1.1 產品自適應設計的基本概念

1.1.1 產品自適應設計的產生

傳統設計以經驗、試湊、靜態、定性分析、手工勞動為特征，導致設計周期長、設計質量差、設計費用高、產品缺乏競爭力?，F代設計以用戶需求為驅動力，以計算機技術等新一代信息技術為手段，以研制出具有工效實用性、系統可靠性、運行穩定性、技術經濟性的產品為目標，展現出了創新性、動態性、最優化、智能化、數字化等特點。

產品設計是一個在工程方面充滿風險和機遇的完整活動體系，其目標是對產品的功能、結構、外觀造型等方面進行綜合性的設計，以便生產出符合人們需求的實用、經濟、美觀的產品。

產品設計是一個復雜技術系統實現過程，系統輸入的是設計要求和約束條件信息，設計人員運用產品設計的知識、規則、方法，通過計算機、試驗設備等工具進行設計，最后輸出的是產品方案、圖紙、產品數字模型、技術文件等設計結果。這一產品設計系統模型具體如圖1-1所示。

產品設計的過程涉及一系列腦力的、有組織的而非自然的步驟或活動，它將產品的市場需求映射成產品的功能需求，并將功能需求轉換成實現該功能需求的產品工程結構。該過程把“我們希望得到什么（What）”映射為“我們如何得到它（How）”?，F代設計已將設計過程視為系統工程，從工程角度講，產品設計過程是復雜技術系統實現過程，應結合先進的系統工程方法論加以實現。

系統工程領域泰斗——錢學森院士提到，“系統”是極其復雜的研制對象，即相互依賴、相互作用的若干組成部分結合成的具有特定功能的有機整體，而且這個“系統”本身又是它從屬的一個更大系統的組成部分。研制這樣一個復雜工程系統的基本問題是，怎樣把比較籠統的初始研制要求逐步變成成千上萬項研制任務參與者的具體工作，以及怎樣把這些工作最終合成為一個技術上合理、經濟上合算、研制周期短、能協調運轉的實際系統，并使這個系統成為它從屬的更大系統的有效組成部分。產品設計是一個典型的系統工程問題。尤其是復雜產品的設計，是以海量的設計、制造、運維數據為支撐，以成百上千的設計任務為主體的集成工作。如何從當前具有時變性的產品設計需求出發，實現產品設計過程的協調運轉、設計周期的縮短、設計效益及效率的提高，是該領域的相關理論研究重點關注的內容。

為了解決這一系統工程問題，大量設計理論與設計方法被提出。例如，面向產品全生命周期設計（Design for X, DFX），通過將產品全生命周期各環節的信息映射到設計需求，實現面向各環節特定屬性需求的設計技術系統。其強調產品設計不應只關注設計環節的功能實現，還必須圍繞生產、維護、服務等系統需求，對產品進行設計和修改。在新一代信息技術的支持下，打通產品全生命周期各環節數據，通過動態的、融合的數據驅動產品設計已成為可能，數據驅動設計理論應運而生，并取得了長足發展。數據驅動設計的主要理念是根據不同設計階段數據的特點，有針對性地開展產品全生命周期各環節數據的提取、分析及融合工作，并將處理好的數據融入產品設計過程，協助研發工程師完成設計目標。此外，還有可適應設計理論，其研究以產品“可適應”設計需求為核心理念，目的是延長產品（物理產品）或產品設計（數字產品）的使用周期，使生產型企業能夠在允許的質量和成本限制下，通過調整已有產品或設計快速開發出新的面向客戶需求的產品。更為人熟知且應用更廣泛的設計理論是公理化設計理論，其研究注重設計過程的創新性和規范性，減少設計方案搜索、生成的隨意性，目的是在設計的循環迭代過程中，應用設計過程框架和設計公理確定最佳設計方案。

以產品為核心，以設計數據為基礎，以智能化的設計信息決策為關鍵技術的產品設計方法，是現代設計理論發展的重要標志。隨著現代設計理論的發展，通過對多種設計理論特點、優勢的融合，一種以“自適應”為核心理念的產品設計模式應運而生。在系統工程理論中，“自適應”一般是指系統按照環境的變化調整其自身，使其行為在新的或已經改變了的環境下達到最好[10]。在控制工程理論中，“自適應”是指在處理和分析過程中，根據所處理數據的數據特征自動調整處理方法、處理順序、處理參數、邊界條件或約束條件，使其與所處理數據的統計分布特征、結構特征相適應，以取得最佳的處理效果[11]。自適應控制也可看作一個能根據環境變化智能調節自身特性的反饋控制系統，以使系統能按照一些設定的標準工作在最優狀態[12]。融合系統工程和控制工程中，自適應控制系統被定義為在無人干預狀態下，隨著運行環境的改變而自動調節自身控制參數，以達到最優控制的系統，即對環境變化具有適應能力的控制系統[13]，其邏輯如圖1-2所示。

這種隨環境數據變換，調節系統自身特性，使系統在新環境下達到有序的“自適應”理念，為解決需求時變這一產品設計系統難題提供了新的思路。

以先進的科學技術為支撐，設計理論、方法呈現融合的趨勢，在豐富的現代設計理論體系引導下，產品自適應設計的理念逐漸形成，產品設計方法、理論層出不窮，社會發展的不同時期、面向不同的設計對象，產生了多種典型的設計方法。例如，計算機技術的普及促使計算機輔助設計蓬勃發展，從最初的CAD到CAM，再到CAT，最后融合發展為CAE（計算機輔助工程）系統，實現了產品設計、制造、測試一體化。同樣，隨著AR/VR技術的發展，虛擬設計也逐漸興起，這種以計算機技術和AR/VR技術為基礎的新設計方法可以使多個異地的設計人員在同一個產品模型上工作和獲取信息，提高了并行性，減少了設計的非必要迭代，提高了設計效率。再如，模塊化設計將產品模塊化的思想融入設計中，將產品劃分為若干功能模塊，根據用戶的要求，對模塊進行選擇和組合，并構成功能不同，或者功能相似而性能、規格不同的產品。計算機輔助設計技術、虛擬設計技術與模塊化設計技術的融合產生了一套全新的設計理論和方法體系——虛擬（實時交互）模塊化設計。由此可見，產品設計方法間并不是彼此獨立的，而是交叉融合、互為支撐的。與此同時，產品全生命周期設計理論、數據驅動設計方法及可適應設計理論的產生和發展，為現代設計理論體系提供了豐富的、先進的設計理念與設計理論。產品自適應設計則是以自適應理論為指導，融合產品全生命周期設計、數字驅動設計和產品可適應設計等多種典型的現代設計理論與方法，而形成的一個新的產品設計模式。

產品自適應設計中環境驅動、數據反饋、數據決策等特點與現代產品設計中動態性、智能化、數字化及需求驅動等特點相契合，符合現代設計的發展趨勢。