摘要

設(shè)計(jì)是一項(xiàng)高層次且復(fù)雜的思維活動(dòng)，通過運(yùn)用現(xiàn)有的知識(shí)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(jì)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(jì)的概念及內(nèi)涵，并探討了不同類型的設(shè)計(jì)。介紹了四種主要的設(shè)計(jì)理論學(xué)派：普適設(shè)計(jì)、公理化設(shè)計(jì)、TRIZ和通用設(shè)計(jì)。接著分析了復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀，包括創(chuàng)新設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)研究趨勢(shì)，旨在為設(shè)備設(shè)計(jì)和制造業(yè)提供參考。

1. 引言

設(shè)計(jì)是所有有目的的人類活動(dòng)的起點(diǎn)，也是所有創(chuàng)造性實(shí)踐的前奏和準(zhǔn)備。人類通過勞動(dòng)改造世界，創(chuàng)造物質(zhì)與精神財(cái)富，其中最基本且最原始的創(chuàng)造活動(dòng)便是創(chuàng)造。設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)意思維活動(dòng)，事先規(guī)劃創(chuàng)造活動(dòng)的過程，并通過具體載體表達(dá)這些活動(dòng)。復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)指的是對(duì)產(chǎn)品的工作原理、配置與建模、力與能量傳遞方式、運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(lán)圖。

目前，學(xué)術(shù)界尚未對(duì)設(shè)計(jì)達(dá)成統(tǒng)一的定義。Beitz等人認(rèn)為設(shè)計(jì)是將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，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(jì)是一種有意識(shí)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(jì)本質(zhì)上是知識(shí)的流動(dòng)、整合、競(jìng)爭(zhēng)和演變過程。他指出設(shè)計(jì)科學(xué)的四條基本法則：基于現(xiàn)有知識(shí)的設(shè)計(jì)法則、設(shè)計(jì)知識(shí)的不完備性法則、注重新知識(shí)獲取的設(shè)計(jì)法則，以及設(shè)計(jì)知識(shí)的競(jìng)爭(zhēng)法則。

作為產(chǎn)品生命周期中最重要的部分，產(chǎn)品設(shè)計(jì)在決定產(chǎn)品功能質(zhì)量以及制造和服務(wù)價(jià)值中發(fā)揮著極其重要的作用。影響產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能、成本、可維護(hù)性、人機(jī)環(huán)境和外觀風(fēng)格，均與設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。產(chǎn)品質(zhì)量差距的根本原因首先是設(shè)計(jì)質(zhì)量的差距。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約50%的產(chǎn)品質(zhì)量事故源于設(shè)計(jì)不良，而產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期占生產(chǎn)周期的47%到53%。在產(chǎn)品生命周期中，設(shè)計(jì)階段決定了整個(gè)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(jìng)爭(zhēng)常常是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力已成為制造企業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)力的核心。因此，研究現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法和實(shí)踐，對(duì)于提高制造企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

2. 設(shè)計(jì)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(jì)可以分為多種類型。例如，按照設(shè)計(jì)過程，產(chǎn)品設(shè)計(jì)可分為創(chuàng)意設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)、原理設(shè)計(jì)、整體設(shè)計(jì)、整機(jī)設(shè)計(jì)、頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、外形設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)與檢查設(shè)計(jì)、測(cè)試與維護(hù)設(shè)計(jì)等。

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

根據(jù)使用的設(shè)計(jì)工具，產(chǎn)品設(shè)計(jì)可分為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、人機(jī)交互設(shè)計(jì)等。

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新強(qiáng)度，設(shè)計(jì)可分為以下五種類型：

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

• 促進(jìn)性設(shè)計(jì)：基于現(xiàn)有設(shè)計(jì)，通過突破性改進(jìn)實(shí)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(dòng)電話再到智能手機(jī)，從機(jī)床到數(shù)控機(jī)床再到智能機(jī)床，從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)到萬維網(wǎng)再到物聯(lián)網(wǎng)。

• 改進(jìn)設(shè)計(jì)：在同一基本原理下，對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)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(jī)、蒸汽渦輪機(jī)、多缸蒸汽機(jī)等都是蒸汽機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)。

• 集成設(shè)計(jì)：各設(shè)計(jì)元素的互補(bǔ)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(shí)別、距離傳感器、陀螺儀、GPS等多傳感器協(xié)同工作，形成獨(dú)特的創(chuàng)新和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

• 參考設(shè)計(jì)：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(jì)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(jì)理論與方法

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

(1) 普適設(shè)計(jì)

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(jì)方法論。他們總結(jié)了優(yōu)秀設(shè)計(jì)過程的經(jīng)驗(yàn)，并基于系統(tǒng)理論發(fā)展了普適設(shè)計(jì)，理論為設(shè)計(jì)師在每個(gè)設(shè)計(jì)階段建立了工作計(jì)劃，包含策略、規(guī)則和原則，從而形成了完整的設(shè)計(jì)過程模型。普適設(shè)計(jì)源于稍早的無障礙設(shè)計(jì)概念及更廣泛的可及性運(yùn)動(dòng)，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(jī)交互、教學(xué)、服務(wù)等產(chǎn)品和環(huán)境的設(shè)計(jì)。

(2) 公理化設(shè)計(jì)（AD）

麻省理工學(xué)院的Suh等人自1990年起系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)理論，提出了公理化設(shè)計(jì)。公理化設(shè)計(jì)提出了兩條基本公理：一是獨(dú)立公理，涉及功能與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，即所有功能都應(yīng)相互獨(dú)立，因此設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)果的信息含量，最小化設(shè)計(jì)復(fù)雜性。在AD中，設(shè)計(jì)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(jì)問題基于這一模型。擴(kuò)展方法目前主要用于復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，涵蓋了整個(gè)產(chǎn)品生命周期，包括影響全周期的早期因素，如開發(fā)測(cè)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(duì)250萬項(xiàng)高水平發(fā)明專利的發(fā)展和處理原則的統(tǒng)計(jì)分析，建立了一個(gè)包括一系列支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(chǎng)分析、發(fā)明問題解決方法、系統(tǒng)對(duì)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(shí)庫。作為一種為問題解決生成創(chuàng)新方案的實(shí)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(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)，形成了強(qiáng)有力的支持工具。

(4) 通用設(shè)計(jì)理論（GDT）

日本東京大學(xué)的Yoshikawa和Tomiyama提出了通用設(shè)計(jì)理論（GDT），通過對(duì)設(shè)計(jì)活動(dòng)中的認(rèn)知問題進(jìn)行研究，認(rèn)為設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)分解、映射和綜合的過程。GDT引入了一個(gè)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(jì)對(duì)象在設(shè)計(jì)過程特定階段的狀態(tài)、設(shè)計(jì)對(duì)象的構(gòu)成實(shí)體以及這些實(shí)體之間的關(guān)系和依賴關(guān)系。近年來，通過GDT的改進(jìn)——耦合設(shè)計(jì)過程模型，能夠更清晰地闡明類別集和拓?fù)淇臻g上復(fù)雜變化與現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)過程。

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

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

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

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重點(diǎn)已從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向基于大數(shù)據(jù)與知識(shí)工程的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過新理論、新技術(shù)和新思想的

結(jié)合，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)概念需要大量的設(shè)計(jì)知識(shí)、設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)知識(shí)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(jì)大數(shù)據(jù)獲取、處理、發(fā)現(xiàn)和演變?cè)O(shè)計(jì)知識(shí)，輔助和促進(jìn)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意，是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(jì)

數(shù)字設(shè)計(jì)是數(shù)字技術(shù)與設(shè)計(jì)技術(shù)的結(jié)合，利用數(shù)字設(shè)計(jì)資源和設(shè)計(jì)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)從需求分析、功能設(shè)計(jì)、詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到裝配設(shè)計(jì)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(hù)提供全面的數(shù)字基礎(chǔ)。數(shù)字技術(shù)推動(dòng)了從“傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì)模式”向“基于建模與仿真的科學(xué)設(shè)計(jì)模式”轉(zhuǎn)變。