引 言 設計是一個需要多種專門知識和實踐經(jīng)驗的工作，包含分析、綜合、分解及評價等多個過程，是對合理需求給出正確實現(xiàn)的一種創(chuàng)造性活動。工程設計的最高境界是具有創(chuàng)造性，發(fā)明創(chuàng)造正是科學技術賴以發(fā)展繁榮的核心。產(chǎn)品設計是一項最具創(chuàng)造性的工作，但到目前為止，對創(chuàng)新設計的研究成果還不多見。
盡管創(chuàng)新設計已不再籠罩在“天賦論”和“遺傳論”的神秘光環(huán)下，但到目前為止，創(chuàng)造還不是任何人可以完成的。雖然也有一些創(chuàng)新設計的研究成果，但主要是針對創(chuàng)造性思維的不同側面的研究，還沒有形成一個完整的理論，如頭腦風暴法、組合創(chuàng)新法及類比方法等，主要是對關于如何有效地實現(xiàn)創(chuàng)新性這一現(xiàn)象的總結；而關于創(chuàng)造性思維過程的有：創(chuàng)造性思維的四階段論和兩階段論，后者將創(chuàng)造性思維分為明顯的兩個階段即變陌生為熟悉和從熟悉變陌生。這些主要給出了創(chuàng)造性思維過程的宏觀描述；針對設計問題，Gero認為可以分為三類：常規(guī)設計，革新設計和創(chuàng)造性設計。如何實現(xiàn)后兩種，也沒有一個明確的方法，即使關于什么是創(chuàng)新設計也沒有準確的定義。
那么創(chuàng)新設計的本質是什么?其主要障礙又是什么?在計算機飛速發(fā)展的今天，利用計算機技術能解決創(chuàng)新設計的哪些問題?對于這些問題的回答，將有助于更深入地理解創(chuàng)造性設計的意義，將有助于區(qū)分創(chuàng)造性設計中的哪些工作是影響其在計算機上實現(xiàn)的關鍵因素，分清哪些工作可以借助于現(xiàn)有的計算機技術來完成，哪些工作仍然需要由人來完成。
本文從資源模型入手， 首先探討了設計方法的共性及創(chuàng)新設計與一般的設計工作的不同點， 在進一步研究設計過程性質的基礎上， 給出了創(chuàng)造性設計的一種分類方式， 并指出了各類設計的難點及可以采用計算機實現(xiàn)的部分。
1 對資源的再認識
資源：設Q，V為資源R的本體與變體，其中q1,q2,…,qi,…,qn,為本體的永真命題qi1,qi2,…,qim為qi的等價永真命題，則本體可表示為
Q←→q1∧q2 ∧…(qi∧qi1∧…qi2∧…∧qim)∧…∧qn,
變體中變量為v1,v2,…,vk,相應的值域為D1,D2,…,Dk,則變體可表示為D=D1×D2×…×Dk,D′為滿足Q約束的子集，D′稱為資源的變化范圍，dk=(d1,d2,…dk)是資源中的一個點。(Q,dk)稱為資源R的實例資源。資源R可表示為
資源的本體與變體從不同側面描述了資源，只有二者的有機結合才是對資源的完整描述。資源的變體實際上是該資源本體約束下的資源的可行空間。
資源本體中的永真命題在產(chǎn)品開發(fā)中要么稱資源的性質，要么稱資源的特點或功能，這些都是產(chǎn)品開發(fā)中資源選擇的依據(jù)，為了討論的方便，以下統(tǒng)稱為資源的性質。
在產(chǎn)品開發(fā)中，設計人員利用的是資源本體的性質，在產(chǎn)品資源中起作用的基本單元是資源本體中的性質，設計人員思考與使用的基本單元是資源，思考時是以人類概念資源為基本單元，使用時是以客觀世界的具體物質資源為基本單元。
在設計中，設計人員所關心的是資源本體中可以利用的性質，所選用的是資源本體中的一個或幾個性質，而不是所有性質。一個資源本體有多個性質，性質起作用的方式多種多樣，不同的性質可以產(chǎn)生不同的作用，可以用于不同的目的，也可以用于同一個目的，而一個性質也可以用于不同的目的，這都取決于資源的使用方法。
一個資源本體具有多個性質，資源的價值就在于其性質，性質依附于資源，不能獨立于資源而存在，而這些性質的存在是不以人的意志為轉移的，當我們選用資源時，不管我們是否喜歡這些性質，它都客觀存在于所選用的資源本體中。其中對設計有益的性質會起作用，對設計無益甚至起反作用的性質也會起作用。設計中，要利用有益的性質，處理有害的性質。例如在造船中，之所以選擇鋼材是要利用其在剛度、強度方面所具有的性質，而不是利用其易于生銹的性質，更不是利用其比重大于水的于造船無益的性質。
由于產(chǎn)品設計的核心是資源性質的利用，因此，對資源的靈活運用的關鍵就是對資源性質的靈活運用，而資源的靈活運用正是創(chuàng)新設計的關鍵。因而以下從資源的性質出發(fā)，給出一種設計的分類方式。
2 創(chuàng)新設計分類
創(chuàng)新設計：能給出滿足一部分人需求的被用戶認可的新資源，或給出能指導設計出一部分人需求的資源的新理論或新方法。
(1) 常規(guī)設計
有清楚的問題，有完整的問題解決方案，用戶的問題的解決方案都包含在現(xiàn)有的問題解決方案之中，一般只需對某些參數(shù)做些變動。
常規(guī)設計雖然不屬于創(chuàng)新設計，但為了保證設計分類的完整性，仍將其作為單獨的一類。
(2) 利用常見的性質進行發(fā)明(小發(fā)明)
發(fā)現(xiàn)問題，找出能解決問題所用的常見的性質，并給出最終的解決方案。這一般對應于小發(fā)明，但卻滿足了一定的需求，其關鍵是現(xiàn)有資源性質的靈活運用。
(3) 利用性質組合進行發(fā)明
發(fā)現(xiàn)問題，重新組合已知的性質，并最終給出問題的解決方案。這里又分利用不同資源的性質組合進行發(fā)明和利用某一個資源的多個性質進行發(fā)明。
(4) 利用不常見的性質進行發(fā)明
發(fā)現(xiàn)問題，查找不常見的性質進行發(fā)明，其關鍵是可用性質的查找。通過人類已知的性質進行發(fā)明，難度越來越大。影響人們利用已知性質進行發(fā)明的因素主要有兩個。一是人類對概念(資源)中性質存在的好、壞等的偏見。偏見是影響人們進行正確利用已知性質進行發(fā)明的重要因素，通過現(xiàn)有資源的缺點來進行發(fā)明創(chuàng)造的例子并不鮮見；二是設計人員對人類已知的資源性質的未知，隨著科學技術的飛速發(fā)展，學科越分越細，由于設計人員對本學科以外的知識(包括概念的性質)知之甚少，因而這些學科的知識就無法應用于產(chǎn)品開發(fā)。
很顯然，性質組合將產(chǎn)生組合爆炸，如此構造的新資源是無窮的，而有些組合明顯沒有意義。因此，只有那些用戶認可的創(chuàng)新，并對用戶有用的新資源才能成為用戶滿意的新產(chǎn)品。
(5) 通過發(fā)現(xiàn)客觀世界的性質進行發(fā)明創(chuàng)造
在產(chǎn)品開發(fā)中，找不到可用于發(fā)明創(chuàng)造的性質，只有通過性質的發(fā)現(xiàn)最終實現(xiàn)發(fā)明創(chuàng)造。實驗和類比都是發(fā)現(xiàn)性質的基本方法。
在實際中，對于許多現(xiàn)象并沒有形成理論，我們僅僅是發(fā)現(xiàn)了性質而并非理論，利用這些性質就可以進行發(fā)明創(chuàng)造。性質的發(fā)現(xiàn)不僅可用于產(chǎn)品的發(fā)明創(chuàng)造，還可以通過性質的不斷積累，為最終建立該領域的理論打下良好的基礎。也是通向建立理論的必由之路。
(6) 發(fā)現(xiàn)涵蓋一類現(xiàn)象的理論進行發(fā)明創(chuàng)造
很顯然，建立涵蓋一類現(xiàn)象的理論，從理論可以推導出許多對人類有用的性質，這將導致許多發(fā)明創(chuàng)造的產(chǎn)生，并可以明確地給出一大類問題明確的解決思路，也容易使得許多問題的解進一步完善。牛頓力學就是最好的例子，在以后的產(chǎn)品開發(fā)中就不會出現(xiàn)前兩種方法中花很大工夫找性質和發(fā)現(xiàn)性質的問題。
性質發(fā)現(xiàn)本身就是一項艱苦的科研工作。從性質發(fā)現(xiàn)到能否走向產(chǎn)品，其關鍵是能否利用該性質，并成功地將該性質服務于產(chǎn)品創(chuàng)新，這又是一項艱苦的科研工作，可以說性質發(fā)現(xiàn)與性質利用是創(chuàng)新設計兩個不同階段的工作。
在創(chuàng)新設計過程中，性質發(fā)現(xiàn)是一個重要環(huán)節(jié)，頭腦風暴法、類比設計、缺點逆用法以及實驗等方法的目的都是要在沒有理論指導時進行性質發(fā)現(xiàn)，而頭腦風暴法和缺點逆用法的作用都是進行對已有性質的查找，隨著計算機硬件及知識庫與數(shù)據(jù)庫的不斷發(fā)展，計算機的利用不可避免，而人類通過實驗手段發(fā)現(xiàn)需求與性質也是不可避免。
當然，擁有大量知識就是擁有大量資源的性質，它是創(chuàng)新設計的基礎，但這并不表示就能完成創(chuàng)新設計，沒有用戶需要解決的問題和性質的使用方法，大量的性質只能作為知識貯存起來，并不能轉化為新產(chǎn)品。
3 與創(chuàng)新設計相關的若干問題探討
3.1 產(chǎn)品設計的多解性
產(chǎn)品的開發(fā)過程是資源樹的構造過程。資源樹的構造過程是資源選擇、利用和連接等操作的實施過程。在這個過程中，有多種因素對最終產(chǎn)品(問題的解)產(chǎn)生影響，并導致解的多樣性。
從上面討論可知，在產(chǎn)品開發(fā)中，利用的是資源本體的性質，而使用的基本單元是物質資源，同一組性質可以存在于不同的物質資源本體中，而這些不同的資源本體除了有相同的性質外，還可以具有不同的性質。在設計中，由于使用的是具體的物質資源，因此設計人員利用不同資源本體的同一性質解決同一個問題，就完全有可能有不完全相同的結果。如：在凳子的設計中，由于強度及剛度的要求可以選擇鋼管、木材作支撐，但由于二者在其它方面性質的不同導致了最終產(chǎn)品的許多不同的特點。因此，同一需求可以有不同的實現(xiàn)方式。
另一方面，人類的許多需求本身就有變體，變體包含有一定的范圍，因此問題的解必然是一個集合。例如，在凳子的設計中，其橫撐的位置就是一個解集(如圖1)。由于人類自身生理特點和認識水平，客觀世界在人腦中的反映大多是事物現(xiàn)象而并非本質。例如人們可以看到和區(qū)分的是可見光，而并非具體的電磁波波譜。因此在產(chǎn)品設計中，用戶自身需求的就是一個解集中的一個解，而非唯一解。也就是說，在資源樹的構造過程中，從根結點出發(fā)，當細化到一定程度時，雖然還沒有給出具體的解決方案，但當前方案變體中的任意一點都可以成為用戶的滿意解(如圖2)。 1#'w R3[+
圖1 橫撐的解
圖2 問題的解是一個集合
在產(chǎn)品開發(fā)中雖然具有多解性，但用戶使用的只能是一個具體的最終產(chǎn)品，它只是整個解集中的一個解。而一旦選擇了一個解，形成了新的產(chǎn)品資源，其性質也就確定了，新資源也就不具備其它解的許多性質。
了解產(chǎn)品開發(fā)過程中的多解性，是在產(chǎn)品開發(fā)中為開發(fā)不同用戶群，提供滿足不同用戶群需求的產(chǎn)品并創(chuàng)建新市場的條件之一。
3.2 知識的靈活運用
創(chuàng)新設計是通過分解及綜合過程將設計從不熟悉的功能和指標要求導入設計師所熟悉的指標要求的過程，實際上就是最后要落實到我們所熟悉的結構或方法來解決問題。產(chǎn)品設計不可能完全從頭開始，要利用人類現(xiàn)有知識與概念，因為只有繼承，才能在更高層次上有所作為，并把已知推向前進。
概念的形成來源于問題的提出和解決。產(chǎn)品開發(fā)的基本過程是提出問題，解決問題并最終給出產(chǎn)品，在大多數(shù)情況下，相應的產(chǎn)品也就成了人類的概念。因此，可以說現(xiàn)有概念給人類提供了一套問題解決方案，而且隨著科技的不斷發(fā)展，這套方案還在不斷的完善之中。
在資源樹的構造過程中，從根結點到葉子結點的過程是方案的設計過程，從葉子結點到根結點的過程是資源的實現(xiàn)和落實過程［3］。利用已有概念的方案可以高效快速地解決那些已經(jīng)解決但又遇到的問題，實際上有些問題我們會反復遇到，用現(xiàn)有概念作為問題的解決方案，剩下就只是方案的落實了，若每次都從方案設計開始，不用現(xiàn)有概念，則問題的解決效率就很低。
人類形成的常識概念是解決問題的高效工具，解決問題的常用辦法，但并非唯一工具和唯一辦法。靈活運用現(xiàn)有事物概念，又不受現(xiàn)有概念的限制，是創(chuàng)新設計的基本點之一。資源靈活運用是人類的重要智能之一，能否實現(xiàn)資源的靈活運用，關鍵是能否充分了解要完成任務的基本要求，能否充分了解資源本體的基本性質。
一般而言，現(xiàn)有的概念是人類解決問題時利用某些資源本體的某些性質而形成的，而不是利用所有性質形成的，相應的概念也就成為了解決這一問題的習慣方法，這些性質的習慣發(fā)揮使用方法就成了概念中其它性質使用的障礙，也自然成為創(chuàng)新設計的障礙。所以知其為產(chǎn)品則可以使用，知其所以為產(chǎn)品則可以對其進行進一步的改善。例如：桌子的作用人所共知，但它不僅僅可當做桌子，還可以作為梯子，也可以作為燃料等。
在概念的使用中，既要知道一個概念的基本用途，又應了解人類對這一概念的基本要求，因為問題的解是一個范圍，這樣就可以靈活地提供問題的解決方案，例如：到桌子上做作業(yè)的問題，若常用的桌子被占用了，則應知道桌子有外延，有許多桌子，可以到其它桌子上去做；若還沒有找到，則可在資源樹上回溯(如圖2)，找到對桌子的基本要求，滿足這一要求的外延更寬，可以在更廣泛的范圍內(nèi)查找，如找到凳子、箱子等資源。
而當我們對解空間結構有了準確的認識時，還可以利用優(yōu)化方法找出問題的最優(yōu)解。
總而言之，在產(chǎn)品開發(fā)中，設計人員利用的核心是資源本體的性質，如何根據(jù)問題對性質進行分類與再分類，如何改變性質所屬范疇，如何從具體上升到抽象，如何再從抽象回到具體，怎樣從新的角度看待問題和性質是知識靈活運用的關鍵，也是創(chuàng)新設計的關鍵條件之一。
4 實現(xiàn)計算機輔助創(chuàng)新設計
創(chuàng)新設計的關鍵是創(chuàng)新概念的提出，創(chuàng)新概念的提出屬于概念設計范疇，創(chuàng)新概念提出的過程如下：
問題提出—→性質發(fā)現(xiàn)—→性質利用——方案的詳細設計
在這一過程中，影響產(chǎn)品創(chuàng)新概念提出的主要因素為：
(1) 客觀性質和客觀規(guī)律的發(fā)現(xiàn)。
(2) 問題的發(fā)現(xiàn)。
實際上，問題的發(fā)現(xiàn)也可以歸類于客觀性質和客觀規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，但因為它是產(chǎn)品創(chuàng)新的初始環(huán)節(jié)，因此將其單列出來。問題的產(chǎn)生與人的實踐活動和所處的環(huán)境密切相關，有些問題并不是人人都能碰到的，因此有些問題的發(fā)現(xiàn)具有確定性，而有些問題的發(fā)現(xiàn)就具有不確定性，對這類需求的掌握就具有隨機性。
(3) 設計者的偏見。
(4) 個人精力和所掌握知識的局限性。
在大量的信息中找出符合要求的性質，并非一件很容易的事情，因為有利于設計的性質被人類掌握，而沒有被設計者個人所掌握，這就容易造成有些人知道對新產(chǎn)品的需求卻沒有掌握人類已經(jīng)掌握的實現(xiàn)產(chǎn)品的性質，而掌握了性質的設計師卻不知道利用這些性質的方法。
人工智能的研究已經(jīng)表明，完全可以從現(xiàn)有理論推導出其性質，以專家系統(tǒng)為主的知識處理系統(tǒng)的基礎是邏輯思維，這是一種符號性表達體系，在推理論域的詞匯表確定以后，其推理機制能夠實現(xiàn)從整個既定空間中搜索(發(fā)現(xiàn))一些早已存在但尚不知曉的狀態(tài)或狀態(tài)組合。
但是在問題答案的搜索空間界定以后，推理機制沒有能力也不可能到給定的字符表(狀態(tài))以外去搜索而產(chǎn)生新的內(nèi)容，從本質上講，這個工作是一種符號運轉的重組，宏觀上顯示出的新特性在微觀上沒有任何新意，從這個意義上講，它只有發(fā)現(xiàn)能力，深度優(yōu)先，啟發(fā)式搜索都是針對性質“發(fā)現(xiàn)”。
其次，現(xiàn)有的知識表示方法不具有足夠的靈活性，當在計算機上描述了一個事實：這是一個桌子時，則它就成為了桌子，當作推理中的基本事實，在使用中也就失去了靈活性，因此，也就失去了對創(chuàng)新設計的支持能力。實際上，當需要桌子時，它就是桌子，這樣解決問題效率高，而當需要梯子，沒有常規(guī)的梯子，則要找出我們對梯子的基本要求，以及梯子的那一個性質實現(xiàn)了這一基本要求，找出一個能替代梯子這一性質的概念(物體)，例如：桌子，這樣解決問題具有靈活性、智能性，但效率則要低一些。
總之，在產(chǎn)品開發(fā)中，使用的單元是物質資源，以人類現(xiàn)有概念為基礎，而實際使用的卻是物質資源本體中的性質。上面的討論已經(jīng)表明，計算機可以提供那些已知的和部分未知的性質，并用于產(chǎn)品開發(fā)，在設計領域已有成功的設計型專家系統(tǒng)，如：R1、V帶輪設計專家系統(tǒng)等。但是現(xiàn)有知識處理不能實現(xiàn)創(chuàng)新的關鍵問題是知識表達與組織結構不具有靈活性，如果采取適當?shù)闹R表示與組織結構，利用計算機來實現(xiàn)上述產(chǎn)品創(chuàng)新設計的前四種方法并非不可能，因為這幾種創(chuàng)新設計利用的是人類已有的(知識)資源，雖然沒有實現(xiàn)資源性質的微觀創(chuàng)新，沒有性質的創(chuàng)新，但確實實現(xiàn)了資源的宏觀創(chuàng)新，只要能滿足用戶的需求，提供了用戶認可的，現(xiàn)實世界沒有的新資源(產(chǎn)品)，就是實現(xiàn)了創(chuàng)新設計。我們已經(jīng)開始了這方面的軟件開發(fā)工作。實際上，從牛頓力學到相對論，從算盤到計算機，無數(shù)歷史經(jīng)驗表明，每當科技發(fā)展受到阻力的同時，總有科技人員挺身而出，攻克難點，這說明科技創(chuàng)新并非遙不可及，只是由于問題發(fā)現(xiàn)的隨機性和人的精力的有限性等一些因素，才妨礙了創(chuàng)新設計的進行。
人類在認識世界和改造世界的過程中，也是從現(xiàn)有概念出發(fā)，不斷抽象以獲得關于世界更高的客觀規(guī)律，例如從牛頓力學到相對論；或者從客觀規(guī)律出發(fā)，造出成千上萬符合客觀規(guī)律的產(chǎn)品。過多超越人類現(xiàn)有概念反倒會失去人類的信任。對于那些還沒有完全認識的客觀規(guī)律，我們還要通過實驗不斷認識其性質，并最終認識整個客觀規(guī)律。因為，人類掌握客觀規(guī)律、認識客觀規(guī)律的過程是一個漸進的進化過程。因此，資源的表達及儲存也是后兩種創(chuàng)新設計方法的基礎。
5 結論
本文從資源出發(fā)，探討了資源及其性質的關系，說明在產(chǎn)品開發(fā)中，設計人員利用的是資源的性質，在產(chǎn)品資源中起作用的基本單元也是資源的性質，設計人員思考時是以人類概念資源為基本單元，使用時是以客觀世界的具體物質資源為基本單元，并基于資源性質給出了一種創(chuàng)新設計的分類方式。文中還探討了與創(chuàng)新設計密切相關的解的多樣性問題，并指出知識的靈活運用是創(chuàng)新設計的關鍵點之一。
最后，從以上設計分類出發(fā)，指出利用已知性質進行計算機輔助創(chuàng)新設計是完全可能的。
