提案包含了有潜力改变航空航天任务的多种创新概念。这些变革性技术有望推进NASA探索低地球轨道以外的深空、小行星以及火星。
NIAC项目第一阶段的合同价值约为10万美元，为合同承接者提供资金以执行9个月的概念初始定义与分析研究。如果基础可行性研究取得成功，合同承接者可申请价值高达50万美元的第二阶段合同，进行为期2年的概念研发工作。
15个选定提案和研制方包括：⑴平流层双飞行器平台模拟飞行演示验证，安柏瑞德航空航天大学；⑵“Thirsty Walls”：生命支持系统的空气再生新范式，NASA约翰逊航天中心；⑶借助恒星导航的高桅帆船，麻省理工学院海斯塔克天文台；⑷太空制造可贮存的推进剂，深空工业公司；⑸支持星际探索的定向能推进技术，加利福尼亚大学；⑹“海神”跳跃探测器：探索海王星附近的柯伊伯带天体，COMPASS“罗盘”概念设计团队；⑺以电动力学方式收集动能的柔性机器人探测器，康奈尔大学；⑻小天体地层勘探，约翰霍普金斯大学；⑼“具有成本效益的动力增强技术低温存储器”（CRICKET），约翰霍普金斯大学；⑽小行星原位物资补给（APIS）：仅用1枚“猎鹰”-9火箭产生1亿吨（100MT）水，ICS联合公司；⑾“风机器人”：原位科学探测器永久探索气态巨行星，NASA喷气推进实验室；⑿薄膜宽带大面积成像系统，BEAM先进测量工程公司；⒀孔径：使用可重构元件的大型反射式精确望远镜，西北大学；⒁配备有纳米结构传感仪器的立方体卫星，用于行星探索，南加利福尼亚大学；⒂低温选择性表面，NASA肯尼迪航天中心。
选定提案之⑴将考虑研发两个由超强缆线连接的在不同海拔高度进行无动力航行的滑翔式无人飞行器。飞行器将利用平流层下部（约18千米）的风切变，类似于“风筝冲浪”，上方飞行器提供升力与推力，下方飞行器提供阻力，以避免顺风漂流。如果成功，该航空器可在同温层停留多年，执行NASA的地球科学任务、监测任务或飞机导航，所用成本仅为轨道卫星网络成本的一小部分。
选定提案之⑺建议使用一个背部有短天线的鳗鱼形柔性机器人探测器，具有类似触须的结构，作为电动力学的“动能收集器”，由局部变化磁场提供动力，执行常规动力系统无法完成的任务，目标是探索巨型气态星球，如探索内部藏有海洋的木卫二“欧罗巴”。
选定提案之⑼“具有成本效益的动力增强技术低温存储器”设想利用创新的移动机器人概念，探索在行星上永久遮挡的阴影区域蕴藏的易挥发物质，如氢、氮和水。这种低成本机器人将探索这些阴影区表面的水分及其他化合物。多个机器人联合工作可用于绘制一个高分辨率地图，有助于这些资源的潜在应用。
关键词：工业设计；产品概念设计；技术创新
中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 22-0000-01
一、引言
当今世界，工业设计水平的高低是衡量国家和地区工业创新能力和竞争能力的重要指标。工业设计中人们运用科技知识和方法，创造构思出各种各样的产品，几乎涉及到人类活动的全部领域。概念设计作为工业产品设计过程中的关键环节，越来越受到人们的重视。
二、工业设计领域中的概念设计
（一）工业设计
工业设计（Industrial Design，简称ID）又叫工业造型设计。当今世界各国已将工业设计作为本国的基本国策，成为促进经济快速发展的一项重要措施。日本依靠工业设计为研发方向，开发出轻薄短小、设计新颖、符合用户审美观念的商品，从而使其立足于竞争激烈的国际市场。一个国家或者企业的工业设计水平直接决定了其新产品能否被社会、被市场、被消费者所接受。
（二）工业产品概念设计
随着工业生产的发展，设备和产品的功能与结构日趋复杂，产品设计在整个生命周期内占有越来越重要的位置。概念设计具有十分广泛而深刻的内涵，我们不能将其简单地理解为过去的方案设计。概念设计的过程是一个发散思维和创新设计的过程，是一个满足各项指标的过程，并且当存在多种备选方案时，通过概念设计这一环节可以给出一个最优的方案。在概念设计的设计过程中，要求设计人员具备先进制造技术、现代设计方法、专业理论、商用运作等方面知识。
（三）概念设计作用和特性
概念设计的最主要作用在于产品设计的创新，如果没有新的创意，概念设计也就失去了它的意义；概念设计具有提升企业形象的作用，因为它可以代表未来产品的流行趋势，具有一定的超前性，使人很容易联想到设计它的企业所具有的产品研发实力，所以有些企业开发概念产品用于企业的广告宣传，以达到提升企业整体形象的目的；概念设计还有方便企业内部各部门在新产品上市前的协调与沟通的作用，从而降低新产品开发的风险。
概念设计具有如下特性：（1）创新性。概念设计真正灵魂是创新。提高企业以及设计人员的创新能力才有可能得到、结构新颖、性能优良的工业产品，从而提高用户支持率，为企业创造效益。（2）层次性。对于概念设计的层次性主要体现在下述两个方面：功能层以及载体结构层是概念设计的作用对象，并且在物理结构层上完成映射。例如，功能层上功能有功能定义以及功能分解，而结构层上的功能包括结构修改、结构变异，由于存在的映射关系，将两层联系在一起；功能层和结构层上存在相对独立的层次关系。结构的层次性受功能的层次性限制，不同层次的功能对应着不同层次的功能。例如，功能从某一个层次向其下一个递进就是功能分解。（3）多样性。产品多样性的设计路径以及设计结果充分体现了多样性的概念设计。根据定义功能、分解功能以及工作原理的不同，会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。例如变速器的设计有两种完全不同的设计结果，即手动式和自动式。
三、概念设计三要素
当完成概念设计初步工作时，还要考虑能否进行详细的制造设计以及日后能否投入市场为企业带来经济效益等方面因素。设计师设计出来的概念产品与市场也许有许多差距，如何缩短这样的差距，解决这样的难题，最关键的是要具有创新点，能被市场上的消费者接受。所以，本文提出概念设计的三要素为创新性技术、创造性思维以及计算机虚拟现实技术在设计过程中的应用。
（一）创新性技术
概念设计中技术创新是指由于现有产品不能满足用户的需求，激发设计者发现新事物、提出新思想，从而产生新颖的构思与创见。单纯的技术创新毫无意义，当技术与产品结合在一起，才会创造出其应有的经济效益。所以，产品设计初级阶段就要进行技术创新。
（二）创造性思维
创造性思维，是一种具有开创意义的思维活动，即开拓人类认识新领域、开创人类认识新成果的思维活动。要设计就要有创新，而创新正是设计人员进行创造性思维的结果。在工业设计中，设计人员要以感知、思维、思考、联想、理解等能力为基础，善于捕捉思维的闪光点，合理大胆的联想，这样才有可能设计出独特、新颖、有创意的产品。
（三）计算机虚拟现实技术的应用
目前，计算机辅助设计已经深入发展并得到广泛应用，如果仅仅依靠设计人员进行概念设计，将会制约它的进展和应用。为了充分发挥设计人员的创造性，将虚拟现实技术引入计算机辅助设计系统，将概念设计和虚拟现实技术有效结合，利用丰富直观地交互手段，在虚拟环境中进行概念设计。如采用“头脑风暴法”进行方案创意，可以针对不同的用户需求，在不同的虚拟环境中融入体验设计思想，让用户可以体验修改模型的感受，从而根据用户的“真实”感受和建议，对模型进行更加合理的修改及完善，达到最优化的目的。
四、小结
产品体现着用户对某些功能的需求，产品设计的目的就是实现产品的功能，而功能的载体是产品的物理结构。作为设计者要驾驭物理产品结构与功能两者之间的关系，使其能更好的表达给用户。这就是概念设计所要解决的问题。概念设计是产品设计中最重要的一环，也是提高产品质量、降低成本和提高企业竞争力的主要手段。为改善我国工业设计落后、缺乏竞争力的被动局面，必须重视产品的概念设计。
参考文献：
[1]刘艳.浅谈工业产品概念设计[M].安阳：安阳工学院学报，2006，10（5）.3-4页.
[2]田静.工业设计中产品概念设计研究[D].重庆大学，2006：6-8.
关键词：概念验证；科技创新；启示
中图分类号：G321；F124.3文献标识码：A
國家评估中心2019年首次发布的《中国科技成果转化2019年度报告》显示，我国高校和科研院所科技成果转化遇到的瓶颈之一，是满足转化需求的高质量科技成果不足，且研发脱离市场。据移动新媒体“知识分子”专业文章测算评估，若美国高校科技成果转化效率为50%的话，我国高校仅为6%，发展潜力巨大[1]。
2000年以来，美国、欧盟积极从国家创新战略高度探索科技成果转化新模式，通过在研究型大学等兴建概念验证中心，或实施概念验证计划，大力推动具有应用潜力的基础研究从实验室走向市场，获得显著成效。这些实践对提升我国及北京高校、科研院所科技成果转化供给质量，解决基础研究和产业发展脱节问题，从源头上减少科技和经济“两张皮”现象，具有积极而重要的参考价值。
一、概念验证的内涵
概念验证是将研究人员的创意或成果转化为可初步彰显其潜在商业价值的技术雏形，并对那些不具备商业开发前景的设想加以淘汰[2]，从而增强研究成果对风险资本的吸引力，提高大学科技成果转化效率。例如，微软2019年发布的研究报告显示，因实施成本太高或市场需求不明确等原因，30%的物联网项目在概念验证阶段即遭淘汰。
就实际操作所需的环节看，概念验证主要包括原理或技术可行性研究、原型制造、性能测试、市场竞争分析、知识产权保护策略等[3]。
从纵向即技术创新链而言，技术创新可至少分为研发（发明）、概念验证、工作样机、工程化及生产线、产品生产5个阶段，而“死亡之谷”包括第2、3、4阶段[4]。显然，概念验证处于基础研究与技术成熟商业化之间比较靠前的环节，它既是技术创新链的一个阶段，又是跨越“死亡谷”的第一步，更是科技成果转化亟须突破的“最初一公里”。
二、美欧概念验证发展概况及效果
（一）美国
为推动概念验证工作，概念验证中心首先在美国研究型大学兴起。加州大学圣迭戈分校于2001年建立全美第一个高校概念验证中心——冯·李比希中心，麻省理工学院在2002年跟进成立德什潘德中心。如今，美国以高校为主已建立了近40家概念验证中心。
高校概念验证中心的发展得到了美国政府的高度重视和大力支持。美国政府于2009年、2011年分别发布了《美国创新战略：推动可持续增长和高质量就业》和《美国创新战略：确保我们的经济增长与繁荣》，将创建大学概念验证中心，作为加速大学科技成果转化，推动国家经济快速发展的重要路径。2017年9月，美国商务部宣布，向多家非营利组织、高等教育机构和创业集团提供总额超过1700万美元的支持，用于创建和扩大以集群为重点的概念验证和商业化计划，以及早期种子资本基金[5]。
麻省理工学院德什潘德中心是美国高校概念验证中心的突出代表，自2002年成立至2019年底，累计为该校超过125个初期技术项目商业化提供至少1700万美元的资助，为400多名师生和研究人员提供支持，共有100多位“催化剂”导师和其他来自企业或创业团体的人士，无偿为技术研发者提供技术商业化方面的指导和服务。近30%的项目通过成立公司实现了产业化，这些企业累计吸引了8亿美元后续投资，资本放大效应高达47倍[6]。
（二）欧盟
欧盟委员会欧洲研究理事会（以下简称“欧研会”）成立于2007年12月，主要负责实施原始创新计划，支持前沿学科和交叉学科研究，以及新技术和新兴领域的开拓性探索[7]。2011年，欧研会实施了概念验证计划，并设立概念验证基金予以保障。
概念验证计划专门针对研究成果市场化前的初始阶段，不支持基础研究的扩展研究以及商业示范应用项目。每个入选项目资助金额最多15万欧元，执行期限不超过18个月，主要用市场化可行性研究、知识产权布局、成立创业公司初始费用等[7]。
概念验证基金资助列入概念验证计划项目的年度预算，由2011年的1000万欧元，增长至2019年的2500万欧元。截至2019年底，已资助了约1000个项目[8]。2017年12月，欧研会邀请第三方对概念验证基金的实施情况进行评估，评估报告显示：概念验证项目在专利申请、许可协议、研究合作与合同、咨询、新创企业、公共服务、争取其他资助等诸多方面取得了增值。其中，42%的概念验证项目至少完成了1项专利推广，而更多技术则在新创企业或者与中小企业合作中得到应用；获得概念验证基金支持的项目，后续也更加容易得到其他渠道如私人或者风险投资者的研发资助[9]。
三、美国概念验证中心典型运作模式分析
概念验证中心是旨在填平基础研究与产品开发之间“死亡谷”的创新服务机构。美国加州大学圣迭戈分校的冯·李比希中心和麻省理工學院的德什潘德中心的运作模式较具典型性。
（一）资金支持
德什潘德中心的资助对麻省理工学院的所有院系师生开放。中心每年用于支持大学早期科技成果商业化的拨款项目可分为点火资金和创新资金，申请者获得资助的累计金额不超过20万美元。点火资金每笔不超过5万美元，周期为1年，主要用于新点子的实验探索和概念验证；成功后可继续申请创新资金，追加的资助不超过15万美元，以确保经过概念证明的研究成果的商业价值。
（二）创业咨询
冯·李比希中心和德什潘德中心都拥有实力雄厚的创业导师顾问团。这些咨询专家都具有不同技术专业背景和丰富新创公司或风险公司经营经验，多与企业和投资方等保持良好关系。作为学界和商界之间的桥梁，他们参与项目遴选，为受资助的项目提供创业咨询，促进科技成果供需双方建立密切合作关系[10]。
（三）教育培训
概念验证中心常常通过创设教育课程、开展讲座和研讨、举办学术会议或论坛等方式，帮助师生理解、识别和熟悉科技成果转化流程以及可能遇到的风险问题，为可能的初创企业发展做必要准备。例如，“创新团队”是麻省理工学院独特的课程，向学生传授科学和技术商业化的全过程，主要关注如何判断一项处于早期阶段技术的商业潜能，参加课程的投资人也有机会从中选择值得资助的对象[10]。
四、在京高校设立概念验证中心的可行性
从美国实践看，高校概念验证中心的建立和发展需要一定条件，主要包括：技术、人员、资金、设施、“验证”出口等[11]。北京地区高校曾孕育出过紫光、同方、方正、未名生物等一批知名企业，也最有条件和责任在概念验证中心建设和开展概念验证活动中先行探索。
从成果来源看，2019年度国家科学技术奖励中，北京地区高校作为第一完成单位的获奖数量接近全国高校作为第一完成单位数量的40%。2018年，中国高校获国内职务发明专利授权19.4万项[12]，是除企业之外职务发明的最大贡献者；同期北京地区高校职务发明授权量和输出技术合同成交额在全国高校的比重均在5%上下。这说明一方面北京地区有丰富成果或“新概念”可供“验证”，另一方面也表明北京地区高校科技成果转化依然有较大上升空间。
从人员看，2018年，北京地区普通高校研究生在校人数为31.7万人，占全国的11.6%；研发人员数量为8.59万人，占全国的8.7%。此外，北京地区还聚集了全国一流的科学家、企业家、投资人。这为开展概念验证活动提供了丰富的人力资源、智力资源。
从资金看，政府非常重视增加对高校科技的投入。2018年，北京地区高等院校研发经费支出为215.9亿元，占全国高校的比重为14.8%。更重要的是，政府部门已经认识到并愿意为开展验证活动提供经费支持。例如，北京市海淀区已宣布将提供专项资金支持本区高校、科研院所建设概念验证中心及开展概念验证项目。
从实验设施看，北京地区高校拥有国家重点实验室的数量约占全国高校国家重点实验室数量的四分之一。同时，首都科技条件平台囊括了本地区882个部级、市级重点实验室、工程中心等4.65万台套仪器设备，可以向社会开放共享。这些为开展概念验证提供了充足的物质保障。
从“验证”出口看，最直接的方式是就地进入大学科技园或其他孵化器。例如，上海市拟采取具体措施推进大学科技园参与高校科技成果的概念验证和成果熟化。北京拥有部级和市级的大学科技园40多家、孵化器超过100家，10余家高校成立了技术转移办公室。这都为概念验证后的成果提供了众多的接纳通道。
五、启示与建议
近几年，国家先后修订或出台了《中华人民共和国促进科技成果转化法》《实施〈中华人民共和国促进科技成果转法〉若干规定》《促进科技成果转移转化行动方案》，北京市也新颁布了《促进科技成果转化条例》。这些政策法规主要集中在收益分配、价值评估、人员身份等科技成果转化后端，而对科技成果转化前端的关注度不够或效果不佳。美欧对科技创新思想及成果进行概念验证的探索实践，对我国克服科技成果转化“最初一公里”的“短板”问题具有重要借鉴意义。
（一）央地协同开展概念验证探索
一是加强规划引导。国内概念验证中心建设目前尚处于起步阶段，2018年以来，西安、北京、上海先后建立起全国屈指可数的几家。2019年10月，北京市海淀区支持北京航空航天大学建立了全市首家概念验证中心，目前已筛选出一批概念验证项目，并初步打通了概念验证、创业孵化和股权投资的链条，为概念验证活动的可持续发展进行了有益探索。作为全国科技创新中心，北京应尽快形成成熟经验和模式向全国推广。建议国家科技、教育、产业部门和北京市合力统筹谋划，将在京高校、科研院所设立概念验证中心列入“十四五”时期全国科技创新中心建设部（院）市合作规划。北京市应将概念验证纳入《北京市“十四五”时期加强全国科技创新中心功能建设规划》，进行科学合理布局。通过概念验证中心尽可能早地识别出那些具有商业化前景的项目，催生出有助于解决经济社会重大问题的科技成果。同时，既要防止一哄而上，有名无实，也要克服畏难情绪、裹足不前，还要避免重复建设，考虑差异化布局发展。
二是创新支持路径。借鉴国外经验，对概念验证中心建设及实施概念验证的项目资金，前期由政府予以“兜底”保障。建议由科技部和北京市共同设立概念验证专项资金，用于支持开展概念验证活动，同时考虑国家自然科学基金区域创新发展联合基金对“概念验证资助项目”进行支持的可能性。此外，还应积极拓展资金来源渠道，如鼓励本校投入、私人捐赠、民间基金会支持等。
（二）采取灵活多样的组建方式
从国外发展历程来看，概念验证中心首先在研究型大学工学院兴起，随后扩展到研究机构和社会组织。建议结合实际情况，灵活组建概念验证中心：在依托单位上，既可以由某一所大学独立组建，也可以几所大学联合组建，也包括在科研院所和社会组织组建，同时鼓励校企共建；在具体运作上，可支持成立“民非”等实体机构，也可采取资助计划等非实体形式；在功能发挥上，既可由政府主导，也可由高校和科研院所主导；在服务内容上，既可以是综合服务类型，也可以聚焦特定专业领域；在服务范围上，可以面向本校本单位，也可以面向特定区域如优先覆盖“三城一区”或良乡、沙河高教园区等。
（三）培育科技成果转化创新生态
[关键词] 概念产品 功能技术矩阵 创新设计方法
为了更好地规划公司发展战略，更早地预判市场需求趋势，使设计更具超前性、更具竞争力，概念设计应运而生。“概念设计”最早于1984年由德国学者Pahl和Beitz提出，他们认为：在确定设计任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，一部分的设计工作叫做概念设计[1]。概念设计在产品设计过程中占有非常重要的地位，类似于生物的基因，从质的层面决定产品的品质[2]。各大知名厂商诸如伊莱克斯、飞利浦、苹果、宝马等每年都投入大量的人力物力进行相关领域的概念设计实验，并定期推出概念产品展示活动，以求准确把握未来市场的需求与动向，在产品竞争中立于引领地位，实现企业利润最大化。
1 理论基础
目前，国内对概念产品设计理论研究的主体为高校，主要有浙江大学、西北工业大学、河北工业大学等，主要的理论基础有TRIZ、AD、QFD（质量功能配置理论）理论，国家863 科技计划和国家自然科学基金均资助了很多相关的研究课题。
浙江大学的冯培恩教授及其指导的研究生陈泳基于仿生学对概念产品设计方法学进行了探索，为建立基于遗传和重组的技术产品计算机辅助概念设计的新理论和方法做了探索性工作。
河北工业大学的檀润华教授及其指导的研究生王永山基于QFD及TRIZ理论对概念产品设计进行了研究，将QFD与TRIZ有机的结合，应用QFD解决设计中做什么的问题（What），应用TRIZ解决设计中如何做的问题（How），提升产品创新性。
以上对概念设计开发设计的研究虽然取得了一定了成效和进展，但仍然存在很多问题，比如：产品未来概念仅仅从技术进化规律层面研究是远远不够的，人们的审美、需求是多元、动态变化的，对未来需求的预测需要从文化、能源、环境等综合大环境角度进行研究；TRIZ理论解决具体工程问题很有效，但对建立丰富的、多元化的概念路线方面还有许多不足之处；此外现代产品的需求分析分为显性需求分析和隐性需求分析两个层面，苹果公司、微软公司、谷歌公司所创造的极富想象力的新产品显现出对隐性需求分析的重要性，而上述研究都没有涉及如何在概念产品研发中进行隐性需求分析。
本课题针对上述问题提出基于功能技术矩阵的概念产品开发模式，并在需求分析阶段引入TRIZ预测技术与未来预测理论相结合，针对隐性需求分析进行相应研究。
功能技术矩阵是一种非常直观的表格，它将产品所有分功能及其对应的所有可能实现途径罗列其中，设计者可以借助于功能技术矩阵进行各种组合，从中形成实现产品总功能的原理方案。功能技术矩阵为丰富产品开发方案、开拓设计思路、进行方案评价提供了有效解决模式。
TRIZ起源于前苏联，是俄语“发明问题解决理论”的缩写，前苏联著名发明家阿奇舒勒所领导的研究机构为研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则，分析了世界上近250万件高水平的发明专利，并综合多学科的原理和法则，形成了一套TRIZ理论体系（见图1）[3]。此外，阿奇舒勒发现，技术从结构上可以进行进化，并总结出进化的趋势， 该进化趋势概括出：技术系统是按照刚体单铰链多铰链柔性体液体/气体场的趋势进化，我们可以据此总结现在的产品技术处于技术进化中的何种阶段，并预测出该技术进化的趋势，从而在未来竞争中占得先机。例如，海尔集团等就在积极研发替代机械洗衣的利用水电解与超声波震荡相结合的新型洗衣机，这种新型洗衣机符合TRIZ技术进化趋势，能够实现省水、省电、省洗衣剂的要求。
* 福建工程学院教育科学规划项目基金：“基于工作过程导向的创新设计课程教学模式研究”（GB-K-11-05）。
TRIZ有三种工具：①39个通用过程参数和40条发明原理；②物质—场模型和76个标准解；③效应原理解[4]。
图1 TRIZ 理论体系关系
2 基于功能技术矩阵的概念产品开发模式
在概念产品设计过程中，对未来需求的准确预测是成功的起点，准确的设计定位可以为企业赢得市场先机，在科学技术高度发展的今天，单纯利用现有的科技已经不能适应市场的竞争了，苹果、Google等企业的经验告诉我们，现在的产品研发必需具有超前意识，产品开发的模式也必须进行必要的调整；与此同时，如何将未来的需求用最低的成本、最令消费者满意的形式进行展现也是概念产品开发取得成功的另一关键。
隐性需求是与显性需求相对的，隐性需求可以通过一定的转化过程而表现为显性需求从而被企业和用户认知。为了在激烈的市场竞争中赢得先机，国际上比较知名的几大企业甚至提出引导消费者生活习惯的设计口号，在这种背景下，如何挖掘隐性需求成为设计师必须解决的难题。因此，本课题在研究概念产品开发的需求分析过程中，引入需求预测概念——即通过TRIZ预测理论及未来环境预测、归纳，发掘用户的隐性需求，以提升产品开发的创新性。
TRIZ技术进化理论中包含10条定律（或模式）与多条进化路线。这里的10条定律是指技术进化的10个方向。技术进化路线指出了某种技术进化的状态序列，实质是技术如何从一种状态移动到另一种新的状态，新旧状态所完成的基本功能相同，但性能极限提高，或成本降低，即产品沿进化路线进化的过程是新旧技术更替的过程。基于当前的产品技术所处的状态，按照进化路线，通过设计，可使其移动到新的状态。基于TRIZ中技术进化理论的预测结果可以帮助企业确定新产品开发战略机遇。
对未来进行预测，主要通过分析推导得出预期的环境变化、用户使用变化、审美、价值观变化等。这要求在产品开发过程中，多咨询、了解相关专家的科研预测成果，并对技术发展趋势进行充分调研，在后续的概念产品方案评价阶段对新技术、新工艺等应用于新产品中的提案进行中立环境下分析。在确定了用户的需求之后，如何将需求转换为结构随之成为概念产品开发的关键，此过程也称为求解过程，并且解的数量不是单一的，我们必须对解进行评价、取舍。在系统论设计方法的指导下，本研究综合产品开发中的单项技术、理论，并融入相关的预测技术，将功能技术矩阵与创造性解决问题理论相结合，以得到新型创新设计解决模式，对概念创新设计提出新思路、指导一般性概念产品设计。
应用于具体的概念产品开发过程中，本理论的操作流程为：获取需求信息需求转换为功能功能转换为结构方案评价。在此过程中，主要基于功能技术矩阵模型进行产品开发，运用TRIZ理论进行开发定位技术性预测、方案具体求解、方案评价。
2.1 需求设计
获取需求信息：为获得最充分、最全面的需求信息，产品研发团队应对消费者进行全面的需求调查，进行必要的访谈与产品使用观察实验；同时，设计师进行产品试用、专家访谈，以寻求产品缺陷及消费者潜在的需求。
获取隐性需求：隐性需求是指人们还没有意识到的、客观存在的需求。这种需求通常是设计师本人通过敏锐的感觉能力、训练有素并且善于观察和思考的头脑产生出的需求信息。
隐性需求是概念产品赢得未来市场的基础，是概念产品研发的重中之重。获取隐性需求的关键是进行未来预测，这要求我们要洞悉未来社会的发展趋势、人们的生活习惯、科技的动向、人们的审美等等， TRIZ中的技术进化理论为我们对技术的发展提供了未来预测的可能。
2.2 需求转换为功能功能转换为结构
按功能论设计方法进行功能定义、功能分类、功能整理、形成功能技术矩阵。与传统建立功能技术矩阵的方式不同，本研究模式融合了TRIZ创新理论原理（见图2），可以在产品设计过程中提出尽可能多的、有效的设计方案，正确反映设计提案的成本与设计品质，为设计师及企业决策者提供清晰的选择提案，可以有效提高产品设计方案的商业成功率、提升产品品质。
图2 TRIZ创新原理
具体操作步骤为：在建立功能技术矩阵过程中，先将前期的需求设计结果表述为具体的总体功能和分功能（与传统的产品开发过程不同，本研发模式为先确定理想的结果，不考虑具体的实现技术），运用TRIZ创新理论原理生成框架式的广义上的解，再把设计知识、制造知识、商业运作知识等诸多方面融合在一起，最终形成更广度范围内的创新设计方案，建立反映成本、设计品质、实现途径技术先进性等选项的概念产品设计方案多维矩阵模型（见图3），然后按照设定的权重对每个方案进行评分（公式参照式（1）），评分最高的选定为设计方案，进行产品量产、推广。
Si=ΣkjCiI （i=1，2，…n；j=1，2，…m） 式（1）
其中：
Si——第i 项方案的综合评分；
j——表示产品研发评价特性的指标个数；
kj——评价指标为j 时所对应的权重值；
i——产品分功能项；
I——可以实现产品分功能i项的技术途径项；
CiI——多维矩阵模型中可以实现产品分功能i项的技术途径项I的分值。
图3 概念产品设计方案多维矩阵模型
在利用“基于TRIZ、功能技术矩阵的概念产品开发模式”过程中，进行功能转换时，会遇到各种技术矛盾或物理矛盾，TRIZ技术提供了系统的解决方案，融合本多维矩阵模型的方案评价体系，按如下步骤进行：
（1）进行问题分析；
（2）确定理想状态产品所要具备的功能，包括总功能及各个分功能；
（3）查找效应库，解决各功能需求；
（4）对所得出的各个方案选取成本、技术先进性、品质、美学评价等方面进行综合评价，利用前文提到的方案权重综合评价公式进行评分，优选分值最高的方案。
关键词：创新；体制鼓励；科学方法；设计模型；创新资源；创新辅助系统；创新设计策略
1 新及创新设计概论
创新的起源可以追溯到1912年美籍经济学家熊彼特的《经济发展概论》，书中指出：创新是把一种新的生产要素和生产条件的“新结合”引入生产体系。包括5种情况：引入一种新产品，引入一种新的生产方法，开辟一个新的市场，获得原材料或半成品的一种新的供应来源，建立新的企业组织形式。熊彼特的创新概念包含的范围很广，涉及到技术性变化的创新以及非技术的组织性创新。
融合认知心理学的产品创新设计。设计是人类征服自然改造世界的基本活动之一，是人类为满足一定需求而进行的一种创造性活动的实践过程。人类文明的历史就是不断进行设计活动的历史。产品是设计结果的物质表现。产品设计是人类创造有使用价值的创新产品的实践过程，最终表现结果就是产品模型，其过程本质在于创造与革新。概念设计是设计过程中最具创新性的阶层，而设计者本身的作用也非常重要，因此有必要构建更符合人类思维模式的创新方法，或将现有的各类创新设计方法融入概念设计过程中，充分体现概念设计阶段的创造性，支持概念创新的实现。而可使用的技术有以下：
1.会聚技术：NBIC（Nano-Bio-Info-Cogno）会聚技术是国际上近几年提出的新概念，是指几个领域的科学的融合。而其结果所产生的巨大能量是不可估量的。任何技术的两两融合、三种会聚或者四者合成，都将产生难以想象的效能。美国将会聚技术认可为推动美国经济长期繁荣和增长的关键。会聚技术发起者达成了这样一个共识：最重要的是通过纳米科技、生物技术、信息技术、认知科学的融合发展，学科之间的壁垒，使这四种技术能发出最大的潜力，所以这个技术有着许多的发展领域和巨大的发展潜力。
2.信息技术：信息是人类认识世界和改造世界的知识源泉。对人类来说，不能有效地利用信息，就不会有人类文明的演化，社会的进步和科学的发展，就不能驾驭大自然。信息技术是指在信息的产生、获取、储存、传递、处理、显示、使用等方面能够扩展人的信息器官的技术。它随着人类对外部世界的认识能力的不断提高和而逐渐由低至高发展。
3.认知科学：认知科学的产生，受到了计算机科学、语言学、神经科学等学科的影响，是关于人类心智的多学科、跨学科的合作性研究，由心理学、计算机科学、语言学、人类学、神经科学和哲学6个领域的学科组成。认知科学探索人类智力如何由物质产生，是研究人类感知和思维信息处理过程的科学，如感知、语言、学习、记忆、思维、意识，研究领域包括从感觉的输入到复杂问题的求解。这个领域是一种全新的学科，引起了全世界科学家的关注。
（二）、产品创新设计的创新设计的创造力模型：心理学领域对于创造力的定义较为一致的看法是：根据一定的目的和任务，运用一切已知的信息，开展能动的思维活动，产生某种新颖的、独特的、具有社会价值的或个人价值的产品的智力品质。这里的产品是指以某种形式存在的思维成果，既可以是一种新概念、新设想、新理论，也可以是指以某种形式存在的思维成果。
融合会聚技术思想，以产品创新设计的创造力模型为理论基础，构建产品创新设计理论框架。产品创新设计过程是借助一定的设计规则和创新策略，对某种需求功能创造性设计方案的实现过程。该过程包括认知过程信息加工、创造思维方法、问题求解步骤、创新设计过程模型等内容。根据设计问题的角度的不同，采用不同的创新策略，利用不同的创新工具和创新方法，结合各种知识信息，最终得出创新概念方案。
2 产品创新设计的认知机理
人是设计的主体，研究产品创新设计的本质规律需要从设计者的角度探索设计固有的认知规律，即认知机理。本部分主要讨论了产品创新设计的认知机理，是关于创新设计内在属性的基本研究，是构建科学、系统的设计理论，产生符合设计规律的设计方法的认知基础。本部分主要介绍产品创新设计认知的规律、模型及研究方法。
（一）、产品创新设计认知机理的科学基础：现代认知心理学的主流是以信息加工观点研究认知过程，即把人看做一个积极的知识获得者和信息加工者。可以说，认知就是信息加工。人脑是一个信息加工系统，可以对表征信息的物理符号进行输入、编码、储存、提取、复制和传递，而这一过程的完成是系列性的，不同的加工任务和加工阶段由不同的认知结构来完成，这些相对独立的认知结构类似于计算机，即可以使用若干操作来处理符号。
记忆是指存储、提取过去的经验，并将这些信息用于当前的情景，是一种动态的机制。问题解决过程可视为一种信息加工过程，问题解的产生是人脑中各种信息之间相互碰撞而产生的，其关键是信息的刺激、存储、存储提取等。按照信息加工的观点，记忆是信息的输入、编码、储存等的过程，能更全面地体现信息加工系统的工作流程。
（二）、产品创新设计的认知机理及过程模型：通过研究产品创新设计创意方案生成的认知思维过程，探索产品创意方案生成的内在机理，构建全面、系统的符合认知机理规律的模型过程，进而实现设计者认知与产品设计过程的有机结合，帮助设计者有效地完成产品创新设计过程。
3 产品概念设计过程模型
设计是一种创造性的活动，其目的是为了物品、过程、服务及其在整个生命周期中构成的系统建立起多方面。创新设计过程的本质是融入了创新要素的概念设计过程。因此，创新设计过程的研究实际是对概念设计过程的研究。该研究具有创新性、多样性和层次性的特点，通过实现用户的某种需求与使用特性来实现其价值。
（一）、产品概念设计的定义及特征：在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计，即是考]设计问题的内容，并以方案的形式提出众多的解的设计阶段，一般认为，概念设计是指以设计要求为输入，以较优方案为输出的系统所包含的创新性思维工作流程。概念设计包括两个基本过程：方案综合设计过程与方案优化评价过程。
（二）、支持产品多级创新的概念设计过程模型：概念设计的目的是实现产品的功能需求，而功能设计的核心是创新。因此，如何有效地支持产品创新设计就成为概念设计模型所优先考虑的事情。功能设计模型经历了公理化设计、系统化设计、行为辅助模型、环境约束模型和拓展环境约束模型五个阶段。
产品概念设计过程模型是根据一定的设计理念，借助某种设计策略，基于普遍的设计过程对产品设计的一般过程进行规范，为设计过程提供设计思路，从而使整个设计过程在有序合理的过程中展开。在以“产品为中心”设计思路的指导下，设计人员提出了不少产品概念设计过程模型。传统的概念设计过程的一般步骤为：首先通过市场分析确认需求，再通过概念设计将总的需求目标转化为功能上的层次结构关系，并得到满足功能要求的求解方案。
4 产品创新设计策略
创新设计就是设定一个特定的目标，然后找到达到该目标的合适路径。设计问题是多种多样的，根据设计问题类型的不同，需要采用不同的求解和创新策略以及相应的设计方法。设计问题分类及形成创新求解策略决定着产品创新效率，是创新活动中的关键环节。正确的设计策略可以加速问题的解决，而不完善的设计策略则会限制创造性思维的发挥，阻碍问题的解决。
（一）、面向问题的产品创新设计策略：面向问题的创新目标是提高现有产品或系统的性能，解决现有产品或系统中影响主要问题，朝着理想化的目标前进。在这类设计中，所要设计的产品是已经存在的，但由于产品中存在问题缺陷或者存在改进的空间，因此需要将产品的性能进一步提升或将成本进一步降低。因为这类设计问题针对的是某种具体的技术问题，所以采用的策略是解决最小化问题，解决系统中的冲突，对系统进行改造。
（二）、面向目的的产品创新设计策略：面向目的的产品创新目标是设计一个全新产品或系统，可能现有产品或系统的主要功能改进已经达到了极限，因此不局限于现有产品或系统的问题，而是跳出现有系统，思考设计最终目的的是什么。是否有其他方法可以更好的达到此目的，采用的策略是解决最大化的问题和对系统的工作原理进行改变。
总之，为了实现每个人的人生目的和国家的发展目标，必须把创新放置在最重要的位置。长期以来，我国科技活动仍未摆脱跟踪模仿的局面，自主创新结果比较少，高精尖装备仪器严重依赖进口。造成这种局面的关键因素是：对科技创新工作的重视相对不够，科学思维培育相对落后，科学技术没有获得创新方法的有效支持。所以我们必须重视科技的创新技法与创新设计。
参考文献
[1]蔡文，杨春燕，何斌.可拓逻辑初步[M].北京：科学出版社，2003.
关键词：工程设计，概念设计，创造性思维，创新
1工程领域中的概念设计
现代科技的迅猛发展，尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的进展，使产品结构发生了革命性的变化，机电一体化、模块化已成为工程产品的发展趋势；计算机技术的飞速发展和广泛应用，深刻的影响着设计开发过程、制造过程、营销和售后服务过程，并改变着产品的结构和功能；先进工艺技术和先进制造技术为现代工程设计提供了前所未有的工艺技术手段和社会化制造体系。这些变化都深刻地影响着工程设计的发展。
工程设计是人们运用科技知识和方法，有目标地创造工程产品构思和计划的过程，几乎涉及到人类活动的全部领域。工程设计的费用往往只占最终产品成本的一小部分（8~15%），然而它对产品的先进性和竞争能力却起着决定性的影响,并往往决定70~80%的制造成本和营销服务成本。所以说工程设计是现代社会工业文明的最重要的支柱，是工业创新的核心环节，也是现代社会生产力的龙头。工程设计的水平和能力是一个国家和地区工业创新能力和竞争能力的决定性因素之一。
工程设计的全过程就是不断建立各种模型，并不断进行综合和分析的过程，即反复地创造模型和评价模型的过程。工程设计的内容大致可分为两类：一类是数值计算型的工作，包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格；另一类是符号推理性的工作，主要是方案设计工作。在设计方法学中，前者称之为细节设计，后者称之为概念设计。概念设计主要包括功能设计和结构设计两大部分。其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。然后进行评估和优化，确定整体设计方案。再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计中去，实现细节设计。可见概念设计是个创造性过程，它要求设计者能综合运用许多学科的专门知识和丰富的实践经验，并通过广泛的调查研究而占有大量的信息资料，再经过反复思考、推理和决策，才能创造出与众不同的、满足用户要求的设计方案来。
在工程设计领域中存在这样一个误区：设计、构思的原始冲动是三维概念，最终设计实施之结果即产品也是三维形体。可是多年来以二维绘图为基础的产品设计、制造模式严重地束缚了工程技术人员的创造力和想象力，成为创新的桎枯。
三维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现为概念设计和创新提供了一种极好的工作平台，设计师们可以直接从三维概念和构思入手，进行概念设计，形成产品的初步框架，然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质量、可靠性。这种设计方法尤其能充分发挥自顶向下的设计过程中,设计者的智慧和创新能力，不必拘泥于平面图纸的限制和束缚，而把主要精力聚焦于创造性的劳动——创新。
2概念设计与创造性思维和技术创新
2.1创造性思维及其特点
要设计就要有创新，而创新正是设计人员进行创造性思维的结果。设计人员要打破习惯性思维，变换角度，开阔视野，才能使自己的创造力得到更充分的发挥。创造性思维是指有创建的思维，即通过思维，不仅能揭示事物的本质，而且能在此基础上提供新的、具有社会价值的产物。创造性思维有扩散思维和集中思维、逻辑思维和形象思维、直觉思维和灵感思维等多种形式。在工程设计的概念设计中，要努力发掘创造性思维的能力，充分注意扩散思维和集中思维的辨证统一，准确把握逻辑思维和形象思维的巧妙结合，善于捕捉直觉思维和灵感思维的“闪光和亮点”，这样才有可能设计出新颖、独特、有创意的产品。
创造性思维具有如下一些特点：
（1）独创性：创造性思维所要解决的问题是不能用常规、传统的方式解决的问题。它要求重新组织观念，以便产生某种至少以前在思维者头脑中不存在的、新颖的、独特的思维。这就是它的独创性。独创性要求人们敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的陈规旧习挑战，敢于否定自己思想上的“框框”,从新的角度分析问题、认识问题。
（2）连动性：创造性思维又是一种连动思维，它引导人们由已知探索未知，开拓思路。连动思维表现为纵向、横向和逆向连动。纵向连动针对某现象或问题进行纵深思考，探询其本质而得到新的启发。横向连动则通过某一现象联想到特点与它相似或相关的事物，从而得到该现象的新应用。逆向连动则是针对现象、问题或解法，分析其相反的方面，从顺推到逆推，从另一角度探索新的途径。
（3）多向性：创造性思维要求向多个方向发展，寻求新的思路。可以从一点向多个方向扩散；也可以从不同角度对同一个问题进行思考、解决。
（4）善于想象：创造性思维要求思维者善于想象，善于结合以往的知识和经验在头脑里形成新的形象，善于把观念的东西形象化。爱因斯坦有一句名言：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”只有善于想象，才有可能跳出现有事实的圈子，才有可能创新。
（5）突变性：直觉思维、灵感思维是在创造性思维中出现的一种突如其来的领悟或理解。它往往表现为思维逻辑的中断，出现思想的飞跃，突然闪现出一种新设想、新观念，使对问题的思考突破原有的框架，从而使问题得以解决。
2.2概念设计呼唤技术创新
技术创新在概念设计中发挥着至关重要的作用。概念设计中技术创新的本质就是要在工程设计领域中发现某种新事物、提出某种新思想，在很多情况下是因为现有的产品不能满足社会（用户）的需求而激发出的新颖构思和创见。技术创新的基础是知识的积累和灵感的迸发，是设计人员进行创造性思维的结果。创新本身就意味着不拘一格，不局限也不依赖于某种特定的模式，以下诸多方面都是孕育技术创新的土壤：
（1）多项现有技术的有机结合或综合运用往往会产生意想不到的效果；
（2）对已有知识的创造性总结和应用常常带来重大的科技突破；
（3）突发奇想但经过科学论证或实验证明所产生的新思路、新方法、新技术；
（4）新知识与现有知识的合理嫁接；
（5）产品功能上的兼收并蓄和去粗取精；
（6）学科间的交叉、交融和借鉴；
（7）新技术、新材料、新工艺的有机结合及应用；
（8）科学研究中的新发现和新成果应用于工程实践……。
由此可以进一总结出多种行之有效的创新技法：
l智力激励法：又称集智法、智暴法。即通过集会让设计人员用口头或书面交流的方法畅所欲言、互相启发进行集智或激智，引起创造性思维的连锁反应；
l提问追溯法：根据研究对象系统地列出有关问题，逐个核对讨论，从中获得解决问题的办法和创造性发明的设想，或是针对新开发产品的希望点（或缺点），逐点深入分析，寻找解决问题的新途径；
l联想类推法：通过相似、相近、对比几种联想的交叉使用以及在比较之中找出同中之异、异中之同，从而产生创造性思维和创新的方案；
l反向探求法：采用背离惯常的思考方法，通过逆向思维、转换构思，从功能反转、结构反转、因果反转等方面寻求解决问题的新途径；
l系统搜索法：从一个初始状态开始，分析影响系统的各个参量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更换参数等方法获取系统的多种解法并求得最优解；
l组（综）合创新法：将现有的技术或产品通过功能原理、构造方法的组合变化，或者通过已知的东西作媒介，将毫无关联的不同知识要素结合起来，摄取各种产品的长处使之综合在一起，形成具有创新性的设计技术思想或新产品；
l知识链接法：创新是一个动态的和复杂的作用过程和知识流，它包括知识的产生、开发、转移和应用，这四个阶段构成一条“知识供应链”并按照下述原则进行管理：把技术创新过程作为一个集成化的系统，只有将所有涉及该过程的伙伴捆绑在一起，才能发挥最大作用，这些伙伴都应明确什么知识内容才能满足用户最大需求，知识转移的特征和形式是什么，最终用户是谁，他们何时需要使用这些知识？涉及创新的所有信息流和通信流对全体伙伴都是开放的，在每个知识供应者和知识使用者之间建立信息反馈，使信息交换更为有效，知识供应链中每一个伙伴能够感受到整个系统和他们自己都从中获得巨大利益，认识到自己是链中不可缺少的重要环节。该方法适于更大范围内、更高层面上的技术创新。
3工程设计领域中的概念设计技术创新实践
基于上述分析，我们提出了若干种含有技术创新的产品概念设计范例：
（1）采用先进的控制、驱动和定位系统，由局部小画面组成整体大画面的可变画面巨型灯箱广告机的设计；
（2）时速超过运七飞机的高速铁路机车车身外型设计，既要满足空气动力学性能，又要有美观的外型，三维CAD建模技术和NURBS曲线面理论的应用；
（3）适应于多弯道和小半径城市轨道交通环境下的摆式列车车身及减振转向架的设计；
（4）反求工程已广泛应用于一些具有复杂曲面的实物模型（如模具）的三维数据重构，不妨借鉴用来对生物医学图象进行数字图象处理，为医务人员的临床诊断和治疗提供更逼真的三维模型和实体模型；
（5）基于电动机——发电机可逆原理的新型电动自行车的设计，把（下坡时）车轮转动的动能所转化成的电能再回充给蓄电池，从而增加电动自行车蓄电池一次充电使用的续行距离；
（6）加工中心自动换刀功能的扩展，用于东风4（11）型内燃机车发动机端面多轴孔加工的自动换箱多轴箱设计；
（7）把列车检修工人的丰富经验升华为专家系统——基于加速度传感器和单片机控制的智能式检振锤的设计；
（8）虚拟轴机床（并联机床）的概念设计。
这里以铁路机车车身设计为例，对概念设计及创新的过程加以说明。
时速300公里以上的高速列车在欧美、日本等发达国家得到广泛应用。我国已通过论证并计划在下世纪初建设第一条（京沪）高速铁路。
当我们看到法国TGV（TraindelaGrandeVitesse）实验车速达到515.25公里／小时时，我们知道这已经超过了我国“运八”飞机的时速，设计师的头脑中自然应该产生这样的概念：时速300公里的铁路机车车头的外型也应该像飞机那样具有流线型和光顺性，才会有较好的动力学特性。“光顺”一词的几何意义是所构造的曲线、曲面应具有C2连续，且无奇点。从通俗的概念来理解，即为“光滑顺眼”之意。
由这些概念和构思出发，我们可以由整体构思和概念设计逐步进入流线型机车车身的细节设计环节。
铁路工业和汽车工业对车身外型设计的先进性和创新性的都有着一致和迫切的要求。归纳起来应是以下几个方面：
l具有良好的空气动力学特性，以减少在高速运行时的摩擦阻力。
l具有良好的结构布局及足够的强度和刚度。
l具有美学曲面的质感和动感，以美化生活和环境。
l尽可能短的设计和制造周期，以尽快地占领市场。
显然满足上述诸要求的车身外型曲面是相当复杂的，非一般常规曲面（如柱面、球面、锥面、环面等）所能表达。再者，若按常规设计、制造方法和过程来完成如此高要求的设计外型，则上述第四项要求更是高不可攀。只有积极谋求技术进步，大力推广应用CAD/CAM技术才是解决车身外型改型频繁、不断创新且满足上述各种要求的关键所在。
近十年来，CAD业界涌现出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer、MATRA的EUCLID、IBM的CATIA等等一系列优秀的CAD/CAM软件，为我们提供了一个极好的开发工具和环境。它们的三维实体建模、参数建模及复合（Hybrid）建模技术，实体与曲面相结合的造型方法，以及自由形式特征建模（FreeFormFeatureModeling）技术为我们的设计工作提供了强有力的工具。
这里具体地介绍如何使用UG的FreeFormFeature等功能，来实现车身外型的概念设计到细节设计。
UG的FreeFormFeatureModeling模块把实体建模和表面建模技术集成为一个功能十分强大的建模工具组，它支持复杂自由曲面的造型设计。它的复合建模技术，自由型面特征建模，可视化编辑，多组件装配，二维视图自动生成，尤其是伴随最新UGV14.0版本推出的全新概念设计WAVE（What-ifAlternativeValueEngineering）可使不同部门的工程师在设计的早期阶段，站在系统工程的角度，同时针对多种可供选择的方案进行评估，通过将设计意图组织到一个“控件结构”中去，使工程师十分有效地控制设计变更，而且所发生的变更会自动地传递到上级设计中去。
这里以创建流线型机车车身外型为例，具体步骤如下：
（1）根据前节所述模线的来源，本例参考法国TGV和德国ACE机车外型模板，并加以个性化修改。所选定的23条模型基线见于图1。
外形模型基线向等值半径线云图
以这一组模线为基础，采用UG的FreeFormFeature/ThroughCurve来创建曲面；采用Info/Analysis/FaceCurvature功能来观察和分析该曲面的光顺性，图2即为车身外型曲面及顶面法向半径等值线云图。
在构造模线的原始数据中可能有“瑕点”，或者仅凭“感觉”进行判断，创建的曲面不一定能完全满足C2连续的条件和光顺性的要求,可以通过光顺处理予以满足。图3是对其中一条模线进行光顺处理的过程。值得重视的是：获得一组光顺的模线是生成光顺曲面的必要条件。
采用光顺后的模线重新构造车身外型曲面。采用UG/Photo功能并指定材质，可进行着色、光照、渲染，以得到更为逼真的三维造型图。见图4。
图4机车车身三维造型图5机车车身二维投影图
（5）对机车车身裙部和头部下端，可采用Feature/Curve/Mesh功能分片进行创建。这里充分体现出UG软件对角域曲面的三维造型能力。
（6）机车车身三维造型基本实现之后，还可进一步作局部修改，由于UG软件的“相关”（Associative）能力,这里进行的修改将影响到它所关联的所有设计过程。
（7）三维造型细节设计完成之后，其各方向二维视图可由应用软件自动生成，设计人员不必再做重复工作。图5即为该机车车身外型的二维侧视图。
参考文献
[1]齐从谦.汽车覆盖件具CAD/CAM中的曲面特征造型及特征识别.中国机械工程:15~18
[2]熊鸣镝.三维设计将CAD应用引向深入.机电一体化.1997.(5):5~7
电影数字特技是对传统影像制作领域的一次革新，这并不单指新技术的应用，也是制作领域内各专业间高层次的整合，同时是对影像制作能力的更深层次的解构和重组；另一方面，电影制作的最小单位已由镜头转为屏幕上的每一个像素。数字技术完全可以凭空制造出每一个完全具有影像真实感的像素，这意味着影像制作能力的无限灵活性和完全的可控性。那么，随着这种“完全人工化影像”的技术不断进步和完善，将会为电影美学带来新的突破口，在影像的视觉表现形式上也将日益多样化。传统的影像制作手段、流程、创意和观念都必然发生重大改变。因此，只有具备了数字特技思维的创作者才能有效利用特技进行高层次的影像艺术创作。
一、电影数字特技设计思维的内涵包括：
1．主动的电影数字特技创作意识
主动的创作意识是指在掌握创作手段和应用规律后，以新技术或观念为指导，在电影创作观念、表现形式、叙事风格等诸多元素的构想中主动地运用新技术，充分运用技术在视觉审美、可实现性、成本控制等方面的优势，同时能够清楚地认识技术的局限性，最大限度地发挥技术优势，完成叙事功能。纵观电影发展历史，就是一部技术与艺术的互动史。只有充分掌握艺术和技术规律的创作者，才能发挥技术的优势，甚至能巧妙转化技术的局限性，达到艺术与技术的完美结合，与此同时，也推进了技术的完善和进步。
詹姆斯·卡梅隆执导的《阿凡达》是目前电影数字特技制作最高水平的代表，从其制作过程可以看出，卡梅隆具有一种主动的电影数字特技创作意识，“用高科技讲故事”的内涵正是以科技进步所提供的新的感知形式和创作意识来完成电影叙事的思想，“对我而言，科幻的美妙其实就是真实感的诱惑，就是创建一个让观众完全沉浸其中的、细腻的，充满质感的真实世界。wWW.133229.coM这些正是我想在《阿凡达》里做到的。”（[美]朱迪·邓肯，《真实感的诱惑》，载于《电影艺术》2010年第2期140页）卡梅隆从剧本创作到设备创新，从3d效果到虚拟摄影，数字技术已不单是一种技术性操作，而是卡梅隆的全新的创作意识。在《阿凡达》一片中，卡梅隆的电影数字特技创作意识体现在以下几个方面：
1）“……一个伟大演员的表演和一个优秀动画师的作品是相悖的……”，（[美]朱迪·邓肯，《真实感的诱惑》，149页）这的确是一语中的，说出了数字技术在模拟真人表演时的核心问题。纵观以往影片中的数字角色，大多是通过夸张的表演来表情达意，经不起特写镜头中对内心情感的揭示，因为人的表情信息太微妙了。艾伯特·麦拉宾关于人际沟通的研究表明，人们进行语言交流时，7%的信息来自对方的语言，38%来自对方的谈话方式（语气、语调等），55%来自表情。（任悦，《视觉传播概论》，中国人民大学出版社，2008年6月第一版，第4页。）可见人的表情的在传达情感时的意义，却是最难以觉察和把握的，伟大演员的魅力正在于此，也是数字角色通过夸张表演所要掩饰的。卡梅隆为了让数字女主角——纳美人妮特丽成为一名具有“真实”情感的演员，使用了paul ekman开发的fac（脸部运动编码系统），对人类面部表情进行量化并将其数字化；多角度拍摄真人演员的表演和表情，实现对真人表情的模拟。可以说，这是电影史上一个伟大“演员”的诞生，数字角色的表演达到了一个新的高度，这一高度不完全是技术上的，而是艺术创作追求所造就的。
2）工欲善其事，必先利其器，创作手段和方法会改变创作意识。卡梅隆深知这一点，为了让数字镜头达到与实拍一样的镜头感，他完善了虚拟摄影技术，实现了人机一体的操作方式。同时，使得虚拟摄影可以达到实时视觉呈现，这是将人对摄影的自然反映与虚拟视觉有机结合在一起。对于创作者而言，视觉信息的实时反馈是极为重要的，这是进行高效创作时进行信息交流、激发创造力的重要条件。从这一点可以看出，卡梅隆对技术的理解是多么的深刻，敏锐地认识到技术对艺术创作的局限所在和解决方向，并努力去突破。
3）《阿凡达》中所提供的新的视觉感知是全方位的。从3d立体感、令人心仪的妮特丽、自然的数字虚拟摄影镜头，这是最新科技在影像制作领域最高水准的组合，是影视制作的新思维的具体表现，势必会带动整个电影领域内创作者的意识更新，数字技术的应用将朝着更高层次的方向发展。
2．电影数字特技的创作理念
电影数字特技创作理念是新技术条件下，电影影像观念和手段都发生了革新，尤其是技术手段改变的同时带来了创作心理和创作体验乃至影像风格、视觉表现形式、视听语言的改变。影像的完全虚拟制作和拟真效果，带来了影像表现力和表现层次的丰富，影像可以承载更多的叙事指代，影像的语意表达更精准。影像在视觉呈现上要更容易激发观众深层心理的意象，产生更为广泛的共鸣。与之相应的是，创作者在对影像的把握上更注重对人类潜在的心理探寻，充分利用心理意象在审美中的作用，展示更丰富的人类情感世界。
3．电影数字特技的可操作性
电影数字特技是依托于高技术、大投入来实现的，并且在与影片叙事风格的结合上有一定的探索性，只有把握艺术要求、技术实现和预算周期等多方面的平衡点，才能在前期的数字特技设计时根据实际情况进行视觉效果设定和方案规划。
卡梅隆在《阿凡达》的创作中，前后耗时十余年，其中的原因之一就是技术的可操作性无法达到他的期望。为此，卡梅隆进行了长期的实http://验和研发，并通过拍摄实践来验证其技术的实现程度，积累经验。这说明，如果创作者对技术缺乏了解和实践，不在前期构思阶段考虑技术因素，是不可能有效利用数字特技进行艺术创作的。
4．整体数字特技设计策略
随着数字特技做为一种广泛应用的影像制作技术，在电影的制作中越来越多的镜头需要进行不同类型的数字技术处理，数字特技设计的对象已不再是单一的特技镜头画面设计，而是一整套结合电影叙事风格、摄影、美术等多角度考虑的整体设计及实施方案策略。
在1933年梅里安·c·库珀和欧内斯特·b·舍德萨克执导的《金刚》中，使用了大量传统特技手段，如背景放映、模型、逐格拍摄、绘画接景等。在电影技术不发达的时代，将多种原始复杂的影像制作技术融合在一起，需要前期细致的规划和以叙事为主导的整体技术应用策略。
整体特技设计策略是宏观把握影片中的特技运用，完全从叙事角度来考虑，没有对特技的整体性思考，很难保证技术、视觉和叙事形成有机的整体，这一点在电影特技体系更为复杂化、专业化的今天，显得尤为重要。
二、从概念→意象→影像
概念→意象→影像，就是从电影数字特技设计的创作和观影心理过程来考查创作者如何构思特技镜头的画面，在对其心理过程的探究中，找到电影数字特技设计中的思维特征。
1．概念与意象
当知觉形象作用于人的感观后，形象被进行抽象处理，形成概念和意象，这是两种不同的抽象过程。概念源于一般的、逻辑的抽象形式，并进而产生符号，其特征是逻辑的，语言的，可称为“思想的图解”。意象是更为高级的抽象形式，是人的思维中进行高级运算的“筹码”，其总体特征为“总是显得模糊、短暂、破碎和残缺不全，因而几乎不可能加以描绘”，“是包容着理解和情感倾向的复合性心理构成”，“使无数形象的浓缩、积淀”。（ [美] 苏珊·朗格 著，《艺术问题》，南京出版社，2006年1月第一版，第146页）意象是人对外界信息进行主观情感性把握的高级形式，也正是视觉思维和艺术思维的运作形式，审美意象正是艺术作品的内在形式，而当这种内在形式被转化为某种外在表现形式时，就是艺术作品。优秀的艺术作品就是通过形象来传达创作者的负载着情感和信息的审美意象，并在观赏者的心中激发审美意象，调动观众的情感，因此艺术作品又被称为“有意味的形式”。（ [美] 苏珊·朗格 著，《艺术问题》，第144页）
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2．创作意象
德国格式塔心理学家惠特海姆在《创造性思维》一书中对与创造性思维过程有详细的论述。其中，“他提出了艺术和音乐家等创作思维的特征，在艺术创作中，人们似乎并不是首先看到问题情境中的特点和要求，反而是先模糊地感受到想要获得的结果的某些特征，并产生强烈的想要实现这一结果的冲动，……最初当目标非常模糊的时候，艺术家处于一种胶着状态，但结果的形象逐渐变得清晰，并逐步掌握各个组成部分。”（柳沙 编著，《设计艺术心理学》，清华大学出版社，2006年7月第一版，第366页）所谓的“艺术创作对于结果的那种模糊的预见”就是创作者头脑中的一种意象，上述论点说明，在艺术创作中，各种元素——情感、形式、联系、刺激、问题、经验都如同氤氲飘荡的云烟，构成一个变幻的不稳定的意象，这种意象正是艺术家对某种存在的最直接的把握，并以一种切身的情感体验和意象被获知，然后经过不断的努力和尝试，将这种意象所承载的意蕴以具体的艺术形式表现出来。
在影像制作中，创作者根据电影叙事情节的需要，运用独特的视觉思维，在头脑中运用意象进行思维，同时植入各种概念、情感和信息，以视觉形象表现出来。观众也同样是对视听刺激进行感知，并激发产生审美意象。对于数字特技设计而言，首先是通过构建虚拟影像的真实感，进而产生心理真实，充分调动观众内心中的各种视觉积淀和意象，构建虚拟影像空间概念，调动观众情绪，以此为电影叙事服务。
三 电影数字特技设计中的概念化表达
在电影数字特技设计中对视觉概念的表达是首要的，优秀的视效设计是以视觉影像来调动观众头脑中的常规概念，并将其重新整合构建起崭新的概念，在新概念的审美情景下，进一步展开叙事功能，传达情感。新概念的构建是一个逐渐积累，由一般到特殊，由现实到想象的过程。新概念不能是凭空出现的，其构建的过程也是按照一定的秩序和方式进入到人的头脑里，并形成不同的关系和形式。
现代科技的迅猛发展，尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的进展，使产品结构发生了革命性的变化，机电一体化、模块化已成为工程产品的发展趋势；计算机技术的飞速发展和广泛应用，深刻的影响着设计开发过程、制造过程、营销和售后服务过程，并改变着产品的结构和功能；先进工艺技术和先进制造技术为现代工程设计提供了前所未有的工艺技术手段和社会化制造体系。这些变化都深刻地影响着工程设计的发展。
工程设计是人们运用科技知识和方法，有目标地创造工程产品构思和计划的过程，几乎涉及到人类活动的全部领域。工程设计的费用往往只占最终产品成本的一小部分（8~15%），然而它对产品的先进性和竞争能力却起着决定性的影响,并往往决定70~80%的制造成本和营销服务成本。所以说工程设计是现代社会工业文明的最重要的支柱，是工业创新的核心环节，也是现代社会生产力的龙头。工程设计的水平和能力是一个国家和地区工业创新能力和竞争能力的决定性因素之一。
工程设计的全过程就是不断建立各种模型，并不断进行综合和分析的过程，即反复地创造模型和评价模型的过程。工程设计的内容大致可分为两类：一类是数值计算型的工作，包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格；另一类是符号推理性的工作，主要是方案设计工作。在设计方法学中，前者称之为细节设计，后者称之为概念设计。概念设计主要包括功能设计和结构设计两大部分。其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。然后进行评估和优化，确定整体设计方案。再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计中去，实现细节设计。可见概念设计是个创造性过程，它要求设计者能综合运用许多学科的专门知识和丰富的实践经验，并通过广泛的调查研究而占有大量的信息资料，再经过反复思考、推理和决策，才能创造出与众不同的、满足用户要求的设计方案来。
在工程设计领域中存在这样一个误区：设计、构思的原始冲动是三维概念，最终设计实施之结果即产品也是三维形体。可是多年来以二维绘图为基础的产品设计、制造模式严重地束缚了工程技术人员的创造力和想象力，成为创新的桎枯。
三维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现为概念设计和创新提供了一种极好的工作平台，设计师们可以直接从三维概念和构思入手，进行概念设计，形成产品的初步框架，然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质量、可靠性。这种设计方法尤其能充分发挥自顶向下的设计过程中,设计者的智慧和创新能力，不必拘泥于平面图纸的限制和束缚，而把主要精力聚焦于创造性的劳动——创新。
2概念设计与创造性思维和技术创新
2.1创造性思维及其特点
要设计就要有创新，而创新正是设计人员进行创造性思维的结果。设计人员要打破习惯性思维，变换角度，开阔视野，才能使自己的创造力得到更充分的发挥。创造性思维是指有创建的思维，即通过思维，不仅能揭示事物的本质，而且能在此基础上提供新的、具有社会价值的产物。创造性思维有扩散思维和集中思维、逻辑思维和形象思维、直觉思维和灵感思维等多种形式。在工程设计的概念设计中，要努力发掘创造性思维的能力，充分注意扩散思维和集中思维的辨证统一，准确把握逻辑思维和形象思维的巧妙结合，善于捕捉直觉思维和灵感思维的“闪光和亮点”，这样才有可能设计出新颖、独特、有创意的产品。
创造性思维具有如下一些特点：
（1）独创性：创造性思维所要解决的问题是不能用常规、传统的方式解决的问题。它要求重新组织观念，以便产生某种至少以前在思维者头脑中不存在的、新颖的、独特的思维。这就是它的独创性。独创性要求人们敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的陈规旧习挑战，敢于否定自己思想上的“框框”,从新的角度分析问题、认识问题。
（2）连动性：创造性思维又是一种连动思维，它引导人们由已知探索未知，开拓思路。连动思维表现为纵向、横向和逆向连动。纵向连动针对某现象或问题进行纵深思考，探询其本质而得到新的启发。横向连动则通过某一现象联想到特点与它相似或相关的事物，从而得到该现象的新应用。逆向连动则是针对现象、问题或解法，分析其相反的方面，从顺推到逆推，从另一角度探索新的途径。
（3）多向性：创造性思维要求向多个方向发展，寻求新的思路。可以从一点向多个方向扩散；也可以从不同角度对同一个问题进行思考、解决。
（4）善于想象：创造性思维要求思维者善于想象，善于结合以往的知识和经验在头脑里形成新的形象，善于把观念的东西形象化。爱因斯坦有一句名言：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”只有善于想象，才有可能跳出现有事实的圈子，才有可能创新。
（5）突变性：直觉思维、灵感思维是在创造性思维中出现的一种突如其来的领悟或理解。它往往表现为思维逻辑的中断，出现思想的飞跃，突然闪现出一种新设想、新观念，使对问题的思考突破原有的框架，从而使问题得以解决。
2.2概念设计呼唤技术创新
技术创新在概念设计中发挥着至关重要的作用。概念设计中技术创新的本质就是要在工程设计领域中发现某种新事物、提出某种新思想，在很多情况下是因为现有的产品不能满足社会（用户）的需求而激发出的新颖构思和创见。技术创新的基础是知识的积累和灵感的迸发，是设计人员进行创造性思维的结果。创新本身就意味着不拘一格，不局限也不依赖于某种特定的模式，以下诸多方面都是孕育技术创新的土壤：
（1）多项现有技术的有机结合或综合运用往往会产生意想不到的效果；
（2）对已有知识的创造性总结和应用常常带来重大的科技突破；
（3）突发奇想但经过科学论证或实验证明所产生的新思路、新方法、新技术；
（4）新知识与现有知识的合理嫁接；
（5）产品功能上的兼收并蓄和去粗取精；
（6）学科间的交叉、交融和借鉴；
（7）新技术、新材料、新工艺的有机结合及应用；
（8）科学研究中的新发现和新成果应用于工程实践……。
由此可以进一总结出多种行之有效的创新技法：
l智力激励法：又称集智法、智暴法。即通过集会让设计人员用口头或书面交流的方法畅所欲言、互相启发进行集智或激智，引起创造性思维的连锁反应；
l提问追溯法：根据研究对象系统地列出有关问题，逐个核对讨论，从中获得解决问题的办法和创造性发明的设想，或是针对新开发产品的希望点（或缺点），逐点深入分析，寻找解决问题的新途径；
l联想类推法：通过相似、相近、对比几种联想的交叉使用以及在比较之中找出同中之异、异中之同，从而产生创造性思维和创新的方案；
l反向探求法：采用背离惯常的思考方法，通过逆向思维、转换构思，从功能反转、结构反转、因果反转等方面寻求解决问题的新途径；
l系统搜索法：从一个初始状态开始，分析影响系统的各个参量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更换参数等方法获取系统的多种解法并求得最优解；
l组（综）合创新法：将现有的技术或产品通过功能原理、构造方法的组合变化，或者通过已知的东西作媒介，将毫无关联的不同知识要素结合起来，摄取各种产品的长处使之综合在一起，形成具有创新性的设计技术思想或新产品；
l知识链接法：创新是一个动态的和复杂的作用过程和知识流，它包括知识的产生、开发、转移和应用，这四个阶段构成一条“知识供应链”并按照下述原则进行管理：把技术创新过程作为一个集成化的系统，只有将所有涉及该过程的伙伴捆绑在一起，才能发挥最大作用，这些伙伴都应明确什么知识内容才能满足用户最大需求，知识转移的特征和形式是什么，最终用户是谁，他们何时需要使用这些知识？涉及创新的所有信息流和通信流对全体伙伴都是开放的，在每个知识供应者和知识使用者之间建立信息反馈，使信息交换更为有效，知识供应链中每一个伙伴能够感受到整个系统和他们自己都从中获得巨大利益，认识到自己是链中不可缺少的重要环节。该方法适于更大范围内、更高层面上的技术创新。
3工程设计领域中的概念设计技术创新实践
基于上述分析，我们提出了若干种含有技术创新的产品概念设计范例：
（1）采用先进的控制、驱动和定位系统，由局部小画面组成整体大画面的可变画面巨型灯箱广告机的设计；
（2）时速超过运七飞机的高速铁路机车车身外型设计，既要满足空气动力学性能，又要有美观的外型，三维CAD建模技术和NURBS曲线面理论的应用；
（3）适应于多弯道和小半径城市轨道交通环境下的摆式列车车身及减振转向架的设计；
（4）反求工程已广泛应用于一些具有复杂曲面的实物模型（如模具）的三维数据重构，不妨借鉴用来对生物医学图象进行数字图象处理，为医务人员的临床诊断和治疗提供更逼真的三维模型和实体模型；
（5）基于电动机——发电机可逆原理的新型电动自行车的设计，把（下坡时）车轮转动的动能所转化成的电能再回充给蓄电池，从而增加电动自行车蓄电池一次充电使用的续行距离；
（6）加工中心自动换刀功能的扩展，用于东风4（11）型内燃机车发动机端面多轴孔加工的自动换箱多轴箱设计；
（7）把列车检修工人的丰富经验升华为专家系统——基于加速度传感器和单片机控制的智能式检振锤的设计；
（8）虚拟轴机床（并联机床）的概念设计。
这里以铁路机车车身设计为例，对概念设计及创新的过程加以说明。
时速300公里以上的高速列车在欧美、日本等发达国家得到广泛应用。我国已通过论证并计划在下世纪初建设第一条（京沪）高速铁路。
当我们看到法国TGV（TraindelaGrandeVitesse）实验车速达到515.25公里／小时时，我们知道这已经超过了我国“运八”飞机的时速，设计师的头脑中自然应该产生这样的概念：时速300公里的铁路机车车头的外型也应该像飞机那样具有流线型和光顺性，才会有较好的动力学特性。“光顺”一词的几何意义是所构造的曲线、曲面应具有C2连续，且无奇点。从通俗的概念来理解，即为“光滑顺眼”之意。
由这些概念和构思出发，我们可以由整体构思和概念设计逐步进入流线型机车车身的细节设计环节。
铁路工业和汽车工业对车身外型设计的先进性和创新性的都有着一致和迫切的要求。归纳起来应是以下几个方面：
l具有良好的空气动力学特性，以减少在高速运行时的摩擦阻力。
l具有良好的结构布局及足够的强度和刚度。
l具有美学曲面的质感和动感，以美化生活和环境。
l尽可能短的设计和制造周期，以尽快地占领市场。
显然满足上述诸要求的车身外型曲面是相当复杂的，非一般常规曲面（如柱面、球面、锥面、环面等）所能表达。再者，若按常规设计、制造方法和过程来完成如此高要求的设计外型，则上述第四项要求更是高不可攀。只有积极谋求技术进步，大力推广应用CAD/CAM技术才是解决车身外型改型频繁、不断创新且满足上述各种要求的关键所在。
近十年来，CAD业界涌现出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer、MATRA的EUCLID、IBM的CATIA等等一系列优秀的CAD/CAM软件，为我们提供了一个极好的开发工具和环境。它们的三维实体建模、参数建模及复合（Hybrid）建模技术，实体与曲面相结合的造型方法，以及自由形式特征建模（FreeFormFeatureModeling）技术为我们的设计工作提供了强有力的工具。
这里具体地介绍如何使用UG的FreeFormFeature等功能，来实现车身外型的概念设计到细节设计。
UG的FreeFormFeatureModeling模块把实体建模和表面建模技术集成为一个功能十分强大的建模工具组，它支持复杂自由曲面的造型设计。它的复合建模技术，自由型面特征建模，可视化编辑，多组件装配，二维视图自动生成，尤其是伴随最新UGV14.0版本推出的全新概念设计WAVE（What-ifAlternativeValueEngineering）可使不同部门的工程师在设计的早期阶段，站在系统工程的角度，同时针对多种可供选择的方案进行评估，通过将设计意图组织到一个“控件结构”中去，使工程师十分有效地控制设计变更，而且所发生的变更会自动地传递到上级设计中去。
这里以创建流线型机车车身外型为例，具体步骤如下：
（1）根据前节所述模线的来源，本例参考法国TGV和德国ACE机车外型模板，并加以个性化修改。所选定的23条模型基线见于图1。
外形模型基线向等值半径线云图
以这一组模线为基础，采用UG的FreeFormFeature/ThroughCurve来创建曲面；采用Info/Analysis/FaceCurvature功能来观察和分析该曲面的光顺性，图2即为车身外型曲面及顶面法向半径等值线云图。
在构造模线的原始数据中可能有“瑕点”，或者仅凭“感觉”进行判断，创建的曲面不一定能完全满足C2连续的条件和光顺性的要求,可以通过光顺处理予以满足。图3是对其中一条模线进行光顺处理的过程。值得重视的是：获得一组光顺的模线是生成光顺曲面的必要条件。
采用光顺后的模线重新构造车身外型曲面。采用UG/Photo功能并指定材质，可进行着色、光照、渲染，以得到更为逼真的三维造型图。见图4。
图4机车车身三维造型图5机车车身二维投影图
（5）对机车车身裙部和头部下端，可采用Feature/Curve/Mesh功能分片进行创建。这里充分体现出UG软件对角域曲面的三维造型能力。
（6）机车车身三维造型基本实现之后，还可进一步作局部修改，由于UG软件的“相关”（Associative）能力,这里进行的修改将影响到它所关联的所有设计过程。
（7）三维造型细节设计完成之后，其各方向二维视图可由应用软件自动生成，设计人员不必再做重复工作。图5即为该机车车身外型的二维侧视图。
摘要：本文论述了工程领域中的概念设计的主要原理和功能；阐述了概念设计与创造性思维和技术创新的内在联系；举出了各种创造性思维的形式并分析了其特点；强调技术创新在概念设计中的重要的作用；根据作者本人所在的设计群体多年来的设计经验和体会总结出一系列的创新技法，并结合工程设计领域中的概念设计创新实践，列举了若干种含有技术创新的产品概念设计范例。
关键词：工程设计，概念设计，创造性思维，创新
参考文献
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[2]熊鸣镝.三维设计将CAD应用引向深入.机电一体化.1997.(5):5~7
工业设计在现代企业在生产制造过程中占据重要地位，其设计质量高低直接影响到后续企业产品生产质量。相较于国外的工业设计研究，我国起步较晚，无论是在理论层面还是技术方面，均存在很大的不足和劣势，尤其是在工业设计中产品概念设计，代表性的科研成果仍然缺少。由此看来，加强工业设计中产品的概念设计是十分有必要的，有助于赋予产品更为新鲜的元素，提升企业市场竞争力。本文主要就工业设计中产品概念设计进行分析，客观阐述工业设计中产品概念设计要素以及设计方法，以求为后续理论研究和实践工作开展提供参考价值。
关键词：
工业设计；产品概念设计；设计方法；色彩因素；形态因素
现代科学技术的快速发展，大量先进技术逐渐广泛应用在各个行业领域，对于工业产品设计而言，在一定程度上促使产品结构出现了根本性的变革。总的说来，工业产品设计主要是人们通过现代科学技术和理论知识，有意识地构思产品设计流程，其中包括人类活动的众多领域内容。可以说，工业设计水平高低直接影响到一个地区或者国家市场竞争能力大小，具有较为深远的意义。工业产品设计中产品概念设计需要设计师具备较高的专业素质以及设计经验，能够结合实际设计需求，将更多新鲜元素融入其中，设计出一个总体框架，在这个框架基础上，运用专业知识以及加工工艺，赋予工业产品更深次的内涵和性能，以求更好地满足消费者的个性化需求。
一、工业设计中产品概念设计概述
产品概念设计主要是指在明确任务目标后，通过一系列抽象化的功能结构，寻求适合的作用原理，寻求最为合理的设计方案，这一过程称为概念设计[1]。而工业设计中产品概念设计是指从产品缺口到建立模型的过程中，不断进行分析和整合，对模型进行创造性的评价。总的说来，工业设计中一方面包含了大量数值计算性的工作，诸如计算分析、绘图以及填写表格等，另一方面是概念设计工作，主要是创造产品设计具体方案。概念设计贯穿于产品设计的各个环节，从市场缺口、到产品定位的模糊前期再到结构设计以及功能设计。在产品设计早期阶段，根据社会条件形成的市场需要和经济技术条件确定产品的模糊前期（SET因素），形成产品开发的模糊概念和定性分析，根据前期定位将产品功能需求和设计思路进行细化和求解，将内容展现为大致的设计框架，组成框架的模块和组件，来完成产品的设计方案。而设计师的概念设计贯穿整个过程，并对初步设计完成的设计方案进行造型构思，最后结合实际条件需求形成最终的设计方案。随后，将设计完成的方案分配到具体设计中，对方案中具体细节进行推敲，在这个过程中，需要充分考虑设计者的创造能力，自身学科知识储备以及设计经验的丰富，以及是否能够结合资料数据进行推理和决策，这样才能创造出更符合消费者个性化的设计需求[2]。概念设计并非是简单的传统意义上的方案设计，其内涵更为广泛、有深度，根据产品生命周期对产品功能进行创造、分解以及结构设计，是一个设计创造过程，同时也是一个实验求解过程，从而满足各项设计需求和指标，从多项设计方案中选择最为合理的设计方案。概念设计过程中，设计人员需要具备较高的专业知识和设计经验，能够与时俱进采用更为先进的设计方法和商用运作知识，才能更为全面地应对消费者个性化的设计需求[3]。
二、工业设计中产品概念设计特性
其一，创新性。无论是工业产品设计还是其他产品设计，最突出的特点就是追求创新性，作为设计的核心要素，只有不断地进行创新才能得到性能优良，更富有竞争力的工业产品，从多种设计方案中选择一种最为合理的设计方案，吸收其他方案的优点，形成一种创新型设计方案[4]。其二，多样性。工业设计中产品概念设计的多样性特点主要表现在设计结果的多样化，以及设计思路多样化。根据设计事理学方法论，同一产品因其人、事、物、场的不同会形成不同的功能需求，因此在概念设计时会产生完全不同的设计思路，选择的设计方法同样存在明显差异。诸如在椅子的设计中，室内椅、室外椅、交通工具座椅、咖啡馆椅的设计概念会因椅子所处的环境和使用者的不同形成不同的解决思路。其三，层次性。对工业设计中的产品概念设计主要反映在功能、载体结构方面，产品的功能定义和功能分解反映在功能层，结构修改和变异作用在结构层，将两种层面连接起来，从而形成产品的设计层次[5]。无论是功能层还是结构层，自身具有一定的层次关系，层层递进，不同层次功能对应不同的层次结构。
三工业设计中产品概念设计的一般方法和设计因素
（一）工业设计中产品概念设计的一般方法产品概念设计时选择合理的设计方法，对于设计价值提升有着较为突出的作用，同时也能够体现出设计师自身的综合设计能力。一般情况下，工业设计中产品概念设计方法主要包括以下几个方面：其一，联想法，在工业产品开发过程中，可以在原有产品性能以及技术基础上进行联想，构思新产品的功能和形态，从而完成工业产品设计，同样可以在其他领域产品基础上进行联想，为工业产品设计提供构思基础；其二，仿生学法，通过对自然界的感悟来寻求设计灵感，观察某一种生物的结构和形态，将此类元素融入到工业产品设计中；其三，缩小和扩大法，将工业产品的局部设计点；其四，逆向思维法，设计师在设计过程中，主要是采用传统设计思维，可以通过对逆向思考产品原有的顺序或者设计方法，来获得设计灵感；其五，类比法，就某种产品而言，一经推出，市场可能会出现众多类似产品，通过对产品的设计比较，能够发现其他产品中创新的思维和方法，完善自身，设计出更为新颖的工业产品[6]。
（二）工业设计中产品概念设计需要考虑的因素功能因素。工业产品概念设计时需要充分考虑到产品的功能，只有功能得到创新才能吸引更多的消费者。功能是产品的实质性要求，消费者购买的并非是产品本身，而是产品所提供的功能。所以，在产品设计时以产品功能因素为核心，进行优化设计，提供可行的功能设计方案。构成因素。产品概念设计需要考虑到产品构成要素，对这些构成要素进行分解和组合，取得最为优秀的产品，将其称之为优化过程。设计师在对各种元素进行优化组合，结合实际工业产品设计需求，形成最为合理的设计方案。由此看来，对产品构成要素进行设计有助于实现产品的优化。形态因素。工业设计中产品概念设计过程中需要运用多种学科理论，涉及层面较广，结合实际设计需求进行设计，总的说来，设计师在产品概念设计过程中需要协调不同形态因素之间的关系，合理配置形态因素和知识，实现产品形态最优。色彩因素[7]。作为产品构成中不可或缺的组成部分，色彩因素的合理搭配往往能够带给人们更为强烈的视觉冲击，无形中影响着人们对于工业产品的客观评价。在工业设计中产品概念设计时，充分考量色彩因素，结合实际设计需求进行配置，有助于借助色彩来刺激消费者内心感知，感悟工业产品设计中的内涵，同设计师产生灵魂的共鸣，直观地感受到设计师想要通过工业产品来传递的思想和内容，为产品带来附加值，激发消费者购买欲望，赢得消费者的青睐，提升产品经济效益。
四、工业设计中产品概念设计
（一）概念设计阶段工业设计中产品概念设计主要可以分为三个阶段，其一是概念产生阶段、选择阶段以及实现阶段，其中概念的产生阶段主要是指通过分析趋势、创新技术、经济条件等调研获得产品开发方向，形成模糊的产品设计方向，将所有设计思路梳理清楚，明确有待解决的问题，合适的设计方法。对于其中存在的问题有针对性的提出解决方案，在众多解决方案中选择最优的解决方案，即概念设计方案。其二，概念选择阶段，确立评判标准，从众多概念中选择切实可行的方案，其主要选择方式有外部决策、多数表决以及辩论等，在实际应用中较为切实有效[8]。其三。概念实现阶段，将选择出来的概念设计方案制作出模型或者实际产品，实现概念设计。
（二）概念设计关键点创造性思维。工业设计中产品概念设计中融入创造性思维是必不可少的，同时也是设计的灵魂关键，需要设计人员进行创造性思考，获得创新。所以，应注重强化培养设计人员创造性思维能力，不断完善自身专业设计能力和工作经验，将逻辑思维和形象思维巧妙结合在一起，创造出更为新颖独特的工业产品[9]。技术创新。在工业设计中产品概念设计中，技术创新具有至关重要的作用，其本质就是挖掘新鲜事物，提出更为新颖的设计理念，但是在多数情况下设计的产品无法满足人们日益增长的需求。技术创新是知识的积累和灵感的勃发，单一的技术创新并不具备实际应用价值，只有将创新技术实际应用在产品设计中，这种技术突破性创新才富有实际意义，提升产品经济效益。应用虚拟现实技术。虚拟现实技术应用在工业产品概念设计中，有助于概念设计更好而满足市场需求，趋于市场化发展。为了能够更好地满足市场需求，虚拟现实技术能够为工业产品概念设计带来更大优势，当消费者面对一种虚拟的富有故事情境的产品，能够带给消费者一种直观的互动感受，加强设计师同消费者之间的共鸣，带来别样的感受。此外，这样的产品设计能够大大降低市场风险，为企业决策人提供更好的发展依据，提升市场竞争力。
五、结论
工业设计中产品概念设计并非是针对某一种产品的创新和完善，旨在将全新的生活方式和诉求带给消费者，吸收更多新鲜元素融入其中，促使工业产品更为贴近人们的日常生活。所以，工业产品设计师应敢于创新，借助巧妙的设计方法，更好的迎合市场需要，提升企业市场竞争力，谋求更长远的发展。
参考文献
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