1、1 1 3.1 概述 3.2 技术系统及其确定 3.3 系统化设计 3.4 评价决策 思考题第3章 现代设计方法学2 23.1 概 述3.1.1 设计方法学的涵义设计方法学(Design Methodology)是一门正在发展和形成的新兴学科，它的定义、研究对象和范畴等目前尚无确切的、大家公认的认识，但近年来它的发展极快，广泛受到各国及有关学者的关注。3 3设计方法学诞生于19世纪后期，最早涉及设计方法学研究的学者应该是德国的F.Reuleaux，1875年他在理论运动学一书中第一次提出了“进程规划”的模型，即对很多机械技术现象中本质上统一的东西进行抽象，在此基础上形成一套综合的步骤。这是最早
2、对程式化设计的探讨，因而有人称他为设计方法学的奠基人。但是，设计方法学得到较大发展却是在第二次世界大战之后。20世纪40年代，Kutzbach等人相继在程式化设计的发展、设计评价原则、功能原理及设计中的应用等方面开展了一些工作，初步发展了设计方法学研究。4 420世纪60年代以来，由于各国经济的高速发展，特别是竞争的加剧，一些工业发达国家往往采取措施加强设计工作，开展设计方法学研究，使得设计方法学在这一时期取得了飞速发展。许多国家的专家、学者在设计方法学方面或出版专著，或从事专题研究，如设计目录的制订、有关设计和经济性问题、设计方法研究、产品功能结构及其算法化、设计方法学与计算机辅助设计等，并
3、开始探讨设计方法学研究的内涵。慕尼黑大学的Rodenacker是联邦德国(也是世界上)第一个被任命为从事设计方法学研究的教授，因而有人称他为“设计方法之父”。5 5由于经济文化背景的不同，不同学者的研究各有自己的特点和侧重面，德国学者和工程技术人员比较着重研究设计的进程、步骤和规律，进行系统化的逻辑分析，并将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考，如德国工程师协会制定的有关设计方法学的技术准则VDI2222等。英美学派偏重分析创造性开发和计算机在设计中的应用。美国在二战末期成立了“工业设计委员会”，到1972年改为“设计委员会”。6 61985年9月美国国家科学基金会提出了设计理论
4、和设计方法研究的目标和优化的项目的报告，该报告拟定了设计理论与方法学的五个重要研究领域：设计中的定量方法和系统方法；方案设计(概念设计)和创新；智能系统和以知识为基础的系统；信息、综合和管理；设计学的人类学问题。日本则充分利用国内电子和计算机优势，在创造工程学、自动设计、价值工程方面做了不少工作。前苏联和东欧等国家也在宏观设计的基础上提出了“新设计方法”。不少国家在高等学校中开设了有关设计方法学的课程，多方面、多层次开展培训工作，推进设计方法学的研究和应用，有效地提高了产品的设计质量及其竞争能力。7 720世纪70年代末，欧洲出现了由瑞士V.Hubka博士、丹麦M.M.Andeasen博士及加
5、拿大W.E.Eder教授组成的欧洲设计研究组织WDK。此后，它发起组织了一系列国际工程设计会议ICED(International Conference on Engineering Design)，参加人员和范围逐渐扩大，目前每隔一年召开一次。它还组织出版了有关设计方法学的WDK丛书，除各次会议论文集以外，还包括有关设计方法学的基本理论、名词术语、专家评论和有选择的专著。此外，WDK还建立了一批国际性的专题研究小组，如机械零件的程式化设计研究小组，他们定期开展活动。从此，设计方法学研究明显地从各国自行开展发展为国际性的活动，各学派充分交流，互相取长补短，将设计方法学研究及应用推向新的高潮，吸
6、引了全世界学者的注意。8 81980年前后我国不断引进国外设计方法学的研究成果，开始了对设计方法学的学习与研究。1981年中国机械工程学会机械设计学会首次派代表参加了ICED 81罗马会议，此后即在国内宣传，并于1983年5月在杭州召开了全国设计方法学讨论会，探讨开展设计方法学研究活动，并成立了设计方法学研究组。有的高校选派人员出国，进行设计方法学研究，此后陆续成立了一些关于设计方法学研究的全国性和地区性学会，他们与有关单位合作，组织各种类型的讲习班、培训班，翻译出版了一批专著，开展国内外的学术交流。不少高校已开设了设计方法学课程，编写了自己的教材。9 9不少专业期刊开辟了设计方法学专栏。19
7、94年浙江大学和中国机械工程学会联合主办，联邦德国施普林格出版社和柏林工业大学协办，浙江大学出版社承办，出版了国内设计领域第一本国际合作的科技刊物工程设计，它主要反映和交流两国在技术系统设计理论、方法和技术方面的研究及其在工业界的应用，促进工业界更多了解和应用现代设计的研究成果，同时促进设计学术界更多了解工业界的设计经验、现状和需要解决的问题。有的技术人员在自己的工作中开始了设计方法学的应用，初步取得一些成果。和其他国家一样，设计方法学研究在我国也正在蓬勃开展。1010由前述知，国内外对设计本质及方法的研究已初步进入实用阶段，出版了一些有代表性的专著，召开了五次有关的国际学术会议，但是有关这门
8、学科的名称并未得到统一，如科学设计(Science Design)、工程设计(Engineering Design)、设计方法学(Design Methodology)、工程设计原理(Principles of Engineering Design)、设计综合(Design Synthesis)、设计学、机械研究方法论等。其名称相近，内容大同小异，但共同特点都是总结设计规律，启发创造性，采用现代化的先进技术和理论方法，使设计过程自动化、合理化，其目的是设计出更多质高价廉的工程技术产品，以满足人民的需求和适应日趋尖锐的市场竞争形势的需要。1111关于什么是设计方法学，不同学者有不同看法，目前比较
9、完整和有一定代表性的是瑞士V.Hubka博士提出的一些观点。他认为：设计方法学是研究解决设计问题的进程的一般理论，包括一般设计战略及用于设计工作各个具体部分的战术方法，他还提出了它的主要领域及大致结构，包括进程模式、进程规划、进程风格、方法、方法学行动规划、工作方法、工作原则等。1212值得注意的是，这门学科具有强烈的社会背景，并受社会制度、哲学思想及工业技术现状所制约，若生硬照搬，必难适应我国国情，难以为现实工程技术人员所接受，而应博采众家之长，结合我国实际，在现实的基础上向前推进，探索出提高设计质量、提高设计速度、缩短产品换代周期、增强市场竞争能力的系统理论与方法，形成软件支撑，将现实工业
10、设计水平提高一步，使传统的设计概念得到扩展与深化。13133.1.2 设计方法学的研究对象设计方法学是在深入研究设计过程的本质的基础上，以系统的观点研究设计的一般进程，安排和解决具体设计问题的方法的科学。设计方法学的具体研究对象有：(1)设计对象。设计对象是一个能实现一定技术过程的技术系统。对于一定的生产或生活需要来说，能满足这个需要的技术过程不是惟一的，能实现某个一定的技术过程的技术系统也不是惟一的。影响技术过程和技术系统的因素很多，要全面系统地考虑，研究确定最优技术系统，即设计对象。1414(2)设计进程。设定技术过程及划定技术系统的边界，确定技术系统的总功能，包括物质功能和精神功能。总功
11、能可分解为不同层次的分功能。分功能继续分解到不宜再分时，就构成功能元。功能元求解即寻求实现某功能元的多种实体结构，即功能载体。利用形态学矩阵来组合分功能解，可得若干个整体方案，从中寻求最优整体方案。(3)设计评价。先根据一定的准则和方法对各方案作出评价，然后按正确的原则和步骤进行决策，逐步求得最优方案。1515(4)设计思维。设计是一种创新，设计思维应是创造性思维。创造性思维有其本身的特点和规律，并可通过一定的创造技法来激发人们的创造性思维。(5)设计工具。把分散在不同学科领域的大量设计信息集中起来，按设计方法学的系统程式分类列表，建立各种设计信息库，通过计算机等先进设备方便快速地调用这些信息
12、供参考。(6)现代设计理论与方法的应用。把成批涌现且不断发展的各种现代设计理论与方法应用到设计进程中来，使设计方法学更臻完善。16163.1.3 现代设计方法学的研究内容设计方法学是研究产品设计规律、设计程序及设计中的思维和工作方法的一门综合性学科。设计方法学以系统工程的观点分析设计的战略进程和设计方法与手段，在总结设计规律、启发创造性的基础上促进研究现代设计理论、科学方法、先进手段和工具在设计中的综合运用，对开发新产品、改造旧产品和提高产品的市场竞争力有积极的作用。1717设计方法学研究的内容包括以下几方面：(1)分析设计过程及各设计阶段的任务，寻求符合科学规律的设计程序。将设计过程分为设计
13、规划(明确设计任务)、方案设计、技术设计和施工设计四个阶段，明确各阶段的主要工作任务和目标，在此基础上建立产品开发的进程模式，探讨产品全生命周期的优化设计及一体化开发策略。(2)研究解决设计问题的逻辑步骤和应遵循的工作原则。以系统工程分析、综合、评价、决策的解题步骤贯穿于设计各阶段，使问题逐步深入扩展，多方案求优。1818(3)强调产品设计中设计人员创新能力的重要性，分析创新思维规律，研究并促进各种创新技法在设计中的运用。(4)分析各种现代设计理论和方法，如系统工程、创造工程、价值工程、优化工程、相似工程、人机工程、工业美学等在设计中的应用，实现产品的科学合理设计，提高产品的竞争能力。(5)深
14、入分析各种类型设计如开发型设计、扩展型设计、变参数设计、反求设计等的特点，以便按规律更有针对性地进行设计。1919(6)研究设计信息库的建立。用系统工程方法编制设计目录设计信息库。把设计过程中所需的大量信息规律地加以分类、排列、储存，便于设计者查找和调用，便于计算机辅助设计的应用。(7)研究产品的计算机辅助设计。运用先进理论，建立知识库系统，利用智能化手段使设计自动化逐步实现。20203.2 技术系统及其确定3.2.1 技术系统设计的目的是满足一定的需求。例如，为得到某种复杂形状的金属零件，可通过编程在加工中心上对坯料进行加工。坯料是作业对象，加工中心是技术系统，所完成的加工过程是技术过程。设
15、计是对作业对象完成某种技术过程，产品就是人造技术系统。2121作业对象一般可分三大类：物料、能量和信息。例如，加工过程中的坯料为物料，发电过程中的电量为能量，控制过程中的电子信号为信息，等等。只有在技术过程中转换了状态、满足了需求的物料才是作业对象。满足一定需求的技术过程不是惟一的，因而相对应的技术系统也是不同的。例如，某种形状的金属零件可以用切削、铸造、锻造、轧制、激光成形等不同的技术过程来完成，相对应的技术系统有切削机床、精密铸机、精密锻机、冷轧机、激光成形机等。2222技术过程的确定对设计技术系统是非常重要的。确定技术过程的一般步骤如下：(1)根据信息集约和调研预测的资料，分析确定作业对
16、象及其主要转换要求。(2)分析比较传统的和现代的理论和实践，确定主要转换实现的工作原理。(3)明确实现技术过程的环境和约束条件。环境是与技术系统发生联系的外界的总和，约束条件包括经济条件、生产条件、技术条件、社会条件等。(4)确定主要技术过程和其他辅助过程。(5)根据高效、经济、可靠、美观、使用方便等原则，初步划定技术系统的边界，即工作范围。2323技术过程是在人技术系统环境这个系统中完成的。划定技术系统与人这一方的边界，主要确定哪些功能由人完成，哪些功能由技术系统完成。而划定技术系统与环境这一方的边界，主要确定环境对技术系统有哪些干扰，技术系统对环境有哪些影响。这样划定了技术系统的两方边界，
17、就确定了技术系统应实现的功能。2424技术系统所具有的功能是完成技术过程的根本特性。从功能的角度分析，技术系统应具有下列能完成不同分功能的单元：(1)作业单元，完成转换工作。(2)动力单元，完成能量的转换、传递与分配。(3)控制单元，接收、处理和输出控制信息。(4)检测单元，检测技术系统各种功能的完成情况，反馈给控制单元。(5)结构单元，实现系统各部分的连接与支承。2525图3-1为技术系统的框图，除了设计任务所期望的物料、能量和信号的转变外，还不可避免地存在不期望发生的伴生输入和伴生输出，如振动、温度、噪声、灰尘、边角料等。2626图3-1 技术系统框图 27273.2.2 信息集约信息集约
18、由企业各部门共同完成，分工如下：(1)情报部门：产品的技术资料及发展趋势，专利情报，行业技术经济情报等。(2)开发部门：性能试验，新材料、新工艺、新技术，产品性能、规格、造型，各种标准法规，设计方法等。(3)制造部门：生产能力，工时，制造工艺，设备，技术数据等。2828(4)营销部门：国家产业、政策，产品生命周期分析，市场调查，需求预测，经营销售分析；材料和外购件的价格与供应情况，质量与供货能力；老产品用户意见分析，事故与维修情况分析等。(5)公关部门：产品和企业的社会形象，同行的竞争与联合等。(6)社会部门：产品与环境污染、节能、资源、动力供应等的关系，产品进入和退出社会、报废消失、升级换代
19、等的效应等。29293.2.3 调研预测调研预测一般从市场、技术、社会环境及企业内部四个方面进行。1.市场调研市场调研的主要内容包括：(1)用户对象，如市场面、用户分类、购买力、采购特点等。(2)用户需求，如品种规格、数量、质量、价格、交货期、心理与生理特点等。3030(3)产品的市场位置，如质量、品种、规格统计对比，新老产品情况，市场满足率，产品生命周期等。(4)同行或竞争对手分析、销售情况与方法、市场占有率等。(5)外购件供应，如原材料、元器件供应质量、价格、期限等。31312.技术调研技术调研的主要内容包括：(1)现有产品的水平、特点、系列、结构、造型、使用情况、存在问题和解决方案等。(
20、2)有关的新材料、新工艺、新技术的发展水平、动态与趋势。(3)适用的相关科技成果。(4)相关标准、法规、专利、情报等。32323.社会环境调研社会环境调研的主要内容包括：(1)国家的计划与政策。(2)产品使用环境。(3)用户的社会心理与需求。33334.企业内部调研企业内部调研的主要内容包括：(1)开发能力，如各级管理人员的素质与管理方法，已开发产品的水平与经验教训，技术人员的开发能力，开发的组织管理方法与经验教训，掌握情报资料的能力和手段，情报、试验、研究、设计人员的素质与数量。(2)生产能力，如制造工艺水平与经验，以及动力、设备能力、生产协作能力。(3)供应能力，如开辟资源与供货条件的能力
21、，选择材料、外购件和协作单位的能力，信息收集能力，存储与运输手段等。(4)营销能力，如宣传和开辟市场的能力与经验、联系与服务用户的能力、信息收集能力、存储与运输能力等。34343.2.4 可行性报告在信息集约、调研预测的基础上，由企业内所有业务部门参加的并行设计组和用户共同进行可行性分析，提出可行性报告。可行性报告一般包括下列内容：(1)产品开发的必要性和可能性。(2)该产品目前国内外现状及水平。(3)确定产品的技术规格、性能参数和约束条件。(4)提出该产品的技术关键和解决途径。(5)预期达到的技术、经济、社会效益。(6)预算投资费用及项目进度、期限。3535作为可行性报告附件的设计要求表中应
22、列出尽可能定量的设计要求的设计参数，包括保证产品基本功能的要求与参数，以及希望达到的附加要求与参数。拟定设计要求表(设计任务书)的原则是详细而明确，先进而合理。所谓详细，就是针对具体设计项目应尽可能列出全部设计要求，特别不要遗漏重要的设计要求；所谓明确，就是对设计要求尽可能定量化；所谓先进，就是与国内外同类产品相比，在产品功能、技术性能、经济指标等方面都有先进性；所谓合理，就是设计要求适度，实事求是。3636产品设计要求是设计、制造、试验和鉴定的依据。一项成功的产品设计，应该满足许多方面的要求，要在技术性能、经济指标、整体造型、使用维护等方面都能做到统筹兼顾、协调一致。产品设计中通用的主要要求
23、有：产品功能要求、适应性要求、性能要求、生产能力要求、制造工艺要求、可靠性要求、使用寿命要求、降低成本要求、人机工程要求、安全性要求、包装运输要求等。所有这些要求都是对整机而言的，在设计时，应针对不同产品加以具体化、定量化。37373.3 系 统 化 设 计3.3.1 功能分析功能是对技术系统中输入和输出的转换所作的抽象化描述。功能还可表述为：功能=条件属性。其含义是在不同的条件下利用不同的属性，同一物体可实现不同的功能。只有用抽象的概念来表述系统的功能，才能深入识别需求的本质，辨明主题，发散思维，启发创新。3838例如，把“车床加工零件”抽象为“把多余材料从毛坯上分离出去”，再抽象为“获得合
24、格表面”，思维就从“车削”发散到“强力磨削”、“激光加工”再到“成形挤压”、“冷轧”。为避免设计人员知识经验不足和过早地进入具体方案，应从技术系统的功能出发进行功能原理设计，将总功能逐步分解为比较简单的分功能，一直分解到能直接找到解法的功能元，形成功能树。例如，快速成形设备的功能树如图3-2所示。3939图3-2 快速成形设备功能树 40403.3.2 功能元求解功能元的求解过程是指选择实用的科技工作原理，构思实现工作原理的技术结构，即功能载体。国外学者认为：“一切机械系统都是以能够满足某一确定目标和功能的物理现象为基础的，一切设计任务都可以说是物理信息同结构措施相结合的产物。”德国的R柯勒教
25、授把实现的功能或功能元的解定义为“原理解法”，并且指出原理解法是物理作用及作用件的函数：原理解法=f(物理作用，作用件)41411.选择工作原理设计人员在选择工作原理时，思维发散是关键。机械设备的设计不应局限于机械学的范围，电子学、磁学、光学、热学、仿生学等科技工作原理都应在考虑之列。例如，应用磁学、电子学工作原理的磁力轴承代替应用摩擦学、流体力学工作原理的液压轴承；应用电子学、信息学工作原理的带编码器的伺服电机代替应用电工学、机械学工作原理的带交流电动机的齿轮轴系；应用光学工作原理的激光器代替应用机械学工作原理的切削机床对高硬度材料的加工；应用电子学工作原理的电子计时表代替应用机械学工作原理
26、的机械计时表，等等。先进的科学技术的应用能设计出新一代的创新产品。4242选择先进的工作原理时，必须分析工作条件是常规的还是非常规的，功能载体在不同的工作条件下表现出来的特性是一般的显特性还是某种内在的潜特性。例如，普通钢材在超低温的冷脆性使强度大大降低，而在超高压下的高塑性使硬度大大降低；用激光加工印制板小孔代替机械加工，要保证小孔的表面粗糙度以便于装配元件，必须经过实验决定是否可行。43432.构思功能载体构思完成某个功能元的功能载体，一般采取以下方法：(1)检索。在各种设计目录、信息库、手册等设计工具中进行检索，寻求最优功能载体。(2)集成。把不同的特性、功能、技法等综合集成，产生创新功
27、能载体。例如，耐拉纤维和耐高温陶瓷有机综合成为高强度陶瓷；具有收音、计时、记忆、报警等多种功能的收音机；能折叠、爬楼、坐息、载重的手拉行李车。至于集自动加工、装配、检测、调整、运输、储存、管理等功能于一身的计算机集成制造系统(CIMS)，更是机电一体化综合集成的技术高峰。4444(3)缩放。由于材料、集成电路及其工艺等的发展，机器人已可缩小到从血管进入心脏完成手术，这只是缩小的微机械的一例。相反的例子有放大到数百平方米的电视屏幕。(4)变换。电动机的部分矽钢片变换为永磁材料，产生了响应特性大大提高的控制电动机。弹簧质量系统变换为压电晶体，电阻丝变换为半导体，使传感器和应变片的性能大大提高。相反
28、，利用永磁材料的特性，用大惯量转子变换小惯量转子，大大提高了伺服电动机的特性，是逆向变换的成功实例。45453.3.3 方案综合功能原理方案综合常用形态学矩阵。矩阵的行数n为功能元数，矩阵列数为实现一个功能元的不同功能载体数中最多的载体数m，见表3-1。46464747nm的形态学矩阵名义上有nm个解即nm个方案，实际有akblnm 个方案，方案数太大难以寻优，一般先按以下方法淘汰大部分一般方案：(1)各功能元的解必须相容，不相容者淘汰。(2)淘汰与国家政策、民族习性有矛盾的，经济效益差的解。(3)优先选择主要功能元的技术先进的解。寻求组合方案时，注意防止按常规走老路的倾向，重视创新的先进技术
29、的应用。经过筛选淘汰组合成少数方案供评价决策，最后得12个可行的功能原理方案作为技术设计方案。48483.3.4 设计工具1.设计目录设计目录提供与设计进程有关的信息，如物理效应、作用原理、构形方法等，一般由分类、主体、检索三部分组成。根据内容不同，设计目录可分三种。(1)对象目录：提供有关物理、几何、材料、工艺等设计对象的知识和信息，设计时按目录选用。表3-2是给定构件数的约束运动机构的对象目录。图3-3是根据表3-2中所选机构设计的几种铆机方案。4949图3-3 铆机方案 50505151(2)作业目录：提供各种单项设计工作步骤和工作过程及其使用条件和判断准则等，如构形规则、解法选用、特性
30、计算等。表3-3为构形方案选择的作业目录。(3)解法目录：列有特定功能、任务，或附带一定的边界条件，如各种产生某种功能的效应、载体、外形及制造方法等。表3-4为功能“力的产生”的解法目录。5252535354542.知识库(1)数据库：各种物理效应、功能载体、技术参数等都可以数据库的形式存入计算机供检索查询。(2)设计词典：按某种设计要求编词典。如功能-载体词典把常用的功能编为词典条目关键词(是一个动词)，再加限制性形容词。图3-4表示词条“伸缩”。(3)手册：各种设计手册如机械工程手册等，也属知识库的范畴，使用广泛。5555图3-4 “伸缩”词条 5656 3.4 评 价 决 策设计进程的每
31、一个阶段都是相对独立的一个问题的解决过程，都存在多解，都需要评价和决策。评价过程是对各方案的价值进行比较和评定，而决策是根据目标选定最佳方案，做出行动的决定。57573.4.1 评价目标树评价的依据是评价目标(评价准则)，评价目标制定得合理与否是保证评价的科学性的关键。评价目标一般包括三方面的内容：技术评价目标，即评价方案在技术上的可行性和先进性，包括工作性能指标、可靠性、使用维护性等。经济评价目标，即评价方案的经济效益，包括成本、利润、实施方案的措施费用以及投资回收期等。5858 社会评价目标，即评价方案实施后对社会带来的效益和影响，包括是否符合国家科技发展的政策和规划，是否有益于改善环境(
32、环境污染、噪声等)，是否有利于资源开发和新能源的利用等。评价目标来源于设计所要达到的目的，它可以从设计任务书或要求的明细表中获取。评价标准分为定性和定量两种指标。例如美观程度只能定性描述，属于定性指标，而成本、重量、产量等可以用数值表示，称为定量指标。在评价标准中，有时定量和定性指标是可以相互转化的。工业产品设计要求有单项的，也有多项的，因此，评价指标可以是单个的，也可以是多个的。5959由于实际的评价标准(评价目标)不止一个，其重要程度亦不相同，因此需建立评价目标系统。所谓评价目标系统，就是依据系统论观点，把评价目标看成系统。评价目标系统常用评价目标树来表达。评价目标树就是依据系统可以分解的
33、原则，把总评价目标分解为一级、二级等子目标，形成倒置的树状。图3-5为评价目标树的示意图。图中，Z为总目标，Z1、Z2为一级子目标；Z11、Z12为Z1的子目标，也就是Z的二级子目标；Z111、Z112是Z11的子目标，也是Z的三级子目标。最后一级的子目标即为总目标的各具体评价目标(评价标准)。6060图3-5 评价目标树 6161建立评价目标树的目的是将产品的总体目标具体化，使之便于定性或定量评价。定量评价时应根据各目标的重要程度设置加权系数(重要性系数)，如图3-6所示。图中目标名称Z11下面的数字，左边的0.67表示同属上一级目标Z1的两个子目标Z11和Z12中Z11的重要性系数，这样的
34、同级子目标的重要性系数之和等于1，如Z11和Z12的重要性系数0.67+0.33=1。右边的数字表示该子目标在整个目标树中所具有的重要程度，它等于该目标以上各级子目标重要性系数的乘积，如Z112的重要性系数0.2510.50.67 0.75。6262图3-6 目标树与评价系数63633.4.2 评分法评分法根据规定的标准用分值作为衡量方案优劣的尺度，对方案进行定量评价。如有多个评价目标，则先分别对各目标评分，再经处理求得方案的总分。1.评分标准如表3-5所示，有05分的五分制和010分的十分制两种评分标准。不同设计阶段可以采用不同的评分标准，特别是在方案设计阶段，由于具体化程度较低，有些特征尚
35、不清楚，通常建议采用05分的五分制评分标准。在评价对象较具体、特征较明显时，建议采用010分的评分标准，其分级更细。评分标准中对应的中间值可用直线插入法求得。646465652.评分方法常采用集体评分法，由几个评分者以评价目标为序对各方案评分，取平均值或去除最大、最小值后的平均值作为分值，以减少个人主观因素对评分的影响。3.总分计分方法总分计分方法有分值相加法、分值连乘法、均值法、相对值法或有效值法(加权计分法)等，见表3-6。66666767表中：Q0为理想方案分值；n为评价目标数；Pi为第i个评价目标的得分；gi为第i个评价目标的加权系数；Q为方案总分值；N为有效值。例 A、B、C三种电池
36、的主要性能目标见表3-7，试评价决策出较好的电池。68686969解 评价目标树见图3-7。由图3-8的评分线图求出各方案的相应分值列于表3-8。评价结果：电池A的总分最高，为最优方案，但是成本也较高，因此，应采取降低成本的措施。7070图3-7 电池的评价目标树7171图3-8 电池的评分线图 727273733.4.3 技术-经济评价法技术-经济评价法的评价依据是相对价，其中包括方案的技术价和经济价。该法被定为德国工程师协会规范VDI22225。74741.技术评价通过技术分析验证所采用的技术原理的正确性，预测设计方案的性能，并确定详细设计细节。技术评价通过求方案的技术价t进行：式中:Pi
37、为第i个技术评价指标的评分值；gi为第i个技术评价指标的加权系数，gi=1；Pmax为最高分值(十分制为10分，五分制为5分)。t0.6表示方案在技术上不合格，必须改进。75752.经济评价经济评价的目的是求方案的经济价e，也就是理想制造成本与实际制造成本的比值:式中:H为实际制造成本，包括材料费用、工资费用和一般生产管理费用等，进行方案评价时，H是估算值；H1为理想的制造成本，可取为设计任务书中允许的制造成本的70。一般e0.7意味着实际生产成本高于允许生产成本，在经济上不合格。76763.技术-经济综合评价1)总价值o计算总价值有两种方法：直线法：抛物线：2)优势图(又称S图)用e、t分别
38、为纵、横坐标，作优势图(见图3-9)，其中S点对应理想设计方案，e=t=1，OS连线称为开发线，方案越靠近开发线，说明方案的技术、经济的综合性能越好。图中阴影区称为许用区，只有在许用区中的S点对应的方案才是适用的。7777图3-9 优势图 7878例 高速专用磨床的主轴前支承有三排深沟球轴承、三瓦液体动压轴承和球面液体静压轴承三种方案。已知各方案的技术指标P1i、P2i、P3i及加权系数gi，以及各方案的生产成本Hi及理想成本H1，试评价决策出较好方案。解 图3-10示出用目标树表示的技术评价目标及加权系数，三种轴承的技术评价结果如表3-9所示，经济评价如表3-10所示。7979图3-10 技
39、术评价目标树 808081818282三个方案的相对价分别为：优势图如图3-11所示。评价决策准备采用滚动轴承方案，要求进一步提高技术水平。8383图3-11 优势图 84843.4.4 模糊评价法根据评价目标Xi及其加权系数gi建立评价目标集X=X1,X2,Xn和加权系数集G=g1,g2,gn。根据评价标准Pi建立评价集P=P1,P2,Pn。求出各方案评价目标对于不同评价标准的隶属度，建立各方案的模糊评价矩阵。按一定模型合成模糊矩阵，求出考虑加权的综合模糊评价，折算为按百分比表示的隶属度。用最大隶属度原则评价方案优劣顺序，决策采用何种方案。下面举例说明。例 对建立某计算机管理系统的三个方案进
40、行评价决策。投资控制在30万元以内，15万元为中，低于5万元为优。要求性能完善、建成周期短。方案和评价目标情况见表3-11。评价目标树见图3-12。85858686图3-12 计算机管理系统的评价目标树 8787解 评价目标集X=投资，性能，周期评价集P=优，中，差加权系数集G=0.2，0.55，0.25对投资求隶属度：先用隶属函数求隶属度，在模糊数学的十几种隶属函数中，选直线隶属函数，求隶属度如图3-13所示。8888图3-13 对投资求隶属度 8989隶属度函数式为9090三个方案对投资评价集的隶属度R分别为9191对性能求隶属度，可用统计法。请若干位专家进行性能的优、中、差评价，三方案的
41、统计比例分别为9292 对周期求隶属度，同样用统计法求得：9393 三个方案的模糊评价矩阵分别为9494考虑加权的综合模糊评价，可用取小取大法M(，)：gr=min(g，r)；gr=max(g，r)。综合模糊评价：按M(，)法求各方案的综合模糊评价如下：9595经归一化处理，各Z值折算为按百分比表示的隶属度：同理得：9696按最大隶属度评价决策方案优劣顺序为：，。M(，)法突出了加权系数和隶属度中主要因素的影响，但会丢失部分信息。在评价目标较多、加权系数绝对值小的情况，可用乘加运算法(j=1,2,m)。9797现用M(+)法求各方案的综合模糊评价如下：98989999100100得按最大隶属度评价决策方案优劣的顺序仍为，。101101思 考 题1 设计方法学的涵义是什么？2 设计方法学的研究对象和研究内容包括哪些方面?3 可行性报告一般包括哪些内容？4 构思完成某个功能元的功能载体时，可以采用的方法有哪些？5 设计目录是什么？一般包括哪些组成部分？设计目录可分为哪些种类？6 如何建立评价目标树？7 评分法、技术-经济评价法、模糊评价法的区别是什么？
