产品设计理论与方法研究的现状和展望*

□ 李军宁 □ 张菲菲 □ 陈 渭 □ 谢友柏

1.西安工业大学 机电工程学院 西安 710032

2.西安交通大学 现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室 西安 710049

3.西安工程大学 机电工程学院 西安 710048

机电信息

产品设计理论与方法研究的现状和展望*

□ 李军宁1，2□ 张菲菲3□ 陈 渭2□ 谢友柏2

1.西安工业大学 机电工程学院 西安 710032

2.西安交通大学 现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室 西安 710049

3.西安工程大学 机电工程学院 西安 710048

对当前国内外典型产品设计理论与方法进行了梳理，将其粗分为通用性设计理论与方法及专用性设计理论与方法两大类并分别加以详细论述，分析了其优缺点。对产品设计理论与方法的未来研究方向进行了展望，认为应从方法与知识两个角度共同出发进行设计理论与方法的系统化研究，在此基础上提出了对于产品设计理论与方法研究的一些思考。

设计理论 研究现状 创新 新知识获取

“设计”是人类活动一个十分重要的内容，它所涵盖的范畴和由之而产生的各种各样的理论，都有着悠久的发展历史过程。自从人类以制造工具而区别于其他动物时，人就开始设计。产品设计理论与方法作为实现创新目标的科学途径，是一个不断发展的研究领域，先后形成了诸多学派，其中代表性的有Suh的公理设计理论、Akao的质量功能配置理论、Pahl的普适设计理论、Altschuller为首提出的发明问题解决理论（TRIZ）等。此外，近年来针对复杂机械系统提出的协同设计、模块化设计、可靠性设计等理论与方法也引起大量研究者进行相关的研究。

在设计学发展过程中形成的这些理论与方法，许多不可避免加上了不同研究者对表达研究意图和研究结果的感情色彩。为了更清晰地跟踪产品设计学的发展过程，以及深刻理解产品设计学的发展规律，笔者对其进行了梳理，将其初步分为：通用性设计理论与方法及专用性设计理论与方法。通用性设计理论主要是从系统工程角度对设计行为及其过程进行研究，大都侧重于设计的系统层次；而专用性设计理论主要是针对不同设计对象及过程在实际设计中所存在的具体问题进行研究，具有较强的针对性。

1 产品设计理论与方法研究概述

1.1 通用性设计理论与方法

1.1.1 公理设计理论（AD）

美国麻省理工学院 Suh［1］认为，在设计学中存在着若干公理，其控制着设计活动的许多方面，遵循这些公理和由之推导产生的定理及推理，在设计中就能够进行理性思维并导向正确的结果，由此，他提出了公理设计理论，该理论主要内容包括用户域、功能域、物理域、过程域等4个域和独立性公理、信息公理等2个公理。如图1所示，图中4个域中的参数间存在映射关系，在相邻域之间进行映射时，设计解的确定需要符合独立性原理，若存在多个设计解均符合独立性原理时，则需遵循信息公理进行设计解的优选。

▲图1 设计中的域及其映射关系

1.1.2 质量功能配置理论（QFD）

日本学者Akao［2］提出了QFD的概念，是一种将顾客或市场的要求转化为设计要求、零部件特性、工艺要求、生产要求的多层次演绎分析方法。QFD通过质量屋将顾客需求展开成工程特性，并确定工程特性目标值，从而获取顾客需求进行有针对性设计，以提高设计的质量与效率［3］。在质量屋的决策过程中，工程特性目标值是一个复杂的多变量，其确定是一个多目标决策过程。为了综合考虑工程特性间的相关性对工程特性目标值和开发成本的影响，权衡并优化质量屋中的各种矛盾和冲突以获得全局最优解，陈以增等［4］建立了一个基于质量屋的优化决策模型，使所设计的产品在有限的资源约束下，能最大限度地满足顾客需求。

1.1.3 普适设计理论

德国科学家Pahl［5］提出了普适设计理论，通过总结优秀设计过程中的经验知识并基于系统工程理论，研究了工程设计的一般模式，这一模式称为普适设计方法学。普适设计理论创建了工程设计人员针对每一设计阶段所应进行的包含策略、规则、原理在内的工作计划，因而针对工程设计形成了较为完整的设计过程模型，降低了设计过程的复杂性。普适设计方法在德国得到了发展和完善，随后在全世界范围内得到了一定的推广与应用。

1.1.4 产品7D设计总体规划理论

东北大学闻邦椿［6］提出了一种面向工程产品广义质量的“动态优化、智能优化和可视优化”的三化现代机械综合设计法，继而在三化现代机械综合设计法的基础上，提出了1+3+X综合设计法；尔后，闻邦椿又提出了基于系统工程的产品7D设计总体规划理论，建立了产品设计7D总体规划理论体系，该体系从产品设计思想、环境、过程、目标、内容、方法及质量检验7个方面对产品设计中的规划、实施、检验阶段进行了系统规划［7］。

1.1.5 现代设计理论

制造业的竞争在很大程度上已经转为设计的竞争，而设计竞争则在很大程度上是引入新技术使产品具有新性能的竞争，支持竞争的基础是知识和新知识获取能力。随着经济的发展和社会分工的细化，企业仅仅依靠自身的力量不可能完全解决研发过程中遇到的难题，需要利用企业以外的知识资源合作完成研发任务。另一方面，各科研单位及其他知识资源拥有者，也存在很多可用的知识资源由于种种原因被 “闲置”，两者之间存在一定的“代沟”。据此谢友柏提出了现代设计理论与方法研究体系，如图2所示，主要由理论基础、应用技术及支撑环境三部分组成，通过理论、方法、工具的集成研究，为设计竞争取胜而服务。谢友柏［8-10］团队针对上述几个方面均开展了一系列的研究工作 。

▲图2 现代设计理论与方法体系框架

1.2 专用性设计理论与方法

1.2.1 发明问题解决理论（TRIZ）

TRIZ是前苏联Altschuller［11］所提出的，他通过对世界高水平发明专利（累计250万件）的几十年分析研究，基于辩证唯物主义和系统论思想，提出了有关发明问题的基本理论。TRIZ理论主要体系包括：8大技术系统进化法则；最终理想解（IFR）理论；TRIZ的40个发明原理；TRIZ的39个通用参数及阿奇舒勒矛盾矩阵；物理矛盾和四大分离原理；物-场模型分析；发明问题的标准解法；发明问题标准算法（ARIZ）；科学效应和现象知识库［12］。

1.2.2 大批量定制的设计技术

Tseng［13］提出了大批量定制设计的概念，其定义为基于并行流程针对产品族进行设计工作，以有效满足客户的需求。该设计方法的目标在于工程设计的前期阶段，在进行整体概念设计时也考虑设计范围及批量的经济性，重点在于针对产品族结构进行面向产品族设计，并且需要有效获取用户的个性化需求，并将设计过程有效扩展至面向产品全过程的集成设计，通过在产品设计过程中增加标准零件、模块和易定制的零部件所占比例，以提高设计效率并有效降低成本。

浙江大学谭建荣［14］面向国家重大需求，结合国产重要装备和国内企业的特点，提出了多品种大批量定制设计技术、多性能数字化样机设计技术和多参数分析与匹配设计技术，形成了信息化的数字化设计制造系统，实现大批量定制的高效率低成本设计制造，为解决设计个性化与低成本之间的矛盾提供了技术支撑。

1.2.3 协同设计

协同设计是指为了完成某一设计目标，由两个或两个以上设计主体，通过一定的信息交换和相互协同机制，分别从不同的设计任务出发共同完成这一设计目标。协同设计的核心是并行工程的运行形式，并行工程要求在产品的设计初始阶段便尽量计及产品生命周期等各种因素的影响，对产品设计进行多方面评价，以优化产品性能并尽量消除产品的隐患。为了提高设计效率与质量，客观上需要围绕产品全生命周期的部门内及部门间的专家进行有效的协同工作，围绕产品设计任务，将产品设计阶段、工艺、制造、质量等后续工序，通过专家对其进行有效的协调与协同工作，从多视角出发对产品的设计方案进行修改与完善。协同设计是研究地理上分布的计算机与网络支持环境团队成员之间的协调与信息共享，以及从社会-技术层面来研究多利益方的决策模型［15，16］。

1.2.4 模块化设计

模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，将产品划分为有机联系的功能模块，基于功能模块的有效组合，形成针对个性化顾客需求的产品，从而满足市场的产品需求。将产品绿色设计思想和模块化设计方法进行有效的结合，能够同时符合产品的环境、功能需求。通过两者的结合并应用到产品设计之中，能够有效缩短产品开发周期，提升产品的质量，以应对急速变化的市场环境，此外也可提高产品的环境友好性［17，18］。

1.2.5 可靠性设计

机械可靠性设计的基本任务是在故障物理学研究的基础上，结合可靠性试验以及故障数据的统计分析，提供实际计算的数学力学模型、方法及实践［19］。把传统设计中涉及的变量均当作随机变量来处理，用概率统计方法进行设计计算，得出更符合实际的设计结果。可靠性设计过程包含方案的设计、对比和评价，有时也包含可靠性试验、研发过程质量控制设计和采用维护规程的设计等工作。东北大学张义民等［20］基于现代数学力学理论，提出了广义随机有限元法及广义随机摄动法等方法，在此基础上，研究提出了机械产品可靠性设计、动态可靠性设计、可靠性优化设计、可靠性灵敏度设计及可靠性稳健设计方法，并开发了用于进行机械可靠性设计的软件程序库，以提高可靠性分析的效率。

2 产品设计相关研究对比分析

以上研究基于不同侧重点与工作原理对产品设计理论及方法进行了研究，对于提高产品设计质量与效率具有重要意义。但由于各种设计理论与方法自身的局限性，已有的研究也存在一些问题需要更深入的研究，具体问题如下。

①公理设计基于对成功设计实例的深入分析，提炼出了好的设计所应遵守的独立公理和信息公理准则，但还需要对怎样有效获得好的设计及其所需的知识进行研究。

②QFD提出了一种有效获取用户需求并集成到产品生产及其质量控制的具体措施中的方法，但尚未涉及引入新知识以满足新需求的系统集成设计的方法。顾客感知是通过市场调研获得的，一旦市场调研不准确，其后的所有分析结果可能全部出错，且顾客的想法和需求瞬息万变，难于精确把握，更增加了顾客需求获取的难度。作为一项综合管理系统和结构化的质量控制方法，要顺应如此快速的市场变化比较复杂。

③普适设计理论是优秀设计过程所积累经验的总结，给出了合理的设计进程及设计各阶段的工作方法。在基于垂直式智力资源结构的设计中，该理论提供的经验曾经发挥很大作用，但难于解决水平式智力资源结构下设计带来的新问题。

④TRIZ是在广泛研究发明专利基础上提出的一系列发明问题解决原理，为设计中解决技术冲突提供思路和案例，但并不是所有的设计知识都可以从专利中获取与集成，设计中所需获取的知识类型及其数量具有多样性。

⑤协同设计主要集中于已有资源如何在产品设计中协同工作，假设企业内、外资源已经存在并能够合格地工作，其缺乏对资源单元本身的研究。

⑥模块化设计主要关注的是结构和功能集成，而不是知识的集成，在当前分布式资源环境下，愈演愈烈的新产品竞争实质上是获取新知识能力的竞争。

⑦可靠性设计更多的是关注已有知识的优化问题，并非从知识的角度研究如何获取新知识以提高产品的创新性与竞争力。

上述研究大多是在默认设计知识已经存在的前提下针对产品设计进行的研究，而设计中还有一个重要方面便是以获取新知识为中心。产品设计尤其是创新设计大多侧重于采用此前尚未用过的知识以提高产品的性能与竞争力，在此过程中，许多相关的设计知识是未知的，也是需要进行获取的，设计成功的关键正是在于通过各种方法与工具最大效率地获取新知识，并通过与设计的集成以提高设计的效率与质量。

3 产品设计理论与方法的未来研究方向展望

在不同历史时期，产品设计理论与方法被赋予了不同的“色彩”，具有鲜明的时代特征。随着网络时代的到来，我国制造业企业普遍面临着广义设计知识的海量增长与可用有效知识之间的矛盾、设计竞争的剧烈化及设计资源结构的水平化发展等问题，促使研究者从设计的本质出发，对设计理论与方法进行重新认识与研究。未来应从设计方法及其知识获取两方面展开系统化研究，通过知识获取及其与设计过程的有效集成，以期能够提升我国产品创新设计的效率与质量。笔者提出关于未来产品现代设计理论与方法研究的一点思考如下。

①各种设计理论与方法的有机融合研究；

②分布式资源环境下设计理论支撑方法及工具的研究；

③设计知识及其知识服务研究；

④产品全生命周期设计研究及其实现方法的深化与具体化；

⑤多利益方协调机制与信任的研究。

4 结束语

笔者对当前国内外各种主流设计理论与方法进行了梳理，重点对通用性设计理论与方法中的公理设计理论、质量功能配置理论、普适设计、现代设计理论及专用性设计理论中发明问题解决理论、协同设计、模块化设计、可靠性设计理论与方法进行了论述，并分析了其优缺点。对产品设计理论与方法未来研究方向进行了展望，认为应从方法与知识两个角度共同出发进行研究，在此基础上提出了一些思考以供探讨。

［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］陈以增，唐家福，侯荣涛，等.基于质量屋的产品设计过程［J］.计算机集成制造系统，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］闻邦椿，周知乘，韩清凯，等．现代机械产品设计在新产品开发中的重要作用［J］．机械工程学报，2003，39（10）：43-52．

［7］荆洪英，张利，闻邦椿．产品设计理论与方法研究综述［J］．机械科学与技术，2009（8）：999-1004．

［8］谢友柏.现代设计与知识获取［J］.中国机械工程，1996，7（6）：36-41.

［9］谢友柏.现代设计理论和方法的研究 ［J］.机械工程学报，2004，40（4）：1-9.

［10］谢友柏.现代设计理论中的若干基本概念［J］.机械工程学报，2007，43（11）：7-16.

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

［12］檀润华.创新设计：TRIZ发明问题解决理论［M］.北京：机械工业出版社，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］谭建荣，李涛，戴若夷．支持大批量定制的产品配置设计系统的研究［J］．计算机辅助设计与图形学学报，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］唐涛，刘志峰，刘光复，等．绿色模块化设计方法研究［J］.机械工程学报，2003，39（11）：149-154.

［19］何国伟.可靠性设计［M］.北京：机械工业出版社，1993.

［20］张义民.机械可靠性设计的内涵与递进［J］.机械工程学报，2010，46（14）：167-188.

（编辑 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

*国家自然科学基金资助项目（编号：50935004，51175409）

2014年8月