一、概述

（一）基本概念和定义

1．产品设计

产品设计大致可分为新产品设计和按订单的产品设计。新产品设计又称产品开发设计，是对产品从功能、原理到结构的整体设计，周期长，费用高，如三系列工业汽轮机的设计。按订单的产品设计则是根据订单要求，在产品基型上进行修改或配置得到用户需要的产品，如根据用户提出的具体参数的工业汽轮机的设计，其功能、原理和基本结构早已确定，只是对某些部件进行设计。本章不做特别说明的情况下，产品开发设计简称为产品设计。图3.1为产品开发设计的一般进程。

2．创新设计

创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关知识、经验和科技成果进行创新构思，设计出具有科学性、创造性、新颖性及实用性成果产品的一种实践活动。

创新是产品设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低廉的富有竞争力的产品。这里的创新可以是多层次的，如从结构修改、结构替换的低层次创新活动到工作原理变换、功能修改和增加等高层次创新活动都属于创新设计的范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中，将产生一组可行的“新”方案（中国机械工程学会，2011）。

3．人工设计、数字化设计和智能设计

在计算机出现之前，产品设计都是靠人工计算、绘图，这里将此称为人工设计。人工设计是传统的完全依靠人的智慧和能力进行设计的实践活动。

计算机技术出现后，首先是应用到产品设计中，出现数字化设计，即利用计算机帮助计算、绘图。数字化设计从其出现开始就或多或少有一些智能，其发展方向之一就是智能化。因此，智能设计的基础是数字化设计。

智能设计是指利用信息技术、人工智能技术和设计专家系统辅助和替代人的部分设计工作，帮助设计者提高产品设计效率和质量的一种人机协同的实践活动。

表3.1对人工设计、数字化设计和智能设计进行了比较。智能设计中的智能是相对的、模糊的，是在不断完善和发展中的。

（二）智能设计的需求

1．从“技术模仿”向“技术创新”转变的需求

改革开放初期，企业只要引进国外的生产线，模仿国外的产品，就能够得以生存和发展，并不需要自己去进行产品功能原理层的创新、复杂产品的结构创新。

随着中国进入WTO后，国外企业大举进军中国市场，竞争日趋激烈，知识产权保护也越来越严厉。我国要从制造大国变为制造强国，必须自主掌握产品的核心技术，这就需要我国企业更多地进行自主创新，从而对创新设计提出了更高的要求。

“十一五”以来，我国每年用于固定资产的设备投资中，60%以上是引进的。作为窗口的国家高新技术产业开发区，也有57%的技术源自国外。大量高技术制造装备依赖于进口，包括90%的高档数控机床、85%的集成电路制造装备和100%的光纤制造装备；我国的汽车产量居世界第4位，但核心技术仍依赖进口，国内轿车生产厂家基本上不具备整车开发能力（杨文位，2008）。在冶金机械中，最近几年我国在先进设备和系统方面的总投入巨大，但是这些设备和系统几乎全部是从德国、日本及意大利进口的。例如河北一家大型钢铁（邯郸）厂，冷轧设备来自德国西马克公司，镀锌设备来自意大利达涅利公司。目前，知识产权已经成为包括美国在内的发达国家保持与发展中国家之间差距的一种武器。据机械工业联合会的统计，目前工业发达国家新产品贡献率为52%，我国仅为5.9%。在“核心技术方面”具有独立自主知识产权的产品较少，模仿产品较多（苏生荣，2009；司凯，2012）。

当前我国提出了创新驱动的发展战略，越来越多的企业将从模仿走向创新、从劳动密集型向知识和技术密集型方向发展，产品创新将成为越来越多企业的发展战略。创新正在成为企业的主要财富和利润的主要源泉、最核心的竞争能力。创新能够帮助企业进入无竞争和高利润的“蓝海”。

创新设计需要利用前人的大量知识，这些知识高度分散，利用效率比较低，需要用知识管理系统和智能的方法来提高知识的利用效率。以往开发设计资源分散在不同设计人员的计算机中，很难得到共享。利用智能CAD系统、知识管理系统等，可以促进企业内部设计资源的共享和重用，可以支持全球开发模式，促进企业之间的设计资源共享和重用。

创新设计需要集成众人的创意，但大家一般不愿意贡献自己的创意，需要信息平台和智能的方法支持“集思广益”。

创新设计需要进行多学科优化，这里有大量的复杂算法需要智能技术帮助实现，需要集成大量的由实验、现场经验、理论分析得到的知识，并将这些知识标准化，嵌入专业设计软件系统中，提高系统的智能性。

2．缩短开发设计周期，提高开发设计效率的需求

随着市场竞争的日益激烈，产品更新换代的速度加快，产品生命周期的缩短，缩短产品开发设计周期也成为企业的努力目标之一，从而对快速设计提出了更高的要求。

快速设计不强调什么都自己从头开始，但面对大量的前人的知识、过去使用过的成熟的零部件模型，需要快速设计平台系统、有序化的知识和零部件模型以及智能的方法帮助开展快速设计。

快速设计需要提高产品开发设计的一次成功率。传统的产品开发设计结束后，需要设计和制造多种样机，进行各种实验，制造、装配和使用中的大量问题难以在设计阶段发现。采用智能CAE系统，可以直接利用产品模型，建立虚拟样机，进行计算机仿真实验，在设计阶段就能发现产品制造、装配、使用和维护中的问题，进而采取措施，优化产品结构，使产品设计一次成功，节省试制成本，缩短产品研发周期。

快速设计利用CAD/CAPP/CAM/CAT/PDM智能集成系统，可以开展并行工程，组织与产品全生命周期有关的设计、制造、装配、使用和维护人员协同进行产品开发设计，提高开发设计效率。

3．提高产品和制造过程的环境友好性的需求

面对我国当前严重的环境污染和资源短缺形势，我国制造业要持续发展，必须确保产品和制造过程的环境友好性，需要采用绿色设计和制造技术。

在绿色设计和制造中，产品和制造过程的环境友好性评价涉及大量的指标，这些指标需要从产品各个零部件的生命周期各环节获取大量环境污染数据计算得到，这不仅存在数据多、获取难、统计分析难等一系列问题，更困难的是许多企业出于自身利益考虑，不愿把自己产品和制造过程的环境污染数据公布出来。这需要通过信息平台和智能的方法，同时需要国家有关部门制定相应的法规和标准，需要依靠大众来获取和集成产品和制造过程的环境污染数据，进行统计分析，然后反馈给企业人员，进行产品和制造过程的环境友好性评价，以便选择环境友好的零部件及制造过程，确保产品和制造过程有较高的环境友好性。

在绿色设计和制造中，需要大量的相关知识，这些知识涉及多学科，这是目前企业所严重缺乏的。需要绿色设计和制造知识库，能够智能地向企业员工推送所需要的绿色设计和制造知识。

在绿色设计和制造中，需要大量的创新。绿色设计和制造需要在产品和制造过程的环境友好性与性能、成本、交货期等其他指标之间进行协同优化，往往需要颠覆过去的许多设计和制造方法。这些创新需要进行多学科协同，需要智能技术和信息技术的支持。

4．降低产品生命周期成本的需求

现在越来越多的企业和用户认识到降低产品生命周期成本（Life Cycle Cost, LCC）比降低产品制造成本更重要，因此，越来越多地采用LCC招标方法。为此需要一种面向成本的设计（Design To Cost, DTC），这里的成本是指产品生命周期成本。

面向成本的设计要求对产品从“摇篮”到“坟墓”全生命周期各个环节的成本进行估算。目前许多企业连产品的制造成本也不清楚，更何况生命周期成本。这需要在企业的现有信息系统中增加成本数据获取和计算分析的功能，需要对企业的各种信息系统中的成本数据进行集成和统计分析，需要对产品使用中的维修、报废后的处理等成本进行估算。要保证这些估算的成本具有较大的可信性，就需要通过信息平台和智能的方法，同时需要国家有关部门制定相应的法规和标准，需要依靠大众来帮助获取、监督和集成产品生命周期成本，进行统计分析。

面向成本的设计要求专业化分工，要求大批量定制模式，需要智能的零件库、智能协同设计和制造平台等的支持。

（三）智能设计的演化

1．智能设计的演进过程

随着信息技术、人工智能技术等的发展，产品设计的智能化水平逐渐提高，如表3.2所示。产品智能设计的发展没有终点，表3.2所示的各种产品设计技术中的智能目前还是局部的、相对的、比较初级的。

2．信息技术对智能设计的影响

从产品生命周期分析，信息技术对智能设计的影响如表3.3所示。

3．基于知识的智能设计和基于软件的智能设计的关系

智能技术的作用是将设计过程和知识模型化、编码化，用计算机辅助或代替人进行产品设计。智能设计可以分为基于知识的智能设计和基于软件的智能设计，它们的关系如图3.2和表3.4所示。基于知识的智能设计系统只是提供丰富的、有序化的知识模型，帮助设计者进行设计。基于软件的智能设计系统已经将知识模型嵌入软件系统，设计者通过软件系统进行产品设计，显著降低对设计者的知识水平的要求。

案例1：面向工业汽轮机的基于知识的智能设计和基于软件的智能设计

工业汽轮机是一种复杂制造装备，可靠性要求很高，其主要零部件要求耐高温、耐冲击和高精度。产品结构比较复杂，平均每个产品有近万个零部件。图3.3描述了面向工业汽轮机的基于知识的智能设计和基于软件的智能设计。最里层是不同变型的工业汽轮机剖面图，第二层是工业汽轮机设计知识，第三层（最外层）是工业汽轮机设计软件。这些软件的智能化程度不一。

首先发展的是基于知识的工业汽轮机设计，随着信息技术的发展和知识模型化，基于软件的工业汽轮机设计的内容越来越多。但并不是所有的知识都可模型化嵌入软件系统，因此，基于知识的工业汽轮机设计还是很重要的工作内容。

（1）基于知识的智能设计。基于知识的智能设计是以人为主的智能设计。在智能设计的初期，主要依靠人的隐性知识进行概念、原理方案等的创新。依靠信息系统进行自动创新是非常难的，但信息系统可以帮助人快速找到许多知识，有效学习知识，提供虚拟体验环境，激发创新灵感，提高创新效率。

（2）基于软件系统的智能设计。基于软件系统的智能设计是人利用软件系统的智能设计，主要发生在设计的中后期阶段。在这一阶段，大量的设计知识可以显性化、程序化，嵌入信息系统中，使智能设计系统的智能性显著提高。

本文研究的一些智能设计模式之间的关系如图3.4所示。

图3.5所示为基于知识的智能设计过程。

4．智能设计系统的大脑模型

图3.6将智能设计系统比喻为人的大脑模型。智能设计系统由3部分组成：①知识。这类似大脑模型中的神经元，通过学习存贮知识。②软件系统。这类似大脑模型中的神经网络，将知识集成起来，并进行创新。③创新文化和能力。这类似大脑模型中的供血系统，如果缺血，大脑几分钟就会死亡。知识需要人提供，创新需要人进行。没有人的参与，创新活动也就停止。所以这三者缺一不可。