热力系统优化内容摘要全解

1.引言产品设计产品设计涉及了工业设计和工程设计两个不同的专业领域，两个专业虽然工作对象相同，但研究内容却大相径庭。

●工业设计偏重于在人文层面讨论设计理论，主要表现为设计思想、设计风格的研究，设计方法的研究主要面向设计思维本身和思维对象，中心是设计本身；●工程设计偏重于在原理层面讨论设计理论，主要表现为对设计过程的建模，设计方法的研究主要面向设计思维的模拟，中心是设计的手段。

工业设计思想“设计思想”主要包括设计价值、目的、设计理论要点以及它的指导思想，它是工业设计的理论基础。

迄今为止主要有5种设计思想。

1）以艺术为中心的设计思想。

这是19 世纪流传下来的设计思想，将工业设计视为一种艺术创作，将设计等同于美化产品。

我国在引入工业设计概念之初，将工业设计称为“工业美术”2）以产品为中心的设计思想。

这种设计思想以提升产品性能和机器效率为主要目的，要求人通过训练去适应产品，其思想根源来自技术决定论3）以消费为中心的设计思想。

这种设计思想以刺激消费为目的，通过不断地推出新的款式和有计划的产品升级，人为地加速产品老化，加快产品的更新换代，促使消费者为了追逐新的式样潮流，改换新式样，从而达到促销的目的。

这种方式是消费社会的一个重要的设计基石，最早源自美国通用汽车公司20世纪30 年代创立的“有计划废止制”，是目前消费品生产企业，特别是时装企业广泛采用的一种产品策略。

4）以人为中心的设计思想。

这种设计思想以人的需求为目的，强调设计的社会效应和道德作用，关心一些特殊需要的设计领域，如残疾人、老年人、儿童的需要。

另一方面，建立以人为中心的人机关系，强调设计的“可用性5）以自然为中心的设计思想。

这种设计思想以保护人的生存环境为目的，认为人类只是自然环境的一部分，维护自然生态的是维护人类自身生存的前提。

人类必须从生态学世界观出发重新规划人类生活概念和工作概念，在此思想基础上产生了生态设计的概念，其主要的设计准则包括[1,6]：（1）减少原材料消耗；（2）减少加工过程能源和水的消耗；（3）采用模块化结构，提高产品可拆卸、可维修和可回收性；（4）减少废弃物；（5）提高产品多用途的可能性；（6）追求持久的设计（不受流行式样影响）。

工程设计理论工程设计领域的设计理论研究的目的在于发展新一代用计算机帮助产品设计人员高效率与高质量地寻求设计解的技术。

研究表现在两个方面：一是对设计过程的建模，如“通用设计理论”、“公理化设计理论”等；二是对新环境下设计模式的发展，如并行设计、协同设计、大规模定制设计等。

1）Pahl & Beitz 理论。

德国学者Pahl 和Beitz[7]于20 世纪70 年代提出了有相当代表性、权威性和系统性的产品设计方法学，在其理论中问题求解被认为是有步骤地分析与综合，不断地从定性到定量的过程。

他们将设计过程主要分为4 个阶段：明确任务阶段、概念设计阶段、具体化设计阶段和详细设计阶段。

这个设计过程很典型地代表了串行的产品开发模式。

2）公理化设计（AD）。

美国麻省理工学院NamP Suh 等学者[8]自1990 年对设计的理论进行了系统的研究，提出了设计公理体系。

AD 的出发点是将传统上以经验为主的设计，建立为以科学公理、法则为基础的公理体系。

AD 提出了两个基本公理：1 是涉及功能和设计参数之间关系的独立公理，即所有功能相互之间是独立实现的，因此设计参数仅对其附属功能产生影响。

模块化设计是一种满足独立公理的设计；2是信息公理，主要针对减少设计结果的信息含量，并使设计的复杂性尽可能小。

在AD 中，设计问题被模型化为需求域、功能域、结构域、工艺域间的映射，许多工程设计问题的研究都是建立在这种模型基础上的。

3）TRIZ。

前苏联G.S.Altschuller 等人提出的TRIZ 方法把创造性不是作为直觉过程，而是作为精确的科学来理解4）通用设计理论（GDT）。

日本东京大学人造物工程研究中心吉川弘之等，自20 世纪70 年代起通过对设计活动中的认知问题的研究提出了GDT，认为设计在本质上是一个分解、映射和综合的过程。

基于GDT，于1998 年提出一个精细设计过程模型[11]，在此模型中，“设计”定义为完成技术规格书的过程。

设计过程的开始，根据功能、行为状态、属性以确定设计目标的技术规格书，设计过程表现为技术规格书的不断精细化5）并行设计。

并行工程是对产品及其相关过程进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。

这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）中的所有因素。

“并行”有两层含义：一是时间意义上的并行，二是信息意义上的并行。

时间意义上的并行是指一个以上的事件在同一阶段内发生。

与传统的串行设计模式相比，并行设计在同一时间内可容纳更多的设计活动，以此来减少整个设计过程的时间。

信息意义上的并行是指一个阶段的活动能够获得生命周期内其它阶段的信息和知识支持，从而尽早地发现和避免设计错误，由此提高设计质量，减少传统的串行设计模式因信息分裂导致的反复修改而花费的时间。

信息的并行即信息集成，它也是设计活动在时间上并行的技术前提。

6）协同设计。

计算机支持的协同工作（CSCW）是指分布在异地的群体成员，在计算机的支持下，得到一个虚拟的共享环境，相互磋商，共同完成一个任务。

产品设计通常需要多学科团队（工业设计、工程设计、市场研究）的共同参与，涉及多方面的知识和多种设计方法，并存在着大量的信息交互，这些都对协同式的设计提出了要求，因此协同设计成为CSCW 的一个典型应用领域。

协同设计的主要研究内容包括共享知识表达与语意一致化、冲突检测和解决以及协同式体系结构。

7）大规模定制设计。

大规模定制是一种崭新的生产模式，它以个性化客户需求为导向，并以大规模生产的方式来响应和满足这种需求。

大规模定制模式依赖于新的产品开发方法学，大规模定制设计便是这种方法学的体现，它以面向产品族的开发模式设计产品，为了有效地为单个用户定制产品，产品族必须具有模块化的产品结构。

模块化结构能够使得无须改变的部分得到重用，仅以相对较低的成本改变个别模块，当面对客户新的需求时，可以创建新的模块，并动态连接到现有的结构之中，而无须“重新发明轮子”，因此能够大大地加快产品的开发速度并降低多样化的成本。

大规模定制设计的主要研究内容包括产品平台的建立、产品族模型的描述以及配置设计研究。

设计方法1）基于形象思维的设计方法。

工业设计的工作形式主要表现为对形态的处理，因此基于形象思维的设计方法是工业设计最常采用的形态创意方法，包括头脑风暴法、仿生、类推、组合、变形等。

头脑风暴法也称为智力激励法，它是在开放的气氛下，在短时间内因相互启迪而集体产生大量的灵感。

生态具有人类永远探寻不止的秘密，仿生是从生态的构成规律和特性上思索产品构成的有效方法。

类推是基于不同事物表象及内在特征的相似性获得新的概念。

组合是将两个或两个以上的独立因素通过有机的结合或重组，形成具有统一整体的新设计。

变形是对一个原型在比例、尺度、材料、语义、布局等方面进行变化而求得新的形态。

2）基于逻辑思维的设计方法。

基于逻辑思维的设计方法是应用理性的分析去探索各种可能方案，主要用在产品分析阶段，包括形态分析和功能分析等。

形态分析是将产品的结构分为几个单元，对所有单元进行空间上的排列组合，从而得到各种可能的结构布局方案。

功能分析包括以价值工程理论为背景的功能逻辑分解方法，以及FBS 方法。

在功能逻辑分解方法中，功能的分解是一个不断问HOW 的求解程，即下层功能是上层功能的实现手段，功能分解的最底层即是工作原理。

在FBS 方法中，功能是行为抽象描述，状态间的变化是行为作用的结果，FBS 方法将功能的分解转换为行为描述的分解，更符合人的思维特点。

3）系统设计方法。

系统设计是德国乌尔姆设计学院在20 世纪50 年代提出的一种工业设计方法，其基本原则是将纷乱的客观事物置于相互影响和相互制约的关系中，使产品在技术上、功能上以及形态上建立一种联系性和统一性。

系统概念在工业设计中有两层含义：不再把设计对象看成是孤立的东西，而是把它放在相关系统中考虑；单个产品也被看作一个由多个单元组合而成的系统，并以此来实现产品在使用功能上的互换性、灵活性和无限的补充性。

4）智能设计方法。

智能设计是采用人工智能技术完成设计任务的方法。

依据对设计行为某一侧面的认知，智能设计方法主要有以下几种：a)基于规则的方法。

基于规则的智能设计方法是将设计过程中运用的产生式规则知识表示出来构成设计知识库，并通过对这些规则设计知识的推理和利用来完成设计[16]。

b)基于实例的方法。

基于实例的智能设计方法源于人类设计者，能够通过借鉴以往的设计案例来完成新设计任务的行为。

该方法通过建立描述“从设计要求到设计解映射”的设计实例库，而在设计时根据新设计问题的设计要求从实例库中搜索最为接近的设计参考实例，并通过对选出的设计参考实例进行调整或组合而形成新设计问题的解[17]。

c)基于约束满足的方法。

基于约束满足的智能设计方法，是把设计方案的形成过程视为一个设计约束不断得到满足的问题。

该方法把各种设计要求和限制都转化为对设计变量或设计空间的约束，通过对设计空间的搜索或采用其它方法来寻求一个满足各种设计约束的设计解[18]。

d)基于形状文法的方法。

形状文法由一组表达基本单元的词汇和定义单元合法配置的语法及相应的语义构成，设计任务即寻找由文法定义的空间（所有可能解）与语义空间（满足需求的解）的交集[19]。

这种方法需要前期对形态塑造规则（文法）的大量研究基础[20]。

e)基于神经网络的方法。

人脑的生理基础是神经元及其互连关系。

基于神经网络的智能设计方法，采用人工神经网络技术实现分布式设计知识的表示与推理，从而模拟人类在设计中的大脑思维活动。

该方法具有自学能力并能够对人类在设计中运用常识知识、模糊知识及不完整知识的行为进行模拟[21]。

f)基于进化计算的方法。

基于进化计算的方法是将设计问题模型化为生物进化过程。

在遗传算法中，用编码代表基因，用繁殖、杂交和突变算子模拟进化过程。

采用遗传算法的编码规则表示设计方案和设计知识，设计过程就可以转换为基因样本种群的进化过程。

生物的进化机制从两个角度影响设计方法：一是生物的进化是一个“优胜劣汰”的过程，由此指导设计的优化过程[22]；二是生物通过进化获得新的形态和功能，由此指导产品的形态生成[23]设计方法的发展历程有两个特征，●一是设计方法的研究内容从创意思维引导转向了计算机辅助手段的实现。

现代设计方法无一不是在计算机技术基础上展开的，CAD 方法几乎可以看作是现代设计方法的同义词。

●二是设计模式从面向单一产品转向面向产品族。

面向产品族的设计模式使产品开发过程更加敏捷化，同时，其设计方法中的重用及组合特征，也更符合计算机的信息处理特征，从而使计算机能够在产品创新中发挥更大的作用。