机械工程学报，2007,43(11)：7-16 现代设计理论中若干基本概念研究 谢友柏 上海交通大学 西安交通大学 上海市华山路1954号(200030) 西安市成宁西路28号(710049) 摘要 设计理论在其长期发展过程中，产生的名词、定义和概念很多，而且同一个名词，常常 有不同的定义和不同的理解，也就是不同的概念。现代设计理论在自己的发展中，通过对现 代经济特点和制造业变化的研究，逐步赋予许多名词以新的定义和概念，它们已经成为现代 设计理论发展的基础。经验告诉我们，如果各自根据不同定义来理解现代设计理论的原理， 则往往会导向不同的结论。所以推动这些名词在现今条件下应有内涵的研究是十分重要的任 务。文中着重对性能，约束，需求，特征，需求驱动，状态等定义和概念进行了讨论，通过 介绍它们形成的背景和过程，说明它们在现代设计理论研究中新的内涵和应用。 关键词设计理论性能约束特征状态全生命周期分布式设计资源环境 中图分类号：TB21TH12TP391.72 前言 “设计”是人类活动中一个十分重要的 因为问题复杂，并不能认为已经解决，非常 内容，它所涵盖的范畴和由之产生的各种理 需要有进一步的研究。 论，都有着悠久历史过程"。在这个过程中 设计理论的研究不是设计方法的研究， 所产生的名词，是难以计数的。而关于名词 也不是设计方法的汇总研究。它应当是统帅 的内涵，则更经常有不同的解释。常常是一 整个设计过程基本规律的研究，在这些基本 个名词，各个行业、各个学派拿它做不同的 规律的基础上，可以根据需要产生许许多多 使用，有不同的内涵；而不同的名词，各个 方法，但是任何一种方法的研究，都不能代 行业、各个学派又常常用它来表达同一件 替设计理论的研究。另外，设计是一个由诸 事。特别是现在为了商业目的和其他需要， 多要素构成的复杂过程，仅仅从某一个片段 很多人热衷于以抄名词来代替事物本质的 或方面研究，要注意不能产生与整体对立的 研究。这种情况对理论发展是很不利的，常 结论。 常要化许多时间，去理解一个新的作品。特 制造业的使命是向社会提供产品，但是 别是进入信息时代，信息高速传递的效率， 产品只有通过市场竞争才能够实现它们的 会因此被理解和翻译的困难所吞食。 价值。从制造业的发展形势，可以看到制造 现代设计理论是在研究设计竞争规律和 业当前和今后的竞争实际上是设计的竞争； 分布式资源环境中的设计活动发展起来的。 竞争焦点集中在：是否能够率先引入最新技 方便信息传递和分布资源集成利用以提高 术，是否能够实现最短研发周期和最小设计 竞争力是研究的核心。所以非常重视定义统 及研发成本。现代设计理论认为：设计是制 一和概念清晰，但是这种统一，不能是实用 造业的灵魂，创新是设计的灵魂；设计是以 主义的，必须满足集成分布式资源环境中的 知识为基础，以获取新知识为中心；由于知 知识服务以支持设计竞争的需要，必须内涵 识获取是资源依赖的，竞争正在迫使企业的 准确和具有理论上的严肃性。定义和概念研 设计资源从垂直结构向水平结构即分布式 究是理论研究的重要组成部分，任何理论， 的资源环境转变。 总是从定义和阐述概念开始。也可以说，定 应当看到，已有的研究成果，由于下述 义和概念的研究，是理论研究的基础。虽然 原因离开这个认识还有距离，大量问题需要 在这方面我们已经做了十多年的工作，但是 更深入的研究
机械工程学报, 2007, 43(11): 7-16 现代设计理论中若干基本概念研究 谢友柏 上海交通大学 西安交通大学 上海市 华山路 1954 号（200030） 西安市 咸宁西路 28 号（710049） 摘要 设计理论在其长期发展过程中，产生的名词、定义和概念很多，而且同一个名词，常常 有不同的定义和不同的理解，也就是不同的概念。现代设计理论在自己的发展中，通过对现 代经济特点和制造业变化的研究，逐步赋予许多名词以新的定义和概念，它们已经成为现代 设计理论发展的基础。经验告诉我们，如果各自根据不同定义来理解现代设计理论的原理， 则往往会导向不同的结论。所以推动这些名词在现今条件下应有内涵的研究是十分重要的任 务。文中着重对性能，约束，需求，特征，需求驱动，状态等定义和概念进行了讨论，通过 介绍它们形成的背景和过程，说明它们在现代设计理论研究中新的内涵和应用。 关键词 设计理论 性能 约束 特征 状态 全生命周期 分布式设计资源环境 中图分类号：TB21 TH12 TP391.72 前言 “设计”是人类活动中一个十分重要的 内容，它所涵盖的范畴和由之产生的各种理 论，都有着悠久历史过程[1]。在这个过程中 所产生的名词，是难以计数的。而关于名词 的内涵，则更经常有不同的解释。常常是一 个名词，各个行业、各个学派拿它做不同的 使用，有不同的内涵；而不同的名词，各个 行业、各个学派又常常用它来表达同一件 事。特别是现在为了商业目的和其他需要， 很多人热衷于以抄名词来代替事物本质的 研究。这种情况对理论发展是很不利的，常 常要化许多时间，去理解一个新的作品。特 别是进入信息时代，信息高速传递的效率， 会因此被理解和翻译的困难所吞食。 现代设计理论是在研究设计竞争规律和 分布式资源环境中的设计活动发展起来的。 方便信息传递和分布资源集成利用以提高 竞争力是研究的核心。所以非常重视定义统 一和概念清晰，但是这种统一，不能是实用 主义的，必须满足集成分布式资源环境中的 知识服务以支持设计竞争的需要，必须内涵 准确和具有理论上的严肃性。定义和概念研 究是理论研究的重要组成部分，任何理论， 总是从定义和阐述概念开始。也可以说，定 义和概念的研究，是理论研究的基础。虽然 在这方面我们已经做了十多年的工作，但是 因为问题复杂，并不能认为已经解决，非常 需要有进一步的研究。 设计理论的研究不是设计方法的研究， 也不是设计方法的汇总研究。它应当是统帅 整个设计过程基本规律的研究，在这些基本 规律的基础上，可以根据需要产生许许多多 方法，但是任何一种方法的研究，都不能代 替设计理论的研究。另外，设计是一个由诸 多要素构成的复杂过程，仅仅从某一个片段 或方面研究，要注意不能产生与整体对立的 结论。 制造业的使命是向社会提供产品，但是 产品只有通过市场竞争才能够实现它们的 价值。从制造业的发展形势，可以看到制造 业当前和今后的竞争实际上是设计的竞争； 竞争焦点集中在：是否能够率先引入最新技 术，是否能够实现最短研发周期和最小设计 及研发成本。现代设计理论认为：设计是制 造业的灵魂，创新是设计的灵魂；设计是以 知识为基础，以获取新知识为中心；由于知 识获取是资源依赖的，竞争正在迫使企业的 设计资源从垂直结构向水平结构即分布式 的资源环境转变。 应当看到，已有的研究成果，由于下述 原因离开这个认识还有距离，大量问题需要 更深入的研究。 1
首先，许多研究，因为未能脱离方法研 维持制造业发展的国家，不针对竞争的焦点 究的框架，把重点放在得到物理上成立的解 在于是否能够率先在产品中引入最新技术 上，有时甚至仅仅是为了得到用以加工的图 以满足已有产品所不能满足的性能需求来 样-)。但是设计是一个社会性和技术性交 进行研究，是不能从根本上提高整个国家制 织在一起的命题，特别在全球经济条件下， 造业竞争力的。许多研究都假设设计知识已 竞争性是其突出的特点。如果不能竞争取 经在手。但是设计师怎么能够得到最新的技 胜，物理上成立的解就没有用处。所以，设 术？不解决这个问题，又怎么谈得上新技术 计理论应当将研究重点放在如何使所设计 的应用61？设计所依赖的知识，与加工所 的对象能够竞争取胜，物理上成立仅仅是命 依赖的装备相对稳定不同，是一个动态的集 题的一部分。这一点，虽然具有普遍意义， 合：昨天先进的知识，今天就是一般的知识， 但是对于我国的制造业特别重要，可是关于 明天就变成需要更新的知识。实际上，这正 这一点的研究非常之少 是建设和发展分布式资源环境的最重要的 其次，许多研究，是从基于垂直资源结 理由，因为最新的知识，起初往往并不是产 构的设计模式演变过来的-，也就是把处 生于那些大企业、大公司，而是掌握在很小 理大企业内各设计部门协同关系的概念和 的团队甚至个人手中。许多研究，也缺少对 方法搬来处理企业外分布式资源环境中参 设计知识复杂性的考虑，现代的产品，不仅 与设计各要素之间的关系。这是完全不同的 涉及传感技术、控制技术，计算机技术，而 关系，分布式资源环境中的资源单元，不仅 且与电磁学、热力学、材料科学、生命科学、 在地理上是分布的，更重要的是属于不同的 人文科学等的发展，都有密切关系。没有这 主体，各自有不同的利益。一个企业可以在 些认识，就不能正确处理各种设计方法和以 许多能够提供相同服务的资源单元中选择， 知识为基础，以获取新知识为中心的关系， 一个单元也可以在许多请求服务的企业中 不能将知识和知识获取放在应有的地位。 选择，这时竞争起着扩大企业在资源择优上 第五，许多研究，兴趣集中在已经有的 的空间和推动资源在不断自身优化方面的 资源如何在产品设计中协同工作，都是假设 重要作用。当然也存在利益冲突带来的问 企业内、外资源已经存在并能够合格地工 题，有待解决。 作，缺乏对资源单元本身的研究1。没有 第三，许多研究，是从发展信息技术和 一大批合格的智力资源单元，所谓协同设计 完成加工任务的视角（特别是在我国）进行 和分布式资源环境就是一句空话。必须掌握 研究的-，，而对在这种环境中产品设计竞 智力资源单元的生成、生存和发展的基本规 争的特点和基本规律：包括设计的任务和过 律并且研究支持他们发展所需要的技术。 程、工作流和知识流之间的关系、设计进程 第六，许多研究，对全生命周期设计的 的驱动力、人和计算机的关系、联想和决策 基本规律、设计方法和使能工具缺少应有的 的机制等等基本上没有涉及。信息技术是 考虑。实际上，这已经是当今产品竞争力的 “路”的技术，它并不能告诉人们支配“车” 重要方面，而全生命周期设计的关键是全生 的行为的全部规律，忽视对获取设计知识所 命周期产品知识的获取和在设计中的应用。 依赖的资源的研究就是它的后果，虽然有了 传统上，设计是以产品出厂时合格为目标， 路，但是没有车，并不能提高我国企业设计 大量的商品软件（通常归结为CAD、CAE、CAM 的竞争能力；加工与设计相比，较少涉及人 软件)，都是围绕这个目标开发的。而现在 的思维活动，也相对简单，用对加工过程的 制造企业必须对产品在整个使用过程中的 认识来理解设计活动，于是产生了甩掉图 性能变化、衰退直至报废后的处理负责，这 板、数字化设计、虚拟设计等口号。 样的全生命周期设计需要大量属于不同学 第四，许多研究，没有体现制造业的竞 科非常广泛的后续知识，这也是需要建设分 争已经转变为设计的竞争。像中国这样一个 布式资源环境的另一个重要理由。不是把 多世纪以来主要是依靠引进设计来加工以 传统的商品软件集成起来，就能够解决问 2
首先，许多研究，因为未能脱离方法研 究的框架，把重点放在得到物理上成立的解 上，有时甚至仅仅是为了得到用以加工的图 样[2-4]。但是设计是一个社会性和技术性交 织在一起的命题，特别在全球经济条件下， 竞争性是其突出的特点。如果不能竞争取 胜，物理上成立的解就没有用处。所以，设 计理论应当将研究重点放在如何使所设计 的对象能够竞争取胜，物理上成立仅仅是命 题的一部分。这一点，虽然具有普遍意义， 但是对于我国的制造业特别重要，可是关于 这一点的研究非常之少。 其次，许多研究，是从基于垂直资源结 构的设计模式演变过来的[5-10]，也就是把处 理大企业内各设计部门协同关系的概念和 方法搬来处理企业外分布式资源环境中参 与设计各要素之间的关系。这是完全不同的 关系，分布式资源环境中的资源单元，不仅 在地理上是分布的，更重要的是属于不同的 主体，各自有不同的利益。一个企业可以在 许多能够提供相同服务的资源单元中选择， 一个单元也可以在许多请求服务的企业中 选择，这时竞争起着扩大企业在资源择优上 的空间和推动资源在不断自身优化方面的 重要作用。当然也存在利益冲突带来的问 题，有待解决。 第三，许多研究，是从发展信息技术和 完成加工任务的视角（特别是在我国）进行 研究的[2-4,6]，而对在这种环境中产品设计竞 争的特点和基本规律：包括设计的任务和过 程、工作流和知识流之间的关系、设计进程 的驱动力、人和计算机的关系、联想和决策 的机制等等基本上没有涉及。信息技术是 “路”的技术，它并不能告诉人们支配“车” 的行为的全部规律，忽视对获取设计知识所 依赖的资源的研究就是它的后果，虽然有了 路，但是没有车，并不能提高我国企业设计 的竞争能力；加工与设计相比，较少涉及人 的思维活动，也相对简单，用对加工过程的 认识来理解设计活动，于是产生了甩掉图 板、数字化设计、虚拟设计等口号。 第四，许多研究，没有体现制造业的竞 争已经转变为设计的竞争。像中国这样一个 多世纪以来主要是依靠引进设计来加工以 维持制造业发展的国家，不针对竞争的焦点 在于是否能够率先在产品中引入最新技术 以满足已有产品所不能满足的性能需求来 进行研究，是不能从根本上提高整个国家制 造业竞争力的。许多研究都假设设计知识已 经在手。但是设计师怎么能够得到最新的技 术？不解决这个问题，又怎么谈得上新技术 的应用[5-10]？设计所依赖的知识，与加工所 依赖的装备相对稳定不同，是一个动态的集 合：昨天先进的知识，今天就是一般的知识， 明天就变成需要更新的知识。实际上，这正 是建设和发展分布式资源环境的最重要的 理由，因为最新的知识，起初往往并不是产 生于那些大企业、大公司，而是掌握在很小 的团队甚至个人手中。许多研究，也缺少对 设计知识复杂性的考虑，现代的产品，不仅 涉及传感技术、控制技术，计算机技术，而 且与电磁学、热力学、材料科学、生命科学、 人文科学等的发展，都有密切关系。没有这 些认识，就不能正确处理各种设计方法和以 知识为基础，以获取新知识为中心的关系， 不能将知识和知识获取放在应有的地位。 第五，许多研究，兴趣集中在已经有的 资源如何在产品设计中协同工作，都是假设 企业内、外资源已经存在并能够合格地工 作，缺乏对资源单元本身的研究[2-10]。没有 一大批合格的智力资源单元，所谓协同设计 和分布式资源环境就是一句空话。必须掌握 智力资源单元的生成、生存和发展的基本规 律并且研究支持他们发展所需要的技术。 第六，许多研究，对全生命周期设计的 基本规律、设计方法和使能工具缺少应有的 考虑。实际上，这已经是当今产品竞争力的 重要方面，而全生命周期设计的关键是全生 命周期产品知识的获取和在设计中的应用。 传统上，设计是以产品出厂时合格为目标， 大量的商品软件（通常归结为 CAD、CAE、CAM 软件），都是围绕这个目标开发的。而现在 制造企业必须对产品在整个使用过程中的 性能变化、衰退直至报废后的处理负责，这 样的全生命周期设计需要大量属于不同学 科非常广泛的后续知识，这也是需要建设分 布式资源环境的另一个重要理由[11]。不是把 传统的商品软件集成起来，就能够解决问 2
题。认真地对待全生命周期设计，就会更加 从一个地方运送到另一个地方的功能，而这 明白利用企业外分布式资源的意义。 个功能在购买以后于规定期限内能够满意 所以，分布式资源环境下具有竞争力的 地使用，即它偏离期望值的程度是能够容忍 产品设计仍面临基础理论的挑战，其中包括 的。前面半句是讲汽车的功能，后面半句是 与这一体系相适应的定义和概念。同时，还 讲汽车的质量。当然用户希望汽车漂亮，但 需要在相关理论指导下的方法研究和工具 是一般不是为了漂亮买车，否则他就会去买 开发。文献[12,13]认为，不相信能够通过 一幅画或者买一个花园。汽车要符合排放法 对现有软件的升级和改造使它们满足新的 规的要求，但是用户不会为了满足排放法规 需要，甚至认为，现有软件的无序衍生，将 要求去买车，不开车就没有排放问题。文献 会成为分布式智力资源环境发展的障碍。可 [16]认为，产品质量是产品能够满足使用 见，正确地部署研究是多么重要和紧迫。 要求所具备的属性，一般包括性能、寿命、 研究的视角不同，许多名词被赋予的内 可靠性、安全性、经济性。有时还有可维修 涵也就千差万别。所以有必要认真地对此进 性及表面状况（外形、美学、造型、装潢、 行讨论，以免由于名词理解上的分歧而不能 款式、色彩、粗糙程度、包装等)等。这样 准确地阐明所研究的理论、方法和工具。 关于质量的定义过于广泛，难以量化，不能 为此，本文收集了若干常用名词，并就 作为理论研究的基础。价格当然是用户经常 它们在现今条件下应有的定义和概念给出 考虑的另一个重要要素，不过为了性能好而 自己研究的答案。它们是：性能，功能，质 宁可花高价去买一个产品并不是少见的事。 量，约束，性能需求，功能需求，质量需求， 因此，性能是设计的起点和完成的标志。文 约束需求，性能特征，功能特征，约束特征， 献[10]认为设计的任务就是回答“需求是什 性能需求驱动，状态，状态方程，不完备可 么”和“如何实现需求”。本文认为还有第 观状态空间。 三个任务，即回答“是否充分实现了需求”。 设计的竞争要求对所选择的解决方案在全 1性能和约束 生命周期中就是否充分实现需求进行检验 性能是在评述产品时经常使用的一个名 和确认，即实行全生命周期设计。文献[10] 词。虽然很多设计学的作者讨论和使用了这 的需求指的是功能，没有引入质量的概念。 个名词，但是并没有严格地进行过定义或各 但是，没有在全生命周期中功能偏离期望值 人使用并不尽同的定义。 的度量，就不能向用户提供是否达到购买产 文献[14]定义，产品的性能包括产品的 品目的完整的信息，就不能全面地比较各个 功能和质量两个部分，质量是功能在全生命 设计解决方案的优劣。从全生命周期设计的 周期中偏离期望值程度的度量，是依附于功 观点出发，任何在设计的产品都是一个时变 能而存在的。 系统，与过去以出厂时合格为目标的时不变 文献[15]采用输入~输出的办法来描述 观念完全不同。因此，需要用性能而不是功 功能。例如，输入燃料，输出机械能。后来 能来反映用户对产品的需求。性能的另一个 的研究表明，传统的输入~输出描述方法已 重要意义：为满足现有产品所不能满足的性 经不能满足现代设计理论的需要，必须同时 能需求或潜在的性能需求，往往是设计竞争 给出输入、输出条件的定量描述。下面在讨 和产品一代又一代发展的驱动力。 论特征时还要进一步阐述这个问题。 在设计的最初阶段，由性能需求变换过 之所以要首先讨论性能的定义，是因为 来的性能，构成设计任务空间的重要组成部 在错综复杂的市场竞争中，人们常常忽视了 分。关于这个过程，可以参阅文献[17]。 产品的性能是竞争力的最重要的要素。用户 与“质量”相关的定义和解释就更多了。 购买某个产品，是购买它的功能，也就是实 一般都是把质量的内涵说得很大，例如文献 现其所需要的某种行为的能力。例如，买一 [3,7,9,16]。本文采用文献[14]的定义 辆汽车，是购买它的通过燃烧燃料将人和物 是为了能够对产品的功能在全生命周期中
题。认真地对待全生命周期设计，就会更加 明白利用企业外分布式资源的意义。 所以，分布式资源环境下具有竞争力的 产品设计仍面临基础理论的挑战，其中包括 与这一体系相适应的定义和概念。同时，还 需要在相关理论指导下的方法研究和工具 开发。文献[12，13]认为，不相信能够通过 对现有软件的升级和改造使它们满足新的 需要，甚至认为，现有软件的无序衍生，将 会成为分布式智力资源环境发展的障碍。可 见，正确地部署研究是多么重要和紧迫。 研究的视角不同，许多名词被赋予的内 涵也就千差万别。所以有必要认真地对此进 行讨论，以免由于名词理解上的分歧而不能 准确地阐明所研究的理论、方法和工具。 为此，本文收集了若干常用名词，并就 它们在现今条件下应有的定义和概念给出 自己研究的答案。它们是：性能，功能，质 量，约束，性能需求，功能需求，质量需求， 约束需求，性能特征，功能特征，约束特征， 性能需求驱动，状态，状态方程，不完备可 观状态空间。 1 性能和约束 性能是在评述产品时经常使用的一个名 词。虽然很多设计学的作者讨论和使用了这 个名词，但是并没有严格地进行过定义或各 人使用并不尽同的定义。 文献[14]定义，产品的性能包括产品的 功能和质量两个部分，质量是功能在全生命 周期中偏离期望值程度的度量，是依附于功 能而存在的。 文献[15]采用输入- 输出的办法来描述 功能。例如，输入燃料，输出机械能。后来 的研究表明，传统的输入- 输出描述方法已 经不能满足现代设计理论的需要，必须同时 给出输入、输出条件的定量描述。下面在讨 论特征时还要进一步阐述这个问题。 之所以要首先讨论性能的定义，是因为 在错综复杂的市场竞争中，人们常常忽视了 产品的性能是竞争力的最重要的要素。用户 购买某个产品，是购买它的功能，也就是实 现其所需要的某种行为的能力。例如，买一 辆汽车，是购买它的通过燃烧燃料将人和物 从一个地方运送到另一个地方的功能，而这 个功能在购买以后于规定期限内能够满意 地使用，即它偏离期望值的程度是能够容忍 的。前面半句是讲汽车的功能，后面半句是 讲汽车的质量。当然用户希望汽车漂亮，但 是一般不是为了漂亮买车，否则他就会去买 一幅画或者买一个花园。汽车要符合排放法 规的要求，但是用户不会为了满足排放法规 要求去买车，不开车就没有排放问题。文献 [16] 认为，产品质量是产品能够满足使用 要求所具备的属性，一般包括性能、寿命、 可靠性、安全性、经济性。有时还有可维修 性及表面状况（外形、美学、造型、装潢、 款式、色彩、粗糙程度、包装等）等。这样 关于质量的定义过于广泛，难以量化，不能 作为理论研究的基础。价格当然是用户经常 考虑的另一个重要要素，不过为了性能好而 宁可花高价去买一个产品并不是少见的事。 因此，性能是设计的起点和完成的标志。文 献[10]认为设计的任务就是回答“需求是什 么”和“如何实现需求”。本文认为还有第 三个任务,即回答“是否充分实现了需求”。 设计的竞争要求对所选择的解决方案在全 生命周期中就是否充分实现需求进行检验 和确认，即实行全生命周期设计。文献[10] 的需求指的是功能，没有引入质量的概念。 但是，没有在全生命周期中功能偏离期望值 的度量，就不能向用户提供是否达到购买产 品目的完整的信息，就不能全面地比较各个 设计解决方案的优劣。从全生命周期设计的 观点出发，任何在设计的产品都是一个时变 系统，与过去以出厂时合格为目标的时不变 观念完全不同。因此，需要用性能而不是功 能来反映用户对产品的需求。性能的另一个 重要意义：为满足现有产品所不能满足的性 能需求或潜在的性能需求，往往是设计竞争 和产品一代又一代发展的驱动力。 在设计的最初阶段，由性能需求变换过 来的性能，构成设计任务空间的重要组成部 分。关于这个过程，可以参阅文献[17]。 与“质量”相关的定义和解释就更多了。 一般都是把质量的内涵说得很大，例如文献 [3，7，9，16]。本文采用文献[14]的定义 是为了能够对产品的功能在全生命周期中 3
的表现量化并做出评估。前面已经说过，质 竞争各方基本上是公平的。人机关系友好对 量是从属于功能的。 于竞争力的影响很大，有人认为应当把它们 性能是竞争力诸要素中最重要的要素， 列为性能的组成部分。但是人机关系友好也 但是在性能相当的情况下，其他要素就成为 往往随人而异，如颜色或把手形状以及对噪 竞争的新的焦点。 声的限制等等，因此需要个性化设计。个性 “性能需求”和“性能”是不同的概念， 化设计通常不涉及设计任务的主要方面，不 具有不同的用途。前者是用非结构化自然语 涉及引入最新技术，不会在本质上影响具有 言表达的市场现象，来自市场考察；后者则 现有产品所不具备的性能的下一代产品，将 是对设计任务和对解决方案是否满足要求 它们放在约束里面，在设计后期处理，比较 测试的基本内容的结构化描述。性能是独立 方便，不会干扰主要问题的解决。一条重要 于结构的，它不包含任何与结构或解决方案 的原则：设计中对满足约束的追求，不能以 有关的要素。文献[10]对此也进行了讨论， 牺牲性能为代价。 那里的FR相当于本文中的功能，而DP则相 约束的内容经常容易与质量的内容混 当于本文中的结构，文献[10]详细讨论了FR 淆，但是根据本文的定义，它们之间的界线 对DP的独立性。例如，通过消耗燃料从上 是很清楚的。 海到北京，可以选择汽车、火车或飞机。 “约束需求”一部分来自技术，一部分 分解性能需求，就能够得到功能需求和 来自市场，一部分来自社会，例如：法律、 质量需求。“功能需求”和“功能”，“质量 道德、文化和心理等。同样，在设计的最初 需求”和“质量”同样是两种不同的概念， 阶段，需要将约束需求变成结构化的约束， 用在不同的地方。例如关于维修，非结构化 构成设计任务空间的一个组成部分。在设计 自然语言的“质量需求”可以表达为：“少 后期，约束也是检验内容的一个组成部分， 维修或免维修”；而转换为“质量”则应当 根据各个未能满足的约束的刚性程度，确定 是：“功能1-N(全部或某些主要功能，需要 是否需要回溯和进行再设计。例如，关于噪 具体规定)在从交付到报废的期间内偏离期 声，作为非结构化自然语言的“约束需求” 望值不大于期望值的2%”或满足“6σ”要 可表达为：“噪声小”；而转换为“约束”则 求。 应当是：“在给定条件下测量，从交付到报 从交付到报废期间功能允许的变化，也 废的期间内，声强不大于10db”。又例如“维 可以细化；例如：交付使用后，第1年内偏 修方便”这样的需求，根据具体情况可能有 离期望值不大于期望值的1%，第2年内变化 心理方面的约束：“维修时输出的令人不愉 不大于1.5；第1次大修后完全恢复，第1 快的固体、液体、气体等于零”和成本方面 次大修后1年内变化不大于1.5，第2年内 的约束：“一次维修费用不大于产品购买价 变化不大于2，等等。 的5%”。这种情况，如果要将它们变换为功 但是“维修方便”则不能列为“质量需 能或质量都是无法处理的。 求”，这将在“约束”中讨论。 “约束”定义为性能以外，对于设计的 2特征 其他要求。与设计有关的竞争力要素显然不 这里需要讨论两方面的问题：特征的应 仅仅是性能，即功能和质量，其他的要求都 用，特征的构成与规范化。 归入“约束”。这个集合很大，也很复杂。 2.1特征的应用 这样处理，是因为现代设计理论认为性能是 既然认为功能、质量和约束是对功能需 决定产品甚至企业竞争力的长远和根本的 求、质量需求和约束需求的结构化描述，那 要素，其他要素则根据用户、时间、地区等 么究竟怎么描述？答案是用相应的特征来 条件的变化而在竞争力中占据不同的地位。 描述。特征不是全部，而是设计活动所需要 例如，价格在不同人群心目中的地位是不等 内容的局部，这种局部描述不仅要满足结构 的；环境保护虽然是强制性限制，但是它对 化的要求，便于计算机处理，同时更要有利
的表现量化并做出评估。前面已经说过，质 量是从属于功能的。 性能是竞争力诸要素中最重要的要素， 但是在性能相当的情况下，其他要素就成为 竞争的新的焦点。 “性能需求”和“性能”是不同的概念， 具有不同的用途。前者是用非结构化自然语 言表达的市场现象，来自市场考察；后者则 是对设计任务和对解决方案是否满足要求 测试的基本内容的结构化描述。性能是独立 于结构的，它不包含任何与结构或解决方案 有关的要素。文献[10]对此也进行了讨论， 那里的 FR 相当于本文中的功能，而 DP 则相 当于本文中的结构，文献[10]详细讨论了 FR 对 DP 的独立性。例如，通过消耗燃料从上 海到北京，可以选择汽车、火车或飞机。 分解性能需求，就能够得到功能需求和 质量需求。“功能需求”和“功能”，“质量 需求”和“质量”同样是两种不同的概念， 用在不同的地方。例如关于维修，非结构化 自然语言的“质量需求”可以表达为：“少 维修或免维修”；而转换为“质量”则应当 是：“功能 1-N（全部或某些主要功能，需要 具体规定）在从交付到报废的期间内偏离期 望值不大于期望值的 2%”或满足“6σ”要 求。 从交付到报废期间功能允许的变化，也 可以细化；例如：交付使用后，第 1 年内偏 离期望值不大于期望值的 1%，第 2 年内变化 不大于 1.5；第 1 次大修后完全恢复，第 1 次大修后 1 年内变化不大于 1.5，第 2 年内 变化不大于 2，等等。 但是“维修方便”则不能列为“质量需 求”，这将在“约束”中讨论。 “约束”定义为性能以外，对于设计的 其他要求。与设计有关的竞争力要素显然不 仅仅是性能，即功能和质量，其他的要求都 归入“约束”。这个集合很大，也很复杂。 这样处理，是因为现代设计理论认为性能是 决定产品甚至企业竞争力的长远和根本的 要素，其他要素则根据用户、时间、地区等 条件的变化而在竞争力中占据不同的地位。 例如，价格在不同人群心目中的地位是不等 的；环境保护虽然是强制性限制，但是它对 竞争各方基本上是公平的。人机关系友好对 于竞争力的影响很大，有人认为应当把它们 列为性能的组成部分。但是人机关系友好也 往往随人而异，如颜色或把手形状以及对噪 声的限制等等，因此需要个性化设计。个性 化设计通常不涉及设计任务的主要方面，不 涉及引入最新技术，不会在本质上影响具有 现有产品所不具备的性能的下一代产品，将 它们放在约束里面，在设计后期处理，比较 方便，不会干扰主要问题的解决。一条重要 的原则：设计中对满足约束的追求，不能以 牺牲性能为代价。 约束的内容经常容易与质量的内容混 淆，但是根据本文的定义，它们之间的界线 是很清楚的。 “约束需求”一部分来自技术，一部分 来自市场，一部分来自社会，例如：法律、 道德、文化和心理等。同样，在设计的最初 阶段，需要将约束需求变成结构化的约束， 构成设计任务空间的一个组成部分。在设计 后期，约束也是检验内容的一个组成部分， 根据各个未能满足的约束的刚性程度，确定 是否需要回溯和进行再设计。例如，关于噪 声，作为非结构化自然语言的“约束需求” 可表达为：“噪声小”；而转换为“约束”则 应当是：“在给定条件下测量，从交付到报 废的期间内，声强不大于 10 db”。又例如“维 修方便”这样的需求，根据具体情况可能有 心理方面的约束：“维修时输出的令人不愉 快的固体、液体、气体等于零”和成本方面 的约束：“一次维修费用不大于产品购买价 的 5%”。这种情况，如果要将它们变换为功 能或质量都是无法处理的。 2 特征 这里需要讨论两方面的问题：特征的应 用，特征的构成与规范化。 2.1 特征的应用 既然认为功能、质量和约束是对功能需 求、质量需求和约束需求的结构化描述，那 么究竟怎么描述？答案是用相应的特征来 描述。特征不是全部，而是设计活动所需要 内容的局部，这种局部描述不仅要满足结构 化的要求，便于计算机处理，同时更要有利 4
于分布式资源环境下的设计活动，方便特征 案？这是非常复杂的问题，现在还不能说出 信息的传递和资源集成。 肯定的意见。通常的做法，是用图和文件来 如果将特征在设计过程中的应用做一个 说明，可能是电子版的，也可能是纸质的版 粗略的分解，如图1所示，在设计过程第一 本，为了后续加工的需要，设计的图和文件， 阶段，要方便设计任务空间的形成，也就是 不仅仅是人可读的，还需要变换成数控系统 说，要方便将需求变换为任务书中的结构化 能够接受的代码。但是，不是所有电子版的 描述，即任务空间中的内容；在设计的第二 文件都是计算机可以处理的，这是两个不同 阶段，要方便可能解的搜索、联想和相关技 的概念。很多电子版的文件，在设计中最终 术的应用，设计师为获得可能解，能够直接 仍旧需要由人来理解和处理，例如，当一张 按照特征搜索合适的服务提供方并检验提 三维图中的零部件在位置上发生冲突，究竟 供的服务是否合适；当已经有一定数量的可 是改变整体方案，还是更换某个零件，或是 能解后，在第三阶段要方便对可能解的测 引入某项新技术，或是降低某一约束需求， 试、评估、优化、回溯和再设计并产生最终 以及对各种选择可能产生的后果的理解，都 解，也就是不断按照特征来反复检验各个 不是目前计算机力所能及的。 可能解及其修改方案并在需要分布式资源 性能是设计的起点和完成的标志。前者 根据市场信息，确定 哥求并选枰引入什么 意味性能是设计任务空间最 设计需妻满足什么现 新技术以实现断性能 重要的组成部分，后者意味 有产品所不能满足的 并选择米用那些已有 新的性能需求。 枝术与新枝术配套。 所选定的解决方案已经通过 、全生命周期性能散字样机决策和/或 了性能的检验。约束也具有 构造 产生 根据性能特征 产生 任务空间 可能解集合 和约束种征： 最终设计 相似的性质，它同样是设计 测试 联及 评估 任务空间的组成部分，不过 市场信惠 相关技术 优化 与性能相比，在设计的早期 回潮和再设计 阶段，权重要低一点；是否 已有知识和新知议获取 新知识花取 满足约束也是完成设计所必 第一段 第二段 一一第三较“ 须通过的检验。有的作者企 常要什么？ 如何满足？ 是否无分？ 园1设计过程（或于过程）构成及任务 图为解决方案描述制定规 环境中的服务时便于按照特征提出服务请 范，使之结构化，因此研究 求和检验所提供的服务是否已经完成。因为 结构特征、材料特征和工艺特征。这种企图 特征是设计过程自始至终需要在设计实体 产生于追求由计算机根据性能特征搜索和 和分布式的资源单元之间准确而频繁传递 匹配能够实现性能特征和其他特征从而得 到解决方案。但是本文认为，这并不是现代 的信息，必然是与互联网和计算机技术的发 设计理论和方法的任务。如果不回避人是设 展不可分割，所以列入特征的内容描述，既 要满足设计活动的需要，又要满足计算机处 计的主体，那么不论是关于整个设计，或者 理和在互联网上传递的需要，不能包含计算 是设计的片段，都可以用“联想”概括这个 过程，当然不排除在联想中尽可能使用计算 机和互联网所不能胜任的任务。现代设计是 机辅助和各种设计方法提供的工具，例如 在分布式资源环境中的设计，利用特征来驱 QFD”、TRIZ、田口、公理设计方法和 动、联系和检验分布的设计活动，可以认为 是现代设计的精髓所在) 其他相关软件。 在比较复杂的设计过程中，一个设计任 前面已经说过，性能和约束都是独立于 解决方案的，那么设计完成以后的解决方 务通常要分解成为若干子任务。不论是任务 或者是子任务，都可能要经历图1中的三个 案，如何来描述？是否也要有解决方案的特 阶段，而这三个阶段的总和，又可以看成是 征？解决方案的描述与性能和约束的描述 图2中的一个决策节点。文献[1]提出了知 是完全不同的问题。是否需要和能够建立一 识流理论，将设计中的知识流动分为四类。 个结构化的描述体系来描述设计的解决方 5
于分布式资源环境下的设计活动，方便特征 信息的传递和资源集成。 如果将特征在设计过程中的应用做一个 粗略的分解，如图 1 所示，在设计过程第一 阶段，要方便设计任务空间的形成，也就是 说，要方便将需求变换为任务书中的结构化 描述，即任务空间中的内容；在设计的第二 阶段，要方便可能解的搜索、联想和相关技 术的应用，设计师为获得可能解，能够直接 按照特征搜索合适的服务提供方并检验提 供的服务是否合适；当已经有一定数量的可 能解后，在第三阶段要方便对可能解的测 试、评估、优化、回溯和再设计并产生最终 解[1]，也就是不断按照特征来反复检验各个 可能解及其修改方案并在需要分布式资源 环境中的服务时便于按照特征提出服务请 求和检验所提供的服务是否已经完成。因为 特征是设计过程自始至终需要在设计实体 和分布式的资源单元之间准确而频繁传递 的信息，必然是与互联网和计算机技术的发 展不可分割，所以列入特征的内容描述，既 要满足设计活动的需要，又要满足计算机处 理和在互联网上传递的需要，不能包含计算 机和互联网所不能胜任的任务。现代设计是 在分布式资源环境中的设计，利用特征来驱 动、联系和检验分布的设计活动，可以认为 是现代设计的精髓所在[18]。 前面已经说过，性能和约束都是独立于 解决方案的，那么设计完成以后的解决方 案，如何来描述？是否也要有解决方案的特 征？解决方案的描述与性能和约束的描述 是完全不同的问题。是否需要和能够建立一 个结构化的描述体系来描述设计的解决方 案？这是非常复杂的问题，现在还不能说出 肯定的意见。通常的做法，是用图和文件来 说明，可能是电子版的，也可能是纸质的版 本，为了后续加工的需要，设计的图和文件， 不仅仅是人可读的，还需要变换成数控系统 能够接受的代码。但是，不是所有电子版的 文件都是计算机可以处理的，这是两个不同 的概念。很多电子版的文件，在设计中最终 仍旧需要由人来理解和处理，例如，当一张 三维图中的零部件在位置上发生冲突，究竟 是改变整体方案，还是更换某个零件，或是 引入某项新技术，或是降低某一约束需求， 以及对各种选择可能产生的后果的理解，都 不是目前计算机力所能及的。 性能是设计的起点和完成的标志。前者 意味性能是设计任务空间最 重要的组成部分，后者意味 所选定的解决方案已经通过 了性能的检验。约束也具有 相似的性质，它同样是设计 任务空间的组成部分，不过 与性能相比，在设计的早期 阶段，权重要低一点；是否 满足约束也是完成设计所必 须通过的检验。有的作者企 图为解决方案描述制定规 范，使之结构化，因此研究 结构特征、材料特征和工艺特征。这种企图 产生于追求由计算机根据性能特征搜索和 匹配能够实现性能特征和其他特征从而得 到解决方案。但是本文认为，这并不是现代 设计理论和方法的任务。如果不回避人是设 计的主体，那么不论是关于整个设计，或者 是设计的片段，都可以用“联想”概括这个 过程，当然不排除在联想中尽可能使用计算 机辅助和各种设计方法提供的工具，例如 QFD[7]、TRIZ[8]、田口[9]、公理设计[10]方法和 其他相关软件。 根据市场信息，确定 寻求并选择引入什么 设计需要满足什么现 新技术以实现新性能 有产品所不能满足的 并选择采用哪些已有 新的性能需求。 技术与新技术配套。 在比较复杂的设计过程中，一个设计任 务通常要分解成为若干子任务。不论是任务 或者是子任务，都可能要经历图 1 中的三个 阶段，而这三个阶段的总和，又可以看成是 图 2 中的一个决策节点。文献[1]提出了知 识流理论，将设计中的知识流动分为四类。 全生命周期性能数字样机 决策和/或 构造 产生 根据性能特征 产生 任务空间 可能解集合 和约束特征： 最终设计 测试 联想 及 评估 市场信息 相关技术 优化 回溯和再设计 已有知识和新知识获取 新知识获取 第一段 第二段 第三段 图 1 设计过程（或子过程）构成及任务 需要什么？ 如何满足？ 是否充分？ 5
许多软件开发商用了工作流概念，但是工作 有人企图用机械产品来进行这种尝试，但是 流着眼于任务的分配和传递，并认为设计所 现代的机械产品，已经远远不是一个机械系 需要的知识已经具备，解决的是已有知识管 统，无一例外包含大量的电子元器件、特殊 理的问题。但是现代设计竞争是围绕是否能 材料、微处理器甚至生物器件以及软件组件 够引入新技术以使产品具有新性能，并且要 等等。因此，不必在这种至少暂时不可能也 求以最低成本在最短周期中完成。新技术引 不必要的事情上花费过多精力。事实上，因 设计过程或子过程 为它是在一个设计实体内部的 第一类池弛： 流动，一般讲比较容易解决信 桌成加讯和产生解决方兼 息量大和各种非结构化表达的 任寿成子任 决壤 任务成于任务的解决方康 问题。一个设计实体要能够胜 慕二类流动： 任这项任务，必须有能够组织 请求加识眼青布 与任务相关的这种流动的资 授供加议服务 质，具体说，就是在第二类流 第三典流致： 信高·如汉 动的支持下完成构造任务空 间，联想或以相关技术得到可 墓四类流功： 能解集，分解可能解，测试、 从其他贵源单元取将 评估、优化、回溯和再设计， 信惠成加议 综合各方面的知识，经过协调、 图2设计过程中的知识流 决策得到最终解决方案，其中 入要与已有技术匹配，满足全部约束需求和 还包括正确地使用第二类流动；同时，它还 在全生命周期中性能优化，这些知识在设计 要对流动的结果承担风险。 前往往是不具备而需要在设计过程中获取， 第二类流动是设计实体向企业外请求服 而知识获取则是资源依赖的。不同知识的获 务和企业外智力资源单元向实体提供服务 取需要不同的资源，有些是技术上非常复杂 的流动。对服务的需求（由设计实体发布） 和需要专门的条件，所以更深入地了解设计 和可提供服务的性能（由智力资源单元发 过程中知识获取和传递规律是提高设计效 布)也是以特征表达，而提供的解决方案如 率，缩短研发周期所不能回避的问题，是规 前面所讨论的那样，其描述可能非常复杂。 划工作流的理论基础。文献[18]指出，知识 但是绝大多数情况下，在第二类流动中所提 的流动是（几乎总是）工作能力的先决条件。 供的仅仅是一个最终解决方案，不必包括得 对于任何子过程，第一类流动是在承担 到解决方案的过程。企业外的资源单元对最 该子任务的设计实体内部的流动，流动着的 终解决方案满足所需要的特征负责。在一些 主要是以特征表达的性能需求、约束需求和 情况下，解决方案也是由一系列能够满足需 逐步形成的解决方案。设计师根据上游传递 要但是与需要不同的特征构成。在另外一些 来的由性能和约束特征规定的设计任务，通 情况下，如果事先约定，解决方案仅仅是一 过联想等手段得到若干可能的解决方案，并 些简单的代码。所以第二类流动所需要传递 在测试、评估、优化、回溯和再设计之后， 的信息量要小得多。 产生经过满足性能和约束特征检验的最后 第三类流动是在企业外的智力资源单元 解决方案。第一类知识流，伴随特征一起流 内部由需求产生解决方案的流动。从性质上 动的还有需要留待以后备查的大量关于各 讲，它与第一类流动相似，但是拓扑结构和 种解决方案和修改方案以及检验成功或失 规模会相对简单，因为它往往只涉及单元技 败的记录。规范这样庞大而复杂的信息，难 术和一个专门的领域。作为一个智力资源单 度很大。还没有计及各行各业、各个学科都 元，它所需要的资质包括发布可提供服务的 有自己的规范和标准表达方法，以及多年形 性能、接受服务请求以及能够在第四类流动 成的习惯，统一它们几乎是不可能的。虽然 支持下获得并通过第二类流动传递解决方 6
许多软件开发商用了工作流概念，但是工作 流着眼于任务的分配和传递，并认为设计所 需要的知识已经具备，解决的是已有知识管 理的问题。但是现代设计竞争是围绕是否能 够引入新技术以使产品具有新性能，并且要 求以最低成本在最短周期中完成。新技术引 入要与已有技术匹配，满足全部约束需求和 在全生命周期中性能优化，这些知识在设计 前往往是不具备而需要在设计过程中获取， 而知识获取则是资源依赖的。不同知识的获 取需要不同的资源，有些是技术上非常复杂 和需要专门的条件，所以更深入地了解设计 过程中知识获取和传递规律是提高设计效 率，缩短研发周期所不能回避的问题，是规 划工作流的理论基础。文献[18]指出，知识 的流动是（几乎总是）工作能力的先决条件。 对于任何子过程，第一类流动是在承担 该子任务的设计实体内部的流动，流动着的 主要是以特征表达的性能需求、约束需求和 逐步形成的解决方案。设计师根据上游传递 来的由性能和约束特征规定的设计任务，通 过联想等手段得到若干可能的解决方案，并 在测试、评估、优化、回溯和再设计之后， 产生经过满足性能和约束特征检验的最后 解决方案。第一类知识流，伴随特征一起流 动的还有需要留待以后备查的大量关于各 种解决方案和修改方案以及检验成功或失 败的记录。规范这样庞大而复杂的信息，难 度很大。还没有计及各行各业、各个学科都 有自己的规范和标准表达方法，以及多年形 成的习惯，统一它们几乎是不可能的。虽然 有人企图用机械产品来进行这种尝试，但是 现代的机械产品，已经远远不是一个机械系 统，无一例外包含大量的电子元器件、特殊 材料、微处理器甚至生物器件以及软件组件 等等。因此，不必在这种至少暂时不可能也 不必要的事情上花费过多精力。事实上，因 为它是在一个设计实体内部的 流动，一般讲比较容易解决信 息量大和各种非结构化表达的 问题。一个设计实体要能够胜 任这项任务，必须有能够组织 与任务相关的这种流动的资 质，具体说，就是在第二类流 动的支持下完成构造任务空 间，联想或以相关技术得到可 能解集，分解可能解，测试、 评估、优化、回溯和再设计， 综合各方面的知识，经过协调、 决策得到最终解决方案，其中 还包括正确地使用第二类流动；同时，它还 要对流动的结果承担风险。 设计过程或子过程 第二类流动是设计实体向企业外请求服 务和企业外智力资源单元向实体提供服务 的流动。对服务的需求（由设计实体发布） 和可提供服务的性能（由智力资源单元发 布）也是以特征表达，而提供的解决方案如 前面所讨论的那样，其描述可能非常复杂。 但是绝大多数情况下，在第二类流动中所提 供的仅仅是一个最终解决方案，不必包括得 到解决方案的过程。企业外的资源单元对最 终解决方案满足所需要的特征负责。在一些 情况下，解决方案也是由一系列能够满足需 要但是与需要不同的特征构成。在另外一些 情况下，如果事先约定，解决方案仅仅是一 些简单的代码。所以第二类流动所需要传递 的信息量要小得多。 第三类流动是在企业外的智力资源单元 内部由需求产生解决方案的流动。从性质上 讲，它与第一类流动相似，但是拓扑结构和 规模会相对简单，因为它往往只涉及单元技 术和一个专门的领域。作为一个智力资源单 元，它所需要的资质包括发布可提供服务的 性能、接受服务请求以及能够在第四类流动 支持下获得并通过第二类流动传递解决方 第一类流动： 第二类流动 集成知识和产生解决方案 任务或子任务 决策 任务或子任务的解决方案 ： 第三类流动 信息 知识 请求知识服务和 提供知识服务 资源 资源 资源 资源 ： 第四类流动 单元 A 单元 B 单元 i 单元 N 信息 → 知识 信息 信息 信息 信息 : 从其他资源单元取得 信息或知识 图 2 设计过程中的知识流 6
案的一切条件。 实的表述，这个事实连同其他事实，往往是 第四类流动是资源单元为得到解决方案 获得待求关系的前提，例如关于待求关系本 而需要从外部获得的信息，这些信息可以是 身的表述、初始条件、对答案的约束需求、 单元在单元外布置的测试仪器获得的数据， 可能获得答案的途径等等。所以知识流理论 也可以是来自请求其它资源单元所提供的 更关心的是未知关系，要描述从未知到已知 服务。在事先约定的情况下，传递的基本上 的过程，而不是一般信息。根据这样的理解， 是字符串。 知识流需要有触发、搜索（含双向选择）、 如果企业外智力资源单元要完成的服务 连接、生成、传递、验收、终断这样一些控 是一项研发任务（通常是一个子任务），那 制机制，通过这些机制完成一个请求知识服 么它本身就变成了一个设计实体，上面所说 务和提供知识服务的过程。 的第三类和第四类流动也就具备了第一类 触发是在设计决策过程中，当需要某未 和第二类流动的性质。 知关系时，即启动知识获取或知识流动过程 在知识流理论的讨论中，经常遇到的一 的机制。搜索（含双向选择）是将问题规范 个问题就是什么是“数据”，什么是“信息” 化，在企业内和企业外搜索资源，并按照时 和什么是“知识”的问题？“数据”通常被 间和成本条件确定解决问题路线的机制。连 认为是符号的集合，而当这个集合被以某种 接是当确定向某选定的资源单元请求知识 方式（例如事先约定）赋予特定的意义，说 服务以获取未知关系或解决方案后，按照资 明特定的事实，它就变成为一个信 息。当然这里讲的“数据”是广义 没计中的知识获取、匹配、，约束检脸和优化 的，可以是数字、图形、符号（含 文字)等。有人认为：“信息通常是 已 知识 单纯的事实，描述的是对象的某个 市场 态势 状态，如红灯亮。知识则是一组事 塵拟 实及其相互间的关系（如因果关系， 现实 物理域型 所属关系，顺序关系等)。如‘红灯 试验 样机 亮允许行人过马路’就是一条知识， 新知识 试验 获取所需要的责源 ‘红灯亮’和‘行人过马路’都可 在用产品的 以被理解为单独的事实，当它们通 性能表现 过‘允许’关系联系起来时，就成 图3知识获取的手段 了知识。因此，知识是比信息更复 源单元要求实施与资源单元连接的机制。如 杂的概念。知识流应当由两个过程组成，知 图3所示，生成是知识流中最重要的一个机 识流动和知识进化。”所以，需要将知识和 制。因为所需要获取知识类别、性质、获取 信息之间做一个严格的界定，当然只限于与 方法、需要的资源和资源单元本身资质的不 设计有关的范围使用。否则，就太复杂了。 同，机制本身也有很大的差别，所以也是最 这个界定应当是可能的，只要仔细研究设计 复杂和最多样化的机制。一般往往从个人经 过程就可以解决。知识流与工作流的关系比 验或数据库、模型库中获取已有知识，通过 较容易界定，工作流讲的是任务的传递，知 市场监测、调查了解市场态势、取竞争对手 识流则是描述流动的内容。与知识流不容易 的产品进行测试和采集自己产品在使用中 分清的是信息流，后者也是讲流动的内容， 的表现以获取需求和潜在需求的知识，由虚 如果不能区分，那么流动的控制就会不确 拟现实（包括利用各种模型进行计算）得到 定。从在分布式资源环境中研究设计知识服 的解决方案和对解决方案在全生命周期行 务考虑，知识应当是对某一个设计问题可以 为的预测，对于重要的问题还要进行物理模 据以做出决定（也可能是暂时的决定）的事 型试验和样机试验，大量后续知识则是从当 实之间关系的表述。而信息则是关于某一事 今产品全生命周期各个阶段的表现的记录
案的一切条件。 第四类流动是资源单元为得到解决方案 而需要从外部获得的信息，这些信息可以是 单元在单元外布置的测试仪器获得的数据， 也可以是来自请求其它资源单元所提供的 服务。在事先约定的情况下，传递的基本上 是字符串。 如果企业外智力资源单元要完成的服务 是一项研发任务（通常是一个子任务），那 么它本身就变成了一个设计实体，上面所说 的第三类和第四类流动也就具备了第一类 和第二类流动的性质。 在知识流理论的讨论中，经常遇到的一 个问题就是什么是“数据”，什么是“信息” 和什么是“知识”的问题？“数据”通常被 认为是符号的集合，而当这个集合被以某种 方式（例如事先约定）赋予特定的意义，说 明特定的事实，它就变成为一个信 息。当然这里讲的“数据”是广义 的，可以是数字、图形、符号（含 文字）等。有人认为：“信息通常是 单纯的事实，描述的是对象的某个 状态，如红灯亮。知识则是一组事 实及其相互间的关系（如因果关系， 所属关系，顺序关系等）。如‘红灯 亮允许行人过马路’就是一条知识， ‘红灯亮’和‘行人过马路’都可 以被理解为单独的事实，当它们通 过‘允许’关系联系起来时，就成 了知识。因此，知识是比信息更复 杂的概念。知识流应当由两个过程组成，知 识流动和知识进化。”所以，需要将知识和 信息之间做一个严格的界定，当然只限于与 设计有关的范围使用。否则，就太复杂了。 这个界定应当是可能的，只要仔细研究设计 过程就可以解决。知识流与工作流的关系比 较容易界定，工作流讲的是任务的传递，知 识流则是描述流动的内容。与知识流不容易 分清的是信息流，后者也是讲流动的内容， 如果不能区分，那么流动的控制就会不确 定。从在分布式资源环境中研究设计知识服 务考虑，知识应当是对某一个设计问题可以 据以做出决定（也可能是暂时的决定）的事 实之间关系的表述。而信息则是关于某一事 实的表述，这个事实连同其他事实，往往是 获得待求关系的前提，例如关于待求关系本 身的表述、初始条件、对答案的约束需求、 可能获得答案的途径等等。所以知识流理论 更关心的是未知关系，要描述从未知到已知 的过程，而不是一般信息。根据这样的理解， 知识流需要有触发、搜索（含双向选择）、 连接、生成、传递、验收、终断这样一些控 制机制，通过这些机制完成一个请求知识服 务和提供知识服务的过程。 触发是在设计决策过程中，当需要某未 知关系时，即启动知识获取或知识流动过程 的机制。搜索（含双向选择）是将问题规范 化，在企业内和企业外搜索资源，并按照时 间和成本条件确定解决问题路线的机制。连 接是当确定向某选定的资源单元请求知识 服务以获取未知关系或解决方案后，按照资 源单元要求实施与资源单元连接的机制。如 图 3 所示，生成是知识流中最重要的一个机 制。因为所需要获取知识类别、性质、获取 方法、需要的资源和资源单元本身资质的不 同，机制本身也有很大的差别，所以也是最 复杂和最多样化的机制。一般往往从个人经 验或数据库、模型库中获取已有知识，通过 市场监测、调查了解市场态势、取竞争对手 的产品进行测试和采集自己产品在使用中 的表现以获取需求和潜在需求的知识，由虚 拟现实（包括利用各种模型进行计算）得到 的解决方案和对解决方案在全生命周期行 为的预测，对于重要的问题还要进行物理模 型试验和样机试验，大量后续知识则是从当 今产品全生命周期各个阶段的表现的记录 设计中的知识获取、匹配、约束检验和优化 已有 知识 市场 态势 虚拟 现实 物理模型 试验 样机 新知识 试验 获取所需要的资源 在用产品的 性能表现 图 3 知识获取的手段 7
反馈获取的叨 用词规范化也是涉及范围很大的研究工 请求知识服务方在选择提供服务方时， 作。文献[20]从经典热力学的能量、热和功 要考察对方是否具有必要的资质，包括必要 的概念出发，全面扩充和整理了在产品设计 的手段；而提供方为了能够在竞争中赢得服 过程中作为描述输入、输出关系的关键物理 务的定单，更需要在描述（发布）自己的服 量，提出了一个物理量功能基PFB 务时，充分展示自己的资质。 (Physical-quantity function basis 为了提供已经得到的待求关系或解决方 用词方案。这个方案正在进一步具体化之 案，要根据约定向请求方传递，请求方得到 中。因为在分布式资源环境中，提供的解决 结果后要验收结果和在认为结果已经合格 方案可能是一个产品，也可能是非产品的服 后终断与提供方的连接。 务，不一定能够由物理量的词汇表达。例如， 虽然为了分布式资源环境的形成和有效 输入是请求提供对一个法律问题咨询的答 运作，需要开发具有不同功能的公共平台。 案，而输出则是关于这个咨询答复的内容。 公共平台可能具有上述一部分机制，但是不 所以，还需要在PFB的基础上进一步扩展， 能代替资源单元内部的许多机制，特别是不 是否可以就称为功能基FB(Functional 能代替其生成解决方案的机制。这是由设计 basis),也需要研究。 知识本身性质所决定的 曾经考虑采取谓-宾的描述形式和RFB 2.2特征的构成与规范化 (Reconciled functional basis)的用词 有了前面的研究，就可以进一步研究特 规范，但是谓-宾的形式很难定量描述和写 征的构成。在知识流动的内容里，由特征来 成表达式，更不容易插入输入、输出条件， 传递的是驱动产品设计的需求信息和提供 后来放弃了。但是谓-宾描述形式和RFB用 方案是否已经检验合格的信息。主要有两个 词可以用于功能分类。在处理无边无际的由 方面：性能特征和约束特征。性能特征又可 输入输出和P℉B详细描述的功能时，没有分 以分解为功能特征和质量特征，质量是功能 类是不可想象的。不论对于发布还是搜索， 在全生命周期中变化的度量，从属于功能。 首先需要按大类处理。 性能特征在设计中要优先得到处理；约束特 同样，文献[1]建议质量特征的规范描述 征可能是一个很大的子集，在设计中也需要 也是由3部分组成：功能表达式，质量表达 满足。 式和参数表。之所以要有功能表达式是因为 特征的描述必须是信息量尽可能小和没 质量是从属于功能的，而参数表也可以有约 有歧义。原则确定以后，具体方案的确定还 定而不需要每次传输。 需要做大量工作。 文献[12]关于建立通用约束基的建议可 规范特征描述有两个方面：形式上的规 以作为建立规范化用词的基础。但是其中将 范和用词的规范。 一些属于质量的内容也归入约束，因而与质 文献[15]之所以建议采用输入-输出的 量的概念发生矛盾。为了避免歧义，需要将 形式来规范功能描述，是为了能够得到定量 属于质量的内容剔除。形式规范可以参照功 上的方便和准确。不仅输入和输出需要量的 能特征，由文字说明、表达式和参数表组成。 描述，而且输入和输出的条件也需要量的描 述，这样才可以用于规范驱动和检验过程。 3性能需求驱动 文献[1]中建议功能描述由3部分组成： 现代设计理论认为，性能是设计的起点 文字说明，功能表达式和参数表，其中主要 和完成的标志。所以在设计全过程中，满足 是功能表达式。文字说明是辅助的，而参数 性能需求始终是设计师追逐的目标。特别是 表则可以作为约定以减少需要传递的信息 通过引入新技术实现现有产品所不能满足 量。功能表达式中的输入、输出条件可以由 的需求或潜在的需求，更是产品设计进程的 下标和“{}”号中的内容描述。描述用词 驱动力。设计实体在承担一项设计任务或子 用于文字说明和参数表。 任务前，它必须有能够组织与任务相关的第
反馈获取的[19]。 请求知识服务方在选择提供服务方时， 要考察对方是否具有必要的资质，包括必要 的手段；而提供方为了能够在竞争中赢得服 务的定单，更需要在描述（发布）自己的服 务时，充分展示自己的资质。 为了提供已经得到的待求关系或解决方 案，要根据约定向请求方传递，请求方得到 结果后要验收结果和在认为结果已经合格 后终断与提供方的连接。 虽然为了分布式资源环境的形成和有效 运作，需要开发具有不同功能的公共平台。 公共平台可能具有上述一部分机制，但是不 能代替资源单元内部的许多机制，特别是不 能代替其生成解决方案的机制。这是由设计 知识本身性质所决定的。 2.2 特征的构成与规范化 有了前面的研究，就可以进一步研究特 征的构成。在知识流动的内容里，由特征来 传递的是驱动产品设计的需求信息和提供 方案是否已经检验合格的信息。主要有两个 方面：性能特征和约束特征。性能特征又可 以分解为功能特征和质量特征，质量是功能 在全生命周期中变化的度量，从属于功能。 性能特征在设计中要优先得到处理；约束特 征可能是一个很大的子集，在设计中也需要 满足。 特征的描述必须是信息量尽可能小和没 有歧义。原则确定以后，具体方案的确定还 需要做大量工作。 规范特征描述有两个方面：形式上的规 范和用词的规范。 文献[15]之所以建议采用输入- 输出的 形式来规范功能描述，是为了能够得到定量 上的方便和准确。不仅输入和输出需要量的 描述，而且输入和输出的条件也需要量的描 述，这样才可以用于规范驱动和检验过程。 文献[1]中建议功能描述由 3 部分组成： 文字说明，功能表达式和参数表，其中主要 是功能表达式。文字说明是辅助的，而参数 表则可以作为约定以减少需要传递的信息 量。功能表达式中的输入、输出条件可以由 下标和“{ }”号中的内容描述。描述用词 用于文字说明和参数表。 用词规范化也是涉及范围很大的研究工 作。文献[20]从经典热力学的能量、热和功 的概念出发，全面扩充和整理了在产品设计 过程中作为描述输入、输出关系的关键物理 量 ， 提 出 了 一 个 物 理 量 功 能 基 PFB （Physical-quantity function basis）的 用词方案。这个方案正在进一步具体化之 中。因为在分布式资源环境中，提供的解决 方案可能是一个产品，也可能是非产品的服 务，不一定能够由物理量的词汇表达。例如， 输入是请求提供对一个法律问题咨询的答 案，而输出则是关于这个咨询答复的内容。 所以，还需要在 PFB 的基础上进一步扩展， 是否可以就称为功能基 FB（ Functional basis），也需要研究。 曾经考虑采取谓-宾的描述形式和 RFB （Reconciled functional basis）的用词 规范，但是谓-宾的形式很难定量描述和写 成表达式，更不容易插入输入、输出条件， 后来放弃了。但是谓-宾描述形式和 RFB 用 词可以用于功能分类。在处理无边无际的由 输入输出和 PFB 详细描述的功能时，没有分 类是不可想象的。不论对于发布还是搜索， 首先需要按大类处理。 同样，文献[1]建议质量特征的规范描述 也是由 3 部分组成：功能表达式，质量表达 式和参数表。之所以要有功能表达式是因为 质量是从属于功能的，而参数表也可以有约 定而不需要每次传输。 文献[12]关于建立通用约束基的建议可 以作为建立规范化用词的基础。但是其中将 一些属于质量的内容也归入约束，因而与质 量的概念发生矛盾。为了避免歧义，需要将 属于质量的内容剔除。形式规范可以参照功 能特征，由文字说明、表达式和参数表组成。 3 性能需求驱动 现代设计理论认为，性能是设计的起点 和完成的标志。所以在设计全过程中，满足 性能需求始终是设计师追逐的目标。特别是 通过引入新技术实现现有产品所不能满足 的需求或潜在的需求，更是产品设计进程的 驱动力。设计实体在承担一项设计任务或子 任务前，它必须有能够组织与任务相关的第 8
一类流动的资质。这里的“组织”，包含以 征联系服务请求方和提供方)，也可能是对 下几层意思： 信息、技术问题或人文问题的咨询（通过服 首先，必须能够从市场及相关研究中得 务的性能特征和约束特征联系服务请求方 到对于下一代产品的性能需求，特别是现有 和提供方)。所有从第二类流动返回的答案， 产品所不能满足的需求或潜在的需求，并将 对于第一类流动而言，都是为任务求解获取 它们变换成为由特征描述的性能，构成设计 的新知识，都将汇入第一类流动并参与决策 任务空间的最重要的组成部分，其余部分则 过程，不论是肯定的答案还是否定的答案。 被约束特征所占据。 关于性能需求与第三类流动和第四类流 其次，必须能够从内部资源中获取知识， 动的关系，可以类比前两类流动。所以，整 通过任务分解，分离出为满足已有产品所不 个设计，都是在性能需求驱动下进行的，而 能满足的性能需求所需要解决的问题，并通 产生的解决方案又需要满足约束需求。 过联想（或其他相当的技术）产生藉助引入 新技术来实现已有产品所不能满足的性能 4状态、状态方程、不完备可观状态空间 的若干可能解决方案；当内部资源的知识不 设计的竞争已经迫使从传统上以产品出 足时，能够提出问题（需要由外部资源提供 厂时满足性能需求和约束需求为目标的设 服务的子任务)一通过第二类流动发布问 计转变为在全生命周期（含报废以后）中满 题一搜索到合适的外部资源一请求服 足性能需求和约束需求的目标。为了在产品 务获得所需要的知识并集成（综合和匹配） 还不存在的情况下能够对产品设计的性能 进入第一类流动。 和是否满足约束进行虚拟的测试、评估和优 第三，必须能够以性能需求为根据，同 化，关于产品在全生命周期中性能变化的知 时考虑约束需求，在第一类流动中对可能解 识和其他方面表现是否满足约束的知识是 集进行测试、评估、优化、回溯和再设计以 至关重要的，当然，这只能是正在使用的产 获取有关知识，并经过决策程序产生最终 品（当前一代产品），而不是正在设计的新 解。在决策过程中，需要通过第二类流动与 产品（下一代产品）。这些知识统称为后续 有关利益方进行关于性能和约束的意见交 知识，是构建在设计新产品时虚拟现实的数 换和认知协调（知识获取）以得到各方都能 学模型的基础。如图4所示，设计预测是依 接受的解决方案。 赖于后续知识。在分布式资源环境中，加工 在测试、评估、优化、 回溯和再设计中，当内部资 后挑知虽 源知识不足时，能够提出问 题（需要由外部资源提供服 子降在使用中表克的善和 务的子任务)一通过第二 逢中的加 类流动发布问题一搜索到 艺过设比 合适的外部资源一请求服 品评而文件 产 品原泉文持 务并获得所需要的服务。这 些服务，可能是对所需要的 性能提供解决方案（含已有 图4全生命周期设计对后续知识的依赖 产品，可研发的产品，单项 和装配往往是在分布的情况下进行，组织和 技术，材料，工艺等一以性能特征及约束 控制这些阶段和获取相关的后续知识固然 特征提供，在需要时，也可以要求提供更多 也需要采取有效措施，但是更加复杂的是产 的细节)，也可能是对测试、评估、优化提 供技术（如对某一个解决方案进行有限元分 品交付使用以后的阶段。与加工和装配的资 析，进行某一项试验，在现场采集数据，搜 源单元相比，产品用户的多样性、使用条件 的千差万别、操作和维护技术高低的悬殊以 索最优解等，通过服务的性能特征和约束特 及维修资质的不同，都使得对产品运行条件
一类流动的资质。这里的“组织”，包含以 下几层意思： 首先，必须能够从市场及相关研究中得 到对于下一代产品的性能需求，特别是现有 产品所不能满足的需求或潜在的需求，并将 它们变换成为由特征描述的性能，构成设计 任务空间的最重要的组成部分，其余部分则 被约束特征所占据。 其次，必须能够从内部资源中获取知识， 通过任务分解，分离出为满足已有产品所不 能满足的性能需求所需要解决的问题，并通 过联想（或其他相当的技术）产生藉助引入 新技术来实现已有产品所不能满足的性能 的若干可能解决方案；当内部资源的知识不 足时，能够提出问题（需要由外部资源提供 服务的子任务） ─ 通过第二类流动发布问 题 ─ 搜索到合适的外部资源 ─ 请求服 务获得所需要的知识并集成（综合和匹配） 进入第一类流动。 第三，必须能够以性能需求为根据，同 时考虑约束需求，在第一类流动中对可能解 集进行测试、评估、优化、回溯和再设计以 获取有关知识，并经过决策程序产生最终 解。在决策过程中，需要通过第二类流动与 有关利益方进行关于性能和约束的意见交 换和认知协调（知识获取）以得到各方都能 接受的解决方案。 在测试、评估、优化、 回溯和再设计中，当内部资 源知识不足时，能够提出问 题（需要由外部资源提供服 务的子任务） ─ 通过第二 类流动发布问题 ─ 搜索到 合适的外部资源 ─ 请求服 务并获得所需要的服务。这 些服务，可能是对所需要的 性能提供解决方案（含已有 产品，可研发的产品，单项 技术，材料，工艺等 ─ 以性能特征及约束 特征提供，在需要时，也可以要求提供更多 的细节），也可能是对测试、评估、优化提 供技术（如对某一个解决方案进行有限元分 析，进行某一项试验，在现场采集数据，搜 索最优解等，通过服务的性能特征和约束特 征联系服务请求方和提供方），也可能是对 信息、技术问题或人文问题的咨询（通过服 务的性能特征和约束特征联系服务请求方 和提供方）。所有从第二类流动返回的答案， 对于第一类流动而言，都是为任务求解获取 的新知识，都将汇入第一类流动并参与决策 过程，不论是肯定的答案还是否定的答案。 关于性能需求与第三类流动和第四类流 动的关系，可以类比前两类流动。所以，整 个设计，都是在性能需求驱动下进行的，而 产生的解决方案又需要满足约束需求。 4 状态、状态方程、不完备可观状态空间 设计的竞争已经迫使从传统上以产品出 厂时满足性能需求和约束需求为目标的设 计转变为在全生命周期（含报废以后）中满 足性能需求和约束需求的目标。为了在产品 还不存在的情况下能够对产品设计的性能 和是否满足约束进行虚拟的测试、评估和优 化，关于产品在全生命周期中性能变化的知 识和其他方面表现是否满足约束的知识是 至关重要的，当然，这只能是正在使用的产 品（当前一代产品），而不是正在设计的新 产品（下一代产品）。这些知识统称为后续 知识，是构建在设计新产品时虚拟现实的数 学模型的基础。如图 4 所示，设计预测是依 赖于后续知识。在分布式资源环境中，加工 和装配往往是在分布的情况下进行，组织和 控制这些阶段和获取相关的后续知识固然 也需要采取有效措施，但是更加复杂的是产 品交付使用以后的阶段。与加工和装配的资 源单元相比，产品用户的多样性、使用条件 的千差万别、操作和维护技术高低的悬殊以 及维修资质的不同，都使得对产品运行条件 后续知识 产品在使用中表现的总和 最终设计 产品再使用 制造中的知识 使用表现 的文件 概念 产品设计及 制造 销售及 报废后 设计 工艺过程设计 过程 售后服务等 的处理 产品文件 产品详细文件 产品 产品服务和支持 产品实现过程管理 和集成 图 4 全生命周期设计对后续知识的依赖 9
的了解和掌握非常困难，也使得这一阶段后 正在进行的研究认为，全生命周期中任 续知识的获取非常困难。到目前为止，还没 意时刻的性能和满足约束条件的情况都可 有一个获取这类知识的规范化方法。 以由输入向量和输出向量中某些特定的元 因此，正在组织一项规范化获取产品使 素计算出来，而决定状态变化的则是系统的 用阶段后续知识并在设计中集成应用的研 初始状态和方程中的A,B,C,D和U阵。A, 究。首先，要寻求尽可能方便取得有关信息 B,C,D是由系统固有的决定性能和满足约 的技术，其次，要建立这些信息与产品在使 束条件变化的本质要素构成，则反映使用 用中性能变化和满足约束条件变化情况的 条件对变化的影响。与通常的处理不同，它 联系。第三，所建立的联系要能够用于反求， 们都可能是时变的和非线性的。因为状态变 从产品出厂时的性能和满足约束条件情况， 量可以选择为可观的，通过在线进行全生命 推算出全生命周期中各个时刻的性能和满 周期连续观察状态变量的变化并与用状态 足约束条件情况。 方程推算出来的结果比较，就能够获得对A, 现代控制理论认为对于多输入多输出、 B,C,D阵的时变和非线性关系修正所需要 时变和非线性系统，状态空间法是系统设计 的后续知识，或称数学模型。初始状态可以 最好的方法1.。因此，上述研究采用了状 选择出厂时、大修后或任何一个已知的状 态、状态变量、状态空间和状态方程这样一 态，V则由使用者给出。这些后续知识，需 些概念。状态空间分析中，涉及到了3种变 要如图4所示，反馈到设计阶段，作为下一 量：输入变量、输出变量和状态变量。这些 代新产品全生命周期设计获取新知识的根 正是建立全生命周期性能变化和满足约束 据。需要说明，性能和满足约束条件的变化 条件情况变化所需要的变量。状态方程一般 与文献[3]所说的动态分析中的变化不同， 具有以下形式： 前者研究的是系统固有本质要素变化引起 系统状态的变化，后者研究的是系统固有本 X=AX+BU 质要素不变条件下系统状态的变化。 Y=CX+DU 虽然选择的状态向量是可观的，但是由 式中，X状态向量，U 输入向量，Y 于成本和其他实际考虑，不可能都对它们进 输出向量，A结构阵，B输入阵，C, 行在线全生命周期连续观察，往往只能在其 D输出阵。 中选择几个，这就是不完备可观状态空间的 对于一个真实产品，在研究它与某一个 概念。于是问题就变成如何从对少数几个状 学科知识有关的问题时，常常将它简化为相 态变量的观察，推算整个状态向量的变化。 应的抽象系统，如动力学系统，热力学系统， 已经有的经验告诉我们，仍旧可以利用已有 电磁学系统，摩擦学系统等等。当其中几个 的与各个学科发展相关的数学模型作为基 之间有耦合关系时，又可以将它们组织成为 础，交替进行正问题求解和反问题求解，得 一个系统来观察耦合所产生的影响，例如， 到逐步逼近的解。例如，可以利用在线铁谱 摩擦学-转子动力学系统。对于不同的系统， 传感器进行在线全生命周期连续观察磨粒 将由不同的状态变量构成状态向量和构成 尺寸、材质和数量分布变化，确定某个零件 状态方程。状态向量的非唯一性使得有可能 磨损状态的变化（反问题求解），同时又利 在不同的变量组合之间进行变换。另外，对 用磨损计算的状态方程进行推算，比较磨损 于性能变化和满足约束条件情况变化通常 状态变化是否应当发生（正问题求解），从 并不会涉及到无穷多个学科，大规模运算技 对少数几个状态变量的观察，推算整个状态 术的发展也使得有可能把与产品性能变化 向量的变化。 和满足约束条件情况变化主要有关的学科 文献[23]曾经提出过交替进行正问题求 变量都组织到该产品的状态向量中来，构成 解和反问题求解的概念。作者当时提出这个 联系输入变量、输出变量和状态变量的状态 概念时曾经设想在一个大型汽轮发电机组 方程。 的转子轴承系统中，常常会发生失稳而导致 o
的了解和掌握非常困难，也使得这一阶段后 续知识的获取非常困难。到目前为止，还没 有一个获取这类知识的规范化方法。 因此，正在组织一项规范化获取产品使 用阶段后续知识并在设计中集成应用的研 究。首先，要寻求尽可能方便取得有关信息 的技术，其次，要建立这些信息与产品在使 用中性能变化和满足约束条件变化情况的 联系。第三，所建立的联系要能够用于反求， 从产品出厂时的性能和满足约束条件情况， 推算出全生命周期中各个时刻的性能和满 足约束条件情况。 现代控制理论认为对于多输入多输出、 时变和非线性系统，状态空间法是系统设计 最好的方法[21，22]。因此，上述研究采用了状 态、状态变量、状态空间和状态方程这样一 些概念。状态空间分析中，涉及到了 3 种变 量：输入变量、输出变量和状态变量。这些 正是建立全生命周期性能变化和满足约束 条件情况变化所需要的变量。状态方程一般 具有以下形式： X AX BU = + 式中，X 状态向量，U 输入向量，Y 输出向量，A 结构阵，B 输入阵，C， D 输出阵。 对于一个真实产品，在研究它与某一个 学科知识有关的问题时，常常将它简化为相 应的抽象系统，如动力学系统，热力学系统， 电磁学系统，摩擦学系统等等。当其中几个 之间有耦合关系时，又可以将它们组织成为 一个系统来观察耦合所产生的影响，例如， 摩擦学-转子动力学系统。对于不同的系统， 将由不同的状态变量构成状态向量和构成 状态方程。状态向量的非唯一性使得有可能 在不同的变量组合之间进行变换。另外，对 于性能变化和满足约束条件情况变化通常 并不会涉及到无穷多个学科，大规模运算技 术的发展也使得有可能把与产品性能变化 和满足约束条件情况变化主要有关的学科 变量都组织到该产品的状态向量中来，构成 联系输入变量、输出变量和状态变量的状态 方程。 正在进行的研究认为，全生命周期中任 意时刻的性能和满足约束条件的情况都可 以由输入向量和输出向量中某些特定的元 素计算出来，而决定状态变化的则是系统的 初始状态和方程中的 A，B，C，D 和 U 阵。A， B，C，D 是由系统固有的决定性能和满足约 束条件变化的本质要素构成，U 则反映使用 条件对变化的影响。与通常的处理不同，它 们都可能是时变的和非线性的。因为状态变 量可以选择为可观的，通过在线进行全生命 周期连续观察状态变量的变化并与用状态 方程推算出来的结果比较，就能够获得对 A， B，C，D 阵的时变和非线性关系修正所需要 的后续知识，或称数学模型。初始状态可以 选择出厂时、大修后或任何一个已知的状 态，U 则由使用者给出。这些后续知识，需 要如图 4 所示，反馈到设计阶段，作为下一 代新产品全生命周期设计获取新知识的根 据。需要说明，性能和满足约束条件的变化 与文献[3]所说的动态分析中的变化不同， 前者研究的是系统固有本质要素变化引起 系统状态的变化，后者研究的是系统固有本 质要素不变条件下系统状态的变化。 Y CX DU = + & 虽然选择的状态向量是可观的，但是由 于成本和其他实际考虑，不可能都对它们进 行在线全生命周期连续观察，往往只能在其 中选择几个，这就是不完备可观状态空间的 概念。于是问题就变成如何从对少数几个状 态变量的观察，推算整个状态向量的变化。 已经有的经验告诉我们，仍旧可以利用已有 的与各个学科发展相关的数学模型作为基 础，交替进行正问题求解和反问题求解，得 到逐步逼近的解。例如，可以利用在线铁谱 传感器进行在线全生命周期连续观察磨粒 尺寸、材质和数量分布变化，确定某个零件 磨损状态的变化（反问题求解），同时又利 用磨损计算的状态方程进行推算，比较磨损 状态变化是否应当发生（正问题求解），从 对少数几个状态变量的观察，推算整个状态 向量的变化。 文献[23]曾经提出过交替进行正问题求 解和反问题求解的概念。作者当时提出这个 概念时曾经设想在一个大型汽轮发电机组 的转子轴承系统中，常常会发生失稳而导致 10
