面向環(huán)境的設(shè)計(jì)
——一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理論與方法

曾 勇， 張執(zhí)南

(1. 加拿大康考迪亞大學(xué) 信息工程研究所， 蒙特利爾 H3G1M8，加拿大； 2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240)

為提升設(shè)計(jì)過(guò)程效率，提高設(shè)計(jì)對(duì)象的創(chuàng)新性，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界發(fā)展了許多設(shè)計(jì)理論與方法，在不同時(shí)期有不同的研究焦點(diǎn).從早先研究系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法[1]和創(chuàng)新原理[2]，到研究設(shè)計(jì)的認(rèn)知和表達(dá)體系[3-5]，再到力圖建立描述設(shè)計(jì)的公理化理論體系[6-8]，以及大量關(guān)于設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)對(duì)象相關(guān)的方法和技術(shù)，如協(xié)同設(shè)計(jì)[9]、多學(xué)科優(yōu)化[10]、不確定性優(yōu)化[11]、設(shè)計(jì)方案綜合[12]、設(shè)計(jì)知識(shí)的表示等[13]，到如今試圖解密人類創(chuàng)造力的產(chǎn)生規(guī)律[14-17]、設(shè)計(jì)科學(xué)規(guī)律[18]、生物激勵(lì)[19]的設(shè)計(jì)以及數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)[20]等.設(shè)計(jì)研究可謂百花齊放，百家爭(zhēng)鳴.然而，受設(shè)計(jì)的認(rèn)知性、技術(shù)性和社會(huì)性特征影響，迄今尚未有統(tǒng)一和被一致認(rèn)可的設(shè)計(jì)理論.實(shí)際上，現(xiàn)有研究和工程實(shí)踐均表明，在產(chǎn)生創(chuàng)意和創(chuàng)新的過(guò)程中存在著可以遵循的共性規(guī)律，基于這種共性規(guī)律發(fā)展出新的設(shè)計(jì)理論和方法可用于科學(xué)地指導(dǎo)創(chuàng)意和創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程.本文旨在闡述面向環(huán)境的設(shè)計(jì)(EBD)的理論基礎(chǔ)、構(gòu)成要素及其使用流程，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供一種系統(tǒng)化方法.

1 EBD理論的基礎(chǔ)

EBD[7-8,21]是一種以設(shè)計(jì)遞歸邏輯為基礎(chǔ)，基于設(shè)計(jì)建模的公理化理論推導(dǎo)出的設(shè)計(jì)方法學(xué).EBD認(rèn)為設(shè)計(jì)問(wèn)題由3部分組成：① 產(chǎn)品的工作環(huán)境，包括自然、人工和人因環(huán)境；② 環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)需求；③ 環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的性能需求.結(jié)構(gòu)需求和性能需求又可以由環(huán)境分析導(dǎo)出.EBD通過(guò)環(huán)境分析、沖突識(shí)別和方案生成3個(gè)設(shè)計(jì)行為完成設(shè)計(jì).EBD中主要定義和定理如下.

定義1：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包括產(chǎn)品、環(huán)境以及它們的相互關(guān)系.

定義2：產(chǎn)品的邊界由產(chǎn)品和環(huán)境共同作用決定.邊界有結(jié)構(gòu)邊界和物理邊界兩種.

定理1：設(shè)計(jì)問(wèn)題分3個(gè)部分，即環(huán)境、結(jié)構(gòu)、性能.

定理2：設(shè)計(jì)的需求來(lái)源于環(huán)境.

定理3：在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決方案可能會(huì)改變?cè)瓉?lái)的設(shè)計(jì)問(wèn)題以及相關(guān)的設(shè)計(jì)知識(shí).

在EBD理論體系中，環(huán)境分析是獲取優(yōu)質(zhì)設(shè)計(jì)需求的來(lái)源.設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)工作中所起的作用是針對(duì)產(chǎn)品所處的環(huán)境，分析其背后隱藏的需求條件，制定草案或初步計(jì)劃.設(shè)計(jì)者必須理解并分析環(huán)境需求，從而生成相應(yīng)的解決方案，更好地為其環(huán)境服務(wù)，關(guān)系如圖1所示.

圖1 EBD理論模型Fig.1 Theoretical model of EBD

2 EBD理論的構(gòu)成要素及實(shí)施流程

圖2 EBD設(shè)計(jì)過(guò)程[8]Fig.2 Process model of EBD[8]

EBD[7-8,21]包括3個(gè)活動(dòng)：環(huán)境分析、沖突識(shí)別和解決方案生成.這3種活動(dòng)互相影響、漸進(jìn)式進(jìn)行，以生成、細(xì)化設(shè)計(jì)問(wèn)題和解決方案，如圖2所示，圖中實(shí)線表示主謂關(guān)系，虛線表示動(dòng)賓關(guān)系.

第一步為環(huán)境分析：關(guān)鍵方法是語(yǔ)言分析.通過(guò)遞歸對(duì)象模型(ROM)[21]來(lái)進(jìn)行這項(xiàng)工作.ROM包括：兩種類型的對(duì)象即對(duì)象和復(fù)合對(duì)象；任何兩個(gè)對(duì)象之間的3種關(guān)系，即連接、約束和謂詞.

第二步為沖突識(shí)別：規(guī)則1指如果一個(gè)對(duì)象有多個(gè)約束，那么任何一對(duì)對(duì)象約束之間都存在潛在的沖突；規(guī)則2指如果一個(gè)對(duì)象與其他對(duì)象有多個(gè)謂詞關(guān)系，那么在一對(duì)謂詞關(guān)系之間存在潛在的沖突；規(guī)則3指如果一個(gè)對(duì)象被另一個(gè)對(duì)象約束，那么這個(gè)關(guān)系就會(huì)被它的子對(duì)象繼承，例如，一個(gè)對(duì)象O1被另一個(gè)對(duì)象O2所限制，O1有兩個(gè)組件O11和O12，那么O11和O12被認(rèn)為受到了O2的限制.

第三步為解決方案生成：在EBD的第三階段，將選擇一組關(guān)鍵的環(huán)境沖突，通過(guò)生成一些設(shè)計(jì)解決方案來(lái)解決沖突，這一過(guò)程一直持續(xù)到?jīng)]有更多不可接受的環(huán)境沖突存在為止.環(huán)境分解是這個(gè)活動(dòng)的基礎(chǔ).

3 結(jié)語(yǔ)

利用面向環(huán)境的設(shè)計(jì)理論開(kāi)展設(shè)計(jì)可以清晰、符合邏輯地明確定義設(shè)計(jì)問(wèn)題.在繁雜環(huán)境下，EBD理論方法更容易確定設(shè)計(jì)重點(diǎn)，聚焦主要矛盾的優(yōu)先解決，因此能較快地以科學(xué)的邏輯思維分析出主要需求矛盾，從而有針對(duì)性地生成解決方案，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率相較于其他方法優(yōu)勢(shì)較為明顯.在環(huán)境明確的設(shè)計(jì)過(guò)程中，EBD能大大減少設(shè)計(jì)迭代次數(shù)、降低開(kāi)發(fā)成本；在環(huán)境復(fù)雜的情況下，EBD能簡(jiǎn)化環(huán)境條件，縮短不確定性高、效率低和進(jìn)度慢的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模糊前期.EBD理論已在多種設(shè)計(jì)及戰(zhàn)略決策中得到應(yīng)用，在生物醫(yī)學(xué)工程、特種裝備開(kāi)發(fā)等需求明確的領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景.