曾 勇， 張執(zhí)南

(1. 加拿大康考迪亞大學(xué) 信息工程研究所， 蒙特利爾 H3G1M8，加拿大； 2. 上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 上海 200240)

為提升設(shè)計過程效率，提高設(shè)計對象的創(chuàng)新性，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界發(fā)展了許多設(shè)計理論與方法，在不同時期有不同的研究焦點.從早先研究系統(tǒng)化設(shè)計方法[1]和創(chuàng)新原理[2]，到研究設(shè)計的認(rèn)知和表達體系[3-5]，再到力圖建立描述設(shè)計的公理化理論體系[6-8]，以及大量關(guān)于設(shè)計過程和設(shè)計對象相關(guān)的方法和技術(shù)，如協(xié)同設(shè)計[9]、多學(xué)科優(yōu)化[10]、不確定性優(yōu)化[11]、設(shè)計方案綜合[12]、設(shè)計知識的表示等[13]，到如今試圖解密人類創(chuàng)造力的產(chǎn)生規(guī)律[14-17]、設(shè)計科學(xué)規(guī)律[18]、生物激勵[19]的設(shè)計以及數(shù)字孿生驅(qū)動的設(shè)計[20]等.設(shè)計研究可謂百花齊放，百家爭鳴.然而，受設(shè)計的認(rèn)知性、技術(shù)性和社會性特征影響，迄今尚未有統(tǒng)一和被一致認(rèn)可的設(shè)計理論.實際上，現(xiàn)有研究和工程實踐均表明，在產(chǎn)生創(chuàng)意和創(chuàng)新的過程中存在著可以遵循的共性規(guī)律，基于這種共性規(guī)律發(fā)展出新的設(shè)計理論和方法可用于科學(xué)地指導(dǎo)創(chuàng)意和創(chuàng)新設(shè)計過程.本文旨在闡述面向環(huán)境的設(shè)計(EBD)的理論基礎(chǔ)、構(gòu)成要素及其使用流程，為創(chuàng)新設(shè)計提供一種系統(tǒng)化方法.

1 EBD理論的基礎(chǔ)

EBD[7-8,21]是一種以設(shè)計遞歸邏輯為基礎(chǔ)，基于設(shè)計建模的公理化理論推導(dǎo)出的設(shè)計方法學(xué).EBD認(rèn)為設(shè)計問題由3部分組成：① 產(chǎn)品的工作環(huán)境，包括自然、人工和人因環(huán)境；② 環(huán)境對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)需求；③ 環(huán)境對產(chǎn)品的性能需求.結(jié)構(gòu)需求和性能需求又可以由環(huán)境分析導(dǎo)出.EBD通過環(huán)境分析、沖突識別和方案生成3個設(shè)計行為完成設(shè)計.EBD中主要定義和定理如下.

定義1：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包括產(chǎn)品、環(huán)境以及它們的相互關(guān)系.

定義2：產(chǎn)品的邊界由產(chǎn)品和環(huán)境共同作用決定.邊界有結(jié)構(gòu)邊界和物理邊界兩種.

定理1：設(shè)計問題分3個部分，即環(huán)境、結(jié)構(gòu)、性能.

定理2：設(shè)計的需求來源于環(huán)境.

定理3：在設(shè)計過程中，設(shè)計問題的解決方案可能會改變原來的設(shè)計問題以及相關(guān)的設(shè)計知識.

在EBD理論體系中，環(huán)境分析是獲取優(yōu)質(zhì)設(shè)計需求的來源.設(shè)計者在設(shè)計工作中所起的作用是針對產(chǎn)品所處的環(huán)境，分析其背后隱藏的需求條件，制定草案或初步計劃.設(shè)計者必須理解并分析環(huán)境需求，從而生成相應(yīng)的解決方案，更好地為其環(huán)境服務(wù)，關(guān)系如圖1所示.

圖1 EBD理論模型Fig.1 Theoretical model of EBD

2 EBD理論的構(gòu)成要素及實施流程

圖2 EBD設(shè)計過程[8]Fig.2 Process model of EBD[8]

EBD[7-8,21]包括3個活動：環(huán)境分析、沖突識別和解決方案生成.這3種活動互相影響、漸進式進行，以生成、細化設(shè)計問題和解決方案，如圖2所示，圖中實線表示主謂關(guān)系，虛線表示動賓關(guān)系.

第一步為環(huán)境分析：關(guān)鍵方法是語言分析.通過遞歸對象模型(ROM)[21]來進行這項工作.ROM包括：兩種類型的對象即對象和復(fù)合對象；任何兩個對象之間的3種關(guān)系，即連接、約束和謂詞.

第二步為沖突識別：規(guī)則1指如果一個對象有多個約束，那么任何一對對象約束之間都存在潛在的沖突；規(guī)則2指如果一個對象與其他對象有多個謂詞關(guān)系，那么在一對謂詞關(guān)系之間存在潛在的沖突；規(guī)則3指如果一個對象被另一個對象約束，那么這個關(guān)系就會被它的子對象繼承，例如，一個對象O1被另一個對象O2所限制，O1有兩個組件O11和O12，那么O11和O12被認(rèn)為受到了O2的限制.

第三步為解決方案生成：在EBD的第三階段，將選擇一組關(guān)鍵的環(huán)境沖突，通過生成一些設(shè)計解決方案來解決沖突，這一過程一直持續(xù)到?jīng)]有更多不可接受的環(huán)境沖突存在為止.環(huán)境分解是這個活動的基礎(chǔ).

3 結(jié)語

利用面向環(huán)境的設(shè)計理論開展設(shè)計可以清晰、符合邏輯地明確定義設(shè)計問題.在繁雜環(huán)境下，EBD理論方法更容易確定設(shè)計重點，聚焦主要矛盾的優(yōu)先解決，因此能較快地以科學(xué)的邏輯思維分析出主要需求矛盾，從而有針對性地生成解決方案，新產(chǎn)品開發(fā)效率相較于其他方法優(yōu)勢較為明顯.在環(huán)境明確的設(shè)計過程中，EBD能大大減少設(shè)計迭代次數(shù)、降低開發(fā)成本；在環(huán)境復(fù)雜的情況下，EBD能簡化環(huán)境條件，縮短不確定性高、效率低和進度慢的產(chǎn)品開發(fā)模糊前期.EBD理論已在多種設(shè)計及戰(zhàn)略決策中得到應(yīng)用，在生物醫(yī)學(xué)工程、特種裝備開發(fā)等需求明確的領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景.