2.3 设计系统

系统工程是在控制论、信息论、运筹学和管理科学基础上发展起来的，用于解决工程问题，使之达到最优设计、最优控制和最优管理的一门科学。传统的分析方法往往把事物分解为许多独立的互不相干的部分后分别进行研究。由于是孤立、静止地分析问题，所得的结论往往是片面的、有局限性的。而系统工程的方法把事物作为一个整体的系统来研究。从系统出发，分析各组成部分之间的有机联系及系统与外界环境的关系，是一种较全面的综合研究方法。

从系统工程观点分析，设计系统是一个由时间维、逻辑维和方法维组成的三维系统。时间维反映按时间顺序的设计工作阶段；逻辑维是解决问题的逻辑步骤；方法维表达设计过程中的各种思维方法和工作方法。设计过程中的每一个行为都反映为这个三维空间中的一个点。人们也可以通过这三个方面深入分析和研究设计系统的规律。

2.3.1 设计的工作阶段

1.产品规划阶段

该阶段要进行需求分析、市场预测、可行性分析，确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书（或要求表），以作为设计、评价和决策的依据。

产品开发是从需求识别开始的。优秀的设计人员应该有敏锐的预感能力，在竞争形势中分析出社会的需要，并抢在市场需要前完成产品的开发和试制工作。需求分析包括对销售市场和原料市场的分析，如消费者对产品功能，性能质量、数量等的具体要求，竞争对手在技术、经济方面的优缺点，现有类似产品的销售情况，主要原料、配件、半成品等的现状、价格及变化趋势等。

20世纪60年代，日本汽车在美国市场无人问津，但日本商人经过市场调查及预测，认为生产小轿车有发展前途，积极投资引进新技术，生产多种型号、价格低廉、节能省油的小型汽车。打入国际市场后，在世界能源危机形势下很有竞争力。1985年日本向美国出口汽车230万辆，在美国每销售四辆汽车就有一辆是日本车。

对产品开发中的重大问题经过技术、经济、社会各方面条件的详细分析和对开发可能性的综合研究，提出产品开发的可行性报告，报告一般包括以下内容：（1）产品开发的必要性、市场调查及预测情况；（2）有关产品的国内外水平、发展趋势；（3）从技术上预期所能达到的水平，经济效益和社会效益的分析；（4）从设计、工艺等方面需要解决的关键问题；（5）投资费用及时间进度；（6）现有条件下开发的可能性及准备采取的措施。

对准备开发的产品，要通过调研分析，提出合理的设计要求。有关产品功能、经济性、制造、使用等方面的要求应明确，并尽可能地数量化。反映基本功能性能的要求应列为设计的基本要求，而对制约条件可分为必达要求和附加要求（希望能达到的要求），区别其重要程度，以便评价时给予适当的加权系数。

产品规划阶段的最终目的是确定任务，并给出详细的设计任务书（要求表）。设计任务书的内容可参考表2-1。

2.方案设计阶段

在功能分析的基础上通过创新构思、搜索探求，优化筛选出较理想的功能原理方案，这是决定产品性能、成本，关系到产品水平及竞争能力的重要阶段。

方案设计阶段应有表达功能原理方案的简图或示意图。

3.技术设计阶段

该阶段是将功能原理方案具体化为机器及零部件的合理结构。相对于方案阶段的创新设计，技术设计阶段应有更多反映设计规律的合理化设计要求。这阶段工作内容较广，大致包括以下方面。

（1）总体设计 包括机器各部件的总体布置，运动配合，人-机-环境的合理关系。

（2）结构设计 包括零部件选择材料，设计结构，确定尺寸（包括参数及尺寸的优化）。

（3）商品化设计 从技术、经济各方面提高产品的市场竞争能力。如用价值优化进行价值分析，提高产品性能，降低成本，用最低成本保证基本功能。又如对产品进行造型设计，在保证功能和便于加工的前提下，设计美观大方的外型和协调悦目的色彩。

（4）模型或样机试验 通过试验，检查产品的功能及整机和零部件的强度、刚度，运转精度，振动稳定性、噪声等方面性能，及时进行必要的改进，以更好地满足原设计要求。

技术设计阶段应提供总装图、结构装配图及外形图等。

4.施工设计阶段

该阶段进行零件工作图、部件装配图的设计，完成全部生产图纸并编制设计说明书、工艺文件、使用说明书等有关技术文件。

以上分析的是设计过程，按程序有步骤地进行设计，对提高设计质量有较好的效果。

根据产品开发前的程序及内容，可将设计任务分为三种类型——开发型、适应型和变参数型。开发型设计针对新任务提出新的功能原理方案，完成从产品规划到施工设计的全过程，是创新设计。适应型设计在原理方案基本保持不变的情况下，变化、更换部分部件或结构，使之更广泛地适应使用要求。如在卧式铣床基础上加立铣头、磨头或插削头，以扩展其加工范围；又如在普通自行车基础上更换传动系统，并改变部分结构后开发出变速赛车等。变参数型设计其功能、原理方案，结构形式基本确定，通过改变尺寸性能参数来满足不同的工作需要。

更进一步分析，产品开发不仅考虑设计过程，还应全面包括产品的形成和整个寿命周期。我国设计人员早在20世纪60年代就总结出全面考虑试验、研究、设计、制造、安装、使用、维护“七事一贯制”的设计方法。丹麦技术大学的M·M·Andreasen博士提出以市场需求作为设计依据的产品开发一体化模式，认为在产品开发的全过程中，应始终把产品的设计、销售（市场需要）与制造三方面作为整体来考虑。只有设计与市场信息密切配合，在市场、设计、生产中求最佳关系，才能以最快速度回收投资，获得效益，开发出比较理想的产品。

2.3.2 解决问题的逻辑步骤

设计过程中解决问题的合理逻辑步骤是分析、综合，评价、决策。

（1）分析 明确问题的本质要求，这是解决问题的前提。如对于解决高级旅馆的出入口问题，经过分析，其要求的关键是：① 使双手提物的人能无阻碍地通过；② 在无人通过时要设法使室内外气流隔开，以保持室内的温度和清洁。此时，人们解题的思路就不会受一般“门”的限制。

（2）综合 在一定条件下，对未知系统探寻解法的创造性过程，应采用各种方法求得尽可能多的解法。

（3）评价 评价是筛选的过程。用科学方法对多种方案进行比较和评定，同时针对某些方案的弱点进行调整和优化。

（4）决策 在评价的基础上根据已定的目标找出解决问题的最佳解法。

通过分析、综合、评价、决策的逻辑过程，能科学合理地解决问题。在设计过程的各阶段，要反复多次地运用这种方法才能得到较理想的结果。

2.3.3 设计方法

在很长一段时间内，工程设计方法多采用直觉法、类比法和以古典力学和数学为基础且大量采用经验数据的半经验性设计法。在采用这些设计方法的过程中，反复多，周期长。在20世纪70年代以后，随着数理方法、控制理论、系统工程、创造工程、价值工程等学科的发展，以及电子计算机的广泛应用，促使许多跨学科的科学现代设计方法出现，使工程设计进入创新、高质量、高效率的新阶段。

设计过程的主要方法与理论列于表2-2中。

现代设计方法有如下特点。

（1）程序性 研究设计的全过程。要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到试验、试制进行全面考虑，按步骤有计划地进行设计。

（2）创造性 突出人的创造性，发挥集体智慧，力求探寻更多突破性方案，开发创新产品。（3）系统性 强调用系统工程处理技术系统问题。设计时分析各部分的有机联系，力求系统整体最优。同时考虑技术系统与外界的联系，即人-机-环境的大系统关系。

（4）优化性 设计的目的是得到功能全、性能好、成本低的价值最优的产品。设计中不仅考虑零部件参数、性能的优化，更重要的是争取产品的技术系统整体最优。

（5）综合性 现代设计方法建立在系统工程、创造工程基础上，综合运用信息论、优化论、相似论、模糊论，可靠性理论等自然科学理论和价值工程、决策论，预测论等社会科学理论，同时采用集合、矩阵、图论等数学工具和电子计算机技术，总结设计规律，提供多种解决设计问题的科学途径。

（6）计算机辅助设计 计算机将更全面地引入设计。通过设计者和计算机的密切配合，采用先进的设计方法，提高设计质量和速度。计算机辅助设计不仅用于计算和绘图，在信息存储、评价决策、动态模拟、人工智能等方面都将发挥更大作用。

【点评2-3】 基于系统工程观点的设计系统