工程和设计

有些事，还是要回到源头来理解。
什么是“工程”？我的看法是：人类对客观事物进行有意识的改造活动，当这种活动具有

一定规模时，就常称为是一项“工程”。反过来说，不是由人的意识进行的大规模活动，

如火山爆发、山岳垮方、洪水海啸，不称为工程。另一方面，由人进行的单纯内部运动，

而不对外界产生影响的，一般也不称为工程。比如，人们做过一场很复杂的梦，不会认为

完成了一项工程。人们召开内部的会议，进行传达、研究或搓商，如果纯属内部运转，一

般也不称为工程。
今天工程的门类越来越多，如电机工程、航空工程、水利工程、化学工程、动力工程、军

事工程、通讯工程、生物工程、软件工程等等。“工程”一词还渗透到社会科学，如出现

社会工程、希望工程、菜篮子工程等等。还出现了像“系统工程”这样更广泛的领域，专

门研究具有复杂结构和功能的系统的概念和处理方法。
　　工程设计是一门古老的行业。自从人类最早制造工具、修建遮蔽风雨的洞穴和泥屋，

就有了某种意义的设计。工程世界的发展，总的包括量变和质变两个方面。产品的生产主

要增加产品的数量，而产品本身的更新换代、研制新产品等质变飞跃，则依靠工程设计来

实现。因此，工程设计在最根本的意义上是创造。
同样可以问，什么是“设计”？在我看来，广义上的“设计”，是指对达到“未来”目标

的活动所作的规划。产品设计是为新产品绘制生产图纸，其他如对一次晚会的策划、对一

次旅游的计划、对一出戏剧的构思、对一项计谋的策划、甚至对人生的规划，在思维性质

上都存在着“设计”的共同点。
　　设计的“基础”是已经掌握的改造客观的能力，包括“软件”方面，如知识、理论、

方法；和“硬件”方面如机床、设备、厂房、材料等物质方面的条件。这些知识性的基础

和物质性的能力构成设计的“此岸”，是设计者所能调动来完成设计的出发点。设计过程

就是从此岸出发，在“力所能及”的范围内通过有效的途径最终达到改造客观目的的“彼

岸”。
设计是新产品的根本，是一个创造性过程。
                             
                     设计是一项工程问题而不是单纯的理论问题

设计是一项工程问题。这是说，设计应该建立在人类过去的科学技术的认识积累之上，而

不仅是一个纯理论推导的过程。有的人在理解上走上极端，误以为只要设计中科学原理是

正确的，那么设计的结果就必然是正确的。实际并不如此。在力学范围内，各种现象遵循

的主要是牛顿力学定理，但是牛顿定理在三百年前就已经奠定了。如果只是根据最根本的

原理而抛开而近三百年来诸多技术的进步不顾，那么连一辆合用的自行车都设计不出来。
在工程设计中，对系统全局及每一个分系统，设计都有“型式选择”和“参数选择”两个

部分。有的人感觉设计只有确定参数的问题，这是因为他们不知不觉中已经把型式认定为

只要参照一种已有的产品就可以了。其实在工程设计中型式有更大的可选择范围，并且型

式选择的结果往往比参数在更大的程度上决定了最终产品的技术面貌。
设计需要广泛地汲取人类积累的各种各样的工程经验。在此基础上，有继承有发展地做出

新的设计。新中国在1956 年开始自行设计飞机时，就在设计之初收集世界上类似机种，

对它们进行分析研究。这种设计方法，已经形成后继机种设计时的传统。现代世界航空强

国所使用的飞机设计教本，也是对世界已有飞机形成的“数据库”的基础上，建立对飞机

发展的规律性的认识，得到各种“经验参数”，来帮助在新设计中的型式选择和参数选择

。
如果新产品的要求落在已有产品性能的范围之内，那么这种设计属于在已有经验之内的“

内插”，一般对设计结果的估计有较大的可信性。而有时是对已有经验的基础上向未知领

域“外延”，如第一架喷气式飞机的设计，第一架超音速飞机的设计，以及超高空飞机的

设计等的情况。由已知工程经验外推到的认识，尚未被人们的实践证实过。这时基于已有

经验的“外延”的准确性存在一定的偏差。这种拓展性的设计对设计者的能力是一种更大

的挑战。

                       “仿制文化”中的设计观

“仿制论”者认为设计就是重现一个已经存在的产品。他们提倡的“原准法”，不是广泛

参考已有的工程经验，而是把注意力集中在一个特定的“个案”身上，即他们所选定的“

原准设计”上。不使用设计者的任何推理性的思考和智力创造能力，只要求不折不扣的按

“原准设计”重复其型式选择和参数选择。设计的结果也是事先已经清楚的，提倡者认为

，这样就消解了设计中的任何风险。
他们还创造了“反设计”的概念，一般正常的次序是先有设计图纸，后有产品。他们主张

先拿来一个已经有的（外国）产品，然后按照它绘制出生产所需要的图纸，这个外国产品

便可以在本国国土上生产了。这种“测绘仿制”被称为“反设计”。产品设计的正确的认

识应该着眼于“未来”，而仿制论者着眼于“过去”。科学发展观认为设计是“创新”，

而仿制论者认为设计是“复旧”。
提倡这种以“抄袭”为主要特征的“原准法”，反映一些管理者对设计队伍的能力不信任

，或设计队伍对所设计的对象非常缺乏了解，认识的程度非常浅近，开拓意识非常怯懦走

到的一种极端。不是对已有的工程产品研究其共同的规律，而是选择某一个特定的单个产

品，对之进行“测绘仿制”，只不过是已有产品，事无巨细地全面再现，有时甚至将原产

品中“标识性”设计特点也不加思索地原封不动地抄袭。
选择这种极端的设计方法，是设计者科学推理能力极其薄弱、并且对“知识产权”极其缺

乏认识的后果。因为与“原准设计”的任何细节上的变化所引起的后果，都超出他们的预

见能力，惧怕可能引起不可思议、不堪想象、无法纠正的局面，越出了他们的处理能力，

因此才提出“凡（与原准设计）有不同处就是出问题处”的警告。而这种“原准设计法”

是违反国际上对知识产权的保护的。

系统工程

工程设计，好比是人类对自然的一场战争，是人的认识能动性表现得最突出的活动之一。

人类在战争中，不只需要具体兵器的知识，还形成了战术和战略的学问，出现了许多研究

兵法的兵书。在工程界也有类似的情况。专业性学科讨论了设计中许多具体的方面，而“

系统工程”则专注于研究总体性问题。
“系统工程”是一种方法论，而不只是“论方法”。就是说，它不仅仅是一些具体方法的

总汇，而带有工程哲学的性质。哲学的根本问题是人对客观世界正确地认识和能动地改造

问题。人类社会发展到今天，工程的最大挑战是设计大型系统，及功能优异的设备。在这

类设计中需要使用技巧和方法的综合、需要全局性的考虑，而不仅是考虑个别的局部。过

去的传统设计课程强调分析工具的学习，这些内容对已经形成的系统的改进是有用的，但

是对创立一个新系统就显得不够。
   在系统工程的理论思路下，系统工程发展了一系列的方法，也吸取了其它途径所发展的

方法，如运筹学、优化技术、回归分析、试验设计、系统摸拟、人机联系（人素工程）、

可靠性分析、决策论、定量评定技术、计划评审技术等等，形成系统工程丰富的方法库。

许多方法，在使用计算机后得到更大的发展和运用。这些方法虽然单个都有它本身的作用

，但在系统工程总的思路下，才发挥出更大的总体效能。

（运10在哈尔滨机场）

                         新设计与已有认识的关系

　　不同情况下的设计，“此岸”与“彼岸”的间隔距离会有所不同。已有认识对设计目

标的认识成熟程度不同，工程设计约可分为以下几类：
　　●常规性设计。指产品在具体细节上虽然与已有产品有所不同，但在原理上并没有很

大改变（设想对一种特种尺寸的螺母设计扳手。现在没有这种尺寸的扳手，因此需要设计

，绘出图纸来加工。但与其他已有的扳手只是具体参数上的差别。）设计者在做这类设计

中不需要对已有的认识作很大的延伸或扩展。
●改进性设计。这可以是对原有产品扩展某种功能、或者对已有产品采用新技术提高其性

能的更新换代。改进时有原有产品作为基础，但需要在产品中引入新的思想或技术。航空

技术上的演进，在20世纪曾经历三大技术台阶，即结构材料从木质到金属、推进系统由螺

旋桨到喷气式、在仪表和控制自动化方面引进电脑技术等。电子技术方面，也经历了用集

成电路代替晶体管、在传播技术上经历了采用网络技术等巨大的进步。这些进步，都导致

了大量新产品的诞生。
对原型的改进，改型，原型必须是自己拥有知识产权的产品。如军用机的多种改型，民用

机的系列发展等等。
　　●研制性设计。这类设计中包含较多问题没有现成的解决方法，需要在设计过程中同

时开展“研究与开发”工作（Research & Development），使设计者的认识进一步扩展，

降低设计风险，确保胜利到达在“彼岸”设置的目的。比如大部分新型飞机的设计属于这

类。
●发明性设计，或称原创性设计。这类设计中很基本的认识还是没有掌握的，必须针对产

品的需要特地开发。爱迪生发明留声机就是一例。40 年代美国研制第一颗原子弹的时候，

设计者们对将来产品的主要工作介质是固体还是液体都还不掌握，对最后产品的重量是几

十公斤还是几千公斤也不清楚。无疑这类设计中需要跨越的认识间隔更大。

                         设计是“系统综合”             
　
在“系统工程”的概念中，设计属于“系统综合”，即设计者要用他能调用的一切手段，

“综合”出一个完成指定任务的“新系统”出来。在国外航空文献中，“飞机设计”有时

就直接称之为“飞机综合”（Aircraft Synthesis）。与之相对的“系统分析”，如在航

空工程中人们常说的性能分析、强度分析、成本分析等，都是指从一个指定的系统中“分

解”“离析”出一个局部特点来。分析是以系统存在为前提的，分析过程不产生新的系统

。
     设计的过程，决定了它与分析性学科有下列不同点。
●     ●第一是设计有“非唯一性”。为达到同一个设计目标，可以有多种不同的

设计。因此，工程界（比如飞机、汽车、船舶）才会有很多不同品牌和型号，而并不是每

种用途注定只有一种产品。正因为如此，设计有优化设计的问题。
●     ●第二，设计有设计者（或设计方）的“主体性”问题。即设计方在设计该

项产品时会有意在某些方面作出有特点的决策，形成设计者的“设计思想”，而另一些设

计者针对类似产品则可能抱有不同开发方针。我国工程界一位大师级的人物曾说过：“很

多人以为设计飞机是计算出来的。其实不是”。就是指出飞机设计并不是解一个方程式。

设计者应当在设计之初就为设计明确“设计思想”。然后在设计过程中将“设计思想”贯

穿在设计的每一步骤中，形成该产品的突出特色。回顾我所参与设计的每一种军用及民用

型号，都是在设计之初就确立“设计思想”的。
●     ●第三，是设计过程的“不可逆”性。这是指当给定一个系统之后，一般可

以用计算、或试验来“分析”出这个系统的某种特性。例如通过试车可以测得发动机的功

率，耗油等等。但指定一个设计目标，却没有一种计算或试验能逆向得出应是一个什么样

的系统，而是要通过人的认识去干预整个设计过程。
●第四，设计有“多次逼近”的特点，因为设计的思维过程有“首尾相接”的难点。比如

设计飞机的机翼，机翼是用来产生升力，抵抗重力的。机翼应该产生多大的升力，取决于

机翼需要提升多大的重量。但机翼本身的重量就是全机重量中可观的组成部分。机翼还没

有设计，怎么知道它有多少重量？机翼的重量，要到机翼设计出来之后才能知道。这样问

题“首尾相接”又回到了原处。实际的设计过程，是凭工程经验将这个首尾连接的“环”

从中间人为地切开——根据过去的工程实践的经验初定的一个重量，然后按程序将设计进

行下去，到最后得到实际的重量后，再与先前假定的重量比较，作出修正。有的人认为设

计应该说一不二，设计中人的思维与实践的互相调整校准便觉得设计大失水准，是因为不

理解设计本身有“多次逼近”的性质。

                                设计的基本思路

　　“系统综合”的难点，使工程设计不能像分析性学科那样用能行性过程（即只要确定

了起点，经过固定的途径便可以得到确定的结果的过程）得到唯一的答案。在实际设计工

作中常用的思路有以下一些。
    ●1、综合法。
　　综合法是采用“系统综合”的技术，根据对产品的需要，独立地自行完成新产品的型

式选择与参数选择。例如我国首次设计万吨水压机时，曾经收集世界上已有的 40种水压机

进行分析研究。新水压机的每个组成部分，都是从可用的技术中分别根据需要选择得来，

最后“综合”成为一台新的水压机。日本的田熊常吉在设计锅炉时，曾调查研究过所有的

进口锅炉，把它们的优点集中在他的新设计上，终于把外国锅炉从日本市场上排挤出去，

为日本带来了几百亿日元的利益。
综合法并不是不参考已有产品。而是极力去了解现有工程产品的情况，研究它们的优缺点

，掌握它们采取技术措施的得失，而设计的主要思路仍用综合性思维去完成。我国在 50

年代设计“初教6”初级教练机的时候，世界已有很多种初级教练机的品种。但我国并没有

采用仿造任一种的思路，而采取了自行综合出新产品的思路。
而“仿制”论者所主张的，则是“踏着别人的脚印走”作为设计的主要准则，从而抹煞设

计者的主动性。
　　●2、试探与修正（Trial and Error）
这是设计中典型采取的方法。即首先人为地决定一个方案，用分析方法获得其性能后，观

察与设计要求的差距，根据分析得到的反馈来修改设计，再作分析，逐次渐近，直至满足

要求为止。
　　分析可以采取计算的办法，也可以采取试验的办法。在飞机设计中，通过风洞试验来

修正外形设计、通过强度试验来修正结构设计、通过各种系统模拟试验来修正系统设计，

就是这种方法的实际例子。计算机对总体参数的优化，是在计算机中模似这个试探与修正

的多轮逼近过程，从而取得最优参数组。
　　●3、快速原型法
　　当新产品的要求距离现有基础的间隔距离相当大时，有一种有效的设计方法称为“快

速原型法”，指用最简易直接的办法先达到最主要的目标，然后再在“简易原型”的基础

上添加辅助性性能。跨越的间隔可能是物质性的，也可能是认识性的。最初的“快速原型

”可以是废弃型的，也可以是基础型的。
　　这种思路的根本点，是对目标分清主次。首先达到最首要的、或最困难的目标，然后

再逐步实现其它目标，而不企图对整个产品一蹈而蹴。这也是多轮逼近法的一种应用。
　　比如要在深涧上造一座桥，跨越深涧运送物资成为大问题。一种有效的办法是射一枝

箭到对岸，带过去一根细线（或用风筝，或用弹弓射一枚石子、或放飞一只鸽子带一根细

线）。细线显然不具备桥的全部特征，但最主要的是它跨越了深涧。然后用这根线拽过一

根细绳，用细绳拽过一根粗绳、然后拽过钢绳、钢缆、铁链、直至整座桥梁。40 年代美

国在新墨西哥州的沙漠中爆炸的“原子装置”，根本不能由飞机携带和投放，但是却实现

了最主要的“原子爆炸”目标，成为原子弹发展中一个重要阶段。
　 在飞机设计中，用木制或玻璃钢或钢制成的模型在风洞中试验就是这种方法的应用。
模型是飞机最主要的飞行性能得以体现的“快速原型”。这个原型在设计中以后再没有用

处，属于“废弃型原型”。有时设计中最初制出一种“工程样机”，它只具备最终产品的

某些主要性能，以后的真正产品是在“工程样机”上作修改后附加上去。这里使用的则是

“基础型原型”。
比如我国建立大型客机的产业，人们就可以提出不同的设想。一种思路是不做则已，一做

就应该是一个旷日持久的计划，要求产品的各个方面都达到世界一流。如果有任何方面使

人稍不满意，就应该彻底推倒重来。或者说，如果没有处处一流的把握，整个产业就不应

该启动。要注意这种“不能拿奥运会金牌就干脆不要运动”的主张，有时只是用“追求完

美”来阻止前进的借口。另一种思路则是尽快首先达到基本目标，然后逐渐从各个方面加

以完善。比如美国的大型客机发展的历史，是首先推出KC-135，这是一种机身上连舷窗都

没有的空中加油机，但是达到了远航重载能力，然后在它的基础上发展出“波音707”，成

为世界上最早的成功的大型喷气客机。
工程设计中的“快速原型法”原理，近年来在软件开发中也得到成功的运用。复杂的软件

设计中，企图一次达到完美是很困难的。“快速原型法”提出首先达到主要目标，然后在

此基础上改进完善。
我在70年代在国内首次开发“飞机总体参数优化”程序时，第一次编写的只有不到 50 条

语句，运行时间不到三秒就得到收敛的试验性程序。但这个程序却达到了国内其他程序都

不具备的一种能力，即程序使设计参数能在几千次自动寻优后求得最优设计参数组合的功

能，实现了零的突破。以后在这个程序的基础上发展，长大了几百倍，成为在各个细部都

更加详尽和功能更强的优化程序，发展的过程始终保持着总体功能，因此进展得非常顺利

。当时与这个项目同时进行的，有另一项软件工程，采用的是一种“由细到总”的“推砌

法”，即首先要求各个局部优质，然后拚合成一个大系统。但是这个项目工作了十年，不

断在完善其细部，却始终没有建立起总体循环能力。

以上谈到的几种方法并不是互相排斥的，而可以结合进行。比如综合法也可以多轮逼近，

并且也都可以采用“快速原型”的概念。

工程设计中还有许多重要的环节，传统的工程教育中常常不作讨论。但近代发展起来的影

响设计大局的方法性知识是非常有用的。