2013年8月，中國工程院啟動了重大谘詢項目“創新（xīn）設計發展戰略研究”，項目組織了近（jìn）20位（wèi）院士、100多位專家，曆時兩（liǎng）年在地方、行業（yè）和企業進行廣泛調研和深（shēn）入研究，研究（jiū）成果已引起政（zhèng）府的（de）高度重視和企業與社會的廣泛關（guān）注。“提高創新設計能力”已經被作為提高我國製造業創新能力的重要舉措列入《中國製造2025》。中國好設（shè）計評選活動由中國創新設計產業戰略聯盟主辦，旨在評選和表彰在知識網絡（luò）經濟（jì）時代湧現出（chū）的中國創新設計優秀案例，全麵展示創新設計在產品係統創（chuàng）新、工藝（yì）流（liú）程創新、管理（lǐ）服務創（chuàng）新及商業模式創新等方（fāng）麵的價（jià）值。2015年度中國（guó）好設計評選活動共評選出10項金獎和20項銀（yín）獎（jiǎng）。 
 

案例一： CRH380A型高速動車組
完成單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司
 

一、 案例背景
    2004年至2007年，四方股（gǔ）份按照國務院“引進先進技術，聯合設計生產，打造中國品牌”的總體要求，在引進消化吸收的基礎上，通過大量工程實踐，掌（zhǎng）握了高速動車組核心技術，擁（yōng）有了時速200公裏動車組的設計、製造和（hé）運用經驗（yàn）。
    2008年，四（sì）方股份通過十大（dà）技術創新 ，突破了製約速度（dù）提升的關鍵問題，研製了新一代CRH380A型高速動車組，創造（zào）了運營動車組最（zuì）高試驗速度486.1km/h的世界記（jì）錄（lù），推動（dòng）我（wǒ）國高速鐵路運行時（shí）速提升至350公裏，達（dá）世界先進水（shuǐ）平，成功實（shí）現中國製造到中國創（chuàng）造、中國質量到中國（guó）品牌的轉變。

圖1 CRH380A動車組外觀圖
 

二、設計思路
    四方股份以全（quán）麵提升（shēng）列車（chē）整體性能為目標（biāo），遵循“先（xiān）進（jìn）、成熟（shú）、經濟、適用、可靠”的設計原則，“以安全可靠為核心，實現（xiàn）高速、高舒適性、高環（huán）保節能”的創新理念，研製具有自主知識產權的持續（xù）速（sù）度350公裏的（de）高（gāo）速動車組，打造中（zhōng）國品牌（pái）。
 

三、設計方法
    四方股份通過對CRH380A型高速列車頂層技術指標進行技術分解，從係統（tǒng）集成和（hé）各（gè）部件性能等（děng）方麵，對既有動（dòng）車組（zǔ）進行係統技術分析；結合線路試驗，對比國內、外動車組係統性能和結構，揭示更高速度條件下列車各（gè）係統間的作用（yòng）關係和規律，提出新一代高速列車技（jì）術提升策略。以仿真分析、試驗驗證、運營（yíng）考核相互驗證作為研發手段，形成了涵蓋“方案設（shè）計、技術設（shè）計、施工設計（jì）和試驗驗證”四個階段設計流程。

圖2 CRH380A動車組研發（fā）路線圖
 

四、設計創新點
    頭型設計決定了列車運行的氣動性能（氣動阻力、氣動升力、側向（xiàng）力、交會壓力波（bō））及運行的節能環保(氣動阻力、氣動噪聲)等關鍵的技術指標。四（sì）方股份提出20種概念設計方案，經過平衡技術性能和文化特性的需求，確定10種優選方案進行仿真計算（suàn）。從中再選出 5 種綜合性能優（yōu）良、外形特征鮮明的設計方案，進行仿真（zhēn）計（jì）算和風洞試驗，優化氣動性能，最終確（què）定了最優的頭型（xíng）方案。最終確定的（de）CRH380A頭型概念（niàn）取材（cái）於長征火箭，造型圓潤、光滑（huá），線條流暢，形態飽滿。全新的頭型設（shè）計，降低了氣（qì）動阻力、氣動噪聲和交會壓（yā）力波，抑（yì）製了尾車氣動升力，提高了氣動安全性（xìng）。
    車體是高速動車（chē）組的關鍵承載部（bù）件。隨速度提（tí）升，線路和（hé）氣流擾動增強，列車耦（ǒu）合（hé）振動加劇，影響結構可靠性。CRH380A車體設計的核心在輕量化、等強度設計的原則下，通過結構優化和模（mó）態參數匹配，實現了車體氣密強度、振動模態性能提升，保證了高速運行的結（jié）構安全可（kě）靠性。

圖3 CRH380A車廂內部圖

    轉向架承擔列車（chē）的承載（zǎi）、導向、減振、牽引和製動功能，決（jué）定列車的（de）運行安全和動力學性（xìng）能，是高（gāo）速列車的核心技術之一。新一代CRH380A動（dòng）車（chē）組轉向架繼續采用經過（guò）長期運用驗證成熟可靠的技術和結構，為滿足350km/h以上速度長距離運營要求，轉（zhuǎn）向架進行了構架適應軸重載荷增加重新設（shè）計，輪軸和軸承滿足380km/h和15t軸重技術要求進行了（le）強度設計，采用高熱容量的轉向架製動盤片，進行了轉向（xiàng）架懸掛係統的優化，從而提高轉向架及各子係統的可靠性。
    隨著速度的提升, 輪軌噪聲、氣動噪聲、受電弓（gōng）係統噪聲和結構振動噪（zào）聲急劇（jù）增強。CRH380A減振降噪設計進行了按照分頻段控製、等聲壓級（jí）設計和輕量化設計三大控製策略，采用“減、隔、吸、降”的技術手段，實現對噪聲源和傳播途徑的控製。
    牽引係統為（wéi）動車組高速運行提供驅動力，在降低空氣阻力的基礎上，提升牽引係統功率是提（tí）高動車組速度的主要（yào）手段（duàn）。CRH380A動車組的研發結合京津、武廣線路長期跟（gēn）蹤（zōng）運行（háng）實測數據，經過係統分析和計算，提出了係統提升方案。通過改變（biàn）關鍵部件的材料、結構和冷卻係統，合理匹（pǐ）配係統參數，提高單位功（gōng）率重量比，實現高啟動加速和高速運行能力（lì）。
    結合我國高速鐵路采用（yòng）彈性鏈（liàn）型懸掛接觸網的特點，同時考慮隨列車速度提高，氣流激擾對受電弓受流性能影響加劇，CRH380A長編動車組采用（yòng）半主動控製的受電（diàn）弓。半主動控製的受電弓，可以（yǐ）實現隨列車速度變化自動調整弓網間的接觸壓力，實現雙弓穩定受流。
    製動係統是保證高速列車（chē）安全（quán）停車的重要手段。CRH380A製動係（xì）統為微機控製直通式電空製（zhì）動係統，采用電（diàn）空複（fù）合製動、電製動優先的控製方式，主要（yào）由風源係統、製動控製係統、防滑裝置、基礎製動裝置等組（zǔ）成。製動（dòng）係統充分利用再生製動，提高能量回饋，降低機械磨耗。

五、設計（jì）先進性
    創造運營動車組最高試驗速度486.1km/h的世界記錄，推動我國高速鐵路運行時速提升至350公裏，投入運（yùn）營400餘標準列，極大緩解了客運壓力，是國內（nèi）高速動車組走出去的首推車型，促進同城化進程和社會發展。
 

案例二“海洋石油981”3000米水深半潛式鑽井平（píng）台
完成單位：中國海洋石油總（zǒng）公司 中船集（jí）團第 708 研究所 上海外高（gāo）橋造船有限公（gōng）司 
 

一、案例背景
    作為我國油氣（qì）資源勘探開發最重要的區域，南海70%的石油蘊藏在深水區域。長久以來，受（shòu）技術水平和（hé）裝備能力（lì）所（suǒ）限，我國海（hǎi）洋石油開發僅限於近海。截止2011年前（qián）我國（guó）的深水（shuǐ）鑽探開發仍處於起步（bù）階段，僅屬於世界上第二代、第三代的水平。中國船舶工業集團公司第七O八研（yán）究所（suǒ）（以下簡稱七O八所）和上海外高橋造船有限公司通過集成設計創新，突破錨泊和動力定位等多項關鍵技術，建造第六代深水半潛式（shì）鑽井平台，成為我國裝備製造業高（gāo）端突破領先的（de）一（yī）個縮影。
 

二、設計思路
    “海洋石油981”設（shè）計思路的最顯著的特征是麵（miàn）向戰略需求的集成創新，通過係統性的集成設計創造性地整合全球一流的設計理念和裝備，各項創新要（yào）素之間（jiān）互補融合優化，使係統的整體功能發生質的（de）變化（huà），實現跨越式發展。同時（shí），在集成（chéng）設計的基礎（chǔ）上進行自主創新設計，突破了諸（zhū）多關鍵核心（xīn）技術難題，提（tí）升了我國深水海洋工程裝備自主創新能力。具體實施過程分三個階（jiē）段：
    第一階（jiē）段，開展前期研究（jiū）。中國海洋石油總公司聯（lián）合七O八所、國內高（gāo）校（xiào）等（děng）優勢力量，以充分吸收利用國內外創新人（rén）才和技術為起點，開展前期研究。通過開（kāi）放合作，從分析國外最先進的典型船型和方（fāng）案（àn）著手，進行技術理念和特點的（de）深化研究，提出針對南海海域的深水（shuǐ）半潛式鑽井平台性能指標和概念設計方案，並製定（dìng）進行基本設（shè）計船型方案國（guó）際招（zhāo）標的技術（shù）要求（qiú）和設計基礎。
    第二階段，進行聯合基本設（shè）計。中海油應用（yòng）集群管理設計的思維，將孤立的要素集成為創新平台上的組成部分，使得整個組織成為創新的主體。集成創新設計具有巨大的凝聚效應和創造空間，讓近百家國內外單位為了一個目標集成為一個整體，又在各自（zì）最擅長的（de）領域創新貢獻出價值，讓人才得（dé）到了最大化的鍛煉和發揮。依托於中海（hǎi）油的組織（zhī）能力（lì）以及（jí）先進的管理設計並與眾（zhòng）多夥伴合作協同共創，形成了具有自主知識產權的基（jī）本設計方案。針對南海海域惡劣環境條件（jiàn）和平台的技術要求，重點進行了平台主要（yào）尺（chǐ）度、總體（tǐ）布局、運動性能、結構性能及關鍵係統深化、優化設計。
    第三階段，進行平台工程建造和海上試驗。詳細設計期間（jiān），係統性地突破（pò）了平台總體綜合性能優化、關鍵結構設計、重（chóng）量（liàng）控製及主要係統集成優化設計等一係列難題（tí），係統性地解決了平（píng）台設計核心（xīn）關鍵技術。
 

三、設計創（chuàng）新點
    1．集成設計引領跨越：設計（jì）了適應我國南（nán）海兼（jiān）顧世界其它主（zhǔ）要（yào）海域作業、性能指標先進、具有自主知識產權（quán）的第六代深海半潛（qián）式鑽井平台方案。設計方案體現（xiàn）了優異的運動性能、高穩性儲備，綜合協調、有機（jī）融合的總體布置，先進的設備配置，高效的作業效率等特點，各項性能指標達到了國際先進水平。建立了深海半潛式鑽井平台設計技術、數（shù）值分析技術、規範及設計標準三大技術體係，實現了技術體係集成（chéng）創新。編製了《深海半潛式平台設計規範》以（yǐ）及設計指導性文件，填補了我國在該領域的空白。
 

圖 鑽井平台出塢

    2.技術創（chuàng）新突破關鍵：穩性和結構強度設計滿足了200年一遇的台風環境參數要求，平台達到作業性能指標和安全性指標綜合統一的高水平。首次設計了適應南海環境條件的錨泊和動力定位組合配置方案（àn）平台。在1500米水深範圍，采（cǎi）用12點錨泊定位係（xì）統實現節能與穩定雙重目標（biāo）；在3000米水深範圍，采用DP3等級的目標平（píng）台動力定位係統，在精確計算的基礎上，靠8個推進器達到平衡定位目的。開發了（le）深海半潛平台水動力（lì）性能混合模型試驗（yàn）技術、動力定（dìng）位性能分析軟件和（hé）DP3動力定位仿真裝置，多項成果獲得了國家發明專利授權和相關軟件著作權登記。

    3．配套設計助推發展：實現了深海鑽井係統部分關鍵設備（bèi）的國產化研製，完成了技術性能先進的6000馬力鑽井絞（jiǎo）車、伸縮式鐵鑽工、3000馬力高壓泥漿（jiāng）泵的（de）自主設計（jì）與（yǔ）製造，核心設備國產化研製取得突破。
 

四、主要設計先進性指標
    1.半井架型式設計突破傳統隔（gé）水（shuǐ）管存放方式，采用直接（jiē）作用式隔水（shuǐ）管（guǎn）張緊係統的鑽井係統。與國際同（tóng）類先進平台相比，平均時效（xiào）高達86%，鑽井時效提高10%，直接（jiē）經濟效益（yì）超（chāo）過100億。
    2.創新突破原參考船型，量級提升關鍵技術指標，作業水深由（yóu）2286米（mǐ）提升至3050米，鑽井深度最大可達12000米，可變載荷由7000噸提升至9000噸，錨（máo）泊定位係統由8點提（tí）升至12點，錨泊定位水深可達1500米。
    3.世（shì）界首次研製成（chéng）功（gōng）高強度（dù）R5級海洋工（gōng）程係（xì）泊錨鏈（liàn），破斷（duàn）載荷達到860噸，較R4錨鏈提高17%，形（xíng）成ABS的R5級錨鏈標準。
 

案例三： 蛟龍號載（zǎi）人潛水（shuǐ）器
完成單位：中船重工702 研究所
 

一、案例背景
    隨著深海科考（kǎo）和資源探測需求日益迫切，作為深（shēn）海科考和資源探測重要手段的載人潛水器研發也勢在必行。中國載人深潛隊伍瞄準水下7000米（mǐ）深度的科考作業和（hé）國際領（lǐng）先技術（shù）水平，通（tōng）過不斷的摸索和試驗提（tí）出了我國深海載人（rén）潛水器的設計方法，以我國工業（yè）生產水平為基礎並吸收國外先進技（jì）術開（kāi）展蛟龍號的總體設計，設計出（chū）了總體性能優越、功能強大（dà）的（de）蛟龍號載人潛水器（qì），填補了我國在深海載人潛（qián）水器領域的空白。

圖1 蛟龍號構造（zào）圖
 

二、設計思路
    蛟龍號載人潛水器在設（shè）計之初就以“先進（jìn）性、實用性、可靠性、安全性”為（wéi）設計目標（biāo），結合先進的設計和製（zhì）造手段（duàn），遵循“載體性能與作（zuò）業要求一體化、技術先進性和工程實用性統一（yī）化、技術要素（sù）規範化（huà）、結構分（fèn）塊化、功（gōng）能模塊化”準則，注重（chóng）多（duō）學科優（yōu）化作為設計創（chuàng）新理念。
    蛟龍號載人潛水器的設計依托702所長（zhǎng）期的技術積累和（hé）比較完善的試驗設施（shī）體（tǐ）係，創新提出了四要（yào）素設計（jì）方法，整（zhěng）體采用自頂向下的3D設計理（lǐ）念，結（jié）合（hé）深（shēn）海環境、用戶（hù）需求（qiú）和我國工（gōng）業水平，采用多學科優化設計方法進行（háng）優化集成，研製（zhì）成功了性能優越的蛟龍號載人潛水器。

圖2 蛟龍號設計（jì）流程
 

三、設計創新點
    1.創新設計（jì）打造卓越性能
    蛟龍（lóng）號設計了獨特的低（dī）阻流線型主體+X型穩（wěn）定翼+7個（gè）矢量布置的推力器的水動力布局形式，讓其載體既具有六自由度的良好機動能力，又具有穩定的低阻直航性（xìng）能，配合先進的控製策略，實現了深海（hǎi）載人潛水器近複（fù）雜海底（dǐ）操控；設計研發的液壓泵送移動水銀技術，基（jī）於多傳感器（qì）信息融合的自主導（dǎo）航技術（shù），突破（pò）了超大（dà）潛深縱傾調節（jiē）難題，實（shí）現了深海載人潛水器的爬坡航行功（gōng）能（néng）和深（shēn）海路徑操控。
    蛟龍號在（zài）國際上首次實現了大（dà）深度載人潛水器（qì）的懸停（tíng）定位控製，實現了（le）針對目標所需的的穩定作業；同時，蛟龍號（hào）突破的大深度載人潛水器高精度定（dìng）高航行控製（zhì）技（jì）術開創了載人潛水器距海（hǎi）底為0.5~1m的高效搜尋、探測作業模式，讓蛟龍號的深海作業（yè）能力進一步提高。
    2.創新設計（jì）實現高安（ān）全性、高可靠（kào）性
    為了有效地避免故障引（yǐn）起的後患，蛟龍號（hào）設計了大潛深電氣設備及線路（lù）的絕緣故障預警檢測裝置，該裝置可以實時（shí）判別故障的級別，提前采取相應的故障隔離措施；設計了動力供應、水聲通信、生命（mìng）支持等關鍵係統的故障報警，並通過冗餘（yú）設計實現容錯控製。故障報（bào）警裝置的設計有效的提高了蛟龍號的可靠性和安全性。
    為了進一步確保深海作業（yè）的安全（quán）性和可靠性，在蛟（jiāo）龍號的（de）研發過程中，首次設計出大潛深下有電爆螺栓、液壓驅動等多種應急（jí）拋（pāo）載裝置，實現蓄電池箱、采（cǎi）樣籃、機械手、水銀等的單獨拋棄和集合（hé）拋棄等，使得蛟龍號在海底作業時遇到泄漏或纏繞等各種應急情況下可以進一步提供足夠浮力，確保安全上浮；同時，通過首次在大潛深潛水器上設（shè）計的應急浮標釋放裝置，當潛水器在（zài）海底被（bèi）陷時可以釋放浮標到達海麵，通過浮標和（hé）潛水器相連的（de）牽纜，對潛水器實施解困（kùn）救援。

圖3 鈦合金載人艙球（qiú）殼

圖4 蛟龍號一（yī）體化框架結構

    3.創新設計突破超常規的大（dà）潛深耐壓技術
    超常規的大（dà）潛深耐（nài）壓技術是（shì）大深度載人潛（qián）水器的核心（xīn）技術，蛟龍號的研發過程中（zhōng），建立（lì）了7000米級鈦合金（jīn）載人球（qiú）艙應力強度標準、設計計算方法（fǎ）、開口加強和試驗檢測等方法；並依此（cǐ）設計出了可載3人的鈦合（hé）金載人艙球殼，為實現（xiàn）載人深（shēn）潛提供（gòng）支撐；並且（qiě）設計了一體（tǐ）化框架結（jié）構，既可承（chéng）載潛水（shuǐ）器的所有（yǒu）設備，又可以方便維護；同時，以超大潛深雙向壓力補償技術為基礎，設計了蓄電箱內下潛時補償油（yóu）體積壓縮和上浮時放電所積累的氣體膨脹的雙（shuāng）向壓力（lì）補償，有（yǒu）效地減輕了潛（qián）水（shuǐ）器重量，實現了載（zǎi）人深潛（qián）的夢想。
    4.創新設計打造卓越（yuè）作業係統（tǒng）
    蛟龍號通過人機環優化設（shè）計，在2.1米直徑載人艙內3位（wèi）乘員與各種操縱設備形成一個（gè）整體，不僅提高了空間利用率（lǜ），還提升了乘員的舒適性和工作效（xiào）率；設（shè）計的機械手與采樣籃組合，實現（xiàn）了深海的各（gè）種高難作業；設計的燈光視頻係統，實現了在（zài）深海的高清晰拍（pāi）攝，有效的實現了蛟龍號的係統作業。

圖5 蛟龍號載（zǎi）人艙內部
 

四、主要設計先進性（xìng）指標（技術、商業、文化、人本）
    蛟龍號是我（wǒ）國自行設計、自主集成、獨立完成海（hǎi）上試驗的國際上（shàng）工作深度最大（dà）的（de）作業型載人潛水器。在國際上首次突破了7000米級科學考察和資源勘查載人潛水器總（zǒng）體集成設計、總裝建（jiàn）造、試（shì）驗測試（shì）等關鍵技術。
    蛟（jiāo）龍號已成功實現了三個航次的應用，在南海、太平洋和印度洋（yáng）上，完成了超（chāo）過40次的下潛作業和（hé）超過20多人次的科學（xué）家下潛（qián），采集了大量的樣品，拍攝了（le）寶貴的視像資料，為南海科（kē）學研究、大洋資源與（yǔ）環境調查、熱液硫化物探索做出了重大貢獻。