L5b+L6 设计、创新、系统级分析与技术路线规划

L5b+L6 设计、创新、系统级分析与技术路线规划

创意设计、创新、对象-情境-需求

一组定义

• 设计活动（在正式创意空间内）

所谓“正式创意空间”，意味着设计是有流程、方法、工具和约束的活动，不是随便画个图纸就完了。

• 对象（object）——每个可能受到设计干预或选择影响的创意

这是我们所要设计的东西，例如一整架飞机、飞机的发动机、发动机的叶片。

一定要明确我们设计对象的边界。

• 语境/背景/环境（context）——其他所有创意

对象的运行环境和约束条件，例如对飞机发动机，需要考虑飞机机体、飞行任务剖面、燃油规格、环保法规...等等。

语境和对象是相互影响的。

• 需求——对象在给定语境中期望具备的属性或行为

比如飞机发动机的最大推力不小于X，巡航耗油率不高于Y，总重不超过Z...

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自由度（DOF）：

• 物理自由度（pDOF）——描述状态和行为：我们的系统在物理世界中是如何存在和运动的。这是我们要通过设计，去控制和影响的结果。

对于飞机，考虑空间位置和姿态（6自由度）、速度和加速度等。

• 设计自由度（dDOF）——描述对象与语境的（属性）特征

我们在设计的时候，可以主动选择和改变的参数、其它特性。

例如，飞机机翼的翼型、翼展、后掠角、展弦比、材料、襟翼/缝翼类型和尺寸...

在特定情境下，物理自由度（pDOFs）与设计自由度（dDOFs）的区分、甚至其作为字面意义上"自由度"的概念都可能存在争议——归根结底，关键不在于术语本身，而在于涉及这些量的模型能在多大程度上为设计决策提供依据。真正重要的是要明确哪些因素是可变的、在何种条件下可变、变化范围如何，以及开发团队有权选择或修改的自主决策空间。

例如，材料选择有时候可以看成一个dDOF，但如果要用它的地方有很高的性能要求呢？选择就很有限了。

应当明确4个问题：

哪些因素是可变的？在什么条件下可变？变化范围如何？开发团队有多少自主决策空间，可以进行选择和修改？

拓扑学及其他系统模型

• 系统由"组件"构成

一个飞机，可以分解为机体结构、动力装置、航电系统、起落架、环境控制、飞行控制等子系统或主要部件；子系统可以进一步分解，比如动力装置就分成进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等。

• 可表示为相互连接组件构成的网络（所有直接物理相互作用都意味着连接）

连接方式可以是物理连接（机械的、电路的、管道的），信息连接（传感器-数据总线-机载电脑），能量连接（热、电的传导）。

• 物质组件通过位置、形态及其他与物质排布相关的物理属性进行建模

如何描述看得见摸得着的物理组件呢？考虑几何形状、空间相对位置和姿态、质量、密度、热导率等物理属性。

• 非物质（抽象）组件同样可被构想和建模，例如用计算程序替代电路中的电子能态

最简单的就是计算机中的飞行控制程序。输入传感器信息和飞行员控制指令，输出安定面控制指令。

• 组件还可通过（物理）状态进行进一步描述

状态是描述该组件当前状况的一组变量，系统的整体行为是其所有组件状态随着时间演变、相互作用的结果。

比如发动机的状态，有转速、涡前温度、出口压力、燃油流量...

结合Salman的课，我们知道，状态变量是动态系统建模和方针的核心，控制系统的设计目标，就是通过控制输入（dDoF），驱动系统的状态变量（pDoF中我们所想改变的部分），达到期望值或跟踪预定轨迹。

系统性设计与创新

• 设计是一种构思过程，其成果是对某个对象的描述，使得在特定（通常明确定义的）情境下，整个系统能够满足既定要求。

比如我想设计一个卫星的姿态控制动量轮，我设计的目标是让卫星系统，在给定的轨道、平台等情境下，满足指向精度和稳定性的要求，产出的是设计图纸、性能说明等对象描述。

• 设计的根本目的始终是通过设计对象作为操控手段/装置，间接地操纵/影响系统状态。

我们不能直接唯心地设定飞机的飞行姿态，但我们通过设计和操纵飞行器的舵面/dDoF，间接地控制姿态（pDoF）。

• "创新"意味着引入某种对该领域技术人员而言前所未见或出乎意料/令人惊讶的构想，这种构想与系统相关。因此，创新不仅限于对象本身，而是涵盖对象-情境-需求系统中的任何方面。

对象创新：搞了个新品种电推。

情境创新：把原本用于大型军用卫星的技术，应用于民用低轨小卫星，或通过火箭回收，改变了发射服务的情境。

需求创新：为实现火星殖民，提出了通信增强和转发卫星星座的设计需求。

系统创新：对象、情境、需求的综合，例如提出了覆盖关岛的、快速的、大载荷的制空平台的设计需求，通过集成先进的、多领域的技术（柔性蒙皮、三发动机、先进航电...），端上来南六。

把落后的帽子甩到太平洋的那头去！

创造力

• 在系统设计术语中，“创造力”被理解为对与设计相关的想法进行有效且充分的识别和阐述。
• 上述识别的有效性体现在：相对于成果的效用和整体设计投入，其使用了合理的手段和资源（时间、人员、精力、材料、资金等）。

给你三个月，两个人，几十万块钱，搞一个满足客户需求的无人机解决方案，搞不出来就完犊子——因为市场需求的窗口期已经过了，或者把公司给的预算干超支了。
• 上述识别的充分性体现在：它促进了对设计空间及所有可能选项和想法的充分认知，从而能够识别并阐述出既专业又具备潜在创新性的想法——即避免设计固着。

就比如我们设计滑翔机的时候，不能一开始就把设计方案定死了，比如说照着某个设计抄或者直接用自己灵光一现的想法（当然这是在时间不是那么紧张的情况），最好多想几种解决方案。

应用设计方法

• 机缘发现——探索发现力。应激发并利用人类与生俱来的识别创意的认知能力。"你的思维会在无意识状态下自主运作"。

或者说纯靠运气，但是我们可以保持一个开放的心态，或者在想进行创新工作的时候切换到open mode，还有借助我们的潜意识帮助。

• 系统性探索发现，即运用创造性构思方法（如TRIZ等）、拓扑启发法、机器学习推理、综合分析法等

TRIZ叫“发明问题解决理论”，源自俄文，它认为技术系统的发展遵循可预测的模式和规律，而技术进步通常是通过解决系统中的技术矛盾（试图改进系统的某个特性，导致另一个特性恶化，例如给客机换个高涵道比的发动机，但是重量上升而且重心不好平衡——喜欢737Max吗？），和物理矛盾（系统某个部分需要根据不同需求，同时具备或可以转换成相互排斥的物理状态，比如某个东西既要热又要冷...）实现的。

有通用且标准化的发明原理可以用，比如理想最终解，假设想要的功能完全实现，但是系统本身消失的理想状态，然后把它作为目标，反推解决方案。

• 系统分析——识别系统要素，这也是建立模型的必要前提

设计对象是什么？它将存在和运行的背景环境包含哪些要素？

• 讨论物理自由度(pDOFs)，分析系统层级与子系统层级的功能

明确设计的目标状态，解释为什么需要达到这些状态。

例如，设计飞机自动驾驶仪，涉及飞机的6自由度姿态，其功能是系统层面的安全、高效驾驶，子系统层面是保持高度、保持航向、自动进近等。

• 确定设计自由度(dDOFs)，阐释其如何实现对物理自由度的调控作用

找出可以调整和选择的设计参数与选项，并建立设计参数变化与系统状态变化之间的因果关系模型。

• 评估验证——包括运用建模、仿真模拟、测试测量等手段。

设计方案是否可行？是否满足需求？比如给新的飞控跑simulink仿真、上原型机做飞行测试等。

• 选择与决策制定

基于前期的分析评估，根据预设标准，通过权衡研究，最终进行决策。

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技术路线图绘制、公用事业/市场规划、SWOT分析及供应链管理

技术路线图

• 技术路线图描绘了通向新技术状态的路径，被构想为一系列新技术开发和示范项目的序列（例如国际航空运输协会的净零路线图=必读材料！）
• 技术路线规划可通过分阶段流程实现
• 路线图本质上展示了如何逐步转变当前运营环境，以实现目前不可行技术解决方案的最终开发。在当前环境下已可实现的技术解决方案则无需路线图。

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优势-劣势-机会-威胁（SWOT分析）

在开发新产品的时候，系统审视：内部因素，公司自身在技术层面的优势和劣势；外部因素，与该产品相关的技术环境中，存在的机会和威胁。

帮助做出明智的战略决策（要不要投入研发？投入多少？优先开发什么？需要外部合作吗？），合理分配资源（钱、人、设备...），管理风险。最终目的是提高新产品在市场上成功的可能性。

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设某公司是一家航空发动机零部件制造商，主要使用传统工艺。现在，他们想研发生产一种使用增材制造（ZY...） 的高温合金涡轮叶片。

注意，首先只需要记一下子标题（比如优势-技术专长），剩下的插科打诨文字都是用于帮助理解的。

另外，所有案例都是编的，请勿对号入座。

1. 优势：内部，有利。

   • 技术专长（如积累的关于高温合金材料特性、叶片的气动设计、发动机性能测试的经验和内部知识；制造专家和气动工程师团队），帮助理解新叶片的设计需求、设计方向和测试设计，最终指导研发方向。
   • 基础设施和资源：符合标准的厂房、发动机测试台、成熟的供应链管理体系（稳定获取制造原料）。
   • 知识产权（IP）：如关于叶片冷却设计的专利，或者涂层技术，可以和增材制造结合形成竞争优势；或者我们公司在航发领域享有盛誉。

2. 劣势：内部，不利。

   • 资源限制：缺乏了解金属增材制造的工程师，且缺少用于购买相关设备的资金。
     咋办？招人、找外部合作、要钱、或者分阶段慢慢投入。
   • 技术限制：增材制造过程中，其微观结构控制、缺陷检测和控制等方面，我们缺乏技术积累。
     咋办？投钱，或者找高校/研究所外部合作。
   • 监管合规风险：监管机构针对航空零部件的适航认证流程，是针对传统工艺的，针对增材制造的可能还不完善。
     咋办？自己来参与行业标准制定，投钱建立工艺控制和数据追踪系统。

3. 机会：外部，有利。

   • 新兴技术：增材制造技术本身的进步；新兴的AI技术可用于设计、制造参数优化和质量监控。
     如何运用这些技术开发创新产品、改进现有产品或进军新市场？
   • 市场需求：新一代航空发动机要求更高效率、更低排放，需要更轻、冷却效果更好的涡轮叶片。
     或者某个细分市场（例如小型通航飞机用上了小涡喷）？
   • 合作伙伴：建立与金属3D打印设备制造商的合作，获取新设备和支持；和相关大学/研究所合作（抓壮丁......）；和主机厂搞搞联合开发。

4. 威胁：外部，不利。

   • 竞争格局：别的叶片供应商也在投入增材制造技术研发；可能有掌握颠覆性3D打印技术的公司出现。
     咋整？加快研发速度，力争形成独特技术优势，并保持对竞争对手和新兴技术的关注。

   • 技术颠覆：不同于金属3D打印的先进制造技术出现；发动机的设计理念变了，带着叶片需求变化。
     咋办？保持对替代性制造技术、下一代发动机技术的关注，可以进行一些预研。

     装备一代，研制一代，预研一代。
     

   • 供应链风险：比如稀有金属供应惨遭毛衣战波及（哎，奶龙）
     如何应对：多找几个供应商，签订长期合同；设法维持一定库存；研究使用其他材料的可能性等。

供应链考量

比如发动机主机厂公司要采购叶片和芯片。

• 可（作为）强大赋能者或风险因素加以利用

（赋能？瓦学弟还在发力）

供应链效率高、有弹性、技术领先，帮助新产品建立竞争优势，如更快上市、成本更低、质量更好，比如我跟上面那个搞增材制造叶片的企业建立了采购关系，他的叶片重量轻、效率高、耐热好，带着我的发动机性能也上去了；反之，如果供应链脆弱、低效，那项目超支或者延期是轻的，搞不好整个项目就砸了。

• 识别供应链中的潜在风险与脆弱环节，包括对关键供应商的依赖、原材料短缺或物流中断等情况。

何意呢？关键供应商，比如以前买高标号碳纤维材料，只能找霓虹的几家特定公司买，受人制约。

• 制定缓解供应链风险的策略，确保新产品开发所需关键部件或材料的持续供应

例如关键供应商，可以跟人家签长期合同，或者某东方大国的碳纤维现在那是杠杠的，找他们买更香。

• 在可行情况下“嵌入”竞争对手及整个行业的供应链（对冲、市场控制等手段）

比如说，某北方所跟某南方所说，我这里的下属厂商搞出了个新型号发动机，放到你的机子上，推重比那是非常好看呐，你要不要？吼不吼啊？虽然他们之间存在竞争关系，但竞争和合作也不一定冲突嘛。

• 许多企业最初以其他整机制造商/OEM的供应商身份起步，而部分整机制造商会分拆/退转为供应商（如福克公司）

多参数、多目标评估与"最优解"概念

系统级的安全问题

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多目标优化

• 现实世界的问题往往具有多重需求，因此相关优化问题必须通过多维"目标函数"来表征。

例如，我要给一个两轮小车做路径规划，我的路径要满足离障碍物保持一定距离、速度和加速度不能太快、轨迹得比较平滑（不得锐角转弯，我的车又不是水滴）的多个需求。

• 在此语境下，"优化"并不意味着存在或发现单一解（如单目标优化中的"全局最优解"），也不意味着存在有限解集（如"局部最优解"），而是指原则上无法进一步约简的"最优解轨迹"——除非进行人为取舍（决策必需！）。

• 为避免处理与决策过程中产生不必要的歧义，凡可采用相同度量标准评估的需求项，都应进行先验合并。

比如说，我要考虑制造发动机的初始制造成本、长期维护成本，我把它们合并成全生命周期成本，这样可以少算一个变量。

（矩阵多一维，头发多掉一堆，喜欢吗？）

帕累托最优

• 最初应用于经济学领域（链接），但同样适用于包括技术在内的任何场景。

• 任何构想都可映射为相关价值指标，直接与需求挂钩。在所有这类价值指标上"不逊于"其他构想的方案即具有"帕累托最优性"。帕累托最优构想构成"帕累托前沿"（链接）。

比如，某个机翼设计方案，可以用重量、升阻比、制造成本等价值指标评估。

• 理论上，决策者/决策机构选择这些帕累托最优构想中的任何一个都具有同等可能性和有效性。实践中，隐性和默示的预期会导致对特定构想的偏好选择。通过将这些预期进一步细化为正式要求，可以更严谨地实现同等程度的选择特异性。

比如，我要在两种机翼设计中选择，其中一种重量大一点，但更便宜；另一种重量轻一点，但成本上去了。

如果我被大哥卡了预算，那我就得选择重量大一点的。

当然，最好把这个省钱的要求（说的专业点，“成本目标”）明确了，转化成正式要求，或者设定一个额外的成本上限。

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