关于《技术与设计》的若干问题 吴铁军教授 浙江大学信息科学与工程学院

浙江大学 Zhejiang University 主要内容 关于技术：科学原理的实际应用 关于设计：构思与计划的技术 关于结构：事物内部的组织形式 关于流程：事物的时间结构 关于系统：相关性和整体性 关于控制：关于驾驭的艺术 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 关于技术 Technology 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 技术与科学的联系与区别 技术以科学为基础 根据科学原理“开发”出来的技术 例：根据电磁场理论开发的无线电报技术 例：根据气体放电理论开发的等离子显示技术 例：根据光电效应理论开发的数字照相技术 1887年德国科学家赫兹证明了无线电波的存在，1895年意大利大学生马可尼据此发明了无线电报机。 1905年德国物理学家爱因斯坦创建光电效应理论，1981年日本索尼公司推出第一台数码照相机。 1906年英国科学家汤姆逊创建气体放电理论，1964年美国伊利诺斯大学研制出等离子显示装置。 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 技术与科学的联系与区别 什么是“Knowhow” 隐含科学原理而“摸索”出来的技术 例：越王剑的冶炼技术 例：汽车钢板的生产技术 例：航空发动机的制造技术 大推力航空发动机的关键技术是高强度、高韧性的耐高温合金。 1965年湖北荆州出土越王勾践剑，历经两千多年仍锋利无比，毫无锈蚀。 德国大众汽车采用了高强度、高韧性的汽车复合钢板。 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 技术与科学的联系与区别 科学的使命是“发现”，而技术的使命是“发明” “科学无国界”：发现客观规律 例：科学家霍金（S.W. Hawking）：大爆炸宇宙学，弦论 技术有“价值”：知识产权保护 例：基因药物，3G手机，…… 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 技术的善与恶 技术是有“目的”的 “善的”技术 例：器官移植 “恶的”技术 例：毒品加工 “善恶交加”的技术：技术的两面性 例：“大规模杀伤性武器” 难以回答的道德追问 例：人体克隆，转基因农业，美容手术，…… 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University “技术的专利性”：要不要专利？ 技术的“专利性”≠ 技术的“专利” 例：可口可乐的秘密。 专利：法律武器 一把双刃剑：通过公开秘密来保护秘密 专利什么时候起作用？ 何时我们需要专利？ 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 技术与自然的关系 技术为人服务，因此技术与自然的关系仍然是技术与人的关系。 “人定胜天”：人如何与自然相处？ 技术与自然——一个微妙的关系 例：三峡大坝的建造与环境保护 极端环境保护主义（美国：地球解放阵线 ELF） 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 关于设计 Design 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 什么是设计 形形色色的“设计” 以设计对象命名 例：产品设计、工艺设计、广告设计、形象设计、…… 以设计领域命名 例：技术设计、艺术设计、工程设计、工业设计、…… 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 设计是创造性的技术应用 设计是构思和计划的技术（德国鲍豪斯Bauhaus设计学派，1919） 以构思和计划的科学为基础（创造学 + 运筹学） 具有技术的一切属性 目的性、创新性、综合性、两面性、专利性、…… “技术设计” 以技术产品及其制造过程为对象的构思和计划技术 Bauhaus设计学院外景（德国魏玛）。 该学派的设计原则：艺术与技术的统一；设计的目的是人，而不是产品；设计必须遵循自然和客观的原则来进行。 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 设计 vs 研究 技术领域的设计与研究都是创造性的活动。 例：设计一种新的打印机 例：研究一种新的打印方法 不同点： 设计以大批量实施为目的。因此，强调结果的可实现性和规范性。 研究以特定性发现为目的。因此，强调结果的新颖性和改善性。 研究的结果通过设计变成产品。 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 创新是设计的生命 设计的本质就是创新 仿制：无创新的“设计” 创新性设计方法：模仿与联想 模仿：对已有事物原理、功能的某种“拷贝” 例：潜水艇和鱼眼镜头 联想：对已有事物原理、功能的扩充、集成、推理、甚至逆向思维 例：逆向思维设计——水床与卢佛宫的金字塔 创新性设计方法：“奇特性构思” 奇特性构思是“无中生有”的设计创意 例：自行车与电视机 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 新的设计理念——人机关系设计 人机工程学（Ergonomics）（英国人默雷尔 K. Murrell, 1947） 一门研究人与其所处工作和生活环境之间相互关系，以适应人体解剖学、生理学、心理学要求， 从而达到提高工作效率和安全、健康、舒适为目的的学科。 “人机关系设计”：一个友好的物质世界 例：AK-47冲锋枪的扳机护套设计 例：Microsoft Windows® 什么“不是”人机关系设计？ 例：形形色色的沙发 例：形形色色的铅笔刨 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University “可持续发展”— 另一个新的设计理念 可持续发展：既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要构成危害的发展 世界环境与发展委员会报告，《我们共同的未来》，1987 设计与自然的关系：一个易被忽视的设计原则 “设计与自然的关系”是“技术与自然的关系”的自然延续 正例和反例 正例：易拉罐开启方式的设计 反例：过度包装 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 技术试验：设计的推进器和评判者 试验：有明确目的和计划的尝试 关键词：目标、手段和程序 两种类型的技术试验：实验和测试 为了“发现”的试验：实验 为了“证实”的试验：测试 谁来推进和评判设计？ 实验：技术设计的推进器 测试：技术设计的评判者 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 设计评价：量化还是非量化？ 设计评价是设计的指挥棒 各有优劣的评价指标 量化指标（客观的）：经济、实用、规范、…… 非量化指标（主观的）：道德、美观、友好、…… 我们极力寻找可量化的评价指标，以保证设计评价的“科学性” 非量化评价指标体现设计的魅力和创意 例：“鸟巢”和“水立方”的设计 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 关于结构 Structure 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 什么是结构 一个有趣的问题 鸡蛋和蛋壳：谁是壳体结构？ 看不见摸不着的“结构” 结构：事物内部各组成部分确定的组织形式。 结构是一个抽象而普适的概念 例：建筑结构、人体结构、社会结构、系统结构、…… 有结构的和无结构的 有无确定的组织形式，是判断有无结构的关键 例：无结构的水和有结构的冰 例：无结构的沙滩和有结构的沙雕 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 结构决定事物整体的性质 结构反映了事物各组成部分之间的相互关系 由许多成分组成的事物中，结构往往起决定性作用 例：石墨和钻石 结构主义（structuralism） “世界是由许多“状态”构成的总体，每一个“状态”是一条众多事物组成的锁链，它们处于确定的关系之中，这种关系就是这个“状态”的结构，决定了这个世界。”（路德维希·维特根斯坦（奥），《逻辑哲学论》，1922） 例：社会结构 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 结构分析 为什么拱桥是壳体结构？ 结构分析步骤 第1步：确定分析对象 第2步：分解该对象的组成成分 第3步：寻找各成分之间的相互关系 第4步：提取相互关系的特征 第5步：解释特征与对象性质之间的关系 结构的嵌套和混合 回到鸡蛋和蛋壳的结构问题 回到拱桥问题 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 力学结构：强度和稳定性 结构的强度和稳定性 强度：在外力作用下结构保持完整的能力。 注：结构的完整 ≠ 结构体的完整 例：被炮火轰击的建筑 稳定性：在外力作用下结构保持平衡的能力。 注：结构的完整 ≠ 结构的平衡 例：被风吹跑的帐篷 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 力学结构：强度和稳定性 结构的强度和稳定性与外力的大小及方向有关 因此强度和稳定性要与外力一起分析才能得出结论。 例：简支梁的强度和稳定性 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 关于流程 Process 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 什么是流程 流程是一系列具有时序的活动（环节） 一个活动不是流程 多个没有时序的活动不是流程 例：“流程是有组织的活动”？有奖竞猜 流程与结构 流程是事物动态变化的时间表达形式 “流程是事物的时间结构” 形形色色的流程 从生产流程、程序流程到控制流程 控制器 执行器 被控对象 检测装置 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 流程的基本要素 流程两要素 活动和时序 此“活动”非彼活动 活动是在一定时间、使用一定资源进行的一个操作 形形色色的时序 标准时序和逻辑时序 例：做馒头和修电灯 同步时序和异步时序 例：交响乐的“同步和异步”演奏 并行时序和串行时序 例：编辑和打印 问题：Microsoft Windows 执行什么时序？ 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 流程的类型 三种基本类型 流水流程（Flow shop） 流程中所有活动按单一的时序排列 作业流程（Job shop） 流程中不同的活动有确定的不同时序 开放流程（Open shop） 流程中所有活动可以有任意的时序 例：自助餐 嵌套流程和循环流程 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 流程分析 流程分析要回答什么问题？ 流程分析即流程的时序结构分析 流程分析的粒度 流程的粒度即活动和时序的粒度 在不同粒度下，流程可能呈现不同的时序结构 例：钢铁是怎样炼成的 原料 炼铁 炼钢 轧钢 炼焦 烧结 高炉 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 流程优化：流程设计的终极目标 流程的可行性、满意性和最优性 在给定资源的情况下，对流程的优化即改变流程的时序结构（流程调度，Scheduling） 怎样优化流程？ 基本的流程优化方法：枚举法和随机试验法 经典的流程优化方法：运筹学方法 现代的流程优化方法：计算智能方法（拟生态方法） 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 关于系统 System 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 无处不在的系统 系统在哪里？ 1945年奥地利理论生物学家贝塔朗菲（L. Bertalanffy）发表《一般系统论》，描述了系统的各种性质，却没有回答这个问题 。 “我思故我在”（笛卡尔，法国哲学家） 系统就是你所关注的对象 系统是“客观存在”还是“主观想象”？ 对于同样的事物，当你的关注点不同时，代表不同的系统 例：射击运动 例：自动取款机 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 系统是有结构的 怎样定义一个系统？ 定义1：“系统之外”——系统所处的环境 定义2：系统的组成成分 定义3：组成成分之间的相互关系 研究“系统”的理由：系统结构决定其性质 系统的层次性（嵌套结构） 系统的组成成分可以是另一个系统（子系统）。 不同层次的系统可以有不同的结构。 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 系统是有结构的 同构系统和模型仿真 结构相同的系统（同构系统）具有同样的性质。 因此，可用廉价的（同构）模型来研究真实系统。 例：水塔放水和电容放电 V t C R V 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 一般系统的分类 系统和环境的关系 开放系统（Open system ） 封闭系统（Closed system） 系统和时间的关系 稳态系统（Stable system） 动态系统（Dynamic system） 系统走向何方：稳定系统和不稳定系统 系统在干什么：规则系统和混沌系统 例：混沌——从蝴蝶扑翅到热带风暴 时间隧道：可逆系统和耗散系统 例：耗散——从蛋汤到蛋糕 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 一般系统的分类 系统成分之间的关系 单调系统（Monotonic system） 递归系统（Recursive system） 递归：学习学习再学习 复杂系统 自组织系统（Self-organizing system） 例：从糖浆到冰糖 自适应系统（Adaptive system） 例：生物的进化 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 1＋1＞2 还是 2＞1＋1 ？ 多个事物的集合何时被称为“系统”？ 这些事物之间存在相互作用（相关性）； 由于这种关联相互作用，从整体来看出现这些事物原先不具备的新性质（整体性）。 例：“人群”和“组织” 事物之间的相关性是系统存在的必要条件 单向关联和双向关联 因果关系：相关性是整体性的来源 相关作用的改变将导致整体功能的变化 “1＋1”与“2”谁更大？ “整体性”并不意味着“功能增强” 例：“害群之马” 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University “系统分析”要分析什么? 系统分析即“结构分析” 结构（相关性）决定系统的性质（整体性） 系统分析的 “4W” Where：“划清界限”——系统和环境的边界在哪里？ What：系统成分之间有什么相互作用？ Why：这些相互作用为什么会影响到系统的整体功能？ When：系统什么时候发生变化？ 例：控制系统的分析 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 系统优化：在系统分析的基础上进行 “结构优化”的重要性 再次重申：结构（相关性）决定系统的性质（整体性） 通过改变系统结构来改变系统性能 以系统结构分析为基础 怎样优化系统结构？ 改变系统的组成成分 改变系统成分之间的相互关系 例：怎样设计一个食堂供应系统？ 每一种系统结构的可行改变，称为一个“方案”。 系统优化即选择最适当的方案，使系统整体性能最好。 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 关于控制 Control 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 控制即干预 控制论（Cybernetics）：关于驾驭的理论 《控制论，即关于动物和机器的控制与通讯》，维纳（N. Wiener,美国数学家），1948 两个基本概念：负反馈和信息传输 控制科学：普适性的系统科学 人类独特的能力：改造世界 关于控制的规律是普遍性的规律 形形色色的控制系统 生产控制、交通控制、气候控制、人口控制、金融控制、疾病控制 Norbert Wiener 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 用控制的独特视角看问题 系统的视角 控制系统的结构决定其性能 动态的视角 “趋势比状态更重要” 反馈的视角 了解控制效果：“没有反馈就没有控制” 调节的视角 调节就是修正 —— 有误差才有调节 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 用系统的观点看控制：控制系统分析 控制系统结构分析 系统的组成成分 系统分析的粒度：什么是被控对象 例：自动感应门和射击问题 系统成分之间的相互作用 例：“开环控制”还是“闭环控制”？ 系统的性能评价 抑制干扰的能力：稳定性 例：汽车消振系统 追踪目标的能力：跟踪性 例：地—空导弹 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 用系统的观点看控制：控制系统分析 “人工控制”还是“自动控制”？ 人在控制系统中的地位和作用 例：火星探险 例：远程手术 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 如何设计控制系统 系统划分 谁是被控对象？ 系统建模 从现实世界到虚拟世界 系统分析 寻找系统的缺陷 系统设计 如何补偿系统的缺陷？ 系统优化 使系统变得更好 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 控制器设计：控制的艺术 是谁把控制变成了艺术？ 被控对象的古怪脾气：动态性和不确定性 形形色色的控制艺术 “适者生存”的艺术：自适应控制（Adaptive control ） “以不变应万变”的艺术：鲁棒控制（Robust control ） “走一步，看一步”的艺术：预测控制（Predictive control） “狡兔三窟”的艺术：容错控制（Fault-tolerant control） “失败是成功之母”：学习控制（Learning control） 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University

浙江大学 Zhejiang University 谢谢大家 Thanks 2017/2/28 浙江大学 Zhejiang University