基于符號語義的產品模塊化設計原則及應用研究

蔡紅梅 林康 劉林剛

摘要 ：針對產品模塊化設計中出現的用戶個性化定制問題，采用產品符號學概念建立產品符號語義模型，簡化產品結構，使使用者對產品的設計思路和產品結構、功能信息等一目了然。方便了結構信息和幾何數據信息在設計者和使用者之間的傳遞。這個信息在用戶之間傳遞的過程實際上就是設計者編碼用戶譯碼，然后更加簡便的定制出個性化產品的過程。本文通過符號語義在袋式除塵器的模塊化設計中的應用，初步驗證了這一結論。

Abstract: For the customization of the product modularization design,we use the product symbol concept to build product semantic modle, and simplify product structure, in order to let the customers have a clear view of the product design idea and product structure. This make the geometry information data pass more convinent between designers and users. This process of information transfer among the users is actually a designer coding and user decoding process, and then customize the individualized product process more easily. This article primarily validates the conclusion through the application of symbols semantics in bag filter modular design.

關鍵詞 ：符號語義；模塊化設計；袋式除塵器；概念設計

Key Words: symbols semantics; modular design; bag filter; concept design

一 引言

隨著經濟的迅速發展，作為經濟增長引擎的制造業蘊藏著巨大的市場機遇，但同時存在著激烈的競爭。要想贏得未來競爭的勝利，制造業就必須通過優化整個產品生命周期來左端產品上市時間、提高產品質量、降低成本，同時還要不斷通過研發來滿足客戶需求。技術的不斷進步導致產品工程越來越復雜，企業必須在不斷變化的環境中適應越來越復雜的工程技術。隨著個性化產品需求的增加，產品定制化也越來越明顯，企業必須創建大量的產品系列來滿足客戶需求。同時企業必須具備不斷提高創新能力和增加產品的科技含量的方法來滿足客戶日益增長的個性化需求。

企業一方面可以通過批量化、標準化和通用化來縮短產品的上市周期、降低成本、提高產品質量，另一方面還要通過產品創新，保持產品的競爭力來滿足客戶需求。這樣，周期短、成本低、批量大和多樣化生產之間就存在了很大矛盾。如何能夠使產品上市周期短、成本低、批量大、多樣化同時實現呢？

模塊化的產品設計和生產可以在保持產品較高通用性的同時提供產品的多樣化配置，因此模塊化的產品設計是解決定制化生產和批量化生產即周期短、成本低和多樣化之間矛盾的一個途徑。

產品開發必須滿足消費者的需求并為企業盈利，即使是為了公共目的而進行的開發，也要顧及開發的效率。模塊化概念早在20年代的斯堪尼亞（當今世界上領先的重型卡車和大型巴士制造商之一，它是一個有著一百多年發展歷史的瑞典企業。）已初露端倪[2]。在后來的發展過程中，這個理念不斷得以實踐及持續完善。1992年6月的東京國際會議正式提出了并行工程技術，隨之在此基礎上發展成為縮短產品設計周期為目的的快速設計技術和方法。系列化、模塊化設計技術與方法作為快速設計技術與方法的重要組成部分，受到了人們的大力關注。隨著科學技術的發展，模塊化思想已經被用于各個領域，如汽車、家電、建筑、船舶等工業產品和信息產品的模塊化設計[1]。模塊化設計方法無疑給產品設計者提供了方便。

但是，在模塊化產品設計迅猛發展的同時，對產品信息的表達方面一直是困擾開發商和用戶的一個難題，不管從哪個角度考慮，產品信息的表達都欠缺完整性、通俗性和易管理性。往往使使用者無法理解所要的和所給的對應原則。這無疑不給個性化產品的定制帶來不便，給使用者制造了定制困難也給開發者提出了新的挑戰。

產品符號學的產生是設計思想史的一次重大變革，它源于語言學，使用者通過符號語義表達對產品的設計有了比較全面的了解，同時，產品概念設計中對產品細節信息表達的不足之處也得到了彌補。為了滿足快速變化的市場，產品開發者要盡可能的加快產品的開發速度同時提高產品的適應性。模塊化思想簡化了產品設計者的設計過程，符號語義在產品模塊化設計中的應用則為用戶和設計者之間的交流提供了方便，通過方便的交流途徑使設計者設計的產品更好的滿足用戶的需要。設計者通過符號語義的表達來描述符號對象及其之間的相互關系，使使用者對產品的設計不言自明。

因此，產品符號學在模塊化產品設計中的應用快速回應了用戶對個性化產品的大批量需求。通過產品信息的符號化表達，定制信息在使用者和設計者之間的交流將會更加方便。

二 相關概念

1 模塊化設計的概念

產品模塊化設計就是將產品分成幾個部分，也就是幾個模塊，每一部分都是具有獨立功能，具有一致的幾何連接接口和一致的輸入、輸出接口的單元，相同種類的模塊在產品族中可以重用和互換，相關模塊的排列組合就可以形成最終的產品。通過模塊的組合配置，就可以創建不同需求的產品，滿足客戶的定制需求 ；相似性的重用，可以使整個產品生命周期中的采購、物流、制造和服務資源簡化。

模塊化設計同時達到產品的低成本和品種多樣化的目的[3]?？s短產品的設計和制造周期，提高產品質量和可靠性，增加企業對市場的快速應變能力。但是對產品信息的表達欠缺，不易于做好用戶服務。

在軟件的體系結構中，模塊是可組合、分解和更換的單元。在模塊化產品設計中，應遵循的基本原則：

（1）功能獨立性,可以對模塊進行單獨設計、制造、調試、修改和存儲，這便于有不同的專業化企業分別進行生產；

（2）互換性，模塊接口部位的結構、尺寸和參數標準化，容易實現模塊間的互換，從而使模塊更大數量的滿足不同產品的需要；

（3）通用性，有利于實現橫系列、縱系列產品間的模塊的通用，實現跨系列產品間的模塊的通用[8]。

2 符號語義的概念

產品符號學的產生來自于語言理論：符號學。人通過處理符號來交流信息、采取行動。符號學是研究有關符號性質和規律的學科，是交流的一種理論，它的目的是建立廣泛可應用的交流規則[4]。符號學的應用及其廣泛，目前已經應用到語言學、建筑學和工業設計等多個學科。

符號學的研究始于19世紀末期，主要有兩個源頭。分別是由瑞士現代語言學之父費迪南?德?索緒爾(Ferdinand de Saussure)創立的語言符號學和美國實用主義先驅查爾斯?桑德斯?皮爾士(Charles Sanders Pierce)創立的邏輯符號學。索緒爾說：“語言是一種表達觀念的符號系統。因此，我們可以設想有一門研究社會生活中符號生命的科學，我們管它叫符號學?！盵9]。后來，皮爾士的學生查爾斯?莫里斯(Charles Morris)創造性地把符號學分為“語義學”、 “語構學”、和“語用學”。

產品語義學是隨著西方整個人文社會科學呈現語言學轉向而出現在產品設計領域的一種思潮，主要是基于皮爾士的邏輯符號學以及莫里斯所劃分的符號學體系。根據莫里斯所劃分的符號學體系，相應的產品符號學包括：

（1）產品語義學：研究產品造型的形態與意義的關系。

（2）產品語構學：研究產品造型與功能結構的構成關系。

（3）產品語用學：研究產品造型的可行性以及與人的關系。

因此可以說，產品語義學是根植于符號學，并且建立在其理論框架之上的，與符號學有著不可分割的緊密聯系。

以符號單元做為模塊化設計中設計師的表達工具，借助符號單元所具有的形狀載體作用及富有的高層次工程語義來實現產品模型的高層次功能描述與低層幾何表示的統一，并與語義相結合來描述符號對象及其之間的相互關系，實現了對符號單元抽象化和形式化的表達[5]。

3 符號語義的表示方法

在產品設計中符號語義的表示方法可以是樹狀圖的形式，也可以使數學公式的形式等等。不管哪種表示方法都是通過符號、字母、數字等一些元素組成，這些符號代表著一定的內涵，通過這些符號將產品的設計信息傳達出來供使用者和顧客來參考解讀。

例如：花板是由板、孔、尺寸信息聚合而成。如下圖所示圓弧和字母A表示花板與三個元素之間的聚合關系。根據板、孔和尺寸信息的性質不同其符號形狀也不一樣，如板和孔是組成花板的零部件用矩形框表示，而尺寸信息時文本形式的則用其他形狀來表示[5]。

樹狀圖表示法：

圖1 組件與元素之間的聚合關系

公式表示法：公式1

其中ai指組成組件的幾何元素板和孔bj指組成組件的文本元素即尺寸信息。

三 符號語義模型在模塊化產品設計中的應用

產品作為一個符號系統，必然由能指與所指共同構成。它從用戶需求開始直至完成功能結構設計的過程是一個符號單元逐漸演變的過程。概念設計當中符號單元的演變過程實際上就是各種設計信息和知識發生的從功能到符號，再從符號到結構的映射過程。模塊化概念設計更加形象的表達了這個演變的過程，每一步的轉換都包含了抽象、分解、綜合、迭代、循環的過程。

基于符號語義的模塊化概念設計是一個設計者將用戶功能符號化，分析其功能信息并將其轉化為模塊化結構信息，并展示在用戶面前的過程。這個過程本質上是一個設計師與使用者交流的過程。設計師作為產品形式的創造者，同時也是信息的傳達者。設計者界定了需要向消費者傳達的信息之后，進行編碼，將這些信息轉化為一定的符號，從而使產品形態成為傳達載體，將信息傳達給使用者，最后由使用者來決定產品的雛形。

圖2 模塊化概念設計圖解

上圖充分說明了產品設計的過程，在模塊化設計中，符號語義的作用是不可磨滅的，產品設計的過程是一個用戶將信息提供給設計者再由設計者將所設計的產品結構信息拿來與用戶交流，然后由用戶將其他一些功能信息傳達給設計者這樣一個循環往復的過程。

設計師對產品語義、生成方法以及對用戶理解造型符號的習慣的認識，對于實現二者之間的成功交流來說是非常重要的。

四 應用實例

根據對符號語義表示方法的理解，我們分別用兩種方法來表示符號語義在袋式除塵器結構優化系統的模塊化設計中應用。

1 用符號公式的方法進行模塊化設計描述

袋式除塵器結構優化系統設計分為四個模塊分別用s0：結構數據庫模塊，s1：結構CAE模塊,s2：結構優化模塊；s3：幫助文件。

（1）袋式除塵器結構優化系統可表示為：

,公式2

結構圖文件用ai表示、文本文件用bj表示、對話框文件用ci表示，程序文件有兩種，一種是CAE程序文件用xi表示，一種是優化程序用yj表示。

（2）結構數據庫模塊：

，公式3

其中i取0、1、2時為整機結構圖，其余為零部件結構圖；

c0文件指材料性能對話框；

bj表示載荷文件，j取0～14時為型材文本文件，15～24為基礎載荷文件。

（3）結構CAE模塊：

公式4

xi表示CAE程序文件，其中i取0～4時為整機CAE程序，取5～13時為零部件的CAE程序。

（4）結構優化模塊：

公式5

C1為快捷優化對話框；yi為定制優化程序；b25為快捷優化結果文本文件。

（5）系統幫助模塊：

公式6

di表示結構CAE模塊程序當中的參數對照表，包括12個零部件的39個excel表格；

b26表示袋式除塵器結構優化系統的工礦定制情況說明；

b27表示系統分析結果驗證說明；

m表示系統幫助文件和系統簡介。

公式表示法表示模塊設計情況中，各個模塊之間是相互獨立的，易于讀者解讀和進一步使用。而且各個零部件以及他們之間不同的組合關系、不同的相關度等都可以用不同的符號來表示再付一個映射表將更加清楚明了,如下所示：

表1 符號名稱對照表

符號參數名 在系統中的映射

S 袋式除塵器結構優化設計系統

s0 結構數據庫模塊

s1 結構CAE模塊

s2 結構優化模塊

s3 幫助文件

ai 圖形文件（結構圖）

bi 文本文件

ci 對話框文件

di excel表格文件

xi CAE程序文件

yi 優化程序文件

m 幫助文件

2 用樹狀圖的形式實現模塊化設計的表達

對于樹狀圖表達形式比較直觀，很容易對整個系統形成完整的思想。

對袋式除塵器結構優化系統所建立的樹狀符號圖如下圖所示，其中父級和子級的關聯關系有多種包括組合關聯、概括關聯、實例關聯和聚合關聯，例如結構數據庫及其下面的三個子級模塊的關系為概括關聯，用圓弧可字母A和三條起連接作用的直線表示；子模塊根據其屬性的差異用不同的形狀來表示，如結構圖用一個立方體形狀的控件表示；文本說明類的文件用折頁的紙形狀的控件表示等等。

不論是以數學公式的方式還是以樹狀圖的方式給出的袋式除塵器結構優化系統模塊化設計的符號表示都使信息在使用者和設計者之間的傳遞顯得非常方便，以符號語義的形式來傳輸信息有利于用戶對系統的理解。

圖3 系統樹狀圖

通過符號語義在模塊化設計中的應用，更加清楚明了的將產品的結構呈現在使用者面前，在產品詳細設計過程中，便于用戶對產品進行個性化定制。解決了使用者和開發者之間的交流問題，即編碼和譯碼的繁瑣難懂得到了解決。而且，模塊化設計方法也使產品設計得到簡化，產品各個零部件的相似性和重用行等特點得到充分發揮，也便于文件、數據等的管理。所以，符號語義在模塊化定制設計中的應用必將使產品設計尤其是結構復雜的產品設計等這種讓人頭疼的事情得到緩解。

五 結語

人的意識過程是一個符號化的過程，思維即是對符號的一種組合、轉換、再生的操作過程。符號是人類認識事物的媒介，它作為信息載體是實現信息存儲和傳遞的工具，是表達設計意圖的基本單元，是設計師描述設計對象與設計過程的工程語言。

本文介紹了符號語義在袋式除塵器結構優化系統模塊化設計中的應用。符號語義在產品設計中的應用為信息在使用者和設計者之間的交流提供了方便，也為功能信息和結構信息的傳遞提供了一種途徑，而且也使系統數據便于管理?？傊?，符號語義在模塊化設計中的應用為產品設計提供了方便，同時模塊化設計也實現了低成本、個性化、大批量的生產。通過模塊化設計用戶可以定制出多種個性化袋式除塵器產品，以滿足廣大用戶的需求。

參考文獻

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The application of the semeiology in modular design of product

Abstract Directed towards the modular design method of the structural optimization system, the conception of the symbol and semantic used in the product design can simplify the products structure and convenient the information transform between the users and the designers. Actually this process which pass message to the users can be describe as coding of the products message. This method can give convenience to the users. Paper provides an example which used symbol and semantic conception to help the modular design of the filter bag, and it also verified this conclusion.

Key words symbol and semantic, modular design，filter bag ,conceptual design

作者簡介： 蔡紅梅（1970- ）女，河北邯鄲人，從事計算機管理工作。林康（1983-）男，河北石家莊，從事計算機管理工作。劉林剛（1976- ）男，山西運城人，從事計算機管理工作。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。