关于技术与设计的若干问题主要内容n关于技术：科学原理的实际应用n关于设计：构思与计划的技术n关于结构：事物内部的组织形式n关于流程：事物的时间结构n关于系统：相关性和整体性n关于控制：关于驾驭的艺术2024/7/29浙江大学 Zhejiang University2Technology关于技术2024/7/293浙江大学 Zhejiang University技术与科学的联系与区别n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University41887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。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。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。技术与科学的联系与区别n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University5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。德国大众汽车采用了高强度、高韧性的汽车复合钢板。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。技术与科学的联系与区别n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，2024/7/29浙江大学 Zhejiang University6技术的善与恶n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，2024/7/29浙江大学 Zhejiang University7“技术的专利性”：要不要专利？n技术的“专利性” 技术的“专利”例：可口可乐的秘密。n专利：法律武器n一把双刃剑：通过公开秘密来保护秘密n专利什么时候起作用？n何时我们需要专利？2024/7/29浙江大学 Zhejiang University8技术与自然的关系n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。n“人定胜天”：人如何与自然相处？n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）2024/7/29浙江大学 Zhejiang University92024/7/2910浙江大学 Zhejiang UniversityDesign关于设计什么是设计n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、2024/7/29浙江大学 Zhejiang University11设计是创造性的技术应用n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、n“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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University12Bauhaus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。设计 vs 研究n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n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。2024/7/29浙江大学 Zhejiang University13创新是设计的生命n设计的本质就是创新仿制：无创新的“设计”n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n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University14新的设计理念人机关系设计n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。n“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 Windowsn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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University15“可持续发展” 另一个新的设计理念n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，1987n设计与自然的关系：一个易被忽视的设计原则n“设计与自然的关系”是“技术与自然的关系”的自然延续n正例和反例正例：易拉罐开启方式的设计反例：过度包装2024/7/29浙江大学 Zhejiang University16技术试验：设计的推进器和评判者n试验：有明确目的和计划的尝试关键词：目标、手段和程序n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n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University17设计评价：量化还是非量化？n设计评价是设计的指挥棒n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、n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”n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University182024/7/2919浙江大学 Zhejiang UniversityStructure关于结构什么是结构n一个有趣的问题鸡蛋和蛋壳：谁是壳体结构？n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、n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University20结构决定事物整体的性质n结构反映了事物各组成部分之间的相互关系n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n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University21结构分析n为什么拱桥是壳体结构？n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n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University22力学结构：强度和稳定性n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：结构结构的完整 结构体结构体的完整例：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：结构的完整完整 结构的平衡平衡 例：被风吹跑的帐篷2024/7/29浙江大学 Zhejiang University23力学结构：强度和稳定性n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University242024/7/2925浙江大学 Zhejiang UniversityProcess关于流程什么是流程n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n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”n形形色色的流程从生产流程、程序流程到控制流程2024/7/29浙江大学 Zhejiang University26控制器执行器被控对象检测装置流程的基本要素n流程两要素活动和时序n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n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？2024/7/29浙江大学 Zhejiang University27流程的类型n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n嵌套流程和循环流程2024/7/29浙江大学 Zhejiang University28流程分析n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n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University29原料炼铁炼钢轧钢炼焦烧结高炉流程优化：流程设计的终极目标n流程的可行性、满意性和最优性n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）n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）2024/7/29浙江大学 Zhejiang University302024/7/2931浙江大学 Zhejiang UniversitySystem关于系统无处不在的系统n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 。n“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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University32系统是有结构的n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n研究“系统”的理由：系统结构决定其性质n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。2024/7/29浙江大学 Zhejiang University33系统是有结构的n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University34CRVVt一般系统的分类n系统和环境的关系开放系统（Open system ）封闭系统（Closed system） n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University35一般系统的分类n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n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University36112 还是 211 ？n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”n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n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n“11”与“2”谁更大？ “整体性”并不意味着“功能增强”例：“害群之马”2024/7/29浙江大学 Zhejiang University37“系统分析”要分析什么?n系统分析即“结构分析”结构（相关性）决定系统的性质（整体性）n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University38系统优化：在系统分析的基础上进行n“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n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？n每一种系统结构的可行改变，称为一个“方案”。n系统优化即选择最适当的方案，使系统整体性能最好。2024/7/29浙江大学 Zhejiang University392024/7/2940浙江大学 Zhejiang UniversityControl关于控制控制即干预n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n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University41Norbert Wiener用控制的独特视角看问题n系统的视角控制系统的结构决定其性能n动态的视角“趋势比状态更重要”n反馈的视角了解控制效果：“没有反馈就没有控制”n调节的视角调节就是修正 有误差才有调节2024/7/29浙江大学 Zhejiang University42用系统的观点看控制：控制系统分析n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”？n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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University43用系统的观点看控制：控制系统分析n“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2024/7/29浙江大学 Zhejiang University44如何设计控制系统n系统划分谁是被控对象？n系统建模从现实世界到虚拟世界n系统分析寻找系统的缺陷n系统设计如何补偿系统的缺陷？n系统优化使系统变得更好2024/7/29浙江大学 Zhejiang University45控制器设计：控制的艺术n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n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）2024/7/29浙江大学 Zhejiang University462024/7/29浙江大学 Zhejiang University47Thanks谢谢大家