第七章.創造、創新實踐活動 第五節 方案設計
不論是應用研究、開發研究，革新與改造甚至是最新獨特的創造性設想也是在設計方案形成後才顯現其價值的。這是因為在創造性的構思階段，憑直覺、想象得到的解題設想大都是模糊的、籠統的甚至是異想天開的，它們在科學原理上是否可行，在技術上能否實現，都有待於嚴格的論證和檢驗。方案設計的任務，就是把這種粗略的設想發展為明晰的技術路線和描繪出可供實施的技術方案與計劃，或者說是通過頭腦的加工構思和再創造確定設想的具體原理，係統結構，細節與計劃，從而為後續的研製、生產和執行等工作提供圖紙指導文件和詳細計劃方案等。
一、方案設計概述
1．方案設計
方案設計就是形成設計方案，也就是為滿足人類某種需求，去精心尋找構思解決問題的方案，並選擇出比較優秀備選方案的過程。人類的需求具有主觀客觀雙重因素。首先，來自主觀的需求是人在客觀
生活環境中產生的（否則就是幻想），本身就有客觀實踐基礎；而需求又必須
符合客觀條件才能實現（否則是空想）。因此，需求選題的確定是對客觀條件
下的主觀要求的目標進行可行性分析確定的，而方案設計是選題後再創造的
後續過程，是在明確功能目標及性能指標與環境條件的前提下進行方案設計的。
滿足一種功能將有多種方法。因此，在方案設計之前需要憑借已有的技
術知識和經驗運用創造性思維、通過想象構思，分析提出多個解決具體問題
的可能思路形成設計思想（創意）。比如將人或貨物由此岸運抵彼岸，為滿足
這種需求可以有人工搬運、架橋、架滑索、用船等多種設想；選擇哪種方式，
需要考慮成本、效率、安全性等多種因素。因此，方案設計就是根據目標要
求與客觀條件找出最好最可行的幾種設想。
方案設計就是把優選的設想具體化，擬定出具體的方案並整理製成圖、
表格或文字等技術文件的過程。
2．方案設計的工作步驟
方案設計應是科學有序的進行的，方案設計是以課題的目的與要求為基礎和問題條件的。課題來源於社會需求與產生實踐中出現的疑難問題，一般都進行過廣泛深入的調查。因此其選題和課題的目的已具備了良好的客觀屬性和可行性基礎。一般具有兩個方麵的主觀期許：一是要求必須達到的目標，否則就意味著研究的失敗；二是願望，它更全麵地反映了完成課題品質和效率的高低。方案設計也正是圍繞上述問題展開的。方案設計的步驟如圖7-10所示。
3．方案設計的意義
產品設計是一個反複迭代、複雜的抉擇過程，始於設計目的、要求的分析，
功能的抽象化，經過一係列的問題的優化求解過程，最後給出產品的詳細描述。
以比較典型的機械產品設計為例，主要包括方案設計、技術設計、施工設計
三個階段；方案設計是產品設計中最關鍵的階段。而技術設計與施工設計雖
然也是以創造性為主導的旨在改進現實的一種活動，其中針對目標的創造性
求解問題早已在方案設計中得到充分體現，餘下的多是結構性的常規設計問
題，可以通過設計方法學得到較為圓滿的解決，在此就不再贅述。關於方案
設計的重要意義主要表現為如下幾點：
第一，方案設計已針對創新產品的需求目標完成功能原理、功能結構的
係統創造性設計構思，從而減少後續設計階段開展具體設計的難度。在產品
設計中，方案設計後續的設計階段很難甚至不能糾正方案設計階段的設計錯
·第七章.創造、創新實踐活動·
誤和缺陷；足見方案設計的重要性。
信息
對目的要求（開發任務）抽象分析，明確問題本質
具體化得到比較優秀的原理解方案（兩個以上）
技術與經濟評價
定義
方案設計創造
評價
決策
圖7-10.方案設計階段的工作步驟
第二，方案設計在很大程度上決定了最終產品的創新程度、性能、品質、價格、效率、市場響應速度與競爭能力。第三，方案設計是降低成本的關鍵，資料表明：雖然方案設計階段的投
入隻占產品開發總成本的5%，卻決定了產品總成本的70%。a
二、設計任務的抽象化
課題的確定是根據需求提出的總體概念，一般表現為具體的有針對性的
實質性社會需求性。需求的功能本質、任務的抽象化就是為了排出一些表麵
現象的幹擾，點出問題的實質，以使人們的思考如何更好地求得相應的物理
效應、化學效應、生物效應，尋求功能原理和解決問題的途徑，並對其優化。
在對問題進行抽象時應將願望和與基本條件、功能沒有直接關係的要求
略去，將定量性指標轉化為定性的指標，使要思考的設計任務本質問題更為
集中，不僅可以方便求解也使對任務的認識更為深入。
創造性的選題一般是根據社會需求和解決某一實踐活動中遇到疑難性問
題而提出的，已確定的選題目的、要求也都是針對需求的體會，用語言直接
描述的，也難免受到習慣認識與思維的影響。比如，設計任務是研製一台適
應農田、場地通用的穀物脫粒機。具體設計目的與要求是：第一，適應稻、麥、
豆類、高粱等多種作物和現場動力；第二，生產率為X噸/小時；第三，穀
粒脫淨率為98%；第四，穀粒破損率為2%；第五，穀粒分離率為98%……
設計現實表明，沒有一個設計任務的解及其工藝設計是“無懈可擊”的，
最好的效果也隻能是“瑕不掩瑜”。構思設計方案，直觀的思維對象是設計任
務中提出的各種要求和願望，也就很難避免受一些表麵現象的幹擾和思維慣
性的影響（比如一提到脫粒，人們就會想到滾子碾壓與連枷捶打），分散思考
關注點而偏離思考方向，影響方案設計的構想與設計。
抽象的任務是在方案設計前期排除表麵現象、傳統習慣的幹擾，突出問
題的實質，以使人們能夠集中精力於“問題”焦點，更好地求得與設計主要
功能相適應的物理效應、化學效應、生物效應乃至經驗手段，尋求適合的功
能原理和解決問題的途徑，並對其進行優化。
抽象的步驟和方法是：第一，陳述問題要盡量高度概括主要問題的內涵，
不提及表麵限製與次要問題；第二，把量化指標定性化；第三，以“要求表”
為基礎對設計任務的功能進行對比陳述，並遞次提高抽象程度，把實質問題
縮小到最小範圍為；第四，在高度抽象的基礎上尋求可行的工作原理及有效
方法。通過抽象工作，不僅使設計任務的本質問題更為突出，便於求解，也
aHyeonHJ，ParsaeiHR，WongJP.Concurrentengineering：Themanufacturingphilosophyforthe
90’s【J】.ComputerIndustryEngineering，1991，21（1-4）：34-39.
·第七章.創造、創新實踐活動·
能從中加深任務的認識和理解。
仍以穀物脫粒機設計任務為例。通過抽象可以明確認識到脫粒機的主要功能本質是將穀粒與秸稈徹底的分離開來，以獲得淨穀粒。而分離，又可分為兩個本質過程：其一是將穀粒從穀穗上剝離出來，可以采用力的作用達到目的；其二是將脫下來的穀粒與莖稈（含打碎的莖稈碎屑）分離開來，這一點利用穀粒與莖稈的物理性能（比重、體積）不同，可以采用不同的篩分原理（篩孔分選和風動力分選），並以其功能原理來設計具體的分離方法。而其他指標的滿足是依靠直接作用機構的結構與物理參數選擇來滿足。如脫粒時可以通過力的作用下的碾壓、揉搓、打擊等不同工作方式，而分離可以用不同的篩（振動篩、擺動篩）選和風選方式實施；在形成多種方案後，再優化選擇。
三、功能係統設計
1．功能係統設計概述
為完成設計任務，通過功能元與各級子功能結構的創造性係統組合，實現總功能的有效輸出，以達到設計的目的，可以采用功能係統分析、設計的方法。
功能就是事物或方法所發揮的作用和效能。功能是係統產物必須實現的任務，是係統輸入量與輸出量間傳遞與轉換的總體關係。
汽車的直接功能是發動機的動力轉換為驅動輪的驅動力實現汽車的運動；運貨和載客是實用功能，隨汽車一起運動達到的。而脫穀機則是動力（發動機或電機）轉換成機械力，使籽粒與秸稈分離，達到脫粒功能的。
功能是客觀存在的，具有科學的屬性，是不以人的意誌為轉移的，所有事物或方法都必須通過其“功能”來表現其效能。因此，創造性設計的實質就是依據科學原理與客觀規律，運用創造性思維與設計方法尋求事物或方法所具有的功能，完成科學地發現與創造。
功能元是功能的基本單元，是直接從科學原理、技術效應（物理的、化學的、生物學的、仿生學的等）和邏輯關係體現功能要求的最小單元。如曲柄連杆機械是實現直線運動與回轉運動轉換的功能元，離合器是實現運動分離與結合的功能元。
常用的基本功能元有轉變、變向、離合、通斷、放大縮小、傳導絕緣、接通中斷、存儲提取等八種基礎功能元。
以功能元為基礎逐級組合成子功能、總功能的組合構成功能係統，它反映了創新設計產品的本質係統結構。因此，功能間的科學、有效的組合是創造性設計的根本問題。
（1）功能結構（如圖7-11 所示）
最上位功能總功能
G
功能領域Ⅰ
一級子功能
二級子功能
功能領域Ⅱ
一級子功能
二級子功能
G
功能領域Ⅲ
一級子功能
二級子功能
圖7-11.功能係統圖
功能結構又稱功能係統，是功能元及逐級形成功能子級在係統中占有的時空位置及其有序地聯係形式。
功能係統結構有四種基本類型：
①串聯式功能結構（如圖7-12所示）：在這種功能結構中，總功能與子功能按功能作用順序，依排列將輸入量轉化為輸出量的係統結構。
輸入
輸出
G2
圖7-12.串聯式功能結構
②並聯式功能結構：在這種功能結構中，各子功能平行排列可分為平行輸入或平行輸出（如圖7-13a、b所示），單一輸入、單一輸出（如圖7-13c）三種結構。按傳遞時序又可以分為並聯式同時工作和並聯式順序工作兩種
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類型。
圖7-13a.平行輸入圖7-13b.平行輸出圖7-13c單一輸入、輸出
③混聯式功能結構（如圖7-14所示）：這種功能結構是指串聯、並聯式功能結構混合組成的功能結構。
圖7-14.混聯式功能結構
④環狀功能結構（如圖7-15所示）：環狀功能是一種能循環傳遞或具有反饋功能的功能結構。
輸入
圖7-15.環狀功能結構
（2）功能結構組合設計
創造性設計的目的就是通過科學組合後的功能係統將輸入量轉化為輸出的量，並通過總功能的作用或效能達到設計的預期目的。一個係統的子功能有多種類型及其組合，因此，設計者就要對子功能進行分析、篩選、優化組合，形成理想的設計方案，還要通過功能載體結構的選擇與設計實現總功能的實際效能輸出。分析表明，創造性的功能組合直接影響創造性設計的基本效能。