產品設計理論與方法研究的現狀和展望*

□ 李軍寧 □ 張菲菲 □ 陳 渭 □ 謝友柏

1.西安工業(yè)大學 機電工程學院 西安 710032

2.西安交通大學 現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室 西安 710049

3.西安工程大學 機電工程學院 西安 710048

機電信息

產品設計理論與方法研究的現狀和展望*

□ 李軍寧1，2□ 張菲菲3□ 陳 渭2□ 謝友柏2

1.西安工業(yè)大學 機電工程學院 西安 710032

2.西安交通大學 現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室 西安 710049

3.西安工程大學 機電工程學院 西安 710048

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

設計理論 研究現狀 創(chuàng)新 新知識獲取

“設計”是人類活動一個十分重要的內容，它所涵蓋的范疇和由之而產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，人就開始設計。產品設計理論與方法作為實現創(chuàng)新目標的科學途徑，是一個不斷發(fā)展的研究領域，先后形成了諸多學派，其中代表性的有Suh的公理設計理論、Akao的質量功能配置理論、Pahl的普適設計理論、Altschuller為首提出的發(fā)明問題解決理論（TRIZ）等。此外，近年來針對復雜機械系統提出的協同設計、模塊化設計、可靠性設計等理論與方法也引起大量研究者進行相關的研究。

在設計學發(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果的感情色彩。為了更清晰地跟蹤產品設計學的發(fā)展過程，以及深刻理解產品設計學的發(fā)展規(guī)律，筆者對其進行了梳理，將其初步分為：通用性設計理論與方法及專用性設計理論與方法。通用性設計理論主要是從系統工程角度對設計行為及其過程進行研究，大都側重于設計的系統層次；而專用性設計理論主要是針對不同設計對象及過程在實際設計中所存在的具體問題進行研究，具有較強的針對性。

1 產品設計理論與方法研究概述

1.1 通用性設計理論與方法

1.1.1 公理設計理論（AD）

美國麻省理工學院 Suh［1］認為，在設計學中存在著若干公理，其控制著設計活動的許多方面，遵循這些公理和由之推導產生的定理及推理，在設計中就能夠進行理性思維并導向正確的結果，由此，他提出了公理設計理論，該理論主要內容包括用戶域、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個域中的參數間存在映射關系，在相鄰域之間進行映射時，設計解的確定需要符合獨立性原理，若存在多個設計解均符合獨立性原理時，則需遵循信息公理進行設計解的優(yōu)選。

▲圖1 設計中的域及其映射關系

1.1.2 質量功能配置理論（QFD）

日本學者Akao［2］提出了QFD的概念，是一種將顧客或市場的要求轉化為設計要求、零部件特性、工藝要求、生產要求的多層次演繹分析方法。QFD通過質量屋將顧客需求展開成工程特性，并確定工程特性目標值，從而獲取顧客需求進行有針對性設計，以提高設計的質量與效率［3］。在質量屋的決策過程中，工程特性目標值是一個復雜的多變量，其確定是一個多目標決策過程。為了綜合考慮工程特性間的相關性對工程特性目標值和開發(fā)成本的影響，權衡并優(yōu)化質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］建立了一個基于質量屋的優(yōu)化決策模型，使所設計的產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 普適設計理論

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

1.1.4 產品7D設計總體規(guī)劃理論

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

1.1.5 現代設計理論

制造業(yè)的競爭在很大程度上已經轉為設計的競爭，而設計競爭則在很大程度上是引入新技術使產品具有新性能的競爭，支持競爭的基礎是知識和新知識獲取能力。隨著經濟的發(fā)展和社會分工的細化，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。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”。據此謝友柏提出了現代設計理論與方法研究體系，如圖2所示，主要由理論基礎、應用技術及支撐環(huán)境三部分組成，通過理論、方法、工具的集成研究，為設計競爭取勝而服務。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 現代設計理論與方法體系框架

1.2 專用性設計理論與方法

1.2.1 發(fā)明問題解決理論（TRIZ）

TRIZ是前蘇聯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論思想，提出了有關發(fā)明問題的基本理論。TRIZ理論主要體系包括：8大技術系統進化法則；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)明問題的標準解法；發(fā)明問題標準算法（ARIZ）；科學效應和現象知識庫［12］。

1.2.2 大批量定制的設計技術

Tseng［13］提出了大批量定制設計的概念，其定義為基于并行流程針對產品族進行設計工作，以有效滿足客戶的需求。該設計方法的目標在于工程設計的前期階段，在進行整體概念設計時也考慮設計范圍及批量的經濟性，重點在于針對產品族結構進行面向產品族設計，并且需要有效獲取用戶的個性化需求，并將設計過程有效擴展至面向產品全過程的集成設計，通過在產品設計過程中增加標準零件、模塊和易定制的零部件所占比例，以提高設計效率并有效降低成本。

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

1.2.3 協同設計

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

1.2.4 模塊化設計

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

1.2.5 可靠性設計

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

2 產品設計相關研究對比分析

以上研究基于不同側重點與工作原理對產品設計理論及方法進行了研究，對于提高產品設計質量與效率具有重要意義。但由于各種設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公理設計基于對成功設計實例的深入分析，提煉出了好的設計所應遵守的獨立公理和信息公理準則，但還需要對怎樣有效獲得好的設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品生產及其質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集成設計的方法。顧客感知是通過市場調研獲得的，一旦市場調研不準確，其后的所有分析結果可能全部出錯，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和結構化的質量控制方法，要順應如此快速的市場變化比較復雜。

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

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

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

⑥模塊化設計主要關注的是結構和功能集成，而不是知識的集成，在當前分布式資源環(huán)境下，愈演愈烈的新產品競爭實質上是獲取新知識能力的競爭。

⑦可靠性設計更多的是關注已有知識的優(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品的創(chuàng)新性與競爭力。

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

3 產品設計理論與方法的未來研究方向展望

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

①各種設計理論與方法的有機融合研究；

②分布式資源環(huán)境下設計理論支撐方法及工具的研究；

③設計知識及其知識服務研究；

④產品全生命周期設計研究及其實現方法的深化與具體化；

⑤多利益方協調機制與信任的研究。

4 結束語

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

［1］Suh N P.Axiomatic Design：Advances and Applications［M］.New York：Oxford University Press，2001.

［2］Akao Y.Quality Function Deployment：Integrating Customer Requirements into Product Design［M］.Cambridge：Productivity Press，1990.

［3］Chan L K，Wu M L.Quality Function Deployment：A Literature Review ［J］.European Journal of Operational Research，2002，143（3）：463-497.

［4］陳以增，唐家福，侯榮濤，等.基于質量屋的產品設計過程［J］.計算機集成制造系統，2002，8（10）：757-761.

［5］Pahl G，Beitz W，Feldhusen J，et al.Engineering Design：A Systematic Approach ［M］.New York：Springer-Verlag，2007.

［6］聞邦椿，周知乘，韓清凱，等．現代機械產品設計在新產品開發(fā)中的重要作用［J］．機械工程學報，2003，39（10）：43-52．

［7］荊洪英，張利，聞邦椿．產品設計理論與方法研究綜述［J］．機械科學與技術，2009（8）：999-1004．

［8］謝友柏.現代設計與知識獲取［J］.中國機械工程，1996，7（6）：36-41.

［9］謝友柏.現代設計理論和方法的研究 ［J］.機械工程學報，2004，40（4）：1-9.

［10］謝友柏.現代設計理論中的若干基本概念［J］.機械工程學報，2007，43（11）：7-16.

［11］Altshuller G S.And Suddenly the Inventor Appeared［M］. Worcester：Technical Innovation Center，Inc.，1996.

［12］檀潤華.創(chuàng)新設計：TRIZ發(fā)明問題解決理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［13］Tseng M M，Jiao J，Merchant M E.Design for Mass Customization ［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，1996，45（1）：153-156.

［14］譚建榮，李濤，戴若夷．支持大批量定制的產品配置設計系統的研究［J］．計算機輔助設計與圖形學學報，2003，15（8）：931-937．

［15］Lu S C-Y，Elmaraghy W，Schuh G，et al.A Scientific Foundation of Collaborative Engineering ［J］.CIRP Annalsmanufacturing Technology，2007，56（2）：605-634.

［16］Hammond J H，Koubek R J，Harvey C M.Distributed Collaboration for Engineering Design：A Review and Reappraisal［J］.Human Factors and Ergonomics in Manufacturing，2001，11（1）：35-52.

［17］Dahmus J B，Gonzalez-Zugasti J P，Otto K N.Modular Product Architecture ［J］.Design Studies，2001，22（5）：409-424.

［18］唐濤，劉志峰，劉光復，等．綠色模塊化設計方法研究［J］.機械工程學報，2003，39（11）：149-154.

［19］何國偉.可靠性設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1993.

［20］張義民.機械可靠性設計的內涵與遞進［J］.機械工程學報，2010，46（14）：167-188.

（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

*國家自然科學基金資助項目（編號：50935004，51175409）

2014年8月