九乡新闻网鹰演全身健康扫描:现代设计方法
来源：百度文库 编辑：九乡新闻网 时间：2024/04/30 01:03:21
功能设计是工程设计中探求原理方案的一种有效方法，它以系统工具为基础，从功能分析着手，其步骤如图3-9所示。功能设计紧紧抓住系统功能这个本质，具有化繁为简、原理解答多、最佳解答多中选优等特点，是一种较好的原理方案设计的方法。
图3-9 功能设计的步骤
3.3.4寻求作用原理
作用原理是指某一功能载体上由某一物理效应实现某一分功能的工作原理。它与功能载体密切相关。作用原理的确定包括物理效应和功能载体的确定。在进行功能分析后，对于各个分功能，必须找出能够实现各分功能的作用原理和功能载体，然后将它们以适当的方式组合起来，即形成了不同的解答方案。同一物理效应和功能载体可以为不同的分功能服务；同一物理效应也可由不同功能载体实现。如杠杆效应不仅可以放大力，而且可以改变行程，改变速度；杠杆效应不仅可通过撬杠实现。也可通过齿轮实现。因此，只有针对某一分功能，在某一确定载体上由某一确定的物理效应产生的作用，才是实现该分功能的作用原理。
1．寻求物理效应
物理效应泛指自然界一切现象的作用效果经物理学家、化学家、生物学家等分析得出的、具有普遍规律性的结果，包括这些学科中的定理、定律和法则。自然科学已经为工程技术提供了大量可以利用的物理效应，可参考有关手册，从中查到所需的物理效应。
2．寻求功能载体
当物理效应确定之后，就要寻求使物理量实现该效应规定的变化的实体，即能实现该分功能的功能载体。功能载体的构成可用几何特征、运动特征和材料特征来描述。改变几何特征和材料特征，可以形成多种功能载体。
3．寻求作用原理的常用方法
寻求作用原理的方法很多，究竟采用哪一种或哪几种取决于设计者的知识和经验。常用的方法有：
（1）文献检索 对设计师来说，这是获得信息的重要渠道。这种信息可从专业书刊、专利，甚至可从竞争者的产品说明中获得。由此可对现有的各种解答的可能性作一次重要的展望。
（2）分析自然系统 研究自然界中的形状、结构、生物和过程，可以引出有多方面用途而技术上新颖的解答。
（3）分析已知系统 分析已有的系统得到新的解答或改进的解答。
（4）偏重于直觉的方法 有智暴法、提问法等。就是利用群体效应，通过互相启发，寻求解决问题的途径。
（5）设计目录的应用 设计目录是一种用于设计的信息库，是一定设计任务或分功能的已知解或经过考验的解的汇编。
4．组合作用原理，形成原理解答方案
确定了各分功能的作用原理之后，按照功能结构图规定的逻辑顺序和关系，把这些作用原理组合在一起，可以实现系统总功能的那些组合，就是所设计的系统的原理解答方案。
由于实现各分功能的物理效应可有很多种，而实现每种物理效应的功能载体又可以有多种，所以可以组合的原理方案数为作用原理数和分功能数的乘积，实现上其中有许多不合理或无法实现的方案。由于作用原理的组合比较复杂，它涉及到所形成的原理解答方案是否合理可行，要求不要遗漏可能的优选方案，建议采用模幅箱图（也称为形态矩形）进行作用原理的组合。
将各分功能与相应的作用原理按顺序以矩阵的形式列出，组成的图形就是模幅箱图，见图12
图12 系统的模幅箱图
5．系统原理解答方案的评价和决策
在众多的方案中选取最佳方案，一般先进行粗筛选，把与设计要求不符或各分功能解答不相容的方案去除。在粗筛选的基础上，对所有可行的解答进行科学的定量评价，以便进一步比较选优。这样做的工作量可能很大，也可在众多的可行方案中，定性的选取几个较为满意的方案进行科学的定量评价。
评价的内容有：
1）技术方面。围绕预定的功能要求进行，评价系统能否满足预定的技术性能及其满意程度。
2）经济方面。围绕经济效益进行，目的是降低系统的造价和产品的成本，提高经济效益。
3）社会方面。围绕系统实施后产生的社会效益和影响进行，如能否推动科技进步，能否促进生产力的发展，能否改善环境污染，能否有助于生态平衡等。
常用的评价方法有：
1）有效价值分析法（加权评分法）。其工作步骤为：① 根据系统的功能要求选择技术、经济评价目标： ②确定评价目标的加权系数： [ ]，加权系数是评价目标重要程度的量化系数，目标越重要，加权系数越大，规定取 ＜1， ；③ 确定评分制式（5分制或百分制）；④ 对各种评价目标评分，用矩阵方式列出 各方案对 个评价目标的评分值；⑤ 计算各方案的有效分值；⑥比较各方案的有效分值，分值高的为佳，在分值高的方案中选出技术经济综合性能好的最佳方案。
2）经验判断法。根据评价人员的经验和直觉，对设计方案进行粗略评价的方法。
3）技术－经济评价法。对各设计方案分别就技术和经济方面进行评价，求出其加权相对值，再进行综合比较的方法。
4）盈亏平衡法。根据预计产品的销售总收入与总成本是否平衡选取产品方案的方法。
2006年6月27日用户名： 密码： 技术用户商业用户
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3.8.1 绿色设计产生的背景
20世纪70年代以来，工业污染所导致的全球性环境恶化达到了前所未有的程度，迫使人们不得不重视这种观实。日益严重的生态危机要求全世界工商企业采取共同行动来加强环境保护，以拯救人类生存的地球，确保人类的生活质量和经济持续健康发展。进入90年代以来，一方面，各国的环保战略开始经历一场新的转折，全球性的产业结构调整呈现出新的绿色战略趋势，这就是向资源利用合理化、废弃物产生少量化、对环境无污染或少污染的方向发展；另一方面，科学技术的迅速发展和社会进步使人们的客观认识不断深化，环保意识日益加强，对产品要求越来越高，从而促使产品更新速度加快，竞争愈加激烈，并对未来和社会产生深远影响。产品激烈竞争及其主要影响主要表现在：任何产品都面临世界性竞争，直接影响国家的经济实力。产品竞争的深化，不仅引起人们对产品的质量、寿命、功能等观念的更新，同时也促使人们更加关心产品对环境带来的不良影响，即更加渴望“绿色产品”（Green Product——GP）。在这种“绿色消费”浪潮的冲击下，绿色产品逐渐兴起，为绿色产品而进行的设计，即绿色设计（Green Design——GD）随之诞生，并成为研究热点之一。目前，工业发达国家在产品设计时努力追求小型化（少用料）、多功能（一物多用，少占地）、可回收利用（减少废弃物数量和污染）；生产技术追求节能、省料、无废少废，闭路循环等，都是努力实现绿色设计的有效手段。如果说，当初是西方国家严格的环保立法和绿色法规促进了制造业奉行绿色设计，那么，现在是绿色设计的先行者尝到了甜头后自觉地遵循绿色行为。施乐的复印机、柯达的照相机和惠普的计算机等均实行了绿色设计，并取得了直接赢利。这同时也进一步促进了绿色产品及绿色设计的迅速发展。
绿色产品与绿色设计
绿色设计是由绿色产品的诞生所引申的一种设计方法，因此，要进行绿色设计，首先有必要弄清什么样的产品是绿色产品？绿色产品有何特点？用哪些指标去衡量？这样也便于通过一定的方法和手段去设计绿色产品。
1.绿色产品的定义
绿色产品或称为环境协调产品（EnvironmentalConscious Product——ECP），是相对于传统产品而言。由于对产品“绿色程度”的描述和量化特征还不十分明确，因此，目前还没有公认的权威定义。不过分析对比现有的不同定义，仍可对绿色产品有一个基本的认识。下即为绿色产品的几种主要定义方式：
1）绿色产品是指以环境和环境资源保护为核心概念而设计生产的，可以拆卸并分解的产品，其零部件经过翻新处理后，可以重新使用。
2）刊登在美国《幸福》双周刊上一篇题为“为再生而制造产品”的文章认为：绿色产品是指将重点放在减少部件，使原材料合理化和使部件可以重新利用的产品。
3）也有人把绿色产品看成是：一件产品在其使用寿命完结时，其部件可以翻新和重新利用，或能安全地把这些零部件处理掉，这样的产品被称为绿色产品。
4）还有人把绿色产品归纳为从生产到使用，乃至回收的整个过程都符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，以及利用资源再生或回收循环再用的产品。
从上述这些定义可以看出，虽然描述的侧重点各不相同，但其实质基本一致，即绿色产品应有利于保护生态环境，不产生环境污染或使污染最小化，同时有利于节约资源和能源，且这一特点应贯穿于产品生命周期全程。因此，综合上述分析，我们可以给出绿色产品的下述定义以供参考：绿色产品就是在其生命周期全程中，符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率最高，能源消耗最低的产品。
由此可见，绿色产品具有丰富的内涵，其主要表现在以下几个方面：①优良的环境友好性，即产品从生产到使用乃至废弃、回收、处理处置的各个环节都对环境无害或危害甚小。这就要求企业在生产过程中选用清洁的原料，清洁的工艺过程，生产出清洁的产品；用户在使用产品时不或很少产生环境污染，并且不对使用者造成危害；报废产品在回收处理过程中很少产生废弃物。②最大限度地利用材料资源。绿色产品应尽量减少材料使用量，减少使用材料的种类，特别是稀有昂贵材料及有毒、有害材料。这就要求设计产品时，在满足产品基本功能的条件下，尽量简化产品结构，合理选用材料，并使产品中零件材料能最大限度的再利用。③最大限度地节约能源，绿色产品在其生命周期的各个环节所消耗的能源应最少。资源及能源的节约利用本身也是很好的环境保护手段。
分析绿色产品的定义可以看出，绿色产品的“绿色程度”应体现在其整个生命周期阶段，而不是产品的某一局部或某一阶段。这就存在另外一个问题，即什么是绿色产品生命周期呢？首先，我们来看普通产品生命周期。普通产品生命周期是指产品从“摇篮到坟墓”（cradle-to-grave），即从产品设计、制造、销售、使用乃至废弃的所有阶段，而产品废弃后的一系列问题则一般很少考虑，其结果不言而喻，即不能满足绿色产品的要求。绿色产品生命周期应将其扩展成从“摇篮到再现”（cradle-to-reincarnation）的过程，即除了普通产品寿命周期阶段外，还应包括废弃（或淘汰）产品的回收、重用及处理处置阶段。由此可见，绿色产品生命周期包括以下五个过程，即：①绿色产品规划及设计开发过程；②绿色产品制造与生产过程；③产品使用过程；④产品维护与服务过程；⑤废弃淘汰产品的回收、重用及处理处置过程。
2.绿色产品的评价标准及其认证
绿色产品是20世纪80年代末期世界各国为适应全球环保战略，进行产业结构调整的产物。由于发展历史不长，绿色产品至今尚无严格准确的行业标准，但从消费市场来看，目前得到公认的绿色标准包括以下三条：①产品在生产过程中少用资源和能源，并且不污染环境。②产品在使用过程中能耗低，不会对使用者造成危害，也不会产生环境污染物。③产品使用后可以和易于拆卸、回收、翻新或能够安全废置并长期无虑。
只有经过严格认证，获得绿色标志（或称环境标志）的产品才是绿色产品。绿色产品的概念是20世纪70年代在美国政府起草的环境污染法规中首次提出的。但真正的绿色产品首先诞生于前联邦德国。1987年该国实施一项被称为“蓝天使”的计划，对在生产和使用过程中都符合环保要求，且对生态环境和人体健康无损害的商品，环境标志委员会则授予孩产品绿色标志。这就是第一代绿色标志。目前，德国绿色标志产品已达7500多种，占其全国商品的 30％。其后日本、美国、加拿大等国也相继建立自己的绿色标志认证制度，以保证消费者自识别产品的环保性质，同时鼓励厂商生产低污染的绿色产品。目前绿色商品涉及诸多领域和范围，如绿色汽车、绿色电脑、绿色相机、绿色冰箱、绿色包装、绿色建筑等。
我国于1993年实行绿色标志认证制度，并制订了严格的绿色标志产品标准，目前涉及七类产品，即家用制冷器具、气溶胶制品、可降解地膜、车用无铅汽油、水性涂料和卫生纸。迄今为止，已有11家企业的18种产品获得了绿色标志。绿色标志认证可以根据国际惯例保护我国的环境利益，同时也有利于促进企业提高产品在国际市场上的竞争力，因为越来越多的事实证明：谁拥有绿色产品，谁就拥有市场。
绿色设计的主要内容和关键技术
绿色设计的主要内容包括：①绿色产品的描述与建模；②绿色设计的材料选择与管理；③产品的可拆卸性设计；④产品的可回收性设计；⑤绿色产品的成本分析；⑥绿色设计数据库等。
1.绿色产品的描述与建模
准确全面地描述绿色产品，建立系统的绿色产品评价模型是绿色设计的关键。例如针对冰箱产品，已提出了绿色产品的评价指标体系、评价标准制定原则，利用模糊评价法对冰箱的“绿色程度”进行了评价，并开发了相应的评价工具。
2.绿色设计的材料选择与管理
绿色设计要求产品设计人员改变传统的选材程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用条件和性能，而且应考虑环境约束准则，同时必须了解材料对环境的影响，选用无毒、无污染材料及易回收、可重用、易降解材料。绿色设计对材料的要求也为材料科学的发展提出了新的挑战，即能提供或生产出适合绿色产品设计的绿色材料。除合理选材外，同时还应加强材料管理。绿色产品设计的材料管理包括两方面内容：一方面不能把含有有害成分与无害成分的材料混放在一起；另一方面，达到寿命周期的产品，有用部分要充分回收利用，不可用部分要采用一定的工艺方法进行处理，使其对环境的影响降低到最低限度。
3.产品的可回收性设计
可回收性设计是指：在产品设计初期充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与回收性有关的一系列问题，最终达到零件材料资源、能源的最大利用，并对环境污染为最小的一种设计思想和方法。可回收性设计包括以下几方面的主要内容：①可回收材料及其标志；②可回收工艺与方法；③可回收性经济评价；④可回收性结构设计。
4.产品的可拆卸性设计
现代机电产品往往使用着多种不同材料，因而其拆卸就成为目前绿色设计研究的主要热点。因为不可拆卸不仅会造成大量可重复利用零部件材料的浪费，而且因废弃物不好处置，还会严重污染环境。拆卸在现代生产良性发展中起着重要的作用，已成为机械设计的重要内容。可拆卸性是绿色产品设计的主要内容之一，它要求在产品设计的初级阶段就将可拆卸性作为结构设计的一个评价准则，使所设计的结构易于拆卸、维护方便，并在产品报废后可重用部分能充分有效地回收和重用，以达到节约资源和能源、保护环境的目的。可拆卸性要求在产品结构设计时改变传统的联接方式，代之以易于拆卸的联接方式。可拆卸结构设计有两种类型：一种是基于成熟结构的“案例”法；另一种则是基于计算机的目动设计方法。作者通过国家自然科学基金“面向拆卸的绿色产品设计理论和方法的研究”中，已提出了系统的可拆卸性评价指标体系、评价方法、拆卸结构设计准则，并开发了相应的评价软件。
5.绿色产品的成本分析
绿色产品的成本分析与传统的成本分析不同。由于在产品设计初期，就必须考虑产品的回收、再利用等性能，因此成本分析肘，就必须考虑污染物的替代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品相应的环境成本等。对企业来说，是否支出环保费用，也会形成产品成本上的差异；同样的环境项目，在各国或地区间的实际费用，也会形成企业间成本的差异。因此，在每一设计决策时都应进行绿色产品成本分析，以便设计出的产品“绿色程度”高且总体成本低。
6.绿色设计数据库
绿色设计数据库是一个庞大复杂的数据库。该数据库对绿色产品的设计过程起着举足轻重的作用。它应包括产品寿命周期中与环境、经济等有关的一切数据，如材料成分、各种材料对环境的影响值、材料自然降解周期、人工降解时间、费用，制造、装配、销售、使用过程中所产生的附加物数量及对环境的影响值，环境评估准则所需的各种判断标准等。
由此可见，绿色设计的关键技术包括以下几个方面：
1）绿色产品评价体系、方法的研究；
2）绿色设计模型的建立；
3）绿色设计数据资料的收集整理与数据库的建立；
4）绿色设计方法的系统研究及知识库的建立。
绿色设计及其特点与方法
1.绿色设计及其特点
产品能否达到绿色标准要求，其决定因素是该产品在设计时是否采用绿色设计。
传统设计在设计过程中，设计人员通常主要是根据产品基本属性（功能、质量、寿命、成本）指标进行设计，其设计指导原则是：只要产品易于制造并满足所要求的功能、性能，而较少或基本没有考虑资源再生利用以及产品对生态环境的影响。这样设计生产制造出来的产品，在其使用寿命结束后回收利用率低，资源、能源浪费严重，特别是其中的有毒有害物质，会严重污染生态环境，影响生产发展的持续性。
绿色设计就是以绿色技术为原则所进行的产品设计。所谓绿色技术（Green Technolosv——GT）或西方称之为“环境友善技术”（Environmental Sound Technology——EST），是减轻环境污染或减少原材料、自然资源使用的技术、工艺或产品的总称。绿色设计的目的是克服传统设计的不足，使所设计的产品满足绿色产品的要求。它包含产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、重用及处理处置的各个阶段，即涉及产品整个生命周期，是从摇篮到再现的整个过程。也就是说，要从根本上防止污染，节约资源和能源，关键在于设计与制造，不能等产品产生了不良的环境后果再采取防治措施（现行的末端处理（End-to-Pipe）即是如此），要预先设法防止产品及工艺对环境产生的负作用，然后再制造。这就是绿色设计的基本思想。概括起来，绿色设计是这样一种设计，即在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本功能、使用寿俞、质量等。绿色设计要求，在设计产品时必须按环境保护的指标选用合理的原材料、结构和工艺，在制造和使用过程中降低能耗、不产生毒副作用，其产品易于拆卸和回收，回收的材料可用于再生产。
绿色设计在产品整个寿命周期中都把其绿色程度作为设计目标，即在概念设计及粗略设计阶段，就充分考虑到产品在制造、销售、使用及报废后对环境的各种影响，与产品有关的技术人员都应密切合作，信息共享，运用环境评价准则约束制造、装配、拆卸、回收等设计过程，并使之具有良好的经济性。
绿色设计必须遵循一定的系统化设计程序，其中包括：环境规章评价，环境污染鉴别，环境问题的提出，减少污染、满足用户要求的替代方案，替代方案的技术与商业评估等。绿色设计人员应该考虑这样的问题：制造过程中可能产生的废弃物是什么，有毒成分的可能替代物是什么，报废产品如何管理，设计对产品回收性有什么影响，零件材料对环境有何影响，用户怎样使用产品等。
绿色设计所关心的目标除传统设计的基本目标外，还有两个；一是防止影响环境的废弃物产生；二是良好的材料管理。也就是说，避免废弃物产生，用再造加工技术或废弃物管理方法协调产品设计，使零件或材料在产品达到寿命周期时，以最高的附加值回收并重复利用。
绿色设计通常有三个主要阶段，即：①跟踪材料流，确定材料输入与输出之间的平衡；②对特殊产品或产品种类分配环境费用，并确定相应的产品价值；③对设计过程进行系统性研究，而不是将注意力集中在产品本身。从产品的整体质量考虑，设计人员不应只根据物理目标设计产品，而应以产品为用户提供的服务或损害为主要依据。
由此可见，绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要求设计人员在设计构思阶段就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、成本的要求列为同等的设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。
2.绿色产品的设计方法
通过上述分析可见，绿色设计涉及机械制造学、材料学、管理学、社会学、环境学等诸多学科的内容，具有较强的多学科交叉特性。显而易见，单凭现有的某一种设计方法是难于适应绿色设计的要求的。绿色设计是一种集成设计，它是设计方法集成和设计过程集成。因此，绿色设计是一种综合了面向对象技术、并行工程、寿命周期设计的一种发展中的系统设计方法，是集产品的质量、功能、寿命和环境为一体的设计系统。绿色产品设计则是采用并行的闭环设计过程，是可持续发展思想的具体体现。图3-28所示为绿色产品设计的系统框图。绿色产品设计应着眼于产品生命周期全过程，而不应着眼于某一阶段、某一环节或某一部门。
图3-28 绿色产品设计系统框图
3.8.5 绿色设计的发展
国际经济专家分析认为：目前的绿色产品比例大约为5%～10%。再过10年，所有的产品都将进入绿色设计家族，可回收、易拆卸、部件或整机可翻新和循环利用。也就是说，在未来10年内，绿色产品有可能成为世界主要商品市场的主导产品，而绿色产品的设计则也将成为工业生产行为的规范。可以预言，今后不实行绿色设计，产品进入国际市场的资格将被取消。
绿色设计的兴起，促使世界各大公司纷纷开发和改进产品，把符合绿色标志的产品推向市场。因此，今后无论哪一家公司要想在全球进行竞争，都必须按照“绿色”要求来设计和制造产品。目前世界许多著名公司都积极致力于绿色设计技术的研究和绿色产品的开发，如日本尼桑公司正在开发绿色汽车，富士公司投放市场的即可拍“绿色相机”；美国IBM公司研究开发的绿色电脑等，都取得了良好的社会效益和经济效益。绿色设计及其产品将成为企业在国际市场竞争的新热点。
目前，我国绿色产品的发展和世界发达国家相比，无论是在范围还是数量上都有很大差距，尚处于初步发展阶段。要赶上世界发达国家水平，则还要付出巨大的努力。我国至今仍然沿用着高能耗、粗放经营的传统工业发展模式，能耗高，效益低，环境污染严重。这种模式已不适应时代及市场经济发展的要求。因此，从理论和方法上开展系统的绿色设计研究，实现“二个”转变（即生产方式由粗放型向集合型转变，经营方式由计划经济向市场经济转变），促进我国绿色产品的迅速发展，适应国际市场竞争，迎接未来挑战，已是我国产业发展的当务之急和迫切需求。这就要求企业及研究单位密切协作，更新观念，并以新的思想指导设计、生产和消费，探讨符合我国国情的绿色产品开发战略。
3.10.1 面向对象的设计概述
近来年，随着计算机技术的飞速发展，传统的结构分析方法正日益暴露出其不足之处，即功能分析和数据分析之间的不一致性和不协调性。在实践中，经常看到，不同的处理及数据分析所采用的符号和策略相互分离，使分析与数据之间产生分歧，难以统一，给问题的解决带来了很大困难。正因如此，一种新颖的、具有独特的优越性的新方法正引起全世界越来越强烈的关注和高度的重视，它就是面向对象方法（Object-Oriented Paradigm，简称O-O方法）。面向对象方法的最基本的原则是，使描述问题的问题空间和解决问题的方法空间在结构上尽可能一致，也就是使分析、设计和实现一个系统的方法学原理与认识客观世界的过程尽可能一致。因而，在进行数据分析和功能分析中，使用一个统一的概念和方法，那就是对象。对象作为功能和数据的有机统一体成为O-O模型的最基本的抽象实体。
面向对象的基本概念经历了20年的成长，已走入人们的视野。运用面向对象方法的根本目标是增进生产效率、提高产品质量和加强可维护性。在未来的发展中，它必将取代结构化方法成为构造系统的主流方法。
面向对象方法的核心是对象。对象可以是任何事物。一切有形的实体，人或组织所起的作用，在特定时间发生的事件，以及规则、计划等等，都可以称作对象。
人类在认识和理解现实世界的过程中普遍运用着三个构造法则（大英百科全书中所定义）：
1）区分对象及其属性。例如，区分一棵树和树的大小或空间位置关系。
2）区分整体对象及其组成部分。例如，区分一棵树和树枝。
3）不同对象类的形成及区分。例如，所有树的类和所有石头的类的形成和区分。
面向对象的概念和方法就是建立在这三个常用法则的基础上的。
面向对象的设计正是通过面向对象的分析、设计、实现三个步骤来完成的。下面将介绍这三个步骤以及它们之间的联系。
面向对象的设计
面向对象的设计（Object-Obriented Design——OOD）主要是利用面向对象的技术建立能够集成产品设计和制造信息的产品定义模型，即面向对象的产品定义模型，在该模型的基础上实现系统的设计。
（1）从OOA到OOD 顾名思义，“面向对象的设计”说明要在“对象”和“设计”上作文章。
设计是对问题域外部可见行为的规格说明增添实际的计算机系统实现所需的细节，包括人机交互、任务管理和数据管理的细节。
在面向对象的设计中，对象有更明确的定义。
对象是问题域或者现实中一些东西的抽象，它反映系统为之保存信息和（或）与它交互的能力，它是一些属性及其专用服务的一个封装体类：一个或多个对象的描述，或用一组属性和服务的形式来描述，此外它可以描述如何创造该类的对象。
OOA是对现实世界中的问题空间建模，其分析侧重于总体，较为粗糙（粒度较大）的研究。而OOD则要求对特定的实现空间。建模。所以说，OOA的各层模型化了“问题空间”，而OOA各层扩充OOD，则模型化一个特定的“理论空间”。
OOA完全独立于编程语言，OOD保持较大部分独立于编程语言的特点。
在理想的情况下，人们希望有一套从分析到设计到实现的连续表示：OOA到OOD到OO-DBMS（面向对象的数据库管理系统——是面向对象的程序设计语言与关系数据库系统的有机组合）。在这种情况下，OOA的结果被扩充为OOD的结果，然后，OOD的结果又直接映射OO-DBMS程序设计语言及数据库管理语法。
从OOA到OOD是一个累进的模型扩充过程。这种扩充主要以增加属性和服务开始。这种扩充有别于从数据流图到结构图所发生的剧变。
（2）OOD与原型 OOD是原型OO方法中一个很重要的概念。那么，什么是原型？简单地说，设计者为了及早发现系统难点，或从用户处取得反馈意见，而构造的一个工作演示。它具有以下几个特征：
1）原型是动态的。由于系统的动态变化和扩展，它的需求是不断变化的。原型也疳随着系统需求不断发生变化。
2）原型有助于测验人机界面。人机界面越来越复杂，同时也越来越重要，对用户友善的界面是一个新系统能被接受的关键，用户需要看到模拟的界面，以便验证是否合乎要求。做原型可以满足这种要求。
3）原型有助于发现需求误解和检验候选的设计。某些设计可能是不当的，或者对硬件提出了过高的要求。做原型是一个及早获得警告信号的好方法。
4）原型有助于早些提供使用。系统设计者往往受到很大的压力，要求早日提供一些系统功能，即使不是全部，一部分也好。原型方法可以提供一些使最终用户能放到生产中有用的功能。
当项目较大时，就需要开发一个总体框架，并按此框架构造原型。使原型贯穿于OOA，既而贯穿OOD始终，既而贯穿于OOD期间建立各设计部分的原型。
（3）OOD的方法与步骤 OOD模型设计由四个部分构成，它们是：问题域部分、人机交互部分、任务管理部分、数据管理部分。每一部分的设计都在前文所述的OOA的五个层次上进行，即对象层、结构层、主题层、属性层、服务层。如图3－39所示。
图3－39 OOD的四个部分
下面论述OOD的各组成部分。
1）问题域部分的设计在OOD中，OOA的结果恰好符合OOD的问题域部分。OOA的结果就是OOD多部分模型中的一个完整的部分。
面向对象的范型，促使人们按原样保持问题域组织框架，这种方法中从分析到设计到编程的踪迹是很清晰的，因为每一阶段都是按问题域本身的样子组织的。
我们需要分析、设计、编程组织的长期稳定性，从而保证系统能从容地适应变化的需求。这种稳定性是一个问题域中或相似问题域之间的分析、设计及编程结果可重用性的基本关键。因此，在对OOA结果作任何修改时，都必须仔细地检查和验证。
OOA与 OOD有着相同的表示法，同时运用交叉的、渐进式开发方法把 OOA、 OOD运用到若干小的步骤中。这是系统框架在整个生命周期中能保持稳定性的原因。在OOD中，将OOA的结果加以改进和增补。
2）人机交互部分的设计 人机交互部分突出人如何命令系统以及系统如何向用户提交信息。在问题域部分设计的结果中加入人机交互设计和交互的细节，并用原型来帮助实际交互机制的开发与选择、在进行详细的交互设计时，应遵守如下准则：①保持一致性，采用一致的术语、一致步骤和一致活动；②减少操作步骤，使敲键或鼠标点的人数减到最少，甚至要减少做某些事所需的下接菜单的距离，不做“哑播放”；③当用户要等待系统完成一个活动时，要及时地给出一些反馈信息，减轻人脑的记忆负担，提高学习效率，使操作更具趣昧性与吸引力等等。
3）任务管理部分的设计 任务是进程的别称。若干任务的共发执行称为多任务。独立的任务把必须并发进行的行为分离开来，简化了必要的并发行为的设计和编码。
在对任务进行选择和调整时，遵循以下策略：识别事件驱动的任务，有些任务是事件驱动的，这些任务在接收到来自于数据行或其它来源的中断后被激活，在进行处理并把消息发送给有关的对象后，重新回到睡眠状态，事件驱动任务执行的随机性很强。②与事件驱动任务的不同的是：识别时钟驱动任务被以特定的时间间隔激活；识别优先任务和关键任务，有较多任务时，考虑另增加一个任务，起协调者的作用，可以为封装任务之间的协作带来好处。③最后是对任务进行审查并定义细节。
4）数据管理部分的设计 数据管理部分提供了在数据管理系统中存储和检索对象的基本结构，数据管理部分旨在隔离数据管理方式的影响，不管该方案是普通文件、关系、面向对象或其它方式。
设计数据管理部分既包括数据存放方法的设计，也包括相应服务的设计。为每一个带有要存储的对象的类及对象增加一个属性和服务，使其知道如何存储自己。“存储我自己”的属性和服务成为问题域和数据管理之间的桥梁。
面向对象设计的实现
面向对象的程序设计，即是利用面向对象的程序设计语言将面向对象的产品定义模型转换成可以在计算机上处理的表达形式，以便最终在计算机上实现系统的设计。但这并不是在OOA与OOD结束之后才进行的。不断完善原型的过程实质上就是程序实现的过程。这种交叉地渐进式地运用OOA、OOD及程序实现的方法，对于构造复杂系统是合理且有效的。
面向对象的编程语言是支持OOA的OOD构造的优秀语言。虽然，即使使用不具备面向对象特征的语言，也能部分地实现OOA与OOD的结果。OOA与OOD至少提供了一个稳定的分析与设计框架，这将带来分析与设计的重用。但使用具有面向对象特征的语言，将会使实现分析和设计更自然的衔接。
以当前最为流行的面向对象语言C＋＋为例，其面向对象的特征能使程序员较容易地实现OOA和OOD的结果。
类的结构是C＋＋面向对象的重要特征，体现了数据抽象和数据隐蔽的特性。类封装了一组数据结构和可作用于该数据结构的一组方法，它是对一组对象共性的抽象，该组对象具有相同的数据结构和方法，但每个对象都具有自己特定的数据值。类与类之间是通过发送和接收消息相联系的，接收消息的对象通过调用类的方法来实现相应的操作。访问限制符Private、protected和public将类分成三个部分：私有部分、保护部分和公有部分。使数据具有不同的隐蔽程度。
类定义可包含一组构造函数和析构函数，构造函数保证了在声明类的对象时对其自动初始化，而析构函数则保证对类的对象正常地清除。
对象是面向对象编程的基本单元，通过向对象发送消息来实现对象的操纵，对象根据消息的内容调用相应的方法，通常类的公有部分描述了可以发送给对象的消息，并给出了相应的方法。C＋＋中类实际上就是用户定义的类型，对象则是用户定义的类的实冽，而方法则是函数定义的，函数原型则描述了相应的消息模式。
从已有的类还可以派生瓣的类，前者称为基类，后者称为派生类，OO方法中继承的原则在这里得以体现。
能够突破类的私有部分，禁止其它函数直接访问限制的友员机制，以及由运算符重载、函数名重载和虚函数构成的多形性，使程序员能以更自然、方便的表达方式实现对象的操作。
3.10.5 面向对象设计的应用与展望
面向对象方法的本质，就是强调从客观世界中固有的事物出发来构造系统；用人类在现实生活中常用的思维方式来认识、理解和描述客观事物；强调最终建立的系统能够映射问题域，即系统中的对象以及对象之间的关系能够如实地反映问题域中固有事物及其关系。
面向对象是一个很新的方法，它将在实践中不断变化。正如它的创建者所希望的那样，它不仅仅是一种开发软件的标准，而是可以进行扩充以适应不同组织或项目的需要。
面向对象的理论目前有三个主要流派：
1）以P.Coad和E.Yourdon为代表，其代表著作为“Object-Oriented Analysis”，书中详细介绍了Coad/Yourdon方法是如何面向对象的系统分析和设计的。
2）以GradyBooch为代表，其主要论著是“Object-OrientedDesign”，Booch方法的最大特点是将几类不同的图表有机地结合起来，以反映系统的各个方面是如何相互联系和相互影响的。
3）以JamesRumbaugh为代表，其论著是“Object-OrientedModeling and Design”，并提出了对象建模法（Object Modeling Technique——OMT）。
这些方法的共同特点是：从对象的识别和限定出发，提出一套图示或表格，描述系统的静态和动态属性，进而进行系统的设计，直到编制出程序。
从80年代末到90年代，面向对象的方法与技术向着软件生命期的前期阶段发展。人们对面向对象的方法与技术的研究与运用，不再局限于编程阶段，而是从系统分析和系统设计阶段就开始采用面向对象方法。这标志着面向对象方法已发展成一种完整的方法论和系统化的技术体系。
近年来，国内外CAD/CAM集成的思想和方法进行了许多探索。如M.T.Wang提出了面向对象的基于特征的零件模型，把此模型作为设计、工艺规划、加工等活动的中心数据模型，并正在利用ACIS在SUNSPACE工作站上开发面向对象的基于特征CAD/CAPP/CAM集成框架。Y.Zhang和P.Gu等针对集成制造系统中的面向对象产品模型进行了抽象。Kimura认为利用面向对象技术CAD/CAM建模可以实现模型的层次化、抽象化以及利用面向对象编程实现快速原型设计。天津大学来可伟利用面向对象的方法初步建立CAD/CAPP/CAM统一的产品数据模型，第一次将有关的设计意图、几何数据、工艺流程、数控指令以及部分管理数据包括在一个概念模型中。除此之外，国内越来越多的学者已开始将面向对象的技术应用于数据库的管理、智能参数化设计等领域，并收到了显著城效。
越来越多的研究表明，面向对象技术的利用将会促进CAD/CAM集成及计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing——CIM）技术的发展。
3.10.2 面向对象的分析
分析是研究问题域的一种实践活动。它将产生一个关于外部可见行为的规格说明，一个完整的、一致的而且可行的关于需要什么的陈述，功能以及定量操作特征（可靠性、可用性、性能）的范围。
在面对一个即将建立的复杂的大系统时，系统分析工作所面临的困难，同时也是必须完成的任务，有三个方面：
1）准确地确定问题域。也就是要通过反复调查与论证，最终搞清楚系统究竟要研究和解决什么问题，在什么范围内解决。从而正确回答：系统必须做什么。
2）需求分析的完整说明。通过系统开发人员与用户之间的交互、通信，包括深入调查开发的规划（计划）、旧系统现状、新系统情况、硬件环境、软件环境、数据结构等方面，综合形成需求分析的完整说明，应力争形成详细的形式化说明，并在此基础上建立研究与开发的任务委托清单。
3）系统分析应能适应系统的动态变化和扩展。事实上，对系统的需求不可能一成不变，这是由于顾客要求的变化、竞争形势的发展、规则的发展与调整、投资状况的变化、技术的迅猛发展等因素都会使需求分析不断的改变。因此，在进行系统分析时，应充分重视这一发展与变化的因素。系统分析人员应当努力识别出变化的部分，并将不随时间变化、且具有共性的部分封装起来；而将随时间变化的部分尽量采用灵活的、易变更的或用户可重定义的方式加以说明。
采用面向对象的分析（Object-OrientedAnalysis——OOA）方法，可以有效地克服上述困难。
在现实中所遇到的系统，特别是一些大系统，是非常复杂的。如何控制好复杂性是系统分析成败的关键。OOA为控制复杂性提供了四个主要法则。
（1）OOA的主要法则
1）抽象抽象是指忽视一个主题中与当前目标无关的那些方面，以便更充分地注意与当前目标有关的方面。
在现实世界中，我们所面临的大多数人物、地点、对象和系统都有其内部复杂性，远远比一下子所能处理的要复杂得多。使用抽象概念时，承认正在考虑的问题是复杂的，因此并不打算理解全部问题，而只是选择其中的一部分。这个技术是控制复杂性的一个重要方法。
抽象又可以进一步分为过程抽象和数据抽象。过程抽象不是OOA的基本抽象形式，但是它在说明和描述单个对象时，起到了简化作用。数据抽象是OOA的核心部分，它奠定了思想和说明的基本框架的基础。
2）信息隐蔽（封装）信息隐蔽是指开发整体程序结构时使用的法则，即将每个程序的成分隐蔽或封装在一个单一的设计模块中，定义每一个模块时尽可能少地显露其内部的处理。
信息隐蔽的功效和诱人之处在于能帮助人们在开发新系统时减少重复工作。如果分析人员将需求分析的结果中极不稳定的部分封装起来，那么需求的不可避免的变化对整体结构的威胁就减少了。
3）继承继承是指从一个祖先获得特性或特征。
继承奠定了表示共性的强有力的技术的基础。继承性允许一次性定义公共属性和服务，同时允许针对特殊情况扩展或重定义那些属性和服务。
4）构造方法OOA的构造方法就是基于前文所述的、大英百科全书中定义的、人类在认识和理解现实世界的过程中普遍运用的三个构造方法。在OOA中这三个方法分别对应于对象的属性、组装结构以及分类结构。
有了以上的法则，便可以很好地控制系统的复杂性，建立初步的系统分析模型，为下一步的工作做好准备。
（2）OOA的主要步骤与层次 OOA方法进行系统分析时，通常包括五个步骤。
1）标识对象识别对象，首先从问题空间以及所涉及的文字资料和图片资料入手，寻找那些需要记忆的、需要服务的，以及具有共同的、一个以上属性和共同服务的事物，作为主要的、基本的对象。而那些不必记忆的事物与服务、单个属性或推导出的结果等都不应作为对象。
通常用矩形框来表示对象，如图35所示。对象名位于对象框的第一行。应采用可读性强的对象名。例如使用单个名词或形容词+名词，作为对象名，或者选择反映主题事物的标准词汇作为对象名。
图36为常用到的注册登记系统中标识对象的例子。
图35对象的标记
图36注册登记系统的对象
2）标识结构结构往往表示较为复杂的问题空间。其中分类结构代表着概括与分类细化的关系，而装配结构则代表整体与局部的关系。注册登记系统有如图37所示的结构。
3）标识主题标识主题为读者提供一次所能考虑的模块量的控制机理，通常应当小于七个主题块。图38所示为注册登记系统的主题划分。
4）定义属性（及实例连接）考察问题空间，用于描述真实世界对象性质的数据元素就是属性。再将属性安排到合适的位置上，对分类结构来说，应将描述共性的属性放在结构的高层，将特殊的属性置于专门细化的对象中，然后，识别与确定对象的实例连接，加实例连接线，按问题空间映射关系，反映必要连接的最小集。最后，细化属性说明。
5）定义服务（及消息连接）服务是依据接收到的消息所执行的加工处理，最基本的服务应当是“选择”（检索）、“增加”、“更加”、“删除”、“计算”以及“监控”。为实例加入消息连接，然后考察一个实例到另一个实例所需的处理，并检查有无新增加的消息连接。集中注意外部可观察到的行为行服务说明，将服务说明填入对象框的最后一栏。
一旦模型建立，就可以在主题层、对象层、结构层、属性层、服务层这五个层次上整理和提交文档，并对模型进行复审。
OOA的主要任务是理解问题域和系统职责。抽取出系统的“要求”，即系统必须做什么来满足用户，而不是讨论系统是如何做的。
3.1.1并行设计概念产生的背景和过程
质量、时间和成本是衡量产品开发成功与否的核心因素[1]，一个企业要保持其市场竞争力，必须在尽可能短的时间内，将满足用户需求的高性价比产品投入市场。随着全球化市场竞争的日益激烈，“在变得越来越生气勃勃的周围环境中，产品的寿命周期变得越来越短，所提供的产品不仅越来越复杂，而且越来越多样，而批量却越来越小。在这样的周围环境中，将来所占的市场份额、内部的周转时间和创造价值的成本明显地取决于面向时间的开发设计”[2]，在激烈的市场竞争中，“不再是大吃小，而是快吃慢”，充分表达了时间这个因素具有特别重要的意义。
世界工业发达国家都在大量采用先进的技术手段，努力缩短产品开发周期。例如，一个新机型的飞机开发时间已由过去的七年缩短到两年，美国通用汽车公司将汽车车身覆盖件模具的开发周期由过去的两年缩短为一年，摩托罗拉公司甚至可以在2h内拿出满足用户需求的产品设计方案。
并行设计正是在市场激烈竞争的背景下，为缩短产品开发周期，同时提高产品质量、降低设计制造成本，而逐步形成和建立起来的新的设计思想和策略方法。
为了缩短产品开发时间，人们首先从“硬件”入手：通过装备更先进的加工设备来提高加工效率，用计算机代替人工设计来提高设计效率。在取得了预期的效果后，人们又进而认识到：要想大幅度地缩短产品开发时间，还要从研究和改进产品开发过程本身入手，建立新的产品开发策略思想。美国麻省理工学院一份题为“汽车工业的第二次革命”的研究报告首先提出了“精益开发（Lean Development）”的思想。以后在1992年6月日本东京CIRP国际会议上提出“并行工程”（Concurrent Engineering或Simultaneous Engineering）的概念。近年来，又进一步拓展为“快速产品开发（Rapid Product Development）”[3]。
并行工程是组织产品开发过程的一种新的工程哲理。回顾人类社会发展的历史，当社会生产仍然处于手工作坊方式时，开发什么样的产品？怎样设计这种产品？怎样制造这种产品？以及以什么样的价格销售这种产品？所有这些问题都是由手工作坊的师傅个人综合考虑和操作的。从这种意义上来说，那时的产品开发是“并行”的。随着机器的应用和工业化社会大生产的形成，产品越来越复杂多样，与产品开发有关的技术越来越复杂，产品开发的任务不再可能由一人来承担了。在众人参与的产品开发过程中出现了分工，逐步形成了市场营销、设计、工艺、制造这些与产品开发有关的相对独立的部门，并形成了一套被称之为“泰罗（Taylor）制”的工程哲理。“泰罗制”的核心思想是：将产品开发过程尽可能细地划分为一系列串联的工作步骤，由不同的工程技术人员承担，依次执行。因此，“泰罗制”实质上是“串行工程”，应当承认，在相当长的历史时期内，“泰罗制”对科学地研究、合理地组织产品开发过程，对有效地保证产品开发过程中各个环节的实施和衔接都起了积极的指导和推动作用。但是，“泰罗制”也有其“先天性”的缺陷，即：
将产品开发过程划分为一系列串联步骤，忽视了各个步骤，特别是不相邻步骤之间的交流和协调。
每个工程技术人员只承担局部工作，影响了他对产品开发整体过程的综合考虑。
在任一步骤中发现问题，都要向上追溯到某一步骤中重新循环，致使设计周期冗长。
与产品开发有关的部门相对独立，各自业务的专业性相去甚远，考虑问题的角度不同，难免发生矛盾冲突，又不能及时得到协调，各自为政似有大墙阻隔，因而被称为“过墙工程”。
图1所示为“泰罗制”产品开发进程。
图1 “泰罗制”产品开发进程
如果说“泰罗制”的这些缺陷在过去相当长的时期内并没有对产品开发的正常进行造成太大影响的话，那么，在全球化市场竞争日益激烈的今天，就成为制约产品开发速度、影响产品开发质量、增大产品开发成本的重要因素了。一种以工作群组为组织形式，以计算机应用为技术手段，强调整体集成，强调交流和协调的并行工程就应运而生了。
并行设计中的关键技术
并行设计是一种系统化、集成化的现代设计技术，它以计算机作为主要技术手段，除了通常意义下的CAD、CAPP、CAM、产品数据管理系统（Product Data Management System——PDMS）等单元技术的应用外，还要着重解决以下一些关键技术问题。
1．产品并行开发过程建模及优化
并行设计的思想是在研究产品开发过程的基础上形成的，要实现产品的并行设计，首先要建立起产品并行开发的信息模型。
对产品开发过程信息模型的研究始于60年代末70年代初，当时的术语结构分析，用一套符号及一些规约方法表示出产品开发中的信息流动，提出数据流动图（Data Flow Diagram——DFD）建模技术。美国软件技术公司通过类似的研究，提出了结构功能分析方法，把出人员、机械、方法、材料、产品等组成的系统用图形、文字加以表示，建立了结构分析和设计技术（Structural Analysis and Design Technology——SADT）系统，1978年被美国空军选作支持集成计算机辅助制造（Integration Computer Aided Manufacturing——ICAM）系统的软件技术，以后又在SADT的基础上将其发展成为四类集成计算机辅助制造定义方法（ICAM Definition Technology——IDEF），分别用于含有计算机及软件工程的系统、信息分析、动态分析和过程建模，在工业界得到应用。
产品开发是一个十分复杂的过程，以什么样的理论、策略和方法建立产品开发过程的数学模型，一直并行设计技术形容的重要课题。目前，这样一种观点已取得国内外学术界的认同，即：产品开发过程是一个基于约束的技术停息创成和细化的过程，这些约束包括：
目标约束：市场的需求，用户的要求，设计性能指标等；
环境约束：可选材料，加工设备，工艺条件等；
耦合约束：各子过程之间的约束。
按约束的性质又可分为数值型约束、逻辑型约束、刚性约束、柔性约束、模糊约束等。
各种约束通过共有变量连成约束条件网络，国外文献中提出的“概念网络”、“动态语义网络（Aktiven Semantischen CNetz）”等都属于这种约束条件网络，并且已出现适用于并行设计的约束条件网络建模工具，如MCEL（Multivaluded Concurrent Engineering Logic）等。
在产品的并行开发中，工作群组从市场用户的需求（初始约束）出发开展设计工作，同时从不同专业的角度对设计活动提出约束，这些约束协调和优化后形成约束条件网络，对群组的设计工作施加影响，直至在设计空间中获得东路各种约束的最终设计结果。
2．支持并行设计的计算机信息系统
信息交流对产品开发具有特别重要的意义。根据国外的调查资料，产品开发工程师的全部工作工作时间中有30％～40％用于信息交流，产品开发过程由串行转变为并行后，对信息交流的直接性、及时性、透明度提出了更高的要求。因此，计算机信息系统是支持并行设计的文体框架，国外文献中介绍CSCW（Computer Supported Cooperation Work)就是这种信息系统的范例。
通信和协调是并行设计计算机信息系统的两个主要功能。
由于工作群组的成员不一定同处一地，民不一定同时工作。因此，并行设计要求计算机信息系统具有多种通信功能（同时同地、同时异地、异时同地、异时异地），并且能对产品开发中发生的冲突和分歧进行协调。
例如，分处两地的群组成员可以通过计算机通信会商有关问题，共同处理同一电子文件，或绘制同一张图样。
又如，工作群组的某个成员（或某个小组）根据强度校核计算的结果修改了某个尺寸，却没有意识到这一修改将对另一成员（或另一小组）的工作发生影响，约束条件网络发现了这一问题，马上向双方发出警告信息，提醒双方进行协调。
图3-3为并行设计系统结构示意图。
图3－3 并行设计系统结构示意图
3.模拟仿真技术
并行设计的含义不仅在于设计过程中某些工作步骤的平行交叉，而且还在于在产品设计阶段就能充分考虑加工、装配，甚至使用、维修这些与产品开发相关的后续过程。
传统的产品开发过程是“设计一样机制作——修改设计”的循环过程，不仅样机制作既费时 又费工，延长了产品开发周期，而且在样机制作后才发现设计存在的问题，将会造成巨大的浪费。
国外一份调查表明，为了纠正某一产品设计中的错误；需增加的花费情况如下：
在设计阶段加以纠正，仅需花费35美元；
在零件加工之前加以纠正，需花费177美元；
在成批生产之前加以纠正，需花费368美元；
如等到产品投放市场后才加以纠正，加以则需花费59000美元；
因此，将设计中的错误和缺陷尽早发现并纠正在设计初期，提高产品开发的一次成功率，无论是对于提高产品设计质量，还是对于缩短设计周期、降低设计成本都是十分重要。但是，并行设计中还是通过费时费工的样机制作来发现可能影响加工、装配、使用、维修的设计错误和缺陷，而是通过计算机模拟仿真（当然也可通过快速样模制作）来实现这一目的。例如：虚拟制造、虚拟装配、结构有限元计算、产品静动态性能仿真，直至应用虚拟现实技术，让用户“身临其境”地体验产品的各项性能。
4.产品性能综合评介和决策系统
并行设计作为现代设计方法，其核心准则是“最优化”。在对产品各项性能进行模拟仿真的基础上，要进行产品各项性能，包括可加工性、可装配性、可检验性、易维护性，以及材料成本、加工成本、管理成本的综合评价和决策系统是并行设计系统不可缺少的模块。
5.并行设计中的管理技术
并行设计系统是一项复杂的人机工程，不仅涉及技术科学，而且还涉及管理科学。目前的企业组织机构是建立在产品开发的串行模式基础上的，并行设计的实施势必导致企业的机构设置、运行方式、管理手段发生较大的改变。
并行设计的技术特征
并行设计通过下列技术特征表现出它的具体内涵。
1．产品开发过程的并行重组
产品开发是一个从市场获得需求信息，据此构思产品开发方案，最终形成产品投放市场的过程。虽然在产品开发过程中并非所有步骤都可以平行进行，但根据对产品开发过程的信息流分析，可以通过一些工作步聚的平行交叉，大大缩短产品开发时间。例如：日本NEC公司将某种产品原本历时6－－8个月的开发过程，通过并行重组缩短为3个半月，如图1。
图1 日本NEC公司某产品开发过程的并行重组
2．支持并行设计的群组工作方式
在工业化社会大生产的环境下，设立供应、销售、设计、工艺、制造这些部门是必要的，但产品开发过程的并行化要求与产品开发有关各部门的工程技术俗再是“你方唱罢我登场”，而是同时工作、共同工作，因而需要确立一种新的组织形式和工作方式，这就是由各有关部门工程技术人员组成的产品开发工作群（必要时还可分成若干小组）。在产品开发过程中，有关人员同时在线，有关信息同时在线，工作步骤交叉平行，这是工作群组工作方式区别于传统串行工作方式的鲜明特点。
对产品开发过程的研究结果表明：产品开发过程中众的活动可归纳为“计划和构思”、“设计”、“样模制作”、“检验”、和“评价”五个环节，正是在这五个环节的不断循环中，将来自市场的需求信息转化为 向市场的产品。当产品开发处于某一特定环节时，可能只是由一个或几个部门的工程技术人员进行操作，但此时来自其它部门的工程技术人员与产品开发过程并不脱离接触，而是时刻关注着工作进程，并随时可发表评价和建议，人人了解产品开发的全过程，设计工作在群组中有序进行。
3．统一的产品信息模型
统一的产品信息模型是实施并行设计的基础，产品设计过程是一个产品信息由少到多、由粗到细不断创作、积累和完善的过程，这些信息不仅包含完备的几何形状、尺寸信息，而且包含精度信息、加工工艺信息、装配工艺信息、成本信息等。二维几何模型显然不能满足这一要求，仅包含几何信息的三维模型也不能满足这一要求。因此，并行设计的产品信息模型应能将来自不同部门、不同内容、不同表述形式、不同抽象程度、不同关系、不同结构的产品信息包容在一个统一的信息模型之中。
4．具有人工智处理不完备、不确定信息的功能
正因为产品设计过程是一个产品信息由少到多、由粗到细的过程，因此在设计初期，有关 品的信息往往是不完备，甚至是不确定的，同时，在产品设计的全过程中，要处理的信息是多种形式的，既有数字信息，又有非数字信息；既有文字信息，又有图像信息；还要涉及大量知识型信息（概念、规则等）。因此，并行设计系统一定要具有能处理以上这些信息的人工智能。
5．基于时间的决策
设计的过程是优化决策的过程，实施并行设计的首要王的是大幅度缩短产品开发周期，因此要通过一系列的优化决策，组织、指导并控制产品开发过程，使之能以最短的时间开发出优质的产品，实践证明：面对多个方案，特别是其属性（评判指标）多于4－5个时，完全依靠人为的“拍脑袋”已很难作出正确的决策。因此，要应用多目标优化、多属性决策，成其是多目标群组决策的方法。
6．分布式软硬件环境
并行设计意味着在同一时间内多机、多程序对同一设计总是并行协同求解，因此，网络化、分布式的信息系统是其必要条件、并行设计面向对象的软件系统，分布式的知识库、数据库，能够根据产吕设计的要求动态编联成相互独立的模块在多台终端上同时运行，并利用网络的机间通信功能实现相互之间的同步协调。
7．开放式的系统界面
并行设计系统是一个高度集成化的系统。一方面应具有优良的可扩展性、可维护性，可能按照产品开发的需要将不同的功能模块组成完成产品开发任务的集成系统；另一方面，并行设计系统又是整个企业计算机信息系统的组成部分，在产品开发过程中，必须与其他系统进行频繁的数据交换。因此，开放工的系统界面对并行设计系统是至关重要的。标准化的数据交换规范，如数据交换文件（ Data Exchange File－－DXF）、交互式图形交换标准（Interface Graphic Exchange Standard－－IGES）、产品建模数据的交换标准（Standard for Exchange of Product Modle Data－－STEP)等，以及大容量高速度的数据交换通道，如局域网（Local Area Network－－LAN）、综合业务数据网（Integrate Specialized Data Network－－ISDN)、宽带ISDN等，是构造开放式界面的关键技术。
3.1.4并行设计的技术经济效益
并行设计的技术经济效益体现在以下几个主要方面。
1．提高企业对市场需求的响应速度
恰当地把握产品进入市场的时间是企业成功营销的诀窍，一旦通过市场预测看准了产品进入市场的最佳时间，关键就在于能否在那个时刻之前完成全部产品开发工作，如果做不到这一点，“那就可能意味着市场阶段要缩短，因而制造和开发成本回收所需的偿还期以及固有的、同等程度的盈利阶段也要缩短，这样一来，被推出的那种产品一下子突然成为给企业带来亏损的祸水”[1]。
此外，目前市场对几乎所有产品的需求都在向多品种中小批量的方向发展，过去那种以少数定型产品满足不同需求的卖方市场，已基本完成了向用户需要什么就设计制造什么的买方市场的转变。在这种情况下，企业的产品开发工作量剧增，产品开发时间冗长，已成为制约许多企业发展的技术瓶颈。
并行设计通过工作步骤的平行交叉、基于时间的决策等，恰恰在缩短产品开发时间、提高企业对市场需求的响应速度方面，为企业提供了可靠的技术保证。
2．提高产品开发的一次成功率
所谓产品开发的一次成功，是指最大限度地减少产品开发后期及产品投放市场后对产品的修改和完善工作量，在一次循环中开发出满足市场及用户需求、具备产品全寿命周期优良性能的产品。
随着产品复杂程度的提高和用户对产品性能的“苛刻”要求，产品开发中所涉及的知识和信息越来越多样化、专业化，全面深入地掌握这些知识和信息，并应用于成功的产品开发，已不再是一两个工程技术人员所能胜任的。根据统计[3]，产品开发后期（如加工过程中）对设计方案所作的修改，有50%归结于缺少整体的考虑。这说明“泰罗制”下那种以部门和个人为中心的产品开发方式妨碍了产品开发中人员、部门间的合作和信息交流。并行设计中的群组工作方式和计算机通信支持，可以有效地克服“泰罗制”的缺点。此外，并行设计中大量使用的模拟仿真技术，也为尽量发现并克服设计缺陷提供了有力的技术手段。
3．降低产品的开发成本
大量调查统计表明：产品设计阶段决定了产品制造成本的75%～80%。传统的做法是在开发设计工作结束后才对产品的成本进行核算，它只能回答“这种产品将花费多少成本”的问题。如果发现核算出的成本超出了市场（用户）的承受能力，则要重新修改设计，不仅延误了产品开发时间，而且其本身也增大了产品的开发费用。
并行设计的实施提供了这样一种降低产品成本的途径，即：在产品开发之前，首先考虑市场（用户）对该产品的价格承受能力，提出产品的所谓目标成本，然后将目标成本分解到每个零部件上，并作为约束条件加入约束条件网络，自始至终地制约整个设计过程，作为产品性能综合评价决策的重要内容，从而使产品开发成本得到主动积极的控制。
总之，并行设计能从质量、时间、成本三个核心因素方面，全面提高企业及其产品的市场竞争能力，在实践中也已显露出其巨大的技术经济效益。例如：
美国三大汽车制造公司之一的克莱斯勒（Kreisler）公司在称为“最后的希望”的家用中型汽车开发中，组建了包括设计、制造、销售等部门专家的产品开发工作群组，按并行设计的模式运行，结果使所用工程技术人员减少了63%，开发时间减少了28%，制造中人工投入减少了42%。在家用小型汽车的开发中，甚至吸收了合同装配工参加并行开发群组，结果是将汽车壳体冲压所需模具由597个减少至370个，仅此一项就节省了4200万美元；将螺钉、螺母由530减少到358个，并尽可能统一规格；所开发出的Neon小型车，以比日本同类车便宜4000美元的价格很快打入了市场。
DEC公司采用并行设计技术，使计算机产品开发时间减少了60%。
施乐（XROX）公司采用并行设计技术，使顾客对产品的满意率提高了40%。
通用发动机厂采用并行设计技术，使废品率减少了60%。
Northrop公司采用并行设计技术，使设计的修改量减少了75%。
通用汽车公司采用并行设计技术，使刹车系统的类型减少了80%，每台车可节省100美元，仅此一项就创年经济效益5亿美元。
在我国，并行设计技术不仅一直是高等院校、科研院所开展现代设计技术研究的重要方向，而且已在不少企业投入实际应用。例如，合肥锻压机床总厂正在开发的液压机产品快速设计系统（见图4）就全面采用了并行设计技术。研究并推广应用并行设计技术是迅速提高我国企业设计能力和设计现代化水平的一个重要的发展方向。
系统设计的概念
设计是革新，是创造。人类社会文明发展史中，充满了一次又一次的革新和发明创造。在各种情况下，人类总是创造出某些前所未有的东西。他们总是先有某种需要，而后产生一种怎样才能满足这种需要的思想，最后经过百折不回的努力将其变成现实。我们把这样一个过程和称之为设计。设计所要追求的目标是要在给定的条件下实现最优化设计。
系统设计就是设计师在给定的条件（称为约束条件）下，设计出满足需要的最佳系统。
那什么是系统呢？系统是指具有特定功能的、相互间具有有机联系的若干要素构成的、达到规定目的的一个整体。一般认为，由两个或两个以上的要素组成的、具有一定结构和特定功能的整体都可看作是一个系统。
系统有下述一些特性：
1）整体性。系统是由若干要素构成的有机整体，对内呈现各要素之间的最优组合，使信息流畅、反馈敏捷，对外则呈现出整体特性。要研究系统内各要素发生变化对整体特性的影响。
2）相关性。构成系统的要素之间是有机联系的，即相关的，它们之间相互作用、相互影响而形成特定的关系。这意味着其中的一个要素发生变化，都将对其他要素产生影响。因此，应研究影响范围、影响方式和影响程度。
3）目的性。系统的价值体现在其功能上，完成特定的功能是系统存在的目的。一个系统可以是单一目的，也可以是多个目的。这些目的往往是相互矛盾的，因此就必须应用运筹学中的多目标优化设计法，求出各目标的折衷最优解。
系统设计的方法和步骤
系统设计一般包括计划、外部系统设计、内部系统设计和制造销售四个阶段。我们认为还应包括系统运行和维修阶段以及系统报废阶段。系统设计必需考虑系统的运行和出现故障时的维修，以及系统报废时资源的再利用和对环境的污染。
传统的设计方法只注重内部系统的设计，且以改善零部件的特性为重点，至于各零部件之间、外部系统与内部系统之间的相互作用和影响则考虑得较少。因此，虽然对零部件的设计考虑得很仔细，但设计的系统仍然不够理想。零部件的设计固然应该给予足够的重视，但全部用好的零部件未必能组成好的系统，其技术和经济未必能实现良好的统一。
系统一般来说是比较复杂的，为便于分析和设计，常采用系统分解法这个设计中常用的方法，把复杂的系统分解为若干个相联系的、相对比较简单的子系统，这样可以使系统的分析和设计比较简单。根据需要，各子系统还可再分解为更小的子系统，依次逐级分解，直到能进行适宜的设计和分析为止。
系统分解时应注意：
1）分解数和层次应适宜。分解数太少，子系统仍很复杂，不便于模型化和优化等工作；分解数和层次太多，又会给总体系统的综合设计造成困难。
2）避免过于复杂的分解面。分解的界面应尽可能选择在要素间结合作用较弱的地方。
3）保持能量流、物料流和信息流的合理流动途径。系统工作时能量、物料和信息进行转换，它们从系统输入到系统输出过程中，按一定的方向和途径流动，既不能中断阻塞，也不能紊流，即使分解的各个子系统的流动途径仍应明确和畅通。
4）系统分解与功能分解不同。系统分解时，每个子系统仍是一个系统，它把具有比较密切结合关系的要素集合在一起，其结构组成虽稍为简单，但其功能往往还有多项。而功能分解时，则是按功能体系进行逐级分解，直到能看清的分功能或不能再分解的功能单元为止（参见本章3.3功能设计）。
系统分析是系统设计中的一项重要工作。系统分析不同于一般的技术经济分析，它是从系统的整体优化出发，采用各种工具和方法，对系统进行定性和定量分析的过程。系统分析时，不仅分析技术经济方面的有关问题，而且还要分析内部系统、自问系统之间及系统内部各子系统之间的联系因素，并且作出评价，为决策者选择最优系统方案提供主要依据。
在系统分析时，要遵循下面的原则：
1）外部条件与内部条件相结合。构成一个系统不仅受到内部因素的影响，而且也受到外部条件的约束。因此，一定要把内外部条件的各种有关因素结合起来进行综合分析。
2）眼前利益与长远利益相结合。选择一个良好的方案，不仅只局限于眼前利益，而且学要考虑到将来的利益。如果方案对目前不是很有利而对长远有利，则从系统分析观点来看，它还是合理的方案。
3）局部利益与整体利益相结合。系统要求的是整体利益和最优化，只有从整体系统的目标去分析才是合理的。
4）定量分析与定性分析相结合。定量分析是数量指标的分析，而定性分析常常是指质量指标，而且 学容易用数量计算和数学公式表达出来。对这些因素往往只能根据经验进行数理统计分析和主观判断来加以解决。
由于系统中存在着许多矛盾和不确定的因素，不同系统的目的、要求和系统结构也不同，没有一个通用的系统分析方法，随分析对象和分析目的的不同，所采用的分析方法也不同。
系统分析的一般步骤如下：
1）分析与确定系统的目的和要求。充分了解建立系统的目的和要求，是建立系统的论据，也是系统分析的出发点和进行评价、决策的主要依据。对系统的目的和要求不能全面地正确理解和把握，或目不明确，或要求过高、过低，或系统边界提得过宽、过窄等，都会导致系统分析不完善或失误，引起决策的失误。
2）模型化。模型是描述实体系统的映象，包括各种数学模型、实物模型、计算机模型和各种图表等。无论是已有的系统还是尚未建立的系统，要想对其进行定性和定量的分析，都需要将其模型化。在建立模型时，必须全面考虑其影响因素，分清主次，尽可能如实地描述系统的主要特征。在能满足系统订要要求的前提下，应尽量简化，以需要、简明、易解为原则。
3）系统最优化。系统最优化就是应用最优化理论和方法，对各候选方案进行最优化计算，以获得最优的系统方案。
4）系统评价。优化后的系统方案可能是几个，为了进行决策，须对各优化方案进行评价。系统评价时应考虑的因素很多，如各项功能、可靠性、成本、寿命、工期、使用性等。系统评价的方法很多，但都不是十分完善和全面的，一般采用较多的方法是将系统的总数投资费用与总收益之比作为评价值或采用价值工程（参见本章3.5价值工程）。
系统设计的过程如图3-6所示。首先，要明确在外部系统设计阶段设计系统应具备的特性和条件。在此阶段，由于能掌握系统的主要因素和概略结构，所以称为系统探讨。其次，是制订满足要求的系统草案。对它们进行分析 ，并分解子系统，研究其特性和作出评价，进行最佳设计。然后将它们综合起来进行系统整体的设计。再次，对已设计的系统的功能和可靠性等进行审查，确定最初预想的性能是否满足。各个阶段完成时，都要对其结果进行审查，确认达到目的后，再向下一阶段进行。如果结果不能满足，就要对该阶段的设计进行修正。当审查仍不满意时，则应毫不犹豫地逐段向上追究。
通过以上讨论我们把系统设计的一般步骤大致归纳为：
1）确定求解的问题。系统设计的第一步是明确求解的问题和范围，就是说明确设计目的和要求。
2）因素分析。对与被描述问题有关的因素进行分析，确定因素的类型：可控的、不可控的、质的属性。系统的最优化就是对量的可控因素优化确定的过程。
图3-6系统设计的过程
3）模型的建立。建立模型就是用适当的（一般是数学的）方式来描述问题与因素之间的关系，建立模型时一般应忽略次要因素，突出主要因素。建立模型时，应首先明确下面的几个问题：系统的目标、系统的约束（现在常称为环境因素）、系统的输入、系统的输出。模型可以是下面方式中的任一种或它们的组合：物理模型（用来进行模型实验），图解模型（如流程图、工序图、决策树等），数学模型（用数学的形式来表示，可用来求出最佳解）和计算机模型（用程序语言表示，可以进行仿真求解）。
4）决策过程。所谓决策是运用适当的手段求解模型，确定实现系统目标的系统结构及其运用方法。当所建的是数学模型时，则可运用筹学中的数学规划法去求解。在求解数学模型时，恰当地选择优化准则是很重要的，优化准则不同，则所确定的系统的结构和对外表现大不相同。
5）运用与管理。<1>验证：根据实际情况确定决策过程中的各种参数是否符合实际；<2>预测：预测系统各变化时对输出的影响；<3>系统运行的评价：主要评价系统是否达到预期的目的，评价可从下面几个方面着手，即可靠性、响应性、稳定性、适应性、可维修性、经济性和对环境的影响；<4>修正：根据评价结果确定是否需要进行修正，一般情况下，系统经过数次修正后，系统的特性总能得到逐步改善。对于无法改善的系统，则应考虑重新进行系统设计。
对于大规模系统的设计是不允许失败的，由于模型复杂，约束条件众多，要想求得总体最优解难度很大，可以采用下述方法求得近似最优解：
1）采用模块方式。采用这种方式时，首先将大系统分割成为几个独立性很强的子系统，力求使各子系统局部最优化。然后对整体进行协调统一，以求得整个系统的近似最优解。
2）采用多层次系统理论。当采用这种理论时，首先将构成整体系统的子系统垂直方向排列，高层次的子系统行动最优，并对低层次子系统发生作用。这样，低层次子系统的行为成果取决于高层次的子系统，并对上部进行反馈。这样构成的系统就称为多层次系统。
功能设计的概念
设计工作的核心问题是功能问题。那么什么是功能呢？
功能是对技术系统或产品能完成的任务的抽象描述，是反映产品所具有的特定用途与各种特性。功能可以这样定义：功能是指某一系统所具有的转化能量、物料、信息、运动或其它物理量的特性，是其输入量和输出量之间的关系。如图3-8所示。
图3-8系统的功能
从系统的观点出发，可将系统的功能分为总功能和分功能。每个系统都 有其总功能，对系统整体的功能要求就是该系统所具有的总功能，系统输入、输出的能量、物料、信息的差别和关系反映了系统的总功能。
一个系统可以分解为一些子系统，它的出发点就是功能和功能分解。由于要解决的问题的复杂程度不同，一个系统所出现的功能就有不同的复杂程度，那么与可以将复杂的功能成为若干个复杂程度比较低的、可以看清楚的分功能。分功能是总功能的组成部分。一般不把功能分得过细，而是分解到功能单元的水平上。这样的功能单元是可以看清楚的，它是既有一定的独立性，又有一定的复杂程度的技术单元。
设计中对功能的要求是第一位的，用户购买产品时要求的不是产品的本身，而是产品所具有的东路某种需要的功能。因此，在设计的全过程中努力追求产品功能的最佳实现。
功能分析
功能分析是设计中的一个重要手段，只有用功能的观点来观察和认识技术系统才能抓住其本质。
一个系统可以逐步分解为许多分功能或功能单元。由总功能分解为分功能，最后作出功能结构的过程称为功能分析。功能分析的过程就是设计人员酝酿系统实体解答的过程，这个过程往往不是一次完成，而是随着设计工作的逐步深入而不断修改、不断完美的。功能分析是通过将功能分解为相互独立的功能单元，对于每个功能单元列出所有可能的可行方案，再按一定的规则将这些单元方案组合起来形成总方案，然后对这些总方案进行筛选和评估，最后确定实现总功能的最佳总体方案。
1.功能分解
一个系统的总功能确定后，通常很难立即找到相应的实体解答，因此必须将相对比较难以寻求实体解答的总功能或功能单元这个过程就是功能分解。如图3-10所示。进行功能分解 的目的就是将总功能分解为较为简单的分功能或功能单元，以便能找出相应的解答来。由于总功能相同，分解的结果可能不同，相应的实体解答方案也可能不同，因此对诸多的功能分解方案应该进行比较选择。就是同一功能分解方案，由于可以选用不同的功能载体，其最终的实体解答方案也可能不同，因此在功能分解方案确定后，还须对功能载体的选用进行比较选择。
功能是系统必须完成的任务，它的实现必然要通过一系列必要的操作或经过一定的作用过程，同时还可能涉及到实现此功能所必需的其他若干方面。它们都是实现系统总功能所必需的分功能。
功能分解的步骤为：
1）根据经验、惯例或参考现有系统，初步定出所需完成的操作或须经过的作用过程。
2）明确在此过程中，系统应完成的动作和发挥的作用及有关载体。
3）根据各动作或作用初步划分分功能。通常首先考虑主要工作过程。
4）补充其他方面的考虑，完成整个系统的功能分解。
图3-10系统的总功能、分功能、功能单元
2.功能结构的建立
功能结构描述系统各分功能之间的关系，或者说将系统的各个分功能有机的组合起来就得到功能结构。一般用一框图来描述，这个框图就称为功能结构图。功能结构图的建立是使系统从抽象走向具体的重要环之一。通过功能结构图的建立，明确了实现系统的总功能所需的分功能、功能单元及其顺序关系。这些较简单的分功能或功能单元，可以比较容易地与一定的物理效应及实现这些效应的实体结构相对应，从而可以得出实现所定总功能需要的实体解答。
建立功能结构时，一定要区分创新设计和适应性设计。创新设计通常是不知道分功能，也不知道它们之间的关系，建立功能结构的出发点是设计要求，由此常可得到功能结构在输入和输出处的分功能。适应性设计可以通过对需要进一步开发的产品进行分析，从已知产品功能结构出发，根据设计的要求，通过变异，纳入或取消个别功能，以及改变其相互连接关系，来建立功能结构。
建立功能结构图的工作步骤为：
1）根据技术过程的分析，划定技术系统的边界，定出系统的总功能。
2）将总功能分解为功能或功能单元，具体做法见功能分解。
3）建立功能结构图。根据系统的物理作用原理、经验或参照已有的类似系统，首先排定与主要工作过程有关的分功能或与功能单元的顺序。通常先提出一个粗略方案，然后检验并完善其相互关系，补充其他部分。
建立功能结构功能结构图时应注意：体现分功能或功能单元之间的顺序关系；各分功能和功能单元的分解及其排列要有一定的理论依据（物理作用原理）或经验支持；不能漏掉必要的分功能或功能单元；尽可能简单、明了，但要便于实体解答方案求取。
实现同一总功能的功能结构可能有多种，因此建立功能结构图时应尽可能有多个方案，以便进行评比，选出最佳的功能结构方案。改变功能结构常可发展出新的产品。
系统的功能分解的方式不同，或者建立的功能结构不同，或者选择的作用原理（参见3.3.4节）不同，那么系统的实体解答就不同。图3-11给出了功能分解相同的两种不同的功能结构图，图中的双线箭头表示物料流，单实线箭头表示能量流，虚线箭头表示信息流。图a是把存储原料和存储成品的两个分功能合并，即共用一个容 器；图b是改变能源，将外部能源改为内部能源。
4）环境适应性。任何一个系统都存在于一定的物质环境中，外部环境的变化，会使系统的输入发生变化，甚至产生干扰，引起系统功能的变化。一般情况下，系统与外部环境总是有能量交换、物质交换和信息交换。一个好的系统，其工作特性不应受环境的影响，能在环境对系统的输入发生变化时，自动调节自己的参数，始终使自己牌最佳运行状态。这样的系统具有“学习”功能，称为适应系统。
对于一个系统Y，它可以用这样的数学表示，该系统的若干要素所组成的集合X为
当和之间存在着一一对应关系时，关系R就是XI和XJ的顺序对关系，表示为
其中XIXJ是集合XI和XJ的直积集合，即是作为条件来实现系统的。所以系统Y可以用下式来定义：
Y＝{X|R}
即系统Y以具有R关系的集合X来表征。
一个大的系统可由若干小的系统组成，这些小的系统常为子系统。子系统又可由它所属的更小的子系统组成。系统本身也可以是别的更大系统的组成部分。
系统设计时，对其直接对象（如机械、装置等）和包围它的外部环境同时进行考虑。前者称为内部系统，后者称为外部系统。内部系统与外部系统之间存在着一定的联系，相互间有作用和影响。外部系统对内部系统的作用和影响，对外部系统来说是输出，而对内部系统来说则是输入；反之，内部系统对外部系统的作用和影响，对内部系统来说是输出，而对外部系统来说则是输入，如图3-5所示。所谓外部系统对内部系统的输入，比如，社会上对某一机械所要求的事项（功能、经费、工期、尺寸等）和约束条件（环境、资金、材料、信息、技术 、法律等），内部系统必须满足这些要求。所谓内部系统对外部系统的输出，是指在系统完成后，社会所受到的变化，包括从系统受到的利益和损害，对其他系统的影响，以及它所涉及的效果等等。将内部系统 和外部系统合并一起称为全系统。
内部系统与外部系统设计相结合是系统设计的特点，它可以使系统设计尽量做到周密、合理，少走弯路，避免不必要的返工和浪费，以尽可能少的投资获取尽可能大的效益。其技术经济效果，往往随系统的复杂程度的增加而越趋明显。
系统设计不只是关心系统各组成部分的工作状态和性能，这是由于系统各组成部分的性质并不能代表整个系统的性质，整个系统的性质也不是它们的简单叠加。系统设计必须考虑整个系统的运行状态和性能，系统设计的侧重点是系统，是系统作为一个整体所表现出的性能和运行状态。
模块化设计的基本概念和方法
为开发具有多种功能的不同产品，不必对每种产品施以单独设计，而是精心设计出多种模块，将其经过不同方式的组合来构成不同产品，以解决产品品种、规格也设 计制造周期、成本之间的矛盾，这就是模块化设计的含义。模块化设计与产品标准化设计、系列化设计密切相关，即所谓的“三化”。“三化”互相影响、互相制 约，通常合在一起作为评定产品质量优劣的重要指标，是现代化原理开始用于机床设计，到本世纪50年代，欧美一些国家正式提出“模块化设计”概念，把模块化 设计提到理论高度来研究。目前，模块化设计的思想已渗透到许多领域，例如机床、减速器、家电、计算机等等。在每个领域，模块及模块化设计都有其特定的含 义，本书指机械产品的模块化设计。
模块：一组具有同一功能和接合要素（指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等），但性能、规格或结构不同却能互换的单元。
机床卡具、联轴器可称为模块，有些零部件如插头、插座，广而言之也可称为模块，但不如称为标准伯为好。在模块化设计中，也用到大量的标准件，但模块多指标准件之外、仍需被设计而又可以用于不同的组合、从而形成具有不同功能的设备的单元、
模块化设计：在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块；根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能、或功能相同但性能不同、规格不同的产品。这种设计方法称为模块人化设计。
模块化设计的主要方式有：
1）横系列模块化设计。不改变产品主参数，利用模块发展变形产品。这种方式是易实现，应用最广。常是在基型品种上更换或添加模块，形成新的变形品种。例如，更换端面铣床的铣头，可以加装立铣头、卧铣头、转塔铣头等，形成立式铣床卧式铣床或转塔铣床等。
2）纵系列模块化设计。在同一类型中对不同规格的基型产品进行设计。主参数不同，动力参数也往往不同，导致结构形式和尺寸不同，因此较横系列模块化设计复 杂。若把与动力参数有关的零部件设计成相同的通用模块，势必造成强度或刚度的欠缺或冗余，欠缺影响功能发挥，冗余则造成结构庞大、材料浪费。因而，在与动 力参数有关的模块设计时，往往合理划分区段，只在同一区段内模块通用；而对于与动力或尺寸无关的模块，则可在更大范围内通用。
3）横系列和跨系列模块化设计。除发展横系列产品之外，改变某些模块还能得到其它系列产品者，便属于横系列和跨系列模块化设计了。德国沙曼机床厂生产的模 块化镗铣床，除可发展横系列的数控及各型镗铣加工中心外，更换立柱、滑座及工作台，即可将镗铣床变为跨系列的落地镗床。
4）全系列模块化设计。全系列包括纵系列和横系列。例如，德国某厂生产的工具铣，除可改变为立铣头、卧铣头、转塔铣头等形成横系列产品外，还可改变床身、横梁的高度和长度，得到三种纵系列的产品。
5）全系列和跨系列模块化设计。主要是在全系列基础上用于结构比较类似的跨产品的模块化设计上。例如，全系列的龙门铣床结构与龙门刨、龙门刨床和龙门导轨磨床相似，可以发展跨系列模块化设计。
模块化设计的步骤
模 块化设计分为两个不同层次，第一个层次为系列模块化产品研制过程，需要根据市场调研结果对整个系列进行模块化设计，本质上是系列产品研制过程，如图 3-14所示。第二个层次为单个产品的模块化设计，需要根据用户的具体要求对模块进行选择和组合，并加以必要的设计计算和校核计算，本质上是选择及组合过 程，如图3-15所示。
总的说来，模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤，但比后者更复杂，花费更高，要每个零部件都 能实现更多的部分功能。
图3-14 模块化系列产品研制过程 图3-15 模块化产品设计过程
1.市场调查与分析
模块化设计成功的前提。必须注意市场对同类产品的需求量、市场对同类产品基型和各种变型的需求比例，分析来自用户的要求，分析模块化设计的可行性等。对市场需求量很少而 又需要付出很大的设计与制造花费的产品，不应在模块化系统设计的总功能之中。
2.进行产品功能分析，拟定产品系列型谱
合理确定模块化设计所覆盖的产品种类和规格，种类和规格过多，虽对市场应变能力强，有利于占领市场，但设计难度大，工作量大；反之，则对市场应变能力减弱，但设计容易，易于提高产品性能和针对性。表3-1为某机床厂的产品系列型谱。
表3-1 无心磨床产品系列型谱
W5 模块系列
基本分系列
MG1050A高精度无心磨床
MS1080高速无心磨床
MZ1050A/2针阀自动无心磨床（专机系列）
MZ1050A/2A型
MZ1050A/2B型
MZ1050A/2C型
扩展分系列
变型
WX-1006球头销球体自动无心磨床
WX-1007球头销锥体自动无心磨床
WX-1008扭杆自动无心磨床
WX-1009水泵轴双沟无心磨床
WX-1010针阀自动无心磨床
WX-1050A/3针阀自动无心磨床（带金刚滚轮修整）
3.确定参数范围和主参数
产 品参数有尺寸参数、运动参数和动力参数（功率、转矩、电压等），须合理确定，过高过宽造成浪费，过低过窄不能满足要求。另外，参数数值大小和数值在参数范 围内的分布也很重要，最大、最小值应依使用要求而定。主参数是表示产品主要性能、规格大小的参数，参数数值的分布一般用等比或等差数列。
4.确定模块化设计类型，划分模块
只有少数方案用到的特殊功能，可由非模块实现：若干部分功能相结合，可由一个模块实现（对于调整功能尤其如此）。
5.模块结构设计，形成模块库
由于模块要具有多种可能的组合方式，因此设计时要考虑到一个模块的较多接合部位，应做到加工合理、装配合理；应尽量采用标准化的结构；尽量用多工位组合机床同时加工，否则模块的加工成本将非常可观；还应保证模块寿命相当，维修及更换方便。
6.编写技术文件
由于模块化设计建立的模块常不直接与产品联系，因此必须注意其技术文件的编制，才能将不同功能的模块有机联系起来，指导制造、检查和使用。技术文件主要包括以下内容：
1）编制模块组合与配置各产品的关系表。其中应包括全系列的模块种类及各产品使用的模块种类和数量。
2）编制所有产品的模块组和模块目录表，标明各产品和模块组的组成。
3）编制系列通用的制造与验收条件、合格证明书及装箱单。
4）编制模块式的使用说明，以适应不同产品、不同模块的需要。
3.4.5模块化设计的现状与趋热
模块化设计在设计思想上是对传统设计的一种创新，早期模块化设计多采用手工操作管理，缺乏现代化的设计和管理手段，不能充分发挥模块化设计的优越性[21]。随着计算机应用技术向各行各业的渗透及以计算机辅助设计为主体的现化设计技术的发展，模块化设计从设计手段上已有了极大的不同，形成了以计算机为工具、以模块化设计为目标的各种学科交叉融合的新型技术领域，如计算机辅助模块化设计、模糊模块化设计、智能模块化设计、优化模块化设计等等，这些手段反过来又促进了模块化设计思想的发展。例如，早期的模块化设计主要追求功能的实现，现在则要求模块化产品生命周期全过程多目标的权衡、分配及综合决策，如开发周期短，易于回收、装配、维修，产品报废后某些模块仍可再利用，模块可以升级、重新设置等。综合起来，现代模块化设计呈现以下几种趋势。
1）各种数学方法（模糊数学、优化等）引入模块化设计各个环节，如模块的划分、结构设计、模块评价、结构参数优化等
2）不同层次计算机软件平台的渗透，如二维绘图、实体造型、特征建模、概念设计、曲面设计、装配模拟等软件均可用于模块化设计之中。
3）数据库技术及成组技术的应用。产品系列型谱确定之后，在系列功能模块设计时，采用数据库技术及成组技术[21]，首先对一系列模块的功能、结构特征、方位、接合面的形状、形式、尺寸、精度、特性、定位方式进行分类编码，以模块为基本单元进行设计，存储在模块数据库中。具体设计某个产品时，首先据功能及结构要求形成编码，据编码在数据库中查询，若查出满足要求的模块，则进行组合，联接；否则，则调出功能和结构相似的模块进行修改。组合联接好之后，与相应的图形库连接，形成整机。分类编码识别从技术上容易实现一些，另有一些研究者正在研究更为直观的图形识别。
4）模块化产品建模技术。与产品建模技术同步，模块化产品模型有其自身的特点。目前研究的建模技术有三维实体建模、特征建模、基于STEP的建模等。
5）人工智能的渗透。模块的划分、创建、组合、评价过程，除用到数值计算和数据处理外，更重要的是大量设计知识、经验和推理的综合运用。因此，应用人工智能势在必行，参考文献 [22]的作者在对加工中心总体方案进行模块化设计时，研制开发了基于知识的智能CAD系统。
6）生命周期多目标综合。并行工程要求在设计阶段就考虑从概念形成到产品报废整个生命周期的所有因素。在模块化设计中，不同目标导致模块化的方法与结果不同，各种目标在对模块的要求方面相互冲突，在同一个产品中，不同模块对目标的追求也不一致，这就需要对各目标综合考虑、权衡、合理分配[23]，取得相对满意的结果。专家系统、模糊数学、优化等手段都在这一领域获得了充分的发展空间。
参考文献[23]的作者研究开发了一种集成的针对产品整个生命周期各个目标的模块化设计方法，可用于新产品的模块化设计、现有非模块化产品的模块化设计及现有模块化产品的改进模块化设计（例如，数个零件组合成一个模块来实现）。其方法如下：
① 确定该模块化产品的问题域。包括：要达到的目标、功能、目标的重要性程度；对总目标总功能起作用且对模块化设计方法有关的各种因素进行描述、定义；设计种类（全新设计、适应型设计、变型设计）；生命周期；设计规模等。
② 设计任务分解。首先，把产品分解为部件、组件。若是开发性设计，则构造出功能结构框架；对适应性设计，则从现有产品中列出构件表。之后，列出模块化设计各模块的目标（包括单个目标或集成目标）。
③ 针对要实现的目标，从装配过程、空间几何关系（定位、夹紧方式）、实现功能种类（动力传递、能量传递、信号传递等）等几方面对零件进行分析，定义出量化的对目标的影响因素值及两两零件相连的重要性程度值，正则化后形成交叉关系矩阵。
④ 模块设计。加入适当的约束条件（某个零件属于某个特定的模块、预定的模块数量等，功能与相互关系也是约束），采用基于基因的遗传算法，创建模块，形成一个零件数量减少的模块化产品；若用户对结果不满意，可以对约束、目标进行调整，再行迭代，求出另外一种或多种方案。
7）上述各种研究综合应用，形成适用的单项或集成的商业化软件系统
从总的产品设计份额来看，国内机械行业模块化设计应用并不是十分广泛。究其原因，在于机械产品本身的复杂性及多样化，虽然有种种新的设计技术，但模块化设计还需要做大量的基础工作，其中最主要的是对大量现有零部件结构、功能、接合部件作认真的分析、规范化、分类，建立一系列一整套相关标准，吸取计算机软件行业的软件工程规范、硬件行业的总线标准、各类图形图像处理软件之间的接口标准等成功的经验，推动模块化设计的发展。当然，这是一项巨大的工程，也是模块化设计应用普及的必经之路。
模块化系统的分类
按产品中模块使用多少，模块化系统可分为：
1）纯模块化系统。一个完全由模块组合成的模块化系统。
2）混合系统。一个由模块和非模块组成的模块化系统。机械模块化系统多是这种类型。
按模块组合可能性多少，模块化系统可分为：
1）闭式系统。有限种模块组合成有限种结构型式。设计这种系统时主要考虑到所有可能的方案。
2）开式系统。有限种模块能组合成相当多种结构型式。设计这种系统时主要考虑模块组合变化规则。
模块实现一定功能，对整个产品系列而言，功能和相应的模块类型如图3-13所示。
基本功能是系统中基本的、经常重复的、不可缺少的功能，在系统中基本不变。如车床中主轴的旋转功能。相应模块称为基本模块。
辅助功能主要指实现安装和联接所需的功能。例如一些用于联接的压板、特制联接件。相应模块称为辅助模块。
特殊功能是表征系统中某种或某几种产品特殊的、使之更完善或有所扩展的功能。如仪表车床中的球面切削装置模块，便扩展了的功能。相应模块称为特殊模块。
适应功能是为了和其它系统或边界条件相适应所需要的可临时改变的功能。相应模块称为适应模块。它的尺寸基本确定，只是由于上述未能预知的条件，某个（些）尺寸须根据当时情况予以改变，以满足预定要求。一些厚度尺寸可变的垫块即可构成这种性质的模块。
用户专用功能指某些不能预知的、由用户特别指定的功能，该功能由于其不确定性和极少重复，由非模块化单元实现。
图3-13 模块化产品系统中功能和模块类型
模块化设计的关键
1.模块标准化
它 是指模块结构标准化，尤其是模块接口标准化。模块化设计所依赖的是模块的组合，即联接或啮合，又称为接口。显然，为了保证不同功能模块的组合和相同功能模 块的互换，模块应具有可组合性和可互换性两个特征，而这两个特征主要体现在接口上，必须提高其标准化、通用化、规格化的程度。例如，具有相同功能、不同性 能的单元一定要具有相同的安装基面和相同的安装尺寸，才能保证模块的有效组合。在计算机行业中，由于采用了标准的总线结构，来自不同国家和地区厂家的模块 均能组成计算机系统并协调工作，使这些厂家可以集中精力，大量生产某些特定的模块，并不断进行精心改进和研究，促使计算机技术达到空前的发展。相比之下， 机械行业针对模块化设计所做的标准化工作就逊色一些。机械产品中模块化设计仅应用于为数不多的机床行业。
2.模块的划分
模 块化设计的原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应尽量简单、规范，模 块间的联系尽可能简单。因此，如何科学地、有节制地划分模块，是模块化设计中很具有艺术性的一项工作，既要照顾制造管理方便，具有较大的灵活性，避免组合 时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射。划分的好坏直接影响到模块系列设计的成功与否。总的说来，划分前必须对系统进行仔 细的、系统的功能分析和结构分析，并要注意以
下各点：
l）模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性。
2）保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性。
3）模块间的接合要素要便于联接与分离。
4）模块的划分不能影响系统的主要功能。
2.2现代设计技术的内涵及其体系
2.2.1现代设计技术的内涵
工程设计的历史与人类科技发展史同步。随着人类文明、科学技术的发展，工程设计这门古老的学科已逐渐演进为一门科学，形成一门综合性的现代工程技术学科。工程设计的最终目的是创造满足用户需求的产品，其范围几乎涉及到人类活动的各个领域。从人们的衣、食、住、行所需要的生活资料、用品和工具，到各种工业机器、仪器、设备和装置，如机床、飞机、汽车、舰船、宇航工具、计算机硬件与软件、机器人、发电设备、通信装置、医疗器械等等，无不是人的创造与智慧的结晶。这些科技成果可以看作是人各种器官的一种加强与延伸，用以辅助人们日益增长的物质与文化的需要，也是推动社会物质文明与精神文明的建设的重要因素。但是，所设计的产品能否满足预想的要求，满足的程度如何，即产品所达到的质量、性能、价格/成本、寿命等综合指标如何，主要是由设计阶段决定的。据有关资料介绍，设计阶段决定了产品制造成本的75%～80%，而且也极大地影响着产品的运行、维修费用。因此，高度重视研究、发展设计技术，具有十分重要的意义。
在本篇尚未展开阐述现代设计技术内容之前，首先需要回答一些有关现代设计技术的涵义、体系及其特点等总体认识问题，而这又需简略回顾一下人们在长期的设计活动中，对工程设计的涵义与内容的认识。
在传统的工程设计中，从工作性质与内容看，将设计过程划分为方案设计、技术设计和工艺设计。随着计算机、信息技术的发展，工程设计的范畴，从传统的设计内容已扩扩展到产品规划、制造、检测、实验、营销、运行、维护、报废、回收等全过程的全方位设计。
从设计的过程与方法看：
1）设计是一种工程活动。设计师的任务就是运用自然科学的知识与法则去创造物质文明，它几乎涉及到人类生活、生产的全部方面。
2）设计是一种创造性的智力活动。设计的全过程，需要设计师提出各种不同的构思和设想，具有灵活运用知识和经验处理技术、经济等问题的能力和优良的品质、作风，能创造性地寻求设计目标和任务的实现。
3）设计是一个综合、决策、迭代、寻优的过程。设计流程就是输入信息→处理加工→综合、判断、决策→输出信息，是寻求满意的设计目标、方案、参数、结构等最优的过程。设计过程也是一个信息综合、反馈（或迭代）、交流的过程。由于设计要求和约束条件及多种约束之间相互制约，甚至是相互矛盾的，虽经优化，也只能综合、权衡各方面因素取得相对满意的结果。
从设计任务的要求来划分，通常有三种不同类型的设计。
1）开发性设计。运用成熟的科学技术，从工作原理和结构上设计过去没有的新型产品，这是一种完全创新的设计。
2）适应性设计。在原理、方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更设计，使之更能满足用户的需求。
3）变型设计。在功能和工作原理不变的情况下，变更现有产品的结构配置、布置方式和尺寸，使之适应多方面的使用要求。
据德国机械制造工作者协会调查表明，在机械制造业中产品的55%属于适应性设计，25%为开发性设计，20%为变型设计[1]。显然，上述设计类型划分之界限有时并不十分明确，不过为适应先进制造技术的进步与发展趋势，当今不论何种设计都有必要应用计算机辅助设计（Computer Aided Design——CAD）技术及其他行之有效的现代设计技术，使设计的产品能在激烈的市场竞争中取胜。
尽管人们对工程设计之涵义与内容有过上述种种论述，现代设计技术与方法这一述语的概念也已提出多年，但是，由于现代设计技术是一门新兴的科学，迄今为止国内外文献对此尚无普遍公认的严格定义，也没有明确的边界。我们认为，现代设计技术与其他科学技术一样，都有其产生、发展的客观要求与实际背景，是生产斗争、社会斗争和科学研究发展到一定程度的必然产物，也是自然科学方法论和科学哲理发展到一定阶段的必然产物。当今科技，有一个非常明显的发展趋势，这就是科学技术的重心正在由材料（物质）和能量转向信息，它意味着电子信息科学技术的崛起和信息技术时代的到来。信息技术的渗透影响着产品和制造业的变革，也影响着设计技术的变革与发展，并为设计技术的发展提供了条件，同时，对设计技术也提出了要求。在许多先进发达国家，近10年先进制造技术的应用与发展都与信息技术紧密相关，而且 在实施先进制造技术的过程中，不仅应用了许多现代设计技术，如优化设计、并行设计等，而且总结与提出了许多新的设计理论和技术，如模糊设计（Fuzzy Design）、健壮设计（Robust Design）、虚拟设计（Virtual Design）等。另一方面，我们认为，随着社会生产力与科技的发展，现代设计技术与其它科学技术一样，其内涵与外延是变化的、动态的，如传统的机械力学已发展演变为理论力学、材料力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等；优化设计已发展为普通优化设计和模糊优化设计等。这些均是学科边界的扩展与交叉。
鉴于上述分析与基本认识，我们给现代设计技术下的定义为：
以满足应市产品的质量、性能、时间、成本/价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。
从以上定义可以看出，现代设计技术有一系列特点，这将在下节予以论述。这里值得说明的是以下两点：
（1）现代设计技术是多学科交叉融合的产物 就目前现代设计技术所涉及的理论、方法的范畴来看，可以认为它是由现代设计方法学、计算机辅助设计技术、可信性设计技术、试验设计技术等多种学科的交叉与融合。而其中每一个具体的设计技术，同样也是若干学科的交叉与融合。例如优化设计是数学规划的方法与计算机编程的有机结合，计算机辅助设计可以看作是数学建模、计算机软件和硬件技术、工程图学等的有机结合；模糊优化设计是模糊方法与优化技术的结合等等。在这个现代设计技术群体各学科之间既相对独立又相互联系、相互渗透。根据设计对象与任务的不同，以及设计各个阶段的特点，宜采用其中某些适宜的、有效的方法和技术，以解决设计中的总体和各个具体问题。
（2）现代设计是传统设计技术的继承、延伸和发展 从传统设计发展至现代设计，都有着时序性、继承性，并在一定时间和一定的对象中它们共存于一体。例如，传统的运动学、动力学、机构学、结构力学、强度理论等基本原理与方法是现代设计技术的数学建模及许多分支学科（如可靠性设计、疲劳设计、防断裂设计、健壮设计等）的基础；另外，许多现代设计技术与方法是在吸收了传统设计技术中的思想、观点、方法之精华而发展起来的，如系统设计、功能设计、模块化设计、优化设计、并行设计等等。因此，介绍与应用现代设计技术与方法时，不应片面夸大，成为玄而又玄的万能法宝，而应当认识到，它们的许多内容是传统设计技术的继承、延伸和发展。
2.2.2现代设计技术的体系
现代设计技术内容广泛，分支学科繁多，有人按分支学科的特征分类，有人从方法论对其聚类归纳，有人按学科的任务、作用分类，以期说明现代设计任务的内容与体系。这些工作对人们全面了解、认识现代设计技术与方法起到了一定的效果。鉴于本篇不是专门研究设计程序、规律、思维与方法本身的详细内容，而是面向21世纪科技发展的趋势，着眼于了解与掌握一些行之有效的现代设计技术，为此，选编了现代设计方法学、计算机辅助设计技术、产品可信性设计技术、现代试验设计技术等方面内容，共三十多节，相当于三十多篇有机联系的现代设计技术专题，以对促进我国工程设计水平的提高，促进与支撑我国先进制造技术的发展，起到应用的作用与效果。有关这些设计技术的具体内容是由各专家分另专门撰写，并按章、节次序作了编排。这里仅就现代设计技术的体系框架及其与其他学科的关系，用图3所示框图描述，并予以说明。
图3 现代设计技术的体系及与其他学科的关系
现代设计技术的整个体系好比一棵大树，由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成。
（1）基础技术 基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面。它不仅为现代设计技术提供了坚实的理论基础，也是现代设计技术发展的源泉。我们认为，任何科学技术的发展如同社会的发展一样，都离不开以自身长期形成的传统构架为基础，同时又都不能固守于传统，而要使之涵容时代和未来的特征。也就是说，传统的科学与技术也和社会的进步一同发展。现代设计技术也可以说是在传统设计技术的基础上，以新的形式和更丰富的内涵发扬光大传统设计技术中的优秀内核与精华。
（2）主体技术 现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。可以毫不夸张地说，没有计算机科学与计算机辅助技术（如计算机辅助设计、智能CAD（Intelligent CAD——ICAD）、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等），便没有现代设计技术；另一方面，没有其他现代设计技术的多种理论与方法，计算机技术的应用也会大大受到限制，因为运用优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干。
（3）支撑技术 无论是设计对象的描述，设计信息的处理、加工、推理与映射及验证，都离不开设计方法学、产品的可信性设计技术及设计试验技术所提供的多种理论与方法及手段的支撑。其中现代设计方法学涉及的内容很广，如平行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计技术可看作广义可靠性设计内容的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、减摩和耐磨损设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计、人机工程设计等。设计试验技术不仅指通常的产品性能试验，还应包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。因此，设计方法学、可信性设计技术及试验设计技术所包含的种种内容，可视为现代设计技术群体的支撑技术。
（4）应用技术 应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容，可以看作是现代设计技术派生出来的丰富多彩的具体技术群。现代设计技术在各类产品设计领域的广泛应用，促进了产品质量与性能的提高。
现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。此外，设计产品总是以满足社会需求为目的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面知识与素养。
值得一提的是，现代设计技术体系框架的划分只是相对的，而不是绝对的；主体技术、支撑技术、应用技术、基础技术之间并不存在截然的界限。主体技术所包含的计算机辅助设计的有关技术本身往往就是应用技术。在特定情况下，某些支撑技术也可以成为主体技术，例如变载荷及随机干涉下零件的疲劳设计和稳定性设计，这时疲劳设计、健壮设计就是相应情况下的主体技术。有些设计支撑技术本来就是由传统的强度、变形及失效理论“繁衍”出来的多种设计理论，如疲劳设计、防断裂设计、可靠性设计等，所以，这些设计支撑技术，也可看作基础技术。
2.3现代设计技术的特点
由现代设计技术的涵义及其体系可见，它具有以下一系列特点。
1．设计理论与方法的延伸、思维的变化及设计范畴的扩展
现代设计技术是传统的设计理论与方法的继承、延伸与扩展。这不仅体现在设计原理、方法、思维、哲理等方面的创新，如静态的设计原理向动态的延伸，经验的、类比的设计方法向精确的、优化的方法延伸，确定的设计模型向随机的模糊的延伸，单维思维模式向多维思维模式延伸；而且设计范畴在不断扩大。传统的设计通常只限于方案设计、技术设计（总体设计与工艺设计），由于计算机技术的飞速发展与广泛应用，深刻影响着产品设计开发过程、制造过程、营销及售后服务过程；同时，也促进着这些过程的交叉融合，使现代设计将设计内容与边界扩展到产品规划、制造过程的工艺、检验、试验、包装、运输直至营销、市场策划、产品运行、维护使用到报废回收全过程全生命周期各个环节的设计。先进制造技术中的面向制造的设计（Design For Manufacturing——DFM），面向装配的设计（Design For Assembly——DFA）及面向X的设计（Design For“X” ——DFX），并行设计（Concurrent Design——CD）、虚拟设计、绿色设计（Green Design——GD）、模糊设计、维修性设计（Mainterinability Design——MD）、健壮设计等，便是工程设计范畴扩大的集中体现。现代设计可以说是设计师、制造工程师、管理营销人员以及工人、财会人员、专利律师等通力合作、集体智慧的结晶。
2．多种设计技术、理论与方法的交叉与综合
计算机技术与信息科学对机械产品的渗透、改造与应用，使产品的结构、功能产生很大的变化，现代的机械产品正朝着机电一体化，物质、能量、信息一体化，集成化，模块化方向发展。数控机床及数控装置、加工中心、工业机器人等典型的机电一体化产品，不仅具有传统意义上的物质与能量转换的功能，而且具有自动检测、自动数据处理（运算、判断、存储、记忆）、自动显示、自动控制、故障诊断和自动保护及维护性、可回收性等功能，从而对产品的质量、可靠性、稳定性、稳健性及效益等均提出更为严格的要求。因此，现代设计技术必须是多学科的融合交叉，多种设计理论、设计方法、设计手段的综合运用，以系统的、集成的设计概念设计出符合时代特征和科技发展趋势的产品及整体综合效益最佳的产品。
3．设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化
（1）精确化 在传统设计中，面对载荷、应力、环境等因素的复杂化，通常以某种条件性的假设建立所谓稳定的、理想的载荷（集中的或匀布的）和应力（名义的、平均的）模型，它与实际情况有差异的许多因素，则以安全系数和一系列的载荷系数、应力系数及其它影响系数等加以考虑，这往往使计算的结果误差较大。现代设计技术可以采用概率设计（可靠性设计）描述载荷应力、环境条件等随机因素的分布规律[13]，通过有限元法、动态分析、疲劳设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等分析工具和建模手段，准确模拟系统的真实情况，从而得到比较符合实际工况的真实解，提高了设计的精确化程度。
（2）计算机化 计算机化的标志是计算机在工程设计中得到广泛的应用，并逐渐替代传统的手工设计。先进的工业国家近年来投入大批人力、财力，研制开发了许多应用于工程设计的计算机软件，且已商品化。硬件功能日益增强，计算机在设计中的应用已从计算机辅助分析计算和辅助绘图，发展到优化设计、并行设计、三维特征建模、设计过程管理、面向制造与面向装配的设计制造一体化，形成了CAD、计算机辅助工艺规程（Computer Aided Process Planning——CAPP）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing——CAM）的集成化、网格化，并逐步向设计智能化、模拟仿真和虚拟设计、国际互联网络条件下进行计算机辅助设计过渡。我国近10年来借助于计算机的设计方法，也从研究所、高等学校、少数大型企业，逐步推广到广大的设计部门和工厂，计算机软件与硬件的研制与开发也取得了可喜的成就。计算机辅助设计技术，特别是工程数据库和网格技术的广泛应用，加速了设计进程，提高了设计效率和质量，方便了设计、管理、制造、营销等部门及协作企业之间的信息交流，也加速了实现计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System——CIMS）和全球化制造的进程。
（3）自动化 设计自动化的含义、内容与范围目前尚无确切定论，但它一直是设计领域追求的目标。从一般意义上说，设计自动化软件主要包括：①主模型，它是中央数据库，为设计提供各种数据信息（几何精度、材质、各种设计参数、零部件的联系、相关性、有限元结构分析数据，以及质量控制和营销数据等）；②基于知识的应用软件，这些软件工具使设计者方便地与主模型进行数据信息交流，实现不同的设计目的；③产品数据管理，这个系统控制着文档及设计的建立、修改、检查和批准，并组织、跟踪和控制信息的存取。因此，设计自动化的实现主要依托CAD技术的发展与成熟，设计方法日益精确完善，自动建模技术及一批功能强大、高层次的商品化CAD软件的支撑。如智能CAD、模糊逻辑、神经网络用于CAD、优化问题及几何特征建模、尺寸公差自动标注、高效率的有限元分析程序等。同时，设计自动化也取决于设计与制造过程的集成化、一体化技术的发展与成熟及多媒体技术的广泛应用，如面向制造的设计、面向装配的设计、概念设计、并行设计及虚拟设计等等。
（4）虚拟化 设计手段虚拟化（或拟实化），是以虚拟现实的系统软件在计算机上实现仿真、实现虚拟现实的三维建模，包括几何建模，运动建模、物理建模、对象特性建模及模型切分等，使设计者能在虚拟的设计环境下看到设计内容，如设计对象的形状、外表、物体的移动、旋转和各部分是否干涉与碰撞，以及对象的质量、重量、惯性、表面特性（光滑与粗糙）、硬度、结构形式等改变模式，从而实现设计可视化，快速显示设计内容，灵活而方便地修改设计，同时由于虚拟制造技术，以及快速原形技术的出现，使设计者在零件被制造之前就看到了它加工后的形状并感觉到它。这些虚拟技术与手段的运用，大大提高了设计效果与质量。
4．并行化、最优化和智能化的设计过程
现代设计技术中的并行设计、优化设计及智能化设计（如智能CAD，专家系统（Expert System——ES）等）均是现代设计技术中的重要设计技术，是设计开发新产品过程不可缺少的方法和技术手段。
（1）并行设计过程 并行设计（Concurrent Design）有时又称为并行工程（Concurrent Engineering）。这是一种综合工程设计、制造、管理、经营的思想、方法和工作模式。并行工程技术可以在一个工厂、一个企业（包括跨地区、跨行业的大型企业及跨国公司）以通信管理方式在计算机软、硬件环境下实现。其核心是产品的设计阶段就考虑到产品生命周期（从概念形成到产品报废）中的所有因素（包括设计、分析、制造、装配、检验、维护、质量、成本、进度与用户需求等），强调多学科小组、各有关部门协同工作，强调对产品设计及其相关过程（制造过程和支持过程）进行并行地、集成地、一体化地进行设计，使产品开发一次成功，缩短产品开发周期，提高产品质量。这是一项包括人机集成和系统功能集成的多目标多层次、整体优化的集成，需要用到很多现代技术与方法，如建模与仿真技术、优化方法与技术、系统与集成技术、信息管理技术、专家系统与模糊技术、CAPP技术、全面质量管理与控制技术、决策支持及评价系统、价值工程及其预测技术、分布式并行处理的智能协同求解技术等。其关键技术是建模与仿真技术、信息系统及其管理技术、决策支持及评价系统等。美国于80年代末首先在福特、通用和克莱斯勒三大汽车公司组织实施并行工程技术，取得了显著的经济效益。我国近年来在一些大型企业中也开始部分实施并行工程技术，这项技术是提高我国企业水平，参与全球化竞争的一个重要发展方向。
（2）全过程的优化设计 现代设计技术中的一般性优化设计方法及其应用已日趋成熟，普通的连续变量优化设计、混合离散变量优化设计，已发展到随机变量优化设计（可靠性优化设计）[14]、模糊变量优化设计[13]，单目标优化设计已发展到多目标优化设计。仅将优化设计的范围局限于优化方法及其应用程序的编制上已不能适应工程技术发展的需要，广义的工程优化设计应是优化设计的重要发展方向，其内容主要包括工程优化设计问题的自动建模技术、优化设计问题的前处理与后处理、优化设计结果的评价等。此外，基于优化设计和制造的分级分解优化也是目前重要的研究内容[7]。上述优化方向的实现，必然涉及到人工智能、信息技术、控制技术等多种方法、多种技术、多个软件系统的综合运用。
（3）人机结合的智能化设计过程 产品设计是一个创造性的思维、推理和决策的过程，CAD技术在产品设计中的成功应用，引起设计领域产生了深刻的变革，由人完成的设计过程，已转变为由人机密切结合共同完成设计过程的智力与智能活动。传统CAD在数值计算和图形绘制上辅助人并扩展了人的能力，可以说这是现代设计中的智能化设计的初步。人工智能原理和专家系统（包括普通专家系统与模糊专家系统）技术应用于CAD产生了智能CAD（Intelligent CAD——ICAD）系统，实现了对设计过程基于符号性知识模型和符号处理的推理工作，用于完成概念设计的有关内容，如方案的拟定、最优方案的选择、结构设计、工艺方案的规划等。这部分设计内容，主要基于人的经验、智能、创造力、想象力等一类模糊性知识，可以说智能CAD系统是模拟人脑对知识处理，并拓展了人在设计过程中的智能活动。虽然智能CAD可以提供整个设计过程的计算机支持，但也存在一些问题，如专家系统的局限来自于人类专家并不总是用规则来思考问题，在这种情况下，专家系统没有模仿人类专家的推理。此外，专家系统还存在知识获取的“瓶颈”问题，学习能力较差，处理大型复杂问题较困难。据此，人们把专家系统与人工神经网络集成于一体，提出了智能CAD人工神经网络专家系统模型，并开发了一个用于电机设计的智能CAD人工神经网络系统，从而提高了设计过程的智能化水平[8]。近10年来，CIMS的迅速发展向智能设计提出了新的挑战，智能CAD系统在强化了数值处理与知识处理的集成功能基础上，发展到集成化智能CAD阶段（I2CAD）[9]；它是面向CIMS的智能CAD系统，可对设计过程提供一体化的计算机支持。该系统在CIMS环境下对产品进行设计，在设计型专家系统提供知识处理自动化的基础上，实现决策自动化，即帮助人类设计专家在设计活动中进行决策。需要指出的是，这里所说有决策自动化决不是排斥人类专家的自动化，恰恰相反，在大规模集成环境下，人在系统中扮演的角色将更加重要[9]，人类专家将永远是系统中最有创造性的知识源和关键性的决策者。因此，CIMS这样的复杂巨大系统，必定是人机结合的集成化智能系统，与此相适应，面向CIMS的智能设计走向了智能设计的高级阶段——人机智能化系统[9]。这个系统面向整个设计过程，具有创新设计功能，是针对大规模复杂产品设计的开放的软件系统，它是面向集成的决策自动化，是高级的设计自动化。
5．面向产品寿命周期全过程的可信性设计
随着科学技术的发展和日益增长的社会需求，产品的类型、规格及性能迅速地发生变化，产品的寿命周期越来越短。人们对产品质量要求的含义也在不断变化，不仅要满足功能要求，对可信性、安全性、可靠性、合理的寿命、方便使用和维护保养条件与方式也提出了更高的要求，并要符合有关标准、法律和生态环境要求及满足用户非物质功能的要求等等。为贯彻这些标准和要求，需要设计、制造、管理、维护、使用等一系列环节有严格的技术措施加以保证，其中最重要的是设计、制造水平，因为产品的质量是设计和制造出来的，而不是检验出来的。因此，现代设计技术的重要内容之一就是面向产品寿命周期全过程进行可信性设计，以满足市场与用户对产品质量的要求。可信性设计主要包括：可靠性设计，安全性设计、防断裂设计、疲劳设计、防腐蚀性设计、减摩和耐磨损设计、动态分析与设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计和维修保障设计、人机工程设计等等。针对不同产品和各个设计阶段拟采用其中某些适宜的、有效的可信性设计技术与方法，以解决设计中各个具体的和总体的要求，把产品的设计从经验的、类比的、静态的传统设计提高到全方位的获取信息，并结合运用其他现代设计理论、方法和手段、进行动态的、多变量的全过程的可信性优化设计。
6．多种设计试验技术的综合运用
为了有效地验证设计目标是否达到和检验设计过程、制造过程的技术措施，全面把握产品的质量信息，做到万无一失，在设计全过程中对产品进行必要的、针对性的试验是不可忽视和超越的。在产品的设计过程中，人们根据不同产品的特点和需要，通过物理模型试验、动态试验、可靠性试验、产品环保性能试验与控制等，获取相应的产品参数和数据，为评定设计方案的优劣和几种方案的比较提供一定的依据，也为开发新产品提供有益的基础数据。
物理模型试验通常以样机进行台架试验或现场的工业性试验，以验证产品的性能。对于某些大型设备复杂的基础零部件，如大型水轮机机壳、锻压机横梁等制成相似的模型进行模型试验，以采集、分析、整理所需的设计信息与资料。
动态试验运用电液伺服技术、计算机控制技术等现代试验手段在试验中再现实测的随机载荷谱，对产品进行动态性能试验。可靠性试验是为了提高产品的可靠性、评价和验证产品的可靠性而进行的关于产品失效及影响的各种试验，并用概率与数理统计方法对试验数据进行处理，从而得到或增长产品的可靠性指标。产品环保性能试验与控制，是以检测、控制产品的污染（如噪声、振动、废气、废水的排放量、光辐射等），达到保护生态环境、人机和谐的一种试验、控制技术。它是绿色产品设计的重要内容，也是清洁化生产过程不可缺少的环节，对人类资源的有效利用、社会持续发展等影响极大。
由于计算机、信息科学的发展与渗透，在先进制造技术的推动下，现代设计试验技术的概念与范围已发生了变化与延伸。人们不仅需要针对具体的模型进行物理性试验，还可以借助强大功能的计算机软、硬件条件，在建立一系列数学模型的基础上对产品进行数字仿真试验和更高级的虚拟现实的试验，实现在计算机或计算机网络系统上模拟产品的运行情况、预测产品的性能；亦可运用快速成形技术，直接将CAD数据在计算机控制下，将材料快速成形为三维实体模型，该模型可直接用于设计外观评审或装配试验，或将模型转化为工程材料制成的功能零件进行性能测试，以便确定和改进设计。
综上论述也可以说，现代设计技术是以传统设计理论与方法为基础，以计算机广泛应用为标志，具有信息时代特征的一种设计技术。工业发达国家和先进企业成功的大量事例表明，现代设计技术的推广应用所取得的技术、经济和社会效益，集中体现在大大提高产品的质量，缩短设计周期，降低成本，并且有效地节约资源，保护生态，创造人类持续发展的和谐环境。
2.4现代设计的发展趋势展望与思考
2.4.1发展趋势展望
由于国际化市场的激烈竞争和用户对产品的功能、质量、价格、供货期、售后服务等要求越来越高，以及高新技术的飞速发展，以信息科学与微电子技术为代表的现代科学技术对制造业的渗透、改造和更新，使传统的制造技术演变成为一门涵盖从产品设计、制造、管理、销售到回收再生的全过程，跨多个学科且高度复杂化、集成化的先进制造技术。柔性自动化，智能化，并行工程，虚拟制造，精密、微细加工等，是当今先进制造技术的发展趋势。现代设计技术是现代制造技术的主体技术之一，也是先进制造技术的核心与灵魂，必将伴随着先进制造技术的发展，计算机和信息技术的进步，制造业生产模式的变革，竞争与合作的全球化，人们对生态环境、资源的关切和对产品品质多样化等方面的要求，而发生着深刻的变化。展望现代设计技术的发展趋势，大致有以下几方面：
1）设计过程的数字化，不仅要完善工程对象中确定性变量的数学描述和数学建模，而且更要研究非确定性变量，包括随机变量、随机过程、模糊变量（人的智能、经验、创造力、语言及政治、经济、人文等社会科学因素）等的数学描述和数学建模。
2）设计过程的自动化和智能化研究。健全、研究、发展各种类型的数据库、方法库和知识库，及自动编程、自学习、自适应等高级商品化软件的研制，如研究设计知识、数据、信息的获取与处理技术、智能CAD人工神经网络专家系统的模型和应用软件等。
3）动态多变量优化和工程不确定模型优化（模糊优化）、不可微模型优化及多目标优化等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广义工程大系统的优化设计的研究。
4）网络化并行设计及协同设计技术、方法及软件的研究。
5）虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术的深入研究，是一种以计算机仿真为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、人机工程、材料、成形工艺、光电传感技术和多媒体技术为一体的综合学科研究。
6）大力普及、推广与发展CAD技术的应用研究，其重点是研制开发功能强的商品化软件。
7）面向集成制造和分布式经营管理的设计方法、人员组织及规划的研究。据参考文献[11]介绍，企业的成功中只有20%来自技术方面，不低于80%依赖于如何组织和设计生产过程。这也是美国、日本大公司成功的一条经营之道。如，近年来出现的并行工程（Concurrent Engineering——CE）、精益生产（Lean Production——LP）、灵捷制造（Agile Manufacturing——AM）、准时生产（Just－in－Time）、质量功能配置（Quality Function Deployment——QFD）等生产管理中的设计技术，应依据国情和市场的动态变化研究将这些技术贯彻到生产过程中。
8）微型机电系统的设计理论及设计方法和技术的研究，如智能计算、纳米技术、微型机器人系统及微型机械系统的设计计算。
9）面向生态环境的绿色设计理论与方法的研究，如绿色产品的设计、清洁化生产过程的设计、产品的可回收性设计等。
10）注重基础性设计理论及共性设计技术的深层次研究。基础性设计技术，如动态设计、疲劳设计、防断裂设计、减摩和耐磨设计、防腐蚀性设计及运动学、动力学、传动技术、弹塑性理论等，是许多现代设计技术的知识源泉和数学建模的理论基础。美国的基础研究是当今世界领先的，制造技术也处于世界领先地位，设计基础技术研究成果为制造业提供了丰富的元知识和领域知识，这是美国推出一代又一代产品参与市场竞争的支柱。美国把制造业和产品向国外推销时，供给的是企业的产品制造部分，而其研究开发的知识源则牢牢控制在国内。例如，人们熟知的美国格利森公司对准双曲线齿轮的设计制造技术是一个看不见的“黑箱”（根据工况，算出机床调整参数，从而加工出齿轮），尽管人们渐渐掌握了格利森加工机床的内部构造，但格利森公司对“黑箱”采取了非公开政策，因而至今他们对准双曲线齿轮的设计制造技术仍然处于世界绝对领先地位。设计中的共性技术与方法，如数学描述、建模、仿真和优化及试验方法等，也是设计中的关键技术，它涉及到CAD、可靠性设计、安全性设计、模糊设计、绿色设计、反求工程、图像处理、专家系统、人工神经网络等信息和知识的获取、组织、传递及使用共享。
2.4.2思考与建议
先进制造技术是美国人在他们制造业发展进程中为促进国家经济的发展于80年代末期提出的，通过研究涌现出许多制造技术、设计技术和管理技术。我国近几年在这方面也开展了广泛的研究，取得了许多瞩目的成就，其中有些项目的研究已接近或达到世界先进水平；但从总体情况看与工业发达国家相比尚有较大差距，主要表现在先进制造技术大部分依赖引进，许多精密设备，（如数控机床）、仪器、特大型载重汽车和挖掘机、不少机电产品的核心部件（如电冰箱和空调的压缩机、录像机和复印机的磁鼓等）也依赖进口或合资生产，自主开发的产品份额不大，自主版权（自己的知识产权）的设计软件也不多（如至今我国还没有自主版权现代轿车总体设计软件）[12]。这些技术与产品性能上的差距，通常不仅表现在制造工艺上的差距，也表现在现代设计技术诸方面（特别是基础性设计技术）的研究力量较弱和新产品（硬件与软件）设计开发能力较弱。为了尽快缩短差距，赶超世界先进水平，我们应依据国情，发挥社会主义制度的优势，统筹规划，加强现代设计技术的基础理论、共性的理论、方法、技术的研究，例如，通过对产品动态特性、疲劳强度、可靠性、稳定性等的物理试验、仿真试验、市场信息和已有经验的获取以及数学建模、几何建模，知识表示与推理，优化方法等的研究，建立产品的静态和动态数据库，知识库、方法库。因为没有可靠的数据，设计中的数学建模及其仿真是不可信的。现代产品的设计是基于知识的设计，没有知识含量和缺乏最新信息的设计，就不可能设计出先进的适应市场的产品，没有现代科学技术与方法的运用，也不可能设计出高技术含量的产品。所以，数据和知识的获取以及现代科学技术与方法的运用就成为现代设计重要的共性问题。在加强设计基础技术与共性技术研究中应瞄准现代设计技术的前沿（如虚拟设计与快速成形技术、纳米技术等）；应把研究的课题伸向工程，加强面向工程和产品设计中的关键技术的研究，并及时总结基础技术的研究成果，将其转化为现实的生产力。应把对传统的设计理论、方法及技术的研究与创造新理论、方法和技术结合起来，积极推广新的设计技术与方法，扩大自主开发产品和CAD软件的质量与数量，提高其在国际市场中的竞争力，创造良好的经济效益和社会效益，使我国的现代设计技术尽快步入国际先进行列。
健壮设计原理
1.产品质量特性
产品质量特性，按人们期望的数值种类，有以下几种：
（1）望目特性 希望特性值存在一个目标值m（m≠0），并希望实际的特性值围绕目标值波动，波动量越小越好。例如，机械零部件的制造尺寸及配合公差等。
（2）望小特性 希望这种特性越小越好（但不取负值），波动也越小越好。如零件的磨损量、机器的噪声、振动等。
（3）望大特性 这种特性要求其数值越大越好（亦不取负值），波动也越小越好。如机器的效率、构件的强度和疲劳寿命等。
质量特性又可分为动态特性和静态特性两种。动态特性的数值一般随输入信号和环境条件的变化而变化。静态特性则反之。动态特性数值随输入信号的变化而改变的 称为主动型动态特性；而另外一类随环境或用途变化而变化的特性则称为被动型动态特性。例如汽车的操纵特性，机床的切削特性都是主动型，而像传感器的测试特 性等都是被动型的。
2.质量波动及其影响因素
影响产品质量特性波动的因素很多。按照人们能否可以控制、可否明确其影响的等级和水平可分类如下。
（1）可控因素 可控因素是指大小（或水平）可以比较，且可人为地选择或控制的影响因素。例如，零件的表面质量特性值——粗糙度，在同一机床条件下，其数值与刀具几何形状 参数、零件加工时选用的切削速度、进给量等有关。这些量就是评定机床加工质量特性的可控因素。
（2）标示因素 是指使用产品时外界环境因素、使用条件等。它们的数值大小（或水平）在技术上虽然可以确定，但不能主观加以选择和控制。例如，动力电源的电压和频率、环境温度和湿度等，一般不是人们所能改变的。
（3）信号因素 是为实现某种需求而选取的对产品输入的改变，它是按专业需求和实际经验而加以确定的，不能任意指定。例如，汽车的转弯半径与方向盘的转角有关，这个转角就 是信号因素。一般要求信号因素的水平应容易改变，且与产品的输出特性呈线性关系，以利于产品特性的校正与调整。
（4）区组因素和误差因素 区组因素有大小（水平）之分，但并无技术上的意义。它是试验设计时为减少试验误差而确定的因素。例如，加工零件时不同操作者、不同原材料、不同班次、不同设备等。
误差因素是除上述因素外，对产品质量特性有影响的其他因素的总称。
进行健壮设计时，设计人员应找出对质量特性可能最有影响的若干因素，并在明确标示因素水平并考虑其影响的基础上，采用三次设计方法，调整可控因素，找到最 佳因素组合，使产品的质量特性在误差因素水平影响较大的情况下，达到质量特性最稳定。再运用输入信号因素变更，达到所需的质量特性值。最后，通过控制对特 性稳定贡献最大的误差因素，达到设计出质量好、成本低的产品的目的。
3.信噪比
信噪比（Signal-Noise Ratio——SN比）作为通信系统的质量指标，已经有近百年的历史。日本学者田口玄一博士把SN比的概念引入试验设计技术，用于系统或产品的开发设计。
（1）SN比的定义 设产品的质量特性γ在诸因素的作用下为一随机变量，它的数学期望为μ，方差为σ2。一般情况下，希望μ值越接近目标值越好；同时也希望σ2值越小越好，因为σ2值反映的是实际特性值偏离μ值的离散程度。
在概率统计学中，常用变异系数γ
γ=σ/μ
来表示实际值可能偏离μ值的程度。在三次设计中，引入了一个新的评定指标η’
η’=μ2/σ2
用来评定产品质量特性的稳定性。因为在μ一定的情况下，σ2 越小，η’值越大。所以，η’值越大，质量特性波动越小。把式中μ2值看作信号，σ2值看作人们不希望有的噪声。因而，称η’为信噪比，用作反映产品或系统质量稳健性的重要指标。
在实际计算中，模仿通信理论中的处理方法，将η’值转化为分贝值（dB）值。用下式计算
η=10lgη’
这样做的目的是使η值较接近正态分布，且使效应也基本具有线性可加性，便于今后用方差分析的方法进行统计处理和分析。
（2）各类质量特性值的SN比计算式
1）望目特性值的SN比计算式。若对n件产品，测得望目特性Y的数据为
y1，y2，…，yn
则μ、σ的无偏估计分别为
式中，Ve为方差σ2的无偏估计量。但是，μ2的无偏估计不是 ，而是
引入下面的记号
则μ2的无偏估计量为
SN比的估计量为
以分贝（dB）表示的SN比为
2）望小、望大特性值的SN比的计算值。设产品的质量特性值Y-N（μ，σ2），对于望小特性值是希望Y越小越好，因此也等价于μ越小越好；同时也希望波动越小越好，即希望σ2越小越好。为此，可令望小特性值的SN比值为
η’=1/（μ2+σ2）
此时，η’越大，对应于μ2、σ2越小，即产品质量特性值和波动均为最小。
由统计理论可知，
若Y的n个观测值为 y1，y2，…，yn，可知E（Y2）的无偏估计为
于是，η’的无偏估计为
SN比的分贝值为
此即为望小特性SN比的计算式。
对于望大特性的SN比的计算式，只要将特性值Y取倒数，即可按望小特性值处理。不难求出，望大特性值的SN比的分贝值计算式为
3）动态特性值的SN比计算式。设产品的动态特性值为Y，其均值μ随着信号M的变化而变化；同时，信号因素M与μ为线性关系，且
μ=α+βM
由于存在误差因素的干扰，动态特性的实际值
μ=α+βM+ε
式中 ε——误差因素引起的误差，一般服从正态分布ε-N（0，σ2）。
对于动态特性，希望信号因素的线性效应的影响越大越好，即|β|要大；而各种内外干扰的影响越小越好。因此，可定义动态特性的SN比为
式中 β——输出特性值Y的线性系数；
σ2——误差的方差，表示误差因素变化产生的影响大小。
利用一元线性回归理论及方差分析可求得β的估计值和误差方差估计值σ2。最后，通过变换后可得到用分贝表示的信噪比计算式
4.灵敏度的估计公式
信噪比公式中的μ是反映平均特性的指标，称为灵敏度。它的无偏估计为
同样，灵敏度SN比分贝值的计算式为
5.三次设计
三次设计，即系统设计、参数设计和容差设计的总称。它和传统的产品的三段设计（方案设计、技术设计和施工设计）有一定的交叉。通过三次设计使产品具有健壮性。
（1）系统设计 它是产品的总体设计、结构方案选择，是以专业技术为中心的一种设计。正确地选择系统总体和结构方案是产品健壮性设计量关键的第一步。
例如，在摩擦装置的系统设计中，其工作原理、力的传递形式及摩擦副材料的选择均对系统的稳健性起着重大的作用。
工作原理稳定的摩擦装置，可确保其功能特性，并可使各性能参数（质量因素）对摩擦系数、几何参数和部件的其它原始参数的变化敏感性最小，即各个零件之间的关联为最小，稳定的结构还能使得性能参数随磨耗程度仅有很小的变化。
性能好的摩擦副材料可使摩擦部件承受外部作用的可靠性、稳定性增强。对于摩擦材料的选择，应能保证在摩擦表面形成性能稳定的过渡层，还应使摩擦副的金相组 织保持稳定。这就要求摩擦材料的性能，如耐热性要高、耐磨性要好、摩擦系数与载荷因素，特别是与温度的关系要小。只有对温度敏感性小才能够在广泛的温度范 围内，调整和稳定部件的摩擦性能，并能摩擦副磨合迅速，在长时间中断工作后，性能变化小，稳定性高。
由上可知，系统设计是产品稳定性设计的关键。它不仅可确保摩擦装置功能特性，还能在相当程度上考虑温度、摩擦系数、磨损程度等性能参数对装置性能的影响，保证各性能参数交互作用小，为装置具有一定水平的性能可靠性和稳定性奠定了基础。
（2）参数设计 它是以寻找质量特性稳定性为目标，同时考虑质量特性与成本，运用正交试验设计方法，利用产品质量特性值的非线性原理，以减小特性值波动为目标的一种非线性设计。通过设计奠定实现产品质量特性要求的最佳参数组合。
（3）容差设计 它是在参数设计给出最优影响因素组合的基础上，确认调整因素，将调整因素调至最优值，使输出特性均值最大限度地靠近目标值，并在成本和质量功能之间权衡，确定各因素最合适的容差。
6.内外表设计
在田口的三次设计方法中，正交表的选择和应用有很多技巧，限于篇幅，不可能作详细介绍，读者可参阅参考文献[51]。
在正交试验设计方法中，安排可控因素的正交表称为内表，相应的设计称为内设计。安排误差因素的正交表称为外表，相应的设计为外设计，合称内外表设计。
图3-9 功能设计的步骤
3.3.4寻求作用原理
作用原理是指某一功能载体上由某一物理效应实现某一分功能的工作原理。它与功能载体密切相关。作用原理的确定包括物理效应和功能载体的确定。在进行功能分析后，对于各个分功能，必须找出能够实现各分功能的作用原理和功能载体，然后将它们以适当的方式组合起来，即形成了不同的解答方案。同一物理效应和功能载体可以为不同的分功能服务；同一物理效应也可由不同功能载体实现。如杠杆效应不仅可以放大力，而且可以改变行程，改变速度；杠杆效应不仅可通过撬杠实现。也可通过齿轮实现。因此，只有针对某一分功能，在某一确定载体上由某一确定的物理效应产生的作用，才是实现该分功能的作用原理。
1．寻求物理效应
物理效应泛指自然界一切现象的作用效果经物理学家、化学家、生物学家等分析得出的、具有普遍规律性的结果，包括这些学科中的定理、定律和法则。自然科学已经为工程技术提供了大量可以利用的物理效应，可参考有关手册，从中查到所需的物理效应。
2．寻求功能载体
当物理效应确定之后，就要寻求使物理量实现该效应规定的变化的实体，即能实现该分功能的功能载体。功能载体的构成可用几何特征、运动特征和材料特征来描述。改变几何特征和材料特征，可以形成多种功能载体。
3．寻求作用原理的常用方法
寻求作用原理的方法很多，究竟采用哪一种或哪几种取决于设计者的知识和经验。常用的方法有：
（1）文献检索 对设计师来说，这是获得信息的重要渠道。这种信息可从专业书刊、专利，甚至可从竞争者的产品说明中获得。由此可对现有的各种解答的可能性作一次重要的展望。
（2）分析自然系统 研究自然界中的形状、结构、生物和过程，可以引出有多方面用途而技术上新颖的解答。
（3）分析已知系统 分析已有的系统得到新的解答或改进的解答。
（4）偏重于直觉的方法 有智暴法、提问法等。就是利用群体效应，通过互相启发，寻求解决问题的途径。
（5）设计目录的应用 设计目录是一种用于设计的信息库，是一定设计任务或分功能的已知解或经过考验的解的汇编。
4．组合作用原理，形成原理解答方案
确定了各分功能的作用原理之后，按照功能结构图规定的逻辑顺序和关系，把这些作用原理组合在一起，可以实现系统总功能的那些组合，就是所设计的系统的原理解答方案。
由于实现各分功能的物理效应可有很多种，而实现每种物理效应的功能载体又可以有多种，所以可以组合的原理方案数为作用原理数和分功能数的乘积，实现上其中有许多不合理或无法实现的方案。由于作用原理的组合比较复杂，它涉及到所形成的原理解答方案是否合理可行，要求不要遗漏可能的优选方案，建议采用模幅箱图（也称为形态矩形）进行作用原理的组合。
将各分功能与相应的作用原理按顺序以矩阵的形式列出，组成的图形就是模幅箱图，见图12
图12 系统的模幅箱图
5．系统原理解答方案的评价和决策
在众多的方案中选取最佳方案，一般先进行粗筛选，把与设计要求不符或各分功能解答不相容的方案去除。在粗筛选的基础上，对所有可行的解答进行科学的定量评价，以便进一步比较选优。这样做的工作量可能很大，也可在众多的可行方案中，定性的选取几个较为满意的方案进行科学的定量评价。
评价的内容有：
1）技术方面。围绕预定的功能要求进行，评价系统能否满足预定的技术性能及其满意程度。
2）经济方面。围绕经济效益进行，目的是降低系统的造价和产品的成本，提高经济效益。
3）社会方面。围绕系统实施后产生的社会效益和影响进行，如能否推动科技进步，能否促进生产力的发展，能否改善环境污染，能否有助于生态平衡等。
常用的评价方法有：
1）有效价值分析法（加权评分法）。其工作步骤为：① 根据系统的功能要求选择技术、经济评价目标： ②确定评价目标的加权系数： [ ]，加权系数是评价目标重要程度的量化系数，目标越重要，加权系数越大，规定取 ＜1， ；③ 确定评分制式（5分制或百分制）；④ 对各种评价目标评分，用矩阵方式列出 各方案对 个评价目标的评分值；⑤ 计算各方案的有效分值；⑥比较各方案的有效分值，分值高的为佳，在分值高的方案中选出技术经济综合性能好的最佳方案。
2）经验判断法。根据评价人员的经验和直觉，对设计方案进行粗略评价的方法。
3）技术－经济评价法。对各设计方案分别就技术和经济方面进行评价，求出其加权相对值，再进行综合比较的方法。
4）盈亏平衡法。根据预计产品的销售总收入与总成本是否平衡选取产品方案的方法。
2006年6月27日用户名： 密码： 技术用户商业用户
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防断裂设计的工程方法 防断裂设计安全、可行性评价
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疲劳可靠性设计方法 工程应用中的主要问题
减摩耐磨设计 概述 摩擦副的系统分析
摩擦副的非正常状态 耐磨设计
减摩耐磨设计的发展动向
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3.8.1 绿色设计产生的背景
20世纪70年代以来，工业污染所导致的全球性环境恶化达到了前所未有的程度，迫使人们不得不重视这种观实。日益严重的生态危机要求全世界工商企业采取共同行动来加强环境保护，以拯救人类生存的地球，确保人类的生活质量和经济持续健康发展。进入90年代以来，一方面，各国的环保战略开始经历一场新的转折，全球性的产业结构调整呈现出新的绿色战略趋势，这就是向资源利用合理化、废弃物产生少量化、对环境无污染或少污染的方向发展；另一方面，科学技术的迅速发展和社会进步使人们的客观认识不断深化，环保意识日益加强，对产品要求越来越高，从而促使产品更新速度加快，竞争愈加激烈，并对未来和社会产生深远影响。产品激烈竞争及其主要影响主要表现在：任何产品都面临世界性竞争，直接影响国家的经济实力。产品竞争的深化，不仅引起人们对产品的质量、寿命、功能等观念的更新，同时也促使人们更加关心产品对环境带来的不良影响，即更加渴望“绿色产品”（Green Product——GP）。在这种“绿色消费”浪潮的冲击下，绿色产品逐渐兴起，为绿色产品而进行的设计，即绿色设计（Green Design——GD）随之诞生，并成为研究热点之一。目前，工业发达国家在产品设计时努力追求小型化（少用料）、多功能（一物多用，少占地）、可回收利用（减少废弃物数量和污染）；生产技术追求节能、省料、无废少废，闭路循环等，都是努力实现绿色设计的有效手段。如果说，当初是西方国家严格的环保立法和绿色法规促进了制造业奉行绿色设计，那么，现在是绿色设计的先行者尝到了甜头后自觉地遵循绿色行为。施乐的复印机、柯达的照相机和惠普的计算机等均实行了绿色设计，并取得了直接赢利。这同时也进一步促进了绿色产品及绿色设计的迅速发展。
绿色产品与绿色设计
绿色设计是由绿色产品的诞生所引申的一种设计方法，因此，要进行绿色设计，首先有必要弄清什么样的产品是绿色产品？绿色产品有何特点？用哪些指标去衡量？这样也便于通过一定的方法和手段去设计绿色产品。
1.绿色产品的定义
绿色产品或称为环境协调产品（EnvironmentalConscious Product——ECP），是相对于传统产品而言。由于对产品“绿色程度”的描述和量化特征还不十分明确，因此，目前还没有公认的权威定义。不过分析对比现有的不同定义，仍可对绿色产品有一个基本的认识。下即为绿色产品的几种主要定义方式：
1）绿色产品是指以环境和环境资源保护为核心概念而设计生产的，可以拆卸并分解的产品，其零部件经过翻新处理后，可以重新使用。
2）刊登在美国《幸福》双周刊上一篇题为“为再生而制造产品”的文章认为：绿色产品是指将重点放在减少部件，使原材料合理化和使部件可以重新利用的产品。
3）也有人把绿色产品看成是：一件产品在其使用寿命完结时，其部件可以翻新和重新利用，或能安全地把这些零部件处理掉，这样的产品被称为绿色产品。
4）还有人把绿色产品归纳为从生产到使用，乃至回收的整个过程都符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，以及利用资源再生或回收循环再用的产品。
从上述这些定义可以看出，虽然描述的侧重点各不相同，但其实质基本一致，即绿色产品应有利于保护生态环境，不产生环境污染或使污染最小化，同时有利于节约资源和能源，且这一特点应贯穿于产品生命周期全程。因此，综合上述分析，我们可以给出绿色产品的下述定义以供参考：绿色产品就是在其生命周期全程中，符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率最高，能源消耗最低的产品。
由此可见，绿色产品具有丰富的内涵，其主要表现在以下几个方面：①优良的环境友好性，即产品从生产到使用乃至废弃、回收、处理处置的各个环节都对环境无害或危害甚小。这就要求企业在生产过程中选用清洁的原料，清洁的工艺过程，生产出清洁的产品；用户在使用产品时不或很少产生环境污染，并且不对使用者造成危害；报废产品在回收处理过程中很少产生废弃物。②最大限度地利用材料资源。绿色产品应尽量减少材料使用量，减少使用材料的种类，特别是稀有昂贵材料及有毒、有害材料。这就要求设计产品时，在满足产品基本功能的条件下，尽量简化产品结构，合理选用材料，并使产品中零件材料能最大限度的再利用。③最大限度地节约能源，绿色产品在其生命周期的各个环节所消耗的能源应最少。资源及能源的节约利用本身也是很好的环境保护手段。
分析绿色产品的定义可以看出，绿色产品的“绿色程度”应体现在其整个生命周期阶段，而不是产品的某一局部或某一阶段。这就存在另外一个问题，即什么是绿色产品生命周期呢？首先，我们来看普通产品生命周期。普通产品生命周期是指产品从“摇篮到坟墓”（cradle-to-grave），即从产品设计、制造、销售、使用乃至废弃的所有阶段，而产品废弃后的一系列问题则一般很少考虑，其结果不言而喻，即不能满足绿色产品的要求。绿色产品生命周期应将其扩展成从“摇篮到再现”（cradle-to-reincarnation）的过程，即除了普通产品寿命周期阶段外，还应包括废弃（或淘汰）产品的回收、重用及处理处置阶段。由此可见，绿色产品生命周期包括以下五个过程，即：①绿色产品规划及设计开发过程；②绿色产品制造与生产过程；③产品使用过程；④产品维护与服务过程；⑤废弃淘汰产品的回收、重用及处理处置过程。
2.绿色产品的评价标准及其认证
绿色产品是20世纪80年代末期世界各国为适应全球环保战略，进行产业结构调整的产物。由于发展历史不长，绿色产品至今尚无严格准确的行业标准，但从消费市场来看，目前得到公认的绿色标准包括以下三条：①产品在生产过程中少用资源和能源，并且不污染环境。②产品在使用过程中能耗低，不会对使用者造成危害，也不会产生环境污染物。③产品使用后可以和易于拆卸、回收、翻新或能够安全废置并长期无虑。
只有经过严格认证，获得绿色标志（或称环境标志）的产品才是绿色产品。绿色产品的概念是20世纪70年代在美国政府起草的环境污染法规中首次提出的。但真正的绿色产品首先诞生于前联邦德国。1987年该国实施一项被称为“蓝天使”的计划，对在生产和使用过程中都符合环保要求，且对生态环境和人体健康无损害的商品，环境标志委员会则授予孩产品绿色标志。这就是第一代绿色标志。目前，德国绿色标志产品已达7500多种，占其全国商品的 30％。其后日本、美国、加拿大等国也相继建立自己的绿色标志认证制度，以保证消费者自识别产品的环保性质，同时鼓励厂商生产低污染的绿色产品。目前绿色商品涉及诸多领域和范围，如绿色汽车、绿色电脑、绿色相机、绿色冰箱、绿色包装、绿色建筑等。
我国于1993年实行绿色标志认证制度，并制订了严格的绿色标志产品标准，目前涉及七类产品，即家用制冷器具、气溶胶制品、可降解地膜、车用无铅汽油、水性涂料和卫生纸。迄今为止，已有11家企业的18种产品获得了绿色标志。绿色标志认证可以根据国际惯例保护我国的环境利益，同时也有利于促进企业提高产品在国际市场上的竞争力，因为越来越多的事实证明：谁拥有绿色产品，谁就拥有市场。
绿色设计的主要内容和关键技术
绿色设计的主要内容包括：①绿色产品的描述与建模；②绿色设计的材料选择与管理；③产品的可拆卸性设计；④产品的可回收性设计；⑤绿色产品的成本分析；⑥绿色设计数据库等。
1.绿色产品的描述与建模
准确全面地描述绿色产品，建立系统的绿色产品评价模型是绿色设计的关键。例如针对冰箱产品，已提出了绿色产品的评价指标体系、评价标准制定原则，利用模糊评价法对冰箱的“绿色程度”进行了评价，并开发了相应的评价工具。
2.绿色设计的材料选择与管理
绿色设计要求产品设计人员改变传统的选材程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用条件和性能，而且应考虑环境约束准则，同时必须了解材料对环境的影响，选用无毒、无污染材料及易回收、可重用、易降解材料。绿色设计对材料的要求也为材料科学的发展提出了新的挑战，即能提供或生产出适合绿色产品设计的绿色材料。除合理选材外，同时还应加强材料管理。绿色产品设计的材料管理包括两方面内容：一方面不能把含有有害成分与无害成分的材料混放在一起；另一方面，达到寿命周期的产品，有用部分要充分回收利用，不可用部分要采用一定的工艺方法进行处理，使其对环境的影响降低到最低限度。
3.产品的可回收性设计
可回收性设计是指：在产品设计初期充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与回收性有关的一系列问题，最终达到零件材料资源、能源的最大利用，并对环境污染为最小的一种设计思想和方法。可回收性设计包括以下几方面的主要内容：①可回收材料及其标志；②可回收工艺与方法；③可回收性经济评价；④可回收性结构设计。
4.产品的可拆卸性设计
现代机电产品往往使用着多种不同材料，因而其拆卸就成为目前绿色设计研究的主要热点。因为不可拆卸不仅会造成大量可重复利用零部件材料的浪费，而且因废弃物不好处置，还会严重污染环境。拆卸在现代生产良性发展中起着重要的作用，已成为机械设计的重要内容。可拆卸性是绿色产品设计的主要内容之一，它要求在产品设计的初级阶段就将可拆卸性作为结构设计的一个评价准则，使所设计的结构易于拆卸、维护方便，并在产品报废后可重用部分能充分有效地回收和重用，以达到节约资源和能源、保护环境的目的。可拆卸性要求在产品结构设计时改变传统的联接方式，代之以易于拆卸的联接方式。可拆卸结构设计有两种类型：一种是基于成熟结构的“案例”法；另一种则是基于计算机的目动设计方法。作者通过国家自然科学基金“面向拆卸的绿色产品设计理论和方法的研究”中，已提出了系统的可拆卸性评价指标体系、评价方法、拆卸结构设计准则，并开发了相应的评价软件。
5.绿色产品的成本分析
绿色产品的成本分析与传统的成本分析不同。由于在产品设计初期，就必须考虑产品的回收、再利用等性能，因此成本分析肘，就必须考虑污染物的替代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品相应的环境成本等。对企业来说，是否支出环保费用，也会形成产品成本上的差异；同样的环境项目，在各国或地区间的实际费用，也会形成企业间成本的差异。因此，在每一设计决策时都应进行绿色产品成本分析，以便设计出的产品“绿色程度”高且总体成本低。
6.绿色设计数据库
绿色设计数据库是一个庞大复杂的数据库。该数据库对绿色产品的设计过程起着举足轻重的作用。它应包括产品寿命周期中与环境、经济等有关的一切数据，如材料成分、各种材料对环境的影响值、材料自然降解周期、人工降解时间、费用，制造、装配、销售、使用过程中所产生的附加物数量及对环境的影响值，环境评估准则所需的各种判断标准等。
由此可见，绿色设计的关键技术包括以下几个方面：
1）绿色产品评价体系、方法的研究；
2）绿色设计模型的建立；
3）绿色设计数据资料的收集整理与数据库的建立；
4）绿色设计方法的系统研究及知识库的建立。
绿色设计及其特点与方法
1.绿色设计及其特点
产品能否达到绿色标准要求，其决定因素是该产品在设计时是否采用绿色设计。
传统设计在设计过程中，设计人员通常主要是根据产品基本属性（功能、质量、寿命、成本）指标进行设计，其设计指导原则是：只要产品易于制造并满足所要求的功能、性能，而较少或基本没有考虑资源再生利用以及产品对生态环境的影响。这样设计生产制造出来的产品，在其使用寿命结束后回收利用率低，资源、能源浪费严重，特别是其中的有毒有害物质，会严重污染生态环境，影响生产发展的持续性。
绿色设计就是以绿色技术为原则所进行的产品设计。所谓绿色技术（Green Technolosv——GT）或西方称之为“环境友善技术”（Environmental Sound Technology——EST），是减轻环境污染或减少原材料、自然资源使用的技术、工艺或产品的总称。绿色设计的目的是克服传统设计的不足，使所设计的产品满足绿色产品的要求。它包含产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、重用及处理处置的各个阶段，即涉及产品整个生命周期，是从摇篮到再现的整个过程。也就是说，要从根本上防止污染，节约资源和能源，关键在于设计与制造，不能等产品产生了不良的环境后果再采取防治措施（现行的末端处理（End-to-Pipe）即是如此），要预先设法防止产品及工艺对环境产生的负作用，然后再制造。这就是绿色设计的基本思想。概括起来，绿色设计是这样一种设计，即在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本功能、使用寿俞、质量等。绿色设计要求，在设计产品时必须按环境保护的指标选用合理的原材料、结构和工艺，在制造和使用过程中降低能耗、不产生毒副作用，其产品易于拆卸和回收，回收的材料可用于再生产。
绿色设计在产品整个寿命周期中都把其绿色程度作为设计目标，即在概念设计及粗略设计阶段，就充分考虑到产品在制造、销售、使用及报废后对环境的各种影响，与产品有关的技术人员都应密切合作，信息共享，运用环境评价准则约束制造、装配、拆卸、回收等设计过程，并使之具有良好的经济性。
绿色设计必须遵循一定的系统化设计程序，其中包括：环境规章评价，环境污染鉴别，环境问题的提出，减少污染、满足用户要求的替代方案，替代方案的技术与商业评估等。绿色设计人员应该考虑这样的问题：制造过程中可能产生的废弃物是什么，有毒成分的可能替代物是什么，报废产品如何管理，设计对产品回收性有什么影响，零件材料对环境有何影响，用户怎样使用产品等。
绿色设计所关心的目标除传统设计的基本目标外，还有两个；一是防止影响环境的废弃物产生；二是良好的材料管理。也就是说，避免废弃物产生，用再造加工技术或废弃物管理方法协调产品设计，使零件或材料在产品达到寿命周期时，以最高的附加值回收并重复利用。
绿色设计通常有三个主要阶段，即：①跟踪材料流，确定材料输入与输出之间的平衡；②对特殊产品或产品种类分配环境费用，并确定相应的产品价值；③对设计过程进行系统性研究，而不是将注意力集中在产品本身。从产品的整体质量考虑，设计人员不应只根据物理目标设计产品，而应以产品为用户提供的服务或损害为主要依据。
由此可见，绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要求设计人员在设计构思阶段就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、成本的要求列为同等的设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。
2.绿色产品的设计方法
通过上述分析可见，绿色设计涉及机械制造学、材料学、管理学、社会学、环境学等诸多学科的内容，具有较强的多学科交叉特性。显而易见，单凭现有的某一种设计方法是难于适应绿色设计的要求的。绿色设计是一种集成设计，它是设计方法集成和设计过程集成。因此，绿色设计是一种综合了面向对象技术、并行工程、寿命周期设计的一种发展中的系统设计方法，是集产品的质量、功能、寿命和环境为一体的设计系统。绿色产品设计则是采用并行的闭环设计过程，是可持续发展思想的具体体现。图3-28所示为绿色产品设计的系统框图。绿色产品设计应着眼于产品生命周期全过程，而不应着眼于某一阶段、某一环节或某一部门。
图3-28 绿色产品设计系统框图
3.8.5 绿色设计的发展
国际经济专家分析认为：目前的绿色产品比例大约为5%～10%。再过10年，所有的产品都将进入绿色设计家族，可回收、易拆卸、部件或整机可翻新和循环利用。也就是说，在未来10年内，绿色产品有可能成为世界主要商品市场的主导产品，而绿色产品的设计则也将成为工业生产行为的规范。可以预言，今后不实行绿色设计，产品进入国际市场的资格将被取消。
绿色设计的兴起，促使世界各大公司纷纷开发和改进产品，把符合绿色标志的产品推向市场。因此，今后无论哪一家公司要想在全球进行竞争，都必须按照“绿色”要求来设计和制造产品。目前世界许多著名公司都积极致力于绿色设计技术的研究和绿色产品的开发，如日本尼桑公司正在开发绿色汽车，富士公司投放市场的即可拍“绿色相机”；美国IBM公司研究开发的绿色电脑等，都取得了良好的社会效益和经济效益。绿色设计及其产品将成为企业在国际市场竞争的新热点。
目前，我国绿色产品的发展和世界发达国家相比，无论是在范围还是数量上都有很大差距，尚处于初步发展阶段。要赶上世界发达国家水平，则还要付出巨大的努力。我国至今仍然沿用着高能耗、粗放经营的传统工业发展模式，能耗高，效益低，环境污染严重。这种模式已不适应时代及市场经济发展的要求。因此，从理论和方法上开展系统的绿色设计研究，实现“二个”转变（即生产方式由粗放型向集合型转变，经营方式由计划经济向市场经济转变），促进我国绿色产品的迅速发展，适应国际市场竞争，迎接未来挑战，已是我国产业发展的当务之急和迫切需求。这就要求企业及研究单位密切协作，更新观念，并以新的思想指导设计、生产和消费，探讨符合我国国情的绿色产品开发战略。
3.10.1 面向对象的设计概述
近来年，随着计算机技术的飞速发展，传统的结构分析方法正日益暴露出其不足之处，即功能分析和数据分析之间的不一致性和不协调性。在实践中，经常看到，不同的处理及数据分析所采用的符号和策略相互分离，使分析与数据之间产生分歧，难以统一，给问题的解决带来了很大困难。正因如此，一种新颖的、具有独特的优越性的新方法正引起全世界越来越强烈的关注和高度的重视，它就是面向对象方法（Object-Oriented Paradigm，简称O-O方法）。面向对象方法的最基本的原则是，使描述问题的问题空间和解决问题的方法空间在结构上尽可能一致，也就是使分析、设计和实现一个系统的方法学原理与认识客观世界的过程尽可能一致。因而，在进行数据分析和功能分析中，使用一个统一的概念和方法，那就是对象。对象作为功能和数据的有机统一体成为O-O模型的最基本的抽象实体。
面向对象的基本概念经历了20年的成长，已走入人们的视野。运用面向对象方法的根本目标是增进生产效率、提高产品质量和加强可维护性。在未来的发展中，它必将取代结构化方法成为构造系统的主流方法。
面向对象方法的核心是对象。对象可以是任何事物。一切有形的实体，人或组织所起的作用，在特定时间发生的事件，以及规则、计划等等，都可以称作对象。
人类在认识和理解现实世界的过程中普遍运用着三个构造法则（大英百科全书中所定义）：
1）区分对象及其属性。例如，区分一棵树和树的大小或空间位置关系。
2）区分整体对象及其组成部分。例如，区分一棵树和树枝。
3）不同对象类的形成及区分。例如，所有树的类和所有石头的类的形成和区分。
面向对象的概念和方法就是建立在这三个常用法则的基础上的。
面向对象的设计正是通过面向对象的分析、设计、实现三个步骤来完成的。下面将介绍这三个步骤以及它们之间的联系。
面向对象的设计
面向对象的设计（Object-Obriented Design——OOD）主要是利用面向对象的技术建立能够集成产品设计和制造信息的产品定义模型，即面向对象的产品定义模型，在该模型的基础上实现系统的设计。
（1）从OOA到OOD 顾名思义，“面向对象的设计”说明要在“对象”和“设计”上作文章。
设计是对问题域外部可见行为的规格说明增添实际的计算机系统实现所需的细节，包括人机交互、任务管理和数据管理的细节。
在面向对象的设计中，对象有更明确的定义。
对象是问题域或者现实中一些东西的抽象，它反映系统为之保存信息和（或）与它交互的能力，它是一些属性及其专用服务的一个封装体类：一个或多个对象的描述，或用一组属性和服务的形式来描述，此外它可以描述如何创造该类的对象。
OOA是对现实世界中的问题空间建模，其分析侧重于总体，较为粗糙（粒度较大）的研究。而OOD则要求对特定的实现空间。建模。所以说，OOA的各层模型化了“问题空间”，而OOA各层扩充OOD，则模型化一个特定的“理论空间”。
OOA完全独立于编程语言，OOD保持较大部分独立于编程语言的特点。
在理想的情况下，人们希望有一套从分析到设计到实现的连续表示：OOA到OOD到OO-DBMS（面向对象的数据库管理系统——是面向对象的程序设计语言与关系数据库系统的有机组合）。在这种情况下，OOA的结果被扩充为OOD的结果，然后，OOD的结果又直接映射OO-DBMS程序设计语言及数据库管理语法。
从OOA到OOD是一个累进的模型扩充过程。这种扩充主要以增加属性和服务开始。这种扩充有别于从数据流图到结构图所发生的剧变。
（2）OOD与原型 OOD是原型OO方法中一个很重要的概念。那么，什么是原型？简单地说，设计者为了及早发现系统难点，或从用户处取得反馈意见，而构造的一个工作演示。它具有以下几个特征：
1）原型是动态的。由于系统的动态变化和扩展，它的需求是不断变化的。原型也疳随着系统需求不断发生变化。
2）原型有助于测验人机界面。人机界面越来越复杂，同时也越来越重要，对用户友善的界面是一个新系统能被接受的关键，用户需要看到模拟的界面，以便验证是否合乎要求。做原型可以满足这种要求。
3）原型有助于发现需求误解和检验候选的设计。某些设计可能是不当的，或者对硬件提出了过高的要求。做原型是一个及早获得警告信号的好方法。
4）原型有助于早些提供使用。系统设计者往往受到很大的压力，要求早日提供一些系统功能，即使不是全部，一部分也好。原型方法可以提供一些使最终用户能放到生产中有用的功能。
当项目较大时，就需要开发一个总体框架，并按此框架构造原型。使原型贯穿于OOA，既而贯穿OOD始终，既而贯穿于OOD期间建立各设计部分的原型。
（3）OOD的方法与步骤 OOD模型设计由四个部分构成，它们是：问题域部分、人机交互部分、任务管理部分、数据管理部分。每一部分的设计都在前文所述的OOA的五个层次上进行，即对象层、结构层、主题层、属性层、服务层。如图3－39所示。
图3－39 OOD的四个部分
下面论述OOD的各组成部分。
1）问题域部分的设计在OOD中，OOA的结果恰好符合OOD的问题域部分。OOA的结果就是OOD多部分模型中的一个完整的部分。
面向对象的范型，促使人们按原样保持问题域组织框架，这种方法中从分析到设计到编程的踪迹是很清晰的，因为每一阶段都是按问题域本身的样子组织的。
我们需要分析、设计、编程组织的长期稳定性，从而保证系统能从容地适应变化的需求。这种稳定性是一个问题域中或相似问题域之间的分析、设计及编程结果可重用性的基本关键。因此，在对OOA结果作任何修改时，都必须仔细地检查和验证。
OOA与 OOD有着相同的表示法，同时运用交叉的、渐进式开发方法把 OOA、 OOD运用到若干小的步骤中。这是系统框架在整个生命周期中能保持稳定性的原因。在OOD中，将OOA的结果加以改进和增补。
2）人机交互部分的设计 人机交互部分突出人如何命令系统以及系统如何向用户提交信息。在问题域部分设计的结果中加入人机交互设计和交互的细节，并用原型来帮助实际交互机制的开发与选择、在进行详细的交互设计时，应遵守如下准则：①保持一致性，采用一致的术语、一致步骤和一致活动；②减少操作步骤，使敲键或鼠标点的人数减到最少，甚至要减少做某些事所需的下接菜单的距离，不做“哑播放”；③当用户要等待系统完成一个活动时，要及时地给出一些反馈信息，减轻人脑的记忆负担，提高学习效率，使操作更具趣昧性与吸引力等等。
3）任务管理部分的设计 任务是进程的别称。若干任务的共发执行称为多任务。独立的任务把必须并发进行的行为分离开来，简化了必要的并发行为的设计和编码。
在对任务进行选择和调整时，遵循以下策略：识别事件驱动的任务，有些任务是事件驱动的，这些任务在接收到来自于数据行或其它来源的中断后被激活，在进行处理并把消息发送给有关的对象后，重新回到睡眠状态，事件驱动任务执行的随机性很强。②与事件驱动任务的不同的是：识别时钟驱动任务被以特定的时间间隔激活；识别优先任务和关键任务，有较多任务时，考虑另增加一个任务，起协调者的作用，可以为封装任务之间的协作带来好处。③最后是对任务进行审查并定义细节。
4）数据管理部分的设计 数据管理部分提供了在数据管理系统中存储和检索对象的基本结构，数据管理部分旨在隔离数据管理方式的影响，不管该方案是普通文件、关系、面向对象或其它方式。
设计数据管理部分既包括数据存放方法的设计，也包括相应服务的设计。为每一个带有要存储的对象的类及对象增加一个属性和服务，使其知道如何存储自己。“存储我自己”的属性和服务成为问题域和数据管理之间的桥梁。
面向对象设计的实现
面向对象的程序设计，即是利用面向对象的程序设计语言将面向对象的产品定义模型转换成可以在计算机上处理的表达形式，以便最终在计算机上实现系统的设计。但这并不是在OOA与OOD结束之后才进行的。不断完善原型的过程实质上就是程序实现的过程。这种交叉地渐进式地运用OOA、OOD及程序实现的方法，对于构造复杂系统是合理且有效的。
面向对象的编程语言是支持OOA的OOD构造的优秀语言。虽然，即使使用不具备面向对象特征的语言，也能部分地实现OOA与OOD的结果。OOA与OOD至少提供了一个稳定的分析与设计框架，这将带来分析与设计的重用。但使用具有面向对象特征的语言，将会使实现分析和设计更自然的衔接。
以当前最为流行的面向对象语言C＋＋为例，其面向对象的特征能使程序员较容易地实现OOA和OOD的结果。
类的结构是C＋＋面向对象的重要特征，体现了数据抽象和数据隐蔽的特性。类封装了一组数据结构和可作用于该数据结构的一组方法，它是对一组对象共性的抽象，该组对象具有相同的数据结构和方法，但每个对象都具有自己特定的数据值。类与类之间是通过发送和接收消息相联系的，接收消息的对象通过调用类的方法来实现相应的操作。访问限制符Private、protected和public将类分成三个部分：私有部分、保护部分和公有部分。使数据具有不同的隐蔽程度。
类定义可包含一组构造函数和析构函数，构造函数保证了在声明类的对象时对其自动初始化，而析构函数则保证对类的对象正常地清除。
对象是面向对象编程的基本单元，通过向对象发送消息来实现对象的操纵，对象根据消息的内容调用相应的方法，通常类的公有部分描述了可以发送给对象的消息，并给出了相应的方法。C＋＋中类实际上就是用户定义的类型，对象则是用户定义的类的实冽，而方法则是函数定义的，函数原型则描述了相应的消息模式。
从已有的类还可以派生瓣的类，前者称为基类，后者称为派生类，OO方法中继承的原则在这里得以体现。
能够突破类的私有部分，禁止其它函数直接访问限制的友员机制，以及由运算符重载、函数名重载和虚函数构成的多形性，使程序员能以更自然、方便的表达方式实现对象的操作。
3.10.5 面向对象设计的应用与展望
面向对象方法的本质，就是强调从客观世界中固有的事物出发来构造系统；用人类在现实生活中常用的思维方式来认识、理解和描述客观事物；强调最终建立的系统能够映射问题域，即系统中的对象以及对象之间的关系能够如实地反映问题域中固有事物及其关系。
面向对象是一个很新的方法，它将在实践中不断变化。正如它的创建者所希望的那样，它不仅仅是一种开发软件的标准，而是可以进行扩充以适应不同组织或项目的需要。
面向对象的理论目前有三个主要流派：
1）以P.Coad和E.Yourdon为代表，其代表著作为“Object-Oriented Analysis”，书中详细介绍了Coad/Yourdon方法是如何面向对象的系统分析和设计的。
2）以GradyBooch为代表，其主要论著是“Object-OrientedDesign”，Booch方法的最大特点是将几类不同的图表有机地结合起来，以反映系统的各个方面是如何相互联系和相互影响的。
3）以JamesRumbaugh为代表，其论著是“Object-OrientedModeling and Design”，并提出了对象建模法（Object Modeling Technique——OMT）。
这些方法的共同特点是：从对象的识别和限定出发，提出一套图示或表格，描述系统的静态和动态属性，进而进行系统的设计，直到编制出程序。
从80年代末到90年代，面向对象的方法与技术向着软件生命期的前期阶段发展。人们对面向对象的方法与技术的研究与运用，不再局限于编程阶段，而是从系统分析和系统设计阶段就开始采用面向对象方法。这标志着面向对象方法已发展成一种完整的方法论和系统化的技术体系。
近年来，国内外CAD/CAM集成的思想和方法进行了许多探索。如M.T.Wang提出了面向对象的基于特征的零件模型，把此模型作为设计、工艺规划、加工等活动的中心数据模型，并正在利用ACIS在SUNSPACE工作站上开发面向对象的基于特征CAD/CAPP/CAM集成框架。Y.Zhang和P.Gu等针对集成制造系统中的面向对象产品模型进行了抽象。Kimura认为利用面向对象技术CAD/CAM建模可以实现模型的层次化、抽象化以及利用面向对象编程实现快速原型设计。天津大学来可伟利用面向对象的方法初步建立CAD/CAPP/CAM统一的产品数据模型，第一次将有关的设计意图、几何数据、工艺流程、数控指令以及部分管理数据包括在一个概念模型中。除此之外，国内越来越多的学者已开始将面向对象的技术应用于数据库的管理、智能参数化设计等领域，并收到了显著城效。
越来越多的研究表明，面向对象技术的利用将会促进CAD/CAM集成及计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing——CIM）技术的发展。
3.10.2 面向对象的分析
分析是研究问题域的一种实践活动。它将产生一个关于外部可见行为的规格说明，一个完整的、一致的而且可行的关于需要什么的陈述，功能以及定量操作特征（可靠性、可用性、性能）的范围。
在面对一个即将建立的复杂的大系统时，系统分析工作所面临的困难，同时也是必须完成的任务，有三个方面：
1）准确地确定问题域。也就是要通过反复调查与论证，最终搞清楚系统究竟要研究和解决什么问题，在什么范围内解决。从而正确回答：系统必须做什么。
2）需求分析的完整说明。通过系统开发人员与用户之间的交互、通信，包括深入调查开发的规划（计划）、旧系统现状、新系统情况、硬件环境、软件环境、数据结构等方面，综合形成需求分析的完整说明，应力争形成详细的形式化说明，并在此基础上建立研究与开发的任务委托清单。
3）系统分析应能适应系统的动态变化和扩展。事实上，对系统的需求不可能一成不变，这是由于顾客要求的变化、竞争形势的发展、规则的发展与调整、投资状况的变化、技术的迅猛发展等因素都会使需求分析不断的改变。因此，在进行系统分析时，应充分重视这一发展与变化的因素。系统分析人员应当努力识别出变化的部分，并将不随时间变化、且具有共性的部分封装起来；而将随时间变化的部分尽量采用灵活的、易变更的或用户可重定义的方式加以说明。
采用面向对象的分析（Object-OrientedAnalysis——OOA）方法，可以有效地克服上述困难。
在现实中所遇到的系统，特别是一些大系统，是非常复杂的。如何控制好复杂性是系统分析成败的关键。OOA为控制复杂性提供了四个主要法则。
（1）OOA的主要法则
1）抽象抽象是指忽视一个主题中与当前目标无关的那些方面，以便更充分地注意与当前目标有关的方面。
在现实世界中，我们所面临的大多数人物、地点、对象和系统都有其内部复杂性，远远比一下子所能处理的要复杂得多。使用抽象概念时，承认正在考虑的问题是复杂的，因此并不打算理解全部问题，而只是选择其中的一部分。这个技术是控制复杂性的一个重要方法。
抽象又可以进一步分为过程抽象和数据抽象。过程抽象不是OOA的基本抽象形式，但是它在说明和描述单个对象时，起到了简化作用。数据抽象是OOA的核心部分，它奠定了思想和说明的基本框架的基础。
2）信息隐蔽（封装）信息隐蔽是指开发整体程序结构时使用的法则，即将每个程序的成分隐蔽或封装在一个单一的设计模块中，定义每一个模块时尽可能少地显露其内部的处理。
信息隐蔽的功效和诱人之处在于能帮助人们在开发新系统时减少重复工作。如果分析人员将需求分析的结果中极不稳定的部分封装起来，那么需求的不可避免的变化对整体结构的威胁就减少了。
3）继承继承是指从一个祖先获得特性或特征。
继承奠定了表示共性的强有力的技术的基础。继承性允许一次性定义公共属性和服务，同时允许针对特殊情况扩展或重定义那些属性和服务。
4）构造方法OOA的构造方法就是基于前文所述的、大英百科全书中定义的、人类在认识和理解现实世界的过程中普遍运用的三个构造方法。在OOA中这三个方法分别对应于对象的属性、组装结构以及分类结构。
有了以上的法则，便可以很好地控制系统的复杂性，建立初步的系统分析模型，为下一步的工作做好准备。
（2）OOA的主要步骤与层次 OOA方法进行系统分析时，通常包括五个步骤。
1）标识对象识别对象，首先从问题空间以及所涉及的文字资料和图片资料入手，寻找那些需要记忆的、需要服务的，以及具有共同的、一个以上属性和共同服务的事物，作为主要的、基本的对象。而那些不必记忆的事物与服务、单个属性或推导出的结果等都不应作为对象。
通常用矩形框来表示对象，如图35所示。对象名位于对象框的第一行。应采用可读性强的对象名。例如使用单个名词或形容词+名词，作为对象名，或者选择反映主题事物的标准词汇作为对象名。
图36为常用到的注册登记系统中标识对象的例子。
图35对象的标记
图36注册登记系统的对象
2）标识结构结构往往表示较为复杂的问题空间。其中分类结构代表着概括与分类细化的关系，而装配结构则代表整体与局部的关系。注册登记系统有如图37所示的结构。
3）标识主题标识主题为读者提供一次所能考虑的模块量的控制机理，通常应当小于七个主题块。图38所示为注册登记系统的主题划分。
4）定义属性（及实例连接）考察问题空间，用于描述真实世界对象性质的数据元素就是属性。再将属性安排到合适的位置上，对分类结构来说，应将描述共性的属性放在结构的高层，将特殊的属性置于专门细化的对象中，然后，识别与确定对象的实例连接，加实例连接线，按问题空间映射关系，反映必要连接的最小集。最后，细化属性说明。
5）定义服务（及消息连接）服务是依据接收到的消息所执行的加工处理，最基本的服务应当是“选择”（检索）、“增加”、“更加”、“删除”、“计算”以及“监控”。为实例加入消息连接，然后考察一个实例到另一个实例所需的处理，并检查有无新增加的消息连接。集中注意外部可观察到的行为行服务说明，将服务说明填入对象框的最后一栏。
一旦模型建立，就可以在主题层、对象层、结构层、属性层、服务层这五个层次上整理和提交文档，并对模型进行复审。
OOA的主要任务是理解问题域和系统职责。抽取出系统的“要求”，即系统必须做什么来满足用户，而不是讨论系统是如何做的。
3.1.1并行设计概念产生的背景和过程
质量、时间和成本是衡量产品开发成功与否的核心因素[1]，一个企业要保持其市场竞争力，必须在尽可能短的时间内，将满足用户需求的高性价比产品投入市场。随着全球化市场竞争的日益激烈，“在变得越来越生气勃勃的周围环境中，产品的寿命周期变得越来越短，所提供的产品不仅越来越复杂，而且越来越多样，而批量却越来越小。在这样的周围环境中，将来所占的市场份额、内部的周转时间和创造价值的成本明显地取决于面向时间的开发设计”[2]，在激烈的市场竞争中，“不再是大吃小，而是快吃慢”，充分表达了时间这个因素具有特别重要的意义。
世界工业发达国家都在大量采用先进的技术手段，努力缩短产品开发周期。例如，一个新机型的飞机开发时间已由过去的七年缩短到两年，美国通用汽车公司将汽车车身覆盖件模具的开发周期由过去的两年缩短为一年，摩托罗拉公司甚至可以在2h内拿出满足用户需求的产品设计方案。
并行设计正是在市场激烈竞争的背景下，为缩短产品开发周期，同时提高产品质量、降低设计制造成本，而逐步形成和建立起来的新的设计思想和策略方法。
为了缩短产品开发时间，人们首先从“硬件”入手：通过装备更先进的加工设备来提高加工效率，用计算机代替人工设计来提高设计效率。在取得了预期的效果后，人们又进而认识到：要想大幅度地缩短产品开发时间，还要从研究和改进产品开发过程本身入手，建立新的产品开发策略思想。美国麻省理工学院一份题为“汽车工业的第二次革命”的研究报告首先提出了“精益开发（Lean Development）”的思想。以后在1992年6月日本东京CIRP国际会议上提出“并行工程”（Concurrent Engineering或Simultaneous Engineering）的概念。近年来，又进一步拓展为“快速产品开发（Rapid Product Development）”[3]。
并行工程是组织产品开发过程的一种新的工程哲理。回顾人类社会发展的历史，当社会生产仍然处于手工作坊方式时，开发什么样的产品？怎样设计这种产品？怎样制造这种产品？以及以什么样的价格销售这种产品？所有这些问题都是由手工作坊的师傅个人综合考虑和操作的。从这种意义上来说，那时的产品开发是“并行”的。随着机器的应用和工业化社会大生产的形成，产品越来越复杂多样，与产品开发有关的技术越来越复杂，产品开发的任务不再可能由一人来承担了。在众人参与的产品开发过程中出现了分工，逐步形成了市场营销、设计、工艺、制造这些与产品开发有关的相对独立的部门，并形成了一套被称之为“泰罗（Taylor）制”的工程哲理。“泰罗制”的核心思想是：将产品开发过程尽可能细地划分为一系列串联的工作步骤，由不同的工程技术人员承担，依次执行。因此，“泰罗制”实质上是“串行工程”，应当承认，在相当长的历史时期内，“泰罗制”对科学地研究、合理地组织产品开发过程，对有效地保证产品开发过程中各个环节的实施和衔接都起了积极的指导和推动作用。但是，“泰罗制”也有其“先天性”的缺陷，即：
将产品开发过程划分为一系列串联步骤，忽视了各个步骤，特别是不相邻步骤之间的交流和协调。
每个工程技术人员只承担局部工作，影响了他对产品开发整体过程的综合考虑。
在任一步骤中发现问题，都要向上追溯到某一步骤中重新循环，致使设计周期冗长。
与产品开发有关的部门相对独立，各自业务的专业性相去甚远，考虑问题的角度不同，难免发生矛盾冲突，又不能及时得到协调，各自为政似有大墙阻隔，因而被称为“过墙工程”。
图1所示为“泰罗制”产品开发进程。
图1 “泰罗制”产品开发进程
如果说“泰罗制”的这些缺陷在过去相当长的时期内并没有对产品开发的正常进行造成太大影响的话，那么，在全球化市场竞争日益激烈的今天，就成为制约产品开发速度、影响产品开发质量、增大产品开发成本的重要因素了。一种以工作群组为组织形式，以计算机应用为技术手段，强调整体集成，强调交流和协调的并行工程就应运而生了。
并行设计中的关键技术
并行设计是一种系统化、集成化的现代设计技术，它以计算机作为主要技术手段，除了通常意义下的CAD、CAPP、CAM、产品数据管理系统（Product Data Management System——PDMS）等单元技术的应用外，还要着重解决以下一些关键技术问题。
1．产品并行开发过程建模及优化
并行设计的思想是在研究产品开发过程的基础上形成的，要实现产品的并行设计，首先要建立起产品并行开发的信息模型。
对产品开发过程信息模型的研究始于60年代末70年代初，当时的术语结构分析，用一套符号及一些规约方法表示出产品开发中的信息流动，提出数据流动图（Data Flow Diagram——DFD）建模技术。美国软件技术公司通过类似的研究，提出了结构功能分析方法，把出人员、机械、方法、材料、产品等组成的系统用图形、文字加以表示，建立了结构分析和设计技术（Structural Analysis and Design Technology——SADT）系统，1978年被美国空军选作支持集成计算机辅助制造（Integration Computer Aided Manufacturing——ICAM）系统的软件技术，以后又在SADT的基础上将其发展成为四类集成计算机辅助制造定义方法（ICAM Definition Technology——IDEF），分别用于含有计算机及软件工程的系统、信息分析、动态分析和过程建模，在工业界得到应用。
产品开发是一个十分复杂的过程，以什么样的理论、策略和方法建立产品开发过程的数学模型，一直并行设计技术形容的重要课题。目前，这样一种观点已取得国内外学术界的认同，即：产品开发过程是一个基于约束的技术停息创成和细化的过程，这些约束包括：
目标约束：市场的需求，用户的要求，设计性能指标等；
环境约束：可选材料，加工设备，工艺条件等；
耦合约束：各子过程之间的约束。
按约束的性质又可分为数值型约束、逻辑型约束、刚性约束、柔性约束、模糊约束等。
各种约束通过共有变量连成约束条件网络，国外文献中提出的“概念网络”、“动态语义网络（Aktiven Semantischen CNetz）”等都属于这种约束条件网络，并且已出现适用于并行设计的约束条件网络建模工具，如MCEL（Multivaluded Concurrent Engineering Logic）等。
在产品的并行开发中，工作群组从市场用户的需求（初始约束）出发开展设计工作，同时从不同专业的角度对设计活动提出约束，这些约束协调和优化后形成约束条件网络，对群组的设计工作施加影响，直至在设计空间中获得东路各种约束的最终设计结果。
2．支持并行设计的计算机信息系统
信息交流对产品开发具有特别重要的意义。根据国外的调查资料，产品开发工程师的全部工作工作时间中有30％～40％用于信息交流，产品开发过程由串行转变为并行后，对信息交流的直接性、及时性、透明度提出了更高的要求。因此，计算机信息系统是支持并行设计的文体框架，国外文献中介绍CSCW（Computer Supported Cooperation Work)就是这种信息系统的范例。
通信和协调是并行设计计算机信息系统的两个主要功能。
由于工作群组的成员不一定同处一地，民不一定同时工作。因此，并行设计要求计算机信息系统具有多种通信功能（同时同地、同时异地、异时同地、异时异地），并且能对产品开发中发生的冲突和分歧进行协调。
例如，分处两地的群组成员可以通过计算机通信会商有关问题，共同处理同一电子文件，或绘制同一张图样。
又如，工作群组的某个成员（或某个小组）根据强度校核计算的结果修改了某个尺寸，却没有意识到这一修改将对另一成员（或另一小组）的工作发生影响，约束条件网络发现了这一问题，马上向双方发出警告信息，提醒双方进行协调。
图3-3为并行设计系统结构示意图。
图3－3 并行设计系统结构示意图
3.模拟仿真技术
并行设计的含义不仅在于设计过程中某些工作步骤的平行交叉，而且还在于在产品设计阶段就能充分考虑加工、装配，甚至使用、维修这些与产品开发相关的后续过程。
传统的产品开发过程是“设计一样机制作——修改设计”的循环过程，不仅样机制作既费时 又费工，延长了产品开发周期，而且在样机制作后才发现设计存在的问题，将会造成巨大的浪费。
国外一份调查表明，为了纠正某一产品设计中的错误；需增加的花费情况如下：
在设计阶段加以纠正，仅需花费35美元；
在零件加工之前加以纠正，需花费177美元；
在成批生产之前加以纠正，需花费368美元；
如等到产品投放市场后才加以纠正，加以则需花费59000美元；
因此，将设计中的错误和缺陷尽早发现并纠正在设计初期，提高产品开发的一次成功率，无论是对于提高产品设计质量，还是对于缩短设计周期、降低设计成本都是十分重要。但是，并行设计中还是通过费时费工的样机制作来发现可能影响加工、装配、使用、维修的设计错误和缺陷，而是通过计算机模拟仿真（当然也可通过快速样模制作）来实现这一目的。例如：虚拟制造、虚拟装配、结构有限元计算、产品静动态性能仿真，直至应用虚拟现实技术，让用户“身临其境”地体验产品的各项性能。
4.产品性能综合评介和决策系统
并行设计作为现代设计方法，其核心准则是“最优化”。在对产品各项性能进行模拟仿真的基础上，要进行产品各项性能，包括可加工性、可装配性、可检验性、易维护性，以及材料成本、加工成本、管理成本的综合评价和决策系统是并行设计系统不可缺少的模块。
5.并行设计中的管理技术
并行设计系统是一项复杂的人机工程，不仅涉及技术科学，而且还涉及管理科学。目前的企业组织机构是建立在产品开发的串行模式基础上的，并行设计的实施势必导致企业的机构设置、运行方式、管理手段发生较大的改变。
并行设计的技术特征
并行设计通过下列技术特征表现出它的具体内涵。
1．产品开发过程的并行重组
产品开发是一个从市场获得需求信息，据此构思产品开发方案，最终形成产品投放市场的过程。虽然在产品开发过程中并非所有步骤都可以平行进行，但根据对产品开发过程的信息流分析，可以通过一些工作步聚的平行交叉，大大缩短产品开发时间。例如：日本NEC公司将某种产品原本历时6－－8个月的开发过程，通过并行重组缩短为3个半月，如图1。
图1 日本NEC公司某产品开发过程的并行重组
2．支持并行设计的群组工作方式
在工业化社会大生产的环境下，设立供应、销售、设计、工艺、制造这些部门是必要的，但产品开发过程的并行化要求与产品开发有关各部门的工程技术俗再是“你方唱罢我登场”，而是同时工作、共同工作，因而需要确立一种新的组织形式和工作方式，这就是由各有关部门工程技术人员组成的产品开发工作群（必要时还可分成若干小组）。在产品开发过程中，有关人员同时在线，有关信息同时在线，工作步骤交叉平行，这是工作群组工作方式区别于传统串行工作方式的鲜明特点。
对产品开发过程的研究结果表明：产品开发过程中众的活动可归纳为“计划和构思”、“设计”、“样模制作”、“检验”、和“评价”五个环节，正是在这五个环节的不断循环中，将来自市场的需求信息转化为 向市场的产品。当产品开发处于某一特定环节时，可能只是由一个或几个部门的工程技术人员进行操作，但此时来自其它部门的工程技术人员与产品开发过程并不脱离接触，而是时刻关注着工作进程，并随时可发表评价和建议，人人了解产品开发的全过程，设计工作在群组中有序进行。
3．统一的产品信息模型
统一的产品信息模型是实施并行设计的基础，产品设计过程是一个产品信息由少到多、由粗到细不断创作、积累和完善的过程，这些信息不仅包含完备的几何形状、尺寸信息，而且包含精度信息、加工工艺信息、装配工艺信息、成本信息等。二维几何模型显然不能满足这一要求，仅包含几何信息的三维模型也不能满足这一要求。因此，并行设计的产品信息模型应能将来自不同部门、不同内容、不同表述形式、不同抽象程度、不同关系、不同结构的产品信息包容在一个统一的信息模型之中。
4．具有人工智处理不完备、不确定信息的功能
正因为产品设计过程是一个产品信息由少到多、由粗到细的过程，因此在设计初期，有关 品的信息往往是不完备，甚至是不确定的，同时，在产品设计的全过程中，要处理的信息是多种形式的，既有数字信息，又有非数字信息；既有文字信息，又有图像信息；还要涉及大量知识型信息（概念、规则等）。因此，并行设计系统一定要具有能处理以上这些信息的人工智能。
5．基于时间的决策
设计的过程是优化决策的过程，实施并行设计的首要王的是大幅度缩短产品开发周期，因此要通过一系列的优化决策，组织、指导并控制产品开发过程，使之能以最短的时间开发出优质的产品，实践证明：面对多个方案，特别是其属性（评判指标）多于4－5个时，完全依靠人为的“拍脑袋”已很难作出正确的决策。因此，要应用多目标优化、多属性决策，成其是多目标群组决策的方法。
6．分布式软硬件环境
并行设计意味着在同一时间内多机、多程序对同一设计总是并行协同求解，因此，网络化、分布式的信息系统是其必要条件、并行设计面向对象的软件系统，分布式的知识库、数据库，能够根据产吕设计的要求动态编联成相互独立的模块在多台终端上同时运行，并利用网络的机间通信功能实现相互之间的同步协调。
7．开放式的系统界面
并行设计系统是一个高度集成化的系统。一方面应具有优良的可扩展性、可维护性，可能按照产品开发的需要将不同的功能模块组成完成产品开发任务的集成系统；另一方面，并行设计系统又是整个企业计算机信息系统的组成部分，在产品开发过程中，必须与其他系统进行频繁的数据交换。因此，开放工的系统界面对并行设计系统是至关重要的。标准化的数据交换规范，如数据交换文件（ Data Exchange File－－DXF）、交互式图形交换标准（Interface Graphic Exchange Standard－－IGES）、产品建模数据的交换标准（Standard for Exchange of Product Modle Data－－STEP)等，以及大容量高速度的数据交换通道，如局域网（Local Area Network－－LAN）、综合业务数据网（Integrate Specialized Data Network－－ISDN)、宽带ISDN等，是构造开放式界面的关键技术。
3.1.4并行设计的技术经济效益
并行设计的技术经济效益体现在以下几个主要方面。
1．提高企业对市场需求的响应速度
恰当地把握产品进入市场的时间是企业成功营销的诀窍，一旦通过市场预测看准了产品进入市场的最佳时间，关键就在于能否在那个时刻之前完成全部产品开发工作，如果做不到这一点，“那就可能意味着市场阶段要缩短，因而制造和开发成本回收所需的偿还期以及固有的、同等程度的盈利阶段也要缩短，这样一来，被推出的那种产品一下子突然成为给企业带来亏损的祸水”[1]。
此外，目前市场对几乎所有产品的需求都在向多品种中小批量的方向发展，过去那种以少数定型产品满足不同需求的卖方市场，已基本完成了向用户需要什么就设计制造什么的买方市场的转变。在这种情况下，企业的产品开发工作量剧增，产品开发时间冗长，已成为制约许多企业发展的技术瓶颈。
并行设计通过工作步骤的平行交叉、基于时间的决策等，恰恰在缩短产品开发时间、提高企业对市场需求的响应速度方面，为企业提供了可靠的技术保证。
2．提高产品开发的一次成功率
所谓产品开发的一次成功，是指最大限度地减少产品开发后期及产品投放市场后对产品的修改和完善工作量，在一次循环中开发出满足市场及用户需求、具备产品全寿命周期优良性能的产品。
随着产品复杂程度的提高和用户对产品性能的“苛刻”要求，产品开发中所涉及的知识和信息越来越多样化、专业化，全面深入地掌握这些知识和信息，并应用于成功的产品开发，已不再是一两个工程技术人员所能胜任的。根据统计[3]，产品开发后期（如加工过程中）对设计方案所作的修改，有50%归结于缺少整体的考虑。这说明“泰罗制”下那种以部门和个人为中心的产品开发方式妨碍了产品开发中人员、部门间的合作和信息交流。并行设计中的群组工作方式和计算机通信支持，可以有效地克服“泰罗制”的缺点。此外，并行设计中大量使用的模拟仿真技术，也为尽量发现并克服设计缺陷提供了有力的技术手段。
3．降低产品的开发成本
大量调查统计表明：产品设计阶段决定了产品制造成本的75%～80%。传统的做法是在开发设计工作结束后才对产品的成本进行核算，它只能回答“这种产品将花费多少成本”的问题。如果发现核算出的成本超出了市场（用户）的承受能力，则要重新修改设计，不仅延误了产品开发时间，而且其本身也增大了产品的开发费用。
并行设计的实施提供了这样一种降低产品成本的途径，即：在产品开发之前，首先考虑市场（用户）对该产品的价格承受能力，提出产品的所谓目标成本，然后将目标成本分解到每个零部件上，并作为约束条件加入约束条件网络，自始至终地制约整个设计过程，作为产品性能综合评价决策的重要内容，从而使产品开发成本得到主动积极的控制。
总之，并行设计能从质量、时间、成本三个核心因素方面，全面提高企业及其产品的市场竞争能力，在实践中也已显露出其巨大的技术经济效益。例如：
美国三大汽车制造公司之一的克莱斯勒（Kreisler）公司在称为“最后的希望”的家用中型汽车开发中，组建了包括设计、制造、销售等部门专家的产品开发工作群组，按并行设计的模式运行，结果使所用工程技术人员减少了63%，开发时间减少了28%，制造中人工投入减少了42%。在家用小型汽车的开发中，甚至吸收了合同装配工参加并行开发群组，结果是将汽车壳体冲压所需模具由597个减少至370个，仅此一项就节省了4200万美元；将螺钉、螺母由530减少到358个，并尽可能统一规格；所开发出的Neon小型车，以比日本同类车便宜4000美元的价格很快打入了市场。
DEC公司采用并行设计技术，使计算机产品开发时间减少了60%。
施乐（XROX）公司采用并行设计技术，使顾客对产品的满意率提高了40%。
通用发动机厂采用并行设计技术，使废品率减少了60%。
Northrop公司采用并行设计技术，使设计的修改量减少了75%。
通用汽车公司采用并行设计技术，使刹车系统的类型减少了80%，每台车可节省100美元，仅此一项就创年经济效益5亿美元。
在我国，并行设计技术不仅一直是高等院校、科研院所开展现代设计技术研究的重要方向，而且已在不少企业投入实际应用。例如，合肥锻压机床总厂正在开发的液压机产品快速设计系统（见图4）就全面采用了并行设计技术。研究并推广应用并行设计技术是迅速提高我国企业设计能力和设计现代化水平的一个重要的发展方向。
系统设计的概念
设计是革新，是创造。人类社会文明发展史中，充满了一次又一次的革新和发明创造。在各种情况下，人类总是创造出某些前所未有的东西。他们总是先有某种需要，而后产生一种怎样才能满足这种需要的思想，最后经过百折不回的努力将其变成现实。我们把这样一个过程和称之为设计。设计所要追求的目标是要在给定的条件下实现最优化设计。
系统设计就是设计师在给定的条件（称为约束条件）下，设计出满足需要的最佳系统。
那什么是系统呢？系统是指具有特定功能的、相互间具有有机联系的若干要素构成的、达到规定目的的一个整体。一般认为，由两个或两个以上的要素组成的、具有一定结构和特定功能的整体都可看作是一个系统。
系统有下述一些特性：
1）整体性。系统是由若干要素构成的有机整体，对内呈现各要素之间的最优组合，使信息流畅、反馈敏捷，对外则呈现出整体特性。要研究系统内各要素发生变化对整体特性的影响。
2）相关性。构成系统的要素之间是有机联系的，即相关的，它们之间相互作用、相互影响而形成特定的关系。这意味着其中的一个要素发生变化，都将对其他要素产生影响。因此，应研究影响范围、影响方式和影响程度。
3）目的性。系统的价值体现在其功能上，完成特定的功能是系统存在的目的。一个系统可以是单一目的，也可以是多个目的。这些目的往往是相互矛盾的，因此就必须应用运筹学中的多目标优化设计法，求出各目标的折衷最优解。
系统设计的方法和步骤
系统设计一般包括计划、外部系统设计、内部系统设计和制造销售四个阶段。我们认为还应包括系统运行和维修阶段以及系统报废阶段。系统设计必需考虑系统的运行和出现故障时的维修，以及系统报废时资源的再利用和对环境的污染。
传统的设计方法只注重内部系统的设计，且以改善零部件的特性为重点，至于各零部件之间、外部系统与内部系统之间的相互作用和影响则考虑得较少。因此，虽然对零部件的设计考虑得很仔细，但设计的系统仍然不够理想。零部件的设计固然应该给予足够的重视，但全部用好的零部件未必能组成好的系统，其技术和经济未必能实现良好的统一。
系统一般来说是比较复杂的，为便于分析和设计，常采用系统分解法这个设计中常用的方法，把复杂的系统分解为若干个相联系的、相对比较简单的子系统，这样可以使系统的分析和设计比较简单。根据需要，各子系统还可再分解为更小的子系统，依次逐级分解，直到能进行适宜的设计和分析为止。
系统分解时应注意：
1）分解数和层次应适宜。分解数太少，子系统仍很复杂，不便于模型化和优化等工作；分解数和层次太多，又会给总体系统的综合设计造成困难。
2）避免过于复杂的分解面。分解的界面应尽可能选择在要素间结合作用较弱的地方。
3）保持能量流、物料流和信息流的合理流动途径。系统工作时能量、物料和信息进行转换，它们从系统输入到系统输出过程中，按一定的方向和途径流动，既不能中断阻塞，也不能紊流，即使分解的各个子系统的流动途径仍应明确和畅通。
4）系统分解与功能分解不同。系统分解时，每个子系统仍是一个系统，它把具有比较密切结合关系的要素集合在一起，其结构组成虽稍为简单，但其功能往往还有多项。而功能分解时，则是按功能体系进行逐级分解，直到能看清的分功能或不能再分解的功能单元为止（参见本章3.3功能设计）。
系统分析是系统设计中的一项重要工作。系统分析不同于一般的技术经济分析，它是从系统的整体优化出发，采用各种工具和方法，对系统进行定性和定量分析的过程。系统分析时，不仅分析技术经济方面的有关问题，而且还要分析内部系统、自问系统之间及系统内部各子系统之间的联系因素，并且作出评价，为决策者选择最优系统方案提供主要依据。
在系统分析时，要遵循下面的原则：
1）外部条件与内部条件相结合。构成一个系统不仅受到内部因素的影响，而且也受到外部条件的约束。因此，一定要把内外部条件的各种有关因素结合起来进行综合分析。
2）眼前利益与长远利益相结合。选择一个良好的方案，不仅只局限于眼前利益，而且学要考虑到将来的利益。如果方案对目前不是很有利而对长远有利，则从系统分析观点来看，它还是合理的方案。
3）局部利益与整体利益相结合。系统要求的是整体利益和最优化，只有从整体系统的目标去分析才是合理的。
4）定量分析与定性分析相结合。定量分析是数量指标的分析，而定性分析常常是指质量指标，而且 学容易用数量计算和数学公式表达出来。对这些因素往往只能根据经验进行数理统计分析和主观判断来加以解决。
由于系统中存在着许多矛盾和不确定的因素，不同系统的目的、要求和系统结构也不同，没有一个通用的系统分析方法，随分析对象和分析目的的不同，所采用的分析方法也不同。
系统分析的一般步骤如下：
1）分析与确定系统的目的和要求。充分了解建立系统的目的和要求，是建立系统的论据，也是系统分析的出发点和进行评价、决策的主要依据。对系统的目的和要求不能全面地正确理解和把握，或目不明确，或要求过高、过低，或系统边界提得过宽、过窄等，都会导致系统分析不完善或失误，引起决策的失误。
2）模型化。模型是描述实体系统的映象，包括各种数学模型、实物模型、计算机模型和各种图表等。无论是已有的系统还是尚未建立的系统，要想对其进行定性和定量的分析，都需要将其模型化。在建立模型时，必须全面考虑其影响因素，分清主次，尽可能如实地描述系统的主要特征。在能满足系统订要要求的前提下，应尽量简化，以需要、简明、易解为原则。
3）系统最优化。系统最优化就是应用最优化理论和方法，对各候选方案进行最优化计算，以获得最优的系统方案。
4）系统评价。优化后的系统方案可能是几个，为了进行决策，须对各优化方案进行评价。系统评价时应考虑的因素很多，如各项功能、可靠性、成本、寿命、工期、使用性等。系统评价的方法很多，但都不是十分完善和全面的，一般采用较多的方法是将系统的总数投资费用与总收益之比作为评价值或采用价值工程（参见本章3.5价值工程）。
系统设计的过程如图3-6所示。首先，要明确在外部系统设计阶段设计系统应具备的特性和条件。在此阶段，由于能掌握系统的主要因素和概略结构，所以称为系统探讨。其次，是制订满足要求的系统草案。对它们进行分析 ，并分解子系统，研究其特性和作出评价，进行最佳设计。然后将它们综合起来进行系统整体的设计。再次，对已设计的系统的功能和可靠性等进行审查，确定最初预想的性能是否满足。各个阶段完成时，都要对其结果进行审查，确认达到目的后，再向下一阶段进行。如果结果不能满足，就要对该阶段的设计进行修正。当审查仍不满意时，则应毫不犹豫地逐段向上追究。
通过以上讨论我们把系统设计的一般步骤大致归纳为：
1）确定求解的问题。系统设计的第一步是明确求解的问题和范围，就是说明确设计目的和要求。
2）因素分析。对与被描述问题有关的因素进行分析，确定因素的类型：可控的、不可控的、质的属性。系统的最优化就是对量的可控因素优化确定的过程。
图3-6系统设计的过程
3）模型的建立。建立模型就是用适当的（一般是数学的）方式来描述问题与因素之间的关系，建立模型时一般应忽略次要因素，突出主要因素。建立模型时，应首先明确下面的几个问题：系统的目标、系统的约束（现在常称为环境因素）、系统的输入、系统的输出。模型可以是下面方式中的任一种或它们的组合：物理模型（用来进行模型实验），图解模型（如流程图、工序图、决策树等），数学模型（用数学的形式来表示，可用来求出最佳解）和计算机模型（用程序语言表示，可以进行仿真求解）。
4）决策过程。所谓决策是运用适当的手段求解模型，确定实现系统目标的系统结构及其运用方法。当所建的是数学模型时，则可运用筹学中的数学规划法去求解。在求解数学模型时，恰当地选择优化准则是很重要的，优化准则不同，则所确定的系统的结构和对外表现大不相同。
5）运用与管理。<1>验证：根据实际情况确定决策过程中的各种参数是否符合实际；<2>预测：预测系统各变化时对输出的影响；<3>系统运行的评价：主要评价系统是否达到预期的目的，评价可从下面几个方面着手，即可靠性、响应性、稳定性、适应性、可维修性、经济性和对环境的影响；<4>修正：根据评价结果确定是否需要进行修正，一般情况下，系统经过数次修正后，系统的特性总能得到逐步改善。对于无法改善的系统，则应考虑重新进行系统设计。
对于大规模系统的设计是不允许失败的，由于模型复杂，约束条件众多，要想求得总体最优解难度很大，可以采用下述方法求得近似最优解：
1）采用模块方式。采用这种方式时，首先将大系统分割成为几个独立性很强的子系统，力求使各子系统局部最优化。然后对整体进行协调统一，以求得整个系统的近似最优解。
2）采用多层次系统理论。当采用这种理论时，首先将构成整体系统的子系统垂直方向排列，高层次的子系统行动最优，并对低层次子系统发生作用。这样，低层次子系统的行为成果取决于高层次的子系统，并对上部进行反馈。这样构成的系统就称为多层次系统。
功能设计的概念
设计工作的核心问题是功能问题。那么什么是功能呢？
功能是对技术系统或产品能完成的任务的抽象描述，是反映产品所具有的特定用途与各种特性。功能可以这样定义：功能是指某一系统所具有的转化能量、物料、信息、运动或其它物理量的特性，是其输入量和输出量之间的关系。如图3-8所示。
图3-8系统的功能
从系统的观点出发，可将系统的功能分为总功能和分功能。每个系统都 有其总功能，对系统整体的功能要求就是该系统所具有的总功能，系统输入、输出的能量、物料、信息的差别和关系反映了系统的总功能。
一个系统可以分解为一些子系统，它的出发点就是功能和功能分解。由于要解决的问题的复杂程度不同，一个系统所出现的功能就有不同的复杂程度，那么与可以将复杂的功能成为若干个复杂程度比较低的、可以看清楚的分功能。分功能是总功能的组成部分。一般不把功能分得过细，而是分解到功能单元的水平上。这样的功能单元是可以看清楚的，它是既有一定的独立性，又有一定的复杂程度的技术单元。
设计中对功能的要求是第一位的，用户购买产品时要求的不是产品的本身，而是产品所具有的东路某种需要的功能。因此，在设计的全过程中努力追求产品功能的最佳实现。
功能分析
功能分析是设计中的一个重要手段，只有用功能的观点来观察和认识技术系统才能抓住其本质。
一个系统可以逐步分解为许多分功能或功能单元。由总功能分解为分功能，最后作出功能结构的过程称为功能分析。功能分析的过程就是设计人员酝酿系统实体解答的过程，这个过程往往不是一次完成，而是随着设计工作的逐步深入而不断修改、不断完美的。功能分析是通过将功能分解为相互独立的功能单元，对于每个功能单元列出所有可能的可行方案，再按一定的规则将这些单元方案组合起来形成总方案，然后对这些总方案进行筛选和评估，最后确定实现总功能的最佳总体方案。
1.功能分解
一个系统的总功能确定后，通常很难立即找到相应的实体解答，因此必须将相对比较难以寻求实体解答的总功能或功能单元这个过程就是功能分解。如图3-10所示。进行功能分解 的目的就是将总功能分解为较为简单的分功能或功能单元，以便能找出相应的解答来。由于总功能相同，分解的结果可能不同，相应的实体解答方案也可能不同，因此对诸多的功能分解方案应该进行比较选择。就是同一功能分解方案，由于可以选用不同的功能载体，其最终的实体解答方案也可能不同，因此在功能分解方案确定后，还须对功能载体的选用进行比较选择。
功能是系统必须完成的任务，它的实现必然要通过一系列必要的操作或经过一定的作用过程，同时还可能涉及到实现此功能所必需的其他若干方面。它们都是实现系统总功能所必需的分功能。
功能分解的步骤为：
1）根据经验、惯例或参考现有系统，初步定出所需完成的操作或须经过的作用过程。
2）明确在此过程中，系统应完成的动作和发挥的作用及有关载体。
3）根据各动作或作用初步划分分功能。通常首先考虑主要工作过程。
4）补充其他方面的考虑，完成整个系统的功能分解。
图3-10系统的总功能、分功能、功能单元
2.功能结构的建立
功能结构描述系统各分功能之间的关系，或者说将系统的各个分功能有机的组合起来就得到功能结构。一般用一框图来描述，这个框图就称为功能结构图。功能结构图的建立是使系统从抽象走向具体的重要环之一。通过功能结构图的建立，明确了实现系统的总功能所需的分功能、功能单元及其顺序关系。这些较简单的分功能或功能单元，可以比较容易地与一定的物理效应及实现这些效应的实体结构相对应，从而可以得出实现所定总功能需要的实体解答。
建立功能结构时，一定要区分创新设计和适应性设计。创新设计通常是不知道分功能，也不知道它们之间的关系，建立功能结构的出发点是设计要求，由此常可得到功能结构在输入和输出处的分功能。适应性设计可以通过对需要进一步开发的产品进行分析，从已知产品功能结构出发，根据设计的要求，通过变异，纳入或取消个别功能，以及改变其相互连接关系，来建立功能结构。
建立功能结构图的工作步骤为：
1）根据技术过程的分析，划定技术系统的边界，定出系统的总功能。
2）将总功能分解为功能或功能单元，具体做法见功能分解。
3）建立功能结构图。根据系统的物理作用原理、经验或参照已有的类似系统，首先排定与主要工作过程有关的分功能或与功能单元的顺序。通常先提出一个粗略方案，然后检验并完善其相互关系，补充其他部分。
建立功能结构功能结构图时应注意：体现分功能或功能单元之间的顺序关系；各分功能和功能单元的分解及其排列要有一定的理论依据（物理作用原理）或经验支持；不能漏掉必要的分功能或功能单元；尽可能简单、明了，但要便于实体解答方案求取。
实现同一总功能的功能结构可能有多种，因此建立功能结构图时应尽可能有多个方案，以便进行评比，选出最佳的功能结构方案。改变功能结构常可发展出新的产品。
系统的功能分解的方式不同，或者建立的功能结构不同，或者选择的作用原理（参见3.3.4节）不同，那么系统的实体解答就不同。图3-11给出了功能分解相同的两种不同的功能结构图，图中的双线箭头表示物料流，单实线箭头表示能量流，虚线箭头表示信息流。图a是把存储原料和存储成品的两个分功能合并，即共用一个容 器；图b是改变能源，将外部能源改为内部能源。
4）环境适应性。任何一个系统都存在于一定的物质环境中，外部环境的变化，会使系统的输入发生变化，甚至产生干扰，引起系统功能的变化。一般情况下，系统与外部环境总是有能量交换、物质交换和信息交换。一个好的系统，其工作特性不应受环境的影响，能在环境对系统的输入发生变化时，自动调节自己的参数，始终使自己牌最佳运行状态。这样的系统具有“学习”功能，称为适应系统。
对于一个系统Y，它可以用这样的数学表示，该系统的若干要素所组成的集合X为
当和之间存在着一一对应关系时，关系R就是XI和XJ的顺序对关系，表示为
其中XIXJ是集合XI和XJ的直积集合，即是作为条件来实现系统的。所以系统Y可以用下式来定义：
Y＝{X|R}
即系统Y以具有R关系的集合X来表征。
一个大的系统可由若干小的系统组成，这些小的系统常为子系统。子系统又可由它所属的更小的子系统组成。系统本身也可以是别的更大系统的组成部分。
系统设计时，对其直接对象（如机械、装置等）和包围它的外部环境同时进行考虑。前者称为内部系统，后者称为外部系统。内部系统与外部系统之间存在着一定的联系，相互间有作用和影响。外部系统对内部系统的作用和影响，对外部系统来说是输出，而对内部系统来说则是输入；反之，内部系统对外部系统的作用和影响，对内部系统来说是输出，而对外部系统来说则是输入，如图3-5所示。所谓外部系统对内部系统的输入，比如，社会上对某一机械所要求的事项（功能、经费、工期、尺寸等）和约束条件（环境、资金、材料、信息、技术 、法律等），内部系统必须满足这些要求。所谓内部系统对外部系统的输出，是指在系统完成后，社会所受到的变化，包括从系统受到的利益和损害，对其他系统的影响，以及它所涉及的效果等等。将内部系统 和外部系统合并一起称为全系统。
内部系统与外部系统设计相结合是系统设计的特点，它可以使系统设计尽量做到周密、合理，少走弯路，避免不必要的返工和浪费，以尽可能少的投资获取尽可能大的效益。其技术经济效果，往往随系统的复杂程度的增加而越趋明显。
系统设计不只是关心系统各组成部分的工作状态和性能，这是由于系统各组成部分的性质并不能代表整个系统的性质，整个系统的性质也不是它们的简单叠加。系统设计必须考虑整个系统的运行状态和性能，系统设计的侧重点是系统，是系统作为一个整体所表现出的性能和运行状态。
模块化设计的基本概念和方法
为开发具有多种功能的不同产品，不必对每种产品施以单独设计，而是精心设计出多种模块，将其经过不同方式的组合来构成不同产品，以解决产品品种、规格也设 计制造周期、成本之间的矛盾，这就是模块化设计的含义。模块化设计与产品标准化设计、系列化设计密切相关，即所谓的“三化”。“三化”互相影响、互相制 约，通常合在一起作为评定产品质量优劣的重要指标，是现代化原理开始用于机床设计，到本世纪50年代，欧美一些国家正式提出“模块化设计”概念，把模块化 设计提到理论高度来研究。目前，模块化设计的思想已渗透到许多领域，例如机床、减速器、家电、计算机等等。在每个领域，模块及模块化设计都有其特定的含 义，本书指机械产品的模块化设计。
模块：一组具有同一功能和接合要素（指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等），但性能、规格或结构不同却能互换的单元。
机床卡具、联轴器可称为模块，有些零部件如插头、插座，广而言之也可称为模块，但不如称为标准伯为好。在模块化设计中，也用到大量的标准件，但模块多指标准件之外、仍需被设计而又可以用于不同的组合、从而形成具有不同功能的设备的单元、
模块化设计：在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块；根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能、或功能相同但性能不同、规格不同的产品。这种设计方法称为模块人化设计。
模块化设计的主要方式有：
1）横系列模块化设计。不改变产品主参数，利用模块发展变形产品。这种方式是易实现，应用最广。常是在基型品种上更换或添加模块，形成新的变形品种。例如，更换端面铣床的铣头，可以加装立铣头、卧铣头、转塔铣头等，形成立式铣床卧式铣床或转塔铣床等。
2）纵系列模块化设计。在同一类型中对不同规格的基型产品进行设计。主参数不同，动力参数也往往不同，导致结构形式和尺寸不同，因此较横系列模块化设计复 杂。若把与动力参数有关的零部件设计成相同的通用模块，势必造成强度或刚度的欠缺或冗余，欠缺影响功能发挥，冗余则造成结构庞大、材料浪费。因而，在与动 力参数有关的模块设计时，往往合理划分区段，只在同一区段内模块通用；而对于与动力或尺寸无关的模块，则可在更大范围内通用。
3）横系列和跨系列模块化设计。除发展横系列产品之外，改变某些模块还能得到其它系列产品者，便属于横系列和跨系列模块化设计了。德国沙曼机床厂生产的模 块化镗铣床，除可发展横系列的数控及各型镗铣加工中心外，更换立柱、滑座及工作台，即可将镗铣床变为跨系列的落地镗床。
4）全系列模块化设计。全系列包括纵系列和横系列。例如，德国某厂生产的工具铣，除可改变为立铣头、卧铣头、转塔铣头等形成横系列产品外，还可改变床身、横梁的高度和长度，得到三种纵系列的产品。
5）全系列和跨系列模块化设计。主要是在全系列基础上用于结构比较类似的跨产品的模块化设计上。例如，全系列的龙门铣床结构与龙门刨、龙门刨床和龙门导轨磨床相似，可以发展跨系列模块化设计。
模块化设计的步骤
模 块化设计分为两个不同层次，第一个层次为系列模块化产品研制过程，需要根据市场调研结果对整个系列进行模块化设计，本质上是系列产品研制过程，如图 3-14所示。第二个层次为单个产品的模块化设计，需要根据用户的具体要求对模块进行选择和组合，并加以必要的设计计算和校核计算，本质上是选择及组合过 程，如图3-15所示。
总的说来，模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤，但比后者更复杂，花费更高，要每个零部件都 能实现更多的部分功能。
图3-14 模块化系列产品研制过程 图3-15 模块化产品设计过程
1.市场调查与分析
模块化设计成功的前提。必须注意市场对同类产品的需求量、市场对同类产品基型和各种变型的需求比例，分析来自用户的要求，分析模块化设计的可行性等。对市场需求量很少而 又需要付出很大的设计与制造花费的产品，不应在模块化系统设计的总功能之中。
2.进行产品功能分析，拟定产品系列型谱
合理确定模块化设计所覆盖的产品种类和规格，种类和规格过多，虽对市场应变能力强，有利于占领市场，但设计难度大，工作量大；反之，则对市场应变能力减弱，但设计容易，易于提高产品性能和针对性。表3-1为某机床厂的产品系列型谱。
表3-1 无心磨床产品系列型谱
W5 模块系列
基本分系列
MG1050A高精度无心磨床
MS1080高速无心磨床
MZ1050A/2针阀自动无心磨床（专机系列）
MZ1050A/2A型
MZ1050A/2B型
MZ1050A/2C型
扩展分系列
变型
WX-1006球头销球体自动无心磨床
WX-1007球头销锥体自动无心磨床
WX-1008扭杆自动无心磨床
WX-1009水泵轴双沟无心磨床
WX-1010针阀自动无心磨床
WX-1050A/3针阀自动无心磨床（带金刚滚轮修整）
3.确定参数范围和主参数
产 品参数有尺寸参数、运动参数和动力参数（功率、转矩、电压等），须合理确定，过高过宽造成浪费，过低过窄不能满足要求。另外，参数数值大小和数值在参数范 围内的分布也很重要，最大、最小值应依使用要求而定。主参数是表示产品主要性能、规格大小的参数，参数数值的分布一般用等比或等差数列。
4.确定模块化设计类型，划分模块
只有少数方案用到的特殊功能，可由非模块实现：若干部分功能相结合，可由一个模块实现（对于调整功能尤其如此）。
5.模块结构设计，形成模块库
由于模块要具有多种可能的组合方式，因此设计时要考虑到一个模块的较多接合部位，应做到加工合理、装配合理；应尽量采用标准化的结构；尽量用多工位组合机床同时加工，否则模块的加工成本将非常可观；还应保证模块寿命相当，维修及更换方便。
6.编写技术文件
由于模块化设计建立的模块常不直接与产品联系，因此必须注意其技术文件的编制，才能将不同功能的模块有机联系起来，指导制造、检查和使用。技术文件主要包括以下内容：
1）编制模块组合与配置各产品的关系表。其中应包括全系列的模块种类及各产品使用的模块种类和数量。
2）编制所有产品的模块组和模块目录表，标明各产品和模块组的组成。
3）编制系列通用的制造与验收条件、合格证明书及装箱单。
4）编制模块式的使用说明，以适应不同产品、不同模块的需要。
3.4.5模块化设计的现状与趋热
模块化设计在设计思想上是对传统设计的一种创新，早期模块化设计多采用手工操作管理，缺乏现代化的设计和管理手段，不能充分发挥模块化设计的优越性[21]。随着计算机应用技术向各行各业的渗透及以计算机辅助设计为主体的现化设计技术的发展，模块化设计从设计手段上已有了极大的不同，形成了以计算机为工具、以模块化设计为目标的各种学科交叉融合的新型技术领域，如计算机辅助模块化设计、模糊模块化设计、智能模块化设计、优化模块化设计等等，这些手段反过来又促进了模块化设计思想的发展。例如，早期的模块化设计主要追求功能的实现，现在则要求模块化产品生命周期全过程多目标的权衡、分配及综合决策，如开发周期短，易于回收、装配、维修，产品报废后某些模块仍可再利用，模块可以升级、重新设置等。综合起来，现代模块化设计呈现以下几种趋势。
1）各种数学方法（模糊数学、优化等）引入模块化设计各个环节，如模块的划分、结构设计、模块评价、结构参数优化等
2）不同层次计算机软件平台的渗透，如二维绘图、实体造型、特征建模、概念设计、曲面设计、装配模拟等软件均可用于模块化设计之中。
3）数据库技术及成组技术的应用。产品系列型谱确定之后，在系列功能模块设计时，采用数据库技术及成组技术[21]，首先对一系列模块的功能、结构特征、方位、接合面的形状、形式、尺寸、精度、特性、定位方式进行分类编码，以模块为基本单元进行设计，存储在模块数据库中。具体设计某个产品时，首先据功能及结构要求形成编码，据编码在数据库中查询，若查出满足要求的模块，则进行组合，联接；否则，则调出功能和结构相似的模块进行修改。组合联接好之后，与相应的图形库连接，形成整机。分类编码识别从技术上容易实现一些，另有一些研究者正在研究更为直观的图形识别。
4）模块化产品建模技术。与产品建模技术同步，模块化产品模型有其自身的特点。目前研究的建模技术有三维实体建模、特征建模、基于STEP的建模等。
5）人工智能的渗透。模块的划分、创建、组合、评价过程，除用到数值计算和数据处理外，更重要的是大量设计知识、经验和推理的综合运用。因此，应用人工智能势在必行，参考文献 [22]的作者在对加工中心总体方案进行模块化设计时，研制开发了基于知识的智能CAD系统。
6）生命周期多目标综合。并行工程要求在设计阶段就考虑从概念形成到产品报废整个生命周期的所有因素。在模块化设计中，不同目标导致模块化的方法与结果不同，各种目标在对模块的要求方面相互冲突，在同一个产品中，不同模块对目标的追求也不一致，这就需要对各目标综合考虑、权衡、合理分配[23]，取得相对满意的结果。专家系统、模糊数学、优化等手段都在这一领域获得了充分的发展空间。
参考文献[23]的作者研究开发了一种集成的针对产品整个生命周期各个目标的模块化设计方法，可用于新产品的模块化设计、现有非模块化产品的模块化设计及现有模块化产品的改进模块化设计（例如，数个零件组合成一个模块来实现）。其方法如下：
① 确定该模块化产品的问题域。包括：要达到的目标、功能、目标的重要性程度；对总目标总功能起作用且对模块化设计方法有关的各种因素进行描述、定义；设计种类（全新设计、适应型设计、变型设计）；生命周期；设计规模等。
② 设计任务分解。首先，把产品分解为部件、组件。若是开发性设计，则构造出功能结构框架；对适应性设计，则从现有产品中列出构件表。之后，列出模块化设计各模块的目标（包括单个目标或集成目标）。
③ 针对要实现的目标，从装配过程、空间几何关系（定位、夹紧方式）、实现功能种类（动力传递、能量传递、信号传递等）等几方面对零件进行分析，定义出量化的对目标的影响因素值及两两零件相连的重要性程度值，正则化后形成交叉关系矩阵。
④ 模块设计。加入适当的约束条件（某个零件属于某个特定的模块、预定的模块数量等，功能与相互关系也是约束），采用基于基因的遗传算法，创建模块，形成一个零件数量减少的模块化产品；若用户对结果不满意，可以对约束、目标进行调整，再行迭代，求出另外一种或多种方案。
7）上述各种研究综合应用，形成适用的单项或集成的商业化软件系统
从总的产品设计份额来看，国内机械行业模块化设计应用并不是十分广泛。究其原因，在于机械产品本身的复杂性及多样化，虽然有种种新的设计技术，但模块化设计还需要做大量的基础工作，其中最主要的是对大量现有零部件结构、功能、接合部件作认真的分析、规范化、分类，建立一系列一整套相关标准，吸取计算机软件行业的软件工程规范、硬件行业的总线标准、各类图形图像处理软件之间的接口标准等成功的经验，推动模块化设计的发展。当然，这是一项巨大的工程，也是模块化设计应用普及的必经之路。
模块化系统的分类
按产品中模块使用多少，模块化系统可分为：
1）纯模块化系统。一个完全由模块组合成的模块化系统。
2）混合系统。一个由模块和非模块组成的模块化系统。机械模块化系统多是这种类型。
按模块组合可能性多少，模块化系统可分为：
1）闭式系统。有限种模块组合成有限种结构型式。设计这种系统时主要考虑到所有可能的方案。
2）开式系统。有限种模块能组合成相当多种结构型式。设计这种系统时主要考虑模块组合变化规则。
模块实现一定功能，对整个产品系列而言，功能和相应的模块类型如图3-13所示。
基本功能是系统中基本的、经常重复的、不可缺少的功能，在系统中基本不变。如车床中主轴的旋转功能。相应模块称为基本模块。
辅助功能主要指实现安装和联接所需的功能。例如一些用于联接的压板、特制联接件。相应模块称为辅助模块。
特殊功能是表征系统中某种或某几种产品特殊的、使之更完善或有所扩展的功能。如仪表车床中的球面切削装置模块，便扩展了的功能。相应模块称为特殊模块。
适应功能是为了和其它系统或边界条件相适应所需要的可临时改变的功能。相应模块称为适应模块。它的尺寸基本确定，只是由于上述未能预知的条件，某个（些）尺寸须根据当时情况予以改变，以满足预定要求。一些厚度尺寸可变的垫块即可构成这种性质的模块。
用户专用功能指某些不能预知的、由用户特别指定的功能，该功能由于其不确定性和极少重复，由非模块化单元实现。
图3-13 模块化产品系统中功能和模块类型
模块化设计的关键
1.模块标准化
它 是指模块结构标准化，尤其是模块接口标准化。模块化设计所依赖的是模块的组合，即联接或啮合，又称为接口。显然，为了保证不同功能模块的组合和相同功能模 块的互换，模块应具有可组合性和可互换性两个特征，而这两个特征主要体现在接口上，必须提高其标准化、通用化、规格化的程度。例如，具有相同功能、不同性 能的单元一定要具有相同的安装基面和相同的安装尺寸，才能保证模块的有效组合。在计算机行业中，由于采用了标准的总线结构，来自不同国家和地区厂家的模块 均能组成计算机系统并协调工作，使这些厂家可以集中精力，大量生产某些特定的模块，并不断进行精心改进和研究，促使计算机技术达到空前的发展。相比之下， 机械行业针对模块化设计所做的标准化工作就逊色一些。机械产品中模块化设计仅应用于为数不多的机床行业。
2.模块的划分
模 块化设计的原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应尽量简单、规范，模 块间的联系尽可能简单。因此，如何科学地、有节制地划分模块，是模块化设计中很具有艺术性的一项工作，既要照顾制造管理方便，具有较大的灵活性，避免组合 时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射。划分的好坏直接影响到模块系列设计的成功与否。总的说来，划分前必须对系统进行仔 细的、系统的功能分析和结构分析，并要注意以
下各点：
l）模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性。
2）保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性。
3）模块间的接合要素要便于联接与分离。
4）模块的划分不能影响系统的主要功能。
2.2现代设计技术的内涵及其体系
2.2.1现代设计技术的内涵
工程设计的历史与人类科技发展史同步。随着人类文明、科学技术的发展，工程设计这门古老的学科已逐渐演进为一门科学，形成一门综合性的现代工程技术学科。工程设计的最终目的是创造满足用户需求的产品，其范围几乎涉及到人类活动的各个领域。从人们的衣、食、住、行所需要的生活资料、用品和工具，到各种工业机器、仪器、设备和装置，如机床、飞机、汽车、舰船、宇航工具、计算机硬件与软件、机器人、发电设备、通信装置、医疗器械等等，无不是人的创造与智慧的结晶。这些科技成果可以看作是人各种器官的一种加强与延伸，用以辅助人们日益增长的物质与文化的需要，也是推动社会物质文明与精神文明的建设的重要因素。但是，所设计的产品能否满足预想的要求，满足的程度如何，即产品所达到的质量、性能、价格/成本、寿命等综合指标如何，主要是由设计阶段决定的。据有关资料介绍，设计阶段决定了产品制造成本的75%～80%，而且也极大地影响着产品的运行、维修费用。因此，高度重视研究、发展设计技术，具有十分重要的意义。
在本篇尚未展开阐述现代设计技术内容之前，首先需要回答一些有关现代设计技术的涵义、体系及其特点等总体认识问题，而这又需简略回顾一下人们在长期的设计活动中，对工程设计的涵义与内容的认识。
在传统的工程设计中，从工作性质与内容看，将设计过程划分为方案设计、技术设计和工艺设计。随着计算机、信息技术的发展，工程设计的范畴，从传统的设计内容已扩扩展到产品规划、制造、检测、实验、营销、运行、维护、报废、回收等全过程的全方位设计。
从设计的过程与方法看：
1）设计是一种工程活动。设计师的任务就是运用自然科学的知识与法则去创造物质文明，它几乎涉及到人类生活、生产的全部方面。
2）设计是一种创造性的智力活动。设计的全过程，需要设计师提出各种不同的构思和设想，具有灵活运用知识和经验处理技术、经济等问题的能力和优良的品质、作风，能创造性地寻求设计目标和任务的实现。
3）设计是一个综合、决策、迭代、寻优的过程。设计流程就是输入信息→处理加工→综合、判断、决策→输出信息，是寻求满意的设计目标、方案、参数、结构等最优的过程。设计过程也是一个信息综合、反馈（或迭代）、交流的过程。由于设计要求和约束条件及多种约束之间相互制约，甚至是相互矛盾的，虽经优化，也只能综合、权衡各方面因素取得相对满意的结果。
从设计任务的要求来划分，通常有三种不同类型的设计。
1）开发性设计。运用成熟的科学技术，从工作原理和结构上设计过去没有的新型产品，这是一种完全创新的设计。
2）适应性设计。在原理、方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更设计，使之更能满足用户的需求。
3）变型设计。在功能和工作原理不变的情况下，变更现有产品的结构配置、布置方式和尺寸，使之适应多方面的使用要求。
据德国机械制造工作者协会调查表明，在机械制造业中产品的55%属于适应性设计，25%为开发性设计，20%为变型设计[1]。显然，上述设计类型划分之界限有时并不十分明确，不过为适应先进制造技术的进步与发展趋势，当今不论何种设计都有必要应用计算机辅助设计（Computer Aided Design——CAD）技术及其他行之有效的现代设计技术，使设计的产品能在激烈的市场竞争中取胜。
尽管人们对工程设计之涵义与内容有过上述种种论述，现代设计技术与方法这一述语的概念也已提出多年，但是，由于现代设计技术是一门新兴的科学，迄今为止国内外文献对此尚无普遍公认的严格定义，也没有明确的边界。我们认为，现代设计技术与其他科学技术一样，都有其产生、发展的客观要求与实际背景，是生产斗争、社会斗争和科学研究发展到一定程度的必然产物，也是自然科学方法论和科学哲理发展到一定阶段的必然产物。当今科技，有一个非常明显的发展趋势，这就是科学技术的重心正在由材料（物质）和能量转向信息，它意味着电子信息科学技术的崛起和信息技术时代的到来。信息技术的渗透影响着产品和制造业的变革，也影响着设计技术的变革与发展，并为设计技术的发展提供了条件，同时，对设计技术也提出了要求。在许多先进发达国家，近10年先进制造技术的应用与发展都与信息技术紧密相关，而且 在实施先进制造技术的过程中，不仅应用了许多现代设计技术，如优化设计、并行设计等，而且总结与提出了许多新的设计理论和技术，如模糊设计（Fuzzy Design）、健壮设计（Robust Design）、虚拟设计（Virtual Design）等。另一方面，我们认为，随着社会生产力与科技的发展，现代设计技术与其它科学技术一样，其内涵与外延是变化的、动态的，如传统的机械力学已发展演变为理论力学、材料力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等；优化设计已发展为普通优化设计和模糊优化设计等。这些均是学科边界的扩展与交叉。
鉴于上述分析与基本认识，我们给现代设计技术下的定义为：
以满足应市产品的质量、性能、时间、成本/价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。
从以上定义可以看出，现代设计技术有一系列特点，这将在下节予以论述。这里值得说明的是以下两点：
（1）现代设计技术是多学科交叉融合的产物 就目前现代设计技术所涉及的理论、方法的范畴来看，可以认为它是由现代设计方法学、计算机辅助设计技术、可信性设计技术、试验设计技术等多种学科的交叉与融合。而其中每一个具体的设计技术，同样也是若干学科的交叉与融合。例如优化设计是数学规划的方法与计算机编程的有机结合，计算机辅助设计可以看作是数学建模、计算机软件和硬件技术、工程图学等的有机结合；模糊优化设计是模糊方法与优化技术的结合等等。在这个现代设计技术群体各学科之间既相对独立又相互联系、相互渗透。根据设计对象与任务的不同，以及设计各个阶段的特点，宜采用其中某些适宜的、有效的方法和技术，以解决设计中的总体和各个具体问题。
（2）现代设计是传统设计技术的继承、延伸和发展 从传统设计发展至现代设计，都有着时序性、继承性，并在一定时间和一定的对象中它们共存于一体。例如，传统的运动学、动力学、机构学、结构力学、强度理论等基本原理与方法是现代设计技术的数学建模及许多分支学科（如可靠性设计、疲劳设计、防断裂设计、健壮设计等）的基础；另外，许多现代设计技术与方法是在吸收了传统设计技术中的思想、观点、方法之精华而发展起来的，如系统设计、功能设计、模块化设计、优化设计、并行设计等等。因此，介绍与应用现代设计技术与方法时，不应片面夸大，成为玄而又玄的万能法宝，而应当认识到，它们的许多内容是传统设计技术的继承、延伸和发展。
2.2.2现代设计技术的体系
现代设计技术内容广泛，分支学科繁多，有人按分支学科的特征分类，有人从方法论对其聚类归纳，有人按学科的任务、作用分类，以期说明现代设计任务的内容与体系。这些工作对人们全面了解、认识现代设计技术与方法起到了一定的效果。鉴于本篇不是专门研究设计程序、规律、思维与方法本身的详细内容，而是面向21世纪科技发展的趋势，着眼于了解与掌握一些行之有效的现代设计技术，为此，选编了现代设计方法学、计算机辅助设计技术、产品可信性设计技术、现代试验设计技术等方面内容，共三十多节，相当于三十多篇有机联系的现代设计技术专题，以对促进我国工程设计水平的提高，促进与支撑我国先进制造技术的发展，起到应用的作用与效果。有关这些设计技术的具体内容是由各专家分另专门撰写，并按章、节次序作了编排。这里仅就现代设计技术的体系框架及其与其他学科的关系，用图3所示框图描述，并予以说明。
图3 现代设计技术的体系及与其他学科的关系
现代设计技术的整个体系好比一棵大树，由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成。
（1）基础技术 基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面。它不仅为现代设计技术提供了坚实的理论基础，也是现代设计技术发展的源泉。我们认为，任何科学技术的发展如同社会的发展一样，都离不开以自身长期形成的传统构架为基础，同时又都不能固守于传统，而要使之涵容时代和未来的特征。也就是说，传统的科学与技术也和社会的进步一同发展。现代设计技术也可以说是在传统设计技术的基础上，以新的形式和更丰富的内涵发扬光大传统设计技术中的优秀内核与精华。
（2）主体技术 现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。可以毫不夸张地说，没有计算机科学与计算机辅助技术（如计算机辅助设计、智能CAD（Intelligent CAD——ICAD）、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等），便没有现代设计技术；另一方面，没有其他现代设计技术的多种理论与方法，计算机技术的应用也会大大受到限制，因为运用优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干。
（3）支撑技术 无论是设计对象的描述，设计信息的处理、加工、推理与映射及验证，都离不开设计方法学、产品的可信性设计技术及设计试验技术所提供的多种理论与方法及手段的支撑。其中现代设计方法学涉及的内容很广，如平行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计技术可看作广义可靠性设计内容的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、减摩和耐磨损设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计、人机工程设计等。设计试验技术不仅指通常的产品性能试验，还应包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。因此，设计方法学、可信性设计技术及试验设计技术所包含的种种内容，可视为现代设计技术群体的支撑技术。
（4）应用技术 应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容，可以看作是现代设计技术派生出来的丰富多彩的具体技术群。现代设计技术在各类产品设计领域的广泛应用，促进了产品质量与性能的提高。
现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。此外，设计产品总是以满足社会需求为目的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面知识与素养。
值得一提的是，现代设计技术体系框架的划分只是相对的，而不是绝对的；主体技术、支撑技术、应用技术、基础技术之间并不存在截然的界限。主体技术所包含的计算机辅助设计的有关技术本身往往就是应用技术。在特定情况下，某些支撑技术也可以成为主体技术，例如变载荷及随机干涉下零件的疲劳设计和稳定性设计，这时疲劳设计、健壮设计就是相应情况下的主体技术。有些设计支撑技术本来就是由传统的强度、变形及失效理论“繁衍”出来的多种设计理论，如疲劳设计、防断裂设计、可靠性设计等，所以，这些设计支撑技术，也可看作基础技术。
2.3现代设计技术的特点
由现代设计技术的涵义及其体系可见，它具有以下一系列特点。
1．设计理论与方法的延伸、思维的变化及设计范畴的扩展
现代设计技术是传统的设计理论与方法的继承、延伸与扩展。这不仅体现在设计原理、方法、思维、哲理等方面的创新，如静态的设计原理向动态的延伸，经验的、类比的设计方法向精确的、优化的方法延伸，确定的设计模型向随机的模糊的延伸，单维思维模式向多维思维模式延伸；而且设计范畴在不断扩大。传统的设计通常只限于方案设计、技术设计（总体设计与工艺设计），由于计算机技术的飞速发展与广泛应用，深刻影响着产品设计开发过程、制造过程、营销及售后服务过程；同时，也促进着这些过程的交叉融合，使现代设计将设计内容与边界扩展到产品规划、制造过程的工艺、检验、试验、包装、运输直至营销、市场策划、产品运行、维护使用到报废回收全过程全生命周期各个环节的设计。先进制造技术中的面向制造的设计（Design For Manufacturing——DFM），面向装配的设计（Design For Assembly——DFA）及面向X的设计（Design For“X” ——DFX），并行设计（Concurrent Design——CD）、虚拟设计、绿色设计（Green Design——GD）、模糊设计、维修性设计（Mainterinability Design——MD）、健壮设计等，便是工程设计范畴扩大的集中体现。现代设计可以说是设计师、制造工程师、管理营销人员以及工人、财会人员、专利律师等通力合作、集体智慧的结晶。
2．多种设计技术、理论与方法的交叉与综合
计算机技术与信息科学对机械产品的渗透、改造与应用，使产品的结构、功能产生很大的变化，现代的机械产品正朝着机电一体化，物质、能量、信息一体化，集成化，模块化方向发展。数控机床及数控装置、加工中心、工业机器人等典型的机电一体化产品，不仅具有传统意义上的物质与能量转换的功能，而且具有自动检测、自动数据处理（运算、判断、存储、记忆）、自动显示、自动控制、故障诊断和自动保护及维护性、可回收性等功能，从而对产品的质量、可靠性、稳定性、稳健性及效益等均提出更为严格的要求。因此，现代设计技术必须是多学科的融合交叉，多种设计理论、设计方法、设计手段的综合运用，以系统的、集成的设计概念设计出符合时代特征和科技发展趋势的产品及整体综合效益最佳的产品。
3．设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化
（1）精确化 在传统设计中，面对载荷、应力、环境等因素的复杂化，通常以某种条件性的假设建立所谓稳定的、理想的载荷（集中的或匀布的）和应力（名义的、平均的）模型，它与实际情况有差异的许多因素，则以安全系数和一系列的载荷系数、应力系数及其它影响系数等加以考虑，这往往使计算的结果误差较大。现代设计技术可以采用概率设计（可靠性设计）描述载荷应力、环境条件等随机因素的分布规律[13]，通过有限元法、动态分析、疲劳设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等分析工具和建模手段，准确模拟系统的真实情况，从而得到比较符合实际工况的真实解，提高了设计的精确化程度。
（2）计算机化 计算机化的标志是计算机在工程设计中得到广泛的应用，并逐渐替代传统的手工设计。先进的工业国家近年来投入大批人力、财力，研制开发了许多应用于工程设计的计算机软件，且已商品化。硬件功能日益增强，计算机在设计中的应用已从计算机辅助分析计算和辅助绘图，发展到优化设计、并行设计、三维特征建模、设计过程管理、面向制造与面向装配的设计制造一体化，形成了CAD、计算机辅助工艺规程（Computer Aided Process Planning——CAPP）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing——CAM）的集成化、网格化，并逐步向设计智能化、模拟仿真和虚拟设计、国际互联网络条件下进行计算机辅助设计过渡。我国近10年来借助于计算机的设计方法，也从研究所、高等学校、少数大型企业，逐步推广到广大的设计部门和工厂，计算机软件与硬件的研制与开发也取得了可喜的成就。计算机辅助设计技术，特别是工程数据库和网格技术的广泛应用，加速了设计进程，提高了设计效率和质量，方便了设计、管理、制造、营销等部门及协作企业之间的信息交流，也加速了实现计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System——CIMS）和全球化制造的进程。
（3）自动化 设计自动化的含义、内容与范围目前尚无确切定论，但它一直是设计领域追求的目标。从一般意义上说，设计自动化软件主要包括：①主模型，它是中央数据库，为设计提供各种数据信息（几何精度、材质、各种设计参数、零部件的联系、相关性、有限元结构分析数据，以及质量控制和营销数据等）；②基于知识的应用软件，这些软件工具使设计者方便地与主模型进行数据信息交流，实现不同的设计目的；③产品数据管理，这个系统控制着文档及设计的建立、修改、检查和批准，并组织、跟踪和控制信息的存取。因此，设计自动化的实现主要依托CAD技术的发展与成熟，设计方法日益精确完善，自动建模技术及一批功能强大、高层次的商品化CAD软件的支撑。如智能CAD、模糊逻辑、神经网络用于CAD、优化问题及几何特征建模、尺寸公差自动标注、高效率的有限元分析程序等。同时，设计自动化也取决于设计与制造过程的集成化、一体化技术的发展与成熟及多媒体技术的广泛应用，如面向制造的设计、面向装配的设计、概念设计、并行设计及虚拟设计等等。
（4）虚拟化 设计手段虚拟化（或拟实化），是以虚拟现实的系统软件在计算机上实现仿真、实现虚拟现实的三维建模，包括几何建模，运动建模、物理建模、对象特性建模及模型切分等，使设计者能在虚拟的设计环境下看到设计内容，如设计对象的形状、外表、物体的移动、旋转和各部分是否干涉与碰撞，以及对象的质量、重量、惯性、表面特性（光滑与粗糙）、硬度、结构形式等改变模式，从而实现设计可视化，快速显示设计内容，灵活而方便地修改设计，同时由于虚拟制造技术，以及快速原形技术的出现，使设计者在零件被制造之前就看到了它加工后的形状并感觉到它。这些虚拟技术与手段的运用，大大提高了设计效果与质量。
4．并行化、最优化和智能化的设计过程
现代设计技术中的并行设计、优化设计及智能化设计（如智能CAD，专家系统（Expert System——ES）等）均是现代设计技术中的重要设计技术，是设计开发新产品过程不可缺少的方法和技术手段。
（1）并行设计过程 并行设计（Concurrent Design）有时又称为并行工程（Concurrent Engineering）。这是一种综合工程设计、制造、管理、经营的思想、方法和工作模式。并行工程技术可以在一个工厂、一个企业（包括跨地区、跨行业的大型企业及跨国公司）以通信管理方式在计算机软、硬件环境下实现。其核心是产品的设计阶段就考虑到产品生命周期（从概念形成到产品报废）中的所有因素（包括设计、分析、制造、装配、检验、维护、质量、成本、进度与用户需求等），强调多学科小组、各有关部门协同工作，强调对产品设计及其相关过程（制造过程和支持过程）进行并行地、集成地、一体化地进行设计，使产品开发一次成功，缩短产品开发周期，提高产品质量。这是一项包括人机集成和系统功能集成的多目标多层次、整体优化的集成，需要用到很多现代技术与方法，如建模与仿真技术、优化方法与技术、系统与集成技术、信息管理技术、专家系统与模糊技术、CAPP技术、全面质量管理与控制技术、决策支持及评价系统、价值工程及其预测技术、分布式并行处理的智能协同求解技术等。其关键技术是建模与仿真技术、信息系统及其管理技术、决策支持及评价系统等。美国于80年代末首先在福特、通用和克莱斯勒三大汽车公司组织实施并行工程技术，取得了显著的经济效益。我国近年来在一些大型企业中也开始部分实施并行工程技术，这项技术是提高我国企业水平，参与全球化竞争的一个重要发展方向。
（2）全过程的优化设计 现代设计技术中的一般性优化设计方法及其应用已日趋成熟，普通的连续变量优化设计、混合离散变量优化设计，已发展到随机变量优化设计（可靠性优化设计）[14]、模糊变量优化设计[13]，单目标优化设计已发展到多目标优化设计。仅将优化设计的范围局限于优化方法及其应用程序的编制上已不能适应工程技术发展的需要，广义的工程优化设计应是优化设计的重要发展方向，其内容主要包括工程优化设计问题的自动建模技术、优化设计问题的前处理与后处理、优化设计结果的评价等。此外，基于优化设计和制造的分级分解优化也是目前重要的研究内容[7]。上述优化方向的实现，必然涉及到人工智能、信息技术、控制技术等多种方法、多种技术、多个软件系统的综合运用。
（3）人机结合的智能化设计过程 产品设计是一个创造性的思维、推理和决策的过程，CAD技术在产品设计中的成功应用，引起设计领域产生了深刻的变革，由人完成的设计过程，已转变为由人机密切结合共同完成设计过程的智力与智能活动。传统CAD在数值计算和图形绘制上辅助人并扩展了人的能力，可以说这是现代设计中的智能化设计的初步。人工智能原理和专家系统（包括普通专家系统与模糊专家系统）技术应用于CAD产生了智能CAD（Intelligent CAD——ICAD）系统，实现了对设计过程基于符号性知识模型和符号处理的推理工作，用于完成概念设计的有关内容，如方案的拟定、最优方案的选择、结构设计、工艺方案的规划等。这部分设计内容，主要基于人的经验、智能、创造力、想象力等一类模糊性知识，可以说智能CAD系统是模拟人脑对知识处理，并拓展了人在设计过程中的智能活动。虽然智能CAD可以提供整个设计过程的计算机支持，但也存在一些问题，如专家系统的局限来自于人类专家并不总是用规则来思考问题，在这种情况下，专家系统没有模仿人类专家的推理。此外，专家系统还存在知识获取的“瓶颈”问题，学习能力较差，处理大型复杂问题较困难。据此，人们把专家系统与人工神经网络集成于一体，提出了智能CAD人工神经网络专家系统模型，并开发了一个用于电机设计的智能CAD人工神经网络系统，从而提高了设计过程的智能化水平[8]。近10年来，CIMS的迅速发展向智能设计提出了新的挑战，智能CAD系统在强化了数值处理与知识处理的集成功能基础上，发展到集成化智能CAD阶段（I2CAD）[9]；它是面向CIMS的智能CAD系统，可对设计过程提供一体化的计算机支持。该系统在CIMS环境下对产品进行设计，在设计型专家系统提供知识处理自动化的基础上，实现决策自动化，即帮助人类设计专家在设计活动中进行决策。需要指出的是，这里所说有决策自动化决不是排斥人类专家的自动化，恰恰相反，在大规模集成环境下，人在系统中扮演的角色将更加重要[9]，人类专家将永远是系统中最有创造性的知识源和关键性的决策者。因此，CIMS这样的复杂巨大系统，必定是人机结合的集成化智能系统，与此相适应，面向CIMS的智能设计走向了智能设计的高级阶段——人机智能化系统[9]。这个系统面向整个设计过程，具有创新设计功能，是针对大规模复杂产品设计的开放的软件系统，它是面向集成的决策自动化，是高级的设计自动化。
5．面向产品寿命周期全过程的可信性设计
随着科学技术的发展和日益增长的社会需求，产品的类型、规格及性能迅速地发生变化，产品的寿命周期越来越短。人们对产品质量要求的含义也在不断变化，不仅要满足功能要求，对可信性、安全性、可靠性、合理的寿命、方便使用和维护保养条件与方式也提出了更高的要求，并要符合有关标准、法律和生态环境要求及满足用户非物质功能的要求等等。为贯彻这些标准和要求，需要设计、制造、管理、维护、使用等一系列环节有严格的技术措施加以保证，其中最重要的是设计、制造水平，因为产品的质量是设计和制造出来的，而不是检验出来的。因此，现代设计技术的重要内容之一就是面向产品寿命周期全过程进行可信性设计，以满足市场与用户对产品质量的要求。可信性设计主要包括：可靠性设计，安全性设计、防断裂设计、疲劳设计、防腐蚀性设计、减摩和耐磨损设计、动态分析与设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计和维修保障设计、人机工程设计等等。针对不同产品和各个设计阶段拟采用其中某些适宜的、有效的可信性设计技术与方法，以解决设计中各个具体的和总体的要求，把产品的设计从经验的、类比的、静态的传统设计提高到全方位的获取信息，并结合运用其他现代设计理论、方法和手段、进行动态的、多变量的全过程的可信性优化设计。
6．多种设计试验技术的综合运用
为了有效地验证设计目标是否达到和检验设计过程、制造过程的技术措施，全面把握产品的质量信息，做到万无一失，在设计全过程中对产品进行必要的、针对性的试验是不可忽视和超越的。在产品的设计过程中，人们根据不同产品的特点和需要，通过物理模型试验、动态试验、可靠性试验、产品环保性能试验与控制等，获取相应的产品参数和数据，为评定设计方案的优劣和几种方案的比较提供一定的依据，也为开发新产品提供有益的基础数据。
物理模型试验通常以样机进行台架试验或现场的工业性试验，以验证产品的性能。对于某些大型设备复杂的基础零部件，如大型水轮机机壳、锻压机横梁等制成相似的模型进行模型试验，以采集、分析、整理所需的设计信息与资料。
动态试验运用电液伺服技术、计算机控制技术等现代试验手段在试验中再现实测的随机载荷谱，对产品进行动态性能试验。可靠性试验是为了提高产品的可靠性、评价和验证产品的可靠性而进行的关于产品失效及影响的各种试验，并用概率与数理统计方法对试验数据进行处理，从而得到或增长产品的可靠性指标。产品环保性能试验与控制，是以检测、控制产品的污染（如噪声、振动、废气、废水的排放量、光辐射等），达到保护生态环境、人机和谐的一种试验、控制技术。它是绿色产品设计的重要内容，也是清洁化生产过程不可缺少的环节，对人类资源的有效利用、社会持续发展等影响极大。
由于计算机、信息科学的发展与渗透，在先进制造技术的推动下，现代设计试验技术的概念与范围已发生了变化与延伸。人们不仅需要针对具体的模型进行物理性试验，还可以借助强大功能的计算机软、硬件条件，在建立一系列数学模型的基础上对产品进行数字仿真试验和更高级的虚拟现实的试验，实现在计算机或计算机网络系统上模拟产品的运行情况、预测产品的性能；亦可运用快速成形技术，直接将CAD数据在计算机控制下，将材料快速成形为三维实体模型，该模型可直接用于设计外观评审或装配试验，或将模型转化为工程材料制成的功能零件进行性能测试，以便确定和改进设计。
综上论述也可以说，现代设计技术是以传统设计理论与方法为基础，以计算机广泛应用为标志，具有信息时代特征的一种设计技术。工业发达国家和先进企业成功的大量事例表明，现代设计技术的推广应用所取得的技术、经济和社会效益，集中体现在大大提高产品的质量，缩短设计周期，降低成本，并且有效地节约资源，保护生态，创造人类持续发展的和谐环境。
2.4现代设计的发展趋势展望与思考
2.4.1发展趋势展望
由于国际化市场的激烈竞争和用户对产品的功能、质量、价格、供货期、售后服务等要求越来越高，以及高新技术的飞速发展，以信息科学与微电子技术为代表的现代科学技术对制造业的渗透、改造和更新，使传统的制造技术演变成为一门涵盖从产品设计、制造、管理、销售到回收再生的全过程，跨多个学科且高度复杂化、集成化的先进制造技术。柔性自动化，智能化，并行工程，虚拟制造，精密、微细加工等，是当今先进制造技术的发展趋势。现代设计技术是现代制造技术的主体技术之一，也是先进制造技术的核心与灵魂，必将伴随着先进制造技术的发展，计算机和信息技术的进步，制造业生产模式的变革，竞争与合作的全球化，人们对生态环境、资源的关切和对产品品质多样化等方面的要求，而发生着深刻的变化。展望现代设计技术的发展趋势，大致有以下几方面：
1）设计过程的数字化，不仅要完善工程对象中确定性变量的数学描述和数学建模，而且更要研究非确定性变量，包括随机变量、随机过程、模糊变量（人的智能、经验、创造力、语言及政治、经济、人文等社会科学因素）等的数学描述和数学建模。
2）设计过程的自动化和智能化研究。健全、研究、发展各种类型的数据库、方法库和知识库，及自动编程、自学习、自适应等高级商品化软件的研制，如研究设计知识、数据、信息的获取与处理技术、智能CAD人工神经网络专家系统的模型和应用软件等。
3）动态多变量优化和工程不确定模型优化（模糊优化）、不可微模型优化及多目标优化等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广义工程大系统的优化设计的研究。
4）网络化并行设计及协同设计技术、方法及软件的研究。
5）虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术的深入研究，是一种以计算机仿真为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、人机工程、材料、成形工艺、光电传感技术和多媒体技术为一体的综合学科研究。
6）大力普及、推广与发展CAD技术的应用研究，其重点是研制开发功能强的商品化软件。
7）面向集成制造和分布式经营管理的设计方法、人员组织及规划的研究。据参考文献[11]介绍，企业的成功中只有20%来自技术方面，不低于80%依赖于如何组织和设计生产过程。这也是美国、日本大公司成功的一条经营之道。如，近年来出现的并行工程（Concurrent Engineering——CE）、精益生产（Lean Production——LP）、灵捷制造（Agile Manufacturing——AM）、准时生产（Just－in－Time）、质量功能配置（Quality Function Deployment——QFD）等生产管理中的设计技术，应依据国情和市场的动态变化研究将这些技术贯彻到生产过程中。
8）微型机电系统的设计理论及设计方法和技术的研究，如智能计算、纳米技术、微型机器人系统及微型机械系统的设计计算。
9）面向生态环境的绿色设计理论与方法的研究，如绿色产品的设计、清洁化生产过程的设计、产品的可回收性设计等。
10）注重基础性设计理论及共性设计技术的深层次研究。基础性设计技术，如动态设计、疲劳设计、防断裂设计、减摩和耐磨设计、防腐蚀性设计及运动学、动力学、传动技术、弹塑性理论等，是许多现代设计技术的知识源泉和数学建模的理论基础。美国的基础研究是当今世界领先的，制造技术也处于世界领先地位，设计基础技术研究成果为制造业提供了丰富的元知识和领域知识，这是美国推出一代又一代产品参与市场竞争的支柱。美国把制造业和产品向国外推销时，供给的是企业的产品制造部分，而其研究开发的知识源则牢牢控制在国内。例如，人们熟知的美国格利森公司对准双曲线齿轮的设计制造技术是一个看不见的“黑箱”（根据工况，算出机床调整参数，从而加工出齿轮），尽管人们渐渐掌握了格利森加工机床的内部构造，但格利森公司对“黑箱”采取了非公开政策，因而至今他们对准双曲线齿轮的设计制造技术仍然处于世界绝对领先地位。设计中的共性技术与方法，如数学描述、建模、仿真和优化及试验方法等，也是设计中的关键技术，它涉及到CAD、可靠性设计、安全性设计、模糊设计、绿色设计、反求工程、图像处理、专家系统、人工神经网络等信息和知识的获取、组织、传递及使用共享。
2.4.2思考与建议
先进制造技术是美国人在他们制造业发展进程中为促进国家经济的发展于80年代末期提出的，通过研究涌现出许多制造技术、设计技术和管理技术。我国近几年在这方面也开展了广泛的研究，取得了许多瞩目的成就，其中有些项目的研究已接近或达到世界先进水平；但从总体情况看与工业发达国家相比尚有较大差距，主要表现在先进制造技术大部分依赖引进，许多精密设备，（如数控机床）、仪器、特大型载重汽车和挖掘机、不少机电产品的核心部件（如电冰箱和空调的压缩机、录像机和复印机的磁鼓等）也依赖进口或合资生产，自主开发的产品份额不大，自主版权（自己的知识产权）的设计软件也不多（如至今我国还没有自主版权现代轿车总体设计软件）[12]。这些技术与产品性能上的差距，通常不仅表现在制造工艺上的差距，也表现在现代设计技术诸方面（特别是基础性设计技术）的研究力量较弱和新产品（硬件与软件）设计开发能力较弱。为了尽快缩短差距，赶超世界先进水平，我们应依据国情，发挥社会主义制度的优势，统筹规划，加强现代设计技术的基础理论、共性的理论、方法、技术的研究，例如，通过对产品动态特性、疲劳强度、可靠性、稳定性等的物理试验、仿真试验、市场信息和已有经验的获取以及数学建模、几何建模，知识表示与推理，优化方法等的研究，建立产品的静态和动态数据库，知识库、方法库。因为没有可靠的数据，设计中的数学建模及其仿真是不可信的。现代产品的设计是基于知识的设计，没有知识含量和缺乏最新信息的设计，就不可能设计出先进的适应市场的产品，没有现代科学技术与方法的运用，也不可能设计出高技术含量的产品。所以，数据和知识的获取以及现代科学技术与方法的运用就成为现代设计重要的共性问题。在加强设计基础技术与共性技术研究中应瞄准现代设计技术的前沿（如虚拟设计与快速成形技术、纳米技术等）；应把研究的课题伸向工程，加强面向工程和产品设计中的关键技术的研究，并及时总结基础技术的研究成果，将其转化为现实的生产力。应把对传统的设计理论、方法及技术的研究与创造新理论、方法和技术结合起来，积极推广新的设计技术与方法，扩大自主开发产品和CAD软件的质量与数量，提高其在国际市场中的竞争力，创造良好的经济效益和社会效益，使我国的现代设计技术尽快步入国际先进行列。
健壮设计原理
1.产品质量特性
产品质量特性，按人们期望的数值种类，有以下几种：
（1）望目特性 希望特性值存在一个目标值m（m≠0），并希望实际的特性值围绕目标值波动，波动量越小越好。例如，机械零部件的制造尺寸及配合公差等。
（2）望小特性 希望这种特性越小越好（但不取负值），波动也越小越好。如零件的磨损量、机器的噪声、振动等。
（3）望大特性 这种特性要求其数值越大越好（亦不取负值），波动也越小越好。如机器的效率、构件的强度和疲劳寿命等。
质量特性又可分为动态特性和静态特性两种。动态特性的数值一般随输入信号和环境条件的变化而变化。静态特性则反之。动态特性数值随输入信号的变化而改变的 称为主动型动态特性；而另外一类随环境或用途变化而变化的特性则称为被动型动态特性。例如汽车的操纵特性，机床的切削特性都是主动型，而像传感器的测试特 性等都是被动型的。
2.质量波动及其影响因素
影响产品质量特性波动的因素很多。按照人们能否可以控制、可否明确其影响的等级和水平可分类如下。
（1）可控因素 可控因素是指大小（或水平）可以比较，且可人为地选择或控制的影响因素。例如，零件的表面质量特性值——粗糙度，在同一机床条件下，其数值与刀具几何形状 参数、零件加工时选用的切削速度、进给量等有关。这些量就是评定机床加工质量特性的可控因素。
（2）标示因素 是指使用产品时外界环境因素、使用条件等。它们的数值大小（或水平）在技术上虽然可以确定，但不能主观加以选择和控制。例如，动力电源的电压和频率、环境温度和湿度等，一般不是人们所能改变的。
（3）信号因素 是为实现某种需求而选取的对产品输入的改变，它是按专业需求和实际经验而加以确定的，不能任意指定。例如，汽车的转弯半径与方向盘的转角有关，这个转角就 是信号因素。一般要求信号因素的水平应容易改变，且与产品的输出特性呈线性关系，以利于产品特性的校正与调整。
（4）区组因素和误差因素 区组因素有大小（水平）之分，但并无技术上的意义。它是试验设计时为减少试验误差而确定的因素。例如，加工零件时不同操作者、不同原材料、不同班次、不同设备等。
误差因素是除上述因素外，对产品质量特性有影响的其他因素的总称。
进行健壮设计时，设计人员应找出对质量特性可能最有影响的若干因素，并在明确标示因素水平并考虑其影响的基础上，采用三次设计方法，调整可控因素，找到最 佳因素组合，使产品的质量特性在误差因素水平影响较大的情况下，达到质量特性最稳定。再运用输入信号因素变更，达到所需的质量特性值。最后，通过控制对特 性稳定贡献最大的误差因素，达到设计出质量好、成本低的产品的目的。
3.信噪比
信噪比（Signal-Noise Ratio——SN比）作为通信系统的质量指标，已经有近百年的历史。日本学者田口玄一博士把SN比的概念引入试验设计技术，用于系统或产品的开发设计。
（1）SN比的定义 设产品的质量特性γ在诸因素的作用下为一随机变量，它的数学期望为μ，方差为σ2。一般情况下，希望μ值越接近目标值越好；同时也希望σ2值越小越好，因为σ2值反映的是实际特性值偏离μ值的离散程度。
在概率统计学中，常用变异系数γ
γ=σ/μ
来表示实际值可能偏离μ值的程度。在三次设计中，引入了一个新的评定指标η’
η’=μ2/σ2
用来评定产品质量特性的稳定性。因为在μ一定的情况下，σ2 越小，η’值越大。所以，η’值越大，质量特性波动越小。把式中μ2值看作信号，σ2值看作人们不希望有的噪声。因而，称η’为信噪比，用作反映产品或系统质量稳健性的重要指标。
在实际计算中，模仿通信理论中的处理方法，将η’值转化为分贝值（dB）值。用下式计算
η=10lgη’
这样做的目的是使η值较接近正态分布，且使效应也基本具有线性可加性，便于今后用方差分析的方法进行统计处理和分析。
（2）各类质量特性值的SN比计算式
1）望目特性值的SN比计算式。若对n件产品，测得望目特性Y的数据为
y1，y2，…，yn
则μ、σ的无偏估计分别为
式中，Ve为方差σ2的无偏估计量。但是，μ2的无偏估计不是 ，而是
引入下面的记号
则μ2的无偏估计量为
SN比的估计量为
以分贝（dB）表示的SN比为
2）望小、望大特性值的SN比的计算值。设产品的质量特性值Y-N（μ，σ2），对于望小特性值是希望Y越小越好，因此也等价于μ越小越好；同时也希望波动越小越好，即希望σ2越小越好。为此，可令望小特性值的SN比值为
η’=1/（μ2+σ2）
此时，η’越大，对应于μ2、σ2越小，即产品质量特性值和波动均为最小。
由统计理论可知，
若Y的n个观测值为 y1，y2，…，yn，可知E（Y2）的无偏估计为
于是，η’的无偏估计为
SN比的分贝值为
此即为望小特性SN比的计算式。
对于望大特性的SN比的计算式，只要将特性值Y取倒数，即可按望小特性值处理。不难求出，望大特性值的SN比的分贝值计算式为
3）动态特性值的SN比计算式。设产品的动态特性值为Y，其均值μ随着信号M的变化而变化；同时，信号因素M与μ为线性关系，且
μ=α+βM
由于存在误差因素的干扰，动态特性的实际值
μ=α+βM+ε
式中 ε——误差因素引起的误差，一般服从正态分布ε-N（0，σ2）。
对于动态特性，希望信号因素的线性效应的影响越大越好，即|β|要大；而各种内外干扰的影响越小越好。因此，可定义动态特性的SN比为
式中 β——输出特性值Y的线性系数；
σ2——误差的方差，表示误差因素变化产生的影响大小。
利用一元线性回归理论及方差分析可求得β的估计值和误差方差估计值σ2。最后，通过变换后可得到用分贝表示的信噪比计算式
4.灵敏度的估计公式
信噪比公式中的μ是反映平均特性的指标，称为灵敏度。它的无偏估计为
同样，灵敏度SN比分贝值的计算式为
5.三次设计
三次设计，即系统设计、参数设计和容差设计的总称。它和传统的产品的三段设计（方案设计、技术设计和施工设计）有一定的交叉。通过三次设计使产品具有健壮性。
（1）系统设计 它是产品的总体设计、结构方案选择，是以专业技术为中心的一种设计。正确地选择系统总体和结构方案是产品健壮性设计量关键的第一步。
例如，在摩擦装置的系统设计中，其工作原理、力的传递形式及摩擦副材料的选择均对系统的稳健性起着重大的作用。
工作原理稳定的摩擦装置，可确保其功能特性，并可使各性能参数（质量因素）对摩擦系数、几何参数和部件的其它原始参数的变化敏感性最小，即各个零件之间的关联为最小，稳定的结构还能使得性能参数随磨耗程度仅有很小的变化。
性能好的摩擦副材料可使摩擦部件承受外部作用的可靠性、稳定性增强。对于摩擦材料的选择，应能保证在摩擦表面形成性能稳定的过渡层，还应使摩擦副的金相组 织保持稳定。这就要求摩擦材料的性能，如耐热性要高、耐磨性要好、摩擦系数与载荷因素，特别是与温度的关系要小。只有对温度敏感性小才能够在广泛的温度范 围内，调整和稳定部件的摩擦性能，并能摩擦副磨合迅速，在长时间中断工作后，性能变化小，稳定性高。
由上可知，系统设计是产品稳定性设计的关键。它不仅可确保摩擦装置功能特性，还能在相当程度上考虑温度、摩擦系数、磨损程度等性能参数对装置性能的影响，保证各性能参数交互作用小，为装置具有一定水平的性能可靠性和稳定性奠定了基础。
（2）参数设计 它是以寻找质量特性稳定性为目标，同时考虑质量特性与成本，运用正交试验设计方法，利用产品质量特性值的非线性原理，以减小特性值波动为目标的一种非线性设计。通过设计奠定实现产品质量特性要求的最佳参数组合。
（3）容差设计 它是在参数设计给出最优影响因素组合的基础上，确认调整因素，将调整因素调至最优值，使输出特性均值最大限度地靠近目标值，并在成本和质量功能之间权衡，确定各因素最合适的容差。
6.内外表设计
在田口的三次设计方法中，正交表的选择和应用有很多技巧，限于篇幅，不可能作详细介绍，读者可参阅参考文献[51]。
在正交试验设计方法中，安排可控因素的正交表称为内表，相应的设计称为内设计。安排误差因素的正交表称为外表，相应的设计为外设计，合称内外表设计。