推理、决策和评
估，推动设计⽅案的完善。
设计知识学科领域范围⼴泛，⼯业设计是其重要的下属分⽀之⼀。该学科体系以⽤户为中⼼，以全⾯提升产品品质为宗旨。本⽂重点关注⼯业设计过程中的三类知识[7]：①对象知识，有关产品属性的信息；②过程知识，有关设计过程的规划信息；
③实现知识，有关产品加⼯制造的信息。
1.2隐性知识基本概念
⼯业设计过程中，设计师使⽤的不单是显性理论知识，那些存储于头脑中却难以⽤语⾔明确表达的隐性知识，在设计中始终发挥着⾄关重要的作⽤。隐性知识没有或很难编码，但个体在⽆意识的内隐学习中获取了这些规则，并⽤于指导设计活动[8]。宏观层⾯看，隐性知识的产⽣和积累符合⼀般知识形成的原理，即实践是知识的来源[9]。微观层⾯看，隐性知识是个体对复杂情景结构的⼀种抽象和表征[10]，是设计师在“⾏动—认知”循环中主动构建的意义[8]。由于关系到组织智⼒活动的效能，隐性知识的获取也是构筑知识管理的⼀项关键内容。1.3概念设计过程
概念设计是将商业需求发展为设计策略，再将之转化为设计⽅案的过程[11]。在新产品开发中，该流程在收集设计要求阶段之后，输出完善⽅案阶段之前[12]。概念设计富有活⼒和创造性，同时存在多种可
能和不确定因素，关系到产品⽣命周期各环节的质量。本⽂研究重点放在设计师通过草图将想法视觉化，产⽣最初设计⽅案的阶段。
概念设计过程，⼀⽅⾯是设计师使⽤显性和隐性知识进⾏创作的过程；另⼀⽅⾯，它也是设计师根据情景，迅速地转化问题，产⽣新知识的活动。由于设计问题形式松散，设计师需要在问题与⽅案空间不断反复，探索各种可能[13]。同静态设计案例知识不同，状态性设计⾏为[14]使概念设计过程集成了特定的问题、环境、个体经验和理念，体现了元知识的应⽤，构成了隐性知识的重要来源。
2 隐性知识的获取
2.1隐性知识的获取策略
策略1。从认知维度出发，隐性知识的产⽣同个体⼼智模式有着密切的关系。因此，从设计师认知⾏为⼊⼿，基于设计情境全⾯展现附带细节信息，有助于隐性知识的显性化。
策略2。从知识发现维度出发，隐性知识可以视为由于概念、参数不全⾯，隐性规则⽆法到相应概念界定，造成知识处于潜伏状态[15]。因此，隐性知识的转化依赖完善、稳定、可共享的概念体系。综合各类基础学科术语，交叉定义未知信息，有助于展现隐性知识的全貌。
策略3。从认识论维度出发，隐性知识同显性知识的相互转化处于动态循环[8]，隐性知识的产⽣与转化
是信息逐步结构化的过程。知识需要经历由感性到理性，由简单到复杂，由粗到精的过程，才能形成完善的知识体系。因此，从具体设计案例出发，在⼴泛收集信息的前提下，通过逐层信息精化积累，有助于隐性知识的⾼质量转化。
2.2隐性知识的获取步骤
依照以上获取策略，提出⾯向概念设计过程的隐性知识获取⽅法，由知识⼯程师引导完成。隐性知识获取的步骤如下，如图1
所⽰。
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图1 隐性知识的获取步骤
步骤1。设计信息的收集与整理。该阶段进⾏信息输⼊，主要收集设计师个体活动数据，识别隐性知识的创新价值，通过草图⽅案划分设计状态，初步整理信息。详见本⽂第3节。
步骤2。隐性知识的显性转化。建⽴知识元级模型，通过配置本体，表达设计对象和设计过程两⼤类⽬标知识。详见本⽂第4节。
步骤3。获取知识的再加⼯与评估，该阶段进⾏知识输出，主要将获取的知识进⼀步挖掘，发现其中普遍价值。通过主客观结合的⽅法，评估知识的创新性。详见本⽂第5节。
3 设计信息的收集与整理
3.1 设计信息的收集
根据策略1，采⽤⼝语报告的⽅法获取案例过程中设计师⾏为层⾯的数据
[16]
。⼝语报告是设计研
究的重要⼯具之⼀，该实验⽅法要求设计师在完成设计任务的同时，报告⾃⾝的思考内容，利⽤视频记录该过程中的⾔语、草图绘制和⾝体动作等数据。⼝语报告反映了设计师在认知层⾯的所看、所想、所做。在时间序列上，较为客观地还原了设计认知加⼯的⾔语信息和形象思维信息，是获取隐性知识的信息基础。
此外，收集两⽅⾯的信息作为以上内容的补充。①采⽤问题、选项及标准(Question ，Option ，
Criterion ，QOC)⽅法进⾏事后评价[17]
，知识⼯程师就设计问题的提出、有可能的选择、决策制定的标准等问题，考察设计过程中的各个环节，设计师作出相应的解释；②草图解释。草图描绘对象模糊、不确定，但内容不限于对象的⼏何属性，更多表达
与功能、使⽤、结构、美学等相关的意义[18]
。设计
任务完成后，设计师需要对成熟⽅案的形态、语义、风格、使⽤情景等⽅⾯进⼀步说明，补充形象思维的信息。
3.2 隐性知识源的识别
由于设计师个体业务⽔平以及具体情境的差异，需要通过对收集的设计信息进⾏初步判断，来预测和选择具有潜在价值的案例信息作为知识源。本⽂通过最终设计⽅案来进⾏判断。即同以往类似案例⽐较，如果现有⽅案评价具有较⾼的创新性，则说明存在隐性知识对设计活动起到了推动作⽤。
定义：设计知识K x 产⽣⽅案D ，D'为以往设计案例范围，K n 为知识源，如果(K x →D )∧D ?D')，那么K x ?K n 。
3.3 设计状态的划分
对具有隐性知识源的案例，通过划分设计状态，将收集的信息进⾏分类整理。设计状态可以看作概念设计过程中相对独⽴的信
息节点。每⼀个节点中封装着⼀个或多个相似的草图⽅案，并对应着该时间段的⾔语信息、QOC 信息以及草图解释信息。
设计状态依据草图绘制对象的转移进⾏判断。由于草图⽣成过程中存在“设计族”现象，即⼀系列的草图呈现较集中的主题性和关联性
[18]
。所以，
草图绘制对象的转移，反映设计师低成本的各种尝
试，其中包含了知识主题的变化，是对设计内容的⾃然分解，如图2所⽰，图2中箭头表⽰设计状态间的变化和关联。设计状态(S n )划分后，有利于展⽰知识之间的关联，帮助知识⼯程师快速检索相关信息。
图2 经设计状态的划分后的U 盘设计信息
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4 隐性知识的显性转化
4.1隐性知识转化的原理
总体⽽⾔，隐性知识转化原理是基于预设概念对获取信息的⼀种定义。即在原有理论知识的基础上，采⽤概念、参数对设计活动及其对象特征进⾏描述，将隐含信息显性化[15]。隐性知识转化的基本原理，如图3所⽰。
图3 隐性知识转化原理
C——概念体系I——待转化信息K——获取的设计知识
与以往研究通过建⽴提问模板与专家交流，转化隐性知识不同[2]，本⽂采⽤知识元级模型作为定义信息的原始结构，本体作为元级模型的基本配置单元。元级模型反映了⽬标知识的原型，是将设计过程信息结构化的⼯具。本体是⾯向内容的概念体系，以⼀种清晰的⽅式表达概念和及其关系，⽤于保障知识转化的有效性和共享性[19]。元级模型和本体的使⽤减轻了知识⼯程师的⼯作量负担，提⾼了形式化获取知识的效率。
4.2知识元级模型的搭建
4.2.1 对象知识元级模型
设计对象知识元级模型是对概念⽅案及其相关属性的描述，采⽤框架形式的知识表达。它的顶层固定，⽤以表⽰设计对象。框架整体为层级结构，每⼀层级包含若⼲槽，槽由相关本体定构成义，如图4所⽰。设M f是设计对象知识元级模型，L n是槽，L nx是下⼀层槽，R m是L n之间的关系。则设计对象知识内容可以描述如下
M f=(L n, R m)
基于知识元级模型的隐性知识转化包括3个步骤：①选择设计状态，确⽴转化对象；②选择本体配置单元，建⽴框架，对槽中的本体填充或分解，链接数据与实例；③对槽与槽之间的关系进⾏定义，挖掘知识内容。
本⽂主要围绕产品⽅案的外观形态、产品加⼯⼯艺以及⽤户三类⽬标知识展开。根据本体库的配置情况，产品外观形态⽬标知识⽤于捕捉功能结构、外观形式、语义符号以及⽂化时尚四个⽅⾯的特征；产品加⼯⼯艺⽬标知识⽤于提取⼯艺名称、加⼯效果以及加⼯成本的三个⽅⾯属性；⽤户⽬标知识⽤于获取体定位、⽤户需求、任务分析⽅⾯的信息。
图4 设计对象知识元级模型框架式表达
4.2.2 过程知识元级模型
过程知识元级模型通过⽐较设计状态之间的变化，表明设计师执⾏的具体操作，构建过程知识。过程知识元级模型采⽤状态式表达，隐性知识转化包括3个步骤：①选择相关设计状态，分解和抽象设计状态中的因素与背景条件；②建⽴本体参数项，通过⽐较初始状态输⼊、最终状态输出的差异，推理设计操作，解释设计思路的发展原因；③分析情景因素，解释设计⽅法的变异和发展。经以上元级模型转化得到的知识是基于背景理论对设计进程的⼀种解释。由于设⽴本体参数项和情景的不同，对设计过程的解释存在差异，因此获取的知识内容也有所不同。
设计⽅法⽬标知识提取影响设计思维变化的原因。例如，选择本体“⽤户需求”，来解释由S p 到S q的转化起因。进⼀步细
化“⽤户需求”本体，可以了解⽤户需求对产品设计的影响。
设S p、S q是相关设计状态，O是设⽴的相关本
体参数项，P为设计操作，过程知识形式化描述如下。如果，那么解释{P, O}，O=⽤户需求。
设计⽅法⽬标知识可以说明在特定情境下设计⽅法的变异。例如，设计师采取“优点例举法”由S p向S
q
转化。设计师深化了该⽅法，区分了⽤户关注优点和⾮关注优点，来优化设计发展⽅向。元级模型可以获取以上⽅法变化的信息，过程知识形式化描述如下。如果，P为优点例举法，那么解释{P}。
4.3知识本体的构建
本体作为元级模型的配置单元，其丰富程度和
机械⼯程学报第47卷第14期
188 细致程度决定了隐性知识的转化效能。本⽂在重⽤
功能本体库[19]、企业本体库[20]
的基础上，对概念设计过程所涉及的知识领域进⾏分解，基于Protégé补充相关本体库。其过程⼤致分为3个步骤。
(1) 通过需求分析，划定范畴，建⽴概念。根据⼯业设计活动特征，划定知识范围，列举重要术语，构建类、⼦类、槽以及侧⾯等级。补充的本体库以对象、过程、实现本体为基本内容，集中在产品外观⽅⾯的知识表达，如表1所⽰。补充本体在现有分类的基础上可以继续进⾏细分。
表1 补充知识本体的基本内容
本体下属概念
外观
产品外表形式及其给⼈的印象。主要包括⼏何形式、形态语义、⽂化时尚三⼤⽅⾯，是对象本体的重点
功能产品为⽤户发挥的效能，这⾥集中于物质效能结构
产品组成部件的构造与排列，这⾥集中于产品的外观结
⽤户产品的使⽤者，对产品进⾏理解、操作并完成相应的任务
环境⽤户使⽤产品的场所和背景条件对象本体
市场产品的销售交换价值和促销⼿段
设计管理对企业设计战略、⽬标、程序、质量以及各种资源的规划与配置
设计流程产品开发的⽣命周期，以及开发成员分⼯协同的程序
过程本体
设计⽅法设计师处理设计问题的⼀般⽅式和流程加⼯材料产品外观应⽤物质的基本物理、化学性质加⼯效果产品外观材料的⾊彩、肌理、光泽度和齐整度。加⼯成本产品批量⽣产的资⾦投⼊
实现本体
加⼯⼯艺产品外观部件的加⼯制造过程，集中于加⼯速度、复杂程度、容差以及尺⼨等
(2) 定义本体之间的关系。根据概念设计活动知识领域的特征，除了同义、反义、上位、下位等语义关系外，还定义了概念之间可能的相互关系，如表2所⽰。关系作为本体的⼀类特殊属性，可以在以下定义的基础上继续进⾏细分。
(3) 评价与修正本体。咨询各⽅⾯专家，对建⽴的本体库进⾏整理，保障本体术语公认、⽆歧义、逻辑⼀致并可扩展。