最火设计方法学的发展与应用酸性染料驻马店合金钢负载均衡相机

设计方法学的发展与应用

摘 要：设计方法学经历了直觉设计、经验设计、半理论半经验设计和现代设计阶段，已成为了一门以设计产品为目标的综合性科学。本文回顾了设计方法学的发展历程，介绍了二种目前应用较广泛的设计方法及理论，并总结达三种方法在应用中的优点和不足。

设计方法学是研究产品设计的过程、规律及设计中思维和工作方法的一门综合性学科。1962年9月在英国伦敦召开的国际设计方法会议被认为是设计方法学作为一个研究领域的开始。若以这个时间点为界，可将设计方法划分为传统设计方法和现代设计方法。传统设计方法是一种经历了直觉设计、经验设计、半理论半经验设计3个发展阶段，并于20世纪50年代后期形成的至今仍被广泛采用的设计方法。而现代设计方法是具有程式性、创造性、系统性、优化性、综合性以及能与CAD结合等特点的科学方法。本文回顾了设计方法学的发展历程，并介绍了三种目前较为成熟的设计方法及理论，以及各自在应用中的优点和不足。

1、发展回顾

（1）传统设计阶段

设计方法学的发展应从古代几类发明工具开始算起，早在中国的先秦时期就有记录机械设计方法与

思想的著作。在工业化时代之前，设计依靠的是直觉和经验。如早期的制陶者根据经验与构思直接操

作黏土，做出所需要形状的陶器，并设有事先绘制陶器的形状，经验来自师傅对徒弟的培训及徒弟自身实践的积累。在工业化开始后，设计方法学进入了半理论半经验设计阶段。这一时期的代表有：

F．Redtenbacher提出的机械设计基本原则，可认为是最早的机械设计理论基础；A．Erkens提出了今天意义上的方法学关点；H．Wögerbauer的责献被认为是方法学设计的起点；以及C．Bach A．Riedler、F．Röt scher、K．Laudien和R．Franke等。

安装传感器的架体结构公道（2）现代设计阶段

20世纪60年代初，国际市场竞争日趋激化，为了在市场中占有一席之地，一些工业发达国家大力开

展设计理论与方法学研究。1962年9月，在英国伦敦召开的国际设计方法会议(The Conference on

Design Methods)被认为是设计方法学作为一个研究领域的开始。经过德国、英国、美国、日本、苏联

等国学者的探索、研究和实践，已形成具有程式性、创造性、系统性、优化性、综合性以及能与CAD结合等特点的科学方法。它与传统设计存在着继承一共存一突破的关系。

(1.)德国概况

德国学者F．Kesselring、G．Niemann和 A．Leyer等，是现代设计方法的先行者。之后德国工科大

学的教授F．Hansen、J．Muller、w．G．Rodenacker、K．Roth、K．Kol ler、R．Wgcht ler、G．Pahl、w．Beitz、K．Ehrlenspiel等几开始了一场全力以赴的方法开发。其中，Rodenacker是世界上第一个被任命为从事设计方法学研究的正教授。Pahl和Beitz的系统化设计方法和Grabowski的泛设计理论(Universal De sign Theory，UDT)“…，是德国设计方法学的代表。

(2.)英国概况

英国成立了多个机构组织来促进设计方法学的发展，如组建工1944年的“工业设计委员会”(1972

年，更名为“设计委员会”一DeSign Council)，1966年成立了“设计研究学会”(Design Research Society)，1994年组建了“工程与物理科学研究委员会”(Engineering and Physical Sciences Reseai—chCouncil)等。英国设计方法发展的转折点是1963年Fialden的报告，而J.c．Jones于1970年出版的《设计方法(Design Methods)》被认为是英国“设计方法运动”的代表作。

(3.)美国概况

美国在创造性开发和计算机技术应用方面的工作特别突出：1952年，美国麻省理工学院提供

了第一台数控铣床；1965年，I．Sutherland研制了第一个计算机辅助设计(CAD)系统一一sketchpad；

20世纪70年代，H．A．Simon的研究工作产生了一个全新的领域一一人工智能(Art ificial

Intelligence)。这一时期美国的几个组织机构，美国国家科学基金委员会(NSF)、美国国家研究委员会(NRC)和美国机械工程师协会(ASME)，指导推动了美国设计方法领域的发展。美国80年代后期提出的“并行工程”和N．P．Suh提出的“公理设计”如今以得到广泛应用。

(4.)日本概况

日本研究设计方法学具有标志性意义的起点也是1965年，这一时期许多外国文献介绍到了日本，其

中对日本冲击最人的是美国的自动化设计和CAD技术。重要成果有：东京大学K．Hongo出版了设计出了理论丛书；N．Okino、Y．Kakazu、H．Kubo等人开发的TIPS—I和Ⅱ系统：T．Mirune开发的订货自动整台电动机设计的系统——order Entry System。日本也在这一时期产生了几个重要的设计理论：ShigeruMizuno和Yoji Akao提出的 质量功能配置”(QualitY Function Deployment，QFD)：Yoshikawa提出的“通用设计理论”(General Design Theory，GDT)：Geniehi Taguchi提出的口田方法(Taguchi Methods)。

(5.)其他国家

苏联的G．S．Alt shuler自1946年开始，分析研究世界各国二百万件专利的基础上提出了“发明问题解决论”(Theory of Inventive Problems Solving)。瑞士V．Hubka于 1967年组织了第一次“国际工程设计会议”(International Conferences on Engineering Design，ICED)，并于70年代和丹麦M．M．Andreasen、加拿大W．E．Eder发起成立了“欧洲设计研究组织”(Workshop Design—

Konstruktion，WDK)，该组织为“设计协会”(Des我国的出口遭到国外市场的严重影响ign Society)。

2、主要设计方法及理论简述

设计方法及理论涉及的领域很广泛，世界务国学者的研究侧重点也不堪一致，而且不同学者对设计

内涵有不同的认识，因此很难对其进行准确的分类。在各国学者的努力下，设计方法及理论的研究已取得丰硕的成果，下面介绍几种主要的设计方法及理论。

（1）系统化设计方法(德国设计方法学)

系统化设计方法是将设计对象看作一个系统，用系统工程进行分析和综合，按设计进程有条理有步

骤地进行设计，以求得价值优化的最佳方案的一种方法。Pahl和Beitz的设计方法是该领域的典型代

表，他们在总结前人的基础上结合自身经验，从方法论的高度全面分析设计过程，提出了一整套较完整的设计方法学说。两人于1976年出版了《工程设计学(Konstruktionslehre)》第一版，该书此后经过

多次修订，目前已被翻译成八种语音，该书是目前国际上影响最大、最有实用价值的一本设计学著作，并收入德国工程师协会标准VDI2221。 系统化设计方法是一种体系较完整的设计方法，它设计过程主要分为四个阶段：明确任务、概念设计、具体化设计和详细设计。每个阶段都制定了详细的步骤，要求设计人员按照这些步骤进行设计。特别是概念设计阶段，能够产生大量的理论方案。其步骤可分为：第一步，对设计要求进行抽象化并使用黑箱法得出设计任务的总功能；第二步，依据设计要求表的信息对总功能进行分解并建立功能结构；第螺丝刀三步，运用创造技法和设计目录对分功能进行求解；第四步，运用形态学矩阵组合作用原理(似如，分功能F1有m1个作用原理，分功能Fz m2，…，Fm有mn则完整组合后可得N=m1×m2×…×mn个理论方案牵引拖车)；第五步，依据设计目标选择合适的设计方案进入具体化设计阶段。

德国设计方法学于20世纪80年代中期开始引入我国，世至今该方法的普及推广并不理想。笔者认为

主要原因在于方法中并逐一分析弹力和磨擦力；最后再分析其它场力的总功能分析与分解，主要依赖设计者的抽象能力、分析判断和经验，仍属于感性过程，一般的设计人员很难上手。其次，国内的基于知识库的设计目录的资源不足，也是原因之一

（2）公理设计方法…。…

公理设计是N．P．Suh教授工20世纪?0年代中期提出的一种设计决策方法，但公理设计(Axiomatic

Design)一词是在他的《(The Principles of Design》专著中正式提出的，Suh 于2001年出版的《公理设

计一发展与应用(Axiomatic Design--Advanced and Application)》专著中系统地介绍了公理设计方法，该书于2004年由谢友柏等翻译成中文。如图1所示，左边的域相对右边的域表示“我们要达到什么”，

而右边的域则表示解决，即“我们建议如何去满足左边域规定的需求”。特别是在功能域与物理域之间的

“Z”形映射，前先从最上层的功能需求(FR)在物理域中寻求能满足需求的设计参数(DP)，然后又依

据得到的DP返回功能域中对FR进行分解，如分解成FR1、FR2和FR3，再将第二层次的FR1、FR2和FR3向是测定变形的安装物理域映射并在上层DP的基础上分解得到DP1、DP2和 DP3，来满足对应的功能需求，如此直至所有分支都到达最终状态。在每一个层次分解中写下设计方程——{FR}=[A]{DP}，并依据独立公理分析设计矩阵[A]，判断这一层次的求解是否做出了正确决策。信息公理用于从多个满足独立公理的方案中筛选出最佳设计。

该理论通过为设计师提供一个基于逻辑和理性思维过程及工具的理论基础术改进设计活动。它可以

应用于所有的设计：产品、过程、系统、软件、组织机构、材料和商业计划。其优点或最有应用价值的是在概念设计时，通过“z”形映射、独立公理和信息公理判断每一层次的设计是否达到最佳效果。但

在使用中比较依赖设计者的经验，从用户域到功能域的映射，若不借助其他设计方法，设计人员只能凭经验术定义功能域中的总功能；同样在分解FRs和DPs时较高层次上的FRs和DPs只能是设计人员的主观描述，而不是具体的设计参数。

（3 ）TRIZ理论

TRIZ是俄文“Teorijz Rezhenija Izobretatel’skich Zadach”的词头，意思是发明问题解决理锡林浩特论

(Theory of the Solution of Inventive Problems)。该理论是苏联专家G．S．Altshuller及其领导的

团队，自1946年开始花费1500人／年在分析研究世界务国专利(根撼“Ideation Internat ional Inc”

公布的消息称目前已累计300万件)的基础上所提出的发叫问题解决理论。该理论的基础是：技术系统、创新级别、产品进化理论、物质一场(substance—field)分析、76种标准解(TRIZ Standgrd Techniques)、效应、冲突解决原理、发明问题解决算法(A1gorithm Inventive—Problem Solving，AEIZ)。TRIZ理论自20世纪90年代初，随着苏联解体一批科学家整居海外，TRIZ开始在国际设计领域产生重大影响。

该理论的核心是解决冲突，使用过程是设计人员应用TRIZ工具对待解决问题进行分析，并从冲突矩

阵给出的发叫原理中获得解决问题的思路和途径。该理论易学易用，有助工设计人员在解决设计中的冲突问题时的创新。但是，若将该理论及方法作为一种设计方法，体系尚不完整，而将其定义为“发明问题解决理论”，笔者亦认为值得商榷。

3、结束语

设计方法学作为研究产品设计规律、设计程序及设计中思维和工作方法的门综合性学科，对开发新产品、改造旧产品和提高产品的市场竞争能力有着重要的推动或促进作用。但是，对设计进程及结

果起决定性作用的仍是设计人员的主观性。如系统化设计方法，对分功能求解时，从物理效应具体转化为作用原理，这一抽象到具体的过程供水器还要依靠设计人员的经验；在公理设计中，域之间的映射也需要设计人员的经验；TRIZ理论中，对获得的原理解转化成具体的设计方案时也依赖设计人员的经验。所以必须叫确设计方法及理论在设计中的位置，它们只能作为设计过程中引导设计人员进行开发与创新的辅助工具。基于此观点，笔者认为任何一种设计方法，只能称之为有益工创新、创造的方法，而不能将其定义为发明、创造或创新的方法。当然，不同设计方法及理论在设计的各个阶段对设计人员经验的依赖程度是不同的，将数种设计方法及理论有机结合、取长补短，以达到降低设计对设计人员经验的依赖程度，是设计方法学发展的一个趋势。