陶瓷是实用价值和鉴赏价值很高的商品，但是，在运输过程中极易受到冲击碰撞，由于陶瓷制品脆值的影响发生损坏而失去其原有的价值.因此，物流包装的设计对陶瓷制品品质起着极其重要的作用^[1].

为满足社会对物流包装产品的性能及可靠性的要求，提出了人机工程^[2]、低碳和绿色设计^[3]、无包装设计^[4]及二次结构设计^[5]等设计理念.满足某项具体指标完成的产品设计通常采用某一独立的设计理论^[6]，例如：以技术系统的演化规律为纲，采用物-场模型来描述产品功能，应用具体的工具算法解决设计矛盾的有规律可循的TRIZ设计理论^[7].单独应用这些设计理论，虽然对包装产品的原始创新起到了一定的作用，但是易于达到设计极限.

可拓设计^[8]是利用可拓论和可拓创新方法研究设计过程中矛盾问题的处理(包括形式化表示、建模、变换、推理、评价与决策)，以寻求较优设计方案的一种新的设计理论与方法.目前已有很多研究成果，但还未检索到将该方法应用于陶瓷物流包装设计领域的成果.

针对条件约束下的产品设计过程中存在的设计对象表达和变换问题，本文参考现代产品设计理论，结合可拓设计^[8]和基因工程的设计^[9]思想，在处理陶瓷物流包装产品设计的模块划分模型过程中，提出一种新的设计方法即基因可拓模块化设计.

1 基因可拓模块化设计

基因可拓模块化设计基于已有的可拓设计方法，对现有产品的关键性状或功能的分析.基元作为转录及变换模块的结构单元，通过模块配置组合的模块化处理，翻译成设计产品，完成性状表达最后生成设计方案的一种设计方法.

目前常用的模块划分模型有3类：(1)功能—结构模型：寻求能实现功能的对应结构形式，并将概念设计描述为功能和结构两个设计层次，但缺乏创新；(2)功能—行为—结构模型：解决功能—载体映射模型所存在的问题，描述完成功能所执行的动作，表明“结构如何实现功能”的思想；(3)功能—原理—结构模型：直接体现了设计任务及要求，描述了功能、需求的基本机理及其结构形式，将效应具体化，从功能和行为场景的角度来综合考虑问题^[10].

设计过程不能完全依赖于设计人员对某一因素的判断来决定产品的设计，为了使设计要求更符合设计人员的思维习惯、更满足人性化的设计需求，建立显、隐性基因^[9]可拓组合模块.借助可拓学矛盾问题的求解方法，建立初步的矛盾问题可拓模型.判断可拓模型后再采用基因可拓模块化处理，建立基因可拓模块配置模型.最后采用关联函数定量化评价产品需求对产品性状表达的满足程度，确定产品设计.

解决定制设计矛盾问题的关键是寻找定性与定量相结合的产品族设计方法.基因可拓模块化产品设计把产品族设计与顾客需求联系起来，运用基元理论分析产品设计，再通过设计空间的可拓变换的可拓配置，实现产品族设计.基因可拓模块化产品设计流程图如图 1所示.

2 陶瓷物流产品包装设计操作步骤

下面以陶瓷物流产品包装设计中的不相容问题为例详细说明上述流程的操作步骤.

2.1 问题可拓模型的建立与判断

问题可拓模型的建立，是产品设计体系的核心问题，它可以简单直接地反应产品设计空间的结构单元是否存在矛盾问题.设原问题的目标为G₀，条件为L₀，则原问题P=G₀*L₀，其中G₀、L₀为基元、复合元或者它们的运算式.根据可拓学中不相容问题的可拓模型的建立方法，确定陶瓷包装设计过程中的原问题模型：

$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;P = {G_0} * {L_0} = \left[ \begin{array}{l} {\rm{运输, }}\;\;\;{\rm{支配对象}}, \left[ \begin{array}{l} {\rm{陶瓷}}\;D, \;\;\;{\rm{质量}}, \;\;\;{x_{1D}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{破损率}}, \;\;\;\;{x_{2D}} \end{array} \right]\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{施动对象}}, \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left\{ {{\rm{员工}}} \right\} \end{array} \right] * \\ \left[ \begin{array}{l} {\rm{包装}}, \;\;\;{\rm{工具}}, \left[ \begin{array}{l} {\rm{包装}}\;O, \;\;\;{\rm{工}}\;\;{\rm{具}}, \;\;\;{x_{1O}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{可承载重量, }}{x_{2O}} \end{array} \right]\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{保护程度}}, \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{x_O} \end{array} \right]. \end{array} $

设c_0t为评价特征，c_0t为条件L₀中的对象元Z₀关于c₀提供的特征.取评价特征c_g1为质量，c_g2为破损率，即c_g1、c_g2为条件L₀关于目标中的对象“陶瓷D”所需求的特征.则原问题的核问题可拓模型为^[11]：

$ \begin{array}{l} \;\;{p_0} = g * l = \left[ \begin{array}{l} {\rm{陶瓷}}\;D{\rm{, }}\;\;{\rm{质}}\;\;{\rm{量}}, \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{x_{1D}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{破损率, }}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{x_{2D}} \end{array} \right] * \\ \left[ \begin{array}{l} {\rm{包装}}\;O, \;\;\;{\rm{可承载重量}}, \;\;\;{x_{2O}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{保护程度}}, \;\;\;\;{x_{3O}} \end{array} \right]. \end{array} $

建立l关于特征c₀的关联度函数k(x)^[12].对定义的问题有x_2D=0，k(x)=(x_2O-x_1D)/x_2O, 若k(x)≤0，则问题为不相容问题.

2.2 基因可拓模块化

基元B=(O_B, c, v_B)是逻辑单元^[11]作为模块形式化表达的基础，构成基因可拓模块化设计对象模板，控制产品的性状或功能.利用可拓学中的共轭分析方法，可以对用基元表达的基因进行浅显共轭分析^[11]，可分为显性基元J和潜在基元j(即隐性基元).显性基元J=(O_J, c, v_J)，在正常的环境和条件下控制显性性状的表达，只有显性功能表现出正常的功能.隐性基元j=(O_j, c, v_j)，是支配隐性性状的基因单元.在一般的环境或条件下，只有显性基元表达出显性的性状，维持正常的表现型，隐性基元不表达；隐性基元只有在环境或是条件相应的变化时才会被激发变为显性基元.基因可拓模块是指把以基元为逻辑单元对产品进行作为模块形式化表达，这一形式化表达的过程称为基元的转录.

对陶瓷包装领域的信息模块化进行基因可拓模块化转录处理、分析，即信息转录成形式化物元的基因模块，如图 2所示的陶瓷基因可拓模块转录.

基元是有遗传效应的设计单元，是遗传信息的携带者和传递者.在设计空间中，产品转录为基元模板，是不间断的、简单通用的载体，呈空间线性排列链或是空间网状结构.利用拓展分析方法中的发散分析和可扩分析，对陶瓷包装基元B分析可得：

$ \begin{array}{l} {B_1} = {J_1} \oplus {j_1} \oplus \cdots = \left( {{\rm{包装}}\;{O_1}, \;\;\;{\rm{材}}\;\;\;{\rm{料}}, \;\;\;{v_{13}}} \right)\\ \oplus \left[ \begin{array}{l} {\rm{包装}}\;{O_1}, \;\;\;{\rm{燃}}\;\;\;{\rm{点}}, \;\;\;{v_{11}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{环保性}}, \;\;\;\;{v_{12}} \end{array} \right] \oplus \cdots ; \end{array} $

$ {B_2} = {j_2} \oplus \cdots = \left[ \begin{array}{l} {\rm{瓦楞纸包装}}\;{O_2}, \;\;\;{\rm{成}}\;\;\;{\rm{本}}, \;\;\;\;\;\;\;\;\;{v_{21}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{可承载质量}}\;\;\;\;{v_{22}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{使用寿命, }}\;\;\;\;\;\;{{\rm{v}}_{{\rm{23}}}} \end{array} \right] \oplus \cdots ; $

$ \begin{array}{l} {B_3} = {J_2} \oplus {j_3} \oplus \cdots = \left[ \begin{array}{l} {\rm{气垫包装}}\;{O_3}, \;\;\; \;\;\;{\rm{结}}\;\;\;{\rm{构}},\;\;\;\;\;\;{v_{32}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{连接方式}},\;\;\;{v_{34}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{固定方式}}, \;\;\;{v_{35}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{尺}}\;\;\;{\rm{寸}}, \;\;\;\;\;\;\;\;\;{v_{36}} \end{array} \right]\\ \oplus \left[ \begin{array}{l} {\rm{气垫包装}}\;{O_3}, \;\;\;{\rm{保护程度}}, \;\;\;{v_{31}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{自动化程度}}, \;\;\;{v_{33}} \end{array} \right] \oplus \cdots . \end{array} $

2.3 模块化变换组合及翻译

基因可拓模块设计以原有产品的模型作为初始设计对象的模板，通过模块化组合变换获得产品设计.如图 3(a)所示的设计空间中，把不相容基元或对立基元作为设计对象，设为坐标起点，以社会、环境及技术作为3个坐标轴来划分可拓设计域.模块化处理后对需求基元、功能基元、原理基元、结构基元及其复合基元等进行变换^[11].沿着关键路径1、关键路径i ……关键路径n变换生成相应处于矛盾问题激发状态的次产品，再次对模板该特征(如图 3(b))所示进行变换.每一次变换过程都是解决设计过程不相容问题的过程，具有其变换矢量.关键路径矢量叠加的收敛性标志基元翻译的完成.

基因可拓模块化设计是对显、隐性基元的组合运算，不断完成模块组合的过程.对产品整体结构的唯一性具有决定作用的基元综合模块称为本质基元I=(O_I, c, v_I)，是其基元的组合集.结合显、隐性基元运算和可拓变换方法建立可拓基因模块配置模型.如图 4包装产品在某种变换下的可拓基因模块配置模型，不同的变换建立不同的配置模型.

在图 4中，若所实施的可拓变换T使T_KK(T_L0L₀)=K′(T_L0L₀)=k′(x)≥0，则称T为不相容问题P的解变换^[12].完成基因可拓模块化组合和翻译后，产品之间结构、性状表达可能相似.

2.4 构建产品模型并综合评价

性状的表达以产品为载体，由其在外部环境作用下显现基元和隐现基元构建的可拓基因模块产品完成物理效应、数学模型、原理结构的性状表达.

综合模块结构标准化建立的显、隐性基因可拓模块(也称综合模块)，保证不同功能模块的组合和相同功能模块的互换，具有可组合性和互换性，提高了标准化、通用化、规格化的程度.基于开发软件构建产品设计模型称为模块翻译，如图 5所示的陶瓷基因可拓模块化翻译.

采用可充气式的改性聚氯乙烯充气材料^[15]进行设计，产品设计结果模型如图 6所示.

为满足物流活动各环节的专业性要求^[13]，对其流通过程中的破损因素模型^[14]进行分析，以包装为设计对象设定评价特征^[1-5].建立关联函数对设计过程中因素进行评估(如表 1所示).

基元的翻译是指构建模型指导产品的合成、控制性状的过程.通常性状的表达会随环境而改变，从产品的保护性、缓冲性、经济性、环保性结合客户评估对方案进行评估，选择较优方案.根据变换前、后包装的特征值，采用简单关联函数^[12]计算k(x)、k′(x)、K、K′，得到数据表如表 2.

3 结束语

本文提出了基因可拓模块化设计方法，并通过模拟设计实例建立创新产品方案设计的可拓配置模型，揭示产品族设计与顾客需求之间的联系.该方法具有以下特点：

(1) 有效地处理和解决物流包装过程和设计过程中多层次、多属性的矛盾问题，不易陷入局部最优解，具有较强的灵活性.

(2) 将设计人员的创造性思想形式化地引入设计过程，对其突发性、易变性、不稳定性进行定性与定量处理，便于计算机处理及设计工具的实现.

(3) 显、隐性可拓基因综合模块使得基元的翻译与表达和定性定量化相结合，强调环境对产品设计过程中的性状表达及需求的影响，增强了产品设计的创新性设计能力和适应性设计能力.同时，对设计人员的多学科领域知识要求降低，容易被接纳、理解和运用，能够极大地促进企业的产品创新设计.

本文通过陶瓷物流产品包装设计的实例对基因可拓模块化设计模型的应用进行了说明.然而，深层次复杂的产品包装设计研究还不够成熟，结合基于SolidWorks软件API接口的二次开发^[16]及矛盾问题智能化处理^[17]的可拓设计，建立产品包装的智能化设计框架有待研究.