关于《设计科学与设计竞争力》的写作

谢友柏

1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海，2002402.西安交通大学机械工程学院，西安，710049

导语《设计科学与设计竞争力》一书已于2018年1月由科学出版社出版,本文概括了该书写作的背景和主要论点。通过分析指出关于设计科学的争论是因为在“什么是设计”上未形成共识；给出了“设计”这样一个无处不在的活动的定义，这就是：设计是为人类一切有目的活动规划实施结果的面貌和实施路径。讨论了设计与知识的关系，着重分析了几个迄今有代表性的设计理论，指出这些理论大多仅仅给出设计过程知识而忽视了设计构成知识，这些分析是对《设计科学与设计竞争力》一书的补充。设计本质上是知识流动、集成、竞争和进化的过程。作者指出不研究设计构成知识的流动，特别是在社会上的流动，就不可能理解由于世界急速变化对设计构成知识需求的紧迫性和复杂性，也不可能对设计过程有深入的认识，不可能面对设计中的知识供给和知识集成这两个与设计竞争力至关重要的问题。

《设计科学与设计竞争力》这本书的写作用了差不多5年时间，不过其中的一些基本思想和研究工作可以追溯到65年以前。书的内容是围绕作者在“设计”这个领域65年中亲历、思考过的情景和问题展开的。中国为什么现在还不能说是一个制造强国？中国为什么现在还没有成为一个制造强国？这是全书讨论的焦点，期望能够在读者心中掀起研究和为解决这些问题而奋斗的激情。

笔者出生在20世纪30年代上海的中国地界，日本轰炸后移居法租界，不久租界也被占领。抗日战争后国民党统治的社会腐败和美国宪兵(戴着“MP”袖标)在马路上的飞扬跋扈，这一切都在笔者年轻心灵上形成了不可磨灭的烙印。多么期望能够有一个富强的国家啊！解放以后，看到了希望，但是道路并不平坦。从1958年的“大跃进”到1978年的改革开放，国人作了艰难的探索，笔者自己也在一个原子粒度上为此而奋斗一生。进交通大学(以下简称“交大”)学习，是因为听说交大是“工程师的摇篮”。工程师不就是国家建设需要的嘛！记得1953年还在学“机械零件”(讲授机械零件“设计”的课程名称)的时候，外文书店到了一套苏联的《机械零件》权威专著，精装16开本，上下两册，老师称它是“天书”，在交大图书馆外摆摊售卖。虽然当时原版外文书并不像现在的那么贵，不过对于一个穷学生来说，仍旧不堪负担。上午在书摊前转了半天，下午又去转了半天。最后想到家里有常年积累下来的旧报纸，回去卖了，加上自己省下来的零用钱，终于把书买到手。毕业以后，被分配到交大“机械原理及机械零件教研室”当教师，在长期的教学和研究工作中，经历了从机械零件设计、机械设计、摩擦学设计、现代设计到设计科学的关于“设计”的认知上的变化，也在几十年与众多企业深度合作和在与社会互动中对“设计”之与国家富强的关系上有了一步一步深入的理解。虽然当初那样艰难地筹钱买了第一套设计方面的权威著作，后来又买了许多相关的书籍，但是这些认知上的变化和理解上的深入，绝不是仅仅从读这些书得到的。

现在有一种文风，凡是写学术论文，总要先罗列一大批国外的论文，每篇摘上一句，不加评述，也不置可否，然后就将自己做的工作拿出来，既不与上面那些文献关联，也没有与什么现实或者理论问题相关的分析，而且大多是为了投到国外期刊。据说，外国期刊的编辑部要求论文一定要显示作者读过他们的多少文章。不过，这样的论文，中国人不一定能够看到，就是看到，也不知道对自己有什么用和怎么去用。外国期刊编辑部当然不会关心所研究问题与中国的发展有没有关系，怎么关联，他们关心的是他们发表过的文章是否被重视和延续。用这个标准衡量，《设计科学与设计竞争力》这本书就很不够格，在浩如瀚海的关于设计的文献群中，没有引用多少。《设计科学与设计竞争力》关注的是整个设计领域的发展，而不是哪一个学派或者学术观点的论述。

对于设计科学，当前首要问题是需要一个关于“设计”的全面描述。如果在什么是设计上没有共识或者关于设计的理解仅仅限于某一些类型的设计而排除另外的设计，那么也就不可能讨论“设计科学”。工业生产大规模发展的结果是不同领域产品的设计分道扬镳。机械领域有机械产品的“设计学”，建筑领域有建筑产品的“设计学”，……这些设计学都把设计说成是自己领域中的事，对于设计中的问题，都只研究与自己领域需求相适应的理论和方法，而不顾这些理论和方法是否能够解决其他领域中的设计问题。

一个将自己说成是“设计界”的群体使情况变得更为复杂，因为这种说法将比他们这个群体大得多的另外许多实实在在做设计的群体排除在设计界以外，所以从一个更高的高度来认识设计非常重要，就是需要从人类一切有目的活动的组成部分来认识设计。虽然不少著作都认为设计无处不在，不过这个概念并没有被一些研究设计科学的人接受并纳入设计科学的研究。可以看到，与设计定义相关的诸多问题都一再被列举出来，并给出各种各样的“药方”。例如，用对设计特点的描述来定义设计，然后在这个基础上研究设计的并不鲜见；也有将设计说成是人类有目的活动的全部，而不顾设计本身并不能使所设计的事、物成为现实，即必须通过实施来实现期望达到的目的。设计科学无疑应该研究所有设计的基本共同规律和需要共同遵循的规则，因此一个对设计的全面认识，使得有一个讨论设计各方面问题的共同基础，是首先要解决的问题。N P SUH认为，设计不仅仅是产品设计，还有制造过程和系统(即工厂和制造单元)的设计，模拟或数字电路、通信系统和计算机硬件、软件系统的设计，企业组织机构的设计，室内家具布置和装饰的设计，城市政府机构以及战略规划的设计等等。这个理解，再加上“设计无处不在” 的认知，就可以把SUH所说的设计扩展为“一切有目的活动”的设计。设计的目的不必都与“世界”发生关系，不必如有些研究者认为设计必须是“让世界更美好”。特别是个人活动，甚至许多活动都不一定具有竞争取胜的目的。所以《设计科学与设计竞争力》一书给出了设计的如下定义：“人类一切有目的活动都可以分为设计和实施两个部分，设计是为实施规划实施结果面貌和实施路径”。当然，这个定义是可以进一步讨论的。

没有人否认设计与知识的关系，这是《设计科学与设计竞争力》一书讨论的另一个重点。一些人说到设计知识，指的都是关于设计过程的知识而不是关于构成设计的知识，如果将设计知识分成设计过程知识和设计构成知识两大类，那么前者是讲怎样做才能够得到实施结果和路径，后者则是构成实施结果面貌设计和实施路径设计的素材。PAHL和BEITZ的名著《工程设计学》(1977年)被认为是设计方法的圣经，通篇讲的是如何设计的知识。SUH的设计功能独立公理和最小信息公理(1990年)讲的也是如何正确设计，即FR(功能需求)和DP(设计参数)之间应该有的正确关系，然而却没有FR和DP本身的知识，即没有研究什么是构成FR的DP的知识和如何得到构成FR的DP的知识，以及怎么在设计时就能够知道相关的信息量以评价是否是最小信息量，怎么能够得到相关的构成知识。J GERO的概念设计功能-行为-结构框架(1990年)研究了认知在设计师头脑或者设计智能体(Agents)中形成的模型。A HATCHUEL的概念-知识理论(2003年)研究的是概念和知识在设计过程中的区分和相互转换过程。GERO和HATCHUEL的研究虽然比较深入，概括起来也就是设计中经常采用的迭代回归(SUH 称其为zig-zag)过程的精细分析。这些精细分析虽然通过引入人工智能成果可用于研究智能概念设计，但这种智能设计也只限于在规划设计过程方面而不是在得到设计构成知识方面。至此，一个很大的问题浮现出来：这些过程中的设计构成知识从哪里来？怎么来？上述这些研究所论述的设计过程缺乏如何得到设计构成知识过程的研究，对于他们强调的为创新竞争而进行的概念设计更是不可或缺的。设计师或者设计智能体都不可能生而知之，知识作为设计构成的素材，只能是从外界流入。设计过程知识当然十分重要，不懂这些知识就不知道怎么做设计，然而不知道如何得到设计构成知识，即使懂得如何设计，也只能是无米之炊。设计过程知识，除掉创意的产生过程具有共同特征以外，此后的过程都会与专业领域技术有更多的相关，更多是属于各个领域设计学的范畴，或者可以认为是设计技术的组成部分，不过也不是没有需要共同研究解决的问题。可以看到，上述这些研究者大多是从事物质产品设计研究的，包括SUH，虽然他认为企业组织机构和政府战略规划的设计也是设计。

图1 创意的产生

创意产生对需要创新竞争的设计非常重要，所以有“创意引领设计”的口号。GERO和HATCHUEL精细分析的正是为创新竞争而设计其创意产生的过程。由于缺乏对从外界流入的设计构成知识的关注，他们的设计过程研究对创意产生的描述也就缺少了一些重要内容。图1用一个形象的方式来说明这个过程。创意产生有三个阶段：首先是从某个未能满足的需求中寻找出关键问题难点，然后要搜索和遍历所有可能得到的相关已有知识，特别是从外界流入的已有知识，第三是通过直觉和灵感产生关键难点解的想象，这个想象就是创意。从外界得到已有知识这个过程，是此前那些论述所未作研究的。设计以已有知识为基础定律说的是设计不可能脱离已有知识，即使是梦也是由已有知识构成，虽然梦境是不能控制的、随机的。创意不可能没有外界流入的已有知识，即上述精细分析忽视的设计构成知识。未能满足的需求通常没有现成的已有知识解，如果有，这个需求就不是“未能满足”的。所谓直觉和灵感的作用，是将已有知识与关键难点逐一比较，包括打碎已有知识取其片段重新拼接、组合形成的知识集合与关键难点逐一比较，产生可能解的想象。直觉和灵感可以形象化地描述为将已有知识打碎、发酵和重新编织出解的想象的过程。

有了创意，从创意到整个设计的设想，包括概念设计和详细设计都可以归结为知识集成，而集成的素材，如图2所示，是设计构成知识，不可能企望全部能够在设计师头脑或者智能体的存储器里面找到。设想的评价和认可，也是基于已有知识，它们包括仿真模型、试验台架、评价准则等等。当然，评价结果还产生了关于这些创意、设想是否能够被接受的新知识，这些新知识将成为下一代设计的已有知识。评价、认可是设计构成知识的竞争和进化。

图2 从创意到设计

与设计过程知识不同，如何得到和运用设计构成知识是不论什么领域都要面对的基本、共同问题，正是设计科学的研究领域。不过对于仍然专注于一个领域设计的研究者，可能觉得不需要或者很难讨论这样的基本、共同规律。这就是设计科学当前面对的困境。虽然说设计过程知识可能随领域有不同，但它经过的历程基本上大同小异。而设计构成知识即使在一个领域或者行业中，也随着设计的对象而变化，不同的设计对象，需要完全不同的设计构成知识。

此前的研究是如何对待设计构成知识的？即如何解决构成设计素材的来源问题？PAHL和BEITZ的办法是依靠工程师教育。他们认为“至关重要的是，未来的工程师不仅要懂得许多传统科学和工程基础(物理、化学、数学、力学、热力学、流体力学、电子学、电工学、材料科学、机械零件等)，还要懂得许多专业领域的知识(仪器、控制、传送技术、生产工艺、电力驱动、电子控制等)”。因此“必须在工程教育课程中包含解决设计问题的实际应用知识”。这意味着构成设计的知识素材要预先装到设计师的脑袋里。其他著作虽然没有正面回答这个问题，但是显然也持相同观点。GERO的“构建性记忆(constructive memory)”研究中虽然有对外部世界的感知和与设计期望比较的情景性(situatedness)模型，不过都是在诠释世界(interpreted world)中进行的，是设计当时形成的素材，显然不能包含设计构成所需要的全部素材。这些研究可能是认为，只要知道了设计过程的知识就可以了，设计构成知识是教育的事，可不予讨论。能不能在培养阶段往设计师脑袋里装进这么多东西，是教育界争论很久(至少在笔者从事教育工作的60多年中)但是无法解决的难题。因为一方面没有一种教育体系能够在有限的培养年限中让未来工程师懂得包含这么多专业领域的知识，另一方面随着知识爆炸和工业社会中物质产品生产从规模竞争向创新竞争转变，设计需要满足对“新”的追求，也要保证社会和谐与共同美好生活，即要同时考虑满足物质需求、精神需求和社会需求，这些都使得我们更加无法界定什么是设计师在各个不同设计中的实际应用知识。

综合过去的这些研究，可以进一步概括认为设计本质上是一个知识流动、集成、竞争和进化的过程。图1和图2中的箭头都表示知识的流动。作为设计科学，既需要研究这个过程，更需要研究影响和决定这个过程的内外因素。内部因素的非常重要方面就是知识运用，外部因素的非常重要方面就是知识供给。在研究设计的本质以后，《设计科学与设计竞争力》一书讨论了笔者提出的设计科学4个基本定律(2013年)：设计以已有知识为基础定律，设计知识不完全性定律，设计以新知识获取为中心定律，设计知识竞争性定律。

科学原理和定律是总结一个时代人们认识到的客观规律，指导人们的行为。过去的研究对设计的发展作出了重要贡献，不过应该看到此后社会又发生了突飞猛进而不能不予以考虑的变化。可以举出一些重要的变化，如：科学技术进步使物质产品生产能力达到了前所未有的高度，全球经济一体化和互联网完全改变了人们关于空间和时间的概念，“新颖”和共同美好生活(特别是精神需求和社会需求)越来越成为人们追逐的潮流，“万众创新”离不开“万众设计”，精英设计正在变化成创客设计，……。这些变化使得设计所需要的知识，特别是设计构成知识，远远超出过去这些研究所能够理解和认为可以不予讨论的范围。精英们无论将自己接受教育的时间怎样扩展，即使把在娘胎里的时间也用上，都不能应付这样的知识爆炸。而投入“万众创新”、“万众设计”的创客们，不可能都是学霸，他们即使懂得设计必须经过的过程，但是设计构成知识从哪里来？当机器人越来越多地代替人进行实施操作，那么人将做什么？用什么来贡献社会以取得社会的回报？答案只能有一个，就是从事设计或者与设计相关的工作。当物质产品的产能过剩而不得不“去产能”以避免恶性竞争带来资源浪费和环境污染时，社会的生产从规模竞争转变为创新竞争，也就是要不断(采用此前未曾用过的知识)设计出新的(能够满足此前未能满足的需求)产品以代替已有产品，新产品要能够为社会所接受(竞争取胜)，设计知识供给就不仅仅是精英们的问题，而将成为大众的问题。括号中的三句话称为创新三要素。

另外一个使设计构成知识复杂化的原因是，产品的概念已经泛化。除掉自娱自乐的，凡是提供给社会的事、物，都是产品。就如现在的商业广场，其设计的功能绝不仅仅限于卖东西，还必须有美味餐饮供应、儿童游戏设施、娱乐消遣项目、文化传承内容等等。不论是物质产品、精神产品或者社会产品的设计，都不能忽视相关的物质需求、精神需求和社会需求，而如何满足这些需求的知识要到不同的专业、学科、行业、社团、人群、地域、民族、国家中甚至地球以外的星球上去找。这种变化是此前专注于物质产品设计的研究者们所没有想象到的，他们关心的主要是自然科学(物质转变规律)知识。同时，知识是动态的，昨天是新的知识，今天将会众所周知，而明天则可能要被更新的知识所代替。这个动态绝不是GERO学术意义上的诠释世界中的情景性，而是全球经济一体化和基于互联网的信息快速传递条件下人与人、群体与群体以及人与自然界之间相互作用的结果。2016年一个恐慌情绪在股市上的蔓延让中国刚刚出炉的股市熔断机制崩溃，这个关系整个国家金融市场的重大政策只运作了4天就寿终正寝。接受美国“911事件”教训的民航客机驾驶舱门设计得牢不可摧，然而却给予驾驶员中的坏分子以制造恐怖而无法阻挡的机会，如发生了2015年德国之翼航空公司的飞机撞山事件。

知识供给和运用是影响设计构成最重要的因素。设计本质上是知识流动、集成、竞争和进化的过程。其中，“流动”关系到设计知识的来源，“集成”和“竞争”是设计知识的运用，而知识的“进化”则是设计的产出。设计过程控制知识供给和知识运用，但是不能代替设计构成的素材。知识流动有两个不同阶段：知识在社会上的流动和知识在设计师头脑或者设计智能体中的流动。已有设计过程研究大多集中在后一个阶段的流动，而不关心前一个阶段的流动，所以几乎没有涉及知识在社会上流动对设计竞争力影响的研究。可以认为，知识在社会上的流动对设计竞争力的影响比在头脑中的流动影响要大得多。早在1405年，一支由260多艘海船组成的庞大船队在郑和带领下，载着2万多人，航行24万多公里(13万多海里)，向沿途30多个国家和地区显示了中国造船业的强大。直到87年以后，意大利的克里斯托弗·哥伦布才带着3艘小型的轻快帆船和87人，开始了西方国家的第一次远航。不过后来情况发生了逆转。到19世纪中叶，中国的制造技术已经远远不能与先进工业国家相比，洋枪、洋炮、洋船、洋火(火柴)、洋油(点灯的煤油)都要从国外引进。为什么早先中国的设计能够影响世界，而数百年后中国的设计竞争力又这样衰退？不是这数百年后中国人的头脑不行了，而是社会制度已经不再能够支持设计所必要的知识流动和运用。所以《设计科学与设计竞争力》一书用了很大的篇幅研究设计中的知识，特别是知识在社会上流动的形态、驱动力、阻力与设计竞争力的关系以及知识如何能够在设计中得到高效运用。

在世纪交替前夕，美国国家科学出版社(National Academy Press)出版了两个报告，提出一个与设计竞争相关的先进工程环境(advanced engineering environment, AEE)概念。报告明确指出，AEE系统在美国目前并不存在，报告中介绍的小规模事例都是一些垄断企业内部的有可能支持AEE实现的单项技术，谈不上是AEE。可以认为，美国有两个特点。一个特点是很难遏制垄断企业对最大利益的追求，这些企业在美国的政治、经济和技术上占绝对统治地位。像洛克希德马丁公司这些老牌企业以及后起的谷歌公司、苹果公司、太空探索技术公司(SpaceX)等，无不拼命把世界上的精英都囊括到自己企业里，拥有精英就拥有了精英们的知识，知识流动和知识运用得以在企业内部进行，他们积累和控制着大量的已有知识，用这些知识和知识壁垒去竞争那些未来产品的设计，使垄断企业能够始终保证最大利润，而不会真正认真地考虑大众创业、万众创新。第二个特点是总想用计算机代替人。虽然这两个报告都提到了要以人为中心，但由于计算机比人更容易让垄断资本获得最大利润，故实际上人类一直是在不遗余力地发展能够代替人的计算机技术，无论什么事首先想的是用计算机，而不是考虑如何让人更好地生活和发挥作用。这两个特点决定了社会的贫富差别会越来越大，弱肉强食，永远不能实现社会和谐和共同美好生活，特别是在全球范围里。

图3 分布式资源环境

中国的社会环境不同，国家的基本方针是建立人类命运共同体而不是垄断利润最大化，发展方向是国家富强、社会和谐和人们有共同美好生活，通过让人们有获得感而充分调动人的积极性，大众创业，万众创新，向世界前沿奋起直追正越来越成为全民的奋斗目标。应该看到，由于过去太落后，在国内，虽然国有大型企业在生产规模和人才拥有方面占有优势，但这些长期靠引进技术起家的企业原来的家底实在太薄，并不拥有多少有竞争力的知识积累；精英也不多，从当前实际情况看，能用自己拥有的知识投入产品设计竞争的精英就更少。在上述现实情况下，中国完全可以走一条不同的知识供给和高效运用的途径，真正在一切有目的活动的设计竞争中实现以人为本。 这条途径就是建立一个分布式的设计知识资源环境，与AEE有若干原则上的不同。其基本思想是，在市场竞争的规则下建立大量的、细分和专业化的、以人为中心的、基于互联网的设计知识服务单元，分布式资源环境的结构如图3所示。设计知识服务基本上可以分为4类：①行业系统集成知识服务，提供将一个创意(自己的或者委托方的)变成设计方案的服务，也就是知识集成服务，是最大的知识的消费方;②零部件设计知识服务，通常是一个较小系统的知识集成(一般并不必须从创意开始)，是设计构成知识的提供方，同时也是知识的消费方，没有人能够拥有解决一切问题的知识;③学科行为分析知识服务，提供的是对一个设计方案是否可行的评价服务，并提供获取到的相关的新知识，常用手段是数字仿真、台架试验或者社会调查，是设计决策知识的提供方，同样也必然是知识消费方;④设计知识服务的中介服务，提供基于互联网的平台服务，是设计知识服务的保证方，虽然也可能提供知识或者消费知识，但是这些不是平台的核心业务。设计知识服务通常要具有3个组成要素，其一是以人为中心的设计知识资源，当然并不排除其中包括能够辅助设计的智能体；其二是知识积累，也就是要有一个知识库，没有知识，就谈不上资源，也谈不上智能；其三是要有通过互联网提供服务或者消费服务的界面。分布式资源环境思想的核心是以人为中心细分和专业化，服务单元既可以是很小的独立经营的团队，资源的拥有者、经营者和资源的运行者统一，体现大众创业、万众创新；也可以是大企业中细分和专业化的团队，资源的拥有者与资源的经营者、运行者分离。这些企业不必以生产产品参与市场竞争，当产能发展到高于消费需要时，殊死的产品竞争只能是浪费子孙后代的自然资源和污染社会，只有良好的设计知识供给和知识高效运用，才能够推动真正的创新竞争，才能够有利于建立人类共同美好的和谐社会。社会上不应该只有生产产品的企业，也需要有提供设计知识服务的企业。虽然服务是一种社会产品，不过它们不是生产知识，而是提供知识。

《设计科学与设计竞争力》一书提出了这些思想，然而实现这些思想并不是容易的事。传统观念、惯性思维和既得利益者会设置重重障碍来阻止理想的实现，不过只要是正确的思想，相信总有一天会被人们接受，星星之火可以燎原。