内容提要：在智能制造、工业互联网等技术支持下，工业4.0给制造业带来了诸多变化，本文通过对数字技术背景下工业设计赋能制造业的方法进行分析梳理，从产品生命周期思维出发，总结出工业设计赋能制造业高质量发展的方法。基于此，提出了从传统设计向集成设计转型升级的设计方法论解决方案，并对工业设计赋能制造业未来体系提出思考与展望。
在智能制造、工业互联网等技术支持下，工业4.0给制造业带来了诸多变化，本文通过对数字技术背景下工业设计赋能制造业的方法进行分析梳理，从产品生命周期思维出发，总结出工业设计赋能制造业高质量发展的方法。基于此，提出了从传统设计向集成设计转型升级的设计方法论解决方案，并对工业设计赋能制造业未来体系提出思考与展望。
关键词：智能制造；工业4.0；工业设计；生命周期思维；设计方法论
DOI:10.13318/j.cnki.msyj.2022.05.013
在智能制造、工业互联网和物联网（IoT）等技术的支持下，工业4.0将带来开发周期缩短、个性化需求有效满足、生产更加灵活、产品和技术的生命周期更短、去中心化和提高资源效率等诸多变化。[1]
为适应上述变化，各国积极推进制造业转型发展。如，美国为确保其先进制造业全球领先地位，构建“制造业创新网络”。[2]日本在2022年提出“制造业基础技术振兴政策”，[3]继续推进“制造业立国”，[4]重视制造人才尤其是高学历人才的培养，如“Techcli”计划。英国提出到2035年建成全球创新中 心，建设“全球顶尖的创新生态系统”。[5]中国整合企业、科研院所、高校等资源优势，创建制造业创新中心，[6]多措并举推动轻工业稳健发展，加快关键技术突破，升级创新产品制造工程、培育*********工业设计中心，发展服务制造新模式，[7]推动生产型制造业向服务型制造业转型。
一 、制造商成正为服提务供提商供
制造商正在成为“服务提供商”，服务内容越来越注重体验，[8]工业设计的思维与方法也随之发生转变。
1.企业顶层设计与系统化设计
顶层设计是一种从宏观角度对产品设计思想、设计目标、设计环境、设计流程、设计内容、设计方法及产品设计质量的检验进行全面和系统的规划，即7D 规划。系统化设计包括了产品设计调研、规划、实施和检验等各个阶段的全部设计内容。[9]产品设计方法应实现顶层设计和系统化设计的双重融合，如表1所示。
2.工业设计赋能制造业创新发展的范式
工业设计赋能制造业创新发展范式有以下四种：
（1）自主创新思想指导下的设计研发范式
在习近平总书记加强制造业自主创新思想的引领下，工业设计研发显现自主设计创新范式。国内制造业寻求高质量发展必须从OEM/ODM向自有品牌研发转型，在转型初期，应利用工业设计红利弥补核心技术短板，待资金周转后马上转入技术创新，此阶段工业设计是转型成功与否的决定因素之一。如，宝时得科技（中国）有限公司从1994年的贸易公司发展到1997年的OEM/ODM公司，并在2004年转型成拥有WORX、Kress、Rockwell、Noesis等多个自有品牌的原创型企业。
表 1 产品设计方法
（作者根据闻邦椿的在《产品设计方法学-兼论产品的顶层设计与系统化设计》P19中的内容进行演变与扩展）[10]
（2）设计置顶策略下的品类战略范式
推崇设计置顶策略的公司往往在基础研发方面就不惜成本，并认为“没有创新就是过错”，营造鼓励“试错”的良好氛围。首先，利用工业设计让产品成为品类代言人，并讲好品牌故事。如，购买安全座椅的消费者可能难以有机会验证其安全性能，消费者购买的动机取决于产品外观和品牌讲故事的能力。其次，基于企业现有技术进行延伸设计和跨界设计。好孩子自动跟随式儿童车和折叠儿童车技术巧妙应用在在高尔夫球车设计上，为企业带来盈利附加值。第三，通过与跨界设计师或与一线品牌合作，产生IP设计附加值。Cybex与时尚设计师Jeremy Scott以及与法拉利合作的产品均获得了巨大成功。
（3）智能化设计补足范式
国外企业的许多高端产品建立了其自身核心技术壁垒，中国企业若要弥补核心竞争力的缺失，可从以下两方面着手。一是对核心技术相对落后的产品进行智能化改造。如，国产汽车通过对本地化显示、智能控制、语音服务等一系列智能化改造，弥补核心技术不占优势的短板，使消费者乐意购买。二是通过建立企业智能科创中心，利用智能设计对现有产品进行智能化赋能升级。如，好孩子利用智能设计升级了“Sensorsafe”安全座椅、智能保姆平台、智能跟随 婴儿车、智能抱枕床垫等产品。
（4）场景创新思维设计范式
制造业应学会使用场景创新思维，注重生活方式创新。如，水槽洗碗机是针对中国家庭“油污重、碗难洗”厨房难题的独有设计，因中国家庭厨房面积普遍不大，针对该使用场景，水槽+洗碗机的理念大获成功。米高（Micro）设计的遛娃童推车在中国的销量并不好，很多企业在其基础上通过不断叠加功能（增加扶手、轮子、靠背、遮阳罩等）来适应中国使用场景，反而获得了成功。可以说，好的产品能够定义一个品类，一个品类可以成就一个品牌。
3.工业设计赋能制造业高质量发展的范式
工业设计赋能制造业高质量发展的范式种： 工业设计赋能制造业高质量发展的范式有以下三种：
（1）并行工程+ 集成产品开发的设计研发模式集成产品开发（IPD）能有效降低开发成本和缩短开发周期。并行工程开发可以减少错误，降低试错成本，带来整体效益。并行工程设计是工业设计师与工程师协同和博弈并存推进的过程，在两者意见冲突时，企业高管应更偏向工业设计师的建议。IPD与并行工程的协同开发中，工业设计的介入使产品品质在概念阶段即开始奉行“品质策略”。工业设计能准确定位产品并针对造型、人机、CMF、概念布局四方面进行优化布局，将IPD与并行工程的效用发挥到******。
（2）技术+ 设计的高壁垒构筑范式
打造高端设计壁垒是企业具备更高竞争力的重要手段之一。其中，尤为重要的是人才金字塔的构建， 塔尖的一个或者少数几个工业设计师是很难被低层的成千上万个设计师所代替的。制造业要从以前单一的高筑“技术壁垒”转向建造“技术+设计壁垒”。目前大多数技术都在朝着扁平化、民用化的方向去发展， 例如电脑、手机、汽车都在降低制造商的“准入门槛”，在这种情况下，让制造业建造更高壁垒的方式便是构筑“技术+设计壁垒”的结合范式。
（3）设计团队的综合能力提升范式
制造业设计团队应学习其他制造业领域的成功模式。如，厨电企业可学习汽车、手机、奢侈品等领域模式。设计团队产品项目可运用“招标”的竞争机制，采取*********工业设计中心的评审规则，对中选方案予以额外奖励，设计团队也应由总裁或者副总裁直接管理。企业要平衡自主设计与外包设计，实力不够的企业初创设计团队可采用设计外包模式；实力较强的设计团队则采用核心产品由自己团队开发，其他产品外包开发的模式。要赋予设计部门较高话语权，设计部门应主导各个部门，既可在产品概念阶段协同其他部门一起设计，也可组建并行工程团队，与工程师等不同部门人员自始至终并行设计。在产品的评估和考核方面，也应由设计部门进行把控和负责，而考核标准应形成一套完整的工具包，如，评估零部件的缝隙、精细化程度等。
二 、数字技术下工业设计赋能制造业方法
数字经济的发展给予工业设计赋能制造业带来更多的数字技术支持，也对数字技术与制造业的深度融合及发展提出了更高的要求，在工业设计赋能制造业方法上，呈现以下逻辑和原则：
1.基于LCT、CBD和DTV的企业多维设计战略
在企业宏观的设计思维层面，生命周期思维（LCT）超越传统制造思维，将产品在其整个生命周期中的环境、社会和经济影响包括在内，基于LCT构建设计顶层思维，能够对制造业高质量发展起到引领作用。如图1所示，该思维从企业设计层面和产品设计层面出发，构建起全生命周期思维模型基础，使企业形成全生命价值观，并成为企业自身运转体系、执行制度、人才培养和产品开发的根本动力。在企业中观的设计服务导向及协同管理层面，基于云设计系统（CBD）并链接设计经营（DO）可实现企业系统的服务聚焦。CBD是利用云计算的网络化设计模型、面向服务的体系结构等技术支持的分布式协同环境下基于云的工程设计服务，[11]该系统可链接云设计制造系统（CBDM）提供制造服务。DO将设计作为提升企业价值的重要经营资源，通过设计实现品牌和创新的提升，进而提升企业竞争力。“设计经营”的关键一是设计负责人（CCO、CDO等）参与经营团队当中，二是设计师从企业战略、产品、服务开发的最上游参与设计，[12]产品全生命周期的服务质量由此得以保证。在具体做法上，首先，设计师可以通过在云设计系统上建立的虚拟社区（如100kgarages.com）与消费者进 行沟通，实现高效设计调研和反馈，挖掘客户潜在需求，使设计持续聚焦市场；其次，设计师可通过CBD环境中的社交媒体获取客户及市场需求反馈给设计负责人，并将需求融入企业战略、产品和服务开发的顶层设计中；第三，不同地区的设计师可以通过CBD上的多线程CAD/CAE/CAM云软件进行设计，[13]最终链接入CBDM，完成服务聚焦闭环。在企业微观的设计方法和产品定位方面，价值设计（DTV）作为跨职能的开发设计方法，通过将顶层战略转化为具体的产品和服务的设计，思考如何更好地服务现有客户和新客户，并且能够帮助企业优化成本，提高企业长期盈利能力。高质量发展应将“价格导向”转向“价值导向”，价值设计使企业将其创新聚焦在提高客户愿意支付的功能开发上。如，瑞士Frank品牌和Juri品牌的咖啡机拥有独特的萃取技术和较高的产品可靠性，但因其智能化程度较低、外观科技感不足导致销量不佳，这促使国内很多咖啡机企业通过技术和外观的升级赋予了产品高价值感，从而实现了高质量发展的转型。在价值设计驱动产品定位方面，可从以下方面入手：
（1）调研客户真正的需求和偏好，了解他们真正会购买的产品；
（2）关注产品的独特价值和差异性价值，以便在庞大的市场建立属于自己的细分品类；
（3）通过一两款采用************或前沿技术设计的代表性产品锚定高端品牌形象，使用户获得价值感；
（4）服务于主产品设计之外的氛围设计。如，产品的包装、特定环境氛围的营造等；
（5）关注目标用户之外的边缘用户，发掘新的价值点。[14]
图 2 以文化服务为导向的数实融合产品设计（郝凝辉绘制）
图制）3 产品数字孪生的客户参与性设计与 PDM 之间的关系（郝凝辉绘）
2.以文化服务为导向的数字融合产品设计
与数字相融合的产品可分为纯数字虚拟产品和数字技术与物理部件相结合的产品两类。[15]而产品服务系统（PSS）的引入可使产品与服务之间的联系更加紧密，提供面向消费者需求的更好服务与体验。同时，PSS的关键思想是企业提供给消费者的是产品的功能或结果，用户可以不拥有或购买物质形态的产品。[16]而当用户需要物质形态的产品时，3D打印可助力实现，且符合目前用户小批量、个性化定制的需求。3D打印支持复杂几何形状构建，不需要模具或传统布局的生产线，且附加分层方法支持多个组件合并为整体单个部件，消除了后续组装操作的步骤，产品的设计概念能够直接通过数字制造转化为产品。热塑性塑料、石墨烯基材料、陶瓷、金属甚至智能材料均可作为打印介质。[17]在面向服务的层面，PSS可整合制造业产业链上的相关主体，从全生命周期维度为客户提供产品与服务集成的整体解决方案，[18]如图2所示。从产品设计环节开始，制造商就要面向客户提供服务， 包括文化服务。作为产品的“灵魂”与“软件”，当下被信息茧房裹挟的客户更习惯购买具有文化认同感的产品，适应时代发展的企业及产品文化可助力企业进行产品迭代开发，实现产品系列化，并获得更长的生命周期。同时，PSS面向产品服务的机制使客户对于产品文化的反馈能够及时传递回企业， 促进问题的及时修正。而使客户主动参与的参与式设计平台，可使其获得“设计-消费-评价”的全流程体验。上述流程构成了积极正向的服务闭环，同时也能够保持用户粘性，提升设计和沟通效率，催化根植于服务客户的新的企业及产品文化的诞生。
图 4 智能教育工厂学术与实践的链接（郝凝辉绘制）
图5 设计与制造集成平台（作者根据Cloud-Based Design and Manufacturing [CBDM]A Service-Oriented Product DevelopmentParadigm for the 21st Century[39] 演变绘制）
3.操作员4.0与虚拟工厂构筑用户参与式设计
操作员4.0是未来智能工厂构建的关键因素之一，通过设备和自动化系统的协力，允许其在不影响生产目标的情况下充分发挥创造性技能。[19]目前，操作员4.0有搭载外骨骼的超强力操作员，[20]搭载智能个人助理（IPA）的智能操作员，[21]及搭载可穿戴追踪器的健康操作员等。设计操作员4.0也应是基于智能设计协助软件、设计操作平台和即时交流平台的操作员，相关软件及平台应以设计操作员为中心与相关利益方进行链接， 一是和用户建立链接：与用户一起参与设计、共同设计，并进行知识分享；二是和企业内部层级进行链接：链接管理部门、制造部门及市场部门，实现信息共享；三是和企业外部层级进行连接：链接当前市场趋势分析数据、竞争对手分析数据及新的相关技术支持文件。并且，上述协同平台应以一种新型社会游戏化协作方式来展现，引入游戏化社交协作，通过触发动机和提供积极反馈来提升操作员与相关利益者的专注度与参与度。[22]在支持设计操作员4.0的设计方法与工具中，参与式设计 （PD）能使设计师、用户以及相关利益者共同参与到设计中来， 并进行知识共享。[23]信息物理生产系统（CPPS）也可作为支撑技术，将虚拟模型与制造环境中的传感器和执行器相结合，助力设计方案快速可行。[24]同时，VR、AR 设备是支持参与式设计的有效工具，[25]可使设计师和用户在物理3D空间中移动、从不同的角度查看正在设计的零件，并进行合理修改，实时观测设计效果。在参与式设计及相关设备的助力下，设计师与用户之间的关系被重新定义。客户能够参与到产品的决策和设计过程中来，而不是被动消费，这种新生的文化被称为“参与性文化”。而虚拟工厂作为很有前景的参与式设计平台和培训平台，可以与操作员4.0一起服务客户，开展参与式设计实践。[26]数字孪生是在产品全生命周BAaSseerdviDcee-sOigrnienatneddMParonduufaccttDuerivneglo[CpBmDeMnt] P制a）radigm for the 21st Century[39] 演变绘期管理（PLM）概念基础上提出的“与物理产品等价的虚拟数字化表达”，[27]而产品数字孪生体是产品物理实体的完整和精确的数字化描述，[28]因此虚拟工厂中的产品是以产品数字孪生的形式存在。客户在虚拟工厂面向顾客特殊设计的智能界面下，能够以一种简单交互的操作逻辑参与到产品数字孪生体虚拟产品设计阶段中。在此阶段产生的数据可通过数字线（DT） [29]嫁接企业的产品数据管理系统（PDM），从而更好地管理参与性设计数据，如图3所示。同时，企业可通过建立客户体验中心、在线设计中心等机构， 分析客户需求，增强用户参与设计的能力，提供必要的支持，使他们能够尽可能有效地进行共同创造。[30]
4.构建学术与实践相结合的智能教育工厂
构建智能教学工厂将有助于工业设计项目实践、促进工业制造与学术的双向知识交互。基于智能设计及智能特征的要素，[31]进行智能教学工厂实践与学术体系的进一步搭建。如图4所示，智能教学工厂分为工厂和教室两部分，具备学术与实践双向知识渠道的双向流动。[32]智能工厂部门包括资源要素，如设计资源、设计工具、设计模型等；系统集成，通过设计连接智能制造中的制造要素，如数字化车间、智能制造系统等； 新兴业态，面向于物理形态产品及数字形态产品及产品等实现虚实迭代优化。而智能教育部分，通过对实践的分析从而对产品设计与仿真、工艺设计与仿真、实验设计与仿真进行学术研究。互联互通是通过无线网络、通信接口等实现工厂实践与教学学术中的联接；融合共享是在互联互通的基础上，运用云计算、大数据等新一代系统信息技术将工厂和教育协同起来，构建智能化的双向知识转移渠道。[33]
5.国家政策和企业策略的双重创新鼓励
在国家层面，美国国家艺术基金（NEA）给予工业设计州补偿支持。[34]NEA给予工业设计和产品设计等设计项目提供艺术捐赠资助，每个项目的申请人可申请一万至十万美元的补助金。其要求申请项目具有社会公共利益，并能够支持设计领域的发展，如推进和支持设计理论的创新技术项目，新兴设计领域项目，及提高设计意识的项目等。[35]在企业层面，硅谷的企业通过专用实验室推动设计创新有两种途径：一是建立自己的实验室，如，谷歌“X”创新实验室、亚马逊126创新实验室、大众汽车创新实验室、惠普创新实验室等。谷歌“X”实验室的设计哲学是从产品存在的根本去重新想象其他可能性，这对于产品的突破式创新具有重要意义，其设计出的“Waymo”自动驾驶汽车、“Liftware”防抖电 动勺等产品是最好的证明；二是通过硅谷创新中心提供设计咨询服务帮助企业进行产品创新。该服务主要面向中小企业或初创企业，提供“设计思维”和“设计冲刺”服务项目，前者通过一系列设计思维帮助企业产生创新产品解决方案，后者是一个为期五天围绕新产品的设计评估和测试项目，它将通常几个月的产品优化周期缩短为几周，能够帮助企业快速产生产品创新思路，并对其发展潜力进行评估。[36]
图6至图9是一些工具包的展示
图6 工业设计色彩评价体系（郝凝辉绘制）
图7 工业设计工艺评价系统（郝凝辉绘制）
图8 产品设计的艺术性评估系统（郝凝辉绘制）
图9 产品设计的思想性评估系统（郝凝辉绘制）
三、传统设计方式集到集成解决方案
1.企业工业设计思维集成化
让工业设计在企业成为一种思想集成，首先需要企业管理顶层的引领，这也是最有效的让工业设计思想普及的方式。其次，建立企业自己的知识管理系统（KMS），各部门人员能够在该系统上学习到工业设计相关知识。企业管理层周期性地针对系统知识短板进行补充，并且让资深员工成为“资产守护专家”负责定期丰富KMS的内容，使开放的知识交流氛围在企业内形成。再次，在企业内开办设计专家讲堂、鼓励设计师在其他部门或跨学科团队中展示设计理念、头脑风暴+workshop的焦点小组等方法，也可起到推动作用。
2.构建设计和制造集成平台
云设计和集成平台能够使各部门甚至各企业协同工作，实现产品各开发流程的同步开发，也能让企业以更有效的方式参与并考虑产品从概念到市场的所有关键因素， 实现集成、协作和灵活性。并且多学科团队成员之间的并发协作，可通过不同地区的设计师、工程师共同完成。设计和制造集成平台（如5图所示[37]）的构建应从产品全生命周期出发，以云制造服务平台为中介，整合起各企业优势平台， 实现各企业资源和能力的高效配置，使设计能够无缝衔接制造乃至产品全生命周期流程，实现最效率的全产业链整合。[38]
3.运用工具包实现资源整合
设计工具包的应用可帮助企业提升产品开发效率，实现企业资源整合和部门间的协同。一般来说， 工具包可分为帮助领导者决策设计提案的领导者工具包、帮助设计师通过未来场景助力开发的趋势判断工具包、帮助工程师选择合适材质与工艺的创意工程工具包，以及帮助质检人员动态评估设计美学的可视化工具包等。
总结
制造业为何要通过工业设计赋能高质量发展?因为面对高端制造业“回流”和低端制造业“转移” 的“双重挤压”，制造业必须具备预见能力和危机意识，采取适当的发展策略。未来，颠覆制造业的力量可能不是来自行业内的竞争，更多的是来自其他跨界赛道的降维打击。工业设计可以助力“中国大供应链体系”的建立赋能制造业转型、升维以及高质量发展，该供应链体系中包括工业设计、制造、研发、检测等各个方面，并涵盖了大数据、云计算、人工智能、区块链所构成的生态圈，该体系的建立能够将企业从经营自己品牌的ODM 模式转型成为全世界品牌提供服务的OPM模式。届时，中国的制造业将成为全球产品设计研发的“大脑”，使全球企业对中国制造业的OPM业务产生依赖，形成一条稳定的供应链，行之有效地解决目前中国制造业面临的现实问题。
[1]Leila Christine Nadir. What is Eco-Art? [ J]. Proceedings of the Media Ecology Association , Volume 11, Wellesley College, 2010 ,101: pp.10-12.
[2]美国国家标准与技术研究院，美国制造业创新亮点报告[R/OL]，（2021- 11- 05）[2022- 08 -31]，https://www.manufacturingusa.com/reports/ manufacturing-usa-highlights- report-released。
[3]日本政府，制造业白皮书[R/OL]，（2022-05-31）[2022-08-31]，https://www.meti.go.jp/report/whitepaper/mono/2022/pdf/gaiyo.pdf。
[4]日本政府，20 20ものづくり基盤技術の振興施策[ R/OL]，（2 020 - 05-29）[2022- 08-31]，https://www. meti. go. jp/report/wh itepaper/mono/2021/pdf/all.pdf。
[5]HM Government. Industrial Strategy：Building a Britainfitfor the future [R/OL].（2018 - 06 - 28）[2022 - 08 - 30 ]. https://www. gov.uk/government/publications/ industrial- strategy-building- a- britain-fit-for-the-future.
[6]中国工业和信息化部，制造业创新中心建设工程实施指南[R/OL]，（2016-08-20）[2022-08-31]，https://www.miit.gov.cn/n973401/n1234620/ n1234623/c5542102/part/5542106.pdf。
[7]中国工业和信息化部、人力资源社会保障部、生态环境部、商务部、市场监管总局，关于推动轻工业高质量发展的指导意见[R/OL]，（2022-06-28）[2022-08-31]，http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-06/19/
content_5696665.htm。
[8]Hayley Jean. Connecting Art and Science: An Artist’s Perspective on Environmental Sustainability[ J]. Environmental Studies Electronic Thesis Collection, 2019:pp.12-13.
[9]闻邦椿：《产品设计方法学——兼论产品的顶层设计与系统化设计》，机械工业出版社，2011年。
[10]同上。
[11]Wu D, Rosen D W, Schaefer D . Cloud - baseddesignandmanufacturing:status and promise[M]Cloud-based design and manufacturing (CBDM). Springer, Cham, 2014.
[12]日本経済産業省、産業競争力とデザインを考える研究会.「.デザイン経営」宣言[ R/OL]，（2018-05-23）[2022-08-31].https:/ www.meti. go.jp/report/whitepaper/data/pdf/20180523001_01.pdf。
[13]WuD, Rosen D W, Schaefer D.Cloud-baseddesignandmanufacturing:status and promise[M]Cloud-based design and manufacturing (CBDM). Springer, Cham, 2014.
[14]John Spacey. 9 Examples of Design To Value [EB/OL]. https:/ simplicable.com/new/design-to-
value[2022年8月30日登陆]。[15]Boudreau, K. J. Let a Thousand Flowers Bloom? An Early Look at Large Numbers of Software App Developers and Patterns of Innovation[J]. Organization Science ,
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