1、 包 装 工 程 第 44 卷 第 14 期 52 PACKAGING ENGINEERING 2023 年 7 月 收稿日期：20230213 基金项目：2021 年广东省省级质量工程现代产业学院项目；2020 年度广东省教育科学“十三五”规划项目（2020GXJK192）；2017 年广东省非物质文化遗产数字化保护工程技术研究中心资助项目；2022 年度广东省科技创新战略专项（大学生科技创新培育）项目（phjd2022A0248）作者简介：周砖（1994），男，硕士，助教，主要研究方向为智能设计。通信作者：尧优生（1982），男，博士生，副教授，主要研究方向为工业设计与社会创新设计。交互式
2、进化设计中的思维固化及改进策略 周砖1，贺茂恩2，尧优生1（1.仲恺农业工程学院，广州 510000；2.同济大学，上海 200092）摘要：目的目的 探讨交互式进化设计（IED）中设计师思维固化现象的发生和成因，并提出改进策略。方法方法 首先，解构 IED 中设计师思维固化现象，阐明人的视觉搜索机制和 IED 算法机制对交互式进化过程中设计师思维固化的影响，对应提出“信息刺激”“增大种群数量”及“增大变异概率”策略；其次，基于豪斯多夫距离算法，提出产品形态交互式进化设计中思维固化的量化方法，以中式花瓶轮廓为例，在MATLAB 软件平台下开发了产品形态交互式进化设计系统；最后设计对比实验进行验
3、证。结果结果 实验结果表明所提策略在缓解交互式进化过程中设计师的思维固化具有显著性。结论结论 提出的改进策略有助于提高交互式进化设计方案输出的创新性，为交互式进化设计中设计师认知特征提供新的研究视角。关键词：交互式进化设计；人机协同；思维固化；交互式遗传算法；智能设计 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)14-0052-08 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.14.005 Solution to Resolve the Thinking Fixation in Interactive Evolutionary Design
4、 ZHOU Zhuan1,HE Mao-en2,YAO You-sheng1(1.Zhongkai University of Agriculture and Engineering,Guangzhou 510000,China;2.Tongji University,Shanghai 200092,China)ABSTRACT:The work aims to discuss the thinking fixation of designers in interactive evolutionary design(IED)and its causes.First,the phenomenon
5、 of designers thinking fixation in IED was deconstructed,and the influence of human visual search mechanism and IGA algorithm mechanism on designers thinking fixation in interactive evolution was also clarified.Strategies such as visual stimulation strategy,increase sample size strategy and increase
6、 mutation probability were also proposed accordingly.Then,based on the Hausdorff distance algorithm,a quantitative method of thinking fixation in the interactive evolutionary design of product form was proposed;then,with the outline of a Chinese vase as an example,an interactive evolutionary system
7、of product shape was developed under the MATLAB software platform.Finally,a comparative experiment was designed to verify it.The experimental results showed the effectiveness of the proposed strategy in alleviating the fixation of designers thinking in interactive evolution.The proposed improvement
8、strategy can help to improve the innovation of the design output of interactive evolutionary systems,and provide a new research perspective for cognitive characteristics of designers in interactive evolutionary design.KEY WORDS:interactive evolutionary design;human-machine collaboration;thinking fix
9、ation;interactive genetic algorithm;intelligent design 第 44 卷 第 14 期 周砖，等：交互式进化设计中的思维固化及改进策略 53 在工业设计领域存在着一类难以量化与结构化的决策问题，例如：美感、直觉、偏好与满意度等，属于隐性目标决策问题。在隐性目标的决策过程中，难以通过目标函数显式定义。目前，应用交互式遗传算法（Interactive Genetic Algorithm，IGA）并可视化不确定性指标及设计要素，采用人机协同的方式，逐步优化设计方案，即交互式进化设计（Interactive Evolutionary Design，IE
10、D），是解决设计中隐性目标决策较为普遍的方法。通过这类方法获得的设计方案既能体现人的偏好，也比解决传统形态问题效率更高，获取的方案更多样，是近年来计算机辅助工业设计的研究热点。1 概述 目前，IGA 在工业设计领域已取得许多成果，Cluzel 等1使用 IGA 生成汽车侧面轮廓线，从而辅助汽车设计师探索具有特定语义的新汽车轮廓。Kowaliw 等2利用 IGA 来激发用户的创造力，设计新颖的个性化产品。Nutthanon 等3通过 IGA 开发了泰国传统民族图案生成系统，目的在于帮助没有艺术技能的用户按照自己的风格创建心仪图案。朱昱宁等4为解决配色过程的意象表达不稳定性，以参考图像作为辅助，通
11、过交互式遗传算法实现了配色设计原型系统搭建，实现了人机协同优化色彩设计。总之，无论是面向设计师还是用户，基于 IGA 的计算能力与交互能力，构建交互式进化设计系统，可以解决工业设计领域诸多隐性目标决策问题。然而，现有研究并未细致区分系统使用者的差异性，特别是对普通用户与设计师而言，其对进化系统的要求是存在差异的，即当面向普通用户时，以用户个性化定制为主，目的在于帮助用户找到符合其偏好的方案，此时系统需易于操作且需避免用户疲劳；而面向设计师时，其目的在于获取多样化、有差异性的设计方案，以拓展设计师思维，从而辅助设计师进行后续设计。本文旨在对设计师作为进化系统使用者的情境进行探究。面向设计师的交互
12、进化过程，离不开对设计认知的研究，近年来人的认知问题受到该领域很多学者关注。郝国生5指出人机交互进化过程中存在不确定性认知、选择性认知等规律。周砖6提出了交互式进化设计评价过程中用户存在认知模糊状态，并通过空间 映射及方案聚类策略予以解决，取得了较好的效果。孙晓燕7针对交互进化过程的用户偏好不确定性认知特点，通过可能性偏好网络拟合用户偏好，提升了算法有效性与可靠性。Yang8通过梯度模糊数表示用户评价的不确定性，从而降低用户的认知噪声，提高了收敛速度与进化效率。然而以上研究是从解决进化过程中人的不良认知，从而提升进化效率的角度切入的，却没有从设计思维角度，关注如何辅助设计师通过使用进化系统提升
13、方案创新度。在设计师操作现有的 IED 系统时，算法逐渐收敛会导致方案逐渐趋同，从而限制了设计师的思维。在相似方案的反复刺激下，设计师会误认为已经得到了满意的方案，但实际上这是因为算法局部收敛所导致的。这种思维固化现象是人机协同过程中的一种典型现象，它意味着设计师在意识或无意识中受到先前的经验或视觉刺激的影响，或者过度依赖和重复使用现有概念和对象的关键属性，而没有对其适用性进行分析。具体来说，设计师的关注点容易受到先前计算机生成的方案的影响，从而无意识地限制了自己对其他新颖方案的关注，使得创新变得困难9。如果不能有效地解决交互式进化设计过程中的思维固化现象，将会影响设计师的决策，并导致生成的方
14、案雷同，从而降低创新性，这与设计活动的初衷相悖。本研究的目标是分析 IED 中设计师思维固化现象，解构其影响机制，并从不同角度提出改进策略。通过豪斯多夫距离量化生成方案的相似度，以反映思维固化的程度，并通过实验验证所提出的策略来缓解思维固化的有效性。创新点主要包括：从思维固化的问题视角探索交互进化中设计师的不良认知现象；从人机角度论证交互进化中思维固化存在的原因和影响机制；基于豪斯多夫算法量化满意方案的差异程度，进而反映设计师的思维固化程度。2 IED 中设计师的思维固化及成因分析 典型的产品形态设计流程与 IED 流程存在一定差异，曾栋9指出在典型产品形态设计中，设计师首先需理解设计任务，分
15、析相关案例，然后确定语义，再凭借设计师经验提出若干草案，最后优化草案，并且各个阶段都需要进行反复评价，该流程的外在表现为 7 种形式，见图 1。在 IED 中，则是计算机设计草 图 1 典型产品造型设计流程与产品造型交互式进化设计流程对比 Fig.1 Comparison of typical product modeling design process and product modeling interactive evolution design process 54 包 装 工 程 2023 年 7 月 案，设计师评价草案，计算机模拟用户偏好并反复迭代，以设计师得到相对满意解作为收敛
16、条件，两类流程共同点及差异点见图 1。两者差异在于典型产品形态设计要求设计师完成设计方案的“设计优化”过程，思维固化存在于设计师构想方案的过程，是一种设计师不知不觉地限制他们寻求解决方案空间的现象。而在 IED 中，思维固化存在于设计师评价方案的过程中，受先入为主影响，思维拘泥于某一局部最优方案，而选择性忽略与局部最优方案的相异方案。进一步解构交互式进化设计中的思维固化现象，可从人的角度与计算机的角度深入剖析该过程，见表 1。表 1 解构交互式进化设计中的思维固化 Tab.1 Thinking fixation in interactive evolutionary design 分析角度 原理 具体表现 人类认知角度 视觉搜索机制 设计师对计算机生成方案进行快速扫视并进行处理，并反复执行这一过程 算法机制角度 遗传操作（选择、交叉与变异）随着迭代的进行，方案会逐渐收敛，具体外在表现为方案趋同，过早收敛使设计师进入一种方案缺乏的环境中，不利于后续设计创新 2.1 IED 中人的视觉搜索机制 人类存在两类图标视觉搜索行为，一类是自下而上的刺激驱动的视觉搜索机制；另一类是自上而下的目标驱动
