□ 李軍寧 □ 張菲菲 □ 陳 渭 □ 謝友柏

1.西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院 西安 710032

2.西安交通大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點實驗室 西安 710049

3.西安工程大學(xué) 機電工程學(xué)院 西安 710048

機電信息

產(chǎn)品設(shè)計理論與方法研究的現(xiàn)狀和展望*

□ 李軍寧1，2□ 張菲菲3□ 陳 渭2□ 謝友柏2

1.西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院 西安 710032

2.西安交通大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點實驗室 西安 710049

3.西安工程大學(xué) 機電工程學(xué)院 西安 710048

對當(dāng)前國內(nèi)外典型產(chǎn)品設(shè)計理論與方法進行了梳理，將其粗分為通用性設(shè)計理論與方法及專用性設(shè)計理論與方法兩大類并分別加以詳細(xì)論述，分析了其優(yōu)缺點。對產(chǎn)品設(shè)計理論與方法的未來研究方向進行了展望，認(rèn)為應(yīng)從方法與知識兩個角度共同出發(fā)進行設(shè)計理論與方法的系統(tǒng)化研究，在此基礎(chǔ)上提出了對于產(chǎn)品設(shè)計理論與方法研究的一些思考。

設(shè)計理論 研究現(xiàn)狀 創(chuàng)新 新知識獲取

“設(shè)計”是人類活動一個十分重要的內(nèi)容，它所涵蓋的范疇和由之而產(chǎn)生的各種各樣的理論，都有著悠久的發(fā)展歷史過程。自從人類以制造工具而區(qū)別于其他動物時，人就開始設(shè)計。產(chǎn)品設(shè)計理論與方法作為實現(xiàn)創(chuàng)新目標(biāo)的科學(xué)途徑，是一個不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域，先后形成了諸多學(xué)派，其中代表性的有Suh的公理設(shè)計理論、Akao的質(zhì)量功能配置理論、Pahl的普適設(shè)計理論、Altschuller為首提出的發(fā)明問題解決理論（TRIZ）等。此外，近年來針對復(fù)雜機械系統(tǒng)提出的協(xié)同設(shè)計、模塊化設(shè)計、可靠性設(shè)計等理論與方法也引起大量研究者進行相關(guān)的研究。

在設(shè)計學(xué)發(fā)展過程中形成的這些理論與方法，許多不可避免加上了不同研究者對表達研究意圖和研究結(jié)果的感情色彩。為了更清晰地跟蹤產(chǎn)品設(shè)計學(xué)的發(fā)展過程，以及深刻理解產(chǎn)品設(shè)計學(xué)的發(fā)展規(guī)律，筆者對其進行了梳理，將其初步分為：通用性設(shè)計理論與方法及專用性設(shè)計理論與方法。通用性設(shè)計理論主要是從系統(tǒng)工程角度對設(shè)計行為及其過程進行研究，大都側(cè)重于設(shè)計的系統(tǒng)層次；而專用性設(shè)計理論主要是針對不同設(shè)計對象及過程在實際設(shè)計中所存在的具體問題進行研究，具有較強的針對性。

1 產(chǎn)品設(shè)計理論與方法研究概述

1.1 通用性設(shè)計理論與方法

1.1.1 公理設(shè)計理論（AD）

美國麻省理工學(xué)院 Suh［1］認(rèn)為，在設(shè)計學(xué)中存在著若干公理，其控制著設(shè)計活動的許多方面，遵循這些公理和由之推導(dǎo)產(chǎn)生的定理及推理，在設(shè)計中就能夠進行理性思維并導(dǎo)向正確的結(jié)果，由此，他提出了公理設(shè)計理論，該理論主要內(nèi)容包括用戶域、功能域、物理域、過程域等4個域和獨立性公理、信息公理等2個公理。如圖1所示，圖中4個域中的參數(shù)間存在映射關(guān)系，在相鄰域之間進行映射時，設(shè)計解的確定需要符合獨立性原理，若存在多個設(shè)計解均符合獨立性原理時，則需遵循信息公理進行設(shè)計解的優(yōu)選。

▲圖1 設(shè)計中的域及其映射關(guān)系

1.1.2 質(zhì)量功能配置理論（QFD）

日本學(xué)者Akao［2］提出了QFD的概念，是一種將顧客或市場的要求轉(zhuǎn)化為設(shè)計要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求的多層次演繹分析方法。QFD通過質(zhì)量屋將顧客需求展開成工程特性，并確定工程特性目標(biāo)值，從而獲取顧客需求進行有針對性設(shè)計，以提高設(shè)計的質(zhì)量與效率［3］。在質(zhì)量屋的決策過程中，工程特性目標(biāo)值是一個復(fù)雜的多變量，其確定是一個多目標(biāo)決策過程。為了綜合考慮工程特性間的相關(guān)性對工程特性目標(biāo)值和開發(fā)成本的影響，權(quán)衡并優(yōu)化質(zhì)量屋中的各種矛盾和沖突以獲得全局最優(yōu)解，陳以增等［4］建立了一個基于質(zhì)量屋的優(yōu)化決策模型，使所設(shè)計的產(chǎn)品在有限的資源約束下，能最大限度地滿足顧客需求。

1.1.3 普適設(shè)計理論

德國科學(xué)家Pahl［5］提出了普適設(shè)計理論，通過總結(jié)優(yōu)秀設(shè)計過程中的經(jīng)驗知識并基于系統(tǒng)工程理論，研究了工程設(shè)計的一般模式，這一模式稱為普適設(shè)計方法學(xué)。普適設(shè)計理論創(chuàng)建了工程設(shè)計人員針對每一設(shè)計階段所應(yīng)進行的包含策略、規(guī)則、原理在內(nèi)的工作計劃，因而針對工程設(shè)計形成了較為完整的設(shè)計過程模型，降低了設(shè)計過程的復(fù)雜性。普適設(shè)計方法在德國得到了發(fā)展和完善，隨后在全世界范圍內(nèi)得到了一定的推廣與應(yīng)用。

1.1.4 產(chǎn)品7D設(shè)計總體規(guī)劃理論

東北大學(xué)聞邦椿［6］提出了一種面向工程產(chǎn)品廣義質(zhì)量的“動態(tài)優(yōu)化、智能優(yōu)化和可視優(yōu)化”的三化現(xiàn)代機械綜合設(shè)計法，繼而在三化現(xiàn)代機械綜合設(shè)計法的基礎(chǔ)上，提出了1+3+X綜合設(shè)計法；爾后，聞邦椿又提出了基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品7D設(shè)計總體規(guī)劃理論，建立了產(chǎn)品設(shè)計7D總體規(guī)劃理論體系，該體系從產(chǎn)品設(shè)計思想、環(huán)境、過程、目標(biāo)、內(nèi)容、方法及質(zhì)量檢驗7個方面對產(chǎn)品設(shè)計中的規(guī)劃、實施、檢驗階段進行了系統(tǒng)規(guī)劃［7］。

1.1.5 現(xiàn)代設(shè)計理論

制造業(yè)的競爭在很大程度上已經(jīng)轉(zhuǎn)為設(shè)計的競爭，而設(shè)計競爭則在很大程度上是引入新技術(shù)使產(chǎn)品具有新性能的競爭，支持競爭的基礎(chǔ)是知識和新知識獲取能力。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會分工的細(xì)化，企業(yè)僅僅依靠自身的力量不可能完全解決研發(fā)過程中遇到的難題，需要利用企業(yè)以外的知識資源合作完成研發(fā)任務(wù)。另一方面，各科研單位及其他知識資源擁有者，也存在很多可用的知識資源由于種種原因被 “閑置”，兩者之間存在一定的“代溝”。據(jù)此謝友柏提出了現(xiàn)代設(shè)計理論與方法研究體系，如圖2所示，主要由理論基礎(chǔ)、應(yīng)用技術(shù)及支撐環(huán)境三部分組成，通過理論、方法、工具的集成研究，為設(shè)計競爭取勝而服務(wù)。謝友柏［8-10］團隊針對上述幾個方面均開展了一系列的研究工作 。

▲圖2 現(xiàn)代設(shè)計理論與方法體系框架

1.2 專用性設(shè)計理論與方法

1.2.1 發(fā)明問題解決理論（TRIZ）

TRIZ是前蘇聯(lián)Altschuller［11］所提出的，他通過對世界高水平發(fā)明專利（累計250萬件）的幾十年分析研究，基于辯證唯物主義和系統(tǒng)論思想，提出了有關(guān)發(fā)明問題的基本理論。TRIZ理論主要體系包括：8大技術(shù)系統(tǒng)進化法則；最終理想解（IFR）理論；TRIZ的40個發(fā)明原理；TRIZ的39個通用參數(shù)及阿奇舒勒矛盾矩陣；物理矛盾和四大分離原理；物-場模型分析；發(fā)明問題的標(biāo)準(zhǔn)解法；發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)算法（ARIZ）；科學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象知識庫［12］。

1.2.2 大批量定制的設(shè)計技術(shù)

Tseng［13］提出了大批量定制設(shè)計的概念，其定義為基于并行流程針對產(chǎn)品族進行設(shè)計工作，以有效滿足客戶的需求。該設(shè)計方法的目標(biāo)在于工程設(shè)計的前期階段，在進行整體概念設(shè)計時也考慮設(shè)計范圍及批量的經(jīng)濟性，重點在于針對產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)進行面向產(chǎn)品族設(shè)計，并且需要有效獲取用戶的個性化需求，并將設(shè)計過程有效擴展至面向產(chǎn)品全過程的集成設(shè)計，通過在產(chǎn)品設(shè)計過程中增加標(biāo)準(zhǔn)零件、模塊和易定制的零部件所占比例，以提高設(shè)計效率并有效降低成本。

浙江大學(xué)譚建榮［14］面向國家重大需求，結(jié)合國產(chǎn)重要裝備和國內(nèi)企業(yè)的特點，提出了多品種大批量定制設(shè)計技術(shù)、多性能數(shù)字化樣機設(shè)計技術(shù)和多參數(shù)分析與匹配設(shè)計技術(shù)，形成了信息化的數(shù)字化設(shè)計制造系統(tǒng)，實現(xiàn)大批量定制的高效率低成本設(shè)計制造，為解決設(shè)計個性化與低成本之間的矛盾提供了技術(shù)支撐。

1.2.3 協(xié)同設(shè)計

協(xié)同設(shè)計是指為了完成某一設(shè)計目標(biāo)，由兩個或兩個以上設(shè)計主體，通過一定的信息交換和相互協(xié)同機制，分別從不同的設(shè)計任務(wù)出發(fā)共同完成這一設(shè)計目標(biāo)。協(xié)同設(shè)計的核心是并行工程的運行形式，并行工程要求在產(chǎn)品的設(shè)計初始階段便盡量計及產(chǎn)品生命周期等各種因素的影響，對產(chǎn)品設(shè)計進行多方面評價，以優(yōu)化產(chǎn)品性能并盡量消除產(chǎn)品的隱患。為了提高設(shè)計效率與質(zhì)量，客觀上需要圍繞產(chǎn)品全生命周期的部門內(nèi)及部門間的專家進行有效的協(xié)同工作，圍繞產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)，將產(chǎn)品設(shè)計階段、工藝、制造、質(zhì)量等后續(xù)工序，通過專家對其進行有效的協(xié)調(diào)與協(xié)同工作，從多視角出發(fā)對產(chǎn)品的設(shè)計方案進行修改與完善。協(xié)同設(shè)計是研究地理上分布的計算機與網(wǎng)絡(luò)支持環(huán)境團隊成員之間的協(xié)調(diào)與信息共享，以及從社會-技術(shù)層面來研究多利益方的決策模型［15，16］。

1.2.4 模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計是在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品劃分為有機聯(lián)系的功能模塊，基于功能模塊的有效組合，形成針對個性化顧客需求的產(chǎn)品，從而滿足市場的產(chǎn)品需求。將產(chǎn)品綠色設(shè)計思想和模塊化設(shè)計方法進行有效的結(jié)合，能夠同時符合產(chǎn)品的環(huán)境、功能需求。通過兩者的結(jié)合并應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計之中，能夠有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，以應(yīng)對急速變化的市場環(huán)境，此外也可提高產(chǎn)品的環(huán)境友好性［17，18］。

1.2.5 可靠性設(shè)計

機械可靠性設(shè)計的基本任務(wù)是在故障物理學(xué)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性試驗以及故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提供實際計算的數(shù)學(xué)力學(xué)模型、方法及實踐［19］。把傳統(tǒng)設(shè)計中涉及的變量均當(dāng)作隨機變量來處理，用概率統(tǒng)計方法進行設(shè)計計算，得出更符合實際的設(shè)計結(jié)果?？煽啃栽O(shè)計過程包含方案的設(shè)計、對比和評價，有時也包含可靠性試驗、研發(fā)過程質(zhì)量控制設(shè)計和采用維護規(guī)程的設(shè)計等工作。東北大學(xué)張義民等［20］基于現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)理論，提出了廣義隨機有限元法及廣義隨機攝動法等方法，在此基礎(chǔ)上，研究提出了機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計、動態(tài)可靠性設(shè)計、可靠性優(yōu)化設(shè)計、可靠性靈敏度設(shè)計及可靠性穩(wěn)健設(shè)計方法，并開發(fā)了用于進行機械可靠性設(shè)計的軟件程序庫，以提高可靠性分析的效率。

2 產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)研究對比分析

以上研究基于不同側(cè)重點與工作原理對產(chǎn)品設(shè)計理論及方法進行了研究，對于提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量與效率具有重要意義。但由于各種設(shè)計理論與方法自身的局限性，已有的研究也存在一些問題需要更深入的研究，具體問題如下。

①公理設(shè)計基于對成功設(shè)計實例的深入分析，提煉出了好的設(shè)計所應(yīng)遵守的獨立公理和信息公理準(zhǔn)則，但還需要對怎樣有效獲得好的設(shè)計及其所需的知識進行研究。

②QFD提出了一種有效獲取用戶需求并集成到產(chǎn)品生產(chǎn)及其質(zhì)量控制的具體措施中的方法，但尚未涉及引入新知識以滿足新需求的系統(tǒng)集成設(shè)計的方法。顧客感知是通過市場調(diào)研獲得的，一旦市場調(diào)研不準(zhǔn)確，其后的所有分析結(jié)果可能全部出錯，且顧客的想法和需求瞬息萬變，難于精確把握，更增加了顧客需求獲取的難度。作為一項綜合管理系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)化的質(zhì)量控制方法，要順應(yīng)如此快速的市場變化比較復(fù)雜。

③普適設(shè)計理論是優(yōu)秀設(shè)計過程所積累經(jīng)驗的總結(jié)，給出了合理的設(shè)計進程及設(shè)計各階段的工作方法。在基于垂直式智力資源結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，該理論提供的經(jīng)驗曾經(jīng)發(fā)揮很大作用，但難于解決水平式智力資源結(jié)構(gòu)下設(shè)計帶來的新問題。

④TRIZ是在廣泛研究發(fā)明專利基礎(chǔ)上提出的一系列發(fā)明問題解決原理，為設(shè)計中解決技術(shù)沖突提供思路和案例，但并不是所有的設(shè)計知識都可以從專利中獲取與集成，設(shè)計中所需獲取的知識類型及其數(shù)量具有多樣性。

⑤協(xié)同設(shè)計主要集中于已有資源如何在產(chǎn)品設(shè)計中協(xié)同工作，假設(shè)企業(yè)內(nèi)、外資源已經(jīng)存在并能夠合格地工作，其缺乏對資源單元本身的研究。

⑥模塊化設(shè)計主要關(guān)注的是結(jié)構(gòu)和功能集成，而不是知識的集成，在當(dāng)前分布式資源環(huán)境下，愈演愈烈的新產(chǎn)品競爭實質(zhì)上是獲取新知識能力的競爭。

⑦可靠性設(shè)計更多的是關(guān)注已有知識的優(yōu)化問題，并非從知識的角度研究如何獲取新知識以提高產(chǎn)品的創(chuàng)新性與競爭力。

上述研究大多是在默認(rèn)設(shè)計知識已經(jīng)存在的前提下針對產(chǎn)品設(shè)計進行的研究，而設(shè)計中還有一個重要方面便是以獲取新知識為中心。產(chǎn)品設(shè)計尤其是創(chuàng)新設(shè)計大多側(cè)重于采用此前尚未用過的知識以提高產(chǎn)品的性能與競爭力，在此過程中，許多相關(guān)的設(shè)計知識是未知的，也是需要進行獲取的，設(shè)計成功的關(guān)鍵正是在于通過各種方法與工具最大效率地獲取新知識，并通過與設(shè)計的集成以提高設(shè)計的效率與質(zhì)量。

3 產(chǎn)品設(shè)計理論與方法的未來研究方向展望

在不同歷史時期，產(chǎn)品設(shè)計理論與方法被賦予了不同的“色彩”，具有鮮明的時代特征。隨著網(wǎng)絡(luò)時代的到來，我國制造業(yè)企業(yè)普遍面臨著廣義設(shè)計知識的海量增長與可用有效知識之間的矛盾、設(shè)計競爭的劇烈化及設(shè)計資源結(jié)構(gòu)的水平化發(fā)展等問題，促使研究者從設(shè)計的本質(zhì)出發(fā)，對設(shè)計理論與方法進行重新認(rèn)識與研究。未來應(yīng)從設(shè)計方法及其知識獲取兩方面展開系統(tǒng)化研究，通過知識獲取及其與設(shè)計過程的有效集成，以期能夠提升我國產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的效率與質(zhì)量。筆者提出關(guān)于未來產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計理論與方法研究的一點思考如下。

①各種設(shè)計理論與方法的有機融合研究；

②分布式資源環(huán)境下設(shè)計理論支撐方法及工具的研究；

③設(shè)計知識及其知識服務(wù)研究；

④產(chǎn)品全生命周期設(shè)計研究及其實現(xiàn)方法的深化與具體化；

⑤多利益方協(xié)調(diào)機制與信任的研究。

4 結(jié)束語

筆者對當(dāng)前國內(nèi)外各種主流設(shè)計理論與方法進行了梳理，重點對通用性設(shè)計理論與方法中的公理設(shè)計理論、質(zhì)量功能配置理論、普適設(shè)計、現(xiàn)代設(shè)計理論及專用性設(shè)計理論中發(fā)明問題解決理論、協(xié)同設(shè)計、模塊化設(shè)計、可靠性設(shè)計理論與方法進行了論述，并分析了其優(yōu)缺點。對產(chǎn)品設(shè)計理論與方法未來研究方向進行了展望，認(rèn)為應(yīng)從方法與知識兩個角度共同出發(fā)進行研究，在此基礎(chǔ)上提出了一些思考以供探討。

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（編輯 小 前）

This paper has sorted out the typical philosophy and methods for product designs presented currently both at home and abroad and they are roughly divided into two categories i.e.universal design philosophy&method and special design philosophy and method.Both categories are discussed in detail with analysis of their strengths and weaknesses.Future research orientation of the philosophy and methods for product designs are also prospected.It believes that the systematic research of design philosophy and methods should be built on the view of technique and knowledge and some considerations on product design philosophy and method study are set forth based on these explorations.

Design Philosophy Present Status of Exploration Innovation Acquisition of New Knowledge

TH122

A

1000-4998（2015）02-0001-04

*國家自然科學(xué)基金資助項目（編號：50935004，51175409）

2014年8月