绿色工业设计系统及其优化透析

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摘要：绿色工业设计具有很强的综合性和系统性，要使各子系统之间很好地耦合，就必须从系统整体出发，以设计的总体最优为目标，借助计算机辅助设计与虚拟实现技术进行设计的优化。

关键词：工业设计；绿色设计；系统性；最优化

一股以保护环境、保护有限资源、保护人类健康为目标的绿色浪潮，正在全球兴起。相应地，绿色产品的开发与设计方法也成为工业设计师们所关注的焦点。所谓绿色设计，是指以节约资源和保护环境为宗旨的设计理念和方法，它强调保护自然生态，充分利用资源，以人为本。为促进我国绿色设计发展，本文拟就绿色工业设计系统及其优化问题予以探讨。

一、绿色工业设计

绿色工业设计的一般准则与传统工业设计仅关注产品应达到的技术、功能、工艺以及市场等不同，绿色工业设计包含产品从创意构思到制造、使用以及废弃后回收、再生处理的各个过程，即包括产品的整个生命周期，在考虑产品环境属性的同时，要预先考虑如何防止产品及工艺对环境的负面影响。为此，绿色工业设计一般要遵循以下准则：

(1)尽量节约资源，即节省原材料和能源；

(2)减少对环境的污染；

(3)满足功能要求，符合人机工程学原理；

(4)视觉效果好；

(5)产品使用寿命长；

(6)性能价格比高。绿色工业设计准则的核心是以人为本。设计的最终目的是为人服务，运用艺术和科学技术设计人的生活和工作所需要的物品。鉴于物与物组成环境，人与人、人与物、人与环境又组成了社会，所以绿色工业设计就是要使人与物、人与环境、人与人、人与社会相协调。

二、绿色工业设计的综合性与系统性分析

1.综合性

从绿色工业设计的准则和设计程序可以看出，绿色工业设计要考虑产品功能、材料、工艺、产品造型、色彩、使用方式等多个方面的问题，涉及多个学科、多种技术、多种工艺，综合性比较强。

现代的人们对产品的要求不单单是物美价廉，而且还要求产品造型优美，色彩宜人，具有艺术价值和文化内涵，20世纪“功能至上”的现代主义风格显然已满足不了当今消费者的多种需要。消费者的年龄、性别、文化程度、职业、性格、思想观念的不同都会导致个体心理结构的差异。从市场营销的角度讲，只有使消费者产生“美好感觉”的设计才是有魅力的设计，才是真正有价值的设计。设计要使消费者产生“美好感觉”，就必须深入研究消费者的心理活动规律，最大限度地满足消费者的心理需求。所以，设计师必须在人类学、社会心理学等领域做细致的研究和分析。此外，为了选择合适的材料，必须对各种材料的性能有所了解。在能够满足机械性能要求的基础上，首先要选择对环境污染小、可再生、可回收、能耗低、易降解有利于提高资源利用率的绿色材料。在设计中应首选环境兼容性好的材料及零部件，避免选用有毒、有害和辐射特性的材料。因此，设计师还应该有材料科学方面的知识。

总之，除本专业领域的理论、技术和知识以外，绿色工业设计还涉及机械工程学、电气工程学、电子学、材料力学、流体力学、心理学、管理学、塑料工程、模具工程和计算机科学等。绿色工业设计是一种综合性的、并具有较强的多学科交叉特性的工程设计，是多学科知识在设计中的集成。

2.系统性

绿色工业设计将产品整个生命周期内的设计、制造工艺、包装、废弃后的回收均作为其设计任务，在保证产品应有的功能、使用寿命、质量等的同时，满足环境目标要求。它是产品由自然到人类社会、又回归到自然的一个循环系统的设计。绿色工业设计是现代设计理念与方法的集成，是以人为本的设计系统工程。

绿色工业设计系统可以分为设计准则系统、制造工艺系统等。就其设计流程而言，是一个带有多路信息反馈通道的闭环系统。在设计进程中有多次审核，把设计结果与设计目标进行比较，如果符合要求则往下进行，否则将比较结果反馈到系统的前端，重新修改设计，直至合格为止。设计流程中一个程序接一个程序，每一个程序都是一个子系统。如市场调查环节，它由供需状况的调研与分析、需求功能的调研与分析、人机关系的调研与分析、工艺调研与分析、造型色彩的调研与分析、预期成本价格的调研与分析、消费心理的调研与分析等组成一个子系统。子系统中各个部分都是不可少的，又是互相联系的。要从系统整体、各子系统相互联系的角度来研究设计对象及有关问题，以达到设计总体最优的目标。

3.各子系统之间的耦合性

按照绿色工业设计的准则，设计师在力图满足某一项指标要求时，往往会影响到另一个指标。例如，在加大构件的强度以延长它的寿命时，就有可能导致它的材料消耗增大，产品重量增加；为了改善零件的机械性能，对零件进行热处理，却增大了制造过程的能耗，也增大了制造成本；有时为了增强产品的功能，而使得产品结构复杂化，带来的结果是成本增加，且结构越复杂故障率越高；再如，为了解决汽车排放尾气污染环境问题，人们研制了绿色交通工具——电动车。利用清洁的二次能源，也确实有助于改善环境空气质量，但是，它目前使用的电池却带来一些问题：一是目前使用的铅酸电池体积大，占用了大量的车载空间，增加了车体重量；二是电池的寿命有限，如目前铅酸电池的寿命仅为2～3年，电池更换较为频繁，而且目前我们的电池回收管理办法还不够完善，废弃的电池会对环境造成污染，这又违背了绿色工业设计的准则和宗旨；三是若为了减小电池的体积，提高电池的能量密度，增大一次充电的行驶里程，把铅酸电池改为用镍氢电池或锂电池，则又会使电动车的成本增加。为避免各子系统目标相悖问题，绿色工业设计要求各子系统之间具有较强的耦合性。这给绿色工业设计增加了不少难度，需要做好系统整体优化工作。

三、绿色工业设计的优化

1.优化的原则

绿色工业设计各项指标子系统之间有不同程度的耦合性，产品设计人员在产品开发过程中一定要有系统观念，充分把握设计系统整体和各子系统之间相互联系、相互制约的细节问题，很好地掌控各设计因素，用系统分析与系统控制方法处理和解决，从而达到设计总体目标和实现这个目标的过程和方式的最优。绿色工业设计就是要在技术与艺术、功能与形式、环境与经济、环境与社会的联系之中寻求一种适宜的平衡和优化。片面地强调某一方面，都将最终导致对产品绿色程度的影响。因此，绿色工业设计要求产品从设计、生产、管理到产品的经济性、维护性、包装运输、回收处理、安全性等方面，均从系统的高度加以分析，确定其各自的地位，在有序和协调的状态下使产品设计达到最优。

2.优化的方法

按照上述从整体出发达到设计总体目标最优的原则，设计优化的一般方法步骤是：设计方案一对照准则比较一修改设计、全面权衡，直至找到一个相对满意的最优方案。这一切都是由人来完成的，设计师的理论和知识水平以及责任心将最终决定设计的优化程度。

绿色工业设计涉及许多学科领域的知识，但不是这些知识简单地组合或叠加，而是有机地融为一体，设计参量较多，各部分有较强的耦合性，且往往存在时变性和不确定性。显然，利用常规的分析方法和计算方法进行绿色工业设计，劳动量很大，而且设计周期较长，而计算机辅助设计则可以大大提高设计的效率和准确性。在计算机辅助设计的基础上，利用虚拟实现技术，可建立起一种并行结构的设计系统，将设计、制造、分析优化集成于一个三位一体的系统，使不同专业的设计师能够及时相互反馈信息，从而迅速接近理想的绿色设计目标。这种方法不但工作效率高，而且可以减少生产过程中不必要的浪费，降低制造成本，对有效节约资源具有重要的意义。它可以将消费者也纳入设计过程，使产品愈来愈变为消费者与设计者共同设计的产物。因此，运用虚拟实现技术设计的产品更贴近绿色工业设计的目标，更能满足消费者的需求。

相信随着对绿色工业设计研究的不断深入，新的设计理念和设计方法将会不断被引入绿色工业设计的优化过程，我们会拥有更多的绿色产品。