概念设计是产品设计过程中的早期阶段,对产品的全生命周期有着极为重要的影响。产品设计的目标是实现产品的功能,在概念设计的研究中,核心问题在于概念设计的功能建模和针对功能的创新设计求解过程。提升概念设计能力的重要途径就是结合设计者的创造性思维和计算机推理演算的计算能力。在综合分析概念设计领域国内外的研究历史和现状后,针对当前计算机辅助概念设计研究存在的主要问题,探讨了面向功能的可视化创新概念设计的描述、方法和系统实现,取得了一些具有理论意义和应用价值的成果,主要体现在以下四个方面:(1)面向功能创新的功能模型研究在研究了国内外概念设计过程理论和实现方法的基础上,着重论述了功能在创新概念设计求解过程中的作用。通过分析现存功能定义存在的问题,提出了体现了人类问题求解特征的基于粒度计算的功能模型,给出了功能粒度表示、功能层次结构和功能粒度运算规则,并提出了基于相似推理的功能模型建模过程。(2)功能模型创新推理方法的研究推理功能是人类智能的主要特征之一,而模糊推理是模糊专家系统、模糊控制系统的理论基础和核心,是信息科学中进行模糊信息处理和实现机器智能的重要工具。面向功能的创新概念设计,既包含了设计者的思维所带来的启发性和创造性,也包含了针对功能模型的模糊推理过程。针对概念设计的特点,提出了基于三I模糊推理和相似模糊推理两种方法,以此快速地从功能需求出发得到较合理的功能模型。(3)基于信息可视化的“人-机”结合功能设计系统研究功能模型创新推理的来源一方面是计算机的逻辑推理,通过将人类智能中极具逻辑性和可计算性的部分计算机化得到;另一方面是设计者的创造性思维,由计算机启发人的创造性思维,并将启发性知识应用于设计之中,两者相辅相成,缺一不可。定义功能模型格式语言FFL,建立FFL模型(以FFL语言描述的规范化的功能模型);并把信息可视化手段引入创新概念设计之中,建立FFL模型与可视化模型、可视化视图的映射关系,以直观生动的可视化方法动态显示,在人机交互的支持下,提高创新推理过程的灵活性、有效性和交互性,从而高效地获得创新设计解。同时,也使得设计者的创造性思维能够推动逻辑推理的有效进行,增强逻辑推理的合理性和创新性。(4)面向功能的可视化创新概念设计原型系统实现以上述理论框架为基础,依托行业科研项目,结合企业实际产品创新需求,开发了面向功能的可视化创新概念设计原型系统,它包含人机交互、功能建模、概念求解、结果输出和知识管理等子系统。该系统在井下掘进机自动测量和定向系统的创新设计中得到应用,提出了基于激光双目的三维表面建模系统。其中,可视化创新概念设计原型系统已获得国家软件著作权登记,所设计的基于双目的三维表面建模系统已经获得国家发明专利的授权。