摘要

設(shè)計是一項高層次且復(fù)雜的思維活動，通過運用現(xiàn)有的知識和技術(shù)解決問題并創(chuàng)造新事物。隨著智能制造的崛起和發(fā)展，設(shè)計在產(chǎn)品生命周期中越來越體現(xiàn)出其重要性。本文首先系統(tǒng)闡述了復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的概念及內(nèi)涵，并探討了不同類型的設(shè)計。介紹了四種主要的設(shè)計理論學(xué)派：普適設(shè)計、公理化設(shè)計、TRIZ和通用設(shè)計。接著分析了復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的研究現(xiàn)狀，包括創(chuàng)新設(shè)計、數(shù)字化設(shè)計、模塊化設(shè)計、可靠性優(yōu)化設(shè)計等。最后，指出了未來值得研究的三大科學(xué)問題，并總結(jié)了“更新、更好、更智能、更快、更綠色”五個研究趨勢，旨在為設(shè)備設(shè)計和制造業(yè)提供參考。

1. 引言

設(shè)計是所有有目的的人類活動的起點，也是所有創(chuàng)造性實踐的前奏和準(zhǔn)備。人類通過勞動改造世界，創(chuàng)造物質(zhì)與精神財富，其中最基本且最原始的創(chuàng)造活動便是創(chuàng)造。設(shè)計是一種創(chuàng)意思維活動，事先規(guī)劃創(chuàng)造活動的過程，并通過具體載體表達這些活動。復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計指的是對產(chǎn)品的工作原理、配置與建模、力與能量傳遞方式、運動方式、控制方法、組件的材料與幾何形狀、服務(wù)條件、性能可靠性、可回收性等進行構(gòu)思、建模、分析和優(yōu)化，并將其轉(zhuǎn)化為制造過程中的具體藍圖。

目前，學(xué)術(shù)界尚未對設(shè)計達成統(tǒng)一的定義。Beitz等人認(rèn)為設(shè)計是將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實，盡力以最佳方式滿足需求。美國的維克多·帕帕內(nèi)克教授認(rèn)為設(shè)計是一種有意識的直覺努力，旨在構(gòu)建有意義的秩序。中國工程院院士謝有波認(rèn)為，設(shè)計本質(zhì)上是知識的流動、整合、競爭和演變過程。他指出設(shè)計科學(xué)的四條基本法則：基于現(xiàn)有知識的設(shè)計法則、設(shè)計知識的不完備性法則、注重新知識獲取的設(shè)計法則，以及設(shè)計知識的競爭法則。

作為產(chǎn)品生命周期中最重要的部分，產(chǎn)品設(shè)計在決定產(chǎn)品功能質(zhì)量以及制造和服務(wù)價值中發(fā)揮著極其重要的作用。影響產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵因素，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能、成本、可維護性、人機環(huán)境和外觀風(fēng)格，均與設(shè)計緊密相關(guān)。產(chǎn)品質(zhì)量差距的根本原因首先是設(shè)計質(zhì)量的差距。據(jù)統(tǒng)計，約50%的產(chǎn)品質(zhì)量事故源于設(shè)計不良，而產(chǎn)品設(shè)計周期占生產(chǎn)周期的47%到53%。在產(chǎn)品生命周期中，設(shè)計階段決定了整個產(chǎn)品開發(fā)成本的70%，而制造階段及后續(xù)相關(guān)階段則僅占約30%。

現(xiàn)代制造業(yè)的競爭常常是產(chǎn)品設(shè)計的競爭，產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新能力已成為制造企業(yè)保持競爭力的核心。因此，研究現(xiàn)代設(shè)計理論、方法和實踐，對于提高制造企業(yè)的核心競爭力具有重要意義。

2. 設(shè)計類型

在制造領(lǐng)域，根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品設(shè)計可以分為多種類型。例如，按照設(shè)計過程，產(chǎn)品設(shè)計可分為創(chuàng)意設(shè)計、概念設(shè)計、原理設(shè)計、整體設(shè)計、整機設(shè)計、頂層設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、方案設(shè)計、詳細設(shè)計、外形設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、校準(zhǔn)與檢查設(shè)計、測試與維護設(shè)計等。

根據(jù)設(shè)計內(nèi)容，產(chǎn)品設(shè)計可分為需求設(shè)計、功能設(shè)計、性能設(shè)計、質(zhì)量設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、布局設(shè)計、機構(gòu)設(shè)計、物理設(shè)計、成型設(shè)計、裝配設(shè)計、精密設(shè)計、人機工程設(shè)計、工業(yè)設(shè)計等類型。

根據(jù)使用的設(shè)計工具，產(chǎn)品設(shè)計可分為計算機輔助設(shè)計、仿真設(shè)計、實驗設(shè)計、人機交互設(shè)計等。

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新強度，設(shè)計可分為以下五種類型：

• 原創(chuàng)設(shè)計：基于科學(xué)原理和工程技術(shù)的突破，概念上實現(xiàn)產(chǎn)品的原創(chuàng)創(chuàng)新設(shè)計。例如，1712年的蒸汽機，1876年的內(nèi)燃機，1886年的汽車，1903年的飛機等，均依賴于原創(chuàng)設(shè)計的出現(xiàn)。

• 促進性設(shè)計：基于現(xiàn)有設(shè)計，通過突破性改進實現(xiàn)產(chǎn)品的功能、性能等方面的提升，帶來新一代效果。例如，從固定電話到移動電話再到智能手機，從機床到數(shù)控機床再到智能機床，從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)到萬維網(wǎng)再到物聯(lián)網(wǎng)。

• 改進設(shè)計：在同一基本原理下，對現(xiàn)有設(shè)計進行變化和增加。例如，在電燈泡中，采用鎢絲代替碳絲，采用氬氣代替真空。高壓蒸汽機、蒸汽渦輪機、多缸蒸汽機等都是蒸汽機設(shè)計的改進。

• 集成設(shè)計：各設(shè)計元素的互補性整合，使得產(chǎn)品功能發(fā)生質(zhì)的變化。例如，iPhone利用大尺寸觸摸屏、視網(wǎng)膜顯示屏、人臉識別、距離傳感器、陀螺儀、GPS等多傳感器協(xié)同工作，形成獨特的創(chuàng)新和競爭優(yōu)勢。

• 參考設(shè)計：通過分析和借鑒各種現(xiàn)象的原理，推導(dǎo)出具有類似結(jié)構(gòu)和功能的產(chǎn)品。例如，通過借鑒巴爾漢沙丘的形態(tài)特征，設(shè)計出巴爾漢沙丘漩渦火焰穩(wěn)定器。

3. 四種主要產(chǎn)品設(shè)計理論與方法

隨著生產(chǎn)力、科技的發(fā)展，設(shè)計過程經(jīng)歷了直覺設(shè)計階段、經(jīng)驗設(shè)計階段、半理論半經(jīng)驗階段，現(xiàn)已進入現(xiàn)代設(shè)計階段。在這一漫長的發(fā)展過程中，設(shè)計及設(shè)計科學(xué)不斷深入和擴展，理論與方法不斷更新。四種典型的設(shè)計理論學(xué)派包括普適設(shè)計、公理化設(shè)計、TRIZ和通用設(shè)計。

(1) 普適設(shè)計

德國學(xué)者Pahl和Beitz在1970年代提出了較為具有代表性、權(quán)威性和系統(tǒng)性的產(chǎn)品設(shè)計方法論。他們總結(jié)了優(yōu)秀設(shè)計過程的經(jīng)驗，并基于系統(tǒng)理論發(fā)展了普適設(shè)計，理論為設(shè)計師在每個設(shè)計階段建立了工作計劃，包含策略、規(guī)則和原則，從而形成了完整的設(shè)計過程模型。普適設(shè)計源于稍早的無障礙設(shè)計概念及更廣泛的可及性運動，現(xiàn)如今更注重將美學(xué)融入這些核心考慮因素，并已開始應(yīng)用于技術(shù)、人機交互、教學(xué)、服務(wù)等產(chǎn)品和環(huán)境的設(shè)計。

(2) 公理化設(shè)計（AD）

麻省理工學(xué)院的Suh等人自1990年起系統(tǒng)研究設(shè)計理論，提出了公理化設(shè)計。公理化設(shè)計提出了兩條基本公理：一是獨立公理，涉及功能與設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系，即所有功能都應(yīng)相互獨立，因此設(shè)計參數(shù)只影響其子功能；另一條是信息公理，主要目標(biāo)是減少設(shè)計結(jié)果的信息含量，最小化設(shè)計復(fù)雜性。在AD中，設(shè)計問題被建模為需求領(lǐng)域、功能領(lǐng)域、結(jié)構(gòu)領(lǐng)域和過程領(lǐng)域之間的映射，許多工程設(shè)計問題基于這一模型。擴展方法目前主要用于復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性設(shè)計，涵蓋了整個產(chǎn)品生命周期，包括影響全周期的早期因素，如開發(fā)測試、輸入約束和系統(tǒng)組件。

(3) TRIZ理論

由前蘇聯(lián)的Altschuller提出的TRIZ方法基于對250萬項高水平發(fā)明專利的發(fā)展和處理原則的統(tǒng)計分析，建立了一個包括一系列支持創(chuàng)新設(shè)計過程的方法和算法的綜合理論體系，包括技術(shù)系統(tǒng)演化規(guī)則、特性-場分析、發(fā)明問題解決方法、系統(tǒng)對抗的典型技術(shù)以及物理、化學(xué)和幾何等領(lǐng)域的應(yīng)用知識庫。作為一種為問題解決生成創(chuàng)新方案的實用方法論，TRIZ常常與質(zhì)量功能展開（QFD）結(jié)合，從產(chǎn)品定義、概念設(shè)計到詳細設(shè)計，形成了強有力的支持工具。

(4) 通用設(shè)計理論（GDT）

日本東京大學(xué)的Yoshikawa和Tomiyama提出了通用設(shè)計理論（GDT），通過對設(shè)計活動中的認(rèn)知問題進行研究，認(rèn)為設(shè)計本質(zhì)上是一個分解、映射和綜合的過程。GDT引入了一個元模型來表示這一逐步過程，利用有限的屬性集描述設(shè)計對象在設(shè)計過程特定階段的狀態(tài)、設(shè)計對象的構(gòu)成實體以及這些實體之間的關(guān)系和依賴關(guān)系。近年來，通過GDT的改進——耦合設(shè)計過程模型，能夠更清晰地闡明類別集和拓撲空間上復(fù)雜變化與現(xiàn)實設(shè)計過程。

系統(tǒng)科學(xué)概念和方法的應(yīng)用迅速推動并影響了設(shè)計理論和方法的研究，將設(shè)計從藝術(shù)范疇轉(zhuǎn)向科學(xué)范疇。作為實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的科學(xué)方法，設(shè)計理論和方法已成為設(shè)計文化的重要支柱。

4. 復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于大數(shù)據(jù)與知識工程的創(chuàng)新設(shè)計

產(chǎn)品設(shè)計的重點已從傳統(tǒng)的經(jīng)驗型設(shè)計轉(zhuǎn)向基于大數(shù)據(jù)與知識工程的創(chuàng)新設(shè)計。通過新理論、新技術(shù)和新思想的

結(jié)合，產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新設(shè)計概念需要大量的設(shè)計知識、設(shè)計原理和設(shè)計方法。設(shè)計知識資源已成為企業(yè)創(chuàng)新最重要的智能和資產(chǎn)。利用設(shè)計大數(shù)據(jù)獲取、處理、發(fā)現(xiàn)和演變設(shè)計知識，輔助和促進設(shè)計師的創(chuàng)意，是實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的關(guān)鍵。

4.2 基于數(shù)字原型與數(shù)字雙胞胎的數(shù)字化設(shè)計

數(shù)字設(shè)計是數(shù)字技術(shù)與設(shè)計技術(shù)的結(jié)合，利用數(shù)字設(shè)計資源和設(shè)計知識，實現(xiàn)從需求分析、功能設(shè)計、詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計到裝配設(shè)計的產(chǎn)品數(shù)字化定義，為產(chǎn)品的加工、制造、服務(wù)和維護提供全面的數(shù)字基礎(chǔ)。數(shù)字技術(shù)推動了從“傳統(tǒng)經(jīng)驗型設(shè)計模式”向“基于建模與仿真的科學(xué)設(shè)計模式”轉(zhuǎn)變。