面向环境的设计——一个创新设计的理论与方法

曾 勇， 张执南

(1. 加拿大康考迪亚大学 信息工程研究所， 蒙特利尔 H3G1M8，加拿大； 2. 上海交通大学 机械与动力工程学院， 上海 200240)

为提升设计过程效率，提高设计对象的创新性，学术界和工业界发展了许多设计理论与方法，在不同时期有不同的研究焦点.从早先研究系统化设计方法[1]和创新原理[2]，到研究设计的认知和表达体系[3-5]，再到力图建立描述设计的公理化理论体系[6-8]，以及大量关于设计过程和设计对象相关的方法和技术，如协同设计[9]、多学科优化[10]、不确定性优化[11]、设计方案综合[12]、设计知识的表示等[13]，到如今试图解密人类创造力的产生规律[14-17]、设计科学规律[18]、生物激励[19]的设计以及数字孪生驱动的设计[20]等.设计研究可谓百花齐放，百家争鸣.然而，受设计的认知性、技术性和社会性特征影响，迄今尚未有统一和被一致认可的设计理论.实际上，现有研究和工程实践均表明，在产生创意和创新的过程中存在着可以遵循的共性规律，基于这种共性规律发展出新的设计理论和方法可用于科学地指导创意和创新设计过程.本文旨在阐述面向环境的设计(EBD)的理论基础、构成要素及其使用流程，为创新设计提供一种系统化方法.

1 EBD理论的基础

EBD[7-8,21]是一种以设计递归逻辑为基础，基于设计建模的公理化理论推导出的设计方法学.EBD认为设计问题由3部分组成：① 产品的工作环境，包括自然、人工和人因环境；② 环境对产品的结构需求；③ 环境对产品的性能需求.结构需求和性能需求又可以由环境分析导出.EBD通过环境分析、冲突识别和方案生成3个设计行为完成设计.EBD中主要定义和定理如下.

定义1：产品结构包括产品、环境以及它们的相互关系.

定义2：产品的边界由产品和环境共同作用决定.边界有结构边界和物理边界两种.

定理1：设计问题分3个部分，即环境、结构、性能.

定理2：设计的需求来源于环境.

定理3：在设计过程中，设计问题的解决方案可能会改变原来的设计问题以及相关的设计知识.

在EBD理论体系中，环境分析是获取优质设计需求的来源.设计者在设计工作中所起的作用是针对产品所处的环境，分析其背后隐藏的需求条件，制定草案或初步计划.设计者必须理解并分析环境需求，从而生成相应的解决方案，更好地为其环境服务，关系如图1所示.

图1 EBD理论模型Fig.1 Theoretical model of EBD

2 EBD理论的构成要素及实施流程

图2 EBD设计过程[8]Fig.2 Process model of EBD[8]

EBD[7-8,21]包括3个活动：环境分析、冲突识别和解决方案生成.这3种活动互相影响、渐进式进行，以生成、细化设计问题和解决方案，如图2所示，图中实线表示主谓关系，虚线表示动宾关系.

第一步为环境分析：关键方法是语言分析.通过递归对象模型(ROM)[21]来进行这项工作.ROM包括：两种类型的对象即对象和复合对象；任何两个对象之间的3种关系，即连接、约束和谓词.

第二步为冲突识别：规则1指如果一个对象有多个约束，那么任何一对对象约束之间都存在潜在的冲突；规则2指如果一个对象与其他对象有多个谓词关系，那么在一对谓词关系之间存在潜在的冲突；规则3指如果一个对象被另一个对象约束，那么这个关系就会被它的子对象继承，例如，一个对象O1被另一个对象O2所限制，O1有两个组件O11和O12，那么O11和O12被认为受到了O2的限制.

第三步为解决方案生成：在EBD的第三阶段，将选择一组关键的环境冲突，通过生成一些设计解决方案来解决冲突，这一过程一直持续到没有更多不可接受的环境冲突存在为止.环境分解是这个活动的基础.

3 结语

利用面向环境的设计理论开展设计可以清晰、符合逻辑地明确定义设计问题.在繁杂环境下，EBD理论方法更容易确定设计重点，聚焦主要矛盾的优先解决，因此能较快地以科学的逻辑思维分析出主要需求矛盾，从而有针对性地生成解决方案，新产品开发效率相较于其他方法优势较为明显.在环境明确的设计过程中，EBD能大大减少设计迭代次数、降低开发成本；在环境复杂的情况下，EBD能简化环境条件，缩短不确定性高、效率低和进度慢的产品开发模糊前期.EBD理论已在多种设计及战略决策中得到应用，在生物医学工程、特种装备开发等需求明确的领域有较好的应用前景.