设计科学中的四个基本定律

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1、设计科学中的四个基本定律解决经济增长方式转变必须要研究的问题谢友柏ybxie创新是国家的国策，经济增长方式转变要依靠创新驱动。设计科学与创新有什么关系？ 这是本文要讨论的。有没有设计科学？如果有，什么是设计科学？这个问题已经争论了几十年。上海交通大 学和西安交通大学的有关团队，在自然科学基金长期支持下经过近20年的研究，已经可以 明确地回答这个问题。首先，要定义什么是设计？我们认为：设计是人类一切有目的活动的起点。人类一切有 目的活动，都可以分为设计和实施两个部分。设计和实施，往往不能够在一个活动过程中截 然分开，实施中需要设计，而设计中为了估计其可行性，也需要通过小规模实施来检验。设计科学就

2、是关于设计基本规律的研究。某一特定领域的设计基本规律，不一定能够成 为设计科学的内容，它们研究的是该领域的基本规律，不能回答其他领域的设计问题。例如， 摩擦学设计中的摩擦学三个公理，结构设计中的等强度原理，热机设计中的热力学定理等等。创新是人类一项有目的活动。创新不是标签，创新是为了竞争取胜。所以创新必须包含 两个要素：采用此前未曾用过的知识，实现现在不能满足的需求。创新也有设计和实施两个 部分。没有正确的设计，就没有成功的创新。什么是正确的设计？既然设计是一切有目的活动的起点，人们每天都在设计，往往觉得 设计是很平常的事，所谓眉头一皱，计上心来，靠拍脑袋就能把设计做出来。事实上，许多 人都是

3、这么想和这么做的，不认为存在支配人们正确设计的基本规律，也就是设计科学。许 多事情，包括想创新，实施以后却达不到预期目标，甚至效果适得其反，就是因为在设计时 没有尊重设计科学的基本规律。设计科学有丰富的内容，目前还很少有完整的研究结果发表。我们研究了其中的四个基 本定理。它们是：（1）设计以已有知识为基础定律。（2）设计知识的不完整性定律。（3）设计以新知识获取为中心定律。（4）设计知识的竞争性定律。这四个定律都和设计知识有关。什么是设计知识？简单地讲，就是回答一个设计问题的 答案。以下凡是讲到知识时，都专指设计知识，不再特别说明。现在分别对四个定律进行讨论。1. 设计以已有知识为基础定律定义

4、：已有知识是有人知道的知识，但是设计师未必知道。从这个定义出发，可以给出 如下一些认识。任何一个设计问题解决方案的设想，都是由已有知识构成。我们承认灵感，承认天才， 但是一个人的灵感和天才不能脱离他的已有知识。可以说，做梦也是以已有知识为基础，梦 是人将他知道事物的片段，或者叫元素，无序地组织起来形成的。在梦里不可能出现他从来 没有知道过的元素。因此任何设想，都是设计师从他在设计时能够使用的已有知识的总和里捞取他认为有用的元素构成的，这个总和可以形象地叫做已有知识水池。显然，水池里的水 越多，越容易使用，产生的设想也就越有竞争力。这个定律告诉我们，如果不关心水池里水的多少，不关心水能不能被高效

5、使用，那么要 想得到有竞争力的设计是不可能的。对一个人如此，对于一个团队，一个企业，一个地区， 乃至一个国家，都是如此。已有知识要经过处理，才能够在设计中被有效使用。已有知识是一个集合名词，具体存 在的形式有知识集和知识条的区别。知识条定义为能够回答一个独立存在最小问题的答案； 而知识集则是知识条的集成。知识集往往并不能明显回答某一个特定问题。例如，一个试验 报告，一本书，一个已经存在的设计或者事物本身，都是一个知识集；而一本词典里的一个 条目，则是一个知识条。设计要求迅速得到答案，如果问题出现后，给设计师一本书，不把 书从头到尾读一遍，就不一定能够得到答案，读几遍还找不到答案也是常有的。词典

6、就不一 样，只要里面有这个词条，一看就能够明白问题的答案。百科全书，也和词典一样，像互联 网上的维基百科。一个已经存在的事物，可以认为它是一个物化了的知识集，要将它所包含 的知识条分离出来，需要做很多测试，即所谓反求工程。从知识集分离出知识条以利于设计 的使用，是知识管理的一个新命题，不是现在的知识管理软件所能够完成的，这需要有资质 的人来做。那么谁会愿意来做呢？已有知识是动态的，不断有新的知识加入。已有知识的管理和处理都需要不间断地进行。 期望一次投资（例如投资建立一个数据库或者知识库，将建立数据库或者知识库当作项目来 做）就能够解决已有知识的积累、维护和使用问题，历史经验已经证明是不现实的

7、。已有知识具有从属于拥有者的特性，这就是知识产权。积累和使用已有知识需要得到拥 有者的配合。已有知识的积累、处理、管理和提供使用是需要成本的，而使用知识则可以从 中得益。设计师水池里的水不必都是他所拥有的。不然，要么水池里水就会很少，或者设计 的成本就会太高。当使用者不是拥有者时，高效率使用的前提是使用者和拥有者、提供者之 间的利益平衡。当前中国设计竞争力不足的一个原因是设计师水池里可以使用的水太少，有 一点水也很难使用。这和我们在政策上没有对这个水池里水的来源构成和利益平衡有真正的 研究、认识和对待有关。我们的解决方案是分布式资源环境中的知识服务，已经有专门文章发表，这里不再重复。2. 设计

8、知识的不完整性定律定律说的是：在设计的任何阶段，包括设计已经实施，甚至设计的事物已经实现并正在 运行，设计师对于所设计事物的知识都是不完整的。许多名牌汽车，在出售以后，又几十万辆甚至上百万辆的召回，就是这种不完整性的例 证。人们在设计时总是力求设计得尽可能完善，但是使用后又发现了原来不知道的情况，这 时得到的知识，称为后设计知识。还可以举一些例子：如去年国庆中秋长假，政府决定高速 公路免收过路费，但要发卡收卡。这么做，当然是设计好了的。实施后，就发生了严重的拥 堵，出行者甚至不得不在公路上大便。后来做了改进，取消发卡收卡，出行者也接受教训， 错峰过关。回程就不再拥堵。又如今年春节铁路实行网上购

9、票，据说设计相关软件花了好几 个亿。结果能上网的人，不到一秒钟就将一个列车的票都秒杀掉了；但是春节返乡的一个主 体是农民工，他们没有上网条件，结果很多人排队也买不到票。后来有的城市开车时一天有 十万多张退票，有的列车开出时车厢里只有两三个人。这些后来发生的事就是后设计知识。 知识的不完整性有三方面原因。一是采用了此前未曾用过的已有知识（或者已有知识的新组 合），要满足现在不能满足的需求，要适应新的环境、成本、竞争、加工、存储、运输、销 售、售后服务约束等等，会有什么际遇？能不能成功？不知道。二是虽然在设计过程中采用 各种可能方法来检验其可行性，例如数字仿真、物理（广义）仿真或者社会试验、社会仿

10、真， 但是仿真和试验是建立在模型基础上的。模型是什么？模型是已有知识。用已有知识去预测尚不存在事物的际遇和检验其可行性，不能期望得到完整的知识。三是设计需要在有限时间 和有限成本条件下完成，不能无限制地去追求完整。不完整性定理要求设计师始终保持清醒的头脑，即使在设计已经交付实施或者设计的事 物已经实现并正在运作，仍旧要认真地去获取后设计知识和研究后设计知识。这对大系统的 顶层设计尤其重要。需要说明的是，设计不等同于科学研究。设计是谋划不存在事物的实现，科学研究则是 探索已经存在事物的规律。不能用对待科学研究的政策去对待设计。3. 设计以新知识获取为中心定律我们在十几年时间里一直很费力地向人们解

11、释什么是新知识获取，通常容易认为找到此 前未曾用过的已有知识就是新知识获取。已有知识是有人知道，而新知识是没有人知道的， 知识不完整性定理决定了在设计的任何阶段都有不知道答案的问题。不论是采用了此前未曾 用过的知识，要满足现在不能满足的需求，包括要在新的环境中运行，都需要对设计中所做 的每一个决策问问是否正确。“未曾用过”、“现在还不能满足”和“新的”运行环境和约 束条件决定了现在没有人知道设计决策的前途和命运，这才是新知识。前面已经说过，新知 识获取的方法包括数值仿真、物理仿真和社会试验、社会仿真。这里不再展开讨论。因为设计的任何阶段（含设计交付后）都有需要回答的不为人知的问题，所以设计总是

12、 围绕着新知识获取进行。新知识获取之重要由此可见。需要强调的是，新知识获取是资源依赖的。不论采取什么方法，都必须具备有资质的人、 硬件设备、相应的软件、已有知识积累和资金投入。已有知识水池里的水不多，影响设计的 竞争力，这比较容易接受。但是新知识获取资源严重不足是制约设计竞争力的更重要的原因， 却并不为多数人认识。许多企业引进了技术，却不敢用它来创新，因为不知道另一种应用是 否能够成功，所以只好一次一次再引进。这种认识不足，是和长期不创新的文化有直接关系， 从而带来许多政策上的缺失。资源建设是需要大规模投入，而且往往并不能立刻得到回报。随着竞争对创新和设计的 压力不断增加，新资源建设需求产生的

13、频数也不断增加，使得社会和企业不堪重负。一个有 趣的例子:上世纪60年代到80年代，为了获取大型汽轮发电机组轴承油膜震荡方面的知识， 各大汽轮机厂都竞相建设大型轴承试验台，全尺寸的试验台轴承孔径要达到800mm以上， 需要一台汽轮机才能拖动，还需要很大的厂房和辅助设施。仅仅日本的汽轮机厂就建设了大 大小小这样的试验台8个。到90年代，因为油膜震荡问题已经基本解决，这样的试验台在 日本一个也找不到了。英国还有一个这样的试验台，拥有者愿意用1英镑出售给愿意买的人。 竞争给予中国的时间和空间，是不是还允许像这样建设新知识获取资源？值得思考。我们的解决方案是分布式资源环境中的新知识获取服务，也已经有专

14、门文章发表，这里 不再重复。4. 设计的竞争性定律设计的任何阶段，都要产生一个已有知识集（不完整的）。设计知识集从不完整到比较 完整，是通过竞争实现的，新知识集通过竞争取代已有知识集，这个竞争过程是知识的进化 过程。当到达设计的任何一个阶段，基于不完整性定理，设计师要提出进一步完整需要回答的 问题。提出问题非常重要，往往是深度思考结果以至灵感和天才的表现。设计是人的有目的 活动，和做梦不同。设计中时刻检讨已有认识和目的之间的差距（未知度评价），包括目的圈2知识获取框的放大。较有妆座的诙计建也撮 k-1）.设计前进 的驱动力。 当问题提 出以后， 就可以在 已有知识 的水池里 面搜索可 能构成解

15、 决方案的 兀素，并 将它们组 织成为问 题的可选 答案，或 者称为解决方案的设想，组织过程就是知识的集成。设想是一个待定的知识集，需要通过新 知识获取对它的可行性进行检验。检验可能产生多方面结果，设计师的综合考虑和决策决定 设想的命运。如果接受，就产生了一个新的已有知识集。如果不接受，那就回到原来的已有 知识集，再寻求另外的设想。检验和决策是一个竞争过程，新已有知识集显示了知识的进化， 或者未知度的降低。虽然检验和决策决定设想的命运，但是提出问题，搜索到有用的元素和 构成设想（知识集成）也非常重要。图1和图2简单地描述了上述过程，因为这些图过去已 经发表，不再详细讨论。新已有知识集的完整度取

16、决于竞争深度。定律要求设计中知识的竞争和进化能够有意识 有序和高效进行。这是设计竞争力提高所不能忽视的。5.研究设计科学和四个基本定律的意义至少可以得到以下认识：（1）设计不等同于科学，设计中有科学，需要科学地设计。（2）一切有目的活动从设计开始，设计科学研究具有普遍意义。1一航2.未如度评价3 一决策E4- t由觥K）产生未钮隹评价较低未物度蜒计决冀节点E+1姓 K5 |L瘢2, 妆隹昭3. 决鼓K+14 C由斑策K电产生更未耕座的设计（瘢 KH） 一接需束K+1获聿新物识KH却识流谜袈踽登追衅低过您 样曜-蹈卷嘉期骚.由广义诜计瓠集计案 时期,-城魏1第一类知识流与决策节点。(3)设计科学

17、研究揭示了设计的知识本质，即知识在设计中的流动和通过竞争进化。 实际上，这也是创新的本质。当前关于设计中知识的研究主流，都是通过人来研究知识，如人的教育或者其他背景对 人在设计和创新中表现的影响。这种研究有两个局限:一是知识在设计中，一部分是经过人， 但是也有一部分是离开人的，不考虑这个事实，知识在设计中的轨迹就是不连续的；二是人 的设计，不能仅仅看成是个人行为，它实际上是一种社会行为，仅仅研究人而不研究社会， 不可能得到正确的结论。再有天才的人，放到一个不创新的文化氛围和社会中，他也无能为 力，中国封建社会的历史就证明了这个论点。例如，已有知识水池中水的多少和能不能高效 使用，不是个人的事。期望通过灌输让个人掌握知识解决水的问题的教育是没有希望的。又 如只看到获得已有知识而看不到更重要的新知识获取资源的建设和有效运用，是不能提高设 计的竞争力，也不能真正支持创新。因此设计科学的研究，可以从基本规律上来阐明如何才 能够根本解决创新和经济增长方式转变的问题。(2013.04.13于西安)