復雜產品設計理論與方法綜述
摘要
設計是一項高層次且復雜的思維活動，通過運用現有的知識和技術解決問題并創造新事物。隨著智能制造的崛起和發展，設計在產品生命周期中越來越體現出其重要性。本文首先系統闡述了復雜產品設計的概念及內涵，并探討了不同類型的設計。介紹了四種主要的設計理論學派：普適設計、公理化設計、TRIZ和通用設計。接著分析了復雜產品設計的研究現狀，包括創新設計、數字化設計、模塊化設計、可靠性優化設計等。最后，指出了未來值得研究的三大科學問題，并總結了“更新、更好、更智能、更快、更綠色”五個研究趨勢，旨在為設備設計和制造業提供參考。
1. 引言
設計是所有有目的的人類活動的起點，也是所有創造性實踐的前奏和準備。人類通過勞動改造世界，創造物質與精神財富，其中最基本且最原始的創造活動便是創造。設計是一種創意思維活動，事先規劃創造活動的過程，并通過具體載體表達這些活動。復雜產品設計指的是對產品的工作原理、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、服務條件、性能可靠性、可回收性等進行構思、建模、分析和優化，并將其轉化為制造過程中的具體藍圖。
目前，學術界尚未對設計達成統一的定義。Beitz等人認為設計是將創意變為現實，盡力以最佳方式滿足需求。美國的維克多·帕帕內克教授認為設計是一種有意識的直覺努力，旨在構建有意義的秩序。中國工程院院士謝有波認為，設計本質上是知識的流動、整合、競爭和演變過程。他指出設計科學的四條基本法則：基于現有知識的設計法則、設計知識的不完備性法則、注重新知識獲取的設計法則，以及設計知識的競爭法則。
作為產品生命周期中最重要的部分，產品設計在決定產品功能質量以及制造和服務價值中發揮著極其重要的作用。影響產品競爭力的關鍵因素，如產品結構、性能、成本、可維護性、人機環境和外觀風格，均與設計緊密相關。產品質量差距的根本原因首先是設計質量的差距。據統計，約50%的產品質量事故源于設計不良，而產品設計周期占生產周期的47%到53%。在產品生命周期中，設計階段決定了整個產品開發成本的70%，而制造階段及后續相關階段則僅占約30%。
現代制造業的競爭常常是產品設計的競爭，產品設計的創新能力已成為制造企業保持競爭力的核心。因此，研究現代設計理論、方法和實踐，對于提高制造企業的核心競爭力具有重要意義。
2. 設計類型
在制造領域，根據不同的分類標準，產品設計可以分為多種類型。例如，按照設計過程，產品設計可分為創意設計、概念設計、原理設計、整體設計、整機設計、頂層設計、系統設計、方案設計、詳細設計、外形設計、技術設計、校準與檢查設計、測試與維護設計等。
根據設計內容，產品設計可分為需求設計、功能設計、性能設計、質量設計、結構設計、布局設計、機構設計、物理設計、成型設計、裝配設計、精密設計、人機工程設計、工業設計等類型。
根據使用的設計工具，產品設計可分為計算機輔助設計、仿真設計、實驗設計、人機交互設計等。
根據產品設計的創新強度，設計可分為以下五種類型：
原創設計：基于科學原理和工程技術的突破，概念上實現產品的原創創新設計。例如，1712年的蒸汽機，1876年的內燃機，1886年的汽車，1903年的飛機等，均依賴于原創設計的出現。
促進性設計：基于現有設計，通過突破性改進實現產品的功能、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，從機床到數控機床再到智能機床，從傳統網絡到萬維網再到物聯網。
改進設計：在同一基本原理下，對現有設計進行變化和增加。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計的改進。
集成設計：各設計元素的互補性整合，使得產品功能發生質的變化。例如，iPhone利用大尺寸觸摸屏、視網膜顯示屏、人臉識別、距離傳感器、陀螺儀、GPS等多傳感器協同工作，形成獨特的創新和競爭優勢。
參考設計：通過分析和借鑒各種現象的原理，推導出具有類似結構和功能的產品。例如，通過借鑒巴爾漢沙丘的形態特征，設計出巴爾漢沙丘漩渦火焰穩定器。
3. 四種主要產品設計理論與方法
隨著生產力、科技的發展，設計過程經歷了直覺設計階段、經驗設計階段、半理論半經驗階段，現已進入現代設計階段。在這一漫長的發展過程中，設計及設計科學不斷深入和擴展，理論與方法不斷更新。四種典型的設計理論學派包括普適設計、公理化設計、TRIZ和通用設計。
(1) 普適設計
德國學者Pahl和Beitz在1970年代提出了較為具有代表性、權威性和系統性的產品設計方法論。他們總結了優秀設計過程的經驗，并基于系統理論發展了普適設計，理論為設計師在每個設計階段建立了工作計劃，包含策略、規則和原則，從而形成了完整的設計過程模型。普適設計源于稍早的無障礙設計概念及更廣泛的可及性運動，現如今更注重將美學融入這些核心考慮因素，并已開始應用于技術、人機交互、教學、服務等產品和環境的設計。
(2) 公理化設計（AD）
麻省理工學院的Suh等人自1990年起系統研究設計理論，提出了公理化設計。公理化設計提出了兩條基本公理：一是獨立公理，涉及功能與設計參數之間的關系，即所有功能都應相互獨立，因此設計參數只影響其子功能；另一條是信息公理，主要目標是減少設計結果的信息含量，最小化設計復雜性。在AD中，設計問題被建模為需求領域、功能領域、結構領域和過程領域之間的映射，許多工程設計問題基于這一模型。擴展方法目前主要用于復雜系統的可靠性設計，涵蓋了整個產品生命周期，包括影響全周期的早期因素，如開發測試、輸入約束和系統組件。
(3) TRIZ理論
由前蘇聯的Altschuller提出的TRIZ方法基于對250萬項高水平發明專利的發展和處理原則的統計分析，建立了一個包括一系列支持創新設計過程的方法和算法的綜合理論體系，包括技術系統演化規則、特性-場分析、發明問題解決方法、系統對抗的典型技術以及物理、化學和幾何等領域的應用知識庫。作為一種為問題解決生成創新方案的實用方法論，TRIZ常常與質量功能展開（QFD）結合，從產品定義、概念設計到詳細設計，形成了強有力的支持工具。
(4) 通用設計理論（GDT）
日本東京大學的Yoshikawa和Tomiyama提出了通用設計理論（GDT），通過對設計活動中的認知問題進行研究，認為設計本質上是一個分解、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計對象在設計過程特定階段的狀態、設計對象的構成實體以及這些實體之間的關系和依賴關系。近年來，通過GDT的改進——耦合設計過程模型，能夠更清晰地闡明類別集和拓撲空間上復雜變化與現實設計過程。
系統科學概念和方法的應用迅速推動并影響了設計理論和方法的研究，將設計從藝術范疇轉向科學范疇。作為實現設計目標的科學方法，設計理論和方法已成為設計文化的重要支柱。
4. 復雜產品設計的關鍵技術
4.1 基于大數據與知識工程的創新設計
產品設計的重點已從傳統的經驗型設計轉向基于大數據與知識工程的創新設計。通過新理論、新技術和新思想的
結合，產品設計的創新設計概念需要大量的設計知識、設計原理和設計方法。設計知識資源已成為企業創新最重要的智能和資產。利用設計大數據獲取、處理、發現和演變設計知識，輔助和促進設計師的創意，是實現創新設計的關鍵。
4.2 基于數字原型與數字雙胞胎的數字化設計
數字設計是數字技術與設計技術的結合，利用數字設計資源和設計知識，實現從需求分析、功能設計、詳細結構設計到裝配設計的產品數字化定義，為產品的加工、制造、服務和維護提供全面的數字基礎。數字技術推動了從“傳統經驗型設計模式”向“基于建模與仿真的科學設計模式”轉變。
