摘要

设计是一项高层次且复杂的思维活动，通过运用现有的知识和技术解决问题并创造新事物。随着智能制造的崛起和发展，设计在产品生命周期中越来越体现出其重要性。本文首先系统阐述了复杂产品设计的概念及内涵，并探讨了不同类型的设计。介绍了四种主要的设计理论学派：普适设计、公理化设计、TRIZ和通用设计。接着分析了复杂产品设计的研究现状，包括创新设计、数字化设计、模块化设计、可靠性优化设计等。最后，指出了未来值得研究的三大科学问题，并总结了“更新、更好、更智能、更快、更绿色”五个研究趋势，旨在为设备设计和制造业提供参考。

1. 引言

设计是所有有目的的人类活动的起点，也是所有创造性实践的前奏和准备。人类通过劳动改造世界，创造物质与精神财富，其中最基本且最原始的创造活动便是创造。设计是一种创意思维活动，事先规划创造活动的过程，并通过具体载体表达这些活动。复杂产品设计指的是对产品的工作原理、配置与建模、力与能量传递方式、运动方式、控制方法、组件的材料与几何形状、服务条件、性能可靠性、可回收性等进行构思、建模、分析和优化，并将其转化为制造过程中的具体蓝图。

目前，学术界尚未对设计达成统一的定义。Beitz等人认为设计是将创意变为现实，尽力以最佳方式满足需求。美国的维克多·帕帕内克教授认为设计是一种有意识的直觉努力，旨在构建有意义的秩序。中国工程院院士谢有波认为，设计本质上是知识的流动、整合、竞争和演变过程。他指出设计科学的四条基本法则：基于现有知识的设计法则、设计知识的不完备性法则、注重新知识获取的设计法则，以及设计知识的竞争法则。

作为产品生命周期中最重要的部分，产品设计在决定产品功能质量以及制造和服务价值中发挥着极其重要的作用。影响产品竞争力的关键因素，如产品结构、性能、成本、可维护性、人机环境和外观风格，均与设计紧密相关。产品质量差距的根本原因首先是设计质量的差距。据统计，约50%的产品质量事故源于设计不良，而产品设计周期占生产周期的47%到53%。在产品生命周期中，设计阶段决定了整个产品开发成本的70%，而制造阶段及后续相关阶段则仅占约30%。

现代制造业的竞争常常是产品设计的竞争，产品设计的创新能力已成为制造企业保持竞争力的核心。因此，研究现代设计理论、方法和实践，对于提高制造企业的核心竞争力具有重要意义。

2. 设计类型

在制造领域，根据不同的分类标准，产品设计可以分为多种类型。例如，按照设计过程，产品设计可分为创意设计、概念设计、原理设计、整体设计、整机设计、顶层设计、系统设计、方案设计、详细设计、外形设计、技术设计、校准与检查设计、测试与维护设计等。

根据设计内容，产品设计可分为需求设计、功能设计、性能设计、质量设计、结构设计、布局设计、机构设计、物理设计、成型设计、装配设计、精密设计、人机工程设计、工业设计等类型。

根据使用的设计工具，产品设计可分为计算机辅助设计、仿真设计、实验设计、人机交互设计等。

根据产品设计的创新强度，设计可分为以下五种类型：

• 原创设计：基于科学原理和工程技术的突破，概念上实现产品的原创创新设计。例如，1712年的蒸汽机，1876年的内燃机，1886年的汽车，1903年的飞机等，均依赖于原创设计的出现。

• 促进性设计：基于现有设计，通过突破性改进实现产品的功能、性能等方面的提升，带来新一代效果。例如，从固定电话到移动电话再到智能手机，从机床到数控机床再到智能机床，从传统网络到万维网再到物联网。

• 改进设计：在同一基本原理下，对现有设计进行变化和增加。例如，在电灯泡中，采用钨丝代替碳丝，采用氩气代替真空。高压蒸汽机、蒸汽涡轮机、多缸蒸汽机等都是蒸汽机设计的改进。

• 集成设计：各设计元素的互补性整合，使得产品功能发生质的变化。例如，iPhone利用大尺寸触摸屏、视网膜显示屏、人脸识别、距离传感器、陀螺仪、GPS等多传感器协同工作，形成独特的创新和竞争优势。

• 参考设计：通过分析和借鉴各种现象的原理，推导出具有类似结构和功能的产品。例如，通过借鉴巴尔汉沙丘的形态特征，设计出巴尔汉沙丘漩涡火焰稳定器。

3. 四种主要产品设计理论与方法

随着生产力、科技的发展，设计过程经历了直觉设计阶段、经验设计阶段、半理论半经验阶段，现已进入现代设计阶段。在这一漫长的发展过程中，设计及设计科学不断深入和扩展，理论与方法不断更新。四种典型的设计理论学派包括普适设计、公理化设计、TRIZ和通用设计。

(1) 普适设计

德国学者Pahl和Beitz在1970年代提出了较为具有代表性、权威性和系统性的产品设计方法论。他们总结了优秀设计过程的经验，并基于系统理论发展了普适设计，理论为设计师在每个设计阶段建立了工作计划，包含策略、规则和原则，从而形成了完整的设计过程模型。普适设计源于稍早的无障碍设计概念及更广泛的可及性运动，现如今更注重将美学融入这些核心考虑因素，并已开始应用于技术、人机交互、教学、服务等产品和环境的设计。

(2) 公理化设计（AD）

麻省理工学院的Suh等人自1990年起系统研究设计理论，提出了公理化设计。公理化设计提出了两条基本公理：一是独立公理，涉及功能与设计参数之间的关系，即所有功能都应相互独立，因此设计参数只影响其子功能；另一条是信息公理，主要目标是减少设计结果的信息含量，最小化设计复杂性。在AD中，设计问题被建模为需求领域、功能领域、结构领域和过程领域之间的映射，许多工程设计问题基于这一模型。扩展方法目前主要用于复杂系统的可靠性设计，涵盖了整个产品生命周期，包括影响全周期的早期因素，如开发测试、输入约束和系统组件。

(3) TRIZ理论

由前苏联的Altschuller提出的TRIZ方法基于对250万项高水平发明专利的发展和处理原则的统计分析，建立了一个包括一系列支持创新设计过程的方法和算法的综合理论体系，包括技术系统演化规则、特性-场分析、发明问题解决方法、系统对抗的典型技术以及物理、化学和几何等领域的应用知识库。作为一种为问题解决生成创新方案的实用方法论，TRIZ常常与质量功能展开（QFD）结合，从产品定义、概念设计到详细设计，形成了强有力的支持工具。

(4) 通用设计理论（GDT）

日本东京大学的Yoshikawa和Tomiyama提出了通用设计理论（GDT），通过对设计活动中的认知问题进行研究，认为设计本质上是一个分解、映射和综合的过程。GDT引入了一个元模型来表示这一逐步过程，利用有限的属性集描述设计对象在设计过程特定阶段的状态、设计对象的构成实体以及这些实体之间的关系和依赖关系。近年来，通过GDT的改进——耦合设计过程模型，能够更清晰地阐明类别集和拓扑空间上复杂变化与现实设计过程。

系统科学概念和方法的应用迅速推动并影响了设计理论和方法的研究，将设计从艺术范畴转向科学范畴。作为实现设计目标的科学方法，设计理论和方法已成为设计文化的重要支柱。

4. 复杂产品设计的关键技术

4.1 基于大数据与知识工程的创新设计

产品设计的重点已从传统的经验型设计转向基于大数据与知识工程的创新设计。通过新理论、新技术和新思想的

结合，产品设计的创新设计概念需要大量的设计知识、设计原理和设计方法。设计知识资源已成为企业创新最重要的智能和资产。利用设计大数据获取、处理、发现和演变设计知识，辅助和促进设计师的创意，是实现创新设计的关键。

4.2 基于数字原型与数字双胞胎的数字化设计

数字设计是数字技术与设计技术的结合，利用数字设计资源和设计知识，实现从需求分析、功能设计、详细结构设计到装配设计的产品数字化定义，为产品的加工、制造、服务和维护提供全面的数字基础。数字技术推动了从“传统经验型设计模式”向“基于建模与仿真的科学设计模式”转变。