数字化智能化产品设计方法与技术的发展_刘继红.pdf

第 44 卷 第 8 期 包 装 工 程 2023 年 4 月 PACKAGING ENGINEERING 27 收稿日期：20221130 作者简介：刘继红（1966），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为复杂产品数字化设计与制造、知识工程与知识管理、智能制造与工业互联网。数字化智能化产品设计方法与技术的发展 刘继红（北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191）摘要：目的目的 回顾产品设计方法与技术的发展经历，建立设计方法与技术的定式化分类框架，分析数字化智能化产品设计技术的研究与应用热点，展望智能化创新设计技术的未来发展趋势与挑战。方法方法 通过对已有的产品设计方法与技术的分析，将设计对象、设计阶段、设计资源、设计手段作为设计方法与技术的分类要素，构建设计方法与技术的定式化分类框架；通过确定各分类要素的具体内容，可以明确不同的设计方法与技术，如数字化智能化产品设计技术；利用该定式化分类框架，展望未来数字化智能化产品设计技术的发展趋势。结论结论 提出了一种用于产品设计方法与技术定式化的分类框架，界定了基于模型的系统设计与仿真优化、基于互联网的开放式众包设计和数据驱动的设计等三个热点研究方向，指出了产品全生命周期一体化设计、混合智能驱动的创新设计的趋势与挑战。关键词：设计方法与技术；数字化设计；智能化设计；数据/模型/知识 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)08-0027-10 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.08.003 Development for Digitalized and Intelligent Product Design LIU Ji-hong(School of Mechanical Engineering&Automation,Beihang University,Beijing 100191,China)ABSTRACT:The work aims to retrospect the historical development of product design methods and techniques,establish a formalized classification framework for design methods and techniques,analyze several research and application hot-spots of digitalized and intelligent product design techniques and prospect the future development trends and challenges of intelligent and innovative design techniques.In this work,by analyzing the existed design methods and techniques,de-sign object,design phase,design resource,and design means were extracted as classification elements to construct a formalized classification framework for design methods and techniques.Different design methods and techniques,including the digitalized and intelligent product design techniques,were depicted by determining the specific contents of each classification element.As well,the future development trend for the digitalized and intelligent product design techniques was discussed with the formalized classification framework.In summary,a classification framework for formalizing product design methods and techniques is proposed,with which three hot research directions are revealed:model-based system design and simulation optimization,Internet-based open crowdsourcing design,and data-driven design.The trends and challenges of integrated product lifecycle design and hybrid-intelligence driven innovative design are pointed out.KEY WORDS:design method and technique;digitalized design;intelligent design;data/model/knowledge 人类进入手工业以及工业社会之后，越来越多的生产工具面世并用于生产领域，也创造出更多的产品，产品设计成为改造自然的基本生产活动，人类通过制造各种工具和产品来满足自身的需求。特别是进入工业社会后，依赖人力和畜力的生产被机器生产所替代，业务分工更为细化和链条化，更复杂更新的产品不断面世，产品设计的作用愈加重要。产品设计或产品研发设计是产品全生命周期的上游阶段，将市场28 包 装 工 程 2023 年 4 月 和用户的意愿与需求转换为可实现的、详细的明确定义，为生产制造提供必要的信息和依据，是现代企业市场竞争的主战场1。产品设计影响着整个产品制造60%85%的成本，而且占据着制造产业链微笑曲线高附加值的一端。产品设计是需要设计人员进行大量决策和判断的、高度知识密集的、创造性的智力活动2，必须完成大量的设计思考、设计计算以及产生设计文档等工作。产品设计也是多学科多领域的综合性活动，需要考虑技术性、经济性、社会性、艺术性等方面甚至在矛盾的约束条件下，确定满足人类和社会需求的产品方案和产品信息。产品设计已经成为单凭设计人员个人直觉和经验无法完成的、需要通过有效的设计方法和技术乃至工具才能完成的复杂任务。产品设计方法和技术在不断丰富和发展。设计方法被认为是设计方式、设计流程或辅助设计工具。设计方法是标准化的设计步骤，也是外显化的设计想法、设计思路3。世界知识产权组织将所有能带来经济效益的科学知识都定义为技术，那么设计技术就是解决设计问题的、经过学习和实践积累的知识、经验、技巧和手段。设计方法和设计技术有区别，前者指设计途径和思路，后者指设计技巧和能力。但是，两者也可以相提并论，甚至设计方法最终可以转成设计技术。例如，多学科设计优化方法明确了多学科优化问题的解决思路和流程，但是一旦该方法借助计算机技术得以实现形成多学科设计优化系统，那么方法也便成为了多学科设计优化技术。总体上，越来越多的产品设计方法最终将实现技术化。本文并不刻意区分设计方法和技术，统称为产品设计方法和技术（DMT，Design Method and Technique）。本文通过对已有产品设计方法与技术的回顾介绍，提出一个产品设计方法与技术的定式化分类框架。通过该定式化分类框架，分析数字化智能化产品设计方法与技术的热点研究方向，并展望智能化创新设计技术未来发展的趋势与挑战。1 产品设计方法与技术的发展回顾 产品设计方法与技术涉及的最基本的两个因素是设计对象和设计过程（或行为）。针对设计对象的设计方法与技术，重点研究设计对象的功能原理和结构形态，而针对设计过程或行为的设计方法与技术则关注设计人员解决问题的思维活动。另外还有计算机信息技术也深刻影响了产品设计方法与技术的发展。产品设计方法与技术的大致发展历程如图 1 所示。图 1 明确描述了产品设计方法与技术的两条发 图 1 产品设计方法与技术的发展历程 Fig.1 Progression of product design methods and techniques 第 44 卷 第 8 期 刘继红：数字化智能化产品设计方法与技术的发展 29 展线。一是设计方法线，从机械基础零件和机构的设计方法到关注设计人员智能活动的设计问题解决方法，再到综合设计对象、设计思维、设计业务和设计过程的设计理论和方法论；二是计算机等信息技术带动的设计技术线，从数字化设计技术到智能 CAD 技术，再到智能设计技术。实际上还有第三条线，即设计方法向设计技术转换的发展线。1.1 设计基础方法 第一次工业革命之后，蒸汽驱动的机器面世。新发明的机器由大量基础通用的机械零件构成，通过机构运动实现机器功能。由此带动了以基础零件和机构为对象的设计基础方法的研究。英国 Willis4在其1841 年出版的机构原理（The Principles of Me-chanism）一书中明确指出，机构运动是任何机械的核心原理。德国 Reuleaux 在其理论运动学（Theoretische Kinematik，1875 年）一书中进一步发展了机构学，对凸轮、棘轮、带传动等机构的运动进行了系统的分析。1877 年，英国 Unwin5的著作 The Elements of Machine Design系统介绍了机械零件的设计方法。设计基础方法的研究奠定了机械产品设计的基础，也成为机械类专业的基础课程。1.2 设计问题解决方法 第二次世界大战结束时，战后重建、经济复兴对工业快速发展提出了急迫要求。设计方法也得到了广泛关注。1962 年，在伦敦举行了第一届设计方法会议，主要围绕系统设计方法研究，探讨了设计过程全面管理的系统方法和可用于设计过程的系统技术，如运筹学、质量管理、价值工程等研究成果，这些系统技术就是在二战期间被提出和发展的。1968 年，在美国 MIT 举行了“环境设计与规划中的新方法”会议，着重探讨了设计的复杂性问题，理解设计者如何用传统的设计方法解决设计问题。这一时期，大量创造论、设计论，以及工程设计的著作面世。例如，Introduction to Design（M.Asimov，1962 年）、Design Engineering（J.R.Dixon，1966 年）、设计论，（渡边茂，1968 年）等。在欧洲设计研究组织 WDK 的组织下，1981 年在意大利罗马举行了第一届国际工程设计会议 ICED（International Conference on Engineering Design）。之后，其成为了主要在欧洲举行的设计研究交流盛会。创造论、心理学、认知科学等也促进了融合逻辑思维、形象思维、联想思维和创新思维等的设计创新思维方法的发展，形成了头脑风暴法、635 法、特尔斐法等群智设计方法，系统提问、检查表等设计探索方法，属性列举、优缺点列举等设计列举法，简单联想、仿生联想等设计联想法以及逆向思维法和组合创新法等6。Hanington 等7汇集并介绍了用于研究复杂问题、开拓创新想法和有效解决问题的 100 种通用设计方法，其中包括头脑风暴、案例研究、访谈、文献综述、故事板、概念图、认知图、价值分析等方法，各自适用于设计规划、设计分析、设计探索、设计评估和设计验证等环节。Cross3针对产品设计各环节确定了相应的设计方法，包括用户场景法（确认产品机会）、目标树法（明确设计目标）、功能分析法（确定产品功能）、性能规格分析法（设置产品需求）、质量功能分析法（明确产品特性）