第二章设计问题描述与解决方法 (初稿，供讨论) 谢友柏 大纲 一、设计的任务和设计的一般过程（不是每一个人都要经过所有的阶段） 二、设计中的知识获取和知识流 三、知识获取需要的资源 四、分布式资源环境 1、知识服务 2、智力资源单元 3、智力资源注册中心 4、知识服务平台 五、全生命周期性能数字样机 一、设计的任务和设计的一般过程 前一章说过，设计是一切制作行为的起点，在这个起点上，要预先估计和规划事物全生 命周期中的际遇和行为。在设计制作一个事物时，总会遇到一些新的需求，也就是要解决一 些过去没有解决过的问题，即使完全重复过去的事物，也会因为际遇不同而需要有不同的对 策。采用新方法解决没有解决过的问题以满足新的需求是设计精髓，所以说创新是设计的灵 魂。但是创新不是目的，创新是竞争取胜的手段。人类制作事物的情况是复杂和多样的，决 定了设计也必然是情况复杂和多样，没有一个一成不变的模式。有时设计的对象规模非常庞 大，系统十分复杂，介入设计的资源单元数目很多，例如欧洲空中客车公司生产的A380客 机（图2-1)就是这样的一个对象，几乎所有欧洲国家都有公司参与这个工程。 A380是目前和将来一个时期中世界上最大的客机，飞机高24米多，长73米，翼展宽 80米。其内部空间比原来最大的客机，美国波音公司的747客机大4%，但重量却比它轻。 航程15000公里，其包机机型可搭载乘客840人，比波音747-400客机多近300人。毫无疑 问，它也是一个非常复杂的技术系统，因为涉及到飞机上所有人员的生命、财产安全和旅行 的舒适、愉快。A380客机由300多万种零件组成， 采用了当今世界最先进的材料、系统和工艺技术。 为完成这个项目，空中客车公司与世界上大约120 个供应商和行业合作伙伴签订了200多份重要合 同。 对于这样庞大和复杂的系统，有这样多的单位 参加设计和制造，作为全生命周期设计，在设计 图2-1、空中客车A380 时不仅要考虑到它的性能，各种约束条件，而且对于制造过程、运输和装配，以及制成以后 的测试，都必须有周密的考虑，特别是要能够保证交付使用后整个生命周期中飞机的使用满 意和可靠性。空中客车公司在欧洲的制造工厂包括在法国的总装工厂和在法国、英国、德国 和西班牙的许多部件装配工厂，这些工厂以近似同步化的方式生产A380客机的各个部件并 将其装配在一起。公司不仅设计了可以将分布设计、制造、调试的部件最后在一地精确地组
第二章 设计问题描述与解决方法 （初稿，供讨论） 谢友柏 大纲 一、设计的任务和设计的一般过程（不是每一个人都要经过所有的阶段） 二、设计中的知识获取和知识流 三、知识获取需要的资源 四、分布式资源环境 1、知识服务 2、智力资源单元 3、智力资源注册中心 4、知识服务平台 五、全生命周期性能数字样机 一、设计的任务和设计的一般过程 前一章说过，设计是一切制作行为的起点，在这个起点上，要预先估计和规划事物全生 命周期中的际遇和行为。在设计制作一个事物时，总会遇到一些新的需求，也就是要解决一 些过去没有解决过的问题，即使完全重复过去的事物，也会因为际遇不同而需要有不同的对 策。采用新方法解决没有解决过的问题以满足新的需求是设计精髓，所以说创新是设计的灵 魂。但是创新不是目的，创新是竞争取胜的手段。人类制作事物的情况是复杂和多样的，决 定了设计也必然是情况复杂和多样，没有一个一成不变的模式。有时设计的对象规模非常庞 大，系统十分复杂，介入设计的资源单元数目很多，例如欧洲空中客车公司生产的A380 客 机 （图 2-1）就是这样的一个对象，几乎所有欧洲国家都有公司参与这个工程。 A380 是目前和将来一个时期中世界上最大的客机，飞机高 24 米多，长 73 米，翼展宽 80 米。其内部空间比原来最大的客机，美国波音公司的 747 客机大 4%，但重量却比它轻。 航程 15000 公里，其包机机型可搭载乘客 840 人，比波音 747-400 客机多近 300 人。毫无疑 问，它也是一个非常复杂的技术系统，因为涉及到飞机上所有人员的生命、财产安全和旅行 的舒适、愉快。A380 客机由 300 多万种零件组成， 采用了当今世界最先进的材料、系统和工艺技术。 为完成这个项目，空中客车公司与世界上大约 120 个供应商和行业合作伙伴签订了 200 多份重要合 同。 对于这样庞大和复杂的系统，有这样多的单位 参加设计和制造，作为全生命周期设计，在设计 时不仅要考虑到它的性能，各种约束条件，而且对于制造过程、运输和装配，以及制成以后 的测试，都必须有周密的考虑，特别是要能够保证交付使用后整个生命周期中飞机的使用满 意和可靠性。空中客车公司在欧洲的制造工厂包括在法国的总装工厂和在法国、英国、德国 和西班牙的许多部件装配工厂，这些工厂以近似同步化的方式生产 A380 客机的各个部件并 将其装配在一起。公司不仅设计了可以将分布设计、制造、调试的部件最后在一地精确地组 图 2-1、 空中客车 A380。 1
装在一起，而且还使用专门设计的利用巨型特制海轮、内河驳船和公路拖车进行运输的全新 的运输模式。专门设计的船作为安全高效的运输方式，将A380客机部件从空中客车公司位 于英国布劳顿，德国汉堡和西班牙波多尔以及法国圣南泽尔的工厂运送到位于法国图卢兹的 总装线。飞机制造的各个阶段，对所制造的各个部件和总成，都要进行严格的测试。所有测 试完成后，飞机飞往汉堡完成飞机总装的剩余工作，即飞机的内饰和喷漆。 当然也有很简单的对象，问题在一个人的脑子里就可以处理完了。例如设计一件衬衫。 正因为对象千差万别，虽然许多书在讨论设计过程时推荐各种各样严格的设计程序，但是本 书在这里宁愿建议设计师可以根据具体情况参考它们来制定自己的程序，而不说一定要按照 什么样的程序或者介绍什么样的程序最好。所要强调的是要牢牢记住设计的任务，即现代设 计一个非常重要的属性：竞争性。设计要完成制造业竞争所赋予的使命，要使所设计的事物 在制成以后，能够和类似产品在市场上竞争取胜，特别是在性能上能够具备现有产品所不能 满足的性能需求，同时设计也要使所设计的事物在整个生命周期中满足所有的约束条件。 如图2-2所示，设计大体上要做三件事：确定设计任务，产生若干个可能的解决方案， 测试、评估、优化和决定最终的解决方案。所有这些过程，都是以知识为基础和以知识获取 为中心。 1、确定设计任务，即确定要设计什么？这是首先要做的事。如果将设计看成仅仅是求 得一个物理上和技术上成立的解，那么这个阶段往往被设计人员轻视，有时就交给营销人员 去做。但是设计的目标是竞争取胜，所以就不能不由设计工程师和营销人员共同来完成这个 任务。 制造企业开发新产品，是为了获 根据市场信惠，确定寻求并选舞引入什么 得更大利润。不过对于如何获得利润， 设计菁要满足什么裹 新技术以去现新性能 有产品所不能满足的并选择采用哪些已有 却有不同的思维方式。一种是努力提 新的性能卫， 技术与新技术肥查。 高产品的价值，吸引更多的用户。而 全生命圆期性能意半样机央决策和或 根帮性能特在 产生 另一种则是尽量降低价格以增加销 和的京特征： 最终设计 测试 售。按照一般规律，产品在开发阶段， 评估 优化 是性能需求驱动的竞争，企业争相用 回调和再设计 最新的技术以获得其他产品所不具备 已有知识和新知讲获取 已有知识和新知识获取 的性能。但是技术发展是比较快的， 第一段1 一第二段-一一- 一一一一第三段一一一一一一 当一个产品采用的技术已经发展到超 W日T? HOW? SURE? 图2-2、设计过程（或子过是）构成及任务 过满足性能需求所需要的程度并已经 为其他企业所掌握，性能驱动的竞争就变成了价格竞争，或者所谓成本驱动的竞争，这就导 致利润下降。这时可能采用的一个措施就是“普产”。于是企业采用标准化、模块化和通 用技术生产，让一些技术水平较低的企业以许可证方式用低端技术（低端技术也在进步）生 产，将制造过程转移到劳动、资源、环境成本比较低的地区和将技术转让给其他还不具备这 种技术、利润要求不高的企业。后者是一批尽量降低价格以追求销售的企业，在竞争中他们 的生产将不得不逐步走向微利而不可能得到更大利润。 前一种企业将在性能竞争阶段和“普产”中积累的资金转向开发下一代产品，力图赋 子产品以更大价值。对于通过赋予产品更大价值追求更大利润的企业和接受“普产”的企业 不同，设计什么的决策和设计的竞争性在这时起着关键作用。接受“普产”的企业则主要关 心怎么做可以获得更多利润，设计对这种企业比较简单，或者说他们对设计的关心真是集中 在物理上和技术上成立，因为任何人都不可能将成本降低到在物理上和技术上不能成立的程 度。开发新产品要引入最新技术（较多是高端技术）以具备现有产品所不能满足的性能需求、 满足所有必须的约束条件和获得最大竞争力从而获得最大可能的利润，设计什么的决策在这 里是非常重要的。为此要做好以下各项工作：研究和选择好设计中所要具备的新的需求（并 2
装在一起，而且还使用专门设计的利用巨型特制海轮、内河驳船和公路拖车进行运输的全新 的运输模式。专门设计的船作为安全高效的运输方式，将 A380 客机部件从空中客车公司位 于英国布劳顿、德国汉堡和西班牙波多尔以及法国圣南泽尔的工厂运送到位于法国图卢兹的 总装线。飞机制造的各个阶段，对所制造的各个部件和总成，都要进行严格的测试。所有测 试完成后，飞机飞往汉堡完成飞机总装的剩余工作，即飞机的内饰和喷漆。 当然也有很简单的对象，问题在一个人的脑子里就可以处理完了。例如设计一件衬衫。 正因为对象千差万别，虽然许多书在讨论设计过程时推荐各种各样严格的设计程序，但是本 书在这里宁愿建议设计师可以根据具体情况参考它们来制定自己的程序，而不说一定要按照 什么样的程序或者介绍什么样的程序最好。所要强调的是要牢牢记住设计的任务，即现代设 计一个非常重要的属性：竞争性。设计要完成制造业竞争所赋予的使命，要使所设计的事物 在制成以后，能够和类似产品在市场上竞争取胜，特别是在性能上能够具备现有产品所不能 满足的性能需求，同时设计也要使所设计的事物在整个生命周期中满足所有的约束条件。 如图 2-2 所示，设计大体上要做三件事：确定设计任务，产生若干个可能的解决方案， 测试、评估、优化和决定最终的解决方案。所有这些过程，都是以知识为基础和以知识获取 为中心。 1、确定设计任务，即确定要设计什么？这是首先要做的事。如果将设计看成仅仅是求 得一个物理上和技术上成立的解，那么这个阶段往往被设计人员轻视，有时就交给营销人员 去做。但是设计的目标是竞争取胜，所以就不能不由设计工程师和营销人员共同来完成这个 任务。 制造企业开发新产品，是为了获 得更大利润。不过对于如何获得利润， 却有不同的思维方式。一种是努力提 高产品的价值，吸引更多的用户。而 另一种则是尽量降低价格以增加销 售。按照一般规律，产品在开发阶段， 是性能需求驱动的竞争，企业争相用 最新的技术以获得其他产品所不具备 的性能。但是技术发展是比较快的， 当一个产品采用的技术已经发展到超 过满足性能需求所需要的程度并已经 为其他企业所掌握，性能驱动的竞争就变成了价格竞争，或者所谓成本驱动的竞争，这就导 致利润下降。这时可能采用的一个措施[1]就是“普产”。于是企业采用标准化、模块化和通 用技术生产，让一些技术水平较低的企业以许可证方式用低端技术（低端技术也在进步）生 产，将制造过程转移到劳动、资源、环境成本比较低的地区和将技术转让给其他还不具备这 种技术、利润要求不高的企业。后者是一批尽量降低价格以追求销售的企业，在竞争中他们 的生产将不得不逐步走向微利而不可能得到更大利润。 根据市场信息，确定 寻求并选择引入什么 设计需要满足什么现 新技术以实现新性能 有产品所不能满足的 并选择采用哪些已有 新的性能需求。 技术与新技术配套。 全生命周期性能数字样机 决策和/或 构造 产生 根据性能特征 产生 任务空间 可能解集合 和约束特征： 最终设计 测试 联想 及 评估 市场信息 相关技术 优化 回溯和再设计 已有知识和新知识获取 已有知识和新知识获取 第一段 第二段 第三段 图 2-2、 设计过程（或子过程）构成及任务。 WHAT？ HOW？ SURE？ 前一种企业将在性能竞争阶段和“普产”中积累的资金转向开发下一代产品，力图赋 予产品以更大价值。对于通过赋予产品更大价值追求更大利润的企业和接受“普产”的企业 不同，设计什么的决策和设计的竞争性在这时起着关键作用。接受“普产”的企业则主要关 心怎么做可以获得更多利润，设计对这种企业比较简单，或者说他们对设计的关心真是集中 在物理上和技术上成立，因为任何人都不可能将成本降低到在物理上和技术上不能成立的程 度。开发新产品要引入最新技术（较多是高端技术）以具备现有产品所不能满足的性能需求、 满足所有必须的约束条件和获得最大竞争力从而获得最大可能的利润，设计什么的决策在这 里是非常重要的。为此要做好以下各项工作：研究和选择好设计中所要具备的新的需求（并 2
不是所有需求都要去满足方初步分析可以选择的新技术（并不是所有需求都能够予以满足） 和评估开发的风险。 研究需求，即研究现有产品所不具备的性能需求以及各方面的约束需求，包括潜在需求和 可诱导需求，就要研究市场，研究生产和生活，研究社会。只研究销售，往往仅能看到量的 需求，仅能看到品种、性能或约束条件细节上的需求，得到推动成本驱动发展的依据。只有 研究生产、生活和人类的社会活动，才有可能对性能需求变化形成比较深远的认识，萌生出 在性能上创新的欲望。许多需求，并不是显式存在的，只能通过对生产、生活和社会未来发 展的预测，才可能看到，所以称为潜在需求。 开发A380客机，实际上是基于对未来长途飞行人群规模增长的估计，基于对更大的飞 机有可能具备更好性能的估计。研制一个新 兼油机 产品需要时间，尤其像A380客机这样复杂 ©)最量共 的产品。在做出决定当时，甚至在飞机研发 订垫电道撞 成功并已经投入商业运行的今天，对于这种 潮滑油越 汝光善 需求也还没有形成共识。也有许多需求，是 由于社会发展阶段或科学技术的限制过去 不能想象，但是在被少数或个别人意识到以 发光二银管 后，通过找到并引入某项过去没有、或没有 光源 蓝电盛投 壁光电池 被用过的技术使之成为可能，并为当前社会 她应黄 光电辆合卷国2-0.壶德脸进及〔一型) 所接受，这就是一种潜在的需求。新产品的 DL 图2-3.全折处遭仪 研发需要一个周期，及早和准确看到潜在需 田2-3、铁谱技术的发晨。 求是竞争取胜的非常重要的因素。也有一些 功能如果能够实现，可以诱发出新的需求，即所谓可诱导的需求。以对健康某个方面有益而 大做广告的补品，特别是宣传可以作为礼品赠送，就是看到社会存在对礼品的需要，诱导产 生不仅仅为自己健康，更多是作为一种礼品的新的价值。认识和选择设计所要满足的新需求， 是设计的出发点，对于所要满足的需求预测是否准确，在设计风险估计中占有重要地位。 举例说明。有一个被称为“铁谱”的技术，如图2-3所示，用于采集润滑油中悬浮颗 粒携带的信息以检测机械装备磨损状态和润滑状态。相应的仪器有分析铁谱仪、直读铁谱仪 等，是美国在上世纪70年代初的专利。分析铁谱仪（图2-3，图2-4）的工作原理是，当润 滑油流经一片斜放在永磁铁上的玻璃片时，油中悬浮的铁磁性颗粒被磁场吸引沉积在玻璃片 上，由倾斜而致的磁场强度差异，使得玻璃片一 端集中较大的颗粒，另一端集中教小的颗粒。分 别用两对光电耦合器原位测量流道上两处沉积 物对玻璃片透光面积的百分覆盖率，称为大磨粒 指数和小磨粒指数，由此间接地、相对地推测润 滑油中悬浮颗粒的多少和大小比例。清洗残油和 固定已经沉积的颗粒后，可以将玻璃片移到光学 显微镜下用肉眼观察放大了的颗粒形状、颗粒表 面纹理和颜色。过去30多年，分析铁谱仪一直 在全世界范围统治这个市场，虽然其间也有不少 仿制和少许改进的产品出现。 图2-4、分析式铁谱仪. 研究上述原理，可以看出这个仪器只能在实验室里操作，工业应用存在以下问题：采 样频率有限，难以及时捕捉到异常状态和对状态变化做出及时反应；样品取样、存储、运输 和处理过程复杂，不能适应大规模应用；取样、存储、运输和处理对人和人的经验的依赖性 大，有许多随机因素，可比性差等等。这些问题限制了铁谱技术大规模推广。上面这一段描
不是所有需求都要去满足）；初步分析可以选择的新技术（并不是所有需求都能够予以满足） 和评估开发的风险。 研究需求，即研究现有产品所不具备的性能需求以及各方面的约束需求，包括潜在需求和 可诱导需求，就要研究市场，研究生产和生活，研究社会。只研究销售，往往仅能看到量的 需求，仅能看到品种、性能或约束条件细节上的需求，得到推动成本驱动发展的依据。只有 研究生产、生活和人类的社会活动，才有可能对性能需求变化形成比较深远的认识，萌生出 在性能上创新的欲望。许多需求，并不是显式存在的，只能通过对生产、生活和社会未来发 展的预测，才可能看到，所以称为潜在需求。 开发 A380 客机，实际上是基于对未来长途飞行人群规模增长的估计，基于对更大的飞 机有可能具备更好性能的估计。研制一个新 产品需要时间，尤其像 A380 客机这样复杂 的产品。在做出决定当时，甚至在飞机研发 成功并已经投入商业运行的今天，对于这种 需求也还没有形成共识。也有许多需求，是 由于社会发展阶段或科学技术的限制过去 不能想象，但是在被少数或个别人意识到以 后，通过找到并引入某项过去没有、或没有 被用过的技术使之成为可能，并为当前社会 所接受，这就是一种潜在的需求。新产品的 研发需要一个周期，及早和准确看到潜在需 求是竞争取胜的非常重要的因素。也有一些 功能如果能够实现，可以诱发出新的需求，即所谓可诱导的需求。以对健康某个方面有益而 大做广告的补品，特别是宣传可以作为礼品赠送，就是看到社会存在对礼品的需要，诱导产 生不仅仅为自己健康，更多是作为一种礼品的新的价值。认识和选择设计所要满足的新需求， 是设计的出发点，对于所要满足的需求预测是否准确，在设计风险估计中占有重要地位。 图 2-3、铁谱技术的发展。 柴油机 摄像头 可控电磁场 润滑油箱 光源 图 2-3c.在 线铁谱仪 （二型） 抽 油 光学显微镜 回油 可控泵 人工取油样、做样、观察 发光二级管 光源 可控电磁场 永磁铁 硅光电池 梯度磁场 光电耦合器 图 2-3b.在 线铁谱仪 （一型） DL DS 图 2-3a. 分析铁谱仪 举例说明。有一个被称为“铁谱”的技术，如图 2-3 所示，用于采集润滑油中悬浮颗 粒携带的信息以检测机械装备磨损状态和润滑状态。相应的仪器有分析铁谱仪、直读铁谱仪 等，是美国在上世纪 70 年代初的专利。分析铁谱仪（图 2-3a,图 2-4）的工作原理是，当润 滑油流经一片斜放在永磁铁上的玻璃片时，油中悬浮的铁磁性颗粒被磁场吸引沉积在玻璃片 上，由倾斜而致的磁场强度差异，使得玻璃片一 端集中较大的颗粒，另一端集中教小的颗粒。分 别用两对光电耦合器原位测量流道上两处沉积 物对玻璃片透光面积的百分覆盖率，称为大磨粒 指数和小磨粒指数，由此间接地、相对地推测润 滑油中悬浮颗粒的多少和大小比例。清洗残油和 固定已经沉积的颗粒后，可以将玻璃片移到光学 显微镜下用肉眼观察放大了的颗粒形状、颗粒表 面纹理和颜色。过去 30 多年，分析铁谱仪一直 在全世界范围统治这个市场，虽然其间也有不少 仿制和少许改进的产品出现。 图 2-4、 分析式铁谱仪。 研究上述原理，可以看出这个仪器只能在实验室里操作，工业应用存在以下问题：采 样频率有限，难以及时捕捉到异常状态和对状态变化做出及时反应；样品取样、存储、运输 和处理过程复杂，不能适应大规模应用；取样、存储、运输和处理对人和人的经验的依赖性 大，有许多随机因素，可比性差等等。这些问题限制了铁谱技术大规模推广。上面这一段描 3
述，包含了尚未能够实现的需求，潜在的需求和对于大规模在线应用的可诱导的需求。 对需求仔细研究以后，就要考虑满足这些需求的技术可能。在技术飞速进步的今天， 能够找到设计上一代产品时还不成熟而现在已经可以采用的技术，不仅不是非常困难，而总 是存在很多机会，但是这种机会要在分布式资源环境中去寻找。因为技术发展的速度大于需 求增长的速度，新技术总是呼唤新的需求，这是设计可以实现已有产品所不具备性能的理论 依据。但是这是针对全世界而言，不是针对一个企业。不愿意赋予设计对象以新的性能，实 际上是观念问题，一个对现代设计竞争性的认识问题，一个关于现代设计对分布式资源环境 依赖性的认识问题，而不是方法和技术问题。当然，不是所有看到的需求都要在设计中予以 满足，只有那些有实现可能并估计能够为产品带来巨大竞争力的需求才能够予以进一步考 虑。此时需要尽力了解可能解决这些过去不能解决问题的新知识、新技术，并对它们的可获 得性和可用性做出初步评估。有一些需求，也许到现在为止仍旧没有合适的技术可以使它们 得到满足；也有的需求，虽然找到可能解决问题的新知识、新技术，但是明显代价太大，也 看不到降低成本的途径；还有一类需求，与满足其他需求存在冲突，或者虽然有解决问题的 技术，但是与其他必须留用的技术无法匹配；以及有的需求与某些必须满足的约束条件冲突， 如环境保护的约束等等。 还是用铁谱技术为例来说明。上面提到的问题都是因为分析铁谱仪是一个在实验室里 使用的仪器，也就是说是一种离线检测技术。这就提出了研发在线铁谱仪的设计任务。实现 在线分析要解决哪些问题？有没有可行的技术可以应用？在线分析必须是无人值守操作。首 先不能为每一次制样更换玻璃片，玻璃片要能够重用，需要在制样前冲洗掉上一次沉积在玻 璃片上的沉积物。这时需要取消磁场，因此磁场需要是可控的。这可以用电磁铁代替永磁铁 构造磁场解决。不能把玻璃片人工拿到显微镜下 佩高提纳增议 去看，摄像技术的发展已经不难解决这个问题， 可以把CMOS或CCD组件和光学镜头做到铁谱仪里 面流道的上方。这就是第一代的一型在线铁谱仪 (图2-3b)。但是由于成本和位置的原因，摄像组 件只能有一个。在显微镜下任意移动谱片、观察 风寸脚相机大小 雪以受款表被润附康 不同位置颗粒（不同位置对应不同磁场强度，不 夏■成府线的 同尺寸大小的颗粒)的需要，可以由任意改变同 爸有纯方 一位置上的电磁场强度以得到不同尺寸大小的颗 图2-5、在线铁谱仪. 粒来实现，将位序变成时序；这时已经不需要用斜放实现不同位置上的不同磁场强度，而是 在一个位置上控制电流来变化磁场强度，这就大大缩短了流道，减小了仪器的尺寸，从而更 容易把仪器安装到检测对像内部，使仪器与对像成为一体，于是又做出了二型在线铁谱仪（图 2-3℃，图2-5)。微处理器技术的发展使得可以将所有的控制功能、数据处理功能、初步的 诊断和报警功能以及数据和图像上传功能都集成在一个芯片上并安置在仪器里。而上传的数 据和图像，可以在现代通信技术支持下在几千公里以外的上位计算机中做任何需要的分析、 研究和判断。这样就产生了市场上过去所没有的在线铁谱仪，图2-5。在线技术的发展和铁 谱仪小型化，产生了由一个试验室有一台铁谱仪变成为每一装备配置一台铁谱仪的可能。这 一技术的发展，也使得过去由于稀疏取样不能准确发现装备状态异常发展到能够根据需要变 换采样频率从而能够掌握每一装备性能衰退规律并产生了估计剩余寿命应用的可能。这些是 可诱导的需求。 最后一个工作是风险评位。在已经有了设计要实现哪些新的性能和可能采取哪些新的 知识和技术的大致想法以后，风险评估已经不是空中楼阁。这时的评估主要包括需求预测错 误的风险，采用新技术失败的风险，采用新技术成本过高的风险和市场回报过低的风险等。 例如，欧洲空中客车公司虽然耗时10年，投入195亿美元，成功地设计和制造了世界
述，包含了尚未能够实现的需求，潜在的需求和对于大规模在线应用的可诱导的需求。 对需求仔细研究以后，就要考虑满足这些需求的技术可能。在技术飞速进步的今天， 能够找到设计上一代产品时还不成熟而现在已经可以采用的技术，不仅不是非常困难，而总 是存在很多机会，但是这种机会要在分布式资源环境中去寻找。因为技术发展的速度大于需 求增长的速度，新技术总是呼唤新的需求，这是设计可以实现已有产品所不具备性能的理论 依据。但是这是针对全世界而言，不是针对一个企业。不愿意赋予设计对象以新的性能，实 际上是观念问题，一个对现代设计竞争性的认识问题，一个关于现代设计对分布式资源环境 依赖性的认识问题，而不是方法和技术问题。当然，不是所有看到的需求都要在设计中予以 满足，只有那些有实现可能并估计能够为产品带来巨大竞争力的需求才能够予以进一步考 虑。此时需要尽力了解可能解决这些过去不能解决问题的新知识、新技术，并对它们的可获 得性和可用性做出初步评估。有一些需求，也许到现在为止仍旧没有合适的技术可以使它们 得到满足；也有的需求，虽然找到可能解决问题的新知识、新技术，但是明显代价太大，也 看不到降低成本的途径；还有一类需求，与满足其他需求存在冲突，或者虽然有解决问题的 技术，但是与其他必须留用的技术无法匹配；以及有的需求与某些必须满足的约束条件冲突， 如环境保护的约束等等。 还是用铁谱技术为例来说明。上面提到的问题都是因为分析铁谱仪是一个在实验室里 使用的仪器，也就是说是一种离线检测技术。这就提出了研发在线铁谱仪的设计任务。实现 在线分析要解决哪些问题？有没有可行的技术可以应用？在线分析必须是无人值守操作。首 先不能为每一次制样更换玻璃片，玻璃片要能够重用，需要在制样前冲洗掉上一次沉积在玻 璃片上的沉积物。这时需要取消磁场，因此磁场需要是可控的。这可以用电磁铁代替永磁铁 构造磁场解决。不能把玻璃片人工拿到显微镜下 去看，摄像技术的发展已经不难解决这个问题， 可以把 CMOS 或 CCD 组件和光学镜头做到铁谱仪里 面流道的上方。这就是第一代的一型在线铁谱仪 （图 2-3b）。但是由于成本和位置的原因，摄像组 件只能有一个。在显微镜下任意移动谱片、观察 不同位置颗粒（不同位置对应不同磁场强度，不 同尺寸大小的颗粒）的需要，可以由任意改变同 一位置上的电磁场强度以得到不同尺寸大小的颗 粒来实现，将位序变成时序；这时已经不需要用斜放实现不同位置上的不同磁场强度，而是 在一个位置上控制电流来变化磁场强度，这就大大缩短了流道，减小了仪器的尺寸，从而更 容易把仪器安装到检测对像内部，使仪器与对像成为一体，于是又做出了二型在线铁谱仪（图 2-3c，图 2-5）。微处理器技术的发展使得可以将所有的控制功能、数据处理功能、初步的 诊断和报警功能以及数据和图像上传功能都集成在一个芯片上并安置在仪器里。而上传的数 据和图像，可以在现代通信技术支持下在几千公里以外的上位计算机中做任何需要的分析、 研究和判断。这样就产生了市场上过去所没有的在线铁谱仪，图 2-5。在线技术的发展和铁 谱仪小型化，产生了由一个试验室有一台铁谱仪变成为每一装备配置一台铁谱仪的可能。这 一技术的发展，也使得过去由于稀疏取样不能准确发现装备状态异常发展到能够根据需要变 换采样频率从而能够掌握每一装备性能衰退规律并产生了估计剩余寿命应用的可能。这些是 可诱导的需求。 可视在线铁谱仪 连续取样 无人值守 无线数据及图像传输 后设计知识建模 尺寸如相机大小 可以置放在被测对象 里面或旁边的 任何地方 图2-5、在线铁谱仪。 最后一个工作是风险评估。在已经有了设计要实现哪些新的性能和可能采取哪些新的 知识和技术的大致想法以后，风险评估已经不是空中楼阁。这时的评估主要包括需求预测错 误的风险，采用新技术失败的风险，采用新技术成本过高的风险和市场回报过低的风险等。 例如，欧洲空中客车公司虽然耗时 10 年，投入 195 亿美元，成功地设计和制造了世界 4
上最大的A380客机，但是市场前景目前仍不明朗。因为在一条航线上是否能够经常保持这 样大的客流，仍旧是许多航空公司（飞机产品的用户）不得不认真考虑的问题。由于采用了 许多新技术，制造和管理上不能很快适应，包括并行进行的静力测试发现在机翼上产生了裂 纹而不得不修改设计，首架飞机交货被推迟了18个月，使得公司的财政和信誉遭受巨大损 失。有人估计，到2010年前由于推迟交货公司将损失62亿美元；为抵消这些损失，公司在 10年内都不会赢利。但是这也并不意味多年后A380客机不会取得商业上的成功。这些都是 风险评估时考虑过，但是直到产品已经投入商业运行时仍然不能确切回答的问题。 在确定设计要实现的现有产品所不能满足的性能需求的同时，当然也要确定还要具备 其他哪些性能，包括现有产品所具备和不具备的，以及在全生命周期中可能存在的所有约束 条件。这些工作，用图2-2中的话来说，统称为构造设计任务空间，或草拟设计任务书，是 回答设计什么的问题。 文献[2]认为，在这个阶段甚至需要做一个经营的规划，包括经营战略、产品战略和经 营计划。不过，前面讲到的需求分析或需求研究实际上已经包括这一方面的内容。前面讲过， 设计对象可以是非常复杂，也可以是非常简单，因此需要做的事情可以分得很细，也可以将 它们归并在一起。 2、接下来要做的事，也就是图2-2中的第二阶段，是产生若干个可能的解决方案。在 确定了设计任务书，对采用什么新知识和新技术来实现现有产品所不能满足的性能要求和其 他要求有一个大致的估计以后，就可以进行产品具体的结构设计，包括方案设计和详细设计。 结构是知识和技术的载体，各种知识和将要采用的技术都集成在这个载体上，产品性能是由 结构的行为实现的，是否满足约束条件也与结构本身和结构的行为有关。这里不准备严格地 区分方案设计和详细设计，因为对于不同规模和不同复杂程度的对象，方案设计和详细设计 的划分可能存在很大不同。所谓详细，可以有不同的粒度。而且在分布式资源环境中，结构 是在不同的企业中形成的，也包括设计。从前面讲的A380客机和在线铁谱仪的设计过程， 就不难理解对于不同对象，粒度划分会差别很大。另外，设计进程常常是反复的，不是一个 单向过程。当一个方案在后续设计中不能通过评估，就要回来重新修改方案或寻求别的方案， 称为回溯。将它们放在一个阶段中讨论，比分成两个阶段更为方便。设计的进程总体上是由 大粒度向小粒度方向发展的，先做大粒度的方案设计，草拟了大粒度的结构以后，再根据大 粒度结构的要求，产生较小粒度的方案和详细结构等等。文献[3]把方案设计的阶段称为功 能域求解（分解和布置Function Requirements-FR),把结构设计称为物理域求解（确定 Design Parameters-DP),可见满足功能需求在设计中起着主导作用。 现代设计理论中有一个性能需求驱动理论，说的是满足性能需求，始终是整个设计过程 的驱动力。但是性能和功能是有区别的，它还包括对全生命周期中功能的偏差的要求。另外 性能也不是全部，在得到一个完整的解决方案时，不能不考虑其他方面的需求和各种约束条 件。所以这里没有如文献[3]的说法那样，而是采用了方案设计和结构设计这两个名词，而 且它们都可以有不同大、小粒度的划分。 例如在线铁谱仪，方案设计可以将上述设想分为功能上独立的5个模块：润滑油通流 模块，电磁场模块，取像模块，计算和控制模块，屏蔽模块。通流模块的基本功能是引导待 测润滑油流经仪器指定部位接受检测。电磁场模块的基本功能是实现可控的磁场，将流经磁 场的润滑油中可以被磁场吸引的颗粒沉积在流道的底部。取像模块是将沉积下来颗粒的百分 覆盖面积和图像变成数字信息。计算模块是完成需要的计算并根据计算结果发出指令控制系 统的行为和上传数据和图像。屏蔽模块是将仪器内部各个模块与外界隔离并固定在规定的位 置上。设计的功能独立公理要求功能划分相互独立。功能独立与结构独立是两个不相同的 问题。可以看到以上各个模块的功能是相互独立的。方案初步确定以后，就可以对每一个功 能模块进行结构设计，并考虑质量和满足约束条件，如润滑油通流模块的结构由泵、油管、 5
上最大的 A380 客机，但是市场前景目前仍不明朗。因为在一条航线上是否能够经常保持这 样大的客流，仍旧是许多航空公司（飞机产品的用户）不得不认真考虑的问题。由于采用了 许多新技术，制造和管理上不能很快适应，包括并行进行的静力测试发现在机翼上产生了裂 纹而不得不修改设计，首架飞机交货被推迟了 18 个月，使得公司的财政和信誉遭受巨大损 失。有人估计，到 2010 年前由于推迟交货公司将损失 62 亿美元；为抵消这些损失，公司在 10 年内都不会赢利。但是这也并不意味多年后 A380 客机不会取得商业上的成功。这些都是 风险评估时考虑过，但是直到产品已经投入商业运行时仍然不能确切回答的问题。 在确定设计要实现的现有产品所不能满足的性能需求的同时，当然也要确定还要具备 其他哪些性能，包括现有产品所具备和不具备的，以及在全生命周期中可能存在的所有约束 条件。这些工作，用图 2-2 中的话来说，统称为构造设计任务空间，或草拟设计任务书，是 回答设计什么的问题。 文献[2]认为，在这个阶段甚至需要做一个经营的规划，包括经营战略、产品战略和经 营计划。不过，前面讲到的需求分析或需求研究实际上已经包括这一方面的内容。前面讲过， 设计对象可以是非常复杂，也可以是非常简单，因此需要做的事情可以分得很细，也可以将 它们归并在一起。 2、接下来要做的事，也就是图 2-2 中的第二阶段，是产生若干个可能的解决方案。在 确定了设计任务书，对采用什么新知识和新技术来实现现有产品所不能满足的性能要求和其 他要求有一个大致的估计以后，就可以进行产品具体的结构设计，包括方案设计和详细设计。 结构是知识和技术的载体，各种知识和将要采用的技术都集成在这个载体上，产品性能是由 结构的行为实现的，是否满足约束条件也与结构本身和结构的行为有关。这里不准备严格地 区分方案设计和详细设计，因为对于不同规模和不同复杂程度的对象，方案设计和详细设计 的划分可能存在很大不同。所谓详细，可以有不同的粒度。而且在分布式资源环境中，结构 是在不同的企业中形成的，也包括设计。从前面讲的 A380 客机和在线铁谱仪的设计过程， 就不难理解对于不同对象，粒度划分会差别很大。另外，设计进程常常是反复的，不是一个 单向过程。当一个方案在后续设计中不能通过评估，就要回来重新修改方案或寻求别的方案， 称为回溯。将它们放在一个阶段中讨论，比分成两个阶段更为方便。设计的进程总体上是由 大粒度向小粒度方向发展的，先做大粒度的方案设计，草拟了大粒度的结构以后，再根据大 粒度结构的要求，产生较小粒度的方案和详细结构等等。文献[3]把方案设计的阶段称为功 能域求解（分解和布置 Function Requirements - FR），把结构设计称为物理域求解（确定 Design Parameters - DP），可见满足功能需求在设计中起着主导作用。 现代设计理论中有一个性能需求驱动理论，说的是满足性能需求，始终是整个设计过程 的驱动力。但是性能和功能是有区别的，它还包括对全生命周期中功能的偏差的要求。另外 性能也不是全部，在得到一个完整的解决方案时，不能不考虑其他方面的需求和各种约束条 件。所以这里没有如文献[3]的说法那样，而是采用了方案设计和结构设计这两个名词，而 且它们都可以有不同大、小粒度的划分。 例如在线铁谱仪，方案设计可以将上述设想分为功能上独立的 5 个模块：润滑油通流 模块，电磁场模块，取像模块，计算和控制模块，屏蔽模块。通流模块的基本功能是引导待 测润滑油流经仪器指定部位接受检测。电磁场模块的基本功能是实现可控的磁场，将流经磁 场的润滑油中可以被磁场吸引的颗粒沉积在流道的底部。取像模块是将沉积下来颗粒的百分 覆盖面积和图像变成数字信息。计算模块是完成需要的计算并根据计算结果发出指令控制系 统的行为和上传数据和图像。屏蔽模块是将仪器内部各个模块与外界隔离并固定在规定的位 置上。设计的功能独立公理[3]要求功能划分相互独立。功能独立与结构独立是两个不相同的 问题。可以看到以上各个模块的功能是相互独立的。方案初步确定以后，就可以对每一个功 能模块进行结构设计，并考虑质量和满足约束条件，如润滑油通流模块的结构由泵、油管、 5