现代设计理论

现代设计理论(Modern Design Theory)

　　现代设计理论是应用科学的思想和方法创造出性能先进、结构合理的产品。概括地说，现代设计理论和方法是使传统的设计即感性的、经验的、静态的、手工式的方法转变为理性的、科学的、动态的、计算机化的方法。现代设计理论是在研究设计竞争规律和分布式资源环境设计活动中发展起来的，其研究重点是方便信息传递和分布资源集成利用以提高设计竞争力。

　　现代设计理论主要由四部分构组成，它们是：设计过程理论、性能需求驱动理论、知识流理论和多方利益方协调理论。

　　1、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。设计过程的复杂程度是与所设计的对象复杂程序、涉及的智力资源的复杂程度相关的。设计过程一般可以分为三个阶段，第一阶段是任务的提出，确定需求和潜在的需求；第二阶段是可理解的形成，即概念设计，包括扫描技术可能和产生矛盾统一设想；第三阶段是对可能解的评估、优选和确认，并产生最终解，称为结构设计和详细设计，包括经济和技术分析、设想的优选和确认、结构的优选和确认、材料的优选和确认、加工过程的优选和确认、综合评价和产生及表达最终解。可以用【图1】表示。

　　然而，环境变化会要求与过程构成的任务所相关的概念等发生相应的变化，但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。从竞争的角度来看，构成产品竞争力的要素有：性能(包括功能和质量)、价格(包括成本、效益)、交货期、售后服务(包括维修、升级和培训)、环境(包括人、机)相容性和营销策略。确定竞争策略有多种选择，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卖点和较强的竞争力。

　　2、性能需求驱动理论

　　从竞争的角度看，设计的任务是要制造出别人不能制造的性能的产品，所以，性能或满足性能需求成为设计追求的主要目标，也就是说，设计是由性能需求驱动的。

　　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。在全生命周期设计中，设计对象就是一个时变系统，功能和质量是时间函数，全生命周期设计要预测和控制这个函数，同时还要预测和控制与约束条件有关的变量。对于多数产品，真正意义上的全生命周期设计还做不到，但这是设计追求的目标。

　　用户对产品的要求是从性能出发的，是设计的起点和完成标志，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。性能驱动，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；可能来自外源，可能是知识服务，也可能是另外一个设计或产品。所以，到外界去寻求服务和评估得到可能解，是性能需求驱动和以满足性能需求的标准。

　　3、知识流理论

　　现代设计是以知识为基础，以新知识获取为中心的。所以从某个角度看，设计的过程可以看成是知识在设计的各个节点和各个相关方面之间的流动过程。现在产品设计竞争的焦点之一就是如何尽快引进最新技术。在分布式智力资源的环境下，企业要进行产品开发，就必须直接面对知识流的问题。研究知识流实际上就是就研究动态的知识，包括知识的分类、动态特征、运动机制、知识获取和流动控制，研究目标是为以知识获取为中心的设计活动作出清晰的描述，为研究实现方法和工具研发提供理论基础。从流动完成的任务及特征看，知识流可以分为四类：第一类流动为知识融合并物化为解决方案，知识在这里流过所有设计过程主要决策节点；第二类流动为知识及知识获取服务，知识和知识获取是资源依赖的，知识和获取的新知识是由分布的智力资源汇集到设计的决策节点上的；第三类流动是信息到知识的转变，是在各个智力资源单元内部进行的，根据请求方的请求采集信息并加工成为可以支持设计的知识流动；第四类流动是信息采集，是各个智力资源单元根据需要采集信息过程中的流动。其路径可以由【图2】表示。可以看出，设计活动就是各种不同类型知识的流动。

　　4、多利益方协调理论

　　由于一个设计是由不同的利益方完成的，因此，设计的最终解释不能实现通常意义上的最优，而且也不能由通常优化算法得到。即使是多目标优化，也只能获取非意愿知识和实现非意愿决策。既然设计要由不同的利益方完成，那么设计的完成就体现各参与方的主要利益。各参与方具有不同的利益属主，选择某种解决方案，会给各方带来不同的利益，即参与各方对于决策会有不同意愿。所以，认识的统一和合作的进行，就要求各方在保证主要利益前提下，在次要利益上让步。其中的规律，就构成了多方利益协调理论。

　　一、一般设计学

　　60年代由日本学者研究形成，70年代末以东京大学校长吉弘川之为代表确立。其研究目的为探索设计的本质，研究设计过程中人类思维规律及智能化机理，为方案设计自动化提供可应用性理论依据。

　　1.设计公理论:

　　研究总结人类设计过程，提出反映设计本质的三个公理:a.认识公理:人类由实体属性、功能等认识或描述实体;b.对应公理:实体与实体概念一一对应;c.操作公理:人类由功能、属性等抽象概念的推演操作创造出新实体。

　　基于上述公理，人类设计定义为由实体功能空间S到属性空间T的反复映射。【如下图】。

　　即设计公理论阐明人类有发现自然存在物的功能、属性的认识能力。但人类思维并不停留在己有存在上。通过对属性、概念等抽象概念逻辑的推演、操作，产生创造物—新实体(具有新属性，功能)。

　　2.公理论的设计过程模型:

　　据功能空间到属性空间映射特点，分为:a.对应型设计过程模型:功能空间与属性空间对应关系确定;b.收敛型设计过程:由部分满足要求的已知范例So逐步迭代，达到满足全要求T(T1...T2......Tn)的新产品。

　　3.设计系统功能/结构解剖:

　　设计系统具有树状层次结构:【如下图】。它可应用于实体建模、计算机表达及功能设计推理。

　　4.设计思维逻辑过程:

　　一般设计学由实验设计学观察分析人类设计过程，验证人类设计思维规律。它提出设计思维过程为:提出间题-功能展开-提出方案-评价-(提出间题)-择优决策

　　二、设计原理学

　　60年代由美国学者研究形成，以1978年MIT的ProfessionN.P-shu为代表确立。

　　过去的设计是基于经验或试错式的，缺乏科学合理的原理与方法指导设计发展、因此设计周期长、效率低，无法适应复杂产品创新设计的要求。因而其研究目的为:发现、归纳设计优劣的评价标准，找出导致好设计的机制与设计指导准则;提出设计综合的科学方法。

　　1.设计定义模型:

　　向设计参数空间DP设计原理学认为设计是社会“需求”到“产品”的过程，设计定义为由功能空间FR的映射，【如图3】。功能空间FR、参数空间、DP具有树状层次结构，【如图4】。设计过程模型为:问题设定、创造过程、分析评价-(问题设定)-决策选优-方案

　　2.设计原理学:

　　设计产生大量方案，为了快速决策作出最佳设计，设计原理学提出两个评价设计原理。独立原理:保持必要功能的相互独立性—方案可行性准则;信息原理:使设计信息量最小—方案优化准则。

　　3.设计状态方程:

　　{FR}={A}{DP}

　　{FR}:必要功能向量，i=12m;{DP}:设计参数向量j=12...n;

　　{A}mn:设计状态矩阵:,i=1,2....n;

　　其中a_ij = 0时，FR_i与DP_j无关;a_ij≠0FR_i与DP_j乃有关。据设计方案的独立性或干涉状态，设计分类:a)独立设计:必要功能FRi与设计参数Dpi一一对应;m=n，[A]为正交陈，对角阵。各必要功能相互独立。b)干涉设计:各必要功能彼此相互干涉。c)准独立设计:A为三角矩阵;

　　设计状态方程表示了设计方案的干涉性或独立性，据独立公理1淘汰干涉性方案，或采取新的功能分解使设计向准独立或独立设计转化。

　　4.设计公理推论:

　　为实际设计应用方便，设计公理推出七点设计应用准则。a.干涉设计独立化(采用功能分解或参数分解法，使干涉设计转化为独立设计);b.减少必要功能的数目;c.另件集零为整;d.采用标准件;e.采用对称性;f.允许值范围极大化;g.信息最小的独立设计。

　　三、系统设计论

　　60年代，欧洲学者总结二战后创新产品设计，以价值论、运筹学、系统论为基础，提出了系统设计论。

　　1.系统设计认为设计是科学知识一产品，即应用科学知识，综合考虑材料、技术条件、社会需求、经济环境等因素进行产品设计。

　　据设计创新性，设计类型分为:创新设计，革新设计、变参设计。

　　2.系统设计论:传统设计把设计分成独立、互不相关的若干部分。各子部分设计较少考虑彼此之间相互依存、相互影响、相互协调关系。只在子系统中孤立、局部地设计，其结果并非系统全局最优。系统设计论认为:设计系统不是孤立、静止的。它由若干子系统构成。系统内部各子系统之间相互依存、相互关联;系统与外部环境、条件也相互影响、相互关联。设计必须考虑子系统各部分的相互关联与作用，考虑系统内部与外部相互制约与相互协调，在全局条件下达到系统最优。

　　3.系统化的方案设计

　　产品成本的70%由设计阶段决定，方案设计具有复杂性、多样性、创造性、综合性、优选性。系统论方案设计程序内容如下:

　　(1)明确设计任务:识别、确定产品需求，明确技术系统与外部环境的相互影响(一设计约束条件、确定系统输入/输出等，)明确系统总功能。

　　(2)构造功能结构:分解总功能，明确系统内部子功能相互关联，确定子功能相互层次逻辑关系。

　　(3)功能元求解:采用创造性技法，探索实现功能元的科学原理、技术原理，确定实现功能元的原理方案。

　　(4)系统功能元解组合:采用形态矩阵法，建立子功能元设计方案列表，组合系统多解方案

　　(5)选择合理方案并择优:考虑系统设计需求、约束条件，考虑子系统相互关联及功能原理方案的相容性，综合子功能元的最优解及系统总体功能，择优确定几个系统良好方案。

　　(6)方案评价:考虑系统总体技术阶值比，经评价或试验或仿真分析，确定系统最佳方案。

　　(7)决策最佳方案。

　　(8)原理方案。

　　4.系统设计论的设计程式:考虑系统各阶段任务，以科学、系统、逻辑的方法制定设计程式。1)拟定设计任务书;2)方案设计;3)技术设计;4)施工设计。

　　1.三大现代设计理论的相似之处

　　由上文可见，三大现代设计理论在对设计的本质、设计系统结构模型与分解、设计问题求解过程上观点相似。如设计是:[功能空间一属性空间]的映射，一般设计学;需求—产品(设计原理学);科学一产品(系统工程论)。即三者均认为设计是人类运用科学知识、技术知识实现人类需求的产品。三者认为设计系统结构具有层次树状结构。三者均提出设计问题求解过程是【如图5】:

　　但是三者在研究目的、内容上各有所异，相应提出的设计方法、设计分类也各不相同，形成各自应用特点

　　2.三大现代设计理论的区别及其特点

　　1)一般设计学:

　　侧重研究人类设计的智能活动机制。三个设计公理着重揭示人类的认识能力与反求设计创新的推演能力。因此，它认为人类的设计是由对旧实体的抽象认识得出其属性功能等抽象概念—突破旧实体抽象概念，推演新属性、新功能—构造新产品。即设计是人类思维由实体空间属性的反复映射。基于设计映射发展过程的特征，它的设计分类为对应型设计，收敛型设计。在工程设计应用中，由上文SHT映射实例可见，一般设计论的实体功能、属性易于用自然语言描述，用集合理论表达与逻辑推算，它适用于计算机实现知识表达与智能推理，以产生概念设计的新思想，新方案，新产品。

　　2)设计原理学:

　　总结了各种创造性技法如智暴法、356法、矩阵列表法等。设计原理学认为设计具有多方案性，设计的解有优劣之分。其研究目的与内容着重探索设计多方案的择优评价准则，以求在设计初期淘汰不良方案，或指导设计向良好形态发展，避兔大量非优解的产生及后期劳而无功的设计计算与试制。它提出了两个设计原理—独立原理，信息原理及由此推导的七个设计实用准则，用于多初始方案的评价、筛选合理方案，或指导设计功能分解与设计参数的设计。籍此保证设计的独立性形态及信息最小化，或使设计向良好状态发展—使干涉设计向独立设计转化。

　　设计原理学的重要特点是运用两个设计原理指导设计，淘汰初期非优解;运用设计状态方程明确表示设计方案形态，方便操作、改进设计。从而使设计向良好状态发展，避免大量非优解的产生及后期冗余计算，避免了设计人力、时间、材料、经济的浪费，保证了设计快速、优质、可计算机化的实现。

　　3)系统工程论:

　　强调设计的科学性、系统性，优化性、可程序性。其设计系统是由时间维，方法维，逻辑维构成的多维空间。它提出设计是由科学一产品的过程。

　　系统设计论注重产品系统总体的优化。如考虑产品整个生命周期系统，产品设计不仅考虑结构实现上技术性能最优，而且考虑制造、装配、销售、使用、维修、回收利用、绿色环保等大系统产品系统最优。

　　系统设计论强调产品设计的系统性。即产品设计内部由若干子系统构成，各子系统之间相互关联、相互约束、相互影响。设计不局限于考虑子系统单元局部最优，而更须考虑子系统之间相互协调、相互统一，从而达到系统总体最优。并且系统设计论认为产品设计不仅考虑产品系统内部协调统一，还必须考虑产品系统与外部系统的相互关联与作用，即考虑社会经济、技术、环境、材料等因素下产品的设计，因此系统论的产品系统模型,【如图6】

　　系统设计论注重产品设计的科学程序性。如方案设计程序与产品设计系统程序，各部分求解内容与系统层次逻辑结构相对应，有步骤、按程序进行。使复杂产品设计按社会化协作方式、快速、有效、协调、系统地进行。