現代設計理論

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現代設計理論(Modern Design Theory)

　　現代設計理論是應用科學的思想和方法創造出性能先進、結構合理的產品。概括地說，現代設計理論和方法是使傳統的設計即感性的、經驗的、靜態的、手工式的方法轉變為理性的、科學的、動態的、電腦化的方法。現代設計理論是在研究設計競爭規律和分散式資源環境設計活動中發展起來的，其研究重點是方便信息傳遞和分佈資源集成利用以提高設計競爭力。

　　現代設計理論主要由四部分構組成，它們是：設計過程理論、性能需求驅動理論、知識流理論和多方利益方協調理論。

　　1、設計過程理論

　　設計過程理論是研究設計過程構成及任務的理論。設計過程的複雜程度是與所設計的對象複雜程式、涉及的智力資源的複雜程度相關的。設計過程一般可以分為三個階段，第一階段是任務的提出，確定需求和潛在的需求；第二階段是可理解的形成，即概念設計，包括掃描技術可能和產生矛盾統一設想；第三階段是對可能解的評估、優選和確認，並產生最終解，稱為結構設計和詳細設計，包括經濟和技術分析、設想的優選和確認、結構的優選和確認、材料的優選和確認、加工過程的優選和確認、綜合評價和產生及表達最終解。可以用【圖1】表示。

　　然而，環境變化會要求與過程構成的任務所相關的概念等發生相應的變化，但設計過程理論必須以“創新是設計的靈魂”作為原則，才能符合“製造業的競爭實際上是設計競爭”的時代特征。從競爭的角度來看，構成產品競爭力的要素有：性能(包括功能和質量)、價格(包括成本、效益)、交貨期、售後服務(包括維修、升級和培訓)、環境(包括人、機)相容性和營銷策略。確定競爭策略有多種選擇，但從根本和長遠的角度考慮，還是要製造具有別人不能製造的性能的產品。只有功能上的創意和質量上的保證，才能使產品具有全新的賣點和較強的競爭力。

　　2、性能需求驅動理論

　　從競爭的角度看，設計的任務是要製造出別人不能製造的性能的產品，所以，性能或滿足性能需求成為設計追求的主要目標，也就是說，設計是由性能需求驅動的。

　　性能，是功能和質量的集成，質量，是功能實現和保持性的度量。在全生命周期設計中，設計對象就是一個時變系統，功能和質量是時間函數，全生命周期設計要預測和控制這個函數，同時還要預測和控制與約束條件有關的變數。對於多數產品，真正意義上的全生命周期設計還做不到，但這是設計追求的目標。

　　用戶對產品的要求是從性能出發的，是設計的起點和完成標誌，性能特征應當成為控制整個設計過程的基本特征。設計過程就是在“要達到什麼(性能)”和“如何達到(即解決方案)”之間反覆迭代的過程。性能驅動，有時是功能需求驅動，有時是質量需求驅動，有時則是功能需求和質量需求交替驅動；可能來自外源，可能是知識服務，也可能是另外一個設計或產品。所以，到外界去尋求服務和評估得到可能解，是性能需求驅動和以滿足性能需求的標準。

　　3、知識流理論

　　現代設計是以知識為基礎，以新知識獲取為中心的。所以從某個角度看，設計的過程可以看成是知識在設計的各個節點和各個相關方面之間的流動過程。現在產品設計競爭的焦點之一就是如何儘快引進最新技術。在分散式智力資源的環境下，企業要進行產品開發，就必須直接面對知識流的問題。研究知識流實際上就是就研究動態的知識，包括知識的分類、動態特征、運動機制、知識獲取和流動控制，研究目標是為以知識獲取為中心的設計活動作出清晰的描述，為研究實現方法和工具研發提供理論基礎。從流動完成的任務及特征看，知識流可以分為四類：第一類流動為知識融合併物化為解決方案，知識在這裡流過所有設計過程主要決策節點；第二類流動為知識及知識獲取服務，知識和知識獲取是資源依賴的，知識和獲取的新知識是由分佈的智力資源彙集到設計的決策節點上的；第三類流動是信息到知識的轉變，是在各個智力資源單元內部進行的，根據請求方的請求採集信息並加工成為可以支持設計的知識流動；第四類流動是信息採集，是各個智力資源單元根據需要採集信息過程中的流動。其路徑可以由【圖2】表示。可以看出，設計活動就是各種不同類型知識的流動。

　　4、多利益方協調理論

　　由於一個設計是由不同的利益方完成的，因此，設計的最終解釋不能實現通常意義上的最優，而且也不能由通常優化演算法得到。即使是多目標優化，也只能獲取非意願知識和實現非意願決策。既然設計要由不同的利益方完成，那麼設計的完成就體現各參與方的主要利益。各參與方具有不同的利益屬主，選擇某種解決方案，會給各方帶來不同的利益，即參與各方對於決策會有不同意願。所以，認識的統一和合作的進行，就要求各方在保證主要利益前提下，在次要利益上讓步。其中的規律，就構成了多方利益協調理論。

　　一、一般設計學

　　60年代由日本學者研究形成，70年代末以東京大學校長吉弘川之為代表確立。其研究目的為探索設計的本質，研究設計過程中人類思維規律及智能化機理，為方案設計自動化提供可應用性理論依據。

　　1.設計公理論:

　　研究總結人類設計過程，提出反映設計本質的三個公理:a.認識公理:人類由實體屬性、功能等認識或描述實體;b.對應公理:實體與實體概念一一對應;c.操作公理:人類由功能、屬性等抽象概念的推演操作創造出新實體。

　　基於上述公理，人類設計定義為由實體功能空間S到屬性空間T的反覆映射。【如下圖】。

　　即設計公理論闡明人類有發現自然存在物的功能、屬性的認識能力。但人類思維並不停留在己有存在上。通過對屬性、概念等抽象概念邏輯的推演、操作，產生創造物—新實體(具有新屬性，功能)。

　　2.公理論的設計過程模型:

　　據功能空間到屬性空間映射特點，分為:a.對應型設計過程模型:功能空間與屬性空間對應關係確定;b.收斂型設計過程:由部分滿足要求的已知範例So逐步迭代，達到滿足全要求T(T1...T2......Tn)的新產品。

　　3.設計系統功能/結構解剖:

　　設計系統具有樹狀層次結構:【如下圖】。它可應用於實體建模、電腦表達及功能設計推理。

　　4.設計思維邏輯過程:

　　一般設計學由實驗設計學觀察分析人類設計過程，驗證人類設計思維規律。它提出設計思維過程為:提出間題-功能展開-提出方案-評價-(提出間題)-擇優決策

　　二、設計原理學

　　60年代由美國學者研究形成，以1978年MIT的ProfessionN.P-shu為代表確立。

　　過去的設計是基於經驗或試錯式的，缺乏科學合理的原理與方法指導設計發展、因此設計周期長、效率低，無法適應複雜產品創新設計的要求。因而其研究目的為:發現、歸納設計優劣的評價標準，找出導致好設計的機制與設計指導準則;提出設計綜合的科學方法。

　　1.設計定義模型:

　　向設計參數空間DP設計原理學認為設計是社會“需求”到“產品”的過程，設計定義為由功能空間FR的映射，【如圖3】。功能空間FR、參數空間、DP具有樹狀層次結構，【如圖4】。設計過程模型為:問題設定、創造過程、分析評價-(問題設定)-決策選優-方案

　　2.設計原理學:

　　設計產生大量方案，為了快速決策作出最佳設計，設計原理學提出兩個評價設計原理。獨立原理:保持必要功能的相互獨立性—方案可行性準則;信息原理:使設計信息量最小—方案優化準則。

　　3.設計狀態方程:

　　{FR}={A}{DP}

　　{FR}:必要功能向量，i=12m;{DP}:設計參數向量j=12...n;

　　{A}mn:設計狀態矩陣:,i=1,2....n;

　　其中a_ij = 0時，FR_i與DP_j無關;a_ij≠0FR_i與DP_j乃有關。據設計方案的獨立性或干涉狀態，設計分類:a)獨立設計:必要功能FRi與設計參數Dpi一一對應;m=n，[A]為正交陳，對角陣。各必要功能相互獨立。b)干涉設計:各必要功能彼此相互干涉。c)準獨立設計:A為三角矩陣;

　　設計狀態方程表示了設計方案的干涉性或獨立性，據獨立公理1淘汰干涉性方案，或採取新的功能分解使設計向準獨立或獨立設計轉化。

　　4.設計公理推論:

　　為實際設計應用方便，設計公理推出七點設計應用準則。a.干涉設計獨立化(採用功能分解或參數分解法，使干涉設計轉化為獨立設計);b.減少必要功能的數目;c.另件集零為整;d.採用標準件;e.採用對稱性;f.允許值範圍極大化;g.信息最小的獨立設計。

　　三、系統設計論

　　60年代，歐洲學者總結二戰後創新產品設計，以價值論、運籌學、系統論為基礎，提出了系統設計論。

　　1.系統設計認為設計是科學知識一產品，即應用科學知識，綜合考慮材料、技術條件、社會需求、經濟環境等因素進行產品設計。

　　據設計創新性，設計類型分為:創新設計，革新設計、變參設計。

　　2.系統設計論:傳統設計把設計分成獨立、互不相關的若幹部分。各子部分設計較少考慮彼此之間相互依存、相互影響、相互協調關係。只在子系統中孤立、局部地設計，其結果並非系統全局最優。系統設計論認為:設計系統不是孤立、靜止的。它由若幹子系統構成。系統內部各子系統之間相互依存、相互關聯;系統與外部環境、條件也相互影響、相互關聯。設計必須考慮子系統各部分的相互關聯與作用，考慮系統內部與外部相互制約與相互協調，在全局條件下達到系統最優。

　　3.系統化的方案設計

　　產品成本的70%由設計階段決定，方案設計具有複雜性、多樣性、創造性、綜合性、優選性。系統論方案設計程式內容如下:

　　(1)明確設計任務:識別、確定產品需求，明確技術系統與外部環境的相互影響(一設計約束條件、確定系統輸入/輸出等，)明確系統總功能。

　　(2)構造功能結構:分解總功能，明確系統內部子功能相互關聯，確定子功能相互層次邏輯關係。

　　(3)功能元求解:採用創造性技法，探索實現功能元的科學原理、技術原理，確定實現功能元的原理方案。

　　(4)系統功能元解組合:採用形態矩陣法，建立子功能元設計方案列表，組合系統多解方案

　　(5)選擇合理方案並擇優:考慮系統設計需求、約束條件，考慮子系統相互關聯及功能原理方案的相容性，綜合子功能元的最優解及系統總體功能，擇優確定幾個系統良好方案。

　　(6)方案評價:考慮系統總體技術階值比，經評價或試驗或模擬分析，確定系統最佳方案。

　　(7)決策最佳方案。

　　(8)原理方案。

　　4.系統設計論的設計程式:考慮系統各階段任務，以科學、系統、邏輯的方法制定設計程式。1)擬定設計任務書;2)方案設計;3)技術設計;4)施工設計。

　　1.三大現代設計理論的相似之處

　　由上文可見，三大現代設計理論在對設計的本質、設計系統結構模型與分解、設計問題求解過程上觀點相似。如設計是:[功能空間一屬性空間]的映射，一般設計學;需求—產品(設計原理學);科學一產品(系統工程論)。即三者均認為設計是人類運用科學知識、技術知識實現人類需求的產品。三者認為設計系統結構具有層次樹狀結構。三者均提出設計問題求解過程是【如圖5】:

　　但是三者在研究目的、內容上各有所異，相應提出的設計方法、設計分類也各不相同，形成各自應用特點

　　2.三大現代設計理論的區別及其特點

　　1)一般設計學:

　　側重研究人類設計的智能活動機制。三個設計公理著重揭示人類的認識能力與反求設計創新的推演能力。因此，它認為人類的設計是由對舊實體的抽象認識得出其屬性功能等抽象概念—突破舊實體抽象概念，推演新屬性、新功能—構造新產品。即設計是人類思維由實體空間屬性的反覆映射。基於設計映射發展過程的特征，它的設計分類為對應型設計，收斂型設計。在工程設計應用中，由上文SHT映射實例可見，一般設計論的實體功能、屬性易於用自然語言描述，用集合理論表達與邏輯推算，它適用於電腦實現知識表達與智能推理，以產生概念設計的新思想，新方案，新產品。

　　2)設計原理學:

　　總結了各種創造性技法如智暴法、356法、矩陣列表法等。設計原理學認為設計具有多方案性，設計的解有優劣之分。其研究目的與內容著重探索設計多方案的擇優評價準則，以求在設計初期淘汰不良方案，或指導設計向良好形態發展，避兔大量非優解的產生及後期勞而無功的設計計算與試製。它提出了兩個設計原理—獨立原理，信息原理及由此推導的七個設計實用準則，用於多初始方案的評價、篩選合理方案，或指導設計功能分解與設計參數的設計。籍此保證設計的獨立性形態及信息最小化，或使設計向良好狀態發展—使干涉設計向獨立設計轉化。

　　設計原理學的重要特點是運用兩個設計原理指導設計，淘汰初期非優解;運用設計狀態方程明確表示設計方案形態，方便操作、改進設計。從而使設計向良好狀態發展，避免大量非優解的產生及後期冗餘計算，避免了設計人力、時間、材料、經濟的浪費，保證了設計快速、優質、可電腦化的實現。

　　3)系統工程論:

　　強調設計的科學性、系統性，優化性、可程式性。其設計系統是由時間維，方法維，邏輯維構成的多維空間。它提出設計是由科學一產品的過程。

　　系統設計論註重產品系統總體的優化。如考慮產品整個生命周期系統，產品設計不僅考慮結構實現上技術性能最優，而且考慮製造、裝配、銷售、使用、維修、回收利用、綠色環保等大系統產品系統最優。

　　系統設計論強調產品設計的系統性。即產品設計內部由若幹子系統構成，各子系統之間相互關聯、相互約束、相互影響。設計不局限於考慮子系統單元局部最優，而更須考慮子系統之間相互協調、相互統一，從而達到系統總體最優。並且系統設計論認為產品設計不僅考慮產品系統內部協調統一，還必須考慮產品系統與外部系統的相互關聯與作用，即考慮社會經濟、技術、環境、材料等因素下產品的設計，因此系統論的產品系統模型,【如圖6】

　　系統設計論註重產品設計的科學程式性。如方案設計程式與產品設計系統程式，各部分求解內容與系統層次邏輯結構相對應，有步驟、按程式進行。使複雜產品設計按社會化協作方式、快速、有效、協調、系統地進行。