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创新设计的科学

[2020-05-25 17:36   类别:大家·谈   来源:2014年第1期机械工程导报   作者:徐志磊]

一、造物和人造物

人类是智慧的动物,地球上自从有了人类,就使自然环境发生了翻天覆地的变化。今天我们生活的环境中,除了山水树林,周围每天看到的、用到的、接触到的东西,无不都是由人类自己创造出来的。即使山水树木也是在人类的思维设计指导下,发生着伟大的变革。人们开山造桥、人工造林(当然也包括为了经济发展,破坏了原始森林,污染了河流和空气)。总之,原始人类在几千年的生存活动过程中,通过人工(Artificial)把自然物分解、组合,由此形成的物质世界就是由人类设计出来的。西方人所说的上帝创造“自然”,而我们称之为“造物”,是指自然给予人类生存的环境,而人类自己创造的一切,都是由人类设计创造的。美国人亨利•佩卓斯基在1992年写了一本书《设计是人类的本性》,谈到人类文明的进程就是人类“设计”制造“人类自己需要的人造物”而改造“自然”的进程。

二、关于创新设计

21世纪初,世界进入了一个崭新的阶段。随着科学技术的发展,从人类生活基本的条件衣食住行方面来看:衣服不仅足以蔽体,人类还开发了各种人造纤维,用石油可以纺出纱来;食品方面,杂交水稻使亩产量成倍增加;住的条件不断改进,农村居民向城市迈进,高楼大厦不断拔起,冷热空调等等使生活质量有了根本性提高;行的方面,海陆空运输技术的发展以前不可想象。

从产品生产技术发展来看,工业技术从蒸汽机、电动机的第一次工业革命到现代科学技术发展形成的计算机、网络、自动化智能化发展趋势,从亨利福特的大批量流水线生产模式到现代化数控、智能化的即将到来的第三次工业革命。材料科学的发展也体现了现代科学技术发展的新特征:人类从原始的石器文化到青铜器、陶器进化到铁器时代,现在已进入纳米材料科学的时代,人们可以设想用分子学方法甚至是一个一个原子的设计组合制造出全新的功能特征的材料。

面临这样一个崭新的、前人不能想象的科学技术发展的时代,创新技术的不断发展,其规模、速度在50年前,乃至20年、10年之前都难以预测,变化之快令人瞠目结舌。

“设计”的定义,从原意上看,仍然成立,但其内容已经远远不是人们头脑中“传统设计”的概念可以解释和集成的。这就要求我们用新的词汇来表达现代设计的内涵,这就是“创新设计”。我们的设计师,如何跟上这个汹涌澎湃的潮流。站在潮头顶峰上,引导潮流前进,还是抄袭拷贝被潮流淹没?

笼统、抽象地讨论设计的定义,不足以搞清创新设计的真正内涵,现代设计的定义所覆盖的范围,已经远不仅仅是设计出一个新颖的产品外形,更重要的是如何理解创新设计的现代内涵和历史演变。创新设计要求满足用户的需求,采用当代先进技术、产品设计具有原始创新理念。原始创新设计首先要对某产品的设计概念有现代化的理解,也就是要改变传统的设计概念,建树现代化设计观念达成共识。

三、创造发明的源泉

人类的智慧远高于其他动物,原因之一是得益于人类大脑的学习和联想功能。创造发明的源泉是“有启发而自由”。自由是指外界环境对创造发明的制约,而启发是指创造发明的一种产生模式来自“启发”的摩擦和闪光。一个民族的文明进步得益于不断地与外界交流和相互学习。摩擦就是指不同思维的碰撞、融合和转化。产生创新理念的核心是思维的多样化,文化的异化孕育着创新的思维。

人类创造发明工具和器具是为了满足生存、生活的需求。从原始社会开始,人类就为了生存、生活和社会的需求,不断地创造、制造工具和器具,设计被理解为一种思维和过程的活动。在创造和制造过程中,第一步就是要用设计的思维,对目的物进行构思和策划,设计始终引领和伴随着创造发明的起始和全过程,使之成为有用的目的物(人工物)。富有想象力的先民,不断寻求改进、创新,设计出合乎人类需求——更方便、更经济的有用物品。器具和工具不断变化的原因在于这个有用物品“还不够令人满意”。

不够令人满意也可以说是不能满足人的需求,但真正推动工业技术革命的力量,在于人的欲望而非需求。例如空气和水是人类不可或缺的,但空调及冰水却非民生所必需。因此与其说“需要”为发明之“母”,不如说“享受奢侈”。因为发明之“母”,每项器具多多少少都有设计改善的空间,这也正是革新的力量。因此所有器具都不断改变,以适应不断发现的缺点,一切的发明创新都离不开此原则,这也是推动发明家、设计师及工程师的动力。

于是我们可以得出以下结论:没有任何一件东西是完美的,我们对完美的定义也在不断地改变,因此所有事物都会随时变化。完美器具并不存在,设计本身就是一种尝试拉近器具的缺点与理想的过程。

这种(创新)演化过程从古到今一直不变,尽管以前的匠人如今变成了谨慎的科学家,而制作的器具也复杂到如核电站、宇宙飞船及计算机这样的东西。

真正决定器具形式的是使用者所发现的器具的缺点。发现缺点后不断改进功能。不同地区、不同的人所观察和注重的缺点不同,改进的方法也各异。因此不同的文化产生不同的器具,餐具中刀、叉和筷子的演变史就说明了科技与文化间的互动关系。

筷子是中国人的伟大发明。中华民族有五千年历史记载的文化,西方文明从狩猎时代过来时,中国发展了自己的农耕文化。西方人从刀子切割兽肉开始,演化为现代刀叉等餐具,而中国人则用一双筷子一直使用了几千年,成为不朽的创造发明。这是因为它使用方便、取材节约、制造简单、成本低。直到今日还没有出现一种发明能够改进它、颠覆它。本来它应该与我国四大发明具有同等价值,但因为西方有同样的取食工具刀和叉,筷子就不是唯一的“功能决定形式”的发明。直到今天,世界上还有一些民族还在用手抓食品进食的方法。全世界有1/4以上的人口,几千年使用这样的发明器具,不得不让人们感受到筷子是不朽的发明创造!

四、人造物的分类

人造物一般地说可分为三类:

一是工具,人类作为智慧的动物,重要的特征之一是制造工具,原始人用尖锐的石片作为工具,制造出各种形式的工具是人类文化创新进化的表征。

二是器具,关乎人类生存、生活。器具的需要首先是因为储存食物、饮水,而后是各种衍生的器具,进一步扩展到人类的衣、食、住、行的器物。

三是人类心灵艺术表达的产品和知识传递的产品。

一旦引入“人工物”的名词,人们要制造出满足需要的人工物,就有“设计出”和“制造出”的概念,即工程学的概念。合成或制造人工物特别是人们所需特性(有用的)人工物就是工程活动和技术的主要目标。工程师(更广义地说设计师)所关心的是事物应当如何,即为了实现目标、为了具备功能,事物应当怎样,从而引申出工程科学和设计学。

从传统上看,关于自然事物知识的教授是科学学科的任务:自然事物的存在状态怎样,它们是如何发生作用的。关于人工物知识的教授是工程学院的任务:如何制造具备人们向往性能的人工物,如何设计。

工程师并不是唯一的专业设计师,凡是以将现存情形改变成理想情形为目标而构想行动方案的人都是在搞设计。工程科学和设计学作为专业的科学与基础科学区分开来,主要关心设计过程。

科学关心的是分析,工程关心的是综合。在工程科学和设计学方面,许多内容都是智力上软性的、直觉的、非形式化的,像烹调术一样说不出所以然来。因此我们面临的问题是,设计这样的一种专业学科,需要同时达到两个目标:在高级知识层次上进行工程科学教育和自然科学教育,这也是一个设计问题——组织设计。

我们应该有完整的设计科学,才能具备充分的资格重新负担起专业学科(一级学科)的责任。这门设计科学是关于设计过程的学说体系,它是知识上硬性的、分析的、部分可形式化的、部分经验性的、可传授的。特别是这种设计科学已经出现,它开始渗入工程学院,尤其是通过计算机学科和“系统工程”课程,管理科学通过工程管理学渗入到设计学的课程。

五、传统设计

传统设计只是按用户需要,用现成的设计手册(第二次工业革命以来,设计方法和技术不断完善,很多的设计知识已经编撰出各行各业的应用设计手册)和设计经验,足以使设计师很快完成用户的要求。我在20世纪50年代就学过一门叫“经验设计”的课程,就是培养学生根据现存的手册,曲线图表、标准零部件设计出一种组合集成的产品,满足用户设计任务要求的图纸、文件,供生产使用。

早期(20世纪40~50年代)的工程设计方法主要是经验型的,内容是经典的设计方法和试验曲线、数据外推的规则等。产品研制过程是直线型的“画加打”,即设计——模样——试验——改进,具体的方法有“边做边试”(cut-and-try),反复试验(trial and error),过量冗余(over kill,extremes redundancy),缩比试验(small-scale model test),覆盖设计(lapping design)等,直到现在这些方法仍然是我们设计过程的基本方法。设计就是在前人已经做成产品的基础之上,不断改进、完善的过程,虽然不断有新结构、新原理和新材料的逐步发展提高,但设计理念是线性的,即根据需求功能,构建机构、外型设计,然后模样制造试验。我当设计师的时候,一本英文版的“机械工程师手册”伴随着我走过设计的全过程,这就是那个年代的情况。

传统设计一般通过对国外产品的测绘、拷贝,仿制出所谓的新产品。从某种意义上说,在产品设计中,拷贝抄袭也是必须经历的过程,它培养训练了我们的设计师。但是测绘拷贝要有以下几个条件。

1. 测绘过程必须严格细致地分解被测绘对象。50年代日本工业化起步时,也是测绘了很多国外名牌产品,如工业机床、摩托车。他们将国外的顶尖产品详细分解,写成研究性“论文”和报告,对每个零件的材料、几何精度、部件的性能都有详细的分析报告。日本的机床设计和雅马哈摩托车就是抄袭了瑞士机床和捷克著名品牌Jawa摩托车起家的。

2. 测绘的设计队伍具有基本的(或高级的)知识能力和分析水平,能充分了解原设计的性能特点、优点和缺点。

3. 理解仿制技术和生产制造过程。关键技术国内能否复制,如何进行技术攻关,特别是材料性能。我国提倡的引进消化、集成创新其内涵也许与之相当。为什么我们的产品多年来停留在山寨产品的水平?恐怕是对产品的关键性能(包括材料)没有如此深刻细致的分析能力,也包括我们的研制队伍,没有从多方面知识水平去开展核心技术攻关有关。

六、创新设计的程序

我国正面临着加强创新设计,加快传统产业转型升级的关键时期,如何避免设计创新的浅层化?如何改变创新能力的改良性(小改变)、追随性,提倡原创性,提高自主创新能力?

首要的措施是以企业为中心,建立自己的设计研制队伍,成立关键技术工程研究实验室,组织核心技术攻关,或者将关键技术提交大学实验室联合攻关。

从项目计划一开始,改变研制产品的全过程,革命性的措施是从起点开始就建立项目研制程序,将研制程序分为以下几个阶段。

1. 研究阶段:将产品的功能、性能进行科学分解,从科学原理到采用现代技术应用,从分解为早期应用研究到项目的(或产品的)实验室核心技术研究,设计出早期研究方案和实验模型。

2. 分析阶段:将实验室研究结果进行分析研究,如何满足产品开发的目标。

3. 概念设计阶段:对产品如何满足用户(市场)需求进行可行性分析,也包括产品进入市场后的“价值链分析”(VOC)。

4. 选择阶段:技术方案的选择,分析各种方案的利弊,选择最优方案。

这个阶段的工作极为重要。工业设计的历史争论是“形式决定功能”还是“功能决定形式”,而创新设计的理念,就在于如何创新,所以不要被某些思维所束缚。“设计”是一种多角度思维过程,为达到某一目的,设计师有多种选择的可能。科学家是发现、探索某种自然规律的存在,因此只有唯一的准确度结论。科学家的目标是对大自然中特定目的进行认知实验和分析,而工程师和设计师所关心的是事物应当如何。为了实现某种目标,具备某种功能,事物应当怎样?应用科学知识和技术集成起来完成既定的任务,方法会有很多种,如何选择、如何优化是他们的本领,正所谓条条大道通罗马。

5. 开发择机:可以从初样、试样到正样,不断发现缺点并不断改进性能和功能,现代的计算模拟手段可以大大加快样机阶段的进度。

6. 工程开发:需要进行环境适应性试验、产品质量安全改进、成本分析、产品应用体验实验这些方面的工作。

7. 市场投放战略、品牌战略。

8. 产品全寿命设计与分析。

9.售后维修服务。

10.绿色回收技术。

以上过程中都要体现创新设计的工业设计师在各个环节中的定位和角色,以及与工程设计师的协同与合作。

七、原始创新

从科学发展史来看,基础研究是原始创新的源泉和燃料。基础研究成果是创新设计的知识库。现代科学和技术的发展改变了人类生活的面貌。互联网、现代医药、计算机和无线通讯、喷气式飞机、气象卫星、GPS、数码相机和智能手机、人类基因组知识,无不源于基础科学研究的成果。

基础研究对技术发展的实际应用举例:

l  因特网由美国国防部高级研究计划局(DARPA)发展了基础协议。

l  谷歌的基础研究搜索算法(由斯坦福大学拉里•佩奇的论文发展而来)。

l  医学成像技术是数学的反问题,核磁共振成像是由于对原子核研究成果为基础而发展来的。

l  因为有了辐射天文学,人类才能了解更深远的星际和宇宙。

l  有了超导磁铁,才建立了粒子物理加速器

l  气象卫星,给予多普勒雷达,计算建模在超级计算机上大规模的精确气象预报,有益于公共安全和农业。

l  人类基因组计划发展了新的癌症治疗方法个体化医疗、DNA鉴定技术,均是由美国能源部和国家卫生研究院完成的基础研究中应用开发出来。

l  所有飞机机翼的优化设计均由过去国家航空研究(现在的NASA)用计算流体动力学而开发出来。

l  数据库技术,由过去的研究院的数据交换发展而来。

l  GPS的早期研究源于激光和微波激射,是由哥伦比亚大学、斯坦福大学合作以及贝尔实验室和休斯公司合作的基础研究。

l  纳米技术开发新药

l  适应性更强的材料和纤维

l  工业催化剂

l  更快的芯片

l  可持续发展的水和能源

l  锂离子电池,手机和计算机到处可用,由纽约州立大学(Sunny基础发现,1970年Binghamton,1980年Bell实验室,2000年MIT开发)用于混合动力和电动汽车的大容量电池由劳伦斯伯克利y国家实验室开发

l  CCD成像:1960’s 贝尔实验室开发

l  Barcodes条形码:现代快速响应是由计算机的纠错误码的纯科学研究开发应用

l  同步辐射光源:至少有3个诺奖得主在生物医学上利用此类设备做工作

l  从伽利略到爱因斯坦到GPS全球定位系统,加速器技术的开发、了解夸克和轻粒子,同步光源成为新药革命性开发的方法。

八、创新技术发展趋势

活跃在快速上升期最新前沿技术介绍:

l  人类増强技术Human Augmentation(利用药物改变身体形态或功能)

l  计算机——大脑接口:人机一体化,人与机器共同认识、感知、决策,从而突破传统的人工智能系统的概念

l  3D生物打印,制造三维结构的人体组织

l  社交电视、三网融合、观众与观众以及电视内容的互动

l  移动机器人:集环境感知、动态决策与规划行为的控制与执行等功能于一体的集合系统,它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果,代表了机电一体化的最高成就。

l  量子计算机

l  自然语言问答

l  物联网

l  大数据信息管理终端

l  近距离无线通讯(NFC)支付技术

l  增强现实(AR)

l  无线电源技术

l  云计算

l  机器对机器(Machine to Machine)通信服务:实现对机器的远程监控与指挥调度、数据采集等管理

l  QR代码或彩色代码

以上关于基础科学研究的历史回顾和现代创新技术发展的趋势,让我们看到:基础研究——技术创新——工程开发——产品制造——市场需求是一个创新驱动发展的链条,创新设计的工程师处在各个阶段的边界上。并非是所有基础性科学研究都会发展成为产品和市场化的应用。基础研究通过知识的学习、联想而转化成为可转移的技术,而后转化成为有用目的物的研究和开发。工程师(设计师)经过设计和工程化就形成了创新的产品,参与市场竞争,提升了国家经济实力的基础,乃至改变了世界、改变了我们的生活。

图1 从基础研究到商品制造的转化过程
 

设计师就是站在如图1中每个区域的界面上,通过学习、联想、构思将科学技术转化为现实工程产品和现实生产力的。
 

九、创新设计的理念
 

1.树立创新设计的新思维。

前文叙述了设计的理论:设计过程就是创新的过程。设计是一种创造性活动,是将物理世界通过科学研究深化认识的知识基础,用来为人和社会的需求的目的物(确定的对象),通过工程科学的手段设计和制造出适合要求的系统、产品。并要考虑作为人工物适应生态环境系统(天然物)的前提下提供使用过程的服务和人工物整个寿命周期内对环境生态系统影响的解决。

2.摒弃模仿、仿造、抄袭、侵犯知识产权,但并不排斥集成创新。

创新设计要求树立“我的设计是独一无二、前所未有”的理念,但在实际过程中更需要深入理解现存产品的特性内涵和缺点,尊重和学习前人知识和经验的累积。现实世界就是人类长期不断积累知识和经验的过程中实现的。

3.直面挑战。创新是一场寂寞的长跑,创新道路绝不是一片坦途,而是充满未知、风险和挑战,对面临的挫折不轻言放弃才是实现创新所采取的态度。

4.创新的成功与失败之比是很悬殊的,“失败是成功之母”,但创新最终不会全部成功,但不创新就永远没有成功。

德国有一位工程师,一生致力于创造发明旋转式内燃机。现在的直线往复式四冲程内燃机是将气缸内燃气膨胀推动活塞经过曲轴带动飞轮并经减速器,最终带动汽车车轮,工作效率低。将活塞系统改成三角形可直接驱动汽车。曾经做过很多先期开发研究、最终因为活塞—气缸的密封问题始终没有得到解决而宣告失败。

5.创新还存在现有技术的抵制问题。经论证即使是最好的技术,由于不能代替规模庞大的现有技术而受到抵制,长期得不到应用。

6.创新可以分为两种类型:演化型和革命型。演化型也称渐进型、改良型,也就是前文叙述的现有产品改进其缺点,是经常发生的创新设计。革命型也称颠覆型创新,是大风险、大投资、大回报的,它会改变世界的面貌。

7.即使说我们一开始就要摒弃抄袭和拷贝,那么我们也应该从模仿世界现有的东西入手,理解它的原理、技术,分析它的优缺点,从局部改进入手,从学习研究入手,掌握、分析并改进,以适合中国的国情。

8.创新设计能力是提高未来国际竞争力的主要体现。一流的核心技术既不能通过引进资本让出市场来实现,也不能靠简单的模仿抄袭来解决。只有依靠自主创新,从源头上理解创新,从实际活动中、从创新设计知识、方法、程序上脚踏实地地去实施,才是创新驱动发展的唯一模式。

9.更重要的是,创新靠提升自己的创新思维能力、想象力和思辨力,培养解决问题的能力。

十、创新设计的跨学科问题
 

学科是从科学专业知识分类形成的,现实世界人造物设计几乎都是跨学科的。设计师固有的跨学科,“设计学科”的内容只是设计的理论问题,它包括设计知识、方法和经验。单独地将设计作为一门学科是完全必要的,但它无助于理解人们要进行的具体创新设计过程。因为在这个过程中,“设计”常被赋予不同的含义和不同的组成。在设计过程中要构思、验证或解决一个不同的问题,必然会需要对某些不同学科进行适当深入的了解,特别是现代的复杂产品系统如飞机、卫星、核电站。

从工程领域和创新设计角度出发,在不同领域,需要和不同的学科进行合作。

1. 工业产品(工具类、包括国防武器):创新设计要和工程设计合作。

2. 消费品(器具类包括医疗器械、家具):创新设计要和工程设计相结合(结合的意思是同时发生),以创新设计为主。

3. 文化类(建筑、艺术):需要创新设计与工程设计合作。建筑方面要与土木工程学科的合作,艺术产品在需要工程设计时进行合作。

创新设计学科如何培养跨学科人才。

首先,现有的创新设计专业型教师要具备下列知识和能力:

1.对创新设计学科专业本身要有深厚的知识水平。

2.增加工程设计、制造和产品销售(商业)知识,逐步形成T形的知识结构。

3.硕士学位的创新设计专业毕业生应达到职业设计师水平。

4.博士学位的创新设计专业毕业生应致力于从事跨学科设计研究,为跨学科的教学人员打好基础。

    此外还应该加强以下方面的培养:

1.工程设计师要了解(英语的understanding,有了解和理解双重含义)创新设计和商业管理(MBA)。

2.创新设计师要了解工程设计和商业管理。

3.商业管理人员要了解工程设计和创新设计。人才培养要以适应创新设计、工程设计、建筑、艺术、心理学、产品品牌和市场竞争的需要为目标。

现阶段,在我国鼓励跨学科合作和交流存在着一些困难,要实行创新设计师与其他学科的合作、交流并非易事,这是因为:

1.传统的思维、工作模式和现行制度不容易改变。传统的学科分工,隔离的学术氛围、思维模式、制度框架不易改变。

2.开放交流一些创新思维往往很难做到,因为隐含有个人对知识的占有和对财富来源的期望(名和利),但应该想到(教育和宣传)互相封闭的结果使研究过程的效益下降,甚至一事无成。这需要提高合作团队成员的个人价值观。有很多合作失败和成功的事例可供学习和借鉴。诺伯特·维纳(v.wiener)建立的控制论被誉为人类社会最伟大的成就之一,就是由他和医学学科的朋友讨论研发而建立的。

十一、 关于“设计科学”

设计团队和创新设计设计师要想迈进到“先进设计”的高度,要回答如何避免设计创新浅层化,提倡原始创新,掌握重要产品的关键核心技术,提高自主创新的能力,就要从原设计层面上研究“设计科学”。

设计活动由三个要素组成:科学观念和科学知识的掌握、理解和运用;先进设计方法的运用,以科学为基础的各种设计方法;以系统工程的综合集成和分层分析的方法应用于创新设计的过程。

1. 科学知识和先进技术的理解。

设计中采用很多传统科学知识,掌握这些科学原理和知识,有助于培养先进设计的人才,比如:工程设计;工程应用数学;哲学和认知科学;社会科学的相关理念;经济学、市场和营销;计算机科学;现代信息科学理论;解剖学(例如骨骼构造,为人机工程需要);生理学。

将包豪斯时代的工业设计对象,用现代的物理科学、心理学、经济和现代生态环境系统进行再创造。

解决设计问题的活动,必须以理解该问题的活动为先导。

2. 先进设计方法的运用。比如,先进计算模拟技术;人工物设计的内外界面,对环境、生态系统适应性限度;人工智能设计;思维心理学,将只会嵌入自然;运筹学;优化设计技术。

3. 运用分层制(Hierarchy)分解方法,解决复杂系统的设计问题。复杂系统由几个子系统组合而成全系统,将各子系统分解开来进行设计分析,适用于工程复杂系统,也可用于生物系统和社会系统。一般在工程设计中是运用系统工程的方法来集成和分解。

郝伯特•A •西蒙给设计学开出设计理论的论题。

现在已存在的设计理论单元和每一单元相关的大量知识(理论的和经验的),如果我们起草设计学的课程大纲,使它在整个工程学课程体系中与自然科学并列,那么它至少应包括下列内容:

1.设计的评价理论,统计决策理论。

2.计算方法。

 = 1 \* GB3 ①选择最优方案的算法,如线性规划算法、控制理论、动态规划。

 = 2 \* GB3 ②选择令人满意的方案和试探法。

3.设计的形式逻辑、命令逻辑和叙述逻辑、备选方案的搜索。

4.试探搜索:系统分解与手段——目的分析。

《人工的科学》(The Science of the Artificial)   麻省理工学院出版社(1982版)

5.搜索资源的分配。

6.结构和设计组织的理论,层级系统。

7.设计问题的表达。

十二、信息科学

信息科学已成为创新设计最重要的应用领域之一。传统工业,尤其是制造业的科学基础是自然科学,物理学提供最基本的原理。在此基础上,化学、生命科学、地球物理、天文学以及各种工程科学为传统工业提供了科学指导,而信息科学给人类提供了另外一种重大资源,人类发展所依靠的三大资源:人力资源、物质资源和信息数据资源。

信息数据资源的开发和利用将是未来社会和经济发展的重要手段之一。

今天我们生活在海量信息和海量数据的时代,互联网、计算技术、电子商务使我们获取数据、分析数据、利用数据的能力有了质的飞跃。信息服务产业成为发达国家经济转型的主要支柱。谷歌和Facebook就是因为提供了信息服务而成为了世界知名企业。

十三、计算科学与工程

通过计算方法与系统(通常指计算机硬件、软件和网络等)来实现科学与工程的模拟计算,计算科学通过计算机建模模拟(M&S)使其理论得到扩展,如图2所示。Cyber(暂译为网络)科学与工程由是应用数学、计算机科学发展起来的智能技术学科,在工程创新设计中得到很大的发展和应用。美国的“大挑战学者计划”(GCSP)是美国国家科学基金会应对外国竞争而设立的高性能计算建模和模拟研究计划,用来解决科学与工程的根本问题。计算机建模模拟中的先进计算方法,将要解决如下问题:

l  复杂系统的多尺度、多物理、多模型系统的模拟;

l  不确定性的量化;

l  大规模计算的基于模拟的优化。

这种先进的设计方法将为创新设计提供重要的设计手段。


 

图2 计算科学的直观定义

十四、基于科学的工程模拟

计算模拟从CAD、CAM、CAE发展成为以模拟为基础的产品设计。应用现代计算工程工具,将工程问题的科学理论建立数学模型并进行物理的预测,为传统的工程设计提供知识和技术,使工程师有能力预测或优化其系统。

计算模拟广泛应用于电气、机械、土木、化学、航天、核、生物医学和材料科学,乃至城市设计、环境分析、油田、气象、地震、社会科学、国家安全、人口发展、金融、市场等领域。


 

图3 工程科学建模与决策

计算模拟的远景。
 

•设计优化。计算模拟是工程设计优化的极好工具,产品设计优化的目标不仅是单一的,要根据用户需求,特别是可制造性、性能鲁棒性和低成本,计算模拟都可以通过参数变量达到目标的优化结果。我们要在复杂的多因素设计环境中找出优化设计的基本认识,这在传统设计中不易做到,以模拟为基础的优化设计方法将会使产品设计水平空前提高。

•医学应用。计算模拟增加了对疾病病例和治疗的认识,改进了治疗技术,从生物学领域对基因和蛋白质的模拟发展到生物系统细胞、组织和血管的模拟。

•数字城市和数字城市系统。

•空气污染保护;

•基础设施优化;

•长周期环境影响预测;

•突发事件的响应优化;

•城市环境治安基础设施优化。

十五、集成计算材料工程

集成计算材料工程是指将材料科学应用的计算工具,集成为一个系统并将其进一步集成到产品设计和制造过程,使设计者不再通过传统试制产品的方式来优化产品的性能。集成计算材料工程能缩短产品设计和工艺开发的周期及降低成本,改进材料和工艺,延长产品寿命,最终以快速响应市场需求变化方面具有巨大的潜力,是提高国家制造产业竞争力的创新途径。

集成计算材料工程也是信息科学的重要组成部分,材料信息包括:专人管理和维护的数据系统;结构—性能模拟;工艺与结构的关系;物理数据;热力学、动力学和结构;微观结构性能模拟;材料数据库;成本分析。

十六、赛博科学与工程

赛博科学与工程(Cyber Science and Engineering) CS&E,指运用赛博基础设施的计算科学与工程。科学是求知识的事业,工程则是为满足人类需要而对科学进行创新性的应用。科学的支柱——即获取知识的方法有两个,分别是理论(为解释物理现实提出的假设)和实验(通过人的感知或运用工具观察所获得的知识)。赛博计算科学与工程是通过计算方法与系统(通常硬件、软件和网络等)来实现科学与工程。计算科学通过计算机建模和模拟,使其理论得到扩展,由应用数学、计算机科学和所有核心的科学与工程领域(包括基于数据观测的科学与工程,统计学的交叉而发展起来的智能和技术科学),致力于计算方法和系统在科学发现和工程创新中的发展与运用。

十七、创新设计的知识管理

设计师的培养以深厚的知识为基础,在当今信息时代,设计知识的信息量极大,要使设计师们方便快捷地利用本专业领域的科学技术知识,就要将分散在不同来源的知识集中起来。为设计师在设计特定任务时能尽快的掌握方法,需要将各种优秀设计案例和各行业专家、大师的隐性知识尽可能显性化,从而对各种讲课交流讨论的设计知识达到集成共享,获得更多的思维激发。因此,在一定的领域内建立专业的知识管理系统很有必要。

建设知识管理系统的内容:建立设计知识库;根据目标设计的产品特性,搜索匹配相似的设计案例、规范、标准、专利;沉淀多种设计案例,专利信息,设计人员可在门户网站,工作平台上找到与目标设计相似的设计案例。

其中,设计知识库的内容还可以包括:

知识仓库;

知识地图(指什么知识到什么地方去找,包括专家信息);

创新创意知识;

专家网络;

专家知识显性化;

创意孵化平台;

学习培训教材 E-learning;

协作交流文档;

知识传承方法论;

知识文化建设。

知识管理的硬件平台为:计算机平台和中心;通信网络;数据存储;数字图书馆;为专业设计应用的知识中心。

“知识管理”的目标是为广大专业设计师提供知识产品和服务,它是赛博基础设施的一部分,为设计师开展自主创新设计提供快捷、时尚的共享关键知识,可大大提高设计师的创新设计能力。

十八、绿色设计和可持续制造

制造业所消耗的能源占全球能源消耗的33%,二氧化碳的直接和间接排放占38%,因此,提倡和发展绿色产品和服务的设计,关心可持续的制造技术是创新设计当前和长远的发展方向。

绿色设计是一个重大的课题,它影响环境、经济和社会。一些重大的顶层问题和政策,需要政府、企业和社会共同设计,加强规范来解决。这里仅提及设计和制造的技术方面的内容。

1.产品可持续寿命周期和制造系统的设计,关系到产品的性能和质量、服务制造过程,制造工人和使用者的安全。

2.设计中有限资源的应用和管理,材料的再利用优化,工程材料(碳氧燃料、金属和聚合物)消耗的降低。

3.设计考虑全寿命周期EOF(End of Life)是指产品和服务的设计、生产、使用、维修、报废和产品的最终处理。设计师在设计过程中要考虑寿命周期影响(LCA)、最终价值最大化和产品寿命期管理(PLM)。

4.商业模式的创新和优化,调节或管理。产品流通过程的资源节约,成本降低,社会消耗合理,环境影响和社会性能的可持续发展。

具体的绿色设计技术有:

•制造的增量成型工艺开发;

•绿色制造过程数据管理;

•为供应链改进的集成后勤工具;

•质量控制嵌入制造过程,为“零缺陷”产品生产创造条件;

•材料再利用的优化设计;

•替代燃料和原材料的资源回收;

•再制造技术的推广;

•实时的产品寿命期评估;

•产品寿命期管理为基础的价格分析;

•可持续维修理念(含再制造、可分解产品结构等);

•可预测的维修技术;

•制造过程的绿色控制;

•绿色的包装设计技术(初级、次级和运输包装设计);

•电子产品绿色优化设计 。

十九、智能设计与制造(案例)

2013汉诺威工博会展出的“集成工业”(Integrated Industry)值得我们关注,它是智能制造的重要案例,由博世力士乐公司开发的开放核心工程赢得了2013年赫尔墨斯奖。开放核心工程是一项软件解决方案,它通过提供开放的标准、软件工具、功能包和开放的内核接口等将迄今为止的各自独立的可编程控制器和IT世界在一定范围内连接在了一起,经典的基于PLC工程因此有了与高级编程语言相结合的可能性。工程师可以首次用多种通用的编程语言来创建新的软体功能,可以直接访问控制引擎。对于目前寻求的机器与IT世界联网而言,这是一个必不可少的先决条件。此外,其创新功能还包括应用程序可以在外部设备和智能手机上运行。这些智能设备上的本地应用程序不仅能读取数据,还可以写数据到控制器上。人们将因此可以用智能手机和平板电脑编写自己的应用程序,并把它无缝集成到自动化生产线中,通过开放核心工程,机器制造商可以明显加快机器调试和诊断,并建立全新的用户界面。

另一个展出项目,用云计算基础上的M2M解决方案的网关DE7000则可以让用户建立一个自动化设备和移动网络之间的无线连接。各种数据包括来自传感器、仪表的数字和模拟信号以及PLC现场总线的数据,都可以通过移动网络(或者说是互联网)送到云中存储。在某种意义上,这个设备可以把自动化技术(传感器和执行器)、IT(互联网和云服务)和移动网络全部连在一起,从而使数据无处不在,这就是智能制造很好的案例(科技日报2013年4月9日报道)

“集成工业”通过将各个生产单元全面联网实现生产力的大幅提升。生产过程中,机器与机器、机器与工件之间的互联可以使得生产设备按照不断变化的需求执行自我调整,从而降低能耗和提高生产率。通过“集成工业”技术,将实现新的生产结构,生产力有望因此提升高达30%。

二十、创新设计人才的培养

设计人才培养的基本要求是知识、技能与解决问题的能力。

设计是一种行动过程和理解的过程,设计的能力要素是知识,设计方法和设计过程的设计。

对创新设计专业的学生培养要求按KSAO方法符合前述的基本要求:

K——本科生基础知识(创新设计课程、工程设计知识课程、建筑学和其他课程);

S——计算机运用技能,三维CAD、CAE建模与模拟,应用软件及软件开发;

A——设计管理,项目(或课题)管理,团队合作;

O——对创新思维的内在兴趣和热忱的培养。

二十一、STEM教育

美国很早就提出对大学生、中小学生进行STEM(即科学、技术、工程和数学)教育,2012年由提出“追求卓越”计划:再培养100万名STEM专业的大学毕业生。

美国认为,STEM教育决定美国是否能够继续保持世界领先地位,以及解决面临的能源、健康、环境保护、国家安全的巨大挑战问题。

STEM教育就是要培养具有跨学科知识水平的学生,而不是单一学科的专业研究人员,新型STEM人才要学习的学科知识应包括项目管理与领导者交流信息的能力,在团队中如何管理工作,具有较广泛的专门知识去处理复杂的跨学科问题。

STEM培养的人才,不仅要掌握专业所需的(传统的)基础科学和技术概念,更要掌握当前前沿发展的相关科学知识和新技术原理及应用,以及高性能计算技术,还要求培养了解经济、商贸、人类心理特性和当前国家政策和市场动态。

STEM培养掌握的人才必须超越传统科学学科,向扩大视野的“以项目为基础”课题和跨学科合作项目课题所要求的方向去努力迈进。

具体的教育方法,首先是培养一批STEM教育的教师。

在K12教育(指小学到中学12年教育)中引入STEM教育初级课程,从高中、大学前两年教育贯彻STEM教育方法。

提倡学校用探索性研究课程代替标准的实验课程。教师需采用循证教育方法,培养以实证导向型教育实践方法。

与传统的一味讲课相比,鼓励学生主动学习,让学生对知识记忆更加深刻,可以提高批判性思维能力,这正是创新设计学生需要的。

STEM教育采用研究式课程,使个人在课堂环境中开展科研项目和取得研究“发现”,让学生真实体验STEM教育改善学习效果,增加学生在教师研究实验室进行研究和设计的机会。

大学水平的教学技能以掌握计算机能力为主,在进入大学时需学习这些技能。

目前面临的挑战是学生数学技能的不足,而计算数学知识是新时代科技发展的重要工具和手段,学好用好这门学科也是最有前景的机遇。应该从低年级开始培养学生对计算机、软件、算法数学应用打好基础。为此美国有一项计划是在全国招聘10万名中学数学教师,为STEM人才进入大学打好基础。

高中生暑期和其他预备课程帮助学生顺利进入大学,为大学生二年级以前提供补习性课程,包括依赖于计算机技术的方法,聘用其他应用数学密集型学科(包括物理,工程学,计算机科学)的教师。

建立教育部门和企业之间的伙伴关系,由企业支持STEM教育计划(包括经费、学生实习、用人招聘需求等)。

美国认为所有的美国人都需要STEM知识,STEM的教育理念在所有美国人的生活中发挥着重要作用,并且其作用正日益加强。他们认为,在一个民主社会中,如果许多公民对科学和技术进步不熟悉或不适应,那么这个社会将在全球化竞争中很可能处于经济劣势地位。

能胜任STEM领域的工作人员队伍正在不断壮大,例如医生、护士和其他医疗工作者以及先进制造业的专业人才,通常并未归入STEM人才,但他们需要大量运用STEM知识和技能。

STEM教育的主题,广泛适用于学术界、产业界和政府领导、教师以及学生。

追求卓越(Engage to Excellent)适用于这些群体的个人。

需要说明的一点是,STEM教育计划在美国推行了多年,但成效并不理想,因为要将STEM专业变为一个“学科”,困难比较大,但有一点是明确的:美国企业界、政府对这样的人才需求是十分迫切的,所以一直在各种场合进行宣传和推行。

STEM专业毕业生的人才要求与我们讨论的创新设计高级人才教育的方向是一致的,特别是跨学科研究方向和以项目为基础的团队,如何从在校大学生开始就参与设计实践的教育方法。我们可以借鉴其教育方法,培养具有先进科学知识和先进技术,发展眼光的领导型、创新型人才,进一步带动创新设计大学生和研究生走向未来。

主要参考文献:

1.The Evolution of Useful Things  Henry Petroski (1992)

2.The Science of The Artificial  Herbert A. Simon (1982)

3.IMS 2020

4.Report on the NSF workshop on Interdisciplinary Graduate Design Programs (2008,NSF,USA)  

徐志磊院士简介

徐志磊,男,浙江省宁波市鄞州区人,1930年8月2日出生,1952年6月毕业于上海大同大学机械系。1953年2月至1963年8月,在上海机床厂任工程师、设计组长、主任设计师等职。1963年8月调第二机械工业部第九研究院,历任设计部核装置设计室副组长、组长、八所核装置设计室主任、总体部副总工程师、院副总工程师、总工程师、研究员、战略武器型号总设计师等职。

1986年被评为国家级有突出贡献的中青年专家。1989年获国家科技进步二等奖,1987、1989年两次获国家科技进步奖特等奖,1996年获首届中国工程科技奖。

现任中国工程物理研究院研究员。

2001年11月当选为中国工程院机械与运载工程学部院士。