小人法 现代设计方法

小人法摘要 本文简述了设计的概念和内涵，涉及的内容和研究对象。由于传统设计不能满足人们的需要，对比传统设计和现代设计，进一步提出现代设计的目标和特点。最后介绍了现代设计的经典理论TRIZ理论，主要详细介绍了小人法，以及小人法的应用举例。1.设计的概念和内涵“设计”一词有广义和侠义两种概念。从广义上来讲，设计就是将人类的理想变为现实的实践活动。从侠义上来讲，设计是指完成满足一定客观需求的技术系统的活动，该技术系统包括图纸、软件程序、其他技术文档等。从一般意义上来讲，技术系统是指完成某个特定功能或职能的各个事物的集合，产品就是人造技术系统。产品设计即属于“设计”侠义概念的范畴。关于设计的含义，可以综合理解为：为了满足人类社会的要求，将预定的目标通过人们的创造性思维，经过一系列规划、分析和决策，产生载有相应的文字、数据、图形等信息的技术文件，以取得最满意的社会和经济效益。然后，或通过实践将设计转化为某项工程，或通过制造将设计转化为产品，造福于人类。产品设计过程从本质上来说就是创造性的思维与活动过程，是将创新构思转化为有竞争力的产品过程。随着科学技术和生产力的不断发展，设计和设计科学也在不断向更深更广的层次发展，其内容、要求、理论和手段都在不断更新，设计的内涵和外延也都在扩大。设计不再仅仅是考虑构成产品的物质条件和能够满足的功能要求，而是综合了经济、社会、环境、人机工程学、人的心理、文化层次等多种因素的系统设计。从设计内容上看，设计贯穿了产品从孕育到消亡的整个生命周期，涵盖了需求获取、概念设计、技术设计、详细设计、工艺设计、营销设计及回收设计等设计活动，并把实验、研究、设计、制造、安装、使用、维修作为一个整体来进行规划。当今世界，由于科学技术的飞速发展，新的领域不断被开辟出来，新技术不断涌现，促进了经济的高速发展。同时，也是企业间的竞争日益激烈，而且这种竞争已成为世界范围内技术水平、经济实力的全面发展。随着对客观世界的认识深化和生活水平的提高，人们对产品的要求也越来越高。所有这些使人们对设计的要求发展到了一个新的阶段，具体表现为以下几个方面：（1） 设计对象由单机走向系统；（2） 设计要求由单目标走向多目标；（3） 设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域；（4） 承担设计工作的人员从单人走向小组；（5） 产品更新速度加快，使设计周期缩短；（6） 产品设计有自由发展走向有计划的发展；（7） 设计的发展要适应科学技术的发展，特别是适应计算机技术的发展。因此为了满足人们的需求，现代产品的设计不仅依赖于自然科学技术，而且还受到社会科学和社会因素的支配与影响。这就是说，现代产品的设计，除了要求考虑技术方面的因素外，它还要求设计者应将“产品人环境社会”视为一个完整的系统。设计时，必须从系统角度来全面考虑技术领域，还要考虑经济、社会效益；不但要考虑当前，还要考虑长远发展。2. 设计方法学研究对象和内容2.1设计方法学的研究对象设计方法学是以系统的观点来研究产品的设计程序、设计规律和设计的思维与工作方法的一门综合性学科，它是现代设计方法的一个重要组成部分。设计方法学主要研究的内容有：（1） 设计对象。设计对象是一个能实现一定技术过程的技术系统。能满足一定需要的技术过程不是唯一的，能实现某个特定技术过程的技术系统也不是唯一的。影响技术过程和技术系统的因素有很多，设计人员应该全面系统地考虑、研究并确定最优技术系统，即设计对象。（2） 设计过程和程序。设计方法学从系统观点出发来研究产品的设计过程。在设计方法学中，产品即设计对象被视为由输入、转换、输出三要素组成的系统，重点讨论将功能要求转化为产品结构图纸的这一设计过程，并分析设计过程的特点，总结设计过程的思维规律，寻求合理的设计程序。（3） 设计思维。设计是一种创造性活动，设计思维应该是创造思维。设计方法学通过研究设计中的思维规律，总结设计人员科学的、创造性的思维方法和创造性技法。（4） 设计评价。设计方案的优劣评价，其核心是设计评价指标体系。设计方法学研究和总结评价指标体系的建立，以及应用价值工程和多目标优化技术进行各种定性、定量的综合评价方法。（5） 设计信息管理。设计方法学研究设计信息库的建立和应用，即探讨如何把分散在不同学科领域的大量设计知识、信息挖掘并集中起来，建立各种设计信息库，使之可通过计算机等先进设备方便快捷地调用参考。（6） 现代设计理论与方法的应用。为了改善设计质量，加快设计进度，设计方法学研究如何把不断涌现出的各种现代设计理论和方法应用到设计过程中。2.2设计方法学的研究内容设计方法学以系统工程的观点分析设计的战略过程和设计方法与手段，在总结设计规律、启发创造性的基础上促进研究现代设计理论、科学方法、手段和工具在设计中的综合应用，对开发新产品、改造旧产品和提高产品的市场竞争力有积极的作用。设计方法学研究的内容包括以下几个方面：（1） 分析设计过程及各设计阶段的任务，寻求符合科学规律的设计程序。将设计过程分为设计规划（明确设计任务）、方案设计、技术设计和施工设计四个阶段，明确各阶段的主要工作任务和目标，在此基础上建立产品开发的进程模式，探讨产品全生命周期的优化设计及一体化开发策略。（2） 研究解决设计问题的逻辑步骤和应遵循的工作原则。以系统工程分析、综合、评价、决策的解题步骤贯穿于设计各个阶段，使问题逐步深入扩展，多方案求优。（3） 强调产品设计中设计人员创新能力的重要性，分析创新思维规律，研究并促进各种创新技法在设计中的运用。（4） 分析各种现代设计理论和方法，如系统工程、创造工程、价值工程、优化工程、相似工程、人机工程、工业美学等在设计中的应用，实现产品的科学合理设计，提高产品的竞争能力。（5） 深入分析各种类型设计如开发型设计、扩展型设计、变参数设计、反求设计等的特点，以便按规律更有针对性地进行设计。（6） 研究设计信息库的建立。用系统工程方法编制设计目录设计信息库。把设计过程中所需的大量信息规律地加以分类、排列、储存，便于设计者查找和调用，便于计算机辅助设计的应用。（7） 研究产品的计算机辅助设计。运用先进理论，建立知识库系统，利用智能化手段使设计自动化逐步实现。3.传统设计与现代设计传统设计是以经验总结为基础，运用长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。传统设计在长期运用中得到不断完善和提高，是符合当代技术水平的有效设计方法。分析传统的设计过程，可以看出传统设计的每一个环节都是依靠设计者用手工方式来完成的。首先凭借设计者直接的或间接的经验，通过类比分析或经验公式来确定方案，由于方案的拟定很大程度上取决于设计人员的个人经验，即使同时拟定几个方案，也难于获得最优方案。由于分析计算受人工计算条件的限制，只能用静态的、近似的方法，参考数据偏重于经验的概括和总结，往往忽略了一些难解或非主要的因素，因而造成设计结果的近似性较大，有时不符合客观实际。此外，信息处理、经验或知识的存储和重复使用方面还没有一个理想的有效方法，解算和绘图也多用于手工完成，这不仅影响设计速度和设计质量的提高，也难以做到精确和优化的效果。传统设计对技术与经济、技术与美学也未能做到很好的统一，使设计带有一定的局限性。这些都是有待于进一步改进和完善之处。总之，传统设计方法是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。显然随着现代科学技术的飞速发展、生产技术的需要的市场的激烈竞争以及先进设计手段的出现，这种传统设计方法已难以满足当今时代的要求，从而迫使设计领域不断研究和发展新的设计方法和技术。现代设计方法是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是传统设计的深入、丰富和完善。随着设计实践经验的积累，设计理论的发展以及科学技术的进步，特别是计算机技术的高速发展，设计工作包括机械产品的设计过程产生了质的飞跃。为区别过去常用的传统设计理论与方法，人们把这些新兴理论与方法称为现代设计。“现代设计技术”就是以满足市场产品的质量、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。现代设计不仅指设计方法的更新，也包含了新技术的引入和产品的创新。目前现代设计方法所指的新兴理论与方法主要包括优化设计、可靠性设计、设计方法学、计算机辅助设计、动态设计、有限元法、工业技术造型设计、人机工程、并行工程、价值工程、反求工程设计、模块化设计、相似性设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、摩擦学设计、绿色设计等。现代设计与传统设计的关系如下。（1） 继承关系。现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，它继承了传统设计的精华，克服了传统设计的一些不足。（2） 共存与突破的关系。设计方法的发展，都有着时序性、继承性，两种方法在一定时间内还会共存。当前的现代设计方法正处于在发展之中，可以预见，随着科学技术的进步必将有新的突破。4.现代设计的目标及技术特点4.1目标传统设计以经验、试凑、静态、定性分析、手工劳动为特征，导致设计周期长，设计质量差，设计费用高，产品缺乏竞争力。随着现代科学技术的发展，机械产品设计领域中相继出现了一系列新型理论与方法。这些新型理论与方法统称为现代设计方法。设计目标使设计对象即技术系统应该具有的总体性能。按照现代设计理论与方法进行产品设计，应能达到一下设计目标。（1） 功效实用性。这一般用系统总体的技术指标的形式提出，如产量、质量、精度等。（2） 系统可靠性。这是指系统在预定时间内和给定的工作条件下，能够可靠地工作的能力。（3） 运行稳定性。系统的输入量变化或受干扰时输出量不发生超过限度的或非收敛性的变化，而过渡到新的稳定状态。（4） 人机安全性。采取一切措施，保证人身绝对安全，使机器故障造成的损失最小。（5） 环境无害性。机器产生的噪声以及对环境的污染减小到无害的程度。（6） 操作宜人性。操作者工作时心情舒畅，不易疲劳。（7） 结构工艺性。系统的结构设计应满足便于制造、加工、装配、运输、安装、维修等工艺要求，特别是自动化的要求。（8） 技术经济性。一是评价一次投资变为系统或设备时，不同设计方案的经济性比较；二是评价保持系统或设备正常运行时，资源运用的合理性，如运用费用的经济性比较。（9） 造型艺术性。在保证功能的前提下，造型合乎规律，使人产生美感和时代感，提高精神文明水平。（10） 设计规范性。设计成果遵从国家政治、经济、政策和法令、法规，符合国家的技术规范化，贯彻“三化”。4.2现代设计技术特点在许多情况下，一个设计方案不可能同时满足所有的用户要求，而能满足同一用户要求的设计方案一般来说也不止一个，因此设计具有多解性。通常，设计不可能一次性完成后不再修改或不在新的条件下重新进行，设计要适应不同的条件和要求。设计的多解性为同类功能的产品适应不同要求提供了可能。设计既要满足用户对产品技术性、经济型、社会性的追求，又必须满足各个方面的约束条件，如加工和制造条件、使用和操作条件、保养和维修条件、运输条件等；设计还需考虑产品本身的系统特性，也即整机或成套的机械产品都是有零部件组成的，有竞争力的产品应该是用系统工程方法对合格的零部件进行科学的组合和合理的匹配的结果。设计还要面对市场和企业、技术和经济等系统性问题，即要求设计既要满足市场要求，又要考虑企业的发展；既要解决技术可行和产品可靠的问题，又要考虑经济问题；既要解决设计本身的方法、手段和关键技术问题，又要解决产品寿命周期中各个环节的技术问题等。为此，设计有必要在基于系统工程的现代设计方法学的指导下进行。各种设计都是程度不同的创新活动。科技成果不断以产品形式转化为生产力，设计是实现这一转化的关键环节。每一个开发性设计都意味着有新的科技成果被应用，每一次产品的改进都是一次创新，设计过程体现了设计者的创造性的劳动。从新的科技成果到新产品的出现，实现这一转化的成功关键在于设计者是否能以不断变化的市场需要为目标，充分发挥自己的综合分析和创新思维能力，善于把新的科技成果进行科学而巧妙的构思并应用到新的产品中去。概括起来，现代设计技术有如下特点。（1） 设计范畴扩展化传统设计只限于产品设计，现代设计则将产品设计向前扩展到产品规划，甚至用户需求分析；向后扩展到工艺设计，使产品规划、产品设计、工艺设计形成一个有机整体。另外，设计范畴的扩展还体现在面向“X”的设计技术，即在设计过程中同时考虑制造、维修、价格、包装、发运、回收、质量等因素。（2） 设计手段计算机化传统手工设计正在被计算机辅助设计代替。计算机在设计中的应用已从早期的辅助分析计算和辅助绘图，发展到现在的优化设计、并行设计、三维建模、设计过程管理、设计制造一体化、仿真和虚拟制造等。特别是网络和数据库技术在设计中的应用，加快了设计进程，提高了设计质量，方便了与其他部门或协作企业的信息交换。（3） 设计过程并行化 与产品有关各种过程的并行交叉进行，可以减少修改工作量，有利于加快设计进程，提高设计质量。又由于并行设计技术要求团队工作精神，要求各方面专家协同工作，因而有利于得到整体最优解。（4） 设计过程智能化 在传统设计过程中，一切创造性的设计都需要设计人员来完成。在现代设计中，可以借助人工智能专家系统技术，由计算机完成一部分原来必须有设计者进行的创造性工作。（5） 设计手段拟实化 在传统设计过程中，产品和零件的外观形状，只有在制造后才能看到。由于三维模型造型技术、仿真和虚拟制造技术以及快速成形技术的出现，使得在零件被制造前就能够看到其形状，可以在此基础上改进效果。（6） 分析手段精确化 传统设计中，认为载荷、应力是集中的，依靠加大安全系数来提高可靠性。但在实际中，载荷、应力往往是分布式的，并且提高安全系数并不总能提高可靠性。现代设计则考虑载荷、应力的分布特性，利用有限元等强大的分析工具，准确模拟系统的真实工作情况，得到符合实际的最优解。现代设计运用概率论，统计学方法进行产品的可靠性设计。（7） 集成设计环境 利用计算机工具软件，可以在系统集成测试与仿真环境下完成产品设计。将三维实体造型、有限元分析、多体动力分析、控制仿真等手段综合起来，建立产品的虚拟样机，以求得系统的整体最优解。（8） 强调系统的逻辑性和系统性 传统设计采用经验法和类比法，现代设计强调设计的逻辑性和系统性。例如，设计方法学中的功能分析法，以“功能原理结构”框架为模型，从抽象到具体，通过框架的横向变异和总想组合，运用“设计目录”来获得多种设计方案，再通过评比和优化，最终选出最佳方案。（9） 动态多变量优化 传统设计过程由于受设计手段的限制，一般只能进行静态分析。现代设计可以考虑载荷谱、负载率等随机变量，进行动态多变量优化设计。（10） 强调产品环保性 随着人们对环境问题的重视，要求环境保护的呼声越来越高，这就要求设计出绿色产品，使产品运行过程中污染小，对人体危害小。（11） 强调产品宜人性 现代设计除强调产品的内在质量外，还特别强调产品的外观质量，加美观性、时代性、艺术性等，使产品造型具有艺术感染力，令使用者心情舒畅、愉快，满足使用者的审美要求。（12） 强调用户参与 用户是产品消费者，仅靠市场调研的结果并不能完全反映用户的要求，所以现代设计强调用户参与设计过程，如此设计的产品才能反映用户的需求，取得用户的最大满意。（13） 强调设计阶段质量控制 现代质量控制理论认为，产品质量首先是设计出来的，其次才是知道出来的，所以应特别重视设计阶段质量控制，避免设计出来的产品在质量上先天不足。（14） 设计制造一体化 传统的设计和制造过程是分离的，从设计到制造要进过好几个过程，往往会造成信息的“误理解”；现代设计强调设计、制造过程的一体化的并行化，强调从设计信息到制造信息的顺畅传递、迅速反馈，设计和制造采用统一的数据模型。（15） 产品全寿命周期最优化 现代设计强调从市场调研、用户要求，到产品规划、产品设计、工艺设计、制造过程、质量控制、成本核算、销售价格、包装运输、售后服务、维修保养、报废处理、回收再利用等产品全生命周期的综合最优化。5.TRIZ理论之小人法及举例TRIZ理论以辩证法、系统论和认识论为哲学指导，以自然科学、系统科学和思维科学的研究成果为根基和支柱，以技术系统进化法则为理论基础，包括了技术系统和技术过程、（技术系统的进化方向）理论化等基本概念。TRIZ理论提供了分析工程问题所需的方法，包括矛盾分析、功能分析、资源分析和物场分析等。同时还提供了相应的问题求解工具，包括技术矛盾创新原理、物理矛盾分离原理、科学原理知识库和发明问题标准节法等。TRIZ理论针对复杂问题的求解提供了发明问题解决算法，同时TRIZ理论还包括了一些创新思维的方法，例如屏幕法、小人法、金鱼法等。当系统内的部分物体不能完成必要的功能和任务是就用多个小人分别代表这些物体。不同小人表示执行不同功能或具有不同的矛盾，重新组合这些小人，使它们能够发挥作用，执行必要的功能。通过能动的小人，实现预期的功能。然后，根据小人模型对结构进行重新设计。智能小人法是一种极好的工具，它可打破技术或专业术语导致的思维定势，并可用于在微观级别上分析系统。小人法能够更形象生动地描述技术系统中出现的问题，通过用小人表示系统，更容易解决问题，获得理想解决方案。小人法的步骤：（1）把对象中各个部分想象成一群一群的小人（当前怎样）；（2）把小人分成按问题的条件而行动的组（分组）；（3）研究得到的问题模型（有小人的图）并对其进行改造，以便实现解决矛盾（该怎样打乱重组）；（4）过渡到技术解决方案。为了防止走私核原料，海关在检查集装箱时会产生问题：一方面要快速准确地检查大面积集装箱内是否有核原料，往往需要很长时间；另一方面不能因为此项工作影响车辆通过海关的能力。建议利用小人法解决这个问题。将系统用许多小人表示执行不同的功能，然后重新组合这些小人，使小人发挥作用，解决问题。核原料为中间的黑头小人，四周被外壳小人包围。假想我们利用一种工具仪器或材料，其应该具备一定的特性，即工具仪器小人在通过外壳小人和黑头小人时表现出不同的特性，如其与外壳小人相遇时不改变前进方向，而其与黑头小人相遇时，则改变前进方向。实际应用中，可以选择高能粒子介子作为仪器工作小人，因为介子在核原料相撞时会偏离原前进方向，而与其他材料相遇时仍沿原来方向前进。这样可以快速探测集装箱内是否有核原料。普通的茶杯在喝茶时茶叶会顺水喝入口中，给喝茶造成许多的不方便。对茶杯的矛盾要求是：一方