工程设计领域中的人与计算机，本文主要内容关键词为：人与论文,工程设计论文,领域论文,计算机论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
追溯设计技术的发展，我们一般将它分为传统设计技术和现代设计技术两个阶段，传统设计技术主要以人工设计形式为代表，当计算机用于设计领域之后，则是以传统CAD技术为代表。传统CAD技术在数值计算和图形绘制上扩展了人的能力，可以比较圆满地完成计算型工作，但对推理型工作往往难以胜任。随着人工神经网络、专家系统等人工智能技术的发展，设计专家和计算机专家们将知识处理系统结合到具有传统计算能力的CAD系统中，形成了智能CAD（ICAD）系统。ICAD系统由于把人工神经网络、专家系统等人工智能技术结合进来，使其具有一定的分析推理、运筹决策、综合评价的能力，从而在一定程度上取代了人在设计过程中的思维工作。虽然ICAD可以提供对整个设计过程的计算机支持，但完成计算型和推理型工作的功能模块是彼此相间、松散耦合的，它们之间的连接仍然要由人类专家完成。80年代以来，随着计算机集成制造系统（CIMS）的发展，强调集成化智能型CAD（I[,2]CAD ）的研究已取得很大进展。I[,2]CAD可对设计全过程提供一体化的计算机支持，以期实现从需求分析、概念设计到详细设计等整个设计过程的自动化。我们可以看到，计算机正在一步一步地“蚕食”设计专家的思考领域，首先是数据处理，其次是逻辑推理，再次是经验和知识的运用，设计过程中原本由人来完成的任务，正在一点一点地交给计算机来完成，而且在某种程度上比人完成得更快更好，那么计算机能够最终代替人进行设计吗？如果不能那么人的地位和作用如何？如何既充分发挥计算机的潜力又充分发挥人的主观能动性？这已成为设计领域中无法回避又迫切要解决的问题。
2 设计的本质及人与计算机的特性差异分析
为了更好地回答上面所提到的问题，有必要首先认清设计的本质以及人与计算机二者之间的特性差异。
（1）设计的本质 设计是人类生产活动的一个重要环节， 是对设计目标进行构思、计划并把设计目标变为现实的技术实践活动。设计的目的是建立新的具有特定功能的技术系统。各种人类创造的事物，例如：房屋、道路、桥梁、车辆、艺术品或者一份工作计划等都是设计的结果。这里的“新”是相对已有的现实存在而言。因此，设计活动的基本特征之一就是“革新和创造”。没有任何创新，不能称为设计〔1〕。
设计是一种认知活动，从思维科学的角度来看，设计对象本身就是设计者的认知对象。马克思主义哲学明确指出：“物质不是精神的产物，而精神确是物质的最高产物。”即存在第一性，思维第二性，二者有同一性。自人类诞生以来，人们在长期的生产实践中不断积累利用自然物的经验，从而创造出种种劳动工具和劳动方法，为后人留下珍贵的知识遗产。正是这种不断积累的知识遗产使得后人能够创造出越来越复杂、越来越先进的技术系统。
（2）人与计算机的特性差异及计算机的局限性
从表1〔2〕中，我们可以清楚地看到：计算机在计算能力、反应时间、多通道方面已大大超过了人，但人在经验归纳能力、学习能力、创造性、抗干扰性、适应性等到诸多方面有着计算机所不可比拟的优点和难以取代的作用。
表1 人与计算机的特性差异
能力种类 人的特性 计算机的特性
经验性 自动归纳经验能力强 自动归纳经验能力差
记忆联想记忆
死记硬背
创造性 高 低
高噪声特性 能从中检索出所需信号
较难正确接受信息
适应性 强 弱
学习能力强 弱
通道单通道 多通道
反应时间慢 快
计算能力慢且易错
快且准
计算机要在上述这些方面赶上甚至超过人，首先必须要求人类对自身的认识进一步深化，了解人脑的机理，才有可能让计算机来模拟人脑，即计算机首先要由人教会它。然而，科学技术的进步，将导致人的进化，而人对自身的认识永远落后于人的进化，这就象人不会自己举起自己一样，人不可能超前于自己而认识人本身。这就决定了计算机只能向人的过去学习，与之比较，而无法与人的现在甚至将来比较，进而超过人类，这是其一。
其二，人类对任何实际世界观察而导致的建模和人们发现的客观规律，都是对实际世界的一种近似描述，随着人们的认识不断进步，认识不断接近真理，但永远不会达到极致的。因此，目前的认识对科学而言是有条件的普遍原理，对于技术的认识则是个别特性的近似。计算机学会的原理、模型、规律是人类认识以后教给它的，人类认识的不断进步，必然面对许多新问题，而这些计算机是无法解决的。
第三，设计过程是一个极其复杂的过程，它常受到外部环境、设计者的个人偏好以及设计对象、设计目标等诸多因素的影响。如从企业生产的角度来说，利润最大化应当是设计者追求的目标，但是如果受到环境保护、知识产权等因素的制约，则必然会提高设计产品的成本，而对环境保护、知识产权保护的收益是不好预估的，因此这就需要设计者根据外部环境以及设计者个人对于这个问题的认识程度而定，而这些也是计算机很难，至少目前是无法完成的。
3 工程设计活动中人的因素第一
产品设计本身是创造性的劳动，设计的本质是创新。由以上人与计算机的对比分析可知，人在创新方面比计算机具有无比的优越性。因此人是设计过程中最活跃的因素，人的因素是第一位的，这可由以下几个方面认识这个问题：
（1）在应用计算机进行工程设计的活动中， 人与计算机构成了一个人机系统，在这个系统中人处于主导地位 马克思指出：“主体是人，客体是自然。”概括地说，主体是指有目的地、有意识地从事实践活动和认识活动的人。离开人，在人之外是无所谓主体的。人的本质决定了人是主体。
由于劳动与分工的发展，主体和客体也是发展着的。在今天基于计算机的设计活动朝着集成化、智能化、自动化方向的发展过程中，作为主体的人已得到了较充分的发展，作为人机系统中人的活动对象的客体，计算机也日益复杂化，计算机中出现了智能芯片、专家系统、人工神经网络等复杂技术。这些都大大有利于人的设计能力体现。然而，有一种观点认为计算机的智能行为将超过人脑，人工智能将成为人工主体，那么基于人工智能技术的计算机将完全实现设计过程自动化，从而取代人的设计工作。对于这些问题是需要加以认真分析的。
人工智能不能成为人工主体。计算机是人所创造的一种机器，那么设计自动化中的人工智能是机器的“智能”。关于机器，马克思有一段精辟的论述：“自然界没有制造出任何机器，没有制造出机车、铁路、电报、走锭精纺机等等。它们是人类劳动的产物，是变成了人类意志驾驭自然的器官或人类在自然界的器官的自然物质。它们是人类的手创造出来的人类头脑的器官；是物化的知识力量”。也就是说，机器是劳动的产物，人的智力的物化，机器只具有相对的独立性和自主性。目前的智能CAD（ICAD）系统、面向集成的智能（I[,2]CAD） 系统以及将来会出现的集智能化、集成化、自动化为一体的CAD系统， 虽然具有更大的独立性和自主性，但是，这种独立性和自主性仍然是相对的，不是绝对的和无限的。计算机所具有的智能与人的意识、思维有着本质的区别，主要表现在人工智能不具有与人脑思维同一的结构，不具有人的思维的社会实践性，不具有人的思维的自觉能动性，因此，人工智能不能构成主体。因此基于人工智能技术的计算机就不能够将完全取代人在设计活动中的地位和作用，独立实现设计全过程的自动化。当然我们在谈论人工智能不是主体的同时，也不应该给智能计算机设计系统的功能划上固定的范围和界限。
（2 ）人所具有的独特的思维活动决定了在工程设计领域中人的因素第一 在生产力诸要素中，人的因素是最活跃的因素，因为人独一无二地具有能动性、创造性。而设计行为是思维活动的反映，因而与人的思维密切相关。思维是客观现实的反映过程，是人脑对于客观现实的本质属性及内部规律性自觉地、间接地、概括地反映，在认识过程中实现着“从现象到本质”的转化。著名学者钱学森先生将人的思维划分为逻辑思维、形象思维和灵感思维三种形式，并且指出实际上人的每个思维活动过程都不会是单纯的一种思维形式在起作用。常规设计主要是通过逻辑思维实现的。创新设计通常是指采用发散而不是取合的思维过程的设计，就使得人的形象思维和灵感思维在创新设计中尤为关键和重要。
4 在工程设计活动中充分发挥人的主观能动性
强调工程设计活动中人的因素第一，就要充分发挥人的主观能动性，在设计过程的每个环节都要充分考虑人的因素。
（1）设计中充分考虑人的因素
产品的设计是高级自动化生产的第一个环节，设计一旦完成，就在一定程度上决定了后续制造过程中设备与人的任务分配及相互影响，决定了生产的组织，决定了产品的使用状况，从而决定了人的主观能动性的发挥。因此从产品的整个生命周期角度出发应当在设计的一开始就充分考虑人的因素。其中，建立一套不仅包含技术的因素，而且包含组织和人的因素的评价设计方案的综合质量标准是很关键的。从人的角度评价设计的质量标准可分为以下几点：第一，必须满足人的使用功能要求，这对产品的设计来说是最低要求标准；第二，设计中应考虑满足人的社会心理要求，其可能选用的标准是人性的标准、人的感觉能力和心理承受能力等等；第三，减少潜在的损伤和损害，即要尽可能地消除引起健康损害和功能失调的隐患，它可以用是否引起心理或生理紧张作为标准，也可以用是否损害工作环境和免除意外事故为评价标准。
（2 ）在设计活动中要充分发挥人主观能动性关键在于提高设计人员的素质 随着现代科学技术日新月异的发展，人类的活动空间由陆地发展到海洋，由地面发展到地壳深处，由地球发展到太空。人类为实现改造世界的自由而使用的工具，也由简单的增强人手功能或代替手工劳动的工具发展到如航天飞机、人造卫星、天文望远镜、航空母舰、磁浮列车、大型挖掘机等认识和改造世界的工具。人类使用的工具变得越来越复杂，技术水平越来越高。这使设计工作更加具有创造性，也必然对设计人员的素质提出更高的要求。人的素质决定了人的主观能动性和创造性的大小，其中尤其重要的是人的智力因素。智力开发不仅普及和丰富科学文化知识，而且培养和发挥人的创造思维能力。正如爱因斯坦所说：“由没有个人独创性和个人志愿的统一规格的人所组成的社会，将是一个没有发展可能的不幸的社会。”
5 工程设计中人与计算机的完美结合
强调工程设计中人的因素第一，充分发挥人的主观能动性，并不是要忽视计算机的作用以及计算机技术的发展对工程设计领域所带来的巨大变革。应当实现人与计算机的完美结合。
在技术发展到现阶段，技术系统的知识含量越来越高，要求设计者掌握的信息量也越来越多，甚至要求设计者具有跨专业、跨学科的知识结构。一个大学生毕业生只是具备了一点设计的基础知识，甚至一个有几十年工作经验的设计师在设计一个新装置、新结构时也会显得毫无经验。因此，单纯依靠设计者个人的知识和经验来进行设计已不能适应工程技术发展的需要了。这是因为已经存在的知识多如汪洋大海，而人的学习时间、记忆能力、工作精力均十分有限，这就严重地限制了对人类已有知识的利用，造成人类最大的浪费。而计算机的出现为人类解决这个问题提供了有利的工具，计算机可以代替人记忆数量繁多的现有研究成果和技术方案，可以按设计者的要求在众多的技术方案中挑选合适的方案，以供设计者选用或给设计者以宝贵的提示。计算机还可以代替人进行繁多的设计计算，进行方案的评价和优选，指挥绘图机画出所有的工作图纸。计算机还有一个绝妙的用途就是代替人进行某种程度的形象思维，将运动的画面逼真地显示在屏幕上，进行技术过程的模拟和仿真。因此，应该将人与计算机二者互相取长补短并完美的结合起来，把设计过程中的信息存储、检索、计算、逻辑推理交给计算机来完成，使设计者的注意力更多地集中于问题求解中最关键的创造性思维、灵敏思维，从而使设计者的决策水平上一个新的台阶。
人机结合的思想已得到各国学者的广泛重视，国际电力与电子工程师协会的《专家系统》杂志也在1995年6 月推出了以“合作系统”为题的专刊，其核心也是人机结合。智能设计就是要研究如何提高人机系统中计算机的智能水平，使计算机能在更大范围内，更高水平上帮助或代替人类设计专家执行各种复杂任务，做出各种设计决策，大幅度提高设计自动化的水平，成为设计工程师得力的助手和同事〔4〕。 我们有理由相信：当设计工程师更好地运用了本世纪创造的新的生产工具——计算机时，设计工程师们才能真正获得解放，在更高层次上进行创造性的设计工作，更好地思考、认识和掌握自然规律，创造人类更加灿烂辉煌的明天。