高中工程學/設計流程
“設計”一詞有多種含義。其中一種含義是指在製作物體或結構之前，顯示其外觀和功能的計劃或圖紙。在本節中，我們考慮的是這種設計含義。例如，這種設計含義包括
- 一組建築師可能會開發建築物的設計，指定建築物的外觀以及房間、門和走廊的佈局；
- 一組工程師可能會開發新噴氣發動機的設計，指定其結構和製造材料。
圖 1 和圖 2 展示了這種設計的示例。
在一般的談話中，“設計”一詞通常用於指代“線或形狀的排列，形成圖案或裝飾”。圖 3 展示了這種設計含義的示例；在本節中，我們不考慮這種含義。
建立物體或結構設計的過程稱為“設計流程”。所有設計流程都有一些相似之處。它們都涉及創造力。它們都涉及決策。但是，工程設計往往比其他型別的設計需要更廣泛和更專業的技術、數學和科學知識。
團隊會進行幾種不同的工程設計專案。大多數專案涉及修改或增強現有產品或流程；這些專案被稱為增量設計。有時會從頭開始開發新產品。這樣的專案將是新設計。兩種型別的專案都使用設計流程。
大多數設計專案的目的是開發滿足客戶和利益相關者需求的物體、結構或流程。客戶是使用設計物件的個人；客戶通常為產品付費。利益相關者是指對產品有興趣的個人。客戶是利益相關者；其他利益相關者可能包括政府機構、公司和個人。例如，新汽車設計方面的利益相關者可能包括購買汽車的個人、維護和修理汽車的技工、監測汽車排放的環保署以及提供燃油的石油公司。
設計問題幾乎總是開放式的——它們很少只有一個正確答案。相反，通常會有多個解決方案可以滿足所需需求。設計挑戰之一是從眾多可能的解決方案中進行選擇。實際上，工程產品可能非常複雜，設計此類產品可能需要設計團隊做出數百或數千個決定。如果沒有明確定義的流程，團隊可能無法開發出滿足客戶或其他利益相關者需求的設計；團隊可能會做出錯誤的決定，或者忽略產品的關鍵屬性。因此，使用結構化的設計流程非常重要。結構化設計流程提供了幾個優勢。它們提供了一個框架，使團隊決策變得明確，並且決策過程可以得到充分記錄。它們還降低了遺漏或忽視重要問題的可能性。
在本節中，我們描述了“工程設計流程”，這可能會讓人感覺只有一個正確的流程。實際上，許多流程已成功應用於工程設計。本節中討論的設計流程可能並不總是適用於給定專案或問題的最佳流程。設計流程不應該盲目應用，而應該根據設計團隊和具體專案的實際情況進行調整。設計流程也應該不斷改進，以便設計團隊的績效隨著時間的推移而提升。
工程設計流程可能不會產生可行的設計，原因有多種
- 錯誤或不切實際的假設。
- 缺乏對所需需求或需要解決的根本問題的理解。
- 設計規範或表示（例如模型和圖紙）中的錯誤。
- 對原型的測試不足。
- 設計選擇不佳。
有時，在流程早期做出的錯誤設計決策將無法開發出成功滿足客戶需求的設計。
在本節中，我們將介紹一個典型的工程設計流程。其他對設計流程的描述可能將流程分解成略微不同的步驟，並可能使用略微不同的術語來描述這些步驟，但大多數設計流程與本流程相似。設計流程的實踐部分中提供了一個如何應用此設計流程的示例。
我們基本的工程設計流程包括圖 4 所示的步驟。請注意，圖 4 顯示每個步驟都在下一個步驟開始之前完成；此流程是按順序進行的。在許多現實情況中，設計團隊可能需要多次重新審視某個步驟才能建立最終設計。我們現在將更詳細地描述這些步驟。
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定義問題。在問題定義步驟中，會調查潛在客戶的需求；識別潛在競爭對手並描述他們的市場地位；識別政府法規或技術限制施加的約束；並確定設計工作方面的約束條件，例如可用的工作人員、時間和資金。問題定義過程將使人們清楚地瞭解設計專案的範圍以及可用於解決設計問題的資源。這種理解通常以問題陳述的形式表達。這種理解也以標準和約束的形式表達。 確定標準和約束。標準和約束用於評估設計的質量。約束描述設計和設計流程必須滿足的條件；設計必須滿足所有約束。標準是可衡量的值，可用於比較幾種設計並確定哪個更好。 生成創意。確定標準和約束後，設計團隊會生成設計創意。這些創意來自許多不同的來源；包括現有產品（包括競爭對手的產品）、頭腦風暴和其他創意活動，以及市場和技術研究。將創意組合起來生成潛在的設計；在此階段，設計只是沒有太多細節的理念。 探索可能性。生成潛在的設計後，會對其進行探索，以瞭解其特徵以及可能存在的優點和缺點。 選擇設計理念。根據約束和標準評估潛在的設計，並選擇一個或多個設計進行詳細設計和原型製作。這種選擇是使用結構化流程進行的，該流程要求滿足約束條件，並根據標準選擇最佳設計。 開發詳細設計。選擇的設計將得到更詳細的開發。設計架構是透過識別物理和功能塊來建立的。確定形狀和尺寸，選擇材料和製造工藝，並確定產品元件。設計開發的足夠詳細，可以製作設計的原型和模型。 建立模型和原型。通常會實現一個或多個原型來描述設計的各個方面。原型可能是設計的物理模型，其中尺寸、材料和製造工藝模擬了設計的關鍵方面。越來越多的原型是使用模擬產品機械、電氣和其他特徵的計算機建模軟體實現的。 測試和評估。對原型進行測試，以檢視設計是否滿足所有約束條件，以及是否相對於標準表現良好。 改進設計。測試和評估可能會發現設計的弱點，或者表明設計可以改進的地方。在此階段，可以改進設計以更好地滿足標準和約束條件。有時，測試和評估表明設計無法正常工作，因此必須選擇不同的設計理念；在這種情況下，流程將回到“選擇設計理念”步驟。 實施。根據具體情況，將生產或製造設計。 傳達流程和結果。對設計流程的活動和結果進行記錄。將此文件傳達給設計中的適當利益相關者。 |
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圖 4 中的設計過程通常被稱為順序過程，因為每個步驟都直接順序地遵循前一個步驟。該模型沒有考慮許多實際設計專案中的迭代性質；隨著設計的開發、原型製作和評估，其優缺點得到了更好的理解，並且根據這種改進的理解對設計進行了更改。更改設計後，將重複原型製作和評估過程。迭代這些過程的設計過程通常稱為螺旋式設計過程。圖 5 說明了螺旋式設計過程。
使用螺旋式設計過程的優勢在於，最終設計通常比初始設計好得多。螺旋式設計過程的顯著缺點是，螺旋中的每個迴圈都需要時間和資源；如果沒有對這些進行計劃，專案很容易延誤並超支。
本材料改編自可在 此處 找到的原始 CK-12 書籍。該作品根據知識共享署名-相同方式共享 3.0 美國許可獲得許可