1.1 产品自适应设计的基本概念

1.1.1 产品自适应设计的产生

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。现代设计以用户需求为驱动力，以计算机技术等新一代信息技术为手段，以研制出具有工效实用性、系统可靠性、运行稳定性、技术经济性的产品为目标，展现出了创新性、动态性、最优化、智能化、数字化等特点。

产品设计是一个在工程方面充满风险和机遇的完整活动体系，其目标是对产品的功能、结构、外观造型等方面进行综合性的设计，以便生产出符合人们需求的实用、经济、美观的产品。

产品设计是一个复杂技术系统实现过程，系统输入的是设计要求和约束条件信息，设计人员运用产品设计的知识、规则、方法，通过计算机、试验设备等工具进行设计，最后输出的是产品方案、图纸、产品数字模型、技术文件等设计结果。这一产品设计系统模型具体如图1-1所示。

产品设计的过程涉及一系列脑力的、有组织的而非自然的步骤或活动，它将产品的市场需求映射成产品的功能需求，并将功能需求转换成实现该功能需求的产品工程结构。该过程把“我们希望得到什么（What）”映射为“我们如何得到它（How）”。现代设计已将设计过程视为系统工程，从工程角度讲，产品设计过程是复杂技术系统实现过程，应结合先进的系统工程方法论加以实现。

系统工程领域泰斗——钱学森院士提到，“系统”是极其复杂的研制对象，即相互依赖、相互作用的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体，而且这个“系统”本身又是它从属的一个更大系统的组成部分。研制这样一个复杂工程系统的基本问题是，怎样把比较笼统的初始研制要求逐步变成成千上万项研制任务参与者的具体工作，以及怎样把这些工作最终合成为一个技术上合理、经济上合算、研制周期短、能协调运转的实际系统，并使这个系统成为它从属的更大系统的有效组成部分。产品设计是一个典型的系统工程问题。尤其是复杂产品的设计，是以海量的设计、制造、运维数据为支撑，以成百上千的设计任务为主体的集成工作。如何从当前具有时变性的产品设计需求出发，实现产品设计过程的协调运转、设计周期的缩短、设计效益及效率的提高，是该领域的相关理论研究重点关注的内容。

为了解决这一系统工程问题，大量设计理论与设计方法被提出。例如，面向产品全生命周期设计（Design for X, DFX），通过将产品全生命周期各环节的信息映射到设计需求，实现面向各环节特定属性需求的设计技术系统。其强调产品设计不应只关注设计环节的功能实现，还必须围绕生产、维护、服务等系统需求，对产品进行设计和修改。在新一代信息技术的支持下，打通产品全生命周期各环节数据，通过动态的、融合的数据驱动产品设计已成为可能，数据驱动设计理论应运而生，并取得了长足发展。数据驱动设计的主要理念是根据不同设计阶段数据的特点，有针对性地开展产品全生命周期各环节数据的提取、分析及融合工作，并将处理好的数据融入产品设计过程，协助研发工程师完成设计目标。此外，还有可适应设计理论，其研究以产品“可适应”设计需求为核心理念，目的是延长产品（物理产品）或产品设计（数字产品）的使用周期，使生产型企业能够在允许的质量和成本限制下，通过调整已有产品或设计快速开发出新的面向客户需求的产品。更为人熟知且应用更广泛的设计理论是公理化设计理论，其研究注重设计过程的创新性和规范性，减少设计方案搜索、生成的随意性，目的是在设计的循环迭代过程中，应用设计过程框架和设计公理确定最佳设计方案。

以产品为核心，以设计数据为基础，以智能化的设计信息决策为关键技术的产品设计方法，是现代设计理论发展的重要标志。随着现代设计理论的发展，通过对多种设计理论特点、优势的融合，一种以“自适应”为核心理念的产品设计模式应运而生。在系统工程理论中，“自适应”一般是指系统按照环境的变化调整其自身，使其行为在新的或已经改变了的环境下达到最好[10]。在控制工程理论中，“自适应”是指在处理和分析过程中，根据所处理数据的数据特征自动调整处理方法、处理顺序、处理参数、边界条件或约束条件，使其与所处理数据的统计分布特征、结构特征相适应，以取得最佳的处理效果[11]。自适应控制也可看作一个能根据环境变化智能调节自身特性的反馈控制系统，以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态[12]。融合系统工程和控制工程中，自适应控制系统被定义为在无人干预状态下，随着运行环境的改变而自动调节自身控制参数，以达到最优控制的系统，即对环境变化具有适应能力的控制系统[13]，其逻辑如图1-2所示。

这种随环境数据变换，调节系统自身特性，使系统在新环境下达到有序的“自适应”理念，为解决需求时变这一产品设计系统难题提供了新的思路。

以先进的科学技术为支撑，设计理论、方法呈现融合的趋势，在丰富的现代设计理论体系引导下，产品自适应设计的理念逐渐形成，产品设计方法、理论层出不穷，社会发展的不同时期、面向不同的设计对象，产生了多种典型的设计方法。例如，计算机技术的普及促使计算机辅助设计蓬勃发展，从最初的CAD到CAM，再到CAT，最后融合发展为CAE（计算机辅助工程）系统，实现了产品设计、制造、测试一体化。同样，随着AR/VR技术的发展，虚拟设计也逐渐兴起，这种以计算机技术和AR/VR技术为基础的新设计方法可以使多个异地的设计人员在同一个产品模型上工作和获取信息，提高了并行性，减少了设计的非必要迭代，提高了设计效率。再如，模块化设计将产品模块化的思想融入设计中，将产品划分为若干功能模块，根据用户的要求，对模块进行选择和组合，并构成功能不同，或者功能相似而性能、规格不同的产品。计算机辅助设计技术、虚拟设计技术与模块化设计技术的融合产生了一套全新的设计理论和方法体系——虚拟（实时交互）模块化设计。由此可见，产品设计方法间并不是彼此独立的，而是交叉融合、互为支撑的。与此同时，产品全生命周期设计理论、数据驱动设计方法及可适应设计理论的产生和发展，为现代设计理论体系提供了丰富的、先进的设计理念与设计理论。产品自适应设计则是以自适应理论为指导，融合产品全生命周期设计、数字驱动设计和产品可适应设计等多种典型的现代设计理论与方法，而形成的一个新的产品设计模式。

产品自适应设计中环境驱动、数据反馈、数据决策等特点与现代产品设计中动态性、智能化、数字化及需求驱动等特点相契合，符合现代设计的发展趋势。