工程设计过程主要由设计综合、设计分析、设计评价这三个核心活动构成，其中设计综合是最能凸显工程设计创造性特质的核心活动。本文认为，溯因推理可以用来解释设计者设计综合的创造性思维过程。我们尝试在拓展的溯因推理基础上，为设计综合的创造性问题解决过程提供可能的常规架构，增进对工程设计创造性过程的理性理解。

一、工程设计中的综合

工程设计活动主要体现为设计分析、设计综合和设计评价这三个核心过程。设计分析帮助我们识别问题，形成问题结构化；设计综合帮助我们构思和选择设计概念；设计评价是对所获得的设计概念进行试验评价和方案优化的过程。下面，我们将通过综合与分析的对比凸显出综合作为工程设计所特有的性质。

从设计者的角度来看，分析与综合是工程师进行设计所必需的方法技巧，但二者的侧重有所不同。工程设计的核心目的是设计出能够满足需要的技术系统(含装置、工艺流程或产品)。在设计过程中，工程师需要在实践或任务导向的状况下展开设计活动，这意味着他们必须能够分析、处理相应的过程和人工物。但是，对于一个合格的设计者或工程师来说，仅仅拥有分析的研究能力并不够，他们还必须具备设计的综合能力。在设计一个新的技术人工物的时候，他们必须能以发明、创造性的方式来连结各种要素(构件或过程)，以使得其能满足实践上的目的—手段要求或功能要求。皮特·克劳斯(Peter Kroes)认为人工物设计首先是一项综合而非分析的活动。^[1]406科尔科(Jon Kolko)认为，在设计综合中，设计者总是尝试“组织、处理、删减和筛选所收集到的资料整合成一个具融贯结构的信息架构”。^[2]

从方法论的角度来看，设计中的综合是从合理的命题出发尝试寻找和发现可能的解决方案，是一个寻找与发现的过程。而分析指的是根据给定的解决方案推导出真的命题，侧重于给定解决方案分析其中的关系与性质。如，给定一个特定的结构，求解该结构是否能够承受一定的载荷，这属于设计的分析；而如何找到一个能满足一系列要求如承载一定载荷的结构，则属于设计的综合。设计综合的核心任务就是提出可能的设计概念来实现设计意图或所蕴含的设计目标，体现出工程设计中的创造性。^[3]

工程研究的文献表明，工程设计可以理解为解决问题的认知过程。20世纪以来，学者对人类认识过程和行动过程展开了许多重要的探索。研究取得的进展表明，科学的探索过程、技术的开发过程、社会的经济管理过程以及其他许多人类活动过程，存在着一个共有的模式。简单来说，可以归结为：问题是什么？有什么可供选择的方案？哪个方案是最好的？^[4]114-11720世纪60年代，贝尔电话公司工程师A.D.霍尔在《系统工程方法论》一书中，将“问题解决”的一般认识程序和决策逻辑运用到工程技术领域当中。^[5]7-15其中，他认为在获得确定问题的情境之后，随之而来的是需要讨论怎么做的问题。要确定目标和最优系统的选择，首先就需要系统综合，即根据目标和标准提出一组可供选择的方案，这一过程可以是对组成部分的设计重构，也可以是以新的方式做出创新性设计。无疑，综合的思维过程需要高度想象力和创造力，是一个从逻辑推演到心理创造的过程。

需要澄清的是，虽然我们强调综合是设计的独特特征，但这并不意味着要否定分析在设计中的作用。在获得整体设计前，运用分析的方法进行问题定义、功能细化和分解，对获得产品理念是十分重要的。工程师只有在充分了解设计对象各个部件功能的基础上，才能为最终设计提出各种可能的解决方案。当然，在具体的设计实践中，分析与综合在设计中的边界并不总是清晰的。往往在一个设计步骤中，两个方法都会交叉使用。但是，要凸显出工程设计的独特特征，显然必须要分析综合的方法与过程。无论是从设计者所需的技巧、方法论的角度，还是工程设计的问题解决过程来看，综合无疑是构思设计概念、创造性解决问题的核心过程与方法。设计综合能够在最大程度上凸显工程设计与科学研究不同的特质，揭示出满足设计目的和意图的工程设计的核心特征。

二、扩展的溯因推理

一般认为，溯因是一个提供解释、形成假说的过程。皮尔斯对溯因给出的经典理解，^[6]1931-1935使得“解释”与溯因之间形成了密不可分的关系。在科学探究中，经常需要对令人惊奇或异常的观察现象做出解释，因而，皮尔斯认为科学家应当也会使用溯因进行推理。

溯因的推论形式可以表述如下：

$ \begin{array}{l} {\rm{I}}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;({\rm{经验事实}})\\ {\rm{如果H, 那么I}}\;\;\;\;\;\;\;\;(隐含前提)\\ 再没有其他假说能够像H一样解释I\\ \overline {所以, {\rm{H可能为真}}\;\;\;\;\;{\rm{(结论)}}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;} \end{array} $

在这一推论形式中，涉及待解释的经验事实与可能的解释性假说H。如何得到最好的解释假说，涉及在众多假说中找到对经验事实I做出最好解释的过程。由此得到的结论，可以帮助我们有效拓展知识。^[7]528

舒尔茨(G.Schorz)与玛格纳尼(L.Magnanni)认为存在着各种不同类型的溯因，但大体上可以分为选择性溯因与创造性溯因。^[8][9]25-26前者可以从多个备选的假说中挑选出最优的解释性假说，后者可以帮助引入新的理论模型和概念。如果说所有的推论在不同程度上都具有辩护(或推论的)和策略性(或发现的)功能，那么在舒尔茨看来在溯因中策略性功能是首要的^[8]，它能帮助我们在众多可能的解释性假设中找出可能是最好的解释。从认识论上来看，溯因不仅仅是最佳推理解释的辩护机制，也是一个选择或发现的过程。

溯因在科学发现中的应用已经有较为系统的研究，在信息计算领域，溯因被用来帮助形成知识表达，而在工程设计领域，溯因的应用仍有待进一步的推进。加拿大认知科学家保罗·萨迦徳(Paul Thagard)在一篇论文中给出了技术发明的溯因推理过程。他认为技术发明与科学发现具有相同的认知过程，前者强调对令人困惑现象或事实的解释，后者则要识别并试图制造它，两者都体现出溯因推理的过程。他给出了如下的溯因推理的过程：^[10]143

$ \begin{array}{l} 如何实现{\rm{X}}\\ {\rm{Y有可能实现X}}\\ \overline {那么，我们有可能尝试做{\rm{Y}}} \end{array} $

萨迦徳认为，可以运用诸如“如果Y则X”这样规则来生成溯因。只是他立足于解释的角度来理解溯因，认为技术发明主要提出侧重实用性的问题答案，因而，他认为溯因对于技术发明来说并不重要。我们认为，溯因在工程设计创造性解决问题的过程中有着重要的作用，下面将对此做进一步的展开。

根据萨迦徳关于技术发明的溯因推理形式，结合科学发现中溯因推理过程，我们尝试构造工程设计中溯因的一般推论形式：

$ \begin{array}{l} {\rm{G}}:关于目的的命题(目标，任务，要求)\\ {\rm{M}}有可能满足或实现{\rm{G}}(如果{\rm{M}}有效)\\ 没有其他的手段像{\rm{M}}一样能够满足或实现{\rm{G}}\\ \overline {因而, {\rm{M}}可能是有效的\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;} \end{array} $

这一拓展的溯因模式与科学发现中的溯因有所不同。首先，溯因的目的并不是为现象构造解释的假说，而是能设计或制造出产品或技术装置，或找到工作原理，即技术方案来实现设计目的或意图。其二，溯因的前提是目的性或规范性命题，而非描述性命题，它为问题解决或构思设计概念设置了约束。其三，M和G之间的关系取决于M能否满足或实现G，其中既涉及如何引入满足目的的新的设计概念，还涉及如何在可能的设计方案中选择出能够最有效实现目的的方法或手段。最后，基于目的—手段链的评价关系，我们认为这里关于M的评价标准，不是“真”而是“有效”。基于这一推论过程，溯因可以在工程设计中发挥以下四个作用。一是支持设计的创造性“猜测”过程，帮助引入可能的新的设计概念或手段。二是为选择最有效的方法或问题解决方案提供了多种的可能性。三是可以帮助选择和评价设计方案。四是通过引入新的设计概念或设计方案，拓展和增加工程设计知识。

如果溯因可以分为选择性溯因和创造性溯因，那么如何获得实现目的G的手段或设计概念，特别是新颖的手段，可以理解为创造性溯因，而如何在众多可能的设计方案或设计概念中做出选择，则可以理解为选择性溯因。认知科学关于基于模型推理(Model-Based Reasoning, MBR)的研究可以为创造性溯因推论过程提供更多的资源。MBR反对科学推理是基于心理逻辑以及相应形式规则的认知操作和运算，主张推理是创建和操作模型的语义过程。^[11]这一语义过程依赖于一定的知识结构或内部心理模型及其所表达的知识。按照南希·内尔塞西安(Nancy J.Nersessian)的观点，科学中的MBR是通过泛化心理建模实现的，其中主要的心理建模活动分为形象建模、类比建模和模拟建模(思想实验)。^[12]5在工程设计中，创造性类比和形象表达被广泛使用，可以作为设计者进行设计时经常运用的泛化推理模型。我们将在下文中对它们在设计综合中的运用给出具体的分析。

三、设计综合中的溯因推理

1969年，赫伯特·西蒙第一次提出“设计的科学”(science of design)的概念。他在《人工物的科学》一书中，尝试通过尽量减少设计过程中的直觉判断的成分来使设计这一学科的发展趋于合理。他写道，“在过去，我们所了解的很多(即使不是特别多)设计及人工科学都在知识结构上呈柔性特征，注重直觉的非正式表达，有时也是菜谱式的。”^[13]76作为一种新的理解和替换，西蒙将设计的科学定义为“一个关于设计过程的领域清晰、注重分析、部分内容规范化、部分内容约定俗成的可讲授的学说体系”。^[13]76虽然西蒙被认为是采取了自然主义的立场来把握设计的方法，但是对于设计要形成一个系统的科学研究框架，并能够在设计教育中向学生展示设计中的推理过程，探究设计中创造性过程的理性因素，为创造性方法论研究提供一个可能的常规构架，无疑是极为重要的。

本文认为，溯因可以揭示设计综合创造性解决问题的认知过程，帮助我们解释综合的理性认知过程。

创造性提出问题解决方案是设计综合的核心任务，这意味着它要形成新的概念，提出新的设计构想。设计中的分析虽然可以帮助我们获得对问题或比较解决方案，但用分析的方法可以进行功能的细分并不提供问题的解决方案。而综合则是一个寻找和发现的过程，它能够为问题提供可能的解决方案。克劳斯就认为有经验的设计者通常通过问题猜想而非问题分析来进行设计。^[14]76创造性解决问题的过程，意味着在概念形式上产生目标可行的方案，为每个功能找到尽可能多的实现方法，并把这些概念组合起来形成完整的概念设计，找到产品的可行性解决方案。这无疑是一个寻找和发现设计概念和问题解决方案的过程。而根据前述关于溯因功能的分析，策略性或发现性功能正是溯因的核心特征，它支持猜测的过程，所得到的设计概念并不包含在前提的范围中，可以帮助引入新的设计概念。

溯因是问题求解理论的主要课题，这在人工智能、逻辑和认知研究中已经得到确证。认知科学和人工智能领域的研究表明，溯因是刻画问题求解过程的一种基本推论模式。从西蒙关于问题解决过程的推论的分析可以清晰看出来：

“问题求解的过程并不是从一组命令(目标)‘推导’出另一组命令(执行程序)的过程。相反，它是选择性的试错过程，要运用先前经验获得的启发式规则。这些规则有时能成功地发现达到某些目的的行之有效的方法。如果想要给这一过程取个名字，大致上，我们可以采纳皮尔斯所创造的，近来又被诺伍德·汉森(1958) 所复兴的那个术语，即逆向过程。不管是实证的还是规范的问题求解，此过程的本质——这里已做粗略描述——都是问题求解理论的主要课题。” ^[15]155

作为问题求解过程，目的或任务构成了溯因的推论起点。借助启发式规则，可以帮助获得可能的问题解决方案。在经历了选择性试错的探索之后，就得出了能够实现目的的有效方法或手段。最初的问题空间与新观念形成的空间(即问题的解决)，在空间上已经发生了新的变化。问题解决可能出现的区域，意味着可以为问题解决提供发散的解决空间，其中通过抛弃不适用的概念，进而得到新观念。

更为重要的是，我们认为，溯因可以看作是设计综合的一种推论形式，为设计综合提供可能的逻辑认知的解释。在工程设计中，设计者会使用归纳、演绎和溯因等认识模型来进行设计。演绎推理是在已选择的设计概念和已知的设计知识基础上来推演设计规范和提升设计性能，可用于解释设计分析的思维过程。归纳推论通常用来发展一般的设计规则和设计原理。此外，设计者还用归纳推理，通过试验来评价提出的设计概念是否完全满足初始设计意图，因而，可用于解释设计评价。溯因推理则可以用来推演通过何种手段来实现设计目的，选择和确定能够实现设计意图的设计概念，适用于解释设计综合的认知过程。

综合的思维过程就是在设计问题的范围内应用溯因推理的过程。从理论的角度来看，综合意味着从一般到特殊的目的推论。^[16]从实践的角度来看，综合可以看作是不断提出目的性命题，进而在设计的约束下实现从目的到手段的推论过程。^[3]溯因是获得“最好推测”的逻辑方法，它属于非单调逻辑，中间存在跳跃。与演绎和归纳不同，发现和提出新知识、新概念是创造性溯因的核心目的。作为“什么是可能”的逻辑，无疑它可用来解释设计综合情境中的逻辑。设计综合中，问题解决方案是为“做什么”(what entity)而引入的最好推测。从“做什么”到“怎么做”(how entity)的过程实际上是一个心理飞跃，“怎么做”就是方案本身，它并不作为推论的前提。换句话来说，这是一个推断和猜测的过程，中间存在着创造性飞跃。各种问题的约束可以作为溯因的逻辑前提，而设计者的经验和知识借助启发式规则帮助形成溯因。这一推论形式可以表述如下：^[3]

$ \begin{array}{l} {\rm{“what”}}\;{\rm{entity}}\;{\rm{(目的)}}\;\;\;\;\;{\rm{设计目的}}\\ {\rm{以往的经验和知识}}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{启发式规则}}\\ \overline {{\rm{“how”}}\;{\rm{entity}}\;{\rm{(手段)}}\;\;\;\;\;\;{\rm{设计概念}}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;} \end{array} $

从该推论形式来看，设计综合是为了实现给定的设计意图提出某些可能的“how”entity，即设计概念。设计师借助以往的经验和知识，运用启发式规则，得到关于如何做的手段链表达。在综合中，以往的生活经验收集形成的新的元素与现有的元素之间组合起来，通过重构和概念连结产生出新的知识和设计方案。这里需要指出的是，设计综合所得到的设计概念，其本身并不是问题最终的解决，仍需通过设计评价来进一步确定。

四、溯因在设计综合中的应用

接下来我们就溯因在构思设计概念、设计方案的选择和调适中的应用给出具体的分析。

设计综合要提出可能的设计概念来实现设计任务。设计概念展现了问题的多个解决方案，一般表现为技术装置的工作原理或常规构型。设计者可以用溯因生成能够实现所需功能的可能实体^[17]，这意味着功能要求可以由某些特定的物理机制所满足。给定具体的设计任务，设计者运用溯因的基本推论形式可表示如下：

特定设计任务：功能要求(Functional Requirements, FR)

$ \begin{array}{l} {\rm{设计的背景知识 }}\\ \overline {可能的设计概念\;\;\;\;\;\;\;} \end{array} $

例如，我们想要保存食物，知道如果把食物存放在低温中则可以得到保存。这时，我们就有可能得到使用冰箱、冰柜或冰镇的方式来保存食物。这一推论的形式如下：

特定设计任务(given):保存食物

$ \begin{array}{l} {\rm{设计的背景知识(chosen): 如果食物存放在低温中，则可以得到保存 }}\\ \overline {{\rm{可能的设计概念(proposed): 冰箱，冰柜，冰镇}}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;} \end{array} $

溯因还可以用来诊断并挑选出不适用的设计概念，并进一步指出相应的改善策略。在设计中，综合是在明确定义的约束下得以开展的。违反设计约束会导致令人不满意的设计概念，如太贵用户买不起，或太复杂了难以进行批量生产。这时，可应用溯因来解释为什么会出现“糟糕”的设计概念。根据相应的选择标准被视为“糟糕”的设计概念，设计者可以选择用溯因推理来诊断具体的缺陷并提出相应的改进。其后，通过设计分析和评价，运用演绎和归纳推论，综合推论的最终输出可以得到进一步确证。其一般推论形式如下：

$ \begin{array}{l} 设计问题(可观察的): 给出的设计概念不能满足用户对坐骑高度调节的需求\\ 适用的设计知识(选择): 如果座位高度可以调节，那么就可以改善用户对座椅高度的要求\\ \overline {可能的解释：座椅高度不能调节\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;} \\ (提出)改进: 增加高度调节机构 \end{array} $

根据MBR的观点，创造性类比可以帮助我们更好地理解创造性设计概念的构思。在综合过程中，设计者可以通过重构或变异的方法，通过新的工作原理或结构关系的重组，获得新的概念和解决方案。这是一个创造新知识和洞识的过程。如何综合客户需求和设计功能要求，获得创新性的设计概念，则需要运用其他的建模活动。在工程设计中，可以运用启发式规则、因果图式、形象表达、创造性类比来产生创造性的解决方案，进而在Y和X之间建立起可能的关系图式。萨迦徳关于类比发明的溯因过程可以给我们提供借鉴，该形式的推论过程如下：^[10]143

$ \begin{array}{l} {\rm{怎样制作X}}\\ {\rm{ X类似Y，Y是由Z来完成的 }}\\ \overline {\rm{所以X或许可以用类似Z的某种事物来完成}} \end{array} $

例如，在20世纪80年代中期，某钻石生产公司遇到了一个难题，他们需要在大钻石有裂纹的地方进行破裂，以生产出满足其用户需求的产品。公司的技术人员后来发现在农业领域，使用加压减压爆裂的方法，即压力变化原理，可以有效地把果肉与果核分开。技术人员认为农产品加工中果肉和果核的分开与钻石沿裂纹进行破裂是类似的，那么这一破壳方式是否可以用来解决后者的破裂难题呢？后来他们就试着采用加压减压爆裂的方法，通过对压力参数的调整和优化，成功地解决了钻石破裂的难题。

工程师和设计者在进行工程设计时，往往会借助形象建模帮助设计。当设计者构绘设计草图的时候，正是将粗糙的、模糊的、不明确的心理模型外部化的过程。心理模型的外部表达(设计图或设计草图)展现了设计者视觉与心智之间的互动。这一视觉意象的外部表达，无疑会被设计者大量地使用。当设计者用这样的图示表达，对设计对象进行重新构造与变异的时候，如改变、增加、删减相邻关系、尺寸、形状和尺度，就为设计者提供了一种视觉理解方式。设计图示不仅可以表达创造者的心理概念模型，而且还可以形成和塑造概念创建，有助于创造出新的设计概念或设计方案。

从溯因的逻辑过程中，我们可以做进一步的推导，设计综合可以看作是在设计问题情境下处理、组织、删减和筛选资料进而产生信息和知识的溯因过程。如果我们把设计综合视为一种特殊的溯因推理，那么这一过程具有如下典型特征：

第一，设计综合的溯因推理过程具有目的导向。设计的目的或意图引导着设计综合活动的进行，设计者依据如何实现用户需求寻找和选择问题解决方案。在从问题的输入到解决方案的输出过程中，启发式规则是由以往的设计知识组成的，它们主要是设计的规则。这些设计规则规定了达到目的应当怎么做，对设计概念具有约束和辅助推导的作用。

第二，设计综合的思维过程是基于模型的溯因。一方面，从基于模型推理的角度来看，创造力发生在用一种理性方式来着手处理定义明确的问题之处，问题情境和启发式规则为获得创造性的设计概念设置了可能的约束。另一方面，类比建模、形象建模的活动被大量用于问题解决方案的生成与选择过程中。

第三，在溯因推理中，从前提到结论的推论过程取决于后者是否能够满足或实现前者。设计综合中溯因不同于科学发现中的溯因，主要是基于给出的假说是否能够解释前提，它寻求的是能够有效满足或实现设计目的。

五、结语

如果说综合是设计独有的特征，那么基于综合视角的思维认知过程分析有利于揭示出工程设计的本质。运用溯因推理来解释设计综合，可以使这一创造性过程更具系统性和有效性。虽然本文认为溯因可以为设计综合提供可能的推理架构，但这并不意味着工程设计的创造性认知过程是完全结构化和形式化的。我们更希望通过阐明这一推论过程来使设计者在设计中能够以一种更为系统和理性的姿态进行思考。