高中工程/設計過程實踐

在本節中，我們將透過一個團隊使用設計過程的例子。本節提供了關於順序設計過程步驟的更多細節。

定義問題

問題定義是設計過程中最關鍵的步驟之一。由於試圖解決此問題的設計團隊將付出巨大的努力，因此確保解決的問題實際上是潛在客戶關心的問題非常重要。同樣重要的是，問題必須被設計團隊清楚地定義和理解。

許多技術可用於明確定義和理解問題。這些技術包括

收集來自客戶和其他利益相關者的資訊，
尋找專家資訊（無論是在人與人之間，還是透過書籍或其他來源），
進行根本原因分析以確定真正的問題。

SCV 設計團隊首先收集了有關與機動車通勤和交通擁堵相關問題的資訊。他們找到了並閱讀了幾份政府報告。他們採訪了通勤問題中的各種利益相關者；其中包括每天開車上下班的人，州和地方交通部門的官員以及環保團體的代表。他們還利用了他們自己的通勤經驗。

識別標準和約束

問題陳述用作起點，以瞭解良好解決方案的特徵。這些特徵用約束和標準來描述。約束是設計必須滿足的限制或條件。標準是設計可以衡量的標準或屬性。約束和標準用於設計過程的後續步驟中，以確定在許多可能的方案中應實施哪一個。

生成概念

確定了標準和約束後，設計團隊便開始生成設計概念。這是創造力起著至關重要作用的步驟 - 好的設計通常與現有問題的解決方案大不相同。除了創造力之外，設計團隊還必須使用紀律來確保他們探索了足夠的選項和潛在解決方案，以保證良好的設計。因此，使用結構化流程來生成設計概念非常重要。可以使用許多不同的流程。此處介紹的流程改編自 Eppinger 和 Ulrich 的產品設計與開發，並且進行了簡化。它包括問題分解、外部和內部搜尋想法以及系統地探索可能的步驟。

將問題分解為子問題

當設計問題很複雜時，分解問題為子問題非常有益。子問題是必須解決的較小問題，才能解決總體問題。

外部搜尋想法

將問題分解為子問題後，設計團隊就可以開始尋找解決每個子問題的想法。一種想法來源是檢視現有產品和想法，看看是否已經存在解決總體問題或已識別子問題的解決方案。外部資訊的來源包括與潛在客戶或子問題領域專家進行訪談，專利和其他技術資料庫以及現有產品。現在網際網路上可以獲得大量此類資訊。

內部搜尋想法

內部搜尋想法通常稱為頭腦風暴。頭腦風暴的目標是開發儘可能多的想法，而不用擔心它們是否可行。草圖通常是捕捉想法並生成新想法的好工具。

系統地探索

外部和內部搜尋將為每個子問題生成許多可能的解決方案。為了確保沒有遺漏好的解決方案，使用結構化流程來檢查可能的子問題解決方案組合非常重要。用於系統探索的工具是概念組合表。在此表中，組合每個子問題的解決方案；圖 7 顯示了通勤車的概念組合表。

要使用該表，請組合每個子問題的解決方案，然後建立結果概念的草圖或描述。例如，如果概念如在圖 8 中所示組合，則將得到圖 9 中的可能設計。此設計可能與標準腳踏車非常相似，但增加了一個太陽能電池頂篷來遮擋駕駛員。腳踏車的踏板將被移除，並用驅動車輛前進的電動機代替。

**圖 4.9**：從圖 8 中的概念組合表獲得的可能設計的草圖。請注意，工程師在此設計過程中的這一點上經常使用粗略的手繪草圖來理解設計概念並探索其優缺點。

請注意，設計元素的組合通常不會提供完整的設計概念；必須做出決策以填補空白。例如，如果設計中包含太陽能電池，則可以將其放置在車輛上，也可以將其放置在固定充電站中，該充電站為車輛上的電池充電；設計團隊必須決定哪種配置最合理。

探索可能性並選擇設計

探索設計概念以瞭解其特徵。例如，探索圖 9 中的方案 1（太陽能腳踏車）導致以下結論

該設計僅使用可再生能源。
該設計製造成本相對較低，執行成本為零。
該設計可能對通勤者來說並不方便，因為電動機僅在陽光照射到太陽能電池陣列時才能執行。這意味著在晚上或陰天無法通勤。
該設計對通勤者來說並不十分舒適，因為他們會暴露在炎熱、寒冷和雨天中，而且座椅看起來不舒服。

開發詳細設計

在概念選擇之後，團隊將擁有一個總體設計概念；他們已經決定如何解決每個子問題，並且對設計有一個整體的理解。在設計可以製造之前，團隊需要開發設計的細節。詳細設計包括

所有物理元件的形狀和尺寸。
理解哪些元件將從外部供應商採購，哪些將由公司內部製造，以及如果由公司內部製造，將使用哪些材料和製造工藝。
任何電氣子系統的詳細示意圖，以及任何嵌入式處理器的計算機程式碼。
組裝工藝。

從設計概念開發詳細設計可能佔據新產品設計專案分配的大部分時間。此步驟也將對專案的成功產生重大影響；糟糕的詳細設計會毀掉一個好的設計概念。

在開發詳細設計的過程中，團隊可能會使用許多或所有後續設計步驟，例如原型製作、測試和改進。此過程可能需要多次迭代，因為原型測試會揭示先前未知的設計特性。

從設計概念到詳細設計的過程中，一個主要步驟是開發設計架構。設計架構是“將產品的功能元素分配給產品的物理構建模組”（Eppinger 和 Ulrich，2003）。

例如，SCV 設計的一個架構決策是如何將太陽能電池陣列納入設計。電池陣列應該是車輛的獨立物理模組，例如在圖 9 中建立天蓬結構，還是應該作為框架的組成部分建立？第一個選項代表模組化架構，而第二個選項代表整合架構。

原型製作、測試和重新設計

原型或模型是對設計某些方面的表示。模型和原型的目的是提供對設計及其效能的更多瞭解。原型可以僅實現設計的一小部分，也可以全面實現整個設計。例如，在開發概念 1 的詳細設計時，設計團隊可能最初希望僅開發電氣系統的原型（太陽能電池陣列和電動機）。一旦驗證了電氣系統設計，他們可能會實現整個車輛的綜合原型。

原型可以是物理的或虛擬的。物理原型可以用與製造最終設計時使用的材料非常相似的材料實現，或者為了降低成本或節省時間，可以使用其他材料來實現原型。可以使用計算機輔助設計和繪圖 (**CADD**) 程式建立虛擬原型。現代程式可以模擬物理系統的許多方面，揭示缺陷或促進對設計的理解，而無需實際實現它。

原型的另一個重要功能是測試設計是否按預期工作。透過測試原型並相對於設計的約束和標準進行評估，可以獲得對設計的理解，並建立其能夠正常工作的信心。應仔細規劃測試程式，以確保可以回答有關設計的問題，而無需花費太多時間和資源。測試結果應相對於反映約束和標準的規範進行評估。

原型測試和評估可能會揭示設計中的缺陷，或者可以提供用於改進設計的資訊。在這種情況下，設計通常會得到改進，尤其是在它相對於某些標準或約束表現不佳的情況下。有時，選擇的設計概念無法滿足標準或約束，設計團隊必須返回並進行更多概念生成，然後選擇另一個概念。這是螺旋形設計過程的一個組成部分。

溝通和實施

隨著設計團隊完成了設計過程，他們記錄了他們使用的不同流程及其結果。通常，此資訊用於建立產品的使用者手冊和維護手冊。此資訊對於將來需要更新或修改設計的團隊成員很重要。在設計過程中會吸取經驗教訓，這些教訓應該傳達給公司的其他團隊，或者傳達給政府或學術界的外部利益相關者。設計過程的一個重要部分是記錄這些問題並將結果傳達給適當的利益相關者。

隨著設計的完成，實施設計的努力將會增加。如果設計的是要製造的產品，則必須開發製造系統。例如，在替代通勤車設計中，必須找到諸如電機和太陽能電池之類的元件的供應商；建立製造框架的設施；並確定銷售和營銷人員。

詞彙表

人工製品: 人類為了特定目的製造的物體。
CADD: CADD 代表計算機輔助設計和繪圖。它是使用計算機軟體來表示設計物件的幾何形狀的做法。
二氧化碳排放: 二氧化碳是一種氣體，由燃燒含碳燃料（例如煤炭和汽油）產生。由於二氧化碳是一種溫室氣體，它會捕獲太陽輻射並將其重新輻射為熱量，因此有證據表明，透過燃燒化石燃料將大量二氧化碳釋放到大氣中會導致全球變暖。
表徵: 透過發現某事物的獨特特徵來表徵它。
概念生成: 開發可能用於建立設計的創意的過程。
配置: 以特定形式排列設計元素的安排。
約束: 約束是設計必須滿足的限制或條件。約束要麼滿足，要麼不滿足。
標準: 標準是設計的可衡量標準或屬性；例如，重量和尺寸都是標準。標準用於比較不同的可能設計，並確定哪些設計更好地解決設計問題。
客戶: 直接或透過購買產品為設計付費的個人或組織。
分解: 分解是指分解成更簡單的部分。
設計架構: 設計架構是將設計執行的功能分配給設計的物理構建模組。
尺寸: 高度、寬度、深度或長度的規格。
溫室氣體: 溫室氣體是大氣中的一種氣體，它會捕獲太陽輻射並將其重新輻射為熱量，從而導致環境變暖。
增量式設計: 增量式設計過程從要修改的現有設計開始。
基礎設施: 基礎設施是社會運作所需的必要結構和組織。例如，汽車交通基礎設施包括道路、橋樑、交通訊號燈、交通標誌等，這些都是駕駛汽車所需的。
迭代的: 迭代過程是可以重複的過程。
模型: 模型是對設計某些方面的有目的的抽象表示。模型的型別包括方程式、物理表示、計算機表示和其他表示。
光伏: 光伏意味著將光能轉換為電能（另請參見太陽能電池）。
問題陳述: 問題陳述是對設計將解決的問題或需求的簡要描述。
原型: 原型是設計或設計某些方面的第一個或初步模型。原型通常是物理模型，但計算機模型的使用越來越多，作為原型。原型用於評估設計，發現缺陷和弱點。
再生制動器: 透過將車輛的運動能量轉換為可以儲存在電池中的電能來減速車輛的制動器。
可再生能源: 可再生能源是指來自使用不會永久枯竭的資源的能源。例如，太陽能和風能是可再生的，而煤炭和石油是非可再生的。
根本原因分析: 對問題或情況進行分析，以找到問題的真正原因（根本原因）並解決它；如果沒有根本原因分析，人們通常只處理問題的症狀。
太陽能電池: 太陽能電池是一種通常由金屬和半導體制成的裝置，它將光能轉換為電能。
利益相關者: 利益相關者是指對設計專案有利益（例如，對設計專案感興趣或可能受其影響的人）的個人或組織。利益相關者通常包括使用者和客戶、設計團隊以及僱用設計團隊的公司。
可持續性: 可持續解決方案是指可以在不消耗不可再生資源的情況下繼續使用的一種解決方案。
不可行: 如果設計不滿足約束，則該設計是不可行的。
可行的: 可行意味著能夠成功地工作。

參考文獻

ABET, Inc. "工程專案認證標準 2007-2008"。2007 年 3 月 17 日下載。可在網路上獲取 http://www.abet.org/Linked%20Documents-UPDATE/Criteria%08%20EAC%20Criteria%2011-15-06.pdf
Gerhard Pahl 和 Wolfgang Beitz。工程設計：系統方法。施普林格出版社，1999 年。
H. Scott Fogler 和 Steven E. LeBlanc。創造性問題解決策略。普倫蒂斯·霍爾出版社，新澤西州上鞍河市，1995 年。
Joseph W. Walton。工程設計：從藝術到實踐。西出版公司，明尼蘇達州聖保羅市，1991 年。
Karl Ulrich 和 Steven Eppinger。產品設計與開發。麥格勞-希爾/歐文出版社，第 3 版，2003 年。
美國交通部。“BCW：關於專案——事實和資料”。2006 年 10 月下載。可在網路上獲取 http://www.bwc.gov/about/facts.htm
Yousef Haik. 工程設計流程. Thomson-Engineering，2002 年。

← 設計流程 · 科學與數學在工程中的應用 →

此材料改編自原始 CK-12 圖書，可在此處找到。該作品根據知識共享署名-相同方式共享 3.0 美國許可證授權。