中国机械工程，No.6,1996,pp.36-41 现代设计与知识获取 谢友柏 西安交通大学润滑理论及轴承研究所 摘要：产品设计是制造业的灵魂。为改善中国制造业的境遇和推动制 造技术的发展，我们必须认清中国的制造业和发达国家，例如美国的 制造业之间的差异。缺乏开发市场上有竞争力的新产品的能力与缺乏 先进设备相比，是更为突出的弱点。上述能力中最重要的成份是设计 知识。一个新产品的竞争能力在于产品设计中新知识的含量。在现代 设计技术中，必须对为开发一个新产品获取新设计知识的能力的发展 给予更多的重视。本文讨论了设计知识的结构、获取设计知识的信息 来源和处理技术。建议在信息科学、知识工程和计算机技术的基础上 发展一个设计知识获取系统和并行设计环境以加速我国制造业现代 化的步伐。 关键词：先进制造技术现代设计技术设计知识知识获取 1现代设计技术【1】及其在先进制造技术中的作用 产品设计是制造业的灵魂。如果说“管理”是制造业的大脑，那 么“管理”的最重要的任务之一就是为企业铸造好这个灵魂。因为不 管如何，产品的结构、性能、质量（全面满足用户要求）、成本（全 成本)、交货时间（含新产品开发时间）以及可制造性、可维修性（含 产品升级)以及人、机、环境关系等等，原则上都是在产品的设计阶 段确定的。而制造业之得以生存和发展，则取决于其一代一代的产品 在激烈的市场竞争中，能否为用户所选中和接受，也就是说，这是一 个买方市场。 “先进制造技术”是美国人在他们国民经济发展进程中提出来
1 中国机械工程, No.6, 1996, pp. 36-41 现代设计与知识获取 谢友柏 西安交通大学润滑理论及轴承研究所 摘要：产品设计是制造业的灵魂。为改善中国制造业的境遇和推动制 造技术的发展，我们必须认清中国的制造业和发达国家，例如美国的 制造业之间的差异。缺乏开发市场上有竞争力的新产品的能力与缺乏 先进设备相比，是更为突出的弱点。上述能力中最重要的成份是设计 知识。一个新产品的竞争能力在于产品设计中新知识的含量。在现代 设计技术中，必须对为开发一个新产品获取新设计知识的能力的发展 给予更多的重视。本文讨论了设计知识的结构、获取设计知识的信息 来源和处理技术。建议在信息科学、知识工程和计算机技术的基础上 发展一个设计知识获取系统和并行设计环境以加速我国制造业现代 化的步伐。 关键词：先进制造技术 现代设计技术 设计知识 知识获取 1 现代设计技术 [ 1 ] 及其在先进制造技术中的作用 产品设计是制造业的灵魂。如果说“管理”是制造业的大脑, 那 么“管理”的最重要的任务之一就是为企业铸造好这个灵魂。因为不 管如何, 产品的结构、性能、质量 (全面满足用户要求)、成本 (全 成本)、交货时间 (含新产品开发时间) 以及可制造性、可维修性 (含 产品升级) 以及人、机、环境关系等等, 原则上都是在产品的设计阶 段确定的。而制造业之得以生存和发展, 则取决于其一代一代的产品 在激烈的市场竞争中, 能否为用户所选中和接受, 也就是说, 这是一 个买方市场。 “先进制造技术”是美国人在他们国民经济发展进程中提出来
的。当然，我国制造业问题更多。但是我们的制造业所面临的问题，是 否就是美国制造业所要解决的问题？我们在现代设计方面所面临的 问题，是否就是美国设计所要解决的问题？在“有所为，有所不为” 原则下，以及对“有所为”的部分，应如何“为”之，是必须首先弄 清楚的。否则，制造技术所要研究的命题浩如瀚海，我们向什么方向 去突破才能对国家目标有所贡献？美国的制造业和我们制造业的不 同，至少可以列举以下与讨论“现代设计技术”有关的几，点： (1)美国的制造业是经过二战和二战后空前的发展阶段，由于战 争需要及战后在全球范围中占有市场（例如马歇尔计划等），在刚性 生产的模式下，某些制造业（例如轿车）曾经经历过极度的发展，他 们是在这种发展之后谈“夕阳工业”的。我国的制造业从来没有经历 过这种发展：解放前，我们是一个半殖民地国家，工业十分落后，几 乎谈不上自己的制造业；解放后，虽然工业得到一定程度的发展，但 发展是不完整的，一是始终依赖苏联技术，二是没有市场经济环境。 在一个封闭的、贫穷的经济条件下，又频繁地受到政治因素的干扰， 这种发展先天不足，后天失调，根本谈不上夕阳不夕阳的问题。 (2)美国的制造业经历长期发展过程之后，在企业中都形成了强 大的研究开发力量。这种研发力量是它不断推出一代又一代产品到市 场上去竞争的支柱。例如据说贝尔实验室曾平均每天产生一个专利。 美国的企业对大学和研究单位的要求往往只是出论文，而由论文至 技术到产品的任务则是在企业的开发中心内进行。在这种模式下，企 业的研发部门不仅积累了大量经验知识，而且形成一整套不断获取 新知识的管理体制。我国过去由于计划经济体制，设计和开发任务长 期以来是放在设计院、研究所中进行，工厂只负责按图纸制造；又由 于条块分割，一个行业只管自己行业的产品，而于其它方面则从不问 津。一旦计划经济体制改变，工厂变成独立经营的企业，这种研发力 量绝不是一朝一夕所能建立起来的。即使强制将一些设计院、研究所 并入某个工厂，也绝非很快就能运行自如。尤其是要使产品多样化以 适应市场变化，例如生产大电机的工厂要生产家用烤箱，生产轧钢机 的工厂要生产积成芯片，则更是难上加难。美国在大谈“夕阳工业” 并把制造业向国外转移的时候，转出去的主要是企业的产品制造部 份，而其研发部门则仍牢牢地控制在国内。可见，产品研发是制造业 中执牛耳的部份。 2
2 的。当然, 我国制造业问题更多。但是我们的制造业所面临的问题, 是 否就是美国制造业所要解决的问题? 我们在现代设计方面所面临的 问题, 是否就是美国设计所要解决的问题? 在“有所为, 有所不为” 原则下, 以及对“有所为”的部分, 应如何“为”之, 是必须首先弄 清楚的。否则, 制造技术所要研究的命题浩如瀚海, 我们向什么方向 去突破才能对国家目标有所贡献？美国的制造业和我们制造业的不 同, 至少可以列举以下与讨论“现代设计技术”有关的几点: (1) 美国的制造业是经过二战和二战后空前的发展阶段, 由于战 争需要及战后在全球范围中占有市场 (例如马歇尔计划等), 在刚性 生产的模式下, 某些制造业 (例如轿车) 曾经经历过极度的发展, 他 们是在这种发展之后谈“夕阳工业”的。我国的制造业从来没有经历 过这种发展: 解放前, 我们是一个半殖民地国家, 工业十分落后, 几 乎谈不上自己的制造业; 解放后, 虽然工业得到一定程度的发展, 但 发展是不完整的, 一是始终依赖苏联技术, 二是没有市场经济环境。 在一个封闭的、贫穷的经济条件下, 又频繁地受到政治因素的干扰, 这种发展先天不足, 后天失调, 根本谈不上夕阳不夕阳的问题。 (2) 美国的制造业经历长期发展过程之后, 在企业中都形成了强 大的研究开发力量。这种研发力量是它不断推出一代又一代产品到市 场上去竞争的支柱。例如据说贝尔实验室曾平均每天产生一个专利。 美国的企业对大学和研究单位的要求往往只是出论文, 而由论文至 技术到产品的任务则是在企业的开发中心内进行。在这种模式下, 企 业的研发部门不仅积累了大量经验知识, 而且形成一整套不断获取 新知识的管理体制。我国过去由于计划经济体制, 设计和开发任务长 期以来是放在设计院、研究所中进行, 工厂只负责按图纸制造; 又由 于条块分割, 一个行业只管自己行业的产品, 而于其它方面则从不问 津。一旦计划经济体制改变, 工厂变成独立经营的企业, 这种研发力 量绝不是一朝一夕所能建立起来的。即使强制将一些设计院、研究所 并入某个工厂, 也绝非很快就能运行自如。尤其是要使产品多样化以 适应市场变化, 例如生产大电机的工厂要生产家用烤箱, 生产轧钢机 的工厂要生产积成芯片, 则更是难上加难。美国在大谈“夕阳工业” 并把制造业向国外转移的时候, 转出去的主要是企业的产品制造部 份, 而其研发部门则仍牢牢地控制在国内。可见, 产品研发是制造业 中执牛耳的部份
(③)美国的基础研究是当今世界上最领先的。基础研究为制造业 提供了丰富的元知识和领域知识。美国还集中了全世界由它国出资培 养、携带着在它国积累的丰富经验的优秀研究人才，他们不断为美国 制造业输送新的思想和研究成果。我国则不然，我们的基础研究经费 少得可怜，而技术开发对基础研究需求疲软，研究成果的利用率也十 分低。从而我国培养的许多人才，把他们在中国所得到的经验连同他 们在中国的研究成果，在毫无知识产权保护的情况下，随着他们到美 国去学习或工作无偿地带到美国，为美国制造业做贡献。反差这样大， 我们必需非常认真地选择我们的“先进制造技术”的研究重点，解决 我们自己的问题，不能跟着美国学者漫无边际地去探索。 因此，在制定我国发展“先进制造技术”战略的时候，必须从我 国国情出发，走自己的路。配置先进的制造设备，固然需要，但是解 决自行设计能在市场上有竞争力的产品（另一种说法是能够不断产 生出有自己知识产权的设计)，就更加应当放到优先考虑的位置上。 我们解放后学苏联30年，开放后学西方20年，所得到的教训难道还 不够吗？技术引进，人家卖给我们的是即将淘汰的东西，等你投产之 后，他新设计的一代产品又如潮水般涌来。先进制造设备固然重要， 但有能卖得出去的东西生产更加重要。生产的东西卖不出去，积压在 仓库里，生产越多，亏损越大。产品与设备虽不必一一对应，但也有 密切关系。不考虑如何搞产品，先把设备建起来，搁置在那儿让它们 老化，许多浪费都是由此而来。 所以，在研究发展“先进制造技术”的战略时，不应当把关于发 展“现代设计技术”、包括它的理论和方法的研究放在架空的地位，也 不应当泛泛地讨论一些无所不包的算法。我们应当探讨制约我国制造 业迅速发展自己研发能力的众多因素，以及如何通过安排研究工作 支持他们解决这些问题。这里面包括如何利用现有国内外的有利条件 和我国国情特点，尽量不重复工业发达国家走过的轨迹，直接达到世 界现代设计技术的前沿。而是否达到前沿的标准则是看产品的综合竞 争能力究竞增加了多少。 现代产品的设计是基于知识的设计，有别于过去的基于经验 (一般意义下)的设计。设计是否成功，取决于其中现代知识的含量， 所以知识获取就成为问题关键。如果把知识作一个粗略的划分：把已 有知识的总和划为“经验”，把开发一个新产品所需要获取的知识划 3
3 (3) 美国的基础研究是当今世界上最领先的。基础研究为制造业 提供了丰富的元知识和领域知识。美国还集中了全世界由它国出资培 养、携带着在它国积累的丰富经验的优秀研究人才, 他们不断为美国 制造业输送新的思想和研究成果。我国则不然, 我们的基础研究经费 少得可怜, 而技术开发对基础研究需求疲软, 研究成果的利用率也十 分低。从而我国培养的许多人才, 把他们在中国所得到的经验连同他 们在中国的研究成果, 在毫无知识产权保护的情况下, 随着他们到美 国去学习或工作无偿地带到美国, 为美国制造业做贡献。反差这样大, 我们必需非常认真地选择我们的“先进制造技术”的研究重点, 解决 我们自己的问题, 不能跟着美国学者漫无边际地去探索。 因此, 在制定我国发展“先进制造技术”战略的时候, 必须从我 国国情出发, 走自己的路。配置先进的制造设备, 固然需要, 但是解 决自行设计能在市场上有竞争力的产品 (另一种说法是能够不断产 生出有自己知识产权的设计), 就更加应当放到优先考虑的位置上。 我们解放后学苏联 30 年, 开放后学西方 20 年, 所得到的教训难道还 不够吗? 技术引进, 人家卖给我们的是即将淘汰的东西, 等你投产之 后, 他新设计的一代产品又如潮水般涌来。 先进制造设备固然重要, 但有能卖得出去的东西生产更加重要。生产的东西卖不出去, 积压在 仓库里, 生产越多, 亏损越大。产品与设备虽不必一一对应, 但也有 密切关系。不考虑如何搞产品, 先把设备建起来, 搁置在那儿让它们 老化, 许多浪费都是由此而来。 所以, 在研究发展“先进制造技术”的战略时, 不应当把关于发 展“现代设计技术”、包括它的理论和方法的研究放在架空的地位, 也 不应当泛泛地讨论一些无所不包的算法。我们应当探讨制约我国制造 业迅速发展自己研发能力的众多因素, 以及如何通过安排研究工作 支持他们解决这些问题。这里面包括如何利用现有国内外的有利条件 和我国国情特点, 尽量不重复工业发达国家走过的轨迹, 直接达到世 界现代设计技术的前沿。而是否达到前沿的标准则是看产品的综合竞 争能力究竟增加了多少。 现代产品的设计是基于知识的设计, 有别于过去的基于经验 (一般意义下) 的设计。 设计是否成功, 取决于其中现代知识的含量, 所以知识获取就成为问题关键。如果把知识作一个粗略的划分: 把已 有知识的总和划为“经验”, 把开发一个新产品所需要获取的知识划
为“新知识”；那未是否可以说新产品在市场上的竞争能力是与它的 新知识含量直接有关？知识获取是知识工程中的一个难题，是专家系 统建设中的瓶颈问题。专家系统如果没有不断更新的知识去充实它们， 那将只能是一个无知系统。任何时候、任何场合也没有像我国制造业 在发展现代设计技术时那么迫切需要解决知识获取的问题。 顺便说一句，CAD中的“D”绝不能理解为“制图”。在以引进 技术和仿制为主的制造业中，“设计”的主要工作当然只剩下制图了。 现代产品设计是大规模知识获取和运用的过程，制图只不过是这个过 程的最终表达罢了。而且也不是一切都能由图形表达的，大量非图形 的特征只能用其它方法表达。以“丢掉图板”作为CAD的追求目标，反 映了我们对现代设计认识的局限性。 2现代设计的特点 现代设计是基于知识的设计，它有别于一些同志所说的“我们 设计能力很强，问题是制造不出来”意义下的那种“设计”。那么现 代设计的特点究竟是什么呢？ (1)首先，现代设计是面向市场、面向用户的的设计，企业制 造出来的产品要面对激烈竞争的市场。因此，用户的满意程度就是 竞争胜负的基本要素。开放以后，国内市场与国际市场正在加速向统 一市场发展，全世界的制造业在一个统一的大市场中竞争。用户满意 的标准常常受各种因素左右，说到底主要还是产品的性能（含质量） 和价格（含与效益有关的其他诸因素）两个方面，面向用户的设计就 是在这样一个环境下运行。所谓“面向制造的设计”这种说法是不全 面的，“制造”是设计中要考虑的一个重要因素，面向制造的设计是 设计全过程中一个不可缺少的组成部份，但绝不是全部。 (2)在争取用户满意的竞争中，现代设计要求对产品进行全寿命 周期设计。所谓全寿命周期设计，就是在设计时要考虑设计、制造、 安装、运行、维修（含产品升级）、报废（废品处理和部分再循环使 用)每一个阶段中用户的要求。传统上设计主要是考虑以成品为终 点的产品的性能和价格。但是许多大型设备往往要由另外的安装公司 安装，例如电站汽轮发电机组。安装公司不能改变汽轮发电机组的设 计，但设计却应当考虑能保证安装质量的结构，同时要考虑快速、便 4
4 为“新知识”; 那未是否可以说新产品在市场上的竞争能力是与它的 新知识含量直接有关? 知识获取是知识工程中的一个难题, 是专家系 统建设中的瓶颈问题。专家系统如果没有不断更新的知识去充实它们, 那将只能是一个无知系统。任何时候、任何场合也没有像我国制造业 在发展现代设计技术时那么迫切需要解决知识获取的问题。 顺便说一句, CAD 中的“D”绝不能理解为“制图”。在以引进 技术和仿制为主的制造业中,“设计”的主要工作当然只剩下制图了。 现代产品设计是大规模知识获取和运用的过程,制图只不过是这个过 程的最终表达罢了。而且也不是一切都能由图形表达的, 大量非图形 的特征只能用其它方法表达。以“丢掉图板”作为 CAD 的追求目标, 反 映了我们对现代设计认识的局限性。 2 现代设计的特点 现代设计是基于知识的设计，它有别于一些同志所说的“我们 设计能力很强，问题是制造不出来”意义下的那种“设计”。那么现 代设计的特点究竟是什么呢？ (1) 首先， 现代设计是面向市场、面向用户的的设计，企业制 造出来的产品要面对激烈竞争的市场。 因此，用户的满意程度就是 竞争胜负的基本要素。开放以后，国内市场与国际市场正在加速向统 一市场发展，全世界的制造业在一个统一的大市场中竞争。用户满意 的标准常常受各种因素左右，说到底主要还是产品的性能 (含质量) 和价格 (含与效益有关的其他诸因素) 两个方面，面向用户的设计就 是在这样一个环境下运行。所谓“面向制造的设计”这种说法是不全 面的，“制造”是设计中要考虑的一个重要因素, 面向制造的设计是 设计全过程中一个不可缺少的组成部份, 但绝不是全部。 (2) 在争取用户满意的竞争中, 现代设计要求对产品进行全寿命 周期设计。所谓全寿命周期设计，就是在设计时要考虑设计、制造、 安装、运行、维修 (含产品升级)、报废 (废品处理和部分再循环使 用) 每一个阶段中用户的要求。 传统上设计主要是考虑以成品为终 点的产品的性能和价格。但是许多大型设备往往要由另外的安装公司 安装, 例如电站汽轮发电机组。安装公司不能改变汽轮发电机组的设 计, 但设计却应当考虑能保证安装质量的结构, 同时要考虑快速、便
易的安装；运行中的成本是用户非常关心的方面；人、机、环境之间 的关系对设计提出越来越苛刻的要求；少维修和免维修常常是家用产 品追求的目标；简单更换就能使产品升级换代是当今产品品种迅猛发 展的形势向产品设计提出的新问题；设备报废后的处理也必须在设计 中予以考虑，有的国家法律规定设备报废后必须有一定比例部分可 循环再使用；等等。以成品为终点的设计（简称成品设计，下同）与 全寿命周期设计有本质上的不同。 全寿命周期设计为设计带来了一个新的概念：设计对象是一个时 变系统。成品设计，是把产品当成是时不变系统。面向制造的设计只 保证加工质量，即制造出来的新产品符合质量检验标准，而不考虑使 用以后性能随时间变化的规律。设计时变系统，不仅设计工程师要知 道设计对象的时变规律，而且还要让用户随时知道产品使用中当前 的状况。因此对于重大产品，具有状态监测和故障诊断子功能是设计 时必须考虑的。同时，对于要求状态稳定的产品，状态补偿和控制子 结构也将在未来的产品中得到广泛应用。 (3)现代设计不仅要面对一个时变的对象，还要面对越来复杂的 系统。现代机器，许多实际上就是一个机器人，今后越来越多的机器 将具有机器人的特征，而且对这些机器人智能化的要求也将越来越 高。举轴承这样一个最简单的机器部件为例，采用现代主动控制电磁 轴承实际上就是用了一个“支承机器人”。电磁轴承具有感觉，能 知道所支承转子的载荷以及载荷的变化（例如作用在转子上的不平 衡力和其它意外干扰力)，载荷信号传到控制器，这一电磁轴承的“大 脑”经过分析、“思考”，由预先“学习”到大脑里面的控制策略 作出决策并向执行器发出指令，执行器就改变通过电磁铁(“肌肉”) 的电流以适应载荷变化，从而使得支承一个不平衡转子和支承事先 平衡好的转子一样运行平稳，即具有所谓的自平衡（状态自动补偿 和控制)功能，如果还设置有另一个执行器，电磁轴承可以以多种方 式，包括用语音（多媒体）告知运行人员载荷的变化，甚至可以告诉 他正在高速旋转的转子中发生了什么问题，同时实现了状态监测和 故障诊断的要求。 (4)现代设计的设计对象不断进入过去未达到的领域。不需要过 多展开就可阐明人类正在进入太空：高真空、强幅射、大温差、长寿 命要求；微观世界：纳米尺度、分子模拟；深水：6000米水深或更 5
5 易的安装；运行中的成本是用户非常关心的方面; 人、机、环境之间 的关系对设计提出越来越苛刻的要求；少维修和免维修常常是家用产 品追求的目标；简单更换就能使产品升级换代是当今产品品种迅猛发 展的形势向产品设计提出的新问题；设备报废后的处理也必须在设计 中予以考虑, 有的国家法律规定设备报废后必须有一定比例部分可 循环再使用；等等。以成品为终点的设计 (简称成品设计, 下同) 与 全寿命周期设计有本质上的不同。 全寿命周期设计为设计带来了一个新的概念：设计对象是一个时 变系统。成品设计, 是把产品当成是时不变系统。面向制造的设计只 保证加工质量, 即制造出来的新产品符合质量检验标准, 而不考虑使 用以后性能随时间变化的规律。设计时变系统, 不仅设计工程师要知 道设计对象的时变规律, 而且还要让用户随时知道产品使用中当前 的状况。因此对于重大产品, 具有状态监测和故障诊断子功能是设计 时必须考虑的。同时, 对于要求状态稳定的产品, 状态补偿和控制子 结构也将在未来的产品中得到广泛应用。 (3) 现代设计不仅要面对一个时变的对象, 还要面对越来复杂的 系统。现代机器, 许多实际上就是一个机器人, 今后越来越多的机器 将具有机器人的特征, 而且对这些机器人智能化的要求也将越来越 高。举轴承这样一个最简单的机器部件为例, 采用现代主动控制电磁 轴承 实际上就是用了一个“支承机器人”。电磁轴承具有感觉, 能 知道所支承转子的载荷以及载荷的变化 (例如作用在转子上的不平 衡力和其它意外干扰力), 载荷信号传到控制器, 这一电磁轴承的“大 脑”经过分析、“思考”, 由预先“学习”到大脑里面的控制策略 作出决策并向执行器发出指令, 执行器就改变通过电磁铁 (“肌肉”) 的电流以适应载荷变化, 从而使得支承一个不平衡转子和支承事先 平衡好的转子一样运行平稳, 即具有所谓的自平衡 (状态自动补偿 和控制) 功能，如果还设置有另一个执行器, 电磁轴承可以以多种方 式, 包括用语音 (多媒体) 告知运行人员载荷的变化, 甚至可以告诉 他正在高速旋转的转子中发生了什么问题, 同时实现了状态监测和 故障诊断的要求。 (4) 现代设计的设计对象不断进入过去未达到的领域。不需要过 多展开就可阐明人类正在进入太空：高真空、强幅射、大温差、长寿 命要求；微观世界：纳米尺度、分子模拟; 深水：6000 米水深或更
深；生命科学：基因观察或移植；等等。包括家用产品，对产品性能 要求的递增速度从来没有像今天这样快。 (⑤)现代设计技术需要多层次，多方面的支持和巨大投入。主要 是两方面：知识（含人才）和资金，与传统设计相比，现代设计对投 入的需求是难以想像的。这将在下一节中作进一步的展开 现代设计这5方面的特点充分表明，设计知识是一个动态的集 合。认为查手册就可以设计的时代已不存在。 3设计知识获取的研究 设计知识获取有两方面内容：技术方面的和管理方面的。这里主 要讨论技术方面的问题。如果把包括设计过去一代产品的知识都归入 已有知识范畴的话，那么其它都是为设计新一代产品所需要获取的 新知识。信息科学发展到今天，制造业已不单讲“竞争”这一面，而 是竞争与合作并存的局面。在这种局面下，设计知识的拥有，也分为 独有和共享两部分。知识产权当然是指独有的那部份，共享部分主要 是经验范畴中的内容。经验并不都能共享，许多经验是绝对保密的。 但是，产品所赖以发展和竞争的，则主要是上面所说的新知识。无论 如何，所有知识在一个企业内部，即使有授权等级的区别，总是高度 共享的。 设计一个产品的知识，通常有以下几方面来源1： (1)已有知识 (2)市场信息 (3)数字仿真或虚拟现实 (4)物理模型试验 (5)样机试验 (6)已有产品运行中的表现（用户反映） 在这里没有把灵感创作列为知识来源，因为这在设计知识产生 的任何方面、任何阶段都不可或缺，但灵感创作一般需经上述任一方 面的检验和认同之后，才能成为知识。现就以上6方面分别讨论如下。 3.1已有知识 “经验”包括设计过去一代产品的全部知识，这样划分便于新知 6
6 深；生命科学：基因观察或移植；等等。包括家用产品, 对产品性能 要求的递增速度从来没有像今天这样快。 (5) 现代设计技术需要多层次，多方面的支持和巨大投入。主要 是两方面：知识 (含人才)和资金, 与传统设计相比, 现代设计对投 入的需求是难以想像的。这将在下一节中作进一步的展开。 现代设计这 5 方面的特点充分表明, 设计知识是一个动态的集 合。认为查手册就可以设计的时代已不存在。 3 设计知识获取的研究 设计知识获取有两方面内容: 技术方面的和管理方面的。这里主 要讨论技术方面的问题。如果把包括设计过去一代产品的知识都归入 已有知识范畴的话, 那么其它都是为设计新一代产品所需要获取的 新知识。信息科学发展到今天, 制造业已不单讲“竞争”这一面, 而 是竞争与合作并存的局面。在这种局面下, 设计知识的拥有, 也分为 独有和共享两部分。知识产权当然是指独有的那部份, 共享部分主要 是经验范畴中的内容。经验并不都能共享, 许多经验是绝对保密的。 但是, 产品所赖以发展和竞争的, 则主要是上面所说的新知识。无论 如何, 所有知识在一个企业内部, 即使有授权等级的区别, 总是高度 共享的。 设计一个产品的知识, 通常有以下几方面来源[2]: (1) 已有知识 (2) 市场信息 (3) 数字仿真或虚拟现实 (4) 物理模型试验 (5) 样机试验 (6) 已有产品运行中的表现 (用户反映) 在这里没有把灵感创作列为知识来源, 因为这在设计知识产生 的任何方面、任何阶段都不可或缺, 但灵感创作一般需经上述任一方 面的检验和认同之后, 才能成为知识。现就以上 6方面分别讨论如下。 3.1 已有知识 “经验”包括设计过去一代产品的全部知识, 这样划分便于新知
识获取的研究。经验当然既包括元知识，也包括领域知识。对于制造 业来说，即使是一个行业，这也是一个浩瀚的知识领域，既不能仅由 书籍、手册作为载体，也不能仅以文献作为载体。因为书籍所记载的 大约为10年前的知识，文献则大约为5年前的知识，更新起来需要 很长的时间。当然更不能靠个人记忆或设计师把它们抄录在自己的小 本子上来存贮和使用。前面已经说过，我们的基础研究和开发研究， 比起美国来薄弱得多。但开放改革以来，国家也尽很大努力建立了许 多国家级的重点实验室、工程研究中心、部委级的开放实验室；从“六 五”、“七五”、“八五”以至“九五”下达了不少研究项目（基金、 攻关、攀登、火炬、)，投入经费与工业发达国家相比虽然不多， 但对我们说来已经是不小的数目。如何组织和用好这部分研发资源及 其成果对中国的制造业具有特别重要意义。要靠企业积累资金来建设 自己的研发中心，时间会十分漫长。而利用好已有的资源，则是一条 捷径。上海市市长徐匡迪在上海汽车工业科技发展基金成立大会上的 讲话，就表达了这个意愿。但是有一个问题：通常企业的研发部门是 企业的一部分，承上启下关系十分明确。而现在企业外的这些研究单 位，大都归国家某行政部门领导，这些行政部门不是研究成果的直接 使用者。上述设想能否成功，关键在于能否把这些研究部门的有关工 作组织成如同企业内部各部门的工作那样。从历史上看，这种研究成 果向企业转移的情况是很不理想的。通常企业要花很大的力量接受和 理解它们。至于把分散的研究成果组织起来成为可供产品设计的知识， 则更是费时无度，困难重重。所以过去的研究成果是利用不多，流失 不少。在管理上，可以通过研究所谓的虚拟公司的形式来解决，正在 向有关方面建议一种虚拟研发中心的管理模式。在技术上，要回答的 应当包括设计某一类产品的问题的分解，所需要的知识的知识结构， 不同类型知识的统一表达，信息交换的协议，知识的存贮、增删、修 改、调用权限设定、加密、并行作业等等。所有参与研发的单位都要 遵守相同的约定。虽然对后面5方面来源的知识同样存在这些问题， 但只要把已有知识建模问题解决了，以后的新知识就可以按照同样 原则处理。如果研发是在不同实验室中做的，还要解决信息传输的网 络问题。总的说来，就是要研究一个能以知识支持并行设计的环境， 包括一个大的知识库和信息传输网络，并将当前所有知识经过处理 后都存贮进去。 7
7 识获取的研究。经验当然既包括元知识, 也包括领域知识。对于制造 业来说, 即使是一个行业, 这也是一个浩瀚的知识领域, 既不能仅由 书籍、手册作为载体, 也不能仅以文献作为载体。因为书籍所记载的 大约为 10 年前的知识, 文献则大约为 5 年前的知识，更新起来需要 很长的时间。当然更不能靠个人记忆或设计师把它们抄录在自己的小 本子上来存贮和使用。前面已经说过, 我们的基础研究和开发研究, 比起美国来薄弱得多。但开放改革以来, 国家也尽很大努力建立了许 多国家级的重点实验室、工程研究中心、部委级的开放实验室; 从“六 五”、“七五”、“八五”以至“九五”下达了不少研究项目 (基金、 攻关、攀登、火炬、……), 投入经费与工业发达国家相比虽然不多, 但对我们说来已经是不小的数目。如何组织和用好这部分研发资源及 其成果对中国的制造业具有特别重要意义。要靠企业积累资金来建设 自己的研发中心, 时间会十分漫长。而利用好已有的资源, 则是一条 捷径。上海市市长徐匡迪在上海汽车工业科技发展基金成立大会上的 讲话, 就表达了这个意愿。但是有一个问题: 通常企业的研发部门是 企业的一部分, 承上启下关系十分明确。而现在企业外的这些研究单 位, 大都归国家某行政部门领导, 这些行政部门不是研究成果的直接 使用者。上述设想能否成功, 关键在于能否把这些研究部门的有关工 作组织成如同企业内部各部门的工作那样。从历史上看, 这种研究成 果向企业转移的情况是很不理想的。通常企业要花很大的力量接受和 理解它们。至于把分散的研究成果组织起来成为可供产品设计的知识, 则更是费时无度, 困难重重。所以过去的研究成果是利用不多, 流失 不少。在管理上, 可以通过研究所谓的虚拟公司的形式来解决, 正在 向有关方面建议一种虚拟研发中心的管理模式。在技术上，要回答的 应当包括设计某一类产品的问题的分解, 所需要的知识的知识结构, 不同类型知识的统一表达, 信息交换的协议, 知识的存贮、增删、修 改、调用权限设定、加密、并行作业等等。所有参与研发的单位都要 遵守相同的约定。虽然对后面 5 方面来源的知识同样存在这些问题, 但只要把已有知识建模问题解决了, 以后的新知识就可以按照同样 原则处理。如果研发是在不同实验室中做的, 还要解决信息传输的网 络问题。总的说来, 就是要研究一个能以知识支持并行设计的环境, 包括一个大的知识库和信息传输网络, 并将当前所有知识经过处理 后都存贮进去
3.2市场信息 设计所需的市场信息至少有4方面内容： (1)需求信息。当然这种信息应当是由经营管理人员或某种智能 系统处理过的，以确定的或模糊的形式给出，使设计人员便于应用。 (2)供货信息。合作生产几乎已经是普遍的生产形式。合作生产 中，部分或大部分组件是由配件制造企业提供的。现在已可以用多媒 体产品目录来准备和处理供货信息。不仅有制造过程的合作，还有 产品设计和知识获取方面的合作，这就要求一种更广泛的信息资源。 (3)成本信息。不仅是企业内部为设计、制造、售后服务所需要 的成本。还包含其它所有可能合作的过程需要的成本。 (4)竞争信息。其它企业投入或即将投入市场的同类或代替产品 的性能、价格等方面的信息。 3.3数字仿真或虚拟现实 数字仿真或更高级的虚拟现实，都是建立在一系列数学模型基 础上的。根据给定的系统结构和对系统的输入，预测系统的性能和行 为。它是获得关于一种新构想或新设计的知识的有效工具。因为主要 是在计算机上操作，通常不制作专用的模型和实物，在软件和硬件的 配置上具有很大柔性，因而能节省时间和资金，可以为设计人员在考 察其设计构想时大规模地运用。这种关于新设计或新构想的知识，和 经验相比，就属于新知识范畴。 数字仿真和虚拟现实在知识获取方面具有巨大的潜力，但绝不是 万能的。如果真正要把数字仿真和虚拟现实当作设计知识获取的一 个全面有力的工具，而不是仅仅作为某些狭窄目标知识获取的工具， 那就必需面对如下事实：随着对产品性能要求不断提高和对自然规 律认识不断深化，我们总是处在没有数学模型和有数学模型，旧数学 模型和新数学模型的不断交替的过程之中。所有新发现的现象或新构 想从一开始都没有数学模型或没有准确的数学模型。这里可以说一说 “摩擦学设计”。由于一个机械系统的摩擦学性态及行为有强烈的系 统依赖性和时间依赖性，同时它们又是分属于许多不同学科研究的 过程综合影响的结果，所以摩擦学问题的数学建模问题十分复杂。 例如即使是一副简单的试样，在一种系统条件（例如Timken机）下 8
8 3.2 市场信息 设计所需的市场信息至少有 4 方面内容: (1) 需求信息。当然这种信息应当是由经营管理人员或某种智能 系统处理过的, 以确定的或模糊的形式给出, 使设计人员便于应用。 (2) 供货信息。合作生产几乎已经是普遍的生产形式。合作生产 中, 部分或大部分组件是由配件制造企业提供的。现在已可以用多媒 体产品目录来准备和处理供货信息[3]。不仅有制造过程的合作, 还有 产品设计和知识获取方面的合作, 这就要求一种更广泛的信息资源。 (3) 成本信息。不仅是企业内部为设计、制造、售后服务所需要 的成本。还包含其它所有可能合作的过程需要的成本。 (4) 竞争信息。其它企业投入或即将投入市场的同类或代替产品 的性能、价格等方面的信息。 3.3 数字仿真或虚拟现实 数字仿真或更高级的虚拟现实, 都是建立在一系列数学模型基 础上的。根据给定的系统结构和对系统的输入, 预测系统的性能和行 为。它是获得关于一种新构想或新设计的知识的有效工具。因为主要 是在计算机上操作, 通常不制作专用的模型和实物, 在软件和硬件的 配置上具有很大柔性, 因而能节省时间和资金, 可以为设计人员在考 察其设计构想时大规模地运用。这种关于新设计或新构想的知识, 和 经验相比, 就属于新知识范畴。 数字仿真和虚拟现实在知识获取方面具有巨大的潜力, 但绝不是 万能的。 如果真正要把数字仿真和虚拟现实当作设计知识获取的一 个全面有力的工具, 而不是仅仅作为某些狭窄目标知识获取的工具, 那就必需面对如下事实: 随着对产品性能要求不断提高和对自然规 律认识不断深化, 我们总是处在没有数学模型和有数学模型, 旧数学 模型和新数学模型的不断交替的过程之中。所有新发现的现象或新构 想从一开始都没有数学模型或没有准确的数学模型。这里可以说一说 “摩擦学设计”。由于一个机械系统的摩擦学性态及行为有强烈的系 统依赖性和时间依赖性, 同时它们又是分属于许多不同学科研究的 过程综合影响的结果, 所以摩擦学问题的数学建模问题十分复杂[4] 。 例如即使是一副简单的试样, 在一种系统条件 (例如 Timken 机) 下
获得的结果，往往不同于另一系统条件（例如SV机）下的结果，当 然也不同于待设计的目标系统系统条件下的结果；另外，对于新系 统、跑合系统、磨损系统的结果也不一样。这样为了仿真的需要，我 们不仅要有系统行为本身的数学模型（这个模型涉及到许多不同学 科研究的问题)，还要有系统条件转化的模型和时变规律（为全寿命 周期设计服务)的模型。否则仿真所做的预测就不准确。这个事实一 方面告诉我们，在讨论建立一个无所不包的模型，也包括讨论建立在 数学模型基础上的各种优化研究时，要持慎重态度；另一方面也为我 们提供了现代设计研究几乎是无限的领域，因为产品设计总是要求 提供的设计知识越来越逼近真知，给出的预测越来越精确。 要对大系统和复杂过程进行数字仿真和虚拟现实，不仅仅是数 学模型和计算机运算的问题，还涉及到多媒体技术、传感器技术、伺 服技术等等。某些虚拟现实系统具有非常复杂和庞大的结构，而且是 十分昂贵的。有的并带有部分物理模拟的特点，可以说是一种混合模 拟。例如模拟宇宙载人舱。当然与发射一个真的载人舱到空间去相比， 花费的时间和资金已小得多了。这些都是用数字仿真和虚拟现实获取 知识所要研究的问题。 优化问题，首先是模型问题，其后才是算法问题。而模型则是人 们对所优化的问题的已有知识的集中表现。知识不断更新，模型也不 断发展，没有一成不变的模型。所以优化研究归根结底也离不开对所 研究问题的各种来源的知识获取。 3.4物理模型试验 正如前节关于数学模型发展和更新讨论中所涉及的问题那样，许 多过程还没有令人满意的数学模型。此外，所有数学模型都是建立在 假设的基础上的。为了建立尚不具备的数学模型和对一些由仿真得来 的知识在重要应用中要求从别的方面检验的需要，必需做物理模型 的试验。没有对物理现象的精确观察就能获得知识是不能想像的。这 对研发基础薄弱，设计知识贫乏的我国制造业尤为重要。由于没有充 份掌握必要准确的设计知识而造成重大经济损失的教训，早年有过， 现在还有。 物理模型试验不是实物试验，它是在不同系统条件下进行的。物 理模型设计是基于系统条件转换的理论。对于可由微分方程组描述的 9
9 获得的结果, 往往不同于另一系统条件 (例如 SRV 机) 下的结果, 当 然也不同于待设计的目标系统系统条件下的结果; 另外, 对于新系 统、跑合系统、磨损系统的结果也不一样。这样为了仿真的需要, 我 们不仅要有系统行为本身的数学模型 (这个模型涉及到许多不同学 科研究的问题), 还要有系统条件转化的模型和时变规律 (为全寿命 周期设计服务)的模型。否则仿真所做的预测就不准确。这个事实一 方面告诉我们, 在讨论建立一个无所不包的模型, 也包括讨论建立在 数学模型基础上的各种优化研究时, 要持慎重态度; 另一方面也为我 们提供了现代设计研究几乎是无限的领域, 因为产品设计总是要求 提供的设计知识越来越逼近真知, 给出的预测越来越精确。 要对大系统和复杂过程进行数字仿真和虚拟现实, 不仅仅是数 学模型和计算机运算的问题, 还涉及到多媒体技术、传感器技术、伺 服技术等等。某些虚拟现实系统具有非常复杂和庞大的结构, 而且是 十分昂贵的。有的并带有部分物理模拟的特点, 可以说是一种混合模 拟。例如模拟宇宙载人舱。当然与发射一个真的载人舱到空间去相比, 花费的时间和资金已小得多了。这些都是用数字仿真和虚拟现实获取 知识所要研究的问题。 优化问题, 首先是模型问题, 其后才是算法问题。而模型则是人 们对所优化的问题的已有知识的集中表现。知识不断更新, 模型也不 断发展, 没有一成不变的模型。所以优化研究归根结底也离不开对所 研究问题的各种来源的知识获取。 3.4 物理模型试验 正如前节关于数学模型发展和更新讨论中所涉及的问题那样, 许 多过程还没有令人满意的数学模型。此外, 所有数学模型都是建立在 假设的基础上的。为了建立尚不具备的数学模型和对一些由仿真得来 的知识在重要应用中要求从别的方面检验的需要, 必需做物理模型 的试验。没有对物理现象的精确观察就能获得知识是不能想像的。这 对研发基础薄弱, 设计知识贫乏的我国制造业尤为重要。由于没有充 份掌握必要准确的设计知识而造成重大经济损失的教训, 早年有过, 现在还有。 物理模型试验不是实物试验, 它是在不同系统条件下进行的。物 理模型设计是基于系统条件转换的理论。对于可由微分方程组描述的
过程，通常由相似理论作为系统条件转换的准则。但不是所有过程都 能找到合适的微分方程组，所以仍有许多工作有待研究。 物理模型试验的计算机控制和试验结果的处理是需要研究的另 一类课题。 3.5样机试验 在设计物理模型试验时所做的系统条件转换是否正确，要由样 机试验来回答。现在大家都在谈论波音777飞机的设计。但我们并不 了解他们设计的内部过程，例如他们的知识库中究竟装了一些什么 东西，以及他们究竟是如何利用在设计其它飞机时所积累起来的经 验的。另外有相反的例子：日本日产株式会社已经有3个试车场，还 在计划建新的试车场。 样机试验的投资巨大，所得到的信息的采集、传输、存贮、整理， 特别是由此得到的信息，如何与上述其它方面得到的信息一起融合 ,尽快变成设计知识，使获得的新知识服务于新一代产品的迅速设 1 批注0A+1: 产，决定了投资的回报率，是需要研究的重要的知识工程问题。 批注PI0A+2外 批注Pi0A3引： 所有上述5方面都包括制造产品各个部份以至整体的制造工艺 过程的知识。 3.6产品运行表现（用户反映） 面向用户的制造业把用户反映当成是对设计和制造质量的最终 检验。要做全寿命周期的设计，包括考虑售后服务（含安装、调试、 维修、升级、废料处理等等)以及人、机、环境关系，我国的制造业 是不熟悉的。出了问题要处理，于是就有了“下现场”的任务。现在 下现场主要是解决问题，解决了就回来，没有形成一条设计知识反馈 的完备的渠道。这里面也有两方面问题，一是管理，二是技术。技术 方面是要建立一个网络，使这条渠道能够畅通。首先是所设计的产品 要有必要的状态监测子系统，这是企业收集自已产品性能时变规律 第一手材料的最好的手段。现在回到网络问题上，对于重要的为数不 多的固定式产品，其状态监测子系统所测得的信息可以通过各种通 讯网络直接传送到企业的设计部门，现在国内外都已有这种尝试。 企业可以长时期地记录和观察它的产品的运行、退化、恢复、再退 10
10 过程, 通常由相似理论作为系统条件转换的准则。但不是所有过程都 能找到合适的微分方程组, 所以仍有许多工作有待研究。 物理模型试验的计算机控制和试验结果的处理是需要研究的另 一类课题。 3.5 样机试验 在设计物理模型试验时所做的系统条件转换是否正确, 要由样 机试验来回答。现在大家都在谈论波音 777 飞机的设计。但我们并不 了解他们设计的内部过程, 例如他们的知识库中究竟装了一些什么 东西, 以及他们究竟是如何利用在设计其它飞机时所积累起来的经 验的。另外有相反的例子: 日本日产株式会社已经有 3 个试车场, 还 在计划建新的试车场。 样机试验的投资巨大, 所得到的信息的采集、传输、存贮、整理, 特别是由此得到的信息, 如何与上述其它方面得到的信息一起融合 [5] ，尽快变成设计知识, 使获得的新知识服务于新一代产品的迅速设 产, 决定了投资的回报率, 是需要研究的重要的知识工程问题。 所有上述 5 方面都包括制造产品各个部份以至整体的制造工艺 过程的知识。 3.6 产品运行表现 (用户反映) 面向用户的制造业把用户反映当成是对设计和制造质量的最终 检验。要做全寿命周期的设计, 包括考虑售后服务 (含安装、调试、 维修、升级、废料处理等等) 以及人、机、环境关系, 我国的制造业 是不熟悉的。出了问题要处理, 于是就有了“下现场”的任务。现在 下现场主要是解决问题, 解决了就回来, 没有形成一条设计知识反馈 的完备的渠道。这里面也有两方面问题, 一是管理, 二是技术。技术 方面是要建立一个网络, 使这条渠道能够畅通。首先是所设计的产品 要有必要的状态监测子系统, 这是企业收集自已产品性能时变规律 第一手材料的最好的手段。现在回到网络问题上, 对于重要的为数不 多的固定式产品, 其状态监测子系统所测得的信息可以通过各种通 讯网络直接传送到企业的设计部门, 现在国内外都已有这种尝试[6] 。 企业可以长时期地记录和观察它的产品的运行、退化、恢复、再退 批注 [²ÌÔªÃ÷1]: 批注 [²ÌÔªÃ÷2]: 批注 [²ÌÔªÃ÷3]:
