机械设计方法

2概念设计的建模和推理优势设计

设计的评价与决策

概念设计的建模和推理概念设计具有明显的过演化特性，建模和推理是促进演化的有力概念设计的基本特性设计问题的不良结构特性——在概念设计阶段，设

计要求往往是不精确和模糊的，且随着设计过程的推进不断地细化和明确，因而设计要求的更新成为设计过程的一部分。这种不精确和模糊的设计要求通常被称作不良定义(Ill-defined)的设计要求，而由

其定义的设计问题称作不良结构(Ill-structured)问题。这类问题具有下列明显特征:对所

解决方案没有明确的检验标准;问题空间不明确或问题相关信息模糊;没有明显的知识规则。概念设计的基本特性设计问题的有限理性——概念设计是一种人为的主观活动，包含了大量的决策过程。由于给定的设计要求往往是不精确的，且设计者的认知能力有限，因此，概念设计通常是在有限理性(Boundedrationality)下进行的。在有限理性下，设计者的决策往往基于满意准则，所获得的结果也往往是满意解。由于求解基于满意准则，因而启发式方法被大量应用。概念设计的基本特性设计对象的可分解性——类似于一般复杂系统能够分解为若干子系统，设计对象也可以进行相应的分解。可分解性不仅是概念设计求解的前提，也使得多解成为可能。这种可分解性与人类对事物的认识是一致的。在工程产品设计中，产品的功能可分解为子功，子功能可进一步分解为元功能;对应地，产品的结构也可分解为子结构，子结构可进一步分解为元结构。系统化概念设计方法正是基于这种可分解性

。概念设计的基本特性设计过程的演化特性——主要体现在:环境适应、信息变化和过程迭代。环境适应

设计必须考虑设计对象所处的外部环境。只有设计对象适应其外部环境时，才能实现设计的目标。设计要求中包含了外部环境对设计对象的要求，如性能等。如果外部环境发生了变化，设计对象不一定能完成预期的目标，需要进行重新设计。信息变化 设计过程中设计信息由抽象到具体的演进。概念设计始于抽象的功能要求，终于具体的结构方案。在这一过程中，设计信息由抽象变得具体，设计知识也在不断地增长。过程迭代 设计过程的不断细化和逐步求精。概念设计问题不存在良好定义的初始空间、目标空间和状态空间，难以一次获得设计解。从控制角度看，设计过程形成了一个具有反馈的闭环。每一闭环构成一个设计周期，每一周期的目的都是减少当前状态与目标状态的差异。通过这种差异减少的递归，最终获得所需的解。概念设计的基本特性设计过程的创新性——创新是概念设计的

。概念设计既有较低层次的可计算逻辑过程参与，也包含形象、

、灵感等较

次的非逻辑过程，是一个逻辑与非逻辑互补的过程。尤其对于其中的创新行为，非逻辑过程更具有现实性和不可替代性。对于同一设计问题，不同的设计者将获得不同的设计结果，而即使同一设计者在不同情境下也可能获得不同的设计结果。这种随机性导致概念设计过程异常复杂，体现出了极高的智能性。机械产品概念设计机械产品概念设计包括概念设计方案生成和概念设计方案评价两个主要阶段，近年来，涌现出一大批有关这两个方面的解决技术和解决工具。概念设计方案生成包括两方面的内容:一是对产品的描述，建立概念设计产品信息模型，即建模问题;二是选择合适的方法对所建立的产品信息模型进行求解，生成概念设计方案，即推理问题。建模问题机械产品概念设计过程中的一个难题就是对产品的描述，即建模问题。产品信息建模技术是关于设计对象的计算机抽象描述和表达。一般来说，通常采用面象的方法，从不同的方面对产品进行描述。概念设计过程计算机表达的主要形式有:语言、几何模型、图/树、对象、知识及图像等。面向人语言几何图/树对象知识

图像/

语音面向计算机常用概念设计建模方法比较表概念设计的重点：建模问题概念设计阶段研究的重点是产品信息建模，即如何采用合适的方法对概念设计过程进行恰当的描述、表达和操作，使其更充分体现产品特征、满足用户需求，同时符合设计人员的设计，有利于产品创新。推理问题概念设计的推理问题就是采用合适的方法对概念设计过程进行求解，得到概念设计方案。概念设计方案生成的推理过程有数据驱动和知识驱动两种。推理技术的选择取决于求解过程是需要大量的数据(数据驱动)还是关于领域的先验知识

(知识驱动)。概念设计中常用的推理技术数据驱动的：神经网络基于实例的推理定

理知识驱动的:基于知识的推理优化基于规则的推理类比推理推理技术之神经网络法的获得，工程设计通常用于分类任务以及联想中常用于设计分类。神经网络依靠神经元之间的广泛互连，具有很强的鲁棒性及泛化能力，适合处理非线性问题。但神经网络的数据需求量大、训练时间长等问题严重影响了它在实际中的应用。推理技术之基于实例的推理它是人工智能发展过程中出现的区别于基于规则推理的一种推理模式，它应用

在计算机中的过去习能力，经验解决与之类似的当前问题。基于实例的推理技术表达能力强，有但是需要大量的良好实例。推理技术之定

理法定理是用符号和连续变量区间找到可行的设计空间。在数值信息较少的概念设计早期，适合使用定性分析。相比之下，定

知识的属性划分理易于实现，但定

理过程中，。推理技术之基于知识的推理包括:归纳推理、演绎推理、基于约束的推理和非单调推理。基于知识的推理技术容易实现，但知识的获取。推理技术之优化概念设计中的优化问题多是组合优化问题，即求满足一定功能需求和设计约束的最优解的过程。除了经典的方法外，还可以利用人工智能、计算智能领域的一些工具或从生物进化、物理过程等中受到一些启发，研究组合优化的新算法。推理技术之基于规则的推理基于规则的推理包括两个部分:前提和结论。前提是条件，当条件为真时，规则被激活;结论是规则激活的结果，当规则被激活时，它就为真。规则的激活通过增加或修改事实来影响知识库。基于规则的推理技术易于实现，但基于规则的系统

求解问题时，总是试图用规则库中的规则进行匹配，如果匹配不成功，则宣布该问题无解。推理技术之类比推理类比推理是一个检索和传递的过程，检索与当前问题相关的熟悉问题或方案等知识，并传递该知识。类比推理容易实现产品的创新，但知识抽象与相似性的判定

。方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例方案设计的实施例系统级机电系统的结构组成方案设计的实施例搬运物体机器人信息处理与控制系统功能模型知识表达方案设计的实施例方案设计的实施例优势设计优秀的设计未必是优势设计优势设计有关著作或文献黄靖远

编著

:机械工业

，《优势设计》•东

轻

工

业,宫

涛,范维华：产品创新与优势设计，山学

院

学

报，

：机械优势设计的原理与实现，机械•赵新军：优势设计思想及其技术

，机械研究与应用优势设计产品系统设计过程中遇到的最重要的哲学思想问题就是关于“创造性”的问题。这种“创造性”不是简单的从个人

出发的设计，也不是为追求某种品味的设计，更不是单纯追求创新的设计。优势设计有着明显的特点：是一种面向市场的设计；是一种

性分析、

、判断和决策；是一种对自然法则深刻认识基础上的优势发现和发展

。黄靖远编著《优势设计》第1章绪论21世纪将面对“激烈的世界性的经济竞争”国家竞争优势和工业产品的竞争优势竞争的优势从哪里来竞争的优势还要从优势设计来获得知识经济时代更强烈呼唤“创新产品”设计6.

改善设计工作

的未来是至关重要的第2章

优势设计优势设计概述设计与文明为竞争的优势而设计近代设计科学的重大发展机械设计概述设计的四个等级优势设计的基本思想和主要特点黄靖远编著《优势设计》第3章优势设计的具体内容优势分析优势设计的哲学基础优势设计的物理学基础优势设计的主要工作环节和工作内容优势决策第4章功能原理设计机器的功能和功能原理机械产品的功能原理设计功能原理设计的工作特点和工作内容功能、功能单元和功能结构功能原理的发展历史及其基本类型两种动作功能及其对应的求解思路工艺功能及其对应的求解思路黄靖远

编著

《优

计》第5章

实用化设计中的

和KNOW设计和Know

How和Know

How实例第6章实用化设计中的人机工程设计1.2.3.4.人机工程学概述人机系统适应性问题舒适性问题人和环境的协调人在企业(或公司)环境中的创造性和积极性的发挥第7章商品化设计中的产品造型设计工业产品造型设计概述工业产品艺术造型的设计原则工业产品造型设计的造型工业产品造型设计的美学原则黄靖远编著《优势设计》第8章商品化设计中的降低成本的设计检查功能原理和实用化设计是否合理用“价值分析”方法降低成本从采用合理的工艺方法来降低成本采用“优秀结构设计”(Know

How)来降低成本从生产管理和经营方式来降低成本第9章创造性设计创造性机理ligence

Quotient)创造性知识基础情绪智商(Emotional

In创造性思维规律和创造性技法10.创造性参考文献设计的评价与决策严格科学的评价是产生正确设计决策的基础设计的评价与决策工业设计所要解决的是复杂、多解的问题,解决这种多解的问题,通常的步骤是:分析—设计—评价—决策。设计评价的意义在于自觉控制设计过程、把握设计方向,以科学的分析而不是的感觉来评定设计方案,为用户提供评判设计构思等的依据,从而提高设计效率。设计的评价与决策对于给定的设计任务、功能要求和约束,可以有多个不同的设计方案,此时应该选择1

个最佳的方案进行详细设计,这就需要对这些方案进行评价。目前比较常用的有技术———经济评价法、价值工程方法、形态学矩阵法、层次分析法、模糊综合评价法等。结合建模和仿真分析介绍田口方法。评价决策的一般步骤概念设计方案评价概念设计是一个复杂、不完全确定、创造性的设计推理过程。设计方案评价是产品概念设计过程中一个非常重要的环节，它是概念设计过程决策的重要依据。概念设计方案评价过程主要特点多目标性——概念设计方案评价中需要同时考虑多个评价指标，方案评价过程要

各个评价指标的作用及相互之间的影响。多层次性——概念设计方案评价问题的评价指标一般较多，而且评价指标间往往具有一定的层次结构，从而构成概念方案评价的指标体系。不确定性——概念设计过程的信息通常具有很大程度的不完全、不确定及不精确性，许多性能指标往往不具有严格的标准或清晰的边界，方案评价所需的知识通常具有多义性和不确定性。常规的方案评价方法模糊评价法层次分析法价值工程法综合评价法方案评价方法之模糊评价法概念设计过程的设计信息具有很大程度的不确定性，对不确定信息的处理是概念设计阶段方案评价的关键。在进行机械产品概念设计的方案评价时，由于评价指标较多，它们往往很难用定量分析来完成，只能用“很好”、“好”、“一般”、“差”、

“很差，，等模糊概念来评价。模糊集合对

不确定性进行建模，将评价中的模糊信息数值化，进而进行定量评价。概念设计方案评价的特点以及模糊集合理论对不确定信息的处理能力，使模糊集合在概念设计的方案评价和决策中得到了越来越广泛的应用。但使用模糊评价方法将定性指标量化的过程仍不可避免决策者判断的影响，降低了评价结果的客观性。方案评价方法之层次分析法层次分析法由

运筹学家Saaty教授在20世纪70年代提出，是广泛应用的系统分析的数学工具之一。它将人的思维过程层次化、数量化，并用数学方法为分析、决策、预报或控制提供定量的依据。这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法，尤其适合于对决策结果难于直接准确计量的场合。层次分析法在很多领域的评价决策方面得到了广泛性，但它的应用，’其评价结果也具有一定的对问题的评价决策是建立在人的基础之上的，不可避免地具有一定的经验和判断的性。方