机械工程学报，2004,40(4)：1-9 现代设计理论和方法的研究 谢友柏 (教育部现代设计及制造网上合作研究中心上海200030) 1、前言 设计理论和方法并不是新课题，但是要对它们做一个综合的评述，却十分不易。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以；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四，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。如果考虑有 大量研究是把两个方面交织在一起进行的，再加上不同作者对表达研究意图和研究结果的名 词，常常有不同的理解，以及由于主观和客观（如希望达到的目标最后没有达到等）原因， 有些名词又名不副实。这就使得不能用很短的篇幅把设计理论和方法整理出一个头绪。 提出现代设计理论和方法的命题，是因为设计在制造业中的作用已经比以前任何时期都 更加突出，因而设计理论和方法的研究，不能再停留在学术讨论和实际问题的个别解决上。 有人说，现在制造业竞争的焦点，就是设计的竞争。完成一项设计任务所涉及的知识领域（如 全生命周期设计)，也比以前任何时期都更为复杂、更为广泛。出于形势的要求，现代设计 理论和方法，必须既不同于上述的第一方面研究，这类研究受目前计算机能力的限制，在可 见的将来很难真正控制实际的设计全过程，也应当不同于上述的第二方面研究，仅仅解决设 计某一个局部的问题，而不能统帅整个设计，在全局上指导设计的进行。局部问题的解法固 然不可或缺，但是如果没有全局的安排，局部解法往往难以集成在一起工作，甚至会妨碍集 成。 需要对设计理论作进一步发展，还与以下事实有关： 以量产为特征的制造业，设计主要是针对一种或一类产品（包括比较复杂的产品或系 统)，每一次设计对创新程度的要求往往不高，允许比较长的开发时间和比较大的资金投入， 而最重要的一点是它所依赖的资源，主要是属于企业内部。 随着市场竞争日益激烈和经济全球化，用户对产品要求的个性化和多样化，产品创新的 空间空前扩大，对于创新程度的要求越来越高，同时产品（或系统）的复杂程度越来越大， 涉及的技术和科学领域越来越多，竞争压力迫使制造业对新创意、新技术更为强烈的追求。 新创意和新技术的实施，意味着需要更多的知识和更多对资源的依赖。而产品开发的周期却 被迫大大减少，不允许有足够的时间来为新开发项目建设所需要的新资源。而产品更新频率 的加快，建设起来的资源又可能在开发完成以后（对一个企业）不再有用。投入的资金不仅 不能增加，对于单个项目而言往往越来越少，就是说，既没有足够的时间，又没有足够的资 国家自然科学基金资助重大项目(59990470)。20040202收到初稿，20040320收到修改稿
机械工程学报, 2004, 40(4):1-9 现代设计理论和方法的研究 谢友柏 （教育部现代设计及制造网上合作研究中心 上海 200030） 1、前言 设计理论和方法并不是新课题，但是要对它们做一个综合的评述，却十分不易。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[1]。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[2]；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[3][4]，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。如果考虑有 大量研究是把两个方面交织在一起进行的，再加上不同作者对表达研究意图和研究结果的名 词，常常有不同的理解，以及由于主观和客观（如希望达到的目标最后没有达到等）原因， 有些名词又名不副实。这就使得不能用很短的篇幅把设计理论和方法整理出一个头绪。 提出现代设计理论和方法的命题,是因为设计在制造业中的作用已经比以前任何时期都 更加突出，因而设计理论和方法的研究，不能再停留在学术讨论和实际问题的个别解决上。 有人说，现在制造业竞争的焦点，就是设计的竞争。完成一项设计任务所涉及的知识领域（如 全生命周期设计）,也比以前任何时期都更为复杂、更为广泛。出于形势的要求，现代设计 理论和方法，必须既不同于上述的第一方面研究，这类研究受目前计算机能力的限制，在可 见的将来很难真正控制实际的设计全过程，也应当不同于上述的第二方面研究，仅仅解决设 计某一个局部的问题，而不能统帅整个设计，在全局上指导设计的进行。局部问题的解法固 然不可或缺，但是如果没有全局的安排，局部解法往往难以集成在一起工作，甚至会妨碍集 成。 需要对设计理论作进一步发展，还与以下事实有关： 以量产为特征的制造业，设计主要是针对一种或一类产品（包括比较复杂的产品或系 统），每一次设计对创新程度的要求往往不高，允许比较长的开发时间和比较大的资金投入， 而最重要的一点是它所依赖的资源，主要是属于企业内部。 随着市场竞争日益激烈和经济全球化，用户对产品要求的个性化和多样化，产品创新的 空间空前扩大，对于创新程度的要求越来越高，同时产品（或系统）的复杂程度越来越大， 涉及的技术和科学领域越来越多，竞争压力迫使制造业对新创意、新技术更为强烈的追求。 新创意和新技术的实施，意味着需要更多的知识和更多对资源的依赖。而产品开发的周期却 被迫大大减少，不允许有足够的时间来为新开发项目建设所需要的新资源。而产品更新频率 的加快，建设起来的资源又可能在开发完成以后（对一个企业）不再有用。投入的资金不仅 不能增加，对于单个项目而言往往越来越少，就是说，既没有足够的时间，又没有足够的资 ____ 国家自然科学基金资助重大项目（59990470）。20040202 收到初稿，20040320 收到修改稿 1
金来建设和运作资源。这就使得设计不得不越来越依赖外源。我们在很多文章中说过，现代 设计是以知识为基础，以知识获取为中心，设计是知识的物化，新设计是新知识的物化。 所以，依赖外源主要是依赖外部的智力资源，即依赖外部的知识和知识获取服务⑥。可以说， 竞争的结果，也是经济全球化的结果，产品开发所依赖的智力资源，逐步由传统的垂直结构 向水平结构，即分布式结构转变。由于是外源，这些资源是属于不同利益方的，于是问题就 更为复杂。不难设想，现代设计中一个设计总是由许多不同利益方合作来完成的。而且对产 品应当有一种广义的理解，产品也可以是一个过程，一个软件或是一个组织机构。所以设 计的也就可能是一种知识服务和知识获取服务（简称知识服务，下同）。 所以，传统的设计理论和方法已经不能适应指导这样一种设计活动的要求，市场的变化 和资源结构的变化对设计理论和方法提出了新的命题。设计理论和方法的发展，与智力资源 变化有密切关系，如资源的生成和发展、资源的结构、设计任务中资源单元的组织、设计工 作流由此而产生的变化、设计知识的获取、知识服务、知识在各个设计节点之间的流动及其 控制以及多利益方合作决策等等。 有人说，设计是一种技术，当前要解决的主要是计算机、软件和通讯的问题。美国最近 两个关于先进工程环境(AEE)的研究报告”，)，就持这种观点。但这是不全面的。没有对设 计活动科学的描述，没有关于活动规律的理论研究，究竟什么样的硬件和软件配置，或者说 什么样的环境其功能能够满足现代设计的要求？其中非常重要，而参考文献[7][8]所没有涉 及的一点，就是分布式智力资源如何生成、生存、发展和运作，这是要建成这个环境所不可 回避的问题，后面第3节将进一步讨论有关的理论。没有智力资源，所谓环境就是空谈。对 于智力资源匮乏的中国固然如此，即使美国，在资源由垂直结构转变为水平结构的情况下， 也面对相同的局面，当然他们的智力资源，比我们要丰富和成熟得多。只研究环境而不研究 资源，就像原来寄希望于CD软件那样，以为能制图了就能设计，其实设计不等于制图；也 像我国早期研究CIMS一样，以为计算机就能解决制造业的困难，实际上，CIMS并不能解决 开发有竞争力产品的问题，设计不等于计算，也不等于制图加计算。 我国推行先进制造技术(AMT)多年，其中有一个子项，就是“现代设计技术”。这反映 把设计仅仅看成是一种技术的观点，说明对于先进制造技术的内涵和时代特征，认识得并不 充分。从满清政府办洋务运动到现在，已经一个半世纪了。这一个半世纪中，多数情况下， 我们的制造业都是依靠外来技术制造的。现在我们已经成为一个制造大国，大家正在为如何 使国家进一步成为制造强国思考。与制造强国相比，设计、开发能力严重不足是比较一致的 认识。但是设计能力不足的关键在什么地方，认识上并不一致。人们习惯于用过去解决制造 (指狭义理解下的制造，下同)问题的办法来解决设计、开发中的问题，而对于在新环境下 设计理论和方法的研究，则常常处于被遗忘的地位。 理论不可能产生在实践之前，它需要实践经验作为其构成的基本素材。理论也不是产生 在实践的终点，因为它负有指导后续实践使之有更多成功机会的责任。所以，理论和实践是 相辅相成，相互促进而又相互制约。理论是研究方法的指导，在对客观规律认识的基础上， 将研究出许多解决问题的方法，而工具（含软件，下同）则是实现方法的手段。 以教育部现代设计与制造网上合作研究中心(IBCDM)例为中心的群体，多年来一直在这 个领域中进行工作。起初是探索设计能力不足的原因和解决途径，进而研究分布式智力资源 对设计的影响和可能给我国带来的机遇，最终得到一个结论，那就是传统的设计理论和方法 必须进一步加以发展并在实践中得到应用，否则我国的制造业就不能跟上时代步伐，也就抓 不住时代的机遇。当然，如前所说。设计理论和方法涉及的范围十分广泛，我们还远不能说 对各个方面都已经有所研究，只是在理论和方法的主要问题上进行了一些探索。这里发表的 是我们对现代设计理论和方法应当包含的基本内容的看法，也就是试图回答，什么是现代设 计理论和方法？它对传统的设计理论和方法应当在哪些方面有所发展？我们认为，现代设计 2
金来建设和运作资源。这就使得设计不得不越来越依赖外源。我们在很多文章中说过，现代 设计是以知识为基础，以知识获取为中心，设计是知识的物化，新设计是新知识的物化[5] 。 所以，依赖外源主要是依赖外部的智力资源，即依赖外部的知识和知识获取服务[6]。可以说， 竞争的结果，也是经济全球化的结果，产品开发所依赖的智力资源，逐步由传统的垂直结构 向水平结构，即分布式结构转变。由于是外源，这些资源是属于不同利益方的，于是问题就 更为复杂。不难设想，现代设计中一个设计总是由许多不同利益方合作来完成的。而且对产 品应当有一种广义的理解，产品也可以是一个过程，一个软件或是一个组织机构[4]。所以设 计的也就可能是一种知识服务和知识获取服务（简称知识服务，下同）。 所以，传统的设计理论和方法已经不能适应指导这样一种设计活动的要求，市场的变化 和资源结构的变化对设计理论和方法提出了新的命题。设计理论和方法的发展，与智力资源 变化有密切关系，如资源的生成和发展、资源的结构、设计任务中资源单元的组织、设计工 作流由此而产生的变化、设计知识的获取、知识服务、知识在各个设计节点之间的流动及其 控制以及多利益方合作决策等等。 有人说，设计是一种技术，当前要解决的主要是计算机、软件和通讯的问题。美国最近 两个关于先进工程环境（AEE）的研究报告[7，8]，就持这种观点。但这是不全面的。没有对设 计活动科学的描述，没有关于活动规律的理论研究，究竟什么样的硬件和软件配置,或者说 什么样的环境其功能能够满足现代设计的要求？其中非常重要，而参考文献[7][8]所没有涉 及的一点,就是分布式智力资源如何生成、生存、发展和运作，这是要建成这个环境所不可 回避的问题，后面第 3 节将进一步讨论有关的理论。没有智力资源，所谓环境就是空谈。对 于智力资源匮乏的中国固然如此，即使美国，在资源由垂直结构转变为水平结构的情况下， 也面对相同的局面，当然他们的智力资源，比我们要丰富和成熟得多。只研究环境而不研究 资源，就像原来寄希望于 CAD 软件那样，以为能制图了就能设计，其实设计不等于制图；也 像我国早期研究 CIMS 一样，以为计算机就能解决制造业的困难，实际上，CIMS 并不能解决 开发有竞争力产品的问题，设计不等于计算，也不等于制图加计算。 我国推行先进制造技术（AMT）多年，其中有一个子项，就是“现代设计技术”。这反映 把设计仅仅看成是一种技术的观点，说明对于先进制造技术的内涵和时代特征，认识得并不 充分。从满清政府办洋务运动到现在，已经一个半世纪了。这一个半世纪中，多数情况下， 我们的制造业都是依靠外来技术制造的。现在我们已经成为一个制造大国，大家正在为如何 使国家进一步成为制造强国思考。与制造强国相比，设计、开发能力严重不足是比较一致的 认识。但是设计能力不足的关键在什么地方，认识上并不一致。人们习惯于用过去解决制造 （指狭义理解下的制造，下同）问题的办法来解决设计、开发中的问题，而对于在新环境下 设计理论和方法的研究，则常常处于被遗忘的地位。 理论不可能产生在实践之前，它需要实践经验作为其构成的基本素材。理论也不是产生 在实践的终点，因为它负有指导后续实践使之有更多成功机会的责任。所以，理论和实践是 相辅相成，相互促进而又相互制约。理论是研究方法的指导，在对客观规律认识的基础上， 将研究出许多解决问题的方法，而工具（含软件，下同）则是实现方法的手段。 以教育部现代设计与制造网上合作研究中心（IBCDM）[9]为中心的群体，多年来一直在这 个领域中进行工作。起初是探索设计能力不足的原因和解决途径，进而研究分布式智力资源 对设计的影响和可能给我国带来的机遇，最终得到一个结论，那就是传统的设计理论和方法 必须进一步加以发展并在实践中得到应用，否则我国的制造业就不能跟上时代步伐，也就抓 不住时代的机遇。当然，如前所说。设计理论和方法涉及的范围十分广泛，我们还远不能说 对各个方面都已经有所研究，只是在理论和方法的主要问题上进行了一些探索。这里发表的 是我们对现代设计理论和方法应当包含的基本内容的看法，也就是试图回答，什么是现代设 计理论和方法？它对传统的设计理论和方法应当在哪些方面有所发展？我们认为，现代设计 2
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。相对而言，设计理论的这个部分比较 成熟，已经有许多论述.”。有一些研究把设计过程说得过分复杂，过分玄妙。设计过 程的复杂程度是与所设计的对象复杂程度、从而又与涉及到的智力资源的复杂程度相关，不 可一概而论。其实，不论是复杂的设计还是简单的设计，它们的过程构成和任务都能很简单地 讲清楚。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)一4、经济、技术分析（贯穿全过程）一5、设想的优选和确认→6、结 构的优选和确认 一7、材料的优选 “构造” “联想”产生 “协调”产生 和确认一8、加工 任务空间 可能解集合 最终设计（解） 过程的优选和确 测试 评估 认一9、综合评价 优化 →10、产生和表述 市场信息 回潮和再设计 最终解。这里面 断知识获取 主要是三段（图 已有知识 1):第一段是任 第一段 第二段 第三段 务的提出；第二段 (含上述过程描 图1、 设计过程构成及任务。 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。 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 3
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。相对而言，设计理论的这个部分比较 成熟，已经有许多论述[3，4，10，11]。有一些研究把设计过程说得过分复杂，过分玄妙。设计过 程的复杂程度是与所设计的对象复杂程度、从而又与涉及到的智力资源的复杂程度相关，不 可一概而论。其实,不论是复杂的设计还是简单的设计,它们的过程构成和任务都能很简单地 讲清楚。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[11]。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。 “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。 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 3
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。关于发布、发现和集成，IBCDM在参考文献[9]上提供了一个以UDDI协议为基 础的注册中心；评估合作关系，在参考文献[9]上通过DDI注册中心可以找到一个提供智力 资源服务供应商评估服务的平台，评估需要的参数一部分是由服务提供方自己发布的，一部 分是提供方应请求方的要求提交的，还有一部分则是请求方自己通过调查获得的，当然总还 有一部分在评估时是模糊的或根本无法知道的，所以对评估结果的置信度也需要有一个评 估；同样，在参考文献[9]上也可以得到一个适应分布式智力资源环境下管理合作关系的平 台。由于知识产权等原因，上一级请求方并不一定要求或能够得到下一级提供方服务中的 Know How,也不一定能知道下一级服务又是由那些更下一级的服务参与的，这往往是商业机 密。所以作为一种通用的模式，管理平台只要涉及3个层次，即平台当事级与它的父级和它 的子级，更远的服务方的资料仅仅是参考，这是分布式智力资源环境下设计的一个新情况。 不过根据市场知识提出需求和在评估的基础上选择合作关系以及确认最终设计却没有这么 简单，需要人的多方面的介入，而且往往需要有单独决策、互动决策和合作决策等多种决策 形式的交替运作（关于决策模式将在第3节和第4节讨论）。 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。 性 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， 报废后的处理 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 跑合 大修1大修N报废 时间 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 图2全生命周期中产品的性能与时间的关系。 供知识服务以及知识服务的准备。 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 4
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。关于发布、发现和集成，IBCDM 在参考文献[9]上提供了一个以 UDDI 协议为基 础的注册中心；评估合作关系，在参考文献[9]上通过 UDDI 注册中心可以找到一个提供智力 资源服务供应商评估服务的平台，评估需要的参数一部分是由服务提供方自己发布的，一部 分是提供方应请求方的要求提交的，还有一部分则是请求方自己通过调查获得的，当然总还 有一部分在评估时是模糊的或根本无法知道的，所以对评估结果的置信度也需要有一个评 估；同样，在参考文献[9]上也可以得到一个适应分布式智力资源环境下管理合作关系的平 台。由于知识产权等原因，上一级请求方并不一定要求或能够得到下一级提供方服务中的 Know How，也不一定能知道下一级服务又是由哪些更下一级的服务参与的，这往往是商业机 密。所以作为一种通用的模式，管理平台只要涉及 3 个层次，即平台当事级与它的父级和它 的子级,更远的服务方的资料仅仅是参考，这是分布式智力资源环境下设计的一个新情况。 不过根据市场知识提出需求和在评估的基础上选择合作关系以及确认最终设计却没有这么 简单，需要人的多方面的介入，而且往往需要有单独决策、互动决策和合作决策等多种决策 形式的交替运作（关于决策模式将在第 3 节和第 4 节讨论）。 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[12]。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。 性能 报废后的处理 跑合 大修 1 大修 N 报废 时间 图 2 全生命周期中产品的性能与时间的关系。 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。 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[5]。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 4
是这是设计追求的目标，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 计一描述设计要达到的目标的工具。 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。参考文献[4]的命题还缺少了一个重要的环节，完整的表 述应当是在“要达到什么（性能）”和“如何达到（即解决方案）”以及对达到程度的评估之 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 保证诸运动部件绕同一给定的轴线转动 的。性能需求是反映 沿同一轴线将一瑞 人们主观上对性能的 保证在给定负荷作用下给定的轴线不变 的旋转传递到另一 愿望，而性能则是指 端600MW,3000rpm 保证在给定负荷作用下各运动部件有相同的角递度 一个所设计的产品客 保证在给定负荷作用下各运动部件轴向位置不变 观存在的属性。前者 往往由自然语言表 困3单轴转子轴承系统第一级功能分解。 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。 现在的问题是：如何用严格的科学描述来表达性能？即如何用特征和特征参数来描述性 能以便于在设计中求解和对可能解进行评估，也就是说如何定义产品的性能特征，如何定性 和通过特征参数定量描述性能特征？性能特征比几何特征要复杂得多，由于这方面的理论还 不成熟，所以表达和 描述的方法也还在探 保证运动部件1与所在轴段有相同的角速度 索的过程之中 原则上，一个系统 保证在给定负荷作用 保证运动部件2与所在轴段有相同的角速度 的功能应当由系统输 下各运动部件有相同 出对系统输入的响应 的角速度 来描述。我们曾经以 保证运动部件N与所在轴段有相同的角速度 机械产品的“运动保 证功能”为例，对功 能特征的描述做过初 保证各轴段之间有相同的角速度 步探讨。转子轴承系 统的功能可以描述 图4第四个子功能的再分解。 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。但是功能树与结构树却不一定具有相同的形状。因为功能 5
是这是设计追求的目标，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。 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[4]。参考文献[4]的命题还缺少了一个重要的环节，完整的表 述应当是在“要达到什么（性能）”和“如何达到（即解决方案）”以及对达到程度的评估之 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。 保证诸运动部件绕同一给定的轴线转动 沿同一轴线将一端 保证在给定负荷作用下给定的轴线不变 的旋转传递到另一 端 600MW,3000rpm 保证在给定负荷作用下各运动部件有相同的角速度 保证在给定负荷作用下各运动部件轴向位置不变 图 3 单轴转子轴承系统第一级功能分解。 现在的问题是：如何用严格的科学描述来表达性能？即如何用特征和特征参数来描述性 能以便于在设计中求解和对可能解进行评估，也就是说如何定义产品的性能特征，如何定性 和通过特征参数定量描述性能特征？性能特征比几何特征要复杂得多，由于这方面的理论还 不成熟，所以表达和 描述的方法也还在探 索的过程之中。 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。但是功能树与结构树却不一定具有相同的形状。因为功能 保证运动部件 1 与所在轴段有相同的角速度 保证在给定负荷作用 保证运动部件 2 与所在轴段有相同的角速度 下各运动部件有相同 的角速度 保证运动部件 N 与所在轴段有相同的角速度 保证各轴段之间有相同的角速度 图 4 第四个子功能的再分解。 5