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1、ChineseAcademyofEngineeringChineseAcademyofEngineering设计创新的演化设计创新的演化Evolution of Design InnovationEvolution of Design Innovation中国工程物理研究院中国工程物理研究院中国工程物理研究院中国工程物理研究院 徐志磊徐志磊2013201320132013年年年年12121212月月月月7 7 7 7日上海日上海日上海日上海人工物的创造人工物的创造造物和人工物造物和人工物造物造物自然物自然物自然给予人类的生存环境自然给予人类的生存环境人工物人工物根据人类的需要将自然物分解、组合
2、根据人类的需要将自然物分解、组合（设计）（设计）形成人类的物质世界形成人类的物质世界人工物的创造人工物的创造创新改变了世界创新改变了世界狩猎社会狩猎社会农耕社会农耕社会工业社会工业社会信息社会信息社会知识社会知识社会第一次工业革命第一次工业革命第二次工业革命第二次工业革命第三次工业革命第三次工业革命石石器器时时代代陶陶器器时时代代青青铜铜器器时时代代铁铁器器时时代代钢钢铁铁时时代代硅时代硅时代纳米材料时代纳米材料时代科科学学和和技技术术已已发发展展到到纳纳米米信信息息生生物物认认知知四四大大领领域域融融合的时代合的时代人工物的创造人工物的创造创新发明的源泉创新发明的源泉创造发明得益于人类大脑的
3、求知、学习和联想的功能创造发明得益于人类大脑的求知、学习和联想的功能创造发明来源于创造发明来源于“有启发而自由有启发而自由”自由自由外界环境的制约外界环境的制约启发启发思维的摩擦和闪光思维的摩擦和闪光创新理念的核心：创新理念的核心：思维的思维的多样化多样化和文化的和文化的异化异化人工物的创造人工物的创造关于关于“设计设计”“设设计计”被被理理解解为为一一种种思思维维和和过过程程的的活活动动，在在创创造造和和制制造造的的过过程程中中，第第一一步步就就是是用用设设计计的的心心智智，对对目目的的物物进进行行构构思思和策划和策划；“设设计计”始始终终引引领领和和伴伴随随着着创创造造发发明明的的始始终终
4、，使使之之成成为为有有用的人工物用的人工物；“设设计计”的的驱驱动动力力在在于于不不断断寻寻求求对对人人工工物物的的创创新新、改改进进，使之合乎使之合乎“需求需求”更方便、更经济的有用物品更方便、更经济的有用物品；器具和工具不断变化的原因在于器具和工具不断变化的原因在于“还不够令人满意还不够令人满意”。人工物的创造人工物的创造需求的现代理论需求的现代理论人民生活质量的不断提高人民生活质量的不断提高地球环境需求能源智能绿色国家需求社会需求经济需求国家安全个人需求社交需求人类需求人工物的创造人工物的创造需求的现代理论需求的现代理论马斯洛（马斯洛（A.Maslow）的人类激励理论（）的人类激励理论（
5、2007）生理生理（衣食住行、饮食男女）（衣食住行、饮食男女）安全安全（避害、趋利）（避害、趋利）归属归属（社会地位、社交、家庭、爱情、亲情）（社会地位、社交、家庭、爱情、亲情）自尊自尊（社会地位、权势、礼仪）（社会地位、权势、礼仪）自我实现自我实现（人生观、社会贡献、幸福观、价值观）（人生观、社会贡献、幸福观、价值观）认知认知（学习、求知、交流）（学习、求知、交流）审美审美（心理追求，爱好，愉悦，奢望）（心理追求，爱好，愉悦，奢望）人工物的创造人工物的创造需求的现代理论需求的现代理论现代对顾客需求的理论：现代对顾客需求的理论：顾客顾客是泛指服务的对象；是泛指服务的对象；顾顾客客价价值值链链分
6、分析析：包包括括产产品品和和服服务务队队产产品品从从设设计计开开始始到到用用户户终终端端过过程程中中产产生生的的价价值值分分析析，顾顾客客分分为为外外部部顾顾客客和和内内部部顾客（产品生产过程的上下层之间的需求）顾客（产品生产过程的上下层之间的需求）人工物的创造人工物的创造需求的现代理论需求的现代理论顾客的三种需求顾客的三种需求1.显露显露的需求，当场询问的需求；的需求，当场询问的需求；2.期望期望的需求，即顾客基本需求、基本期望的需求；的需求，即顾客基本需求、基本期望的需求；3.激激励励的的需需求求，很很难难发发现现，超超越越顾顾客客的的期期望望。没没有有它它们们不不会会造造成成不不满意；有
7、了它们，顾客会激动。满意；有了它们，顾客会激动。人工物的创造人工物的创造需求的现代理论需求的现代理论魅力的属性特征魅力的属性特征-令顾客感到愉快的惊奇属性令顾客感到愉快的惊奇属性-顾客没有预料到的顾客没有预料到的“满满意意”的的相相反反并并非非传传统统的的“不不满满意意”，应应视视为为两两个个不不同同且平行的连续体。且平行的连续体。满意满意激励因素激励因素非满意（非满意（no-satisfied）不满意不满意保健保健因素因素非不满意（非不满意（no-dissatisfied）分析什么样的服务（或产品性能）顾客不需要，浪费资源分析什么样的服务（或产品性能）顾客不需要，浪费资源原始创新原始创新从从
8、科科学学发发展展史史来来看看，基基础础科科学学研研究究是是原原始始创创新新的的源源泉泉和和燃料燃料基础研究成果是设计创新的基础研究成果是设计创新的知识宝库知识宝库现代科学和技术发展改变了人类生活面貌现代科学和技术发展改变了人类生活面貌互联网互联网现代医药现代医药计算机和无线通讯计算机和无线通讯喷气飞机喷气飞机无不源于基础科学研究的成果气象卫星气象卫星GPS智能手机智能手机人类基因组知识人类基因组知识原始创新原始创新科学、技术的转化科学、技术的转化基基础础研研究究技技术术创创新新工工程程开开发发产产品品制制造造市市场场需需求。是创新驱动发展的链条求。是创新驱动发展的链条并并非非是是所所有有的的基
9、基础础性性科科学学研研究究都都会会发发展展成成为为市市场场化化的的产品产品基基础础研研究究只只有有一一部部分分转转化化成成为为可可转转移移的的技技术术而而后后转转化化成为市场需求的产品成为市场需求的产品原始创新原始创新设计师的角色设计师的角色设设计计师师就就是是站站在在图图中中每每个个区区域域的的界界面面上上，通通过过学学习习、联联想想、构思将科学技术转化为现实工程产品和现实的生产力构思将科学技术转化为现实工程产品和现实的生产力设计师站在多重过程的界面上设计师站在多重过程的界面上1.人工物与自然物的界面人工物与自然物的界面2.科科学学技技术术工工程程制制造造产产品品市市场场，技技术术成成熟熟度
10、度，技技术术可可转移性的界面上转移性的界面上3.产品全寿命设计环节的界面，可持续发展，全社会效益的界面产品全寿命设计环节的界面，可持续发展，全社会效益的界面4.虚拟和现实世界的界面上虚拟和现实世界的界面上原始创新原始创新设计师的角色设计师的角色设计师站在多重过程的界面上设计师站在多重过程的界面上5.社社会会空空间间和和时时间间的的界界面面上上，对对社社会会、经经济济、环环境境、文文化化、时时尚尚有协调的意识和分析有协调的意识和分析6.复杂产品的分层设计过程中实现各分层界面的问题复杂产品的分层设计过程中实现各分层界面的问题7.有形产品和无形产品（服务）的界面有形产品和无形产品（服务）的界面8.从
11、从人人类类基基本本需需求求到到最最高高境境界界的的分分层层阶阶梯梯，优优势势要要求求一一经经满满足足相相对对弱弱势势的的需需求求就就会会出出现现，设设计计师师就就站站在在二二者者之之间间的的间间隙隙中中建建立立桥桥梁梁什么是设计什么是设计设计问题的表达设计问题的表达作为表象变换的解决问题的过程作为表象变换的解决问题的过程空间表象（建筑与工程设计）空间表象（建筑与工程设计）数字表达（数学工具）数字表达（数学工具）物质实体（平面图、工程图、透视图、三维模型）物质实体（平面图、工程图、透视图、三维模型）行动的表达（流程图、程序）行动的表达（流程图、程序）什么是设计什么是设计设设计计是是一一种种智智力
12、力的的“逛逛商商店店”，不不一一定定非非得得买买东东西西才才享受到逛商店的乐趣享受到逛商店的乐趣设计既是设计既是行动行动的工具，又是的工具，又是理解理解的工具的工具设计要解决设计要解决状态状态的描述，又要解决的描述，又要解决过程过程的描述的描述设计是设计是Dotherightthing而不是而不是Dothethingright.关于设计创新关于设计创新设设计计创创新新就就是是自自主主创创新新设设计计，不不是是拷拷贝贝、抄抄袭袭别别人人的的设计；设计；设设计计创创新新的的内内涵涵要要满满足足用用户户需需求求，采采用用当当代代先先进进技技术术，产产品品设设计计具具有有原原始始创创新新观观念念，自自
13、主主品品牌牌，在在全全球球化化国国际市场际市场竞争竞争中有自己的地位；中有自己的地位；自自主主创创新新设设计计，首首先先要要对对某某产产品品设设计计的的概概念念有有现现代代化化的的理理解解，要要改改变变传传统统设设计计的的概概念念。建建树树现现代代化化设设计计观观念念达成共识；达成共识；关于设计创新关于设计创新设设计计创创新新产产生生于于技技术术，生生活活，市市场场的的交交汇汇之之处处，这这一一点与工程师不同；点与工程师不同；设设计计创创新新是是一一种种融融合合了了技技术术、功功能能、便便利利性性、经经济济性性、社社会会需需求求、美美感感、传传统统文文化化和和新新兴兴文文化化交交融融的的手手段
14、段。艺术则不是。艺术则不是。关于设计创新关于设计创新设计创新的新思维设计创新的新思维1.树立设计创新的新思维，设计过程就是创新的过程；树立设计创新的新思维，设计过程就是创新的过程；2.摒弃模仿、抄袭、侵犯知识产权，要研究如专利战略；摒弃模仿、抄袭、侵犯知识产权，要研究如专利战略；3.直直面面挑挑战战，创创新新道道路路绝绝非非一一片片坦坦途途而而是是充充满满未未知知，风风险险和挑战，对面临的挫折不轻易放弃；和挑战，对面临的挫折不轻易放弃；4.创创新新的的成成功功与与失失败败之之比比是是很很悬悬殊殊的的，但但不不创创新新就就永永远远没没有成功；有成功；5.创新存在现存技术的抵制问题创新存在现存技术
15、的抵制问题6.创新可以分为三种类型（演化型、革命型、跨学科创新）创新可以分为三种类型（演化型、革命型、跨学科创新）设计创新的跨学科问题设计创新的跨学科问题从从工工程程领领域域和和设设计计创创新新角角度度出出发发，需需要要和和不不同同的的学学科科进行合作：进行合作：1.工工业业产产品品（工工具具类类、包包括括国国防防武武器器），设设计计创创新新要要和和工工程设计程设计合作合作；2.消消费费品品（器器具具类类，包包括括医医疗疗器器械械，家家具具类类），设设计计创创新新要和工程设计相要和工程设计相结合结合（同时发生），以设计创新为主；（同时发生），以设计创新为主；3.文文化化类类（建建筑筑、艺艺术术
16、），需需要要设设计计创创新新与与工工程程设设计计合合作作，建筑与土木工程学科合作，艺术产品与制造工艺进行合作。建筑与土木工程学科合作，艺术产品与制造工艺进行合作。关于关于“设计科学设计科学”设计活动由三个要素组成：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；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；先进设计方法的运用，以科学为基础的各种设计方法；以以系系统统工工程程的的综综合合集集成成和和分分层层分分析析的的方方法法应应用用于于设设计计创创新新的过程，提出解决问题的措施。的过程，提出解决问题的措施。关于关于“设计科学设计科学”1.科
17、科学学知知识识和和先先进进技技术术的的理理解解设设计计中中采采用用很很多多的的传传统统科科学学知知识识，掌掌握握这这些些科科学学原原理理和和知知识识，有有助助于于培培养养优优秀的设计创新人才：秀的设计创新人才：工程设计工程设计工程应用数学工程应用数学哲学和认知科学哲学和认知科学社会科学的相关理念社会科学的相关理念经济学、市场和营销经济学、市场和营销计算机科学（软件和数据处理）计算机科学（软件和数据处理）网络科学和技术网络科学和技术现代信息科学理论现代信息科学理论解剖学解剖学生理学生理学关于关于“设计科学设计科学”2.用用现现代代物物理理、化化学学科科学学和和心心理理学学、经经济济和和现现代代生
18、生态态环境下进行设计问题的解决：环境下进行设计问题的解决：先进的计算、模拟技术（先进的计算、模拟技术（M&S)人工智能设计技术人工智能设计技术运筹学运筹学优化设计技术优化设计技术3.运运用用分分层层（Hierarchy）分分解解方方法法，解解决决复复杂杂系系统统的设计问题的设计问题人人工工物物设设计计的的内内外外界界面面，对环境适应性限度对环境适应性限度思思维维心心理理学学，将将智智慧慧嵌嵌入自然入自然关于关于“设计科学设计科学”设计师需具备三种能力：设计师需具备三种能力：1，掌握有关专业的（先进）科学和技术知识的能力（深度和广度），掌握有关专业的（先进）科学和技术知识的能力（深度和广度）2，
19、掌握和使用（现代）设计方法和工具的能力。，掌握和使用（现代）设计方法和工具的能力。（计算机和网络）（计算机和网络）3，具备解决面向实际的各种创新性、系统性的设计和决策的能力。，具备解决面向实际的各种创新性、系统性的设计和决策的能力。KSA知识（知识（Knowledge）技能（技能（Skill）能力（能力（Ability）26BauhausBauhaus三原则（三原则（1930s1930s）1，艺术与技术的统一。，艺术与技术的统一。2，设计的目的是为了人而不是产品。，设计的目的是为了人而不是产品。3，设计必然遵循自然与客观规律。，设计必然遵循自然与客观规律。Bauhaus理念将设计作为经济发展的
20、支持角色。理念将设计作为经济发展的支持角色。新产品开发（新产品开发（20022002，斯坦福大学），斯坦福大学）产品开发的价值：产品方案产品开发的价值：产品方案如何实现价值：设计质量如何实现价值：设计质量产品方案产品方案设计质量设计质量“为什么为什么”和和“如何如何”顾客价值链顾客价值链价值圈价值圈效能分析效能分析QFD坐标坐标产品方案评估产品方案评估成本价值分析成本价值分析装配设计装配设计可生产性设计可生产性设计FMEA/可服务性设计可服务性设计变量设计变量设计环境设计环境设计健壮设计（分析基）健壮设计（分析基）健壮设计（田口法）健壮设计（田口法）六西格玛六西格玛零缺陷零缺陷质量控制卡质量控
21、制卡加速试验加速试验了解顾客价值了解顾客价值战战略略安安排排局局限限性性竞竞争争分分析析使使用用需需求求配配置置问问题题产产品品定定位位目目标标优优先先排排序序市市场场风风险险研研究究开开发发风风险险制制造造风风险险核核心心能能力力战战略略相相关关性性领领导导班班子子资资源源商商业业模模式式/财财务务分分析析产产品品方方案案/财财务务分分析析产品方案：多米诺效应产品方案：多米诺效应应用顾客价值链分析应用顾客价值链分析了解每个股权人的价值主张了解每个股权人的价值主张了解价值结构了解价值结构产品定义和质量记分卡产品定义和质量记分卡产品定义产品定义顾客之声顾客之声工程特征工程特征零件特征零件特征工艺
22、参数工艺参数要求流程要求流程QFD-IQFD-IIQFD-III/IV概念健壮设计质量记分卡质量记分卡六西格玛设计六西格玛设计信息科学信息科学-作为作为设计创新设计创新的资源和工具的资源和工具信信息息科科学学已已成成为为设设计计创创新新最最重重要要的的领领域域之之一一，信信息息科科学学给给人人类类提提供供一一种种重重大大资资源源，人人类类发发展展所所依依靠靠的的三三大大资源是资源是人力资源、物质资源人力资源、物质资源和和信息资源信息资源。今今天天我我们们生生活活在在海海量量信信息息和和海海量量数数据据的的时时代代，互互联联网网、计计算算机机技技术术、电电子子商商务务等等使使我我们们在在获获取取
23、信信息息、分分析析数数据据、利利用用数数据据的的能能力力有有一一个个质质的的飞飞跃跃。信信息息服服务务产产业业成为发达国家经济转型的主要支柱。成为发达国家经济转型的主要支柱。计算科学与工程计算科学与工程计计算算科科学学通通过过计计算算建建模模模模拟拟（M&S）为为设设计计创创新新提提供供重重要要的设计手段的设计手段信息科学信息科学-作为作为设计创新设计创新的资源和工具的资源和工具基于科学的工程模拟基于科学的工程模拟计计算算模模拟拟是是工工程程设设计计的的极极好好工工具具，以以模模拟拟为为基基础础的的优优化化设设计方法将使产品设计水平有空前的提高计方法将使产品设计水平有空前的提高信息科学信息科学
24、-作为作为设计创新设计创新的资源和工具的资源和工具设备技术产品工艺管理协作传统工业要素微电子技术软件技术计算机技术控制技术过程建模技术电子通信技术信息技术要素设备技术产品工艺管理协作传统工业要素微电子技术软件技术计算机技术控制技术过程建模技术电子通信技术信息技术要素智能控制算法建模数字模型流程e化流程管理电子商务现代工业要素信息技术改变制造业信息技术改变制造业一般技术信息技术方法过程装置BIBICRMCRMERPERPMESMESCADCADCAECAECFDCFDCACAMMPDPDMM物理技术（基于物理原理）非物理技术（不基于物理原理）“物”理技术“事”理技术PDMPDM信息技术改变制造业
25、信息技术改变制造业1234从从第第一一次次工工业业革革命命到第四次工业革命到第四次工业革命信息科学信息科学-作为作为设计创新设计创新的资源和工具的资源和工具基基于于物物联联网网和和务务联联网的智能环境网的智能环境信息科学信息科学-作为作为设计创新设计创新的资源和工具的资源和工具将信息技术融入产品将信息技术融入产品信息科学信息科学-作为作为设计创新设计创新的资源和工具的资源和工具来源：BMBF April 2013使用使用Apps定制汽车环境：定制汽车环境：信息科学信息科学-作为作为设计创新设计创新的资源和工具的资源和工具来源：TRUMPF物理系统融合物理系统融合CPS：信息科学信息科学-作为作
26、为设计创新设计创新的资源和工具的资源和工具Speech Graphics Gesture Facial Expression Body Language Physical Action Eyetracking 信息科学信息科学-作为作为设计创新设计创新的资源和工具的资源和工具为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新先进技术需求先进技术需求对美国大学调研对美国大学调研先进技术需求先进技术需求对美国产业调研对美国产业调研为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新为先进制造的设计创新Gartner Hype Cycle 2013Gartner Hype Cycle 2013经济时代转变的再思考经济时代转变的再思考谢谢各位！
