關于《設計科學與設計競爭力》的寫作

謝友柏

1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海，2002402.西安交通大學機械工程學院，西安，710049

導語《設計科學與設計競爭力》一書已于2018年1月由科學出版社出版,本文概括了該書寫作的背景和主要論點。通過分析指出關于設計科學的爭論是因為在“什么是設計”上未形成共識；給出了“設計”這樣一個無處不在的活動的定義，這就是：設計是為人類一切有目的活動規劃實施結果的面貌和實施路徑。討論了設計與知識的關系，著重分析了幾個迄今有代表性的設計理論，指出這些理論大多僅僅給出設計過程知識而忽視了設計構成知識，這些分析是對《設計科學與設計競爭力》一書的補充。設計本質上是知識流動、集成、競爭和進化的過程。作者指出不研究設計構成知識的流動，特別是在社會上的流動，就不可能理解由于世界急速變化對設計構成知識需求的緊迫性和復雜性，也不可能對設計過程有深入的認識，不可能面對設計中的知識供給和知識集成這兩個與設計競爭力至關重要的問題。

《設計科學與設計競爭力》這本書的寫作用了差不多5年時間，不過其中的一些基本思想和研究工作可以追溯到65年以前。書的內容是圍繞作者在“設計”這個領域65年中親歷、思考過的情景和問題展開的。中國為什么現在還不能說是一個制造強國？中國為什么現在還沒有成為一個制造強國？這是全書討論的焦點，期望能夠在讀者心中掀起研究和為解決這些問題而奮斗的激情。

筆者出生在20世紀30年代上海的中國地界，日本轟炸后移居法租界，不久租界也被占領。抗日戰爭后國民黨統治的社會腐敗和美國憲兵(戴著“MP”袖標)在馬路上的飛揚跋扈，這一切都在筆者年輕心靈上形成了不可磨滅的烙印。多么期望能夠有一個富強的國家啊！解放以后，看到了希望，但是道路并不平坦。從1958年的“大躍進”到1978年的改革開放，國人作了艱難的探索，筆者自己也在一個原子粒度上為此而奮斗一生。進交通大學(以下簡稱“交大”)學習，是因為聽說交大是“工程師的搖籃”。工程師不就是國家建設需要的嘛！記得1953年還在學“機械零件”(講授機械零件“設計”的課程名稱)的時候，外文書店到了一套蘇聯的《機械零件》權威專著，精裝16開本，上下兩冊，老師稱它是“天書”，在交大圖書館外擺攤售賣。雖然當時原版外文書并不像現在的那么貴，不過對于一個窮學生來說，仍舊不堪負擔。上午在書攤前轉了半天，下午又去轉了半天。最后想到家里有常年積累下來的舊報紙，回去賣了，加上自己省下來的零用錢，終于把書買到手。畢業以后，被分配到交大“機械原理及機械零件教研室”當教師，在長期的教學和研究工作中，經歷了從機械零件設計、機械設計、摩擦學設計、現代設計到設計科學的關于“設計”的認知上的變化，也在幾十年與眾多企業深度合作和在與社會互動中對“設計”之與國家富強的關系上有了一步一步深入的理解。雖然當初那樣艱難地籌錢買了第一套設計方面的權威著作，后來又買了許多相關的書籍，但是這些認知上的變化和理解上的深入，絕不是僅僅從讀這些書得到的。

現在有一種文風，凡是寫學術論文，總要先羅列一大批國外的論文，每篇摘上一句，不加評述，也不置可否，然后就將自己做的工作拿出來，既不與上面那些文獻關聯，也沒有與什么現實或者理論問題相關的分析，而且大多是為了投到國外期刊。據說，外國期刊的編輯部要求論文一定要顯示作者讀過他們的多少文章。不過，這樣的論文，中國人不一定能夠看到，就是看到，也不知道對自己有什么用和怎么去用。外國期刊編輯部當然不會關心所研究問題與中國的發展有沒有關系，怎么關聯，他們關心的是他們發表過的文章是否被重視和延續。用這個標準衡量，《設計科學與設計競爭力》這本書就很不夠格，在浩如瀚海的關于設計的文獻群中，沒有引用多少。《設計科學與設計競爭力》關注的是整個設計領域的發展，而不是哪一個學派或者學術觀點的論述。

對于設計科學，當前首要問題是需要一個關于“設計”的全面描述。如果在什么是設計上沒有共識或者關于設計的理解僅僅限于某一些類型的設計而排除另外的設計，那么也就不可能討論“設計科學”。工業生產大規模發展的結果是不同領域產品的設計分道揚鑣。機械領域有機械產品的“設計學”，建筑領域有建筑產品的“設計學”，……這些設計學都把設計說成是自己領域中的事，對于設計中的問題，都只研究與自己領域需求相適應的理論和方法，而不顧這些理論和方法是否能夠解決其他領域中的設計問題。

一個將自己說成是“設計界”的群體使情況變得更為復雜，因為這種說法將比他們這個群體大得多的另外許多實實在在做設計的群體排除在設計界以外，所以從一個更高的高度來認識設計非常重要，就是需要從人類一切有目的活動的組成部分來認識設計。雖然不少著作都認為設計無處不在，不過這個概念并沒有被一些研究設計科學的人接受并納入設計科學的研究。可以看到，與設計定義相關的諸多問題都一再被列舉出來，并給出各種各樣的“藥方”。例如，用對設計特點的描述來定義設計，然后在這個基礎上研究設計的并不鮮見；也有將設計說成是人類有目的活動的全部，而不顧設計本身并不能使所設計的事、物成為現實，即必須通過實施來實現期望達到的目的。設計科學無疑應該研究所有設計的基本共同規律和需要共同遵循的規則，因此一個對設計的全面認識，使得有一個討論設計各方面問題的共同基礎，是首先要解決的問題。N P SUH認為，設計不僅僅是產品設計，還有制造過程和系統(即工廠和制造單元)的設計，模擬或數字電路、通信系統和計算機硬件、軟件系統的設計，企業組織機構的設計，室內家具布置和裝飾的設計，城市政府機構以及戰略規劃的設計等等。這個理解，再加上“設計無處不在” 的認知，就可以把SUH所說的設計擴展為“一切有目的活動”的設計。設計的目的不必都與“世界”發生關系，不必如有些研究者認為設計必須是“讓世界更美好”。特別是個人活動，甚至許多活動都不一定具有競爭取勝的目的。所以《設計科學與設計競爭力》一書給出了設計的如下定義：“人類一切有目的活動都可以分為設計和實施兩個部分，設計是為實施規劃實施結果面貌和實施路徑”。當然，這個定義是可以進一步討論的。

沒有人否認設計與知識的關系，這是《設計科學與設計競爭力》一書討論的另一個重點。一些人說到設計知識，指的都是關于設計過程的知識而不是關于構成設計的知識，如果將設計知識分成設計過程知識和設計構成知識兩大類，那么前者是講怎樣做才能夠得到實施結果和路徑，后者則是構成實施結果面貌設計和實施路徑設計的素材。PAHL和BEITZ的名著《工程設計學》(1977年)被認為是設計方法的圣經，通篇講的是如何設計的知識。SUH的設計功能獨立公理和最小信息公理(1990年)講的也是如何正確設計，即FR(功能需求)和DP(設計參數)之間應該有的正確關系，然而卻沒有FR和DP本身的知識，即沒有研究什么是構成FR的DP的知識和如何得到構成FR的DP的知識，以及怎么在設計時就能夠知道相關的信息量以評價是否是最小信息量，怎么能夠得到相關的構成知識。J GERO的概念設計功能-行為-結構框架(1990年)研究了認知在設計師頭腦或者設計智能體(Agents)中形成的模型。A HATCHUEL的概念-知識理論(2003年)研究的是概念和知識在設計過程中的區分和相互轉換過程。GERO和HATCHUEL的研究雖然比較深入，概括起來也就是設計中經常采用的迭代回歸(SUH 稱其為zig-zag)過程的精細分析。這些精細分析雖然通過引入人工智能成果可用于研究智能概念設計，但這種智能設計也只限于在規劃設計過程方面而不是在得到設計構成知識方面。至此，一個很大的問題浮現出來：這些過程中的設計構成知識從哪里來？怎么來？上述這些研究所論述的設計過程缺乏如何得到設計構成知識過程的研究，對于他們強調的為創新競爭而進行的概念設計更是不可或缺的。設計師或者設計智能體都不可能生而知之，知識作為設計構成的素材，只能是從外界流入。設計過程知識當然十分重要，不懂這些知識就不知道怎么做設計，然而不知道如何得到設計構成知識，即使懂得如何設計，也只能是無米之炊。設計過程知識，除掉創意的產生過程具有共同特征以外，此后的過程都會與專業領域技術有更多的相關，更多是屬于各個領域設計學的范疇，或者可以認為是設計技術的組成部分，不過也不是沒有需要共同研究解決的問題。可以看到，上述這些研究者大多是從事物質產品設計研究的，包括SUH，雖然他認為企業組織機構和政府戰略規劃的設計也是設計。

圖1 創意的產生

創意產生對需要創新競爭的設計非常重要，所以有“創意引領設計”的口號。GERO和HATCHUEL精細分析的正是為創新競爭而設計其創意產生的過程。由于缺乏對從外界流入的設計構成知識的關注，他們的設計過程研究對創意產生的描述也就缺少了一些重要內容。圖1用一個形象的方式來說明這個過程。創意產生有三個階段：首先是從某個未能滿足的需求中尋找出關鍵問題難點，然后要搜索和遍歷所有可能得到的相關已有知識，特別是從外界流入的已有知識，第三是通過直覺和靈感產生關鍵難點解的想象，這個想象就是創意。從外界得到已有知識這個過程，是此前那些論述所未作研究的。設計以已有知識為基礎定律說的是設計不可能脫離已有知識，即使是夢也是由已有知識構成，雖然夢境是不能控制的、隨機的。創意不可能沒有外界流入的已有知識，即上述精細分析忽視的設計構成知識。未能滿足的需求通常沒有現成的已有知識解，如果有，這個需求就不是“未能滿足”的。所謂直覺和靈感的作用，是將已有知識與關鍵難點逐一比較，包括打碎已有知識取其片段重新拼接、組合形成的知識集合與關鍵難點逐一比較，產生可能解的想象。直覺和靈感可以形象化地描述為將已有知識打碎、發酵和重新編織出解的想象的過程。

有了創意，從創意到整個設計的設想，包括概念設計和詳細設計都可以歸結為知識集成，而集成的素材，如圖2所示，是設計構成知識，不可能企望全部能夠在設計師頭腦或者智能體的存儲器里面找到。設想的評價和認可，也是基于已有知識，它們包括仿真模型、試驗臺架、評價準則等等。當然，評價結果還產生了關于這些創意、設想是否能夠被接受的新知識，這些新知識將成為下一代設計的已有知識。評價、認可是設計構成知識的競爭和進化。

圖2 從創意到設計

與設計過程知識不同，如何得到和運用設計構成知識是不論什么領域都要面對的基本、共同問題，正是設計科學的研究領域。不過對于仍然專注于一個領域設計的研究者，可能覺得不需要或者很難討論這樣的基本、共同規律。這就是設計科學當前面對的困境。雖然說設計過程知識可能隨領域有不同，但它經過的歷程基本上大同小異。而設計構成知識即使在一個領域或者行業中，也隨著設計的對象而變化，不同的設計對象，需要完全不同的設計構成知識。

此前的研究是如何對待設計構成知識的？即如何解決構成設計素材的來源問題？PAHL和BEITZ的辦法是依靠工程師教育。他們認為“至關重要的是，未來的工程師不僅要懂得許多傳統科學和工程基礎(物理、化學、數學、力學、熱力學、流體力學、電子學、電工學、材料科學、機械零件等)，還要懂得許多專業領域的知識(儀器、控制、傳送技術、生產工藝、電力驅動、電子控制等)”。因此“必須在工程教育課程中包含解決設計問題的實際應用知識”。這意味著構成設計的知識素材要預先裝到設計師的腦袋里。其他著作雖然沒有正面回答這個問題，但是顯然也持相同觀點。GERO的“構建性記憶(constructive memory)”研究中雖然有對外部世界的感知和與設計期望比較的情景性(situatedness)模型，不過都是在詮釋世界(interpreted world)中進行的，是設計當時形成的素材，顯然不能包含設計構成所需要的全部素材。這些研究可能是認為，只要知道了設計過程的知識就可以了，設計構成知識是教育的事，可不予討論。能不能在培養階段往設計師腦袋里裝進這么多東西，是教育界爭論很久(至少在筆者從事教育工作的60多年中)但是無法解決的難題。因為一方面沒有一種教育體系能夠在有限的培養年限中讓未來工程師懂得包含這么多專業領域的知識，另一方面隨著知識爆炸和工業社會中物質產品生產從規模競爭向創新競爭轉變，設計需要滿足對“新”的追求，也要保證社會和諧與共同美好生活，即要同時考慮滿足物質需求、精神需求和社會需求，這些都使得我們更加無法界定什么是設計師在各個不同設計中的實際應用知識。

綜合過去的這些研究，可以進一步概括認為設計本質上是一個知識流動、集成、競爭和進化的過程。圖1和圖2中的箭頭都表示知識的流動。作為設計科學，既需要研究這個過程，更需要研究影響和決定這個過程的內外因素。內部因素的非常重要方面就是知識運用，外部因素的非常重要方面就是知識供給。在研究設計的本質以后，《設計科學與設計競爭力》一書討論了筆者提出的設計科學4個基本定律(2013年)：設計以已有知識為基礎定律，設計知識不完全性定律，設計以新知識獲取為中心定律，設計知識競爭性定律。

科學原理和定律是總結一個時代人們認識到的客觀規律，指導人們的行為。過去的研究對設計的發展作出了重要貢獻，不過應該看到此后社會又發生了突飛猛進而不能不予以考慮的變化。可以舉出一些重要的變化，如：科學技術進步使物質產品生產能力達到了前所未有的高度，全球經濟一體化和互聯網完全改變了人們關于空間和時間的概念，“新穎”和共同美好生活(特別是精神需求和社會需求)越來越成為人們追逐的潮流，“萬眾創新”離不開“萬眾設計”，精英設計正在變化成創客設計，……。這些變化使得設計所需要的知識，特別是設計構成知識，遠遠超出過去這些研究所能夠理解和認為可以不予討論的范圍。精英們無論將自己接受教育的時間怎樣擴展，即使把在娘胎里的時間也用上，都不能應付這樣的知識爆炸。而投入“萬眾創新”、“萬眾設計”的創客們，不可能都是學霸，他們即使懂得設計必須經過的過程，但是設計構成知識從哪里來？當機器人越來越多地代替人進行實施操作，那么人將做什么？用什么來貢獻社會以取得社會的回報？答案只能有一個，就是從事設計或者與設計相關的工作。當物質產品的產能過剩而不得不“去產能”以避免惡性競爭帶來資源浪費和環境污染時，社會的生產從規模競爭轉變為創新競爭，也就是要不斷(采用此前未曾用過的知識)設計出新的(能夠滿足此前未能滿足的需求)產品以代替已有產品，新產品要能夠為社會所接受(競爭取勝)，設計知識供給就不僅僅是精英們的問題，而將成為大眾的問題。括號中的三句話稱為創新三要素。

另外一個使設計構成知識復雜化的原因是，產品的概念已經泛化。除掉自娛自樂的，凡是提供給社會的事、物，都是產品。就如現在的商業廣場，其設計的功能絕不僅僅限于賣東西，還必須有美味餐飲供應、兒童游戲設施、娛樂消遣項目、文化傳承內容等等。不論是物質產品、精神產品或者社會產品的設計，都不能忽視相關的物質需求、精神需求和社會需求，而如何滿足這些需求的知識要到不同的專業、學科、行業、社團、人群、地域、民族、國家中甚至地球以外的星球上去找。這種變化是此前專注于物質產品設計的研究者們所沒有想象到的，他們關心的主要是自然科學(物質轉變規律)知識。同時，知識是動態的，昨天是新的知識，今天將會眾所周知，而明天則可能要被更新的知識所代替。這個動態絕不是GERO學術意義上的詮釋世界中的情景性，而是全球經濟一體化和基于互聯網的信息快速傳遞條件下人與人、群體與群體以及人與自然界之間相互作用的結果。2016年一個恐慌情緒在股市上的蔓延讓中國剛剛出爐的股市熔斷機制崩潰，這個關系整個國家金融市場的重大政策只運作了4天就壽終正寢。接受美國“911事件”教訓的民航客機駕駛艙門設計得牢不可摧，然而卻給予駕駛員中的壞分子以制造恐怖而無法阻擋的機會，如發生了2015年德國之翼航空公司的飛機撞山事件。

知識供給和運用是影響設計構成最重要的因素。設計本質上是知識流動、集成、競爭和進化的過程。其中，“流動”關系到設計知識的來源，“集成”和“競爭”是設計知識的運用，而知識的“進化”則是設計的產出。設計過程控制知識供給和知識運用，但是不能代替設計構成的素材。知識流動有兩個不同階段：知識在社會上的流動和知識在設計師頭腦或者設計智能體中的流動。已有設計過程研究大多集中在后一個階段的流動，而不關心前一個階段的流動，所以幾乎沒有涉及知識在社會上流動對設計競爭力影響的研究。可以認為，知識在社會上的流動對設計競爭力的影響比在頭腦中的流動影響要大得多。早在1405年，一支由260多艘海船組成的龐大船隊在鄭和帶領下，載著2萬多人，航行24萬多公里(13萬多海里)，向沿途30多個國家和地區顯示了中國造船業的強大。直到87年以后，意大利的克里斯托弗·哥倫布才帶著3艘小型的輕快帆船和87人，開始了西方國家的第一次遠航。不過后來情況發生了逆轉。到19世紀中葉，中國的制造技術已經遠遠不能與先進工業國家相比，洋槍、洋炮、洋船、洋火(火柴)、洋油(點燈的煤油)都要從國外引進。為什么早先中國的設計能夠影響世界，而數百年后中國的設計競爭力又這樣衰退？不是這數百年后中國人的頭腦不行了，而是社會制度已經不再能夠支持設計所必要的知識流動和運用。所以《設計科學與設計競爭力》一書用了很大的篇幅研究設計中的知識，特別是知識在社會上流動的形態、驅動力、阻力與設計競爭力的關系以及知識如何能夠在設計中得到高效運用。

在世紀交替前夕，美國國家科學出版社(National Academy Press)出版了兩個報告，提出一個與設計競爭相關的先進工程環境(advanced engineering environment, AEE)概念。報告明確指出，AEE系統在美國目前并不存在，報告中介紹的小規模事例都是一些壟斷企業內部的有可能支持AEE實現的單項技術，談不上是AEE。可以認為，美國有兩個特點。一個特點是很難遏制壟斷企業對最大利益的追求，這些企業在美國的政治、經濟和技術上占絕對統治地位。像洛克希德馬丁公司這些老牌企業以及后起的谷歌公司、蘋果公司、太空探索技術公司(SpaceX)等，無不拼命把世界上的精英都囊括到自己企業里，擁有精英就擁有了精英們的知識，知識流動和知識運用得以在企業內部進行，他們積累和控制著大量的已有知識，用這些知識和知識壁壘去競爭那些未來產品的設計，使壟斷企業能夠始終保證最大利潤，而不會真正認真地考慮大眾創業、萬眾創新。第二個特點是總想用計算機代替人。雖然這兩個報告都提到了要以人為中心，但由于計算機比人更容易讓壟斷資本獲得最大利潤，故實際上人類一直是在不遺余力地發展能夠代替人的計算機技術，無論什么事首先想的是用計算機，而不是考慮如何讓人更好地生活和發揮作用。這兩個特點決定了社會的貧富差別會越來越大，弱肉強食，永遠不能實現社會和諧和共同美好生活，特別是在全球范圍里。

圖3 分布式資源環境

中國的社會環境不同，國家的基本方針是建立人類命運共同體而不是壟斷利潤最大化，發展方向是國家富強、社會和諧和人們有共同美好生活，通過讓人們有獲得感而充分調動人的積極性，大眾創業，萬眾創新，向世界前沿奮起直追正越來越成為全民的奮斗目標。應該看到，由于過去太落后，在國內，雖然國有大型企業在生產規模和人才擁有方面占有優勢，但這些長期靠引進技術起家的企業原來的家底實在太薄，并不擁有多少有競爭力的知識積累；精英也不多，從當前實際情況看，能用自己擁有的知識投入產品設計競爭的精英就更少。在上述現實情況下，中國完全可以走一條不同的知識供給和高效運用的途徑，真正在一切有目的活動的設計競爭中實現以人為本。 這條途徑就是建立一個分布式的設計知識資源環境，與AEE有若干原則上的不同。其基本思想是，在市場競爭的規則下建立大量的、細分和專業化的、以人為中心的、基于互聯網的設計知識服務單元，分布式資源環境的結構如圖3所示。設計知識服務基本上可以分為4類：①行業系統集成知識服務，提供將一個創意(自己的或者委托方的)變成設計方案的服務，也就是知識集成服務，是最大的知識的消費方;②零部件設計知識服務，通常是一個較小系統的知識集成(一般并不必須從創意開始)，是設計構成知識的提供方，同時也是知識的消費方，沒有人能夠擁有解決一切問題的知識;③學科行為分析知識服務，提供的是對一個設計方案是否可行的評價服務，并提供獲取到的相關的新知識，常用手段是數字仿真、臺架試驗或者社會調查，是設計決策知識的提供方，同樣也必然是知識消費方;④設計知識服務的中介服務，提供基于互聯網的平臺服務，是設計知識服務的保證方，雖然也可能提供知識或者消費知識，但是這些不是平臺的核心業務。設計知識服務通常要具有3個組成要素，其一是以人為中心的設計知識資源，當然并不排除其中包括能夠輔助設計的智能體；其二是知識積累，也就是要有一個知識庫，沒有知識，就談不上資源，也談不上智能；其三是要有通過互聯網提供服務或者消費服務的界面。分布式資源環境思想的核心是以人為中心細分和專業化，服務單元既可以是很小的獨立經營的團隊，資源的擁有者、經營者和資源的運行者統一，體現大眾創業、萬眾創新；也可以是大企業中細分和專業化的團隊，資源的擁有者與資源的經營者、運行者分離。這些企業不必以生產產品參與市場競爭，當產能發展到高于消費需要時，殊死的產品競爭只能是浪費子孫后代的自然資源和污染社會，只有良好的設計知識供給和知識高效運用，才能夠推動真正的創新競爭，才能夠有利于建立人類共同美好的和諧社會。社會上不應該只有生產產品的企業，也需要有提供設計知識服務的企業。雖然服務是一種社會產品，不過它們不是生產知識，而是提供知識。

《設計科學與設計競爭力》一書提出了這些思想，然而實現這些思想并不是容易的事。傳統觀念、慣性思維和既得利益者會設置重重障礙來阻止理想的實現，不過只要是正確的思想，相信總有一天會被人們接受，星星之火可以燎原。