再论设计科学——关于我国科技创新、人才和知识的思考

谢友柏

(1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240；
2.西安交通大学机械工程学院，西安 710049)

笔者在阅读了范内瓦·布什1945年写给美国总统题为《科学：无尽的前沿》的报告，以及此后很多人写的导读、赞誉和拓展评论后，(1)范内瓦·布什，拉什·D.霍尔特.科学：无尽的前沿[M].崔传刚，译.北京：中信出版集团，2021.认为有必要结合当前国内外情况作一些更深入的思考。

布什这个报告里最有价值的是三个论述：一是从美国在二战中的胜利出发，论证科学研究的重要性，强调和平时期仍旧要重视和推进科学研究，并谈到科学研究与疾病斗争、国家安全、农业、就业、人们生活水平等的关系；
二是认为美国自19世纪以来主要以欧洲基础研究的发现为依托推进实用技术发展，强调一个依靠别人获得基础科学知识的国家，将面临进展缓慢和缺乏竞争力的处境，提出基础研究是技术进步的引领者；
三是解释了基础研究是一个长期过程，如果寄希望以短期支持产生即时结果，那么它就不再是基础研究。这三点对于理解中国今天的创新驱动政策非常重要，尤其是促进我们进一步思考如何切实推进科技创新。

报告中有一个值得注意的情况是：美国大学和私营企业的大量研究经费是由政府以合同方式投入的，如航天、飞机、导弹、潜艇等方面的技术。如今，美国一些私营大企业如SpaceX、谷歌、微软等，研发投入非常大，基础研究的经费却一直在下降，这一点将在后面进一步讨论。

布什的报告虽然强调了基础研究，但仅仅用“不考虑实际需求情况下对基础知识的寻求”“最纯粹的科学研究”来表述，并不能把基础研究的概念说清楚，不能把基础研究、应用研究和其他开发、生产经营活动之间的界线说明白，特别是没有论及基础研究是如何与应用研究以及其他实用技术开发承前启后的，这是由于其所处时代和环境的局限性。布什的这一模型被称为“线性模型”，后来经济合作与发展组织(OECD)把技术产生的程序分为3个阶段，加上生产经营，组成了4个阶段的顺序关系：基础研究、应用研究、开发和生产经营——这一模型被称为“科技创新的象限模型”，(2)Stokes D E.Pasteur’s Quadrant：Basic Science and Technological Innovation[M].Washington DC：Brookin Institution Press，1997.比布什笼统讲基础研究或者科学研究更加清楚。然而，不论是“线性模型”还是“象限模型”，都没有涉及基础研究、应用研究与开发和生产经营之间的承前启后关系，而且开发也不应该仅限于满足物质需求(即所谓的技术产生)，满足精神需求和社会需求的开发有时甚至更为重要。布什报告虽然提到这一点，不过没有进一步分析，这也是其与相关讨论存在的共同不足。

设计科学研究认为：将基础研究、应用研究、开发和生产经营承前启后连接起来的是为达到某些目的而进行的设计，而物质需求、精神需求和社会需求的共同满足，也是在设计过程中通过集成来实现的。(3)谢友柏.设计科学的争论和设计竞争力[J].中国工程科学，2014，16(8)：4-13.(4)谢友柏.论设计科学[J].上海交通大学学报，2019，53(7)：873-880.被视为“圣经”的布什报告，以及后续对这个报告的讨论里，几乎找不到“设计”这个词，因此，他们思想里的科学研究，自然也不会包括设计科学研究。

开发包括设计和实施，设计是为实施规划要实现的结构和实施路径。

基础研究是对未知客观规律的探索。(5)谢友柏.设计科学与设计竞争力[M].北京：科学出版社，2018.不仅是自然界的规律，更涉及人的心理变化规律和社会发展规律，获取的是关于规律的知识。例如探索太阳系以外的太空，三星堆文化及其变迁，奥密克戎病毒的变异和传播，物质之间摩擦的行为及后果，人们过去、现在和未来对文学、艺术、音乐感受的异同，马克思主义在中国特色社会主义中的发展，等等。不可思议的是，布什作为领导过许多重大工程项目的资深工程师，居然未在报告中提及“设计”，还不如同一时代的沃尔特·格罗佩斯(Walter Gropius)和理查德·福乐(Richard Fuller)——他们都是这个时期前后美国的设计科学倡导者。(6)谢友柏.设计科学与设计竞争力[M].北京：科学出版社，2018.设计科学研究属于基础研究领域。布什报告等都强调基础研究是由好奇心驱动的——这是一种偏见，难道对社会的责任心和对科学的敬畏就不是更重要的驱动力？探索尚且未知的客观规律，远不止个人好奇心的驱动。好奇心是会转移的，基础研究则需要长期不畏艰险、披荆斩棘、十年磨一剑的精神，甚至终生看不到成果的坚持和对失败压力的承受力。失败的探索也是对人类知识积累的贡献，是对后人应该怎么探索的启示。另外，布什报告和后续的讨论还谈到了科技伦理问题，笼统地讨论科技伦理，(7)谢友柏.论设计科学[J].上海交通大学学报，2019，53(7)：873-880.缺乏对基础研究、应用研究、开发和生产经营间差异的认知，特别是没有真正理解科技产生的是知识，这些知识只有经过设计这个过程才有可能付诸实施。真正值得被讨论的应该是设计的伦理，既然是设计，就有必须共同遵守的法则。对客观规律的新认识，既可以经由设计造福人类，也可以经由设计危害人类——这一点是不言而喻的。如果一个从事基础研究的科学家选择用研究获取的知识危害社会，那他就不是在做基础研究，而是在利用基础研究的知识设计对社会不利的事物。另外，基础研究探索的是未知的客观规律，既然是未知，而且是客观存在，布什报告里所谓的是否允许自由研究，实际上是一个伪命题。设计科学是一门基础科学，是研究设计这个规划人类一切有目的活动的基本、共同的规律和要遵守的法则，是研究设计如何在人类社会产生，以及与哪些因素关联，要受哪些要素约束的科学。设计科学获取的是人类设计活动的知识，包括一个人为了自娱自乐的设计，一个群体为了某集团利益的设计，以及整个社会为了自身有序发展的设计，也包括设计在一个人的大脑里、一个群体中形成的过程以及各种因素，特别是社会因素对这个形成过程的推动和约束作用。设计科学研究获知，设计本质上是一个知识流动、集成、竞争和进化的过程，这个过程服从设计以已有知识为基础定律、设计知识竞争性定律、设计以新知识获取为中心定律和设计知识不完整性定律等。(8)谢友柏.设计科学与设计竞争力[M].北京：科学出版社，2018.(9)谢友柏.读《欧洲工业的未来——欧洲制造业2030》看中国制造业[J].中国机械工程，2019，30(24)：3018-3023.由于设计的形式千变万化，涉及的利益多种多样，过去很多人并不认为设计是有规律可循，有法则需遵守的，布什们也没有讨论这些问题。

应用研究是指借助从基础研究和应用研究过程中获取的知识，产生某些应用问题的解，并得到关于求解过程的知识。应用问题总是与某种需求联系在一起，这种需求可能涉及个人利益、群体利益，或是整个社会的利益，产生的结果是有利于社会还是不利于社会，完全取决于解的设计是否遵守由社会利益所决定的需共同遵守的法则。越是到创新过程的后端，这一点的重要性就越发突显。原子裂变与聚变的知识可以用来设计核电站，也可以用来设计原子弹和氢弹，病毒研究获取的知识可以用来设计免疫疫苗和治疗病人的药物，也可以用来设计杀害人类的生物武器。

开发是指运用基础研究和应用研究的知识生成供社会消费的产品(广义上包括满足物质需求、精神需求、社会需求的兼而有之的事与物)，生产经营则是指将开发的产品推向社会。产品在这两个过程及交付后的消费过程中仍旧不断会有新的知识可以获取，如果将其反馈到设计中，即可丰富设计的知识集，这一点在后面的全生命周期设计中还会论及。应用研究、开发和生产经营的结果对社会是有利还是有害，取决于其设计是满足何种需求，取决于与何种利益相关，而不取决于基础研究或者应用研究获取的是什么知识。而布什们的讨论之所以没有提到设计，没能将问题说清楚，是因为他们缺乏设计科学的基础知识。

布什报告认为科学研究很重要，但基础研究获取的知识一般出现在论文里，应用研究获取的知识往往会形成专利，那么是不是将论文或者专利证书剪下来贴到产品上，就能够开发出解决与疾病斗争、国家安全、农业、就业、生活水平提高等等问题的新产品？不能。这就是设计科学所研究的课题——只有经过复杂的知识流动、集成、竞争、进化的设计过程，制定出这个事、物应有的结构和实现结构的实施路径，最终经过实施，才能够成功开发出创新产品。正如霍尔特所指出的，美国的科学专家们就新兴疾病可能的破坏性以及作好公共卫生准备的必要性撰写了大量警示性文章，然而美国却没有为此作好准备，科学进步也不足以让美国应对2020年的新冠病毒大流行。(10)范内瓦·布什，拉什·D.霍尔特.科学：无尽的前沿[M].崔传刚，译.北京：中信出版集团，2021.因此，是布什报告及相关讨论所未曾论及的在基础研究、应用研究和产品开发之间承前启后的设计而非文章或专利，开发出了解决种种问题的新产品，没有设计这个纽带和桥梁，知识不可能形成任何有竞争力的解。(11)谢友柏.设计科学的争论和设计竞争力[J].中国工程科学，2014，16(8)：4-13.(12)Xie Y B.Four Basic Laws in Design Science[J].Engineering Sciences，2014，12 (2)：2-9，28.

基于这样的认知，设计必然是竞争性的，不仅在设计过程中存在知识集与知识集之间的竞争，还有设计与设计之间的竞争，甚至包括设计本身的优劣竞争和设计所牵涉的利益之争。国际垄断资本，凭借其垄断的人才——实际上垄断的是知识和运用知识的能力——为攫取超额利润而进行设计竞争，这种竞争往往十分残酷，经常诉诸政治和军事讹诈，甚至不惜牺牲千万人的生命发动战争。而这一点布什当然也是不会谈及的。

当今世界与布什报告的时代相比，至少在四个方面有了变化和发展：一是随着科学技术的快速进步，设计所依赖的知识已经远远不是一个人、一个团队或者一个企业能够(也没有必要)完全掌握的；
二是人类社会的需求已经发展到难以想象的复杂和多样，使得设计的知识供给和运用知识的能力面临更加困难的挑战——如应该满足什么样的需求和不能满足什么样的需求；
三是信息技术和人工智能的高速发展，为知识的处理、传递和集成创造了前所未有的新环境和可能性，而这种环境和可能性由于种种原因并没有被充分利用；
四是全球经济一体化和人类命运共同体思想的提出，虽然一波三折，但在技术进步和生产力发展的推动下，终将逐步向前，至少我国国内已经形成了举国体制和正在加快建设的统一大市场。(13)关于加快建设全国统一大市场的意见[N].人民日报，2022-04-11(1).分析布什报告在设计科学方面的缺失时，不能不考虑这四个方面的变化和发展。布什报告认为：“未来的科学应用将比以往任何时候都更依赖于基础知识。”然而，他的基础知识仅仅是指自然科学知识，并不包括心理科学知识和社会科学知识，当然也没有设计科学知识。

中国和美国的情况大有不同。除1861—1865年的南北战争，两次世界大战及此前此后的战争都没有波及美国本土，都是美国用飞机大炮出国打别人。而中国自清末1840年鸦片战争起，1894年日本帝国侵华的甲午战争，1900年八国联军(包括美国)的侵华战争，1911年推翻清政府的辛亥革命，民国初期的军阀混战、人民起义和镇压起义的战争，1931—1945年日本帝国主义长达14年的侵华战争以及此后蒋介石发动的内战，直至1949年中国大地几乎不断处在战火之中，民不聊生，哪里还谈得上发展科学研究。新中国成立初期，钢的年产量只有15.8万吨，人均产量约为300克，不够打一把菜刀，制造业近乎空白，科学技术极端落后。在这种情况下，中国又不得不为抗美援朝、保家卫国付出沉重的生命和物质牺牲。如何在这种条件下建设这个世界人口第一大国？认识、思维方式、行为方式的转变，和政策、体制的形成都需要时间。从取得政权到认识和确立以经济建设为中心，中国大约花了30年时间。确立以经济建设为中心后，又实行了改革开放政策，在技术上我们处于跟跑阶段，工业发达的国家并不吝惜他们所谓的低技术，他们的企业为寻求廉价劳动力和资源，所以把许多低技术制造转移到中国，一时引进技术或者合资制造的热潮兴起，一些更低层次的三来一补、两头在外的中小微企业更是遍地开花。(14)谢友柏.读《欧洲工业的未来——欧洲制造业2030》看中国制造业[J].中国机械工程，2019，30(24)：3018-3023.中国因为工业太落后了，缺这少那，举国体制奋斗的目标就是把缺少且原来做不了的东西做出来，不管是用哪来的技术。许多研究院所，要么与工厂合并，要么也改为生产产品，大学教授们都忙着研究做产品，哪一项研究如果不能同做出什么东西产生联系，就拿不到资助。企业在这方面的思维更是受经济目标所支配，信奉短期利润策略，满足于把东西做出来就立马赚钱，不愿意将资金投入需要十年磨一剑的研发，即不愿意投入不可或缺的设计竞争。在14亿人流血流汗的不懈努力下，中国的GDP一直处于高位，最后终于成为世界第二大经济体。但是，这也正好应了布什报告所说的“没有认识到基础研究是技术进步的引领者”，“依靠别人的基础科学知识的国家将进展缓慢和没有竞争力”。当中国的经济发展到一定程度，有能力投入力量争取并跑甚至领跑时，国外垄断资本就会想方设法来卡我们的脖子，从技术封杀到经济制裁、从政治霸凌到军事威胁。

当然，中国人也逐步看到了问题。21世纪初，中央就提出了“创新是国家的国策”。(15)胡锦涛.坚持走中国特色自主创新道路 为建设创新型国家而努力奋斗：在全国科学大会上的报告[M]//中共中央文献编辑委员会.胡锦涛文选：第2卷.北京：人民出版社，2016.这是以创新为抓手，而不像布什报告中以科学研究为抓手，同时也强调了自主创新，后来又明确了科技创新在提高社会生产力和综合国力中的战略支撑地位，强调科技创新必须摆在国家发展全局的核心位置。这个过程中，中国越来越重视人才对创新的作用，不断提高对人才的关注，确立了人才强国战略，要求择天下英才而用之，(16)习近平出席中央人才工作会议并发表重要讲话[EB/OL].(2021-09-28)[2022-03-04].http：//www.gov.cn/xinwen/2021-09/28/content_5639868.htm.于是有了现在各地和各企业的人才大战，通过各种福利把人才争取到当地或者企业中。从确立以经济建设为中心到人才大战，中国大约又历经了40年。

以创新作为奋斗目标的好处是鼓动性强，对号召广大群众投入到创新活动，形成创新热潮有着巨大鼓动力。然而，创新是结果，弄清楚这点并解决对创新前端的关注并不容易。这需要对前端每一个相关过程发展的客观规律进行深入、细致探索并设计出有效措施进而付诸实施，包括出台相关政策与确立必要制度。要弄清楚：什么样的结果才能够称得上是创新？基础研究、应用研究和技术开发是否已经积累足够支持创新的知识？已有知识在什么条件下能得到应用且顺利流入创新？什么样的政策和制度能够形成和保证这样的条件？为什么在科技创新中需要人才？是不是抢到人才就能实现科技创新？科技创新在不同阶段不同人才会起什么样的作用？什么条件下才能更有效地发挥其不同作用？这些都需要对科技创新这个新事物发展的客观规律进行研究，都属于设计科学的命题。

设计科学研究认为，创新至少要具备三个特征：一是采用此前未曾用过的知识，二是满足现在未能满足的需求，三是在竞争中取胜。(17)谢友柏.设计科学与设计竞争力[M].北京：科学出版社，2018.如前所述，不论是基础研究获取的知识，应用研究获取的知识，开发、生产经营中获取的知识和消费直至报废后处理过程中获取的知识，还是满足物质需求的知识、满足精神需求的知识、满足社会需求的知识等等，都是通过设计这个纽带和桥梁进入创新的，设计的竞争力对创新的成败有决定性作用。可以说，缺乏设计的竞争力，就没有成功的创新。如同上面分析布什报告时讨论的一样，不是把科学论文或者专利证书剪下来贴到产品上，产品就创新了，也不是把人才抢到手，把科技创新任务交给抢到的人才，产品就创新了。对于创新，极其重要的是为竞争中的关键难点求解产生创意。设计科学研究认为：创意之产生，有其实践性和随机性特点，(18)谢友柏.论设计科学[J].上海交通大学学报，2019，53(7)：873-880.只有与问题长期、密切接触的人，才有机会产生创意。为国家在解决方方面面问题中产生创意的，是人民大众，是广大的中小微企业和投身乡村振兴的群体，他们日日夜夜与这些问题密切接触，朝思暮想要改变自己的处境。这既是产生创意的条件，又是产生创意的动力。但是他们的创意不易成为创新，创新的设计需要此前提到的各种各样知识。他们不如学霸，所以增加对他们的设计知识供给、提高他们运用设计知识的能力，就是大众创业、万众创新要解决的关键问题，也是中国特色社会主义制度下科技创新要补足的供给侧短板。

许多传统观点认为设计竞争所需要的知识主要依靠学校教育，(19)Pahl G，Beitz W.Konstruktionslehre：Methoden und Anwendung[M].Berlin：Springer-Verlag，1977.这个观点隐含的前提是，学校教育包括所有所需要的知识，且有一种学校教育方法能把这些知识都塞到学生头脑里，于是受到最好教育的学霸就成为了人才大战争夺热点。然而，在这个知识爆炸的时代，这是不可能的，学校教育固然非常重要，但无法培养出万能的人才，即使是学霸也不行。对于我们这样一个有着14亿人口，960多万平方公里面积的国家，无论如何也提供不了那么多能去帮助人民大众解决问题的学霸。人民大众是最有条件和最有动力产生创意的群体，但是他们需要知识的供给。布什在报告中虽然说“任何科学前沿进步的快慢，取决于探索科学前沿的高素质人才数量的多寡”，但他也承认“这个国家(当然是指美国)的高等教育主要是为有钱人准备的”。(20)范内瓦·布什，拉什·D.霍尔特.科学：无尽的前沿[M].崔传刚，译.北京：中信出版集团，2021.我们不能让教育只为有钱人准备，应该探寻在当今条件下更有效地培养能探索科学前沿、获取和积累新知识的高素质人才的道路，同时更要探寻一个让人民大众都能共享已有知识的环境，有利于他们把创意变成创新。

通过人才大战来解决知识大战问题，仍旧是发达国家走的一条老路。前文提到，美国的一些垄断企业如SpaceX、谷歌、微软等投入的研发经费非常多，由政府以合同方式投入，委托他们解决如航天、飞机、导弹、潜艇等方面的技术。同时这些大公司又控制着政府，例如美国的枪支暴力泛滥而控枪法案通过无望，就是因为美国的步枪协会能够影响总统选举。垄断资本把他们超额利润的一小部分拿来笼络精英和学霸到自己旗下，垄断这些精英和学霸的知识和运用知识能力，通过运用这些知识在设计竞争中创新、垄断市场以获取更大利润，并作为对其他国家进行政治和军事讹诈的资本。

我们现在的人才大战，虽然出于完全不同的目的，但或多或少也在形式上模仿着这条道路：致力于把人才抢到手里，但并不是考虑如何让人才的知识能够让全国有需要的人都能共享，以投入到科技创新的竞争中。我们需要认识到垄断资本通过垄断人才来垄断知识这条道路的本质，人才大战的背后实质上是知识垄断大战，保护知识产权并不是把知识放在保险箱里不用，而是要让知识得到更充分的运用，知识只有被及时高效运用才能凸显出它的价值。尽管如此，设计、构建出一条与垄断知识不同的道路，来解决我国设计竞争中的知识供给和知识运用能力万众化问题，也需要时间。因为目前对设计科学的研究不足，知识供给的不足和知识运用能力的不足，是科技创新要补足的供给侧短板——这一点还没有被清晰地描述和提上议事日程。

分布式设计知识资源环境(简称“分布式资源环境”，下同)是我们可以走的道路的一个解。(21)谢友柏.设计科学与设计竞争力[M].北京：科学出版社，2018.对这个解的研究可以追溯到20世纪末，其核心思想是在共享中竞争、在竞争中共享。竞争是为了超越自己，不是为了垄断知识、搞垮对手，共享则是为了惠及全民，不是为少数人的超额利润。不过要使这个解构建成功，需要很多理论、方法和工具上的研究。没有理论上的发展，就没有方法上的发展，也就没有工具上的发展，同时，还需要政策和制度上的保证。

构建这个环境，首先要有充分的基础研究知识积累。对这一点布什报告的论述很到位。我们的政策要鼓励个人、团队长期坚持专一方向上的研究，积累知识，特别是对未知客观规律的探索，包括应用研究，而不能满足于解释和应用别人的已有知识——不论是大学还是研究院所，或者其他地方。我们现在还谈不上有自己的基础知识积累，只能在别人给的知识上跟跑。

构建这个环境，其次要有方方面面的应用研究知识积累。应用研究要产生新的应用问题的解，那么这些解只能在设计和对设计的实施过程中形成。没有自己的基础和应用知识积累，设计竞争就是一句空话。问题更在于，现在这些很不够的基础和应用知识积累，并不能够让有需要的人充分共享，缺乏对于知识处理、传递方式和渠道的研究和有效措施。人才大战显示，人们还未从传统的知识拥有和运用观念中走出来。布什报告说得对，科学要想更快速地进步，更需要知识的传播。

构建这个环境，还需要形成对于设计的系统观。在现代，任何设计要有竞争力，都要从系统的视角看设计，都要按系统的层次进行设计。即使是一个零件如螺丝钉，它的材料和从原料开始的每一个加工工序都可独立构成一个经过设计竞争的层次。在知识爆炸时代的设计竞争，采用此前未曾用过的知识，满足现在未能满足的需求，往往需要依赖跨领域知识。父系统的设计师并不需要也不可能知道实现每一个子系统的全部知识，父系统设计师需具备的能力是：深刻理解需求和快速精准找到最合适的子系统群，并将它们最优化地集成起来以满足设计竞争需要。这种系统观的形成并不困难，只要在中等教育阶段适当增加一些内容就能够让学生掌握。那种一切都靠设计师自己或者合伙人脑子里的知识竞争的时代已经过去。构建这个环境，需要知识积累的拥有者在竞争中把自己的积累，通过知识服务与需要的人共享，要有必要的政策和制度推动。当然，服务本身也有竞争，这也是只有对社会的责任心和对科学的敬畏而不是好奇心能够驱动研究的理由。构建这个环境，要有一个基于互联网、充分保护知识产权、保证有偿和承担责任的服务的知识共享环境。就像现在买一双袜子，在手机上选好，点一下就能付款和让想要的袜子快递到家。当然知识不用通过快递，因为知识不是基于物质而是基于信息，完全能由互联网送到设计师的电脑上。从基础或者应用研究上延伸的知识服务，不仅要有获取知识的资源，还要有知识库和在互联网上服务的界面。

从这样的系统观出发，设计过程其实并不神秘和复杂。如果将捕捉、整理和确认需求作为设计前的阶段：需求工程，因为这涉及管理和经营方面的知识而不是设计师的专长，那么，设计主要只有三个任务，称为设计三步：一是需求解读，二是功能知识集成(功能架构)，三是结构知识集成。功能知识集成是核心，如果一个系统不具备所需要的功能，人们就不会去设计这个系统。(22)谢友柏.设计科学与设计竞争力[M].北京：科学出版社，2018.设计师在设计一个系统时最先想要得到的知识是：集成哪些子系统的功能能够使设计对象具有所需要的功能？这样理解的设计过程与传统的从概念设计到详细设计的过程不同，传统的设计是以设计师自己或者合伙人头脑里的知识为基础的。

理论上的发展要先引导方法上的发展，然后才能有工具上的发展，新的设计过程需要开发出新的工具。从方法论上看，既然设计师最先想要知道的是集成哪些子系统的功能，使设计的父系统能满足功能需求，那么子系统供应商必须要用产品的功能而不是名称发布自己产品的信息，这是与传统完全不同的方法。若设计师通过搜索产品名称得到产品功能知识，则需要具备额外的知识，这并不利于跨领域知识的应用。

在集成得到若干子功能集后，集成商可向这些子系统供应商要求提供子系统结构知识，以进行父系统结构知识集成。从系统观和搜索与集成效率出发，知识不能用一般的文档表达，需要用模型来表达，以实现基于模型的设计。分布式资源环境下的功能知识模型并不复杂，下面介绍所建议的功能知识建模规则概要：

功能知识的模型表达首先区分要满足的是物质需求、精神需求还是社会需求。针对这些需求，系统功能又分为转变功能、存储功能、支承功能和激励功能以表达输入向量、输出向量之间不同的关系。一个在功能上不必或者不能再分的最小系统，其功能称为功能单元(Function Unit，FU)，可用功能单元方块图(Function Unit Block Diagram，FUBD)表达。四种功能的定义见于表1。

表1 4种功能的定义 (表中的输入、输出均指目的输入和目的输出)

功能单元方块图表达见于图1。方块顶端的箭头为控制输入，控制输入具有转变功能的控制单元产生(输出)。四种功能中，支承功能、存储功能和激励功能都可仅由结构实现而不必有行为。

图1 4种功能单元方块图(图中的输入、输出均为目的输入和目的输出)

在功能知识集成时，集成商也可以要求子系统供应商提供若干重要的非功能知识和约束条件，如成本、交货期、可靠性、环境友好性等等，以便在若干可选方案中竞争选择。当供应商提供一个不必再分的系统时，系统的功能可能是由若干子系统的功能集成，于是就有了集成功能方块图(Function Integrated Block Diagram，FIBD)。图2和图3是两个集成功能方块图举例。

图2 一个洗涤功能的集成功能方块图

图3 一个教育功能的集成功能方块图

图3的教育功能方块图包含着一种教育思想。学校的所有设施，对于受教育学生起的都是激励作用。教授们的作用不是简单地将知识灌输给学生，而是通过言传身教，用自己的行为举止激励学生自己去获取知识，传授一些知识是为了启发学生的自主性和为学生准备获取知识的能力，新生在受到激励后通过自身的转变功能，从教授们的传授、图书馆里的资料和实验结果中吸取知识，从而成为具有成绩R的具备自己获取知识能力的毕业生。

功能知识集成后，集成商将向各被接受子功能的子系统供应商要求提供图4所示的结构知识模型，进行父系统结构知识集成。结构知识模型分A、B两种，B模型包括系统结构全部知识，A模型只包括集成商做父系统结构知识集成时需要的知识。模型的E是系统中元素的集合，P是各元素性质知识的集合，包括几何性质、物理性质、心理性质、社会性质，H是各元素和系统的历史知识，这对确认和验证供应商根据设计要求提供的子系统在全生命周期中的表现有密切关系。

图4 系统的结构知识模型

图5是这种关系的示意图，用于产品的全生命周期设计。图中的全生命周期数字样机比现在流行的数字孪生概念更为清晰和全面。

图5 全生命周期设计中的数据和知识流

图6是设计三步的示意图，包括每一步的确认和验证。图7是分布式资源环境组成示意图。这个环境也可以称为知联网，知联网不是智联网，人工智能的应用是在各个知识服务单元里，知联网也不同于物联网，物联网联系的不是物，而是物的信息，物还是要由快递送达，而知识则完全可以在互联网上流动。

图6 设计三步及设计确认和实施验证示意图

图7 分布式设计知识资源环境示意图

1945年范内瓦·布什写给美国总统罗斯福的报告以及2020年拉什·霍尔特为报告撰写的导读，谈到美国曾经“是以欧洲基础研究的发现为主要依托推进实用技术发展”，强调了“一个依靠别人来获得基础科学知识的国家将进展缓慢和没有竞争力”，提出“基础研究是技术进步的引领者……是一个长期过程，如果寄希望以短期支持产生即时结果，那么它就不再是基础研究”。这些论述，对于中国如何理解和推进科技创新战略有着重要意义。

但是，不论是布什的科技发展的线性模型或是后来的象限模型，都说明科技不是一个笼统的概念，从科学研究到技术开发要经过几个性质不同的阶段，各有不同的特点，需要不同的措施对待。不研究和认识这些不同及其相互之间的关系，虽然奋斗，只能事倍功半。这些不同阶段：第一阶段是基础研究，一个不够准确的对应就是通常所说的科学；
第二阶段是应用研究，同样一个不够准确的对应就是通常所说的技术；
第三阶段是开发，开发包括设计和实施；
最后一个阶段，对于物质产品还要有生产经营，对于非物质产品也要有出版、发行、传播、组织、推广等这些阶段，才能够成为现实的创新。

布什报告和此后许多讨论的重要缺陷，是它们都没有看到从一个阶段发展到另一个阶段本质上是知识流动和变化的过程，特别是所有人都没有提出控制这些流动和变化的是人的设计这个环节。基础研究是探索未知的客观规律，得到的是与利益不相关联的知识；
应用研究是求得应用问题的解，或者被对应为技术，也是知识，应用问题与需求有关，需求与利益相关联，而寻求满足对社会有利需求的解或者寻求满足对社会不利需求的解，取决于设计，而不取决于知识本身。应用问题求解和开发阶段中的设计，是控制运用知识去满足何种需求的具有决定意义的环节，所以基础研究是否可以自由探索和热议中的科技伦理问题，应该由关注设计是否遵守必须共同遵守的法则的问题代替，看不到这些，是设计科学研究缺失的表现。设计科学属于基础研究领域。

由于不能从设计科学的视角来分析时代不同和国情不同对于科学、人才和知识之间关系认知上的不同的作用，布什建议的是受垄断资本控制的科技发展道路，掩盖了垄断资本通过垄断人才来垄断知识和知识运用能力，取得创新优势，用技术、经济、政治、军事上的优势搞垮竞争对手以获取超额利润的本质。这条道路并不适合当前由技术高速进步推动的全球经济一体化趋势和以实现人类命运共同体理想为己任的中国的国情，所以要设计和构建一条对待科学、人才和知识之间关系的不同道路。构建这条道路，需要在设计科学研究基础上，实现已有知识积累的高效供给和高效运用以支持万众创新，同时也需要制定有力政策措施以推进依靠自己获取和积累新的基础知识和应用知识，补上科技创新中知识供给和运用知识能力不足的供给侧短板，以提高设计的竞争力，加快从跟跑、并跑向领跑的发展，更切实地推进科技创新。而对这条道路正在研究中的解决方案，便是分布式设计知识资源环境。