設計綜合與溯因推理

周燕

摘要： （2017）03-0026-1

doi：1019366/jcnki1009-055X201700000

工程設計過程主要由設計綜合、設計分析、設計評價這三個核心活動構成，其中設計綜合是最能凸顯工程設計創造性特質的核心活動。本文認為，溯因推理可以用來解釋設計者設計綜合的創造性思維過程。我們嘗試在拓展的溯因推理基礎上，為設計綜合的創造性問題解決過程提供可能的常規架構，增進對工程設計創造性過程的理性理解。

一、工程設計中的綜合

工程設計活動主要體現為設計分析、設計綜合和設計評價這三個核心過程。設計分析幫助我們識別問題，形成問題結構化；設計綜合幫助我們構思和選擇設計概念；設計評價是對所獲得的設計概念進行試驗評價和方案優化的過程。下面，我們將通過綜合與分析的對比凸顯出綜合作為工程設計所特有的性質。

從設計者的角度來看，分析與綜合是工程師進行設計所必須的方法技巧，但二者的側重有所不同。工程設計的核心目的是設計出能夠滿足需要的技術系統（含裝置、工藝流程或產品）。在設計過程中，工程師需要在實踐或任務導向的狀況下展開設計活動，這意味著他們必須能夠分析、處理相應的過程和人工物。但是，對于一個合格的設計者或工程師來說，僅僅擁有分析的研究能力并不夠，他們還必須具備設計的綜合能力。在設計一個新的技術人工物的時候，他們必須能以發明、創造性的方式來連結各種要素（構件或過程），以使得其能滿足實踐上的目的—手段要求或功能要求。皮特·克勞斯（Peter Kroes）認為人工物設計首先是一項綜合而非分析的活動[1]406。科爾科（Jon Kolko）認為，在設計綜合中，設計者總是嘗試“組織、處理、刪減和篩選所收集到的資料整合成一個具融貫結構的信息架構”[2]15。

從方法論的角度來看，設計中的綜合是從合理的命題出發嘗試尋找和發現可能的解決方案，是一個尋找與發現的過程。而分析指的是根據給定的解決方案推導出真的命題，側重于給定解決方案分析其中的關系與性質。如，給定一個特定的結構，求解該結構是否能夠承受一定的載荷，這屬于設計的分析；而如何找到一個能滿足一系列要求如承載一定載荷的結構，則屬于設計的綜合。設計綜合的核心任務就是提出可能的設計概念來實現設計意圖或所蘊含的設計目標，體現出工程設計中的創造性。[3]143-147

工程研究的文獻表明，工程設計可以理解為解決問題的認知過程。20世紀以來，學者對人類認識過程和行動過程展開了許多重要的探索。研究取得的進展表明，科學的探索過程、技術的開發過程、社會的經濟管理過程以及其他許多人類活動過程，存在著一個共有的模式。簡單來說，可以歸結為：問題是什么？有什么可供選擇的方案？哪個方案是最好的？ [4]114-11720世紀60年代，貝爾電話公司工程師A·D·霍爾在《系統工程方法論》一書中，將“問題解決”的一般認識程序和決策邏輯運用到工程技術領域當中。 [5]7-15其中，他認為在獲得確定問題的情境之后，隨之而來的是需要討論怎么做的問題。要確定目標和最優系統的選擇，首先就需要系統綜合，即根據目標和標準提出一組可供選擇的方案，這一過程可以是對組成部分的設計重構，也可以是以新的方式做出創新性設計。無疑，綜合的思維過程需要高度想象力和創造力，是一個從邏輯推演到心理創造的過程。

需要澄清的是，雖然我們強調綜合是設計的獨特特征，但這并不意味著要否定分析在設計中的作用。在獲得整體設計前，運用分析的方法進行問題定義、功能細化和分解，對獲得產品理念是十分重要的。工程師只有在充分了解設計對象各個部件功能的基礎上，才能為最終設計提出各種可能的解決方案。當然，在具體的設計實踐中，分析與綜合在設計中的邊界并不總是清晰的。往往在一個設計步驟中，兩個方法都會交叉使用。但是，要凸顯出工程設計的獨特特征，顯然必須要分析綜合的方法與過程。無論是從設計者所需的技巧，方法論的角度，還是工程設計的問題解決過程來看，綜合無疑是構思設計概念，創造性解決問題的核心過程與方法。設計綜合能夠在最大程度上凸顯工程設計與科學研究不同的特質，揭示出滿足設計目的和意圖的工程設計的核心特征。

二、擴展的溯因推理

一般認為，溯因是一個提供解釋、形成假說的過程。皮爾斯對溯因給出的經典理解，[6]1931-1935使得“解釋”與溯因之間形成了密不可分的關系。在科學探究中，經常需要對令人驚奇或異常的觀察現象做出解釋，因而，皮爾斯認為科學家應當也會使用溯因進行推理。

溯因的推論形式可以表述如下：

I（經驗事實）

如果H，那么I（隱含前提）

再沒有其他假說能夠像H一樣解釋I

所以， H 可能為真 （結論）

在這一推論形式中，涉及了待解釋的經驗事實與可能的解釋性假說H。如何得到最好的解釋假說，涉及了在眾多假說中找到對經驗事實I做出最好解釋的過程。由此得到的結論，可以幫助我們有效地拓展知識。[7]528

存在著各種不同類型的溯因，但大體上可以分為選擇性溯因與創造性溯因。 [8]204-205[9]25-26前者可以從多個備選的假說中挑選出最優的解釋性假說，后者可以幫助引入新的理論模型和概念。如果說所有的推論在不同程度上都具有辯護（或推論的）和策略性（或發現的）功能，那么在舒爾茨看來在溯因中策略性功能是首要的，[8]204-205它能幫助我們在眾多可能的解釋性假設中找出可能是最好的解釋。從認識論上來看，溯因不僅僅是最佳推理解釋的辯護機制，也是一個選擇或發現的過程。

溯因在科學發現中的應用已經有較為系統的研究，在信息計算領域，溯因被用來幫助形成知識表達，而在工程設計領域，溯因的應用仍有待進一步的推進。加拿大認知科學家保羅·薩迦徳（Paul Thagard）在一篇論文中給出了技術發明的溯因推理過程。他認為技術發明與科學發現具有相同的認知過程，前者強調對令人困惑現象或事實的解釋，后者則要識別并試圖制造它，兩者都體現出溯因推理的過程。他給出了如下的溯因推理的過程：[11]143endprint

如何實現 X ？

Y 有可能實現 X

那么，我們有可能嘗試做 Y。

薩迦徳認為，可以運用諸如“如果Y則X”這樣規則來生成溯因。只是他立足于解釋的角度來理解溯因，認為技術發明主要提出側重實用性的問題答案，因而，他認為溯因對于技術發明來說并不重要。我們認為，溯因在工程設計創造性解決問題的過程中有著重要的作用，下面將對此做進一步的展開。

根據薩迦徳關于技術發明的溯因推理形式，結合科學發現中溯因推理過程，我們嘗試構造工程設計中溯因的一般推論形式：

G ：關于目的的命題（目標，任務，要求）

M 有可能滿足或實現 G （如果 M 有效）

沒有其他的手段像 M 一樣能夠滿足或實現 G

因而， M 可能是有效的

這一拓展的溯因模式與科學發現中的溯因有所不同。首先，溯因的目的并不是為現象構造解釋的假說，而是能設計或制造出產品或技術裝置，或找到工作原理，即技術方案來實現設計目的或意圖。其二，溯因的前提是目的性或規范性命題，而非描述性命題，它為問題解決或構思設計概念設置了約束。其三，M和G之間的關系取決于M能否滿足或實現G，其中既涉及如何引入滿足目的的新的設計概念，還涉及如何在可能的設計方案中選擇出能夠最有效實現目的的方法或手段。最后，基于目的—手段鏈的評價關系，我們認為這里關于M的評價標準，不是“真”而是“有效”?；谶@一推論過程，溯因可以在工程設計中發揮以下四個作用。一是支持設計的創造性“猜測”過程，幫助引入可能的新的設計概念或手段。二是為選擇最有效的方法或問題解決方案提供了多種的可能性。三是可以幫助選擇和評價設計方案。四是通過引入新的設計概念或設計方案，拓展和增加工程設計知識。

如果溯因可以分為選擇性溯因和創造性溯因，那么如何獲得實現目的G的手段或設計概念，特別是新穎的手段，可以理解為創造性溯因，而如何在眾多可能的設計方案或設計概念中做出選擇，則可以理解為選擇性溯因。認知科學關于基于模型推理（ModelBased Reasoning，MBR）的研究可以為提供更多的資源。MBR反對科學推理是基于心理邏輯以及相應形式規則的認知操作和運算，主張推理是創建和操作模型的語義過程。[11]65-66這一語義過程，依賴于一定的知識結構或內部心理模型及其所表達的知識。按照南?！葼柸靼玻∟ancy JNersessian）的觀點，科學中的MBR是通過泛化心理建模實現的，其中主要的心理建?；顒臃譃樾蜗蠼?、類比建模和模擬建模（思想實驗）。[13]5在工程設計中，創造性類比和形象表達被廣泛使用，可以作為設計者進行設計時經常運用的泛化推理模型。我們將在下文中對它們在設計綜合中的運用給出具體的分析。

三、設計綜合中的溯因推理

1969年，赫伯特·西蒙第一次提出“設計的科學”（science of design）的概念。他在《人工物的科學》一書中，嘗試通過盡量減少設計過程中的直覺判斷的成分來使設計這一學科的發展趨于合理。他寫道，“在過去，我們所了解的很多（即使不是特別多）設計及人工科學都在知識結構上呈柔性特征，注重直覺的非正式表達，有時也是菜譜式的?！盵13]76作為一種新的理解和替換，西蒙將設計的科學定義為“一個關于設計過程的領域清晰、注重分析、部分內容規范化、部分內容約定俗成的可講授的學說體系”[13]76。雖然西蒙被認為是采取了自然主義的立場來把握設計的方法，但是對于設計要形成一個系統的科學研究框架，并能夠在設計教育中向學生展示設計中的推理過程，探究設計中創造性過程的理性因素，為創造性方法論研究提供一個可能的常規構架，無疑是極為重要的。

本文認為，溯因可以揭示設計綜合創造性解決問題的認知過程，幫助我們解釋綜合的理性認知過程。

創造性提出問題解決方案是設計綜合的核心任務，這意味著它要形成新的概念，提出新的設計構想。設計中的分析雖然可以幫助我們獲得對問題或比較解決方案，但用分析的方法可以進行功能的細分并不提供問題的解決方案。而綜合則是一個尋找和發現的過程，它能夠為問題提供可能的解決方案?？肆_斯就認為有經驗的設計者通常通過問題猜想而非問題分析來進行設計。[14]76創造性解決問題的過程，意味著在概念形式上產生目標可行的方案，為每個功能找到盡可能多的實現方法，并把這些概念組合起來形成完整的概念設計，找到產品的可行性解決方案。這無疑是一個尋找和發現設計概念和問題解決方案的過程。而根據前述關于溯因功能的分析，策略性或發現性功能正是溯因的核心特征，它支持猜測的過程，所得到的設計概念并不包含在前提的范圍中，可以幫助引入新的設計概念。

溯因是問題求解理論的主要課題，這在人工智能、邏輯和認知研究中已經得到確證。認知科學和人工智能領域的研究表明，溯因是刻畫問題求解過程的一種基本推論模式。從西蒙關于問題解決過程的推論的分析可以清晰看出來：

“問題求解的過程并不是從一組命令（目標）‘推導出另一組命令（執行程序）的過程。相反，它是選擇性的試錯過程，要運用先前經驗獲得的啟發式規則。這些規則有時能成功地發現達到某些目的的行之有效的方法。如果想要給這一過程取個名字，大致上，我們可以采納皮爾斯所創造的，近來又被諾伍德·漢森（1958）所復興的那個術語，即逆向過程。不管是實證的還是規范的問題求解，此過程的本質——這里已做粗略描述——都是問題求解理論的主要課題。” [15]155

作為問題求解過程，目的或任務構成了溯因的推論起點。借助啟發式規則，可以幫助獲得可能的問題解決方案。在經歷了選擇性試錯的探索之后，就得出了能夠實現目的的有效方法或手段。最初的問題空間與新觀念形成的空間（即問題的解決），在空間上已經發生了新的變化。問題解決可能出現的區域，意味著可以為問題解決提供發散的解決空間，其中通過拋棄不適用的概念，進而得到新觀念。endprint

更為重要的是，我們認為，溯因可以看作是設計綜合的一種推論形式，為設計綜合提供可能的邏輯認知的解釋。在工程設計中，設計者會使用歸納、演繹和溯因等認識模型來進行設計。演繹推理是在已選擇的設計概念和已知的設計知識基礎上來推演設計規范和提升設計性能，可用于解釋設計分析的思維過程。歸納推論通常用來發展一般的設計規則和設計原理。此外，設計者還用歸納推理，通過試驗來評價提出的設計概念是否完全滿足初始設計意圖，因而，可用于解釋設計評價。溯因推理則可以用來推演通過何種手段來實現設計目的，選擇和確定能夠實現設計意圖的設計概念，適用于解釋設計綜合的認知過程。

綜合的思維過程就是在設計問題的范圍內應用溯因推理的過程。從理論的角度來看，綜合意味著從一般到特殊的目的推論。[16]22從實踐的角度來看，綜合可以看作是不斷提出目的性命題，進而在設計的約束下實現從目的到手段的推論過程。[3]143溯因是獲得“最好推測”的邏輯方法，它屬于非單調邏輯，中間存在跳躍。與演繹和歸納不同，發現和提出新知識、新概念是創造性溯因的核心目的。作為“什么是可能”的邏輯，無疑它可用來解釋設計綜合情境中的邏輯。設計綜合中，問題解決方案是為“做什么”（what entity）而引入的最好推測。從“做什么”到“怎么做”（how entity）的過程實際上是一個心理飛躍，“怎么做”就是方案本身，它并不作為推論的前提。換句話來說，這是一個推斷和猜測的過程，中間存在著創造性飛躍。各種問題的約束可以作為溯因的邏輯前提，而設計者的經驗和知識借助啟發式規則幫助形成溯因。這一推論形式可以表述如下：[3]143

“what” entity（目的） 設計目的

以往的經驗和知識啟發式規則

“how” entity （手段）設計概念

從該推論形式來看，設計綜合是為了實現給定的設計意圖提出某些可能的“how”entity，即設計概念。設計師借助以往的經驗和知識，運用啟發式規則，得到關于如何做的手段鏈表達。在綜合中，以往的生活經驗收集形成的新的元素與現有的元素之間組合起來，通過重構和概念連結產生出新的知識和設計方案。這里需要指出的是，設計綜合所得到的設計概念，其本身并不是問題最終的解決，仍需通過設計評價來進一步確定。

四、溯因在設計綜合中的應用

接下來我們就溯因在構思設計概念、設計方案的選擇和調適中的應用給出具體的分析。

設計綜合要提出可能的設計概念來實現設計任務。設計概念展現了問題的多個解決方案，一般表現為技術裝置的工作原理或常規構型。設計者可以用溯因生成能夠實現所需功能的可能實體，[17]582這意味著功能要求可以由某些特定的物理機制所滿足。給定具體的設計任務，設計者運用溯因的基本推論形式可表示如下：

特定設計任務：功能要求（Functional Requirements， FR）

設計的背景知識

可能的設計概念

例如，我們想要保存食物，知道如果把食物存放在低溫中則可以得到保存。這時，我們就有可能得到使用冰箱、冰柜或冰鎮的方式來保存食物。這一推論的形式如下：

特定設計任務 （given）： 保存食物

設計的背景知識（chosen）： 如果食物存放在低溫中，則可以得到保存

可能的設計概念（proposed）： 冰箱，冰柜，冰鎮

溯因還可以用來診斷并挑選出不適用的設計概念，并進一步指出相應的改善策略。在設計中，綜合是在明確定義的約束下得以開展的。違反設計約束會導致令人不滿意的設計概念，如太貴用戶買不起，或太復雜了難以進行批量生產。這時，可應用溯因來解釋為什么會出現“糟糕”的設計概念。根據相應的選擇標準被視為“糟糕”的設計概念，設計者可以選擇用溯因推理來診斷具體的缺陷并提出相應的改進。其后，通過設計分析和評價，運用演繹和歸納推論，綜合推論的最終輸出可以到進一步得確證。其一般推論形式如下：

設計問題（可觀察的）： 給出的設計概念不能滿足用戶對坐騎高度調節的需求

適用的設計知識（選擇）： 如果座位高度可以調節，那么就可以改善用戶對座椅高度的要求

可能的解釋： 座椅高度不能調節

（提出）改進： 增加高度調節機構

根據MBR的觀點，創造性類比可以幫助我們更好地理解創造性設計概念的構思。在綜合過程中，設計者可以通過重構或變異的方法，通過新的工作原理或結構關系的重組，獲得新的概念和解決方案。這是一個創造新知識和洞識的過程。如何綜合客戶需求和設計功能要求，獲得創新性的設計概念，則需要運用其他的建?；顒印Ｔ诠こ淘O計中，可以運用啟發式規則、因果圖式、形象表達、創造性類比來產生創造性的解決方案，進而在Y和X之間建立起可能的關系圖式。薩迦徳關于類比發明的溯因過程可以給我們提供借鑒，該形式的推論過程如下：[10]143

怎樣制作X？

X類似Y，Y是由Z來完成的。

所以X或許可以用類似Z的某種事物來完成。

例如，在20世紀80年代中期，某鉆石生產公司遇到了一個難題，他們需要在大鉆石有裂紋的地方進行破裂，以生產出滿足其用戶需求的產品。公司的技術人員后來發現在農業領域，使用加壓減壓爆裂的方法，即壓力變化原理，可以有效地把果肉與果核分開。技術人員認為農產品加工中果肉和果核的分開與鉆石沿裂紋進行破裂是類似的，那么這一破殼方式是否可以用來解決后者的破裂難題呢？后來他們就試著采用加壓減壓爆裂的方法，通過對壓力參數的調整和優化，成功地解決了鉆石破裂的難題。

工程師和設計者在進行工程設計時，往往會借助形象建模幫助設計。當設計者構繪設計草圖的時候，正是將粗糙的、模糊的、不明確的心理模型外部化的過程。心理模型的外部表達（設計圖或設計草圖）展現了設計者視覺與心智之間的互動。這一視覺意象的外部表達，無疑會被設計者大量地使用。當設計者用這樣的圖示表達，對設計對象進行重新構造與變異的時候，如改變、增加、刪減相鄰關系、尺寸、形狀和尺度，就為設計者提供了一種視覺理解方式。設計圖示不僅可以表達創造者的心理概念模型，而且還可以形成和塑造概念創建，有助于創造出新的設計概念或設計方案。endprint

從溯因的邏輯過程中，我們可以做進一步的推導，設計綜合可以看作是在設計問題情境下處理、組織、刪減和篩選資料進而產生信息和知識的溯因過程。如果我們把設計綜合視為一種特殊的溯因推理，那么這一過程具有如下典型特征：

第一，設計綜合的溯因推理過程具有目的導向。設計的目的或意圖引導著設計綜合活動的進行，設計者依據如何實現用戶需求尋找和選擇問題解決方案。在從問題的輸入到解決方案的輸出過程中，啟發式規則是由以往的設計知識組成的，它們主要是設計的規則。這些設計規則規定了達到目的應當怎么做，對設計概念具有約束和輔助推導的作用。

第二，設計綜合的思維過程是基于模型的溯因。一方面，從基于模型推理的角度來看，創造力發生在用一種理性方式來著手處理定義明確的問題之處，問題情境和啟發式規則為獲得創造性的設計概念設置了可能的約束。另一方面，類比建模、形象建模的活動被大量用于問題解決方案的生成與選擇過程中。

第三，在溯因推理中，從前提到結論的推論過程取決于后者是否能夠滿足或實現前者。設計綜合中溯因不同于科學發現中的溯因，主要是基于給出的假說是否能夠解釋前提，它尋求的是能夠有效滿足或實現設計目的。

五、小結

如果說綜合是設計獨有的特征，那么基于綜合視角的思維認知過程分析有利于揭示出工程設計的本質。運用溯因推理來解釋設計綜合，可以使這一創造性過程更具系統性和有效性。雖然本文認為溯因可以為設計綜合提供可能的推理架構，但這并不意味著工程設計的創造性認知過程是完全結構化和形式化的。我們更希望通過闡明這一推論過程來使設計者在設計中能夠以一種更為系統和理性的姿態進行思考。

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