基于SAPPhIRE模型与多指标融合的设计问题创意潜力评估方法研究

《Design Science》：Assessment of the creative potential of design problems via novelty and usefulness

针对设计问题创意潜力评估缺失的现状，本研究创新性地将SAPPhIRE因果模型与多指标评估体系相结合，开发了针对设计问题新颖性（Novelty）和实用性（Usefulness）的定量评估方法。通过构建设计问题数据库、采用BERT语义相似度计算和层次分析法（AHP）加权，实现了对设计问题创意潜力的客观评估，为工程设计前期问题筛选提供了科学工具，有效提升了创新效率。

　　

在工程设计领域，创新一直是推动产品竞争力的核心动力。然而长期以来，创意评估的研究焦点始终集中在解决方案上，而设计问题本身的创意潜力却被严重忽视。设计师们往往凭直觉选择"显而易见"的问题进行求解，却错过了在问题澄清阶段就能大幅提升创新效能的关键机会。这种对问题创意潜力的系统性评估缺失，使得设计过程如同在未知海域盲目航行，即便拥有再精湛的航行技术，也难以确保最终能抵达创新的彼岸。

传统设计理论将创意定义为新颖性（Novelty）和实用性（Usefulness）的乘积，但这一框架主要应用于设计成果的评价。当我们将视角转向设计问题时，一个根本性的挑战浮现出来：如何量化一个尚未被解决的问题的创意潜力？设计问题的实用性更是一种"潜在实用性"，只有在问题被圆满解决时才能完全体现。如果从一开始就选择了创意潜力有限的问题，即使后续解决方案再出色，也难以产生真正具有影响力的创新成果。

针对这一研究空白，印度科学院的Sanjay Singh和Amaresh Chakrabarti在《Design Science》上发表了开创性研究，提出了首个系统性的设计问题创意潜力评估框架。该研究的核心理念是：通过优先选择具有高创意潜力的问题，设计师能够在问题求解阶段获得更大的创新空间，从而实现"创意叠加效应"。

研究人员采用了多方法融合的研究策略，主要关键技术包括：基于专利和调查问卷的设计问题数据库构建、利用SAPPhIRE因果模型的问题结构化表示、BERT预训练模型的语义相似度计算、层次分析法（AHP）的指标权重分配，以及专家验证的一致性分析。特别是针对复杂问题提出的多实例SAPPhIRE模型，有效解决了多根因问题的表征难题。

新颖性评估方法的构建与验证

研究团队首先开发了设计问题新颖性的定量评估方法。该方法的核心是将设计问题转化为SAPPhIRE因果模型中的问题SAPPhIRE表示，包括动作（Action）、状态变化（State Change）、物理现象（Physical Phenomena）、效应（Effect）、输入（Input）、器官（oRgan）和部件（Parts）七个抽象层次。

对于单根因问题，直接比较两个问题SAPPhIRE在各抽象层次的语义相似度；对于多根因的复杂问题，则采用先拼接各抽象层次的描述再进行比较的策略。新颖性得分为1减去相似度得分，最终通过对所有配对比较取平均值得到整体新颖性评估。

以电热水壶为例，研究人员从专利和问卷调查中收集了20个设计问题，并将其转化为问题SAPPhIRE数据库。结果显示，"由于接触面积减少导致的非最佳加热"问题新颖性得分最高（0.8），而"由于热蒸汽导致手部烫伤"问题得分最低（0.27），这与直觉认知高度吻合。

专家验证结果表明，提出的新颖性评估方法与专家直觉判断的一致性达到67%，且相较于传统手动评估方法（Srinivasan& Chakrabarti, 2009），其与专家判断的偏差显著降低（RMS偏差0.13 vs 0.30），证明了该方法在捕捉人类创意认知方面的优越性。

实用性评估框架的开发

在实用性评估方面，研究团队采用了基于三个关键指标的加权评估体系：普遍性（Prevalence）、重要性等级（Level of Importance, LoI）和发生频率（Frequency）。通过层次分析法确定各指标权重分别为0.27、0.61和0.12，建立了实用性计算公式：U = 0.27P + 0.61L + 0.12F。

实用性评估通过问题树结构进行，将高层问题分解为具体子问题，并通过问卷调查收集相关数据。在电热水壶案例中，"由于故障恒温器导致的非最佳加热"问题实用性得分最高（1.0），而"由于密封和垫片破裂导致的液体泄漏"得分最低（0.26）。

创意潜力评估模型集成

最终，研究团队将新颖性和实用性评估整合为创意潜力评估模型：创意潜力 = 新颖性 × 实用性。这一乘法关系确保了只有同时具备高新颖性和高实用性的问题才能获得高创意潜力评分。

案例分析显示，"由于故障恒温器导致的非最佳加热"问题创意潜力得分最高（0.74），而液体泄漏相关问题得分较低（0.17）。统计相关性分析表明，新颖性与创意潜力的相关性为0.6，实用性与创意潜力的相关性为0.64，而新颖性与实用性之间几乎无相关性（0.02），这一发现与创意理论的基本假设一致，进一步验证了模型的科学性。

研究意义与未来展望

这项研究的理论价值在于首次将创意评估的视角从解决方案扩展到设计问题本身，建立了完整的评估理论框架和方法体系。SAPPhIRE因果模型的应用为设计问题的结构化表征提供了统一框架，而多指标融合的评估方法确保了评估结果的全面性和客观性。

在实践层面，该方法为工程设计团队在项目早期进行问题筛选和优先级排序提供了实用工具，有助于将有限的创新资源投入到最具潜力的设计问题上。特别是在面对复杂工程系统时，该方法能够帮助识别那些具有高创新杠杆效应的关键问题。

研究团队还提出了未来研究的三个方向：进行影响评估实验验证方法实效性、开发全自动化评估工具以减少人工干预，以及将方法扩展到更广泛的设计领域。当前方法在问题SAPPhIRE构建环节仍需要人工参与，全自动化工具的开发将是提升方法可扩展性的关键。

这项研究为工程设计创新管理提供了新的方法论支持，通过前端问题选择的优化为整体创新效能提升奠定了基础。正如研究者所指出的："如果在问题识别阶段就缺乏或限制了创意潜力，那么在问题求解阶段能够实现的内容也会受到限制。"这种对问题创意潜力的重视，代表了设计创新研究范式的重大转变，为未来研究开辟了新的方向。