产品设计过程模型、策略与方法 89
产品设计过程模型、策略与方法∗
檀润华 曹东兴 张瑞红 孙力峰
（河北工业大学河北省机电一体化工程技术中心 天津 300130）
摘要：根据工业化国家工程设计的发展，介绍了顺序过程、以设计为中心、并行设计、动态过程四种设计过程模型，产生多个还是一个概念的两种设计策略，及在不同设计阶段可选择的设计方法。对我国企业在开发新产品过程中选择设计过程模型、策略与方法有一定的参考意义。
关键词：产品设计, 过程模型, 设计策略, 设计方法
The Process Models, Strategies and Methods for Product Design
Tan Runhua Cao Dongxing Zhang Ruihong Sun Lifeng
（Hebei University of Technology, Tianjin, China 300130）
Abstract: The sequential, design centered, concurrent and dynamic process models for product design are introduced according to the engineering design development in some industrial countries. Also, two kinds of design strategies and varies design methods used in different design stages are given. These can be good references for the enterprises of our country.
Keywords：product design, process model, design strategy, design method
1 前言
为了生存与发展，现代企业必需响应产品时间(T, Time to market)、成本(C, Cost)、质量(Q, Quality)、售后服务(S, Service)的竞争压力，为此，在新产品开发过程中采用适合于本企业的设计过程模型、设计策略与方法已成为新产品开发的关键环节之一。
产品设计是包含创新活动的复杂过程，为了使该过程容易实现，一般把其分解为产品定义、概念设计、技术设计、详细设计四个阶段，又可进一步将其分解为更为详细的阶段，或将技术设计作为概念设计的一部分而将设计过程分为三个阶段。产品的设计过程模型不仅要研究设计过程的主要阶段及各主要阶段的内容，而且要研究各主要阶段的工作顺序。近年来由于市场竞争，产品的生命周期越来越短，新产品不断涌现并代替老产品，为了适应这种要求，在设计过程各主要阶段工作顺序研究的基础上，出现了并行设计等新模型。
设计策略决定概念设计过程，不同的概念设计过程适用于不同类型的产品。各设计阶段已有不同的设计方法可供选择，新的设计方法还不断出现。
企业为了生存与发展要不断地发展其产品核心技术，这些核心技术要由元件或部件的形式表现并在产品系统集成中实现。在这一过程中，企业如果能选择适合于自身的设计过程模型、设计策略与方法，并运用于新产品的开发之中，则将提高企业的竞争力。 [5][3][4][3][2][1]
∗河北省自然科学基金资助项目
90 21世纪新产品快速开发技术
2 设计过程模型
企业竞争是围绕产品的T、Q、C、S几个因素进行的, 如果认为S是Q的组成部分，T、Q、C这三个因素都可能是企业选择设计过程模型时的支配因素。按选择支配因素的不同，把设计过程模型分为顺序过程模型(Sequential Model)、设计为中心的模型(Design Centered Model)、并行设计模型(Concurrent Definition Model)、动态过程模型(Dynamic Model)四类。
2.1 顺序过程模型
传统的设计过程模型为顺序模型，如图1所示。企业选择该类模型的支配因素是为了保证产品的质量与降低成本。
图1 顺序过程模型 [6]
按这种模型，新产品设计在交给制造部门之前，按照图中顺序在企业的不同部门内完成。经过试验或后续的制造发现设计的不合理之处，在返回到设计的某个阶段，如详细设计阶段，进行再设计，一直到满足要求为止。
2.2 设计为中心的模型
图2是设计为中心的模型。企业选择该类模型的支配因素也是产品的质量与成本。与上述模型的不同点为：设计人员在设计阶段要考虑到制造(DFM, Design for Manufacture)、装配(DFA, Design for Assembly)、环境(DFE, Design for Environment)、全生命周期的成本(LCC, Life-cycle Costing)等，使设计反复的过程尽可能短。
真等都是分析的内容。已有很多工具特别是软件工具可供选择。
图2 设计为中心的模型 分析是该类模型的重要特证。有限元计算、运动学与动力学仿真、加工过程仿真、装配过程仿
产品设计过程模型、策略与方法 91
2.3 并行设计模型
图3是并行设计模型。企业选择该类模型的支配因素是产品质量及推向市场的时间。
该模型与设计为中心的模型不同点为：该模型为小组工作方式，小组成员要具有不同的知识结构，要有产品开发的下游人员参加，为了共同的目的——尽快开发出新产品而共同努力。
该类模型不仅适用于具备网络环境的大中型企业，也适用于不具备网络环境的小企业。
概念设计
技术设计
详细设计与分析
原型试制与实验
时间
图3 并行设计模型
2.4 动态过程模型
图4是产品设计的动态过程模型。与并行设计模型相比，各个设计阶段一起开始，小组之间的信息交流更加重要，因此需要更好的设计与过程的集成环境。企业选用这种模型的驱动力是产品推向市场的时间。文献[6]认为，目前仅有日本的某些企业采用该类模型。
表1是对6家汽车公司、3家航天公司调研的基础上，对采用不同模型优缺点的评价，可供企业选择时参考。
表1 四种模型的比较[6][6] 概念设计 技术设计 详细设计与分析原型试制与实验图4 动态过程模型
的风险
注：成本是指设计过程的修改所造成的投入
92 21世纪新产品快速开发技术
3 产品设计策略
产品设计由产品本身的系统设计及组成该系统的子系统或部件的设计构成。在大量调研的基础上文献[3]提出了企业采取的设计策略，将其归纳为如下两类：
策略1：设计过程要产生多个可能的解，经过分析、比较与评价确定一个较好的解，
基于该解完成后续的设计内容。
策略2：设计过程中只产生一个解，经过修改、完善与评价，如果该解是一个较好的
解则进行后续的设计，反之，产生一个新解，一直找到一个较好的解。
第一类策略依据了“以问题为中心（problem-focused）”的设计思想，通过对问题（如用户需求）的抽象，产生一系列可能概念，即多个解，经过评价确定一个解。该策略特别适用于新设计，即产品或部件的核心技术采用了全新的原理。工程设计领域中的很多理论研究结果均适用于该策略，如文献[2]。该策略可通过顺序过程等四种模型之一来实现。
第二类策略依据了“以产品为中心(product-focused)”的设计思想，即待设计产品的一个概念是在对已有产品的工作原理进行分析、总结的基础上提出来的。该策略特别适用于适应性设计及变参数设计。该策略也可通过顺序过程等四种模型之一来实现。
一个产品一般由多个子系统组成，有些子系统为新设计，而另一些为适应性设计或变参数设计。因此，子系统的设计往往两类设计策略都要采用。
企业的设计人员往往按第二类策略开发新产品，他们认为这种策略即能体现时间竞争的要求，又能最大限度的体现他们以往的设计经验。工程设计的理论研究大多依据第一类策略进行，也许用这些理论成果去指导设计更为有效，但企业的大多数设计人员不能跟踪理论研究的发展，或不愿接受第一类设计策略，使得这些理论研究结果不能在新产品开发中得到广泛应用。
依据第二类策略进行理论研究正成为工程设计领域中的又一重要方向。由于该类研究的思路与企业设计人员的设计思路相同，很容易被接受，因此，研究成果被企业应用的可能性更大。 [7][3]4 设计方法
本文所说的设计方法是指在设计过程中的不同阶段所采取的具体方法、技术与工具。经过工程设计理论界多年的研究，总结实际设计的经验，已产生了多种适用于不同设计阶段设计方法。表2是常用设计方法的一个总结[2-3][8-9]。
QFD(Quality function deployment) 即质量功能布置可在设计的各个阶段首选，对保证产品质量提供了一种可行方法。QFD 70年代由有日本学者提出，目前已在日美等国应用，并已用于并行设计过程。QFD最初是将用户需求与一组广义设计参数通过扩展的质量屋EHOQ(Extended house of quality)相联系，明确用户需求与广义设计参数间的关系，使设计一开使就有明确的目标。目前，QFD已用于设计及制造全过程的质量控制.
功能方法树有自顶向下及自底向上两种结构，前者适用于第一种设计策略，即用于产生多个设计方案，后者适用于第二种设计策略，即产生一个设计方案。第二种结构经过今后的完善应该成为一种企业更容易接受的结构。 [9][7]
5 结论
产品设计过程模型、策略与方法 93
按T、Q、C作为不同的支配因素，给出了四种设计过程模型并对各模型的特点及优缺点进行了介绍与比较。企业可根据自身的设计环境、设计人员素质及管理水平选择最适合发展的设计过程模型。介绍了两种设计策略及所依据的设计思想。第二种设计策略在国内外的企业广泛应用，但针对该策略的理论研究相对较少，正成为研究的一个热点。按首选、次选、偶尔而选择的层次，以表格的形式给出了不同设计阶段的设计方法。
表2 常用的设计方法
nnoo
n
n
n
nnnn
n
n
n
n
n
noo
n
n
nn
n
nn
nn
oono
on
pon
n
注：n首选 o次选 p偶尔选择
参考文献
[1] 路甬祥． 工程设计的发展趋势和未来．机械工程学报，1997,33(1)1-8
[2] G. Pahl, W. Beitz． Engineering Design: a systematic approach． Revised 2nd edition, Springer-Verglag, London, 1996
[3] D. Maffin． Engineering Design Models: context, theory and practice． Journal of Engineering Design，1998, 9(4): 315-327
[4] R.F.Schmidt,M.Schmidt． Computer Aided Concurrent Integral Design． Springer, New York, 1996
[5] L.A.Dixon J.S. Colton． An Anchoring Adjustment Process Model for Redesign． Journal of Engineering Design, 1998,9(4): 297-314
产品设计过程模型、策略与方法 89
产品设计过程模型、策略与方法∗
檀润华 曹东兴 张瑞红 孙力峰
（河北工业大学河北省机电一体化工程技术中心 天津 300130）
摘要：根据工业化国家工程设计的发展，介绍了顺序过程、以设计为中心、并行设计、动态过程四种设计过程模型，产生多个还是一个概念的两种设计策略，及在不同设计阶段可选择的设计方法。对我国企业在开发新产品过程中选择设计过程模型、策略与方法有一定的参考意义。
关键词：产品设计, 过程模型, 设计策略, 设计方法
The Process Models, Strategies and Methods for Product Design
Tan Runhua Cao Dongxing Zhang Ruihong Sun Lifeng
（Hebei University of Technology, Tianjin, China 300130）
Abstract: The sequential, design centered, concurrent and dynamic process models for product design are introduced according to the engineering design development in some industrial countries. Also, two kinds of design strategies and varies design methods used in different design stages are given. These can be good references for the enterprises of our country.
Keywords：product design, process model, design strategy, design method
1 前言
为了生存与发展，现代企业必需响应产品时间(T, Time to market)、成本(C, Cost)、质量(Q, Quality)、售后服务(S, Service)的竞争压力，为此，在新产品开发过程中采用适合于本企业的设计过程模型、设计策略与方法已成为新产品开发的关键环节之一。
产品设计是包含创新活动的复杂过程，为了使该过程容易实现，一般把其分解为产品定义、概念设计、技术设计、详细设计四个阶段，又可进一步将其分解为更为详细的阶段，或将技术设计作为概念设计的一部分而将设计过程分为三个阶段。产品的设计过程模型不仅要研究设计过程的主要阶段及各主要阶段的内容，而且要研究各主要阶段的工作顺序。近年来由于市场竞争，产品的生命周期越来越短，新产品不断涌现并代替老产品，为了适应这种要求，在设计过程各主要阶段工作顺序研究的基础上，出现了并行设计等新模型。
设计策略决定概念设计过程，不同的概念设计过程适用于不同类型的产品。各设计阶段已有不同的设计方法可供选择，新的设计方法还不断出现。
企业为了生存与发展要不断地发展其产品核心技术，这些核心技术要由元件或部件的形式表现并在产品系统集成中实现。在这一过程中，企业如果能选择适合于自身的设计过程模型、设计策略与方法，并运用于新产品的开发之中，则将提高企业的竞争力。 [5][3][4][3][2][1]
∗河北省自然科学基金资助项目
90 21世纪新产品快速开发技术
2 设计过程模型
企业竞争是围绕产品的T、Q、C、S几个因素进行的, 如果认为S是Q的组成部分，T、Q、C这三个因素都可能是企业选择设计过程模型时的支配因素。按选择支配因素的不同，把设计过程模型分为顺序过程模型(Sequential Model)、设计为中心的模型(Design Centered Model)、并行设计模型(Concurrent Definition Model)、动态过程模型(Dynamic Model)四类。
2.1 顺序过程模型
传统的设计过程模型为顺序模型，如图1所示。企业选择该类模型的支配因素是为了保证产品的质量与降低成本。
图1 顺序过程模型 [6]
按这种模型，新产品设计在交给制造部门之前，按照图中顺序在企业的不同部门内完成。经过试验或后续的制造发现设计的不合理之处，在返回到设计的某个阶段，如详细设计阶段，进行再设计，一直到满足要求为止。
2.2 设计为中心的模型
图2是设计为中心的模型。企业选择该类模型的支配因素也是产品的质量与成本。与上述模型的不同点为：设计人员在设计阶段要考虑到制造(DFM, Design for Manufacture)、装配(DFA, Design for Assembly)、环境(DFE, Design for Environment)、全生命周期的成本(LCC, Life-cycle Costing)等，使设计反复的过程尽可能短。
真等都是分析的内容。已有很多工具特别是软件工具可供选择。
图2 设计为中心的模型 分析是该类模型的重要特证。有限元计算、运动学与动力学仿真、加工过程仿真、装配过程仿
产品设计过程模型、策略与方法 91
2.3 并行设计模型
图3是并行设计模型。企业选择该类模型的支配因素是产品质量及推向市场的时间。
该模型与设计为中心的模型不同点为：该模型为小组工作方式，小组成员要具有不同的知识结构，要有产品开发的下游人员参加，为了共同的目的——尽快开发出新产品而共同努力。
该类模型不仅适用于具备网络环境的大中型企业，也适用于不具备网络环境的小企业。
概念设计
技术设计
详细设计与分析
原型试制与实验
时间
图3 并行设计模型
2.4 动态过程模型
图4是产品设计的动态过程模型。与并行设计模型相比，各个设计阶段一起开始，小组之间的信息交流更加重要，因此需要更好的设计与过程的集成环境。企业选用这种模型的驱动力是产品推向市场的时间。文献[6]认为，目前仅有日本的某些企业采用该类模型。
表1是对6家汽车公司、3家航天公司调研的基础上，对采用不同模型优缺点的评价，可供企业选择时参考。
表1 四种模型的比较[6][6] 概念设计 技术设计 详细设计与分析原型试制与实验图4 动态过程模型
的风险
注：成本是指设计过程的修改所造成的投入
92 21世纪新产品快速开发技术
3 产品设计策略
产品设计由产品本身的系统设计及组成该系统的子系统或部件的设计构成。在大量调研的基础上文献[3]提出了企业采取的设计策略，将其归纳为如下两类：
策略1：设计过程要产生多个可能的解，经过分析、比较与评价确定一个较好的解，
基于该解完成后续的设计内容。
策略2：设计过程中只产生一个解，经过修改、完善与评价，如果该解是一个较好的
解则进行后续的设计，反之，产生一个新解，一直找到一个较好的解。
第一类策略依据了“以问题为中心（problem-focused）”的设计思想，通过对问题（如用户需求）的抽象，产生一系列可能概念，即多个解，经过评价确定一个解。该策略特别适用于新设计，即产品或部件的核心技术采用了全新的原理。工程设计领域中的很多理论研究结果均适用于该策略，如文献[2]。该策略可通过顺序过程等四种模型之一来实现。
第二类策略依据了“以产品为中心(product-focused)”的设计思想，即待设计产品的一个概念是在对已有产品的工作原理进行分析、总结的基础上提出来的。该策略特别适用于适应性设计及变参数设计。该策略也可通过顺序过程等四种模型之一来实现。
一个产品一般由多个子系统组成，有些子系统为新设计，而另一些为适应性设计或变参数设计。因此，子系统的设计往往两类设计策略都要采用。
企业的设计人员往往按第二类策略开发新产品，他们认为这种策略即能体现时间竞争的要求，又能最大限度的体现他们以往的设计经验。工程设计的理论研究大多依据第一类策略进行，也许用这些理论成果去指导设计更为有效，但企业的大多数设计人员不能跟踪理论研究的发展，或不愿接受第一类设计策略，使得这些理论研究结果不能在新产品开发中得到广泛应用。
依据第二类策略进行理论研究正成为工程设计领域中的又一重要方向。由于该类研究的思路与企业设计人员的设计思路相同，很容易被接受，因此，研究成果被企业应用的可能性更大。 [7][3]4 设计方法
本文所说的设计方法是指在设计过程中的不同阶段所采取的具体方法、技术与工具。经过工程设计理论界多年的研究，总结实际设计的经验，已产生了多种适用于不同设计阶段设计方法。表2是常用设计方法的一个总结[2-3][8-9]。
QFD(Quality function deployment) 即质量功能布置可在设计的各个阶段首选，对保证产品质量提供了一种可行方法。QFD 70年代由有日本学者提出，目前已在日美等国应用，并已用于并行设计过程。QFD最初是将用户需求与一组广义设计参数通过扩展的质量屋EHOQ(Extended house of quality)相联系，明确用户需求与广义设计参数间的关系，使设计一开使就有明确的目标。目前，QFD已用于设计及制造全过程的质量控制.
功能方法树有自顶向下及自底向上两种结构，前者适用于第一种设计策略，即用于产生多个设计方案，后者适用于第二种设计策略，即产生一个设计方案。第二种结构经过今后的完善应该成为一种企业更容易接受的结构。 [9][7]
5 结论
产品设计过程模型、策略与方法 93
按T、Q、C作为不同的支配因素，给出了四种设计过程模型并对各模型的特点及优缺点进行了介绍与比较。企业可根据自身的设计环境、设计人员素质及管理水平选择最适合发展的设计过程模型。介绍了两种设计策略及所依据的设计思想。第二种设计策略在国内外的企业广泛应用，但针对该策略的理论研究相对较少，正成为研究的一个热点。按首选、次选、偶尔而选择的层次，以表格的形式给出了不同设计阶段的设计方法。
表2 常用的设计方法
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noo
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n
nn
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oono
on
pon
n
注：n首选 o次选 p偶尔选择
参考文献
[1] 路甬祥． 工程设计的发展趋势和未来．机械工程学报，1997,33(1)1-8
[2] G. Pahl, W. Beitz． Engineering Design: a systematic approach． Revised 2nd edition, Springer-Verglag, London, 1996
[3] D. Maffin． Engineering Design Models: context, theory and practice． Journal of Engineering Design，1998, 9(4): 315-327
[4] R.F.Schmidt,M.Schmidt． Computer Aided Concurrent Integral Design． Springer, New York, 1996
[5] L.A.Dixon J.S. Colton． An Anchoring Adjustment Process Model for Redesign． Journal of Engineering Design, 1998,9(4): 297-314