现代设计理论及方法研究

现代设计理论研究
1.概述 2.设计过程理论 3.性能需求驱动理论 4.结论
1.概述
• 自从人类以制造工具使自己区别于其它动物，人就开始设计， 也就逐渐萌生设计理论和方法的研究。例如，《天工开物》就 是一本讲了许多关于设计问题的书。目前，设计理论和方法的 研究主要在两个方面。一方面，人的设计活动涉及到智能科学 前沿，所以吸引了大量研究兴趣，人们希望通过对设计过程和 任务建模，使计算机能代替人进行设计。因为学说之繁杂，致 使有人专门来研究如何对这些学说进行整理；另一方面，由于 制造业当前设计产品的需要，也促使许多解决实际问题的研究 结果问世，例如杭州气轮机厂在上一世纪70年代从德国维塞尔 工厂引进工业气轮机制造技术，用的是模块化设计，就是设计 方法学中的一个派别。这一类针对某特定实际问题而进行的研 究，有可靠性设计，优化设计、极限应力设计、动力学设计、 摩擦学设计、绿色设计、全生命周期设计等等，名目繁多，难 以穷举。我们认为，现代设计理论主要由四部分构成，它们是： 设计过程理论、性能需求驱动理论，知识流理论和多利益方协 调理论。在这四个理论的框架中，可以有许许多多解决具体问 题的方法，而工具则是为实现这些方法服务的。
2、设计过程理论
• 设计过程理论是研究设计过程构成及任务的理 论。 • 设计过程可以表达如下： 1、确认需求（含潜在的需求）→2、扫描技 术可能（含联想到的可能解）→3、产生矛盾 统一设想（概念）→4、经济、技术分析（贯 穿全过程）→5、设想的优选和确认→6、结构 的优选和确认→7、材料的优选和确认→8、加 工过程的优选和确认→9、综合评价→10、产 生和表述最终解。
• 如前所述，在分布式智力资源的环境中，知识服务也是一 种产品，也是由功能需求驱动的，所以其功能和质量的描 述也需要符合这类产品的特征，表1和表2的最下一条就是 对这类产品的举例。接下来就是如何统一输入和输出词汇 的问题，所谓词汇，包括概念的分类，名称、参数以及符 号的定义，因为涉及到不同的领域、不同的行业，是十分 复杂的问题。当然，采用任何一种表达方式，关键在于有 关方取得一致意见。只有性能特征的描述逐步成熟和得到 广泛的认可，分布式智力资源环境下的合作设计才能流畅 地运作。UDDI协议试图解决智力资源的发布、发现和集成 中信息的非结构化问题，但是在结构化过程中，仍旧有一 个描述方法和用词统一的问题，在能够完全付诸实施之前， 还有大量的工作要做。
• 用户对产品的要求是从性能出发的，是设计的 起点和完成的标志，性能特征应当成为控制整 个设计过程的基本特征。设计过程就是在“要 达到什么（性能）”和“如何达到（即解决方 案）”之间反复迭代的过程。
• 对于复杂的产品，不可能直接找到满足产品性能需求的 解，而是通过一系列的功能分解和子功能、孙功能等的 实现，即设计的许多子过程，最终实现产品的性能需求。 如果把图1看成是设计的一个子过程，其解决方案同样 也是由满足性能需求驱动产生的。严格说来,性能需求 和性能之间是有区别的。性能需求是反映人们主观上对 性能的愿望，而性能则是指一个所设计的产品客观存在 的属性。前者往往由自然语言表述，后者则要求严格的 科学描述。这里有一个希望达到和实际上是否达到的问 题。所以设计师在拟订了解决方案之后，还有一个检验 达到或没有达到目标的问题。成功的设计就表现在主观 和客观的统一。我们说性能需求驱动，在各个子过程中， 有时是功能需求驱动，有时是质量需求驱动，有时则是 功能需求和质量需求交替驱动。如前所说，可能解可能 来自外源，它们可能是知识服务，也可能是另外一个设 计或者产品，另外一个设计和产品都可以看成是知识的 载体，也可以看成是隐含的知识。那么到外界去寻求服 务和评估得到的可能解，只能是性能需求驱动和以满足 性能需求为接受的标准。
什么是性能？
• 性能是一个被广泛应用的词，有不同的理解。这里给“性 能”一个严格的定义：性能是功能和质量的集成。而“质 量”又被定义为功能实现和保持性的度量。在全生命周期 设计，设计对象就是一个时变系统。这意味着，功能和质 量是时间函数，全生命周期设计就是要预测和控制这个函 数，同时还需要预测和控制与约束条件有关的变量，如人、 机、环境友好以及成本等，这使得设计的任务变得非常复 杂，涉及许多有待获取的新知识。对于多数产品，真正意 义上的全生命周期设计还做不到，因为还没有准备好足够 的知识和知识获取手段，但性能报废后的处理是设计追求 的目标，图2。性能特征研究是与仅仅从几何特征出发的 传统CAD的研究方法的分水岭，后者是面向制造的，而设 计的竞争和分布式智力资源环境需要有能更好支持设计 ─ 描述设计要达到的目标的工具。
功能分解应遵守以下原则：
• 1. 在每一级分解中，各子功能都应当是本 级中最基本的功能。 • 2. 同级各基本功能之间应当是正交的。 • 质量特征也可以用同样的办法来处理，但 是根据质量的定义质量树应当和结构树对 应。表2给出了对应的质量特征描述举例， 质量特征的描述也需要3个组成部分：对应 的功能表达式、质量表达式和参数表。
3、性能需求驱动理论
• 前面说过，从竞争的需要看，设计的任务 是要制造出具有别人不能制造的性能的产 品，所以性能或满足性能需求总是设计追 求的首要目标，换一个说法，设计是由性 能需求驱动的。如果把知识服务也看成是 一种产品，或者把产品看成是隐含知识的 载体和知识服务的一种形式，那么这一原 则也包括在设计过程中请求知识服务和提 供知识服务以及知识服务的准备。
• 图1中的过程，可以看成是完成设计的一个完整的过程，也可以看成是这 个完整过程中的任一个子过程（节点）。它们一般都具有相同的构成和任 务。 但是环境变化不可避免会要求与过程构成和任务相关的许多概念和 内涵产生相应的变化。比较重要的可以举出如“什么是设计？”这样的问 题。问题的焦点是：设计是不是一定要创新？经常有“创新设计”的说法， 意味着可以存在“不”创新的设计。这种理解对现代设计理论和方法的发 展是有害的。设计过程理论必须以“创新是设计的灵魂”作为原则，才能 符合“制造业的竞争实际上是设计竞争”的时代特征。另外，资源结构从 垂直向水平转变，也会引起设计过程和任务最优划分方面的变化，需要理 论的指导。因为在分布式智力资源环境下的设计，相当一部分任务是利用 外源完成的，也就是由许多不同利益方提供的服务来完成的，这时就存在 任务的最优分解，过程的最优划分和资源的最优配置等问题。 应当看到， 第二段可能会有多次的回溯和再设计，所以任务的分解和提供服务的利益 方的构成是动态的，而且虽然是合作，仍然有主从关系，这就是请求服务 和提供服务的区别。但是这并不妨碍某个层次的决策是由请求方和若干个 相关的提供方共同做出，即所谓共同决策。当一种可能解在评估中被拒绝 后的再设计中，任务的分解和利益方构成也可能需要改变。所以所谓虚拟 动态联盟不可能是从一开始就组织好并在设计全过程一成不变。因此，从 发布“构造” “联想”产生 “协调”产生任务空间 可能解集合 最终设计 （解） 测试 评估 优化 市场信息 回溯和再设计 已有知识 新知识获取第一 段 第二段 第三段 图1、 设计过程构成及任务。需求、发布（描述）服务、 发现（搜索）服务、请求服务、优化（选择）合作关系、结成合作关系、 管理合作进程到解除合作关系，是一个复杂的过程。这里有大量的理论和 方法问题需要研究，大量的工具需要开发。这一类工作虽然复杂，但是路 线图清晰，比较适合由计算机辅助完成
• 这里面主要是三段（图1） ：第一段是任务的提出；第二段（含上述过 程描述中的2、3、）是可能解的形成，通常称为概念设计；第三段（含 上述过程描述中的4、9、）是对可能解的评估、优选和确认（新知识获 取）并产生最终解（10、），通常称为结构设计和详细设计。不论第二 段中有多少关于概念设计的学说，以及第三段中对不同的设计对象可能 有完全不同的评估和可能解被拒绝后回溯路线图的千变万化，它们对过 程的构成和任务并不会有什么影响。
创新在设计各段中的作用是否有不同？
• 从竞争的需要看，构成产品竞争力的要素是多方面的，一 般讲，有以下几个方面：功能，质量（与功能统称为性 能），价格（全成本，效益），交货期，售后服务（维修， 升级，培训），环境（含人，机）相容性，营销活动。确 定竞争策略，虽然可以有多种选择，但从根本和长远的角 度考虑，还是要制造具有别人不能制造的性能的产品。只 有功能上的创意和质量上的保证，才能使产品具有全新的 面貌和较强的竞争力，并形成品牌效应。功能上的创意主 要产生在设计的第一段和第二段，质量保证也与第一段和 第二段有密切关系。人们通常习惯于在第三段，也就是在 物理域中思维，不论是做CAE分析，还是做物理模型试验， 方法都比较具体，工具也比较完备。功能上的创新要求在 第一和第二段，即在功能域中思维，主要靠人在他所掌握 的知识（含市场需求和潜在需求的知识和市场能够提供的 服务的知识）的基础上联想。虽然研究的工作很多，但是 还没有成熟的理论能完全指导这个进程，因而也就没有离 开人的方法和工具能完全实施这个进程。
4、结论
• 1、制造业的竞争将是设计的竞争，竞争的焦点是最快地引入 最新技术，最短的开发周期和最小的开发成本。 • 2、设计是以知识为基础，以知识获取为中心。知识和知识获 取是资源依赖的，当智力资源由垂直结构向水平结构转变时， 参与设计各个要素之间的相互关系随之发生变化。 • 3、现代设计理论就是在这种环境下对传统设计理论的发展。 方法和实现方法的工具必须以理论的发展为指导。 • 4、现代设计理论应当至少有4部分内容：设计过程理论，性 能需求驱动理论，知识流理论和多利益方协调理论。 • 5、性能是功能和质量的集成，质量是功能实现和保持性的度 量。功能特征可以由文字说明、功能表达式和参数表3个要素 描述，而质量特征则可以由对应的功能表达式、质量表达式 和参数表3个要素描述。
如何用严格的科学描述来表达性能？
• 原则上，一个系统的功能应当由系统输出对系统输入的响应来描 述。我们曾经以机械产品的“运动保证功能”为例，对功能特征 的描述做过初步探讨。转子轴承系统的功能可以描述为：将系统 在负荷作用下一处的旋转运动转变为另一处的旋转运动。产品的 功能可以分解为若干子功能，功能特征集的结构应当是一个树形 结构。因为功能 需要满足功能独立公理，而一个结构却需要能实 现尽可能多的功能。图3给出了上述系统的功能和第一级子功能 分解。如果进一步分解，例如把第四个一级子功能分解成第二级 功能子集，即产生如图4所示的树。仅仅有图3和图4中的说明还 不够，因为没有定量的描述。例如图3左边框图中的语言可以用 功能表达式定量描述为：ω2 {ω1 }= ω1，其中ω1 、ω2 — 1端和2 端的角速度。图2右边最下面框图中语言的功能表达式为：zi { Wi <= Wigiven }= ki，其中zi — 第i个运动部件的轴向位置，Wi — 作用 在第i个运动部件上的负荷，Wigiven — 对应于Wi的给定值，i = 1 … n， n — 运动部件的数目。功能表达式的等号左边是在给定 输入条件下的输出参数，“{ }”内表示的是输入参数或参数表达式， 等号右边是输出参数的值。从这两个例子可以看到，一个功能特 征的描述至少要有3个组成部分：文字说明，功能表达式和参数 表，