机械工程学报，2007,43(11)：7-16 现代设计理论中若干基本概念研究 谢友柏 上海交通大学 西安交通大学 上海市华山路1954号(200030) 西安市成宁西路28号(710049) 摘要 设计理论在其长期发展过程中，产生的名词、定义和概念很多，而且同一个名词，常常 有不同的定义和不同的理解，也就是不同的概念。现代设计理论在自己的发展中，通过对现 代经济特点和制造业变化的研究，逐步赋予许多名词以新的定义和概念，它们已经成为现代 设计理论发展的基础。经验告诉我们，如果各自根据不同定义来理解现代设计理论的原理， 则往往会导向不同的结论。所以推动这些名词在现今条件下应有内涵的研究是十分重要的任 务。文中着重对性能，约束，需求，特征，需求驱动，状态等定义和概念进行了讨论，通过 介绍它们形成的背景和过程，说明它们在现代设计理论研究中新的内涵和应用。 关键词设计理论性能约束特征状态全生命周期分布式设计资源环境 中图分类号：TB21TH12TP391.72 前言 “设计”是人类活动中一个十分重要的 因为问题复杂，并不能认为已经解决，非常 内容，它所涵盖的范畴和由之产生的各种理 需要有进一步的研究。 论，都有着悠久历史过程"。在这个过程中 设计理论的研究不是设计方法的研究， 所产生的名词，是难以计数的。而关于名词 也不是设计方法的汇总研究。它应当是统帅 的内涵，则更经常有不同的解释。常常是一 整个设计过程基本规律的研究，在这些基本 个名词，各个行业、各个学派拿它做不同的 规律的基础上，可以根据需要产生许许多多 使用，有不同的内涵；而不同的名词，各个 方法，但是任何一种方法的研究，都不能代 行业、各个学派又常常用它来表达同一件 替设计理论的研究。另外，设计是一个由诸 事。特别是现在为了商业目的和其他需要， 多要素构成的复杂过程，仅仅从某一个片段 很多人热衷于以抄名词来代替事物本质的 或方面研究，要注意不能产生与整体对立的 研究。这种情况对理论发展是很不利的，常 结论。 常要化许多时间，去理解一个新的作品。特 制造业的使命是向社会提供产品，但是 别是进入信息时代，信息高速传递的效率， 产品只有通过市场竞争才能够实现它们的 会因此被理解和翻译的困难所吞食。 价值。从制造业的发展形势，可以看到制造 现代设计理论是在研究设计竞争规律和 业当前和今后的竞争实际上是设计的竞争； 分布式资源环境中的设计活动发展起来的。 竞争焦点集中在：是否能够率先引入最新技 方便信息传递和分布资源集成利用以提高 术，是否能够实现最短研发周期和最小设计 竞争力是研究的核心。所以非常重视定义统 及研发成本。现代设计理论认为：设计是制 一和概念清晰，但是这种统一，不能是实用 造业的灵魂，创新是设计的灵魂；设计是以 主义的，必须满足集成分布式资源环境中的 知识为基础，以获取新知识为中心；由于知 知识服务以支持设计竞争的需要，必须内涵 识获取是资源依赖的，竞争正在迫使企业的 准确和具有理论上的严肃性。定义和概念研 设计资源从垂直结构向水平结构即分布式 究是理论研究的重要组成部分，任何理论， 的资源环境转变。 总是从定义和阐述概念开始。也可以说，定 应当看到，已有的研究成果，由于下述 义和概念的研究，是理论研究的基础。虽然 原因离开这个认识还有距离，大量问题需要 在这方面我们已经做了十多年的工作，但是 更深入的研究
机械工程学报, 2007, 43(11): 7-16 现代设计理论中若干基本概念研究 谢友柏 上海交通大学 西安交通大学 上海市 华山路 1954 号（200030） 西安市 咸宁西路 28 号（710049） 摘要 设计理论在其长期发展过程中，产生的名词、定义和概念很多，而且同一个名词，常常 有不同的定义和不同的理解，也就是不同的概念。现代设计理论在自己的发展中，通过对现 代经济特点和制造业变化的研究，逐步赋予许多名词以新的定义和概念，它们已经成为现代 设计理论发展的基础。经验告诉我们，如果各自根据不同定义来理解现代设计理论的原理， 则往往会导向不同的结论。所以推动这些名词在现今条件下应有内涵的研究是十分重要的任 务。文中着重对性能，约束，需求，特征，需求驱动，状态等定义和概念进行了讨论，通过 介绍它们形成的背景和过程，说明它们在现代设计理论研究中新的内涵和应用。 关键词 设计理论 性能 约束 特征 状态 全生命周期 分布式设计资源环境 中图分类号：TB21 TH12 TP391.72 前言 “设计”是人类活动中一个十分重要的 内容，它所涵盖的范畴和由之产生的各种理 论，都有着悠久历史过程[1]。在这个过程中 所产生的名词，是难以计数的。而关于名词 的内涵，则更经常有不同的解释。常常是一 个名词，各个行业、各个学派拿它做不同的 使用，有不同的内涵；而不同的名词，各个 行业、各个学派又常常用它来表达同一件 事。特别是现在为了商业目的和其他需要， 很多人热衷于以抄名词来代替事物本质的 研究。这种情况对理论发展是很不利的，常 常要化许多时间，去理解一个新的作品。特 别是进入信息时代，信息高速传递的效率， 会因此被理解和翻译的困难所吞食。 现代设计理论是在研究设计竞争规律和 分布式资源环境中的设计活动发展起来的。 方便信息传递和分布资源集成利用以提高 竞争力是研究的核心。所以非常重视定义统 一和概念清晰，但是这种统一，不能是实用 主义的，必须满足集成分布式资源环境中的 知识服务以支持设计竞争的需要，必须内涵 准确和具有理论上的严肃性。定义和概念研 究是理论研究的重要组成部分，任何理论， 总是从定义和阐述概念开始。也可以说，定 义和概念的研究，是理论研究的基础。虽然 在这方面我们已经做了十多年的工作，但是 因为问题复杂，并不能认为已经解决，非常 需要有进一步的研究。 设计理论的研究不是设计方法的研究， 也不是设计方法的汇总研究。它应当是统帅 整个设计过程基本规律的研究，在这些基本 规律的基础上，可以根据需要产生许许多多 方法，但是任何一种方法的研究，都不能代 替设计理论的研究。另外，设计是一个由诸 多要素构成的复杂过程，仅仅从某一个片段 或方面研究，要注意不能产生与整体对立的 结论。 制造业的使命是向社会提供产品，但是 产品只有通过市场竞争才能够实现它们的 价值。从制造业的发展形势，可以看到制造 业当前和今后的竞争实际上是设计的竞争； 竞争焦点集中在：是否能够率先引入最新技 术，是否能够实现最短研发周期和最小设计 及研发成本。现代设计理论认为：设计是制 造业的灵魂，创新是设计的灵魂；设计是以 知识为基础，以获取新知识为中心；由于知 识获取是资源依赖的，竞争正在迫使企业的 设计资源从垂直结构向水平结构即分布式 的资源环境转变。 应当看到，已有的研究成果，由于下述 原因离开这个认识还有距离，大量问题需要 更深入的研究。 1
首先，许多研究，因为未能脱离方法研 维持制造业发展的国家，不针对竞争的焦点 究的框架，把重点放在得到物理上成立的解 在于是否能够率先在产品中引入最新技术 上，有时甚至仅仅是为了得到用以加工的图 以满足已有产品所不能满足的性能需求来 样-)。但是设计是一个社会性和技术性交 进行研究，是不能从根本上提高整个国家制 织在一起的命题，特别在全球经济条件下， 造业竞争力的。许多研究都假设设计知识已 竞争性是其突出的特点。如果不能竞争取 经在手。但是设计师怎么能够得到最新的技 胜，物理上成立的解就没有用处。所以，设 术？不解决这个问题，又怎么谈得上新技术 计理论应当将研究重点放在如何使所设计 的应用61？设计所依赖的知识，与加工所 的对象能够竞争取胜，物理上成立仅仅是命 依赖的装备相对稳定不同，是一个动态的集 题的一部分。这一点，虽然具有普遍意义， 合：昨天先进的知识，今天就是一般的知识， 但是对于我国的制造业特别重要，可是关于 明天就变成需要更新的知识。实际上，这正 这一点的研究非常之少 是建设和发展分布式资源环境的最重要的 其次，许多研究，是从基于垂直资源结 理由，因为最新的知识，起初往往并不是产 构的设计模式演变过来的-，也就是把处 生于那些大企业、大公司，而是掌握在很小 理大企业内各设计部门协同关系的概念和 的团队甚至个人手中。许多研究，也缺少对 方法搬来处理企业外分布式资源环境中参 设计知识复杂性的考虑，现代的产品，不仅 与设计各要素之间的关系。这是完全不同的 涉及传感技术、控制技术，计算机技术，而 关系，分布式资源环境中的资源单元，不仅 且与电磁学、热力学、材料科学、生命科学、 在地理上是分布的，更重要的是属于不同的 人文科学等的发展，都有密切关系。没有这 主体，各自有不同的利益。一个企业可以在 些认识，就不能正确处理各种设计方法和以 许多能够提供相同服务的资源单元中选择， 知识为基础，以获取新知识为中心的关系， 一个单元也可以在许多请求服务的企业中 不能将知识和知识获取放在应有的地位。 选择，这时竞争起着扩大企业在资源择优上 第五，许多研究，兴趣集中在已经有的 的空间和推动资源在不断自身优化方面的 资源如何在产品设计中协同工作，都是假设 重要作用。当然也存在利益冲突带来的问 企业内、外资源已经存在并能够合格地工 题，有待解决。 作，缺乏对资源单元本身的研究1。没有 第三，许多研究，是从发展信息技术和 一大批合格的智力资源单元，所谓协同设计 完成加工任务的视角（特别是在我国）进行 和分布式资源环境就是一句空话。必须掌握 研究的-，，而对在这种环境中产品设计竞 智力资源单元的生成、生存和发展的基本规 争的特点和基本规律：包括设计的任务和过 律并且研究支持他们发展所需要的技术。 程、工作流和知识流之间的关系、设计进程 第六，许多研究，对全生命周期设计的 的驱动力、人和计算机的关系、联想和决策 基本规律、设计方法和使能工具缺少应有的 的机制等等基本上没有涉及。信息技术是 考虑。实际上，这已经是当今产品竞争力的 “路”的技术，它并不能告诉人们支配“车” 重要方面，而全生命周期设计的关键是全生 的行为的全部规律，忽视对获取设计知识所 命周期产品知识的获取和在设计中的应用。 依赖的资源的研究就是它的后果，虽然有了 传统上，设计是以产品出厂时合格为目标， 路，但是没有车，并不能提高我国企业设计 大量的商品软件（通常归结为CAD、CAE、CAM 的竞争能力；加工与设计相比，较少涉及人 软件)，都是围绕这个目标开发的。而现在 的思维活动，也相对简单，用对加工过程的 制造企业必须对产品在整个使用过程中的 认识来理解设计活动，于是产生了甩掉图 性能变化、衰退直至报废后的处理负责，这 板、数字化设计、虚拟设计等口号。 样的全生命周期设计需要大量属于不同学 第四，许多研究，没有体现制造业的竞 科非常广泛的后续知识，这也是需要建设分 争已经转变为设计的竞争。像中国这样一个 布式资源环境的另一个重要理由。不是把 多世纪以来主要是依靠引进设计来加工以 传统的商品软件集成起来，就能够解决问 2
首先，许多研究，因为未能脱离方法研 究的框架，把重点放在得到物理上成立的解 上，有时甚至仅仅是为了得到用以加工的图 样[2-4]。但是设计是一个社会性和技术性交 织在一起的命题，特别在全球经济条件下， 竞争性是其突出的特点。如果不能竞争取 胜，物理上成立的解就没有用处。所以，设 计理论应当将研究重点放在如何使所设计 的对象能够竞争取胜，物理上成立仅仅是命 题的一部分。这一点，虽然具有普遍意义， 但是对于我国的制造业特别重要，可是关于 这一点的研究非常之少。 其次，许多研究，是从基于垂直资源结 构的设计模式演变过来的[5-10]，也就是把处 理大企业内各设计部门协同关系的概念和 方法搬来处理企业外分布式资源环境中参 与设计各要素之间的关系。这是完全不同的 关系，分布式资源环境中的资源单元，不仅 在地理上是分布的，更重要的是属于不同的 主体，各自有不同的利益。一个企业可以在 许多能够提供相同服务的资源单元中选择， 一个单元也可以在许多请求服务的企业中 选择，这时竞争起着扩大企业在资源择优上 的空间和推动资源在不断自身优化方面的 重要作用。当然也存在利益冲突带来的问 题，有待解决。 第三，许多研究，是从发展信息技术和 完成加工任务的视角（特别是在我国）进行 研究的[2-4,6]，而对在这种环境中产品设计竞 争的特点和基本规律：包括设计的任务和过 程、工作流和知识流之间的关系、设计进程 的驱动力、人和计算机的关系、联想和决策 的机制等等基本上没有涉及。信息技术是 “路”的技术，它并不能告诉人们支配“车” 的行为的全部规律，忽视对获取设计知识所 依赖的资源的研究就是它的后果，虽然有了 路，但是没有车，并不能提高我国企业设计 的竞争能力；加工与设计相比，较少涉及人 的思维活动，也相对简单，用对加工过程的 认识来理解设计活动，于是产生了甩掉图 板、数字化设计、虚拟设计等口号。 第四，许多研究，没有体现制造业的竞 争已经转变为设计的竞争。像中国这样一个 多世纪以来主要是依靠引进设计来加工以 维持制造业发展的国家，不针对竞争的焦点 在于是否能够率先在产品中引入最新技术 以满足已有产品所不能满足的性能需求来 进行研究，是不能从根本上提高整个国家制 造业竞争力的。许多研究都假设设计知识已 经在手。但是设计师怎么能够得到最新的技 术？不解决这个问题，又怎么谈得上新技术 的应用[5-10]？设计所依赖的知识，与加工所 依赖的装备相对稳定不同，是一个动态的集 合：昨天先进的知识，今天就是一般的知识， 明天就变成需要更新的知识。实际上，这正 是建设和发展分布式资源环境的最重要的 理由，因为最新的知识，起初往往并不是产 生于那些大企业、大公司，而是掌握在很小 的团队甚至个人手中。许多研究，也缺少对 设计知识复杂性的考虑，现代的产品，不仅 涉及传感技术、控制技术，计算机技术，而 且与电磁学、热力学、材料科学、生命科学、 人文科学等的发展，都有密切关系。没有这 些认识，就不能正确处理各种设计方法和以 知识为基础，以获取新知识为中心的关系， 不能将知识和知识获取放在应有的地位。 第五，许多研究，兴趣集中在已经有的 资源如何在产品设计中协同工作，都是假设 企业内、外资源已经存在并能够合格地工 作，缺乏对资源单元本身的研究[2-10]。没有 一大批合格的智力资源单元，所谓协同设计 和分布式资源环境就是一句空话。必须掌握 智力资源单元的生成、生存和发展的基本规 律并且研究支持他们发展所需要的技术。 第六，许多研究，对全生命周期设计的 基本规律、设计方法和使能工具缺少应有的 考虑。实际上，这已经是当今产品竞争力的 重要方面，而全生命周期设计的关键是全生 命周期产品知识的获取和在设计中的应用。 传统上，设计是以产品出厂时合格为目标， 大量的商品软件（通常归结为 CAD、CAE、CAM 软件），都是围绕这个目标开发的。而现在 制造企业必须对产品在整个使用过程中的 性能变化、衰退直至报废后的处理负责，这 样的全生命周期设计需要大量属于不同学 科非常广泛的后续知识，这也是需要建设分 布式资源环境的另一个重要理由[11]。不是把 传统的商品软件集成起来，就能够解决问 2
题。认真地对待全生命周期设计，就会更加 从一个地方运送到另一个地方的功能，而这 明白利用企业外分布式资源的意义。 个功能在购买以后于规定期限内能够满意 所以，分布式资源环境下具有竞争力的 地使用，即它偏离期望值的程度是能够容忍 产品设计仍面临基础理论的挑战，其中包括 的。前面半句是讲汽车的功能，后面半句是 与这一体系相适应的定义和概念。同时，还 讲汽车的质量。当然用户希望汽车漂亮，但 需要在相关理论指导下的方法研究和工具 是一般不是为了漂亮买车，否则他就会去买 开发。文献[12,13]认为，不相信能够通过 一幅画或者买一个花园。汽车要符合排放法 对现有软件的升级和改造使它们满足新的 规的要求，但是用户不会为了满足排放法规 需要，甚至认为，现有软件的无序衍生，将 要求去买车，不开车就没有排放问题。文献 会成为分布式智力资源环境发展的障碍。可 [16]认为，产品质量是产品能够满足使用 见，正确地部署研究是多么重要和紧迫。 要求所具备的属性，一般包括性能、寿命、 研究的视角不同，许多名词被赋予的内 可靠性、安全性、经济性。有时还有可维修 涵也就千差万别。所以有必要认真地对此进 性及表面状况（外形、美学、造型、装潢、 行讨论，以免由于名词理解上的分歧而不能 款式、色彩、粗糙程度、包装等)等。这样 准确地阐明所研究的理论、方法和工具。 关于质量的定义过于广泛，难以量化，不能 为此，本文收集了若干常用名词，并就 作为理论研究的基础。价格当然是用户经常 它们在现今条件下应有的定义和概念给出 考虑的另一个重要要素，不过为了性能好而 自己研究的答案。它们是：性能，功能，质 宁可花高价去买一个产品并不是少见的事。 量，约束，性能需求，功能需求，质量需求， 因此，性能是设计的起点和完成的标志。文 约束需求，性能特征，功能特征，约束特征， 献[10]认为设计的任务就是回答“需求是什 性能需求驱动，状态，状态方程，不完备可 么”和“如何实现需求”。本文认为还有第 观状态空间。 三个任务，即回答“是否充分实现了需求”。 设计的竞争要求对所选择的解决方案在全 1性能和约束 生命周期中就是否充分实现需求进行检验 性能是在评述产品时经常使用的一个名 和确认，即实行全生命周期设计。文献[10] 词。虽然很多设计学的作者讨论和使用了这 的需求指的是功能，没有引入质量的概念。 个名词，但是并没有严格地进行过定义或各 但是，没有在全生命周期中功能偏离期望值 人使用并不尽同的定义。 的度量，就不能向用户提供是否达到购买产 文献[14]定义，产品的性能包括产品的 品目的完整的信息，就不能全面地比较各个 功能和质量两个部分，质量是功能在全生命 设计解决方案的优劣。从全生命周期设计的 周期中偏离期望值程度的度量，是依附于功 观点出发，任何在设计的产品都是一个时变 能而存在的。 系统，与过去以出厂时合格为目标的时不变 文献[15]采用输入~输出的办法来描述 观念完全不同。因此，需要用性能而不是功 功能。例如，输入燃料，输出机械能。后来 能来反映用户对产品的需求。性能的另一个 的研究表明，传统的输入~输出描述方法已 重要意义：为满足现有产品所不能满足的性 经不能满足现代设计理论的需要，必须同时 能需求或潜在的性能需求，往往是设计竞争 给出输入、输出条件的定量描述。下面在讨 和产品一代又一代发展的驱动力。 论特征时还要进一步阐述这个问题。 在设计的最初阶段，由性能需求变换过 之所以要首先讨论性能的定义，是因为 来的性能，构成设计任务空间的重要组成部 在错综复杂的市场竞争中，人们常常忽视了 分。关于这个过程，可以参阅文献[17]。 产品的性能是竞争力的最重要的要素。用户 与“质量”相关的定义和解释就更多了。 购买某个产品，是购买它的功能，也就是实 一般都是把质量的内涵说得很大，例如文献 现其所需要的某种行为的能力。例如，买一 [3,7,9,16]。本文采用文献[14]的定义 辆汽车，是购买它的通过燃烧燃料将人和物 是为了能够对产品的功能在全生命周期中
题。认真地对待全生命周期设计，就会更加 明白利用企业外分布式资源的意义。 所以，分布式资源环境下具有竞争力的 产品设计仍面临基础理论的挑战，其中包括 与这一体系相适应的定义和概念。同时，还 需要在相关理论指导下的方法研究和工具 开发。文献[12，13]认为，不相信能够通过 对现有软件的升级和改造使它们满足新的 需要，甚至认为，现有软件的无序衍生，将 会成为分布式智力资源环境发展的障碍。可 见，正确地部署研究是多么重要和紧迫。 研究的视角不同，许多名词被赋予的内 涵也就千差万别。所以有必要认真地对此进 行讨论，以免由于名词理解上的分歧而不能 准确地阐明所研究的理论、方法和工具。 为此，本文收集了若干常用名词，并就 它们在现今条件下应有的定义和概念给出 自己研究的答案。它们是：性能，功能，质 量，约束，性能需求，功能需求，质量需求， 约束需求，性能特征，功能特征，约束特征， 性能需求驱动，状态，状态方程，不完备可 观状态空间。 1 性能和约束 性能是在评述产品时经常使用的一个名 词。虽然很多设计学的作者讨论和使用了这 个名词，但是并没有严格地进行过定义或各 人使用并不尽同的定义。 文献[14]定义，产品的性能包括产品的 功能和质量两个部分，质量是功能在全生命 周期中偏离期望值程度的度量，是依附于功 能而存在的。 文献[15]采用输入- 输出的办法来描述 功能。例如，输入燃料，输出机械能。后来 的研究表明，传统的输入- 输出描述方法已 经不能满足现代设计理论的需要，必须同时 给出输入、输出条件的定量描述。下面在讨 论特征时还要进一步阐述这个问题。 之所以要首先讨论性能的定义，是因为 在错综复杂的市场竞争中，人们常常忽视了 产品的性能是竞争力的最重要的要素。用户 购买某个产品，是购买它的功能，也就是实 现其所需要的某种行为的能力。例如，买一 辆汽车，是购买它的通过燃烧燃料将人和物 从一个地方运送到另一个地方的功能，而这 个功能在购买以后于规定期限内能够满意 地使用，即它偏离期望值的程度是能够容忍 的。前面半句是讲汽车的功能，后面半句是 讲汽车的质量。当然用户希望汽车漂亮，但 是一般不是为了漂亮买车，否则他就会去买 一幅画或者买一个花园。汽车要符合排放法 规的要求，但是用户不会为了满足排放法规 要求去买车，不开车就没有排放问题。文献 [16] 认为，产品质量是产品能够满足使用 要求所具备的属性，一般包括性能、寿命、 可靠性、安全性、经济性。有时还有可维修 性及表面状况（外形、美学、造型、装潢、 款式、色彩、粗糙程度、包装等）等。这样 关于质量的定义过于广泛，难以量化，不能 作为理论研究的基础。价格当然是用户经常 考虑的另一个重要要素，不过为了性能好而 宁可花高价去买一个产品并不是少见的事。 因此，性能是设计的起点和完成的标志。文 献[10]认为设计的任务就是回答“需求是什 么”和“如何实现需求”。本文认为还有第 三个任务,即回答“是否充分实现了需求”。 设计的竞争要求对所选择的解决方案在全 生命周期中就是否充分实现需求进行检验 和确认，即实行全生命周期设计。文献[10] 的需求指的是功能，没有引入质量的概念。 但是，没有在全生命周期中功能偏离期望值 的度量，就不能向用户提供是否达到购买产 品目的完整的信息，就不能全面地比较各个 设计解决方案的优劣。从全生命周期设计的 观点出发，任何在设计的产品都是一个时变 系统，与过去以出厂时合格为目标的时不变 观念完全不同。因此，需要用性能而不是功 能来反映用户对产品的需求。性能的另一个 重要意义：为满足现有产品所不能满足的性 能需求或潜在的性能需求，往往是设计竞争 和产品一代又一代发展的驱动力。 在设计的最初阶段，由性能需求变换过 来的性能，构成设计任务空间的重要组成部 分。关于这个过程，可以参阅文献[17]。 与“质量”相关的定义和解释就更多了。 一般都是把质量的内涵说得很大，例如文献 [3，7，9，16]。本文采用文献[14]的定义 是为了能够对产品的功能在全生命周期中 3
的表现量化并做出评估。前面已经说过，质 竞争各方基本上是公平的。人机关系友好对 量是从属于功能的。 于竞争力的影响很大，有人认为应当把它们 性能是竞争力诸要素中最重要的要素， 列为性能的组成部分。但是人机关系友好也 但是在性能相当的情况下，其他要素就成为 往往随人而异，如颜色或把手形状以及对噪 竞争的新的焦点。 声的限制等等，因此需要个性化设计。个性 “性能需求”和“性能”是不同的概念， 化设计通常不涉及设计任务的主要方面，不 具有不同的用途。前者是用非结构化自然语 涉及引入最新技术，不会在本质上影响具有 言表达的市场现象，来自市场考察；后者则 现有产品所不具备的性能的下一代产品，将 是对设计任务和对解决方案是否满足要求 它们放在约束里面，在设计后期处理，比较 测试的基本内容的结构化描述。性能是独立 方便，不会干扰主要问题的解决。一条重要 于结构的，它不包含任何与结构或解决方案 的原则：设计中对满足约束的追求，不能以 有关的要素。文献[10]对此也进行了讨论， 牺牲性能为代价。 那里的FR相当于本文中的功能，而DP则相 约束的内容经常容易与质量的内容混 当于本文中的结构，文献[10]详细讨论了FR 淆，但是根据本文的定义，它们之间的界线 对DP的独立性。例如，通过消耗燃料从上 是很清楚的。 海到北京，可以选择汽车、火车或飞机。 “约束需求”一部分来自技术，一部分 分解性能需求，就能够得到功能需求和 来自市场，一部分来自社会，例如：法律、 质量需求。“功能需求”和“功能”，“质量 道德、文化和心理等。同样，在设计的最初 需求”和“质量”同样是两种不同的概念， 阶段，需要将约束需求变成结构化的约束， 用在不同的地方。例如关于维修，非结构化 构成设计任务空间的一个组成部分。在设计 自然语言的“质量需求”可以表达为：“少 后期，约束也是检验内容的一个组成部分， 维修或免维修”；而转换为“质量”则应当 根据各个未能满足的约束的刚性程度，确定 是：“功能1-N(全部或某些主要功能，需要 是否需要回溯和进行再设计。例如，关于噪 具体规定)在从交付到报废的期间内偏离期 声，作为非结构化自然语言的“约束需求” 望值不大于期望值的2%”或满足“6σ”要 可表达为：“噪声小”；而转换为“约束”则 求。 应当是：“在给定条件下测量，从交付到报 从交付到报废期间功能允许的变化，也 废的期间内，声强不大于10db”。又例如“维 可以细化；例如：交付使用后，第1年内偏 修方便”这样的需求，根据具体情况可能有 离期望值不大于期望值的1%，第2年内变化 心理方面的约束：“维修时输出的令人不愉 不大于1.5；第1次大修后完全恢复，第1 快的固体、液体、气体等于零”和成本方面 次大修后1年内变化不大于1.5，第2年内 的约束：“一次维修费用不大于产品购买价 变化不大于2，等等。 的5%”。这种情况，如果要将它们变换为功 但是“维修方便”则不能列为“质量需 能或质量都是无法处理的。 求”，这将在“约束”中讨论。 “约束”定义为性能以外，对于设计的 2特征 其他要求。与设计有关的竞争力要素显然不 这里需要讨论两方面的问题：特征的应 仅仅是性能，即功能和质量，其他的要求都 用，特征的构成与规范化。 归入“约束”。这个集合很大，也很复杂。 2.1特征的应用 这样处理，是因为现代设计理论认为性能是 既然认为功能、质量和约束是对功能需 决定产品甚至企业竞争力的长远和根本的 求、质量需求和约束需求的结构化描述，那 要素，其他要素则根据用户、时间、地区等 么究竟怎么描述？答案是用相应的特征来 条件的变化而在竞争力中占据不同的地位。 描述。特征不是全部，而是设计活动所需要 例如，价格在不同人群心目中的地位是不等 内容的局部，这种局部描述不仅要满足结构 的；环境保护虽然是强制性限制，但是它对 化的要求，便于计算机处理，同时更要有利
的表现量化并做出评估。前面已经说过，质 量是从属于功能的。 性能是竞争力诸要素中最重要的要素， 但是在性能相当的情况下，其他要素就成为 竞争的新的焦点。 “性能需求”和“性能”是不同的概念， 具有不同的用途。前者是用非结构化自然语 言表达的市场现象，来自市场考察；后者则 是对设计任务和对解决方案是否满足要求 测试的基本内容的结构化描述。性能是独立 于结构的，它不包含任何与结构或解决方案 有关的要素。文献[10]对此也进行了讨论， 那里的 FR 相当于本文中的功能，而 DP 则相 当于本文中的结构，文献[10]详细讨论了 FR 对 DP 的独立性。例如，通过消耗燃料从上 海到北京，可以选择汽车、火车或飞机。 分解性能需求，就能够得到功能需求和 质量需求。“功能需求”和“功能”，“质量 需求”和“质量”同样是两种不同的概念， 用在不同的地方。例如关于维修，非结构化 自然语言的“质量需求”可以表达为：“少 维修或免维修”；而转换为“质量”则应当 是：“功能 1-N（全部或某些主要功能，需要 具体规定）在从交付到报废的期间内偏离期 望值不大于期望值的 2%”或满足“6σ”要 求。 从交付到报废期间功能允许的变化，也 可以细化；例如：交付使用后，第 1 年内偏 离期望值不大于期望值的 1%，第 2 年内变化 不大于 1.5；第 1 次大修后完全恢复，第 1 次大修后 1 年内变化不大于 1.5，第 2 年内 变化不大于 2，等等。 但是“维修方便”则不能列为“质量需 求”，这将在“约束”中讨论。 “约束”定义为性能以外，对于设计的 其他要求。与设计有关的竞争力要素显然不 仅仅是性能，即功能和质量，其他的要求都 归入“约束”。这个集合很大，也很复杂。 这样处理，是因为现代设计理论认为性能是 决定产品甚至企业竞争力的长远和根本的 要素，其他要素则根据用户、时间、地区等 条件的变化而在竞争力中占据不同的地位。 例如，价格在不同人群心目中的地位是不等 的；环境保护虽然是强制性限制，但是它对 竞争各方基本上是公平的。人机关系友好对 于竞争力的影响很大，有人认为应当把它们 列为性能的组成部分。但是人机关系友好也 往往随人而异，如颜色或把手形状以及对噪 声的限制等等，因此需要个性化设计。个性 化设计通常不涉及设计任务的主要方面，不 涉及引入最新技术，不会在本质上影响具有 现有产品所不具备的性能的下一代产品，将 它们放在约束里面，在设计后期处理，比较 方便，不会干扰主要问题的解决。一条重要 的原则：设计中对满足约束的追求，不能以 牺牲性能为代价。 约束的内容经常容易与质量的内容混 淆，但是根据本文的定义，它们之间的界线 是很清楚的。 “约束需求”一部分来自技术，一部分 来自市场，一部分来自社会，例如：法律、 道德、文化和心理等。同样，在设计的最初 阶段，需要将约束需求变成结构化的约束， 构成设计任务空间的一个组成部分。在设计 后期，约束也是检验内容的一个组成部分， 根据各个未能满足的约束的刚性程度，确定 是否需要回溯和进行再设计。例如，关于噪 声，作为非结构化自然语言的“约束需求” 可表达为：“噪声小”；而转换为“约束”则 应当是：“在给定条件下测量，从交付到报 废的期间内，声强不大于 10 db”。又例如“维 修方便”这样的需求，根据具体情况可能有 心理方面的约束：“维修时输出的令人不愉 快的固体、液体、气体等于零”和成本方面 的约束：“一次维修费用不大于产品购买价 的 5%”。这种情况，如果要将它们变换为功 能或质量都是无法处理的。 2 特征 这里需要讨论两方面的问题：特征的应 用，特征的构成与规范化。 2.1 特征的应用 既然认为功能、质量和约束是对功能需 求、质量需求和约束需求的结构化描述，那 么究竟怎么描述？答案是用相应的特征来 描述。特征不是全部，而是设计活动所需要 内容的局部，这种局部描述不仅要满足结构 化的要求，便于计算机处理，同时更要有利 4
于分布式资源环境下的设计活动，方便特征 案？这是非常复杂的问题，现在还不能说出 信息的传递和资源集成。 肯定的意见。通常的做法，是用图和文件来 如果将特征在设计过程中的应用做一个 说明，可能是电子版的，也可能是纸质的版 粗略的分解，如图1所示，在设计过程第一 本，为了后续加工的需要，设计的图和文件， 阶段，要方便设计任务空间的形成，也就是 不仅仅是人可读的，还需要变换成数控系统 说，要方便将需求变换为任务书中的结构化 能够接受的代码。但是，不是所有电子版的 描述，即任务空间中的内容；在设计的第二 文件都是计算机可以处理的，这是两个不同 阶段，要方便可能解的搜索、联想和相关技 的概念。很多电子版的文件，在设计中最终 术的应用，设计师为获得可能解，能够直接 仍旧需要由人来理解和处理，例如，当一张 按照特征搜索合适的服务提供方并检验提 三维图中的零部件在位置上发生冲突，究竟 供的服务是否合适；当已经有一定数量的可 是改变整体方案，还是更换某个零件，或是 能解后，在第三阶段要方便对可能解的测 引入某项新技术，或是降低某一约束需求， 试、评估、优化、回溯和再设计并产生最终 以及对各种选择可能产生的后果的理解，都 解，也就是不断按照特征来反复检验各个 不是目前计算机力所能及的。 可能解及其修改方案并在需要分布式资源 性能是设计的起点和完成的标志。前者 根据市场信息，确定 哥求并选枰引入什么 意味性能是设计任务空间最 设计需妻满足什么现 新技术以实现断性能 重要的组成部分，后者意味 有产品所不能满足的 并选择米用那些已有 新的性能需求。 枝术与新枝术配套。 所选定的解决方案已经通过 、全生命周期性能散字样机决策和/或 了性能的检验。约束也具有 构造 产生 根据性能特征 产生 任务空间 可能解集合 和约束种征： 最终设计 相似的性质，它同样是设计 测试 联及 评估 任务空间的组成部分，不过 市场信惠 相关技术 优化 与性能相比，在设计的早期 回潮和再设计 阶段，权重要低一点；是否 已有知识和新知议获取 新知识花取 满足约束也是完成设计所必 第一段 第二段 一一第三较“ 须通过的检验。有的作者企 常要什么？ 如何满足？ 是否无分？ 园1设计过程（或于过程）构成及任务 图为解决方案描述制定规 环境中的服务时便于按照特征提出服务请 范，使之结构化，因此研究 求和检验所提供的服务是否已经完成。因为 结构特征、材料特征和工艺特征。这种企图 特征是设计过程自始至终需要在设计实体 产生于追求由计算机根据性能特征搜索和 和分布式的资源单元之间准确而频繁传递 匹配能够实现性能特征和其他特征从而得 到解决方案。但是本文认为，这并不是现代 的信息，必然是与互联网和计算机技术的发 设计理论和方法的任务。如果不回避人是设 展不可分割，所以列入特征的内容描述，既 要满足设计活动的需要，又要满足计算机处 计的主体，那么不论是关于整个设计，或者 理和在互联网上传递的需要，不能包含计算 是设计的片段，都可以用“联想”概括这个 过程，当然不排除在联想中尽可能使用计算 机和互联网所不能胜任的任务。现代设计是 机辅助和各种设计方法提供的工具，例如 在分布式资源环境中的设计，利用特征来驱 QFD”、TRIZ、田口、公理设计方法和 动、联系和检验分布的设计活动，可以认为 是现代设计的精髓所在) 其他相关软件。 在比较复杂的设计过程中，一个设计任 前面已经说过，性能和约束都是独立于 解决方案的，那么设计完成以后的解决方 务通常要分解成为若干子任务。不论是任务 或者是子任务，都可能要经历图1中的三个 案，如何来描述？是否也要有解决方案的特 阶段，而这三个阶段的总和，又可以看成是 征？解决方案的描述与性能和约束的描述 图2中的一个决策节点。文献[1]提出了知 是完全不同的问题。是否需要和能够建立一 识流理论，将设计中的知识流动分为四类。 个结构化的描述体系来描述设计的解决方 5
于分布式资源环境下的设计活动，方便特征 信息的传递和资源集成。 如果将特征在设计过程中的应用做一个 粗略的分解，如图 1 所示，在设计过程第一 阶段，要方便设计任务空间的形成，也就是 说，要方便将需求变换为任务书中的结构化 描述，即任务空间中的内容；在设计的第二 阶段，要方便可能解的搜索、联想和相关技 术的应用，设计师为获得可能解，能够直接 按照特征搜索合适的服务提供方并检验提 供的服务是否合适；当已经有一定数量的可 能解后，在第三阶段要方便对可能解的测 试、评估、优化、回溯和再设计并产生最终 解[1]，也就是不断按照特征来反复检验各个 可能解及其修改方案并在需要分布式资源 环境中的服务时便于按照特征提出服务请 求和检验所提供的服务是否已经完成。因为 特征是设计过程自始至终需要在设计实体 和分布式的资源单元之间准确而频繁传递 的信息，必然是与互联网和计算机技术的发 展不可分割，所以列入特征的内容描述，既 要满足设计活动的需要，又要满足计算机处 理和在互联网上传递的需要，不能包含计算 机和互联网所不能胜任的任务。现代设计是 在分布式资源环境中的设计，利用特征来驱 动、联系和检验分布的设计活动，可以认为 是现代设计的精髓所在[18]。 前面已经说过，性能和约束都是独立于 解决方案的，那么设计完成以后的解决方 案，如何来描述？是否也要有解决方案的特 征？解决方案的描述与性能和约束的描述 是完全不同的问题。是否需要和能够建立一 个结构化的描述体系来描述设计的解决方 案？这是非常复杂的问题，现在还不能说出 肯定的意见。通常的做法，是用图和文件来 说明，可能是电子版的，也可能是纸质的版 本，为了后续加工的需要，设计的图和文件， 不仅仅是人可读的，还需要变换成数控系统 能够接受的代码。但是，不是所有电子版的 文件都是计算机可以处理的，这是两个不同 的概念。很多电子版的文件，在设计中最终 仍旧需要由人来理解和处理，例如，当一张 三维图中的零部件在位置上发生冲突，究竟 是改变整体方案，还是更换某个零件，或是 引入某项新技术，或是降低某一约束需求， 以及对各种选择可能产生的后果的理解，都 不是目前计算机力所能及的。 性能是设计的起点和完成的标志。前者 意味性能是设计任务空间最 重要的组成部分，后者意味 所选定的解决方案已经通过 了性能的检验。约束也具有 相似的性质，它同样是设计 任务空间的组成部分，不过 与性能相比，在设计的早期 阶段，权重要低一点；是否 满足约束也是完成设计所必 须通过的检验。有的作者企 图为解决方案描述制定规 范，使之结构化，因此研究 结构特征、材料特征和工艺特征。这种企图 产生于追求由计算机根据性能特征搜索和 匹配能够实现性能特征和其他特征从而得 到解决方案。但是本文认为，这并不是现代 设计理论和方法的任务。如果不回避人是设 计的主体，那么不论是关于整个设计，或者 是设计的片段，都可以用“联想”概括这个 过程，当然不排除在联想中尽可能使用计算 机辅助和各种设计方法提供的工具，例如 QFD[7]、TRIZ[8]、田口[9]、公理设计[10]方法和 其他相关软件。 根据市场信息，确定 寻求并选择引入什么 设计需要满足什么现 新技术以实现新性能 有产品所不能满足的 并选择采用哪些已有 新的性能需求。 技术与新技术配套。 在比较复杂的设计过程中，一个设计任 务通常要分解成为若干子任务。不论是任务 或者是子任务，都可能要经历图 1 中的三个 阶段，而这三个阶段的总和，又可以看成是 图 2 中的一个决策节点。文献[1]提出了知 识流理论，将设计中的知识流动分为四类。 全生命周期性能数字样机 决策和/或 构造 产生 根据性能特征 产生 任务空间 可能解集合 和约束特征： 最终设计 测试 联想 及 评估 市场信息 相关技术 优化 回溯和再设计 已有知识和新知识获取 新知识获取 第一段 第二段 第三段 图 1 设计过程（或子过程）构成及任务 需要什么？ 如何满足？ 是否充分？ 5