（设计艺术学专业论文）数控机床ICAID系统中设计知识的研究.pdf

摘要 论文作为“十五”国家科技攻关项目“基于设计知识和用户知识的网 络化数控机床造型设计与人性化界面技术及运用研究”的一部分主要 讨论了数控机床造型设计的设计知识，并结合i c a i d 系统中的案例来构 建i c a i d 系统中的设计知识子系统。 论文首先在对基于知识的c a d 及c a i d 的分析基础上，对其课题来 源及其发展方向作了一定的论述。并对基于知识的i c a i d 的概念进行了 相应的研究。 然后通过对知识、知识系统的相关理论研究，包括知识的分类以及知 识系统定义的阐述，对i c a i d 系统中设计知识的概念及其研究内容进行 了分析，并从审美心理的角度对设计知识的表达方式进行了论述。 重点通过对基础造型以及数控机床造型原理的分析，结合研究过程中 相关数控机床造型设计的分析，总结整理出关于数控机床造型设计规律 性的设计知识。创造性地提出了数控机床造型设计的造型单元连接方式 和造型单元处理方法。 论文的另一个重要部分是通过实验的方法来获取数控机床的造型设 计知识。通过引入多个实验，获取i c a i d 系统中数控机床造型的不同方 面的设计知识，迸而获得i c a i d 系统中相对完整的设计知识。此外研究 过程中将计算机领域的相关技术引入到i c a i d 系统也是论文的另一个重 点。通过采用m e t a d a t a 技术，从而使i c a i d 系统中的设计知识得到完整 的表达。 最后是通过对各个部分设计知识案例以及设计知识子系统案例的分 析，来阐述设计知识在i c a i d 系统中的应用。从而使整个i c a i d 系统的 设计知识和设计知识予系统得到了完整的表述。 关键词：数控机床；i c a i d 系统；设计知识：设计知识子系统； 获取 表达；应用 a b s t r a c t a sa s t u d y o ft h es t a t e s “t e n t h f i v e y e a r n a t i o n a l s c i e n c ea n d t e c h n o l o g yp r o j e c t “r e s e a r c h o ni n t e r n e t - b a s e d n c ( n u m e r i cc o n t r 0 1 ) m a c h i n et o o l sf r o md e s i g na n dh u m a n i z e di n t e r f a c et e c h n o l o g i esa n d i m p l e m e n t a t i o n sb a s e d o nt h ed e s i g nk n o w l e d g ea n du s e rk n o w l e d g e ”， t h i s p a p e rm a i n l y i n t r o d u c e dt h ed e s i g nk n o w l e d g ea b o u tf o r md e s i g no f n cm a c h i n et o o l s a n dc o m b i n e dw i t hs o m ec a s e si nt h ei c a i ds y s t e mt o e s t a b l i s ht h ed e s i g nk n o w l e d g es u b s y s t e mi nt h ei c a i ds y s t e m t h i sp a p e rw a sf o u n d e do nt h ea n a l y s i so ft h ec a da n dc a i dw h i c h b u s e do nt h e k n o w l e d g e a t f i r s t ，a n dg i v e n s o m ed i s c u s s i o na b o u tt h e o r i g i n a n dt h er e s e a r c hd i r e e t i o no ft h i st a s k t h ec o n c e p t i o no fi c a i d b a s e do nk n o w l e d g ew a sa l s ob r o u g h tf o r w a r d b ye x p o u n d i n g o nt h ec o r r e l a t i v et h e o r yr e s e a r c ha b o u tk n o w l e d g e a n dk n o w l e d g es y s t e mi n c l u d i n gt h es o r t so fk n o w l e d g ea n dt h ed e f i n i t i o n o ft h ek n o w l e d g es y s t e m ，t h ec o n c e p t i o na n dr e s e a r c hc o n t e n to ft h ed e s i g n k n o w l e d g ei nt h ei c a i ds y s t e ma r eg i v e no u t a tt h es a m et i m et h i sp a p e r d i s c u s s e st h e e x p r e s s i o n m a n n e ro f d e s i g nk n o w l e d g e a tt h ev i e wo f a e s t h e t i cp s y c h o l o g y f i r s tt h ep a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l e so fb a s i ca n dn cm a c h i n et o o l s f o r m t h e nt h ec o r r e l a t i v ef o r md e s i g no fn cm a c h i n et o o i si nt h ep r o c e s s o fr e s e a r c hw a s a l s o a n a l y z e d b a s e do nt h e s e a n a l y s e s ， s o m e w e l l r e g u l a t e dd e s i g nk n o w l e d g e a b o u tt h ef o r m d e s i g n o fn cm a c h i n e t o o l sw a sd r a w no u t n a m e l yt h ef o r mu n i tc o n n e c t i v ew a ya n dd i s p o s a l m e a n sw e r ec r e a t i v e l yp u tf o r w a r d ，w h i c hi s o n eo ft h ek e yp o i n t si nt h e p a p c r a n o t h e r k e y s t o n e o ft h i s p a p e r i st o c a p t u r e t h ef o r md e s i g n k n o w l e d g eb yu s i n ge x p e r i m e n t a l m e t h o d s t h r o u g hi m p o r t i n g s e v e r a l e x p e r i m e n t s ，t h i sp a p e ra i m e dt oc a p t u r ed i f f e r e n td e s i g nk n o w l e d g ea b o u t n cm a c h i n et o o l sd e s i g na n dc o m p a r a t i v e l yi n t e g r a t i v ed e s i g nk n o w l e d g e o fi c a i d s y s t e m i n t r o d u c i n g s o m ec o r r e l a t i v e t e c h n o l o g i e s i nt h e c o m p u t e rs c i e n c e f i e l dt ot h ei c a i ds y s t e mi sa l s oa n o t h e rk e yc o n t e n t ， t h r o u g hu s i n g t h e m e t a d a t a ，d e s i g nk n o w l e d g e i nt h ei c a i ds y s t e mi s i i e x p r e s s e dp e r f e c t l y t h i s p a p e rh a s s e tf or t ht h e a p p l i c a t i o n o fd e s i g n k n o w l e d g ei n t h e i c a i ds y s t e m b ya n a l y z i n g t h ee a s e so f d e s i g nk n o w l e d g e a n d d e s i g n k n o w l e d g es u b s y s t e ma t l a s t t h e r e f o r et h ed e s i g nk n o w l e d g ea n dd e s i g n k n o w l e d g es u b s y s t e m o ft h ew h o l ei c a i d s y s t e m h a sb e e n e x p r e s s e d i n t e g r a l l t y k e y w o r d s ：n c m a c h i n e t o o l s ；i c a i ds y s t e m ；d e s i g nk n o w l e d g e ； d e s i g nk n o w l e d g es u b s y s t e m ；c a p t u r e ；e x p r e s s i o n ；a p p l i c a t i o n l l i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：暨彳正乎日期：2 0 。年乡月考日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：勃d 孚 导师签名：耋型好i # # ，。 日期： 7 0 d 4 - 年弓月工7 日 日期：现屯年年吾月7 日 第1 章绪论 1 1 c a i d 技术的发展 著名科学家、诺贝尔物理奖的获得者李政道教授说：“科学、艺术是 不可分割，就像一枚硬币的两面。尽管自然现象并不依赖科学家的 存在，但对自然的抽象的总结仍属人类智慧的结晶，这和科学家的创造 是一样的。”从古至今，科学与艺术的融合随处可见。而c a i d 技术的 出现和发展则正是科学与艺术融合的典范。 1 1 1c a i d 的基本内涵 c a i d ( 英文c o m p u t e r a i d e d i n d u s t r i a ld e s i g n ) 是计算机辅助工业设 计的简称，是指在计算机及其相应的计算机辅助工业设计系统的支持下， 进行工业设计领域的各类创造性活动”1 。 设计是人类为实现某种目的而进行的一项创造性活动口1 。而1 9 8 0 年 国际工业设计学会联合会( i c s i d ) 第1 1 次年会上公布的修改后的工业 设计的定义是：就批量生产的工业产品而言，凭借训练、技术知识、经 验及视觉感受而赋予材料、结构、形态、色彩、表面加工以及装饰以新 的品质和资格，叫做工业设计。设计过程是由信息检索、分析、计算、 综合、修改及文件编辑等诸多环节构成”1 。 而c a i d 是工业设计适应未来计算机技术发展要求的产物，其核心 还是工业设计技术。就工业设计而言c a i d 技术是一种从市场调查分析 到广告销售工业设计全过程的计算机辅助设计技术，涉及到产品的形、 色、质以及人枧特性等方面。因此，形状的分析、综合、修改、图纸的 绘制以及人机关系的分析是工业设计中具有设计特色的典型设计环节。 当然，c a i d 首先是一项技术，这项技术包括了计算机辅助技术和工业 设计技术，是两者的有机结合。自工业设计诞生以来，工业设计就是通 过对其他技术的或者艺术的元素不断消化、不断综合、不断丰富的过程。 那么，在计算机的支持下，计算机技术与工业设计的结合绝不是简单地 相加，而是会逐渐渗透到工业设计的核心，具体而言就是工业设计的数 字化或信息化的改造m 。 总之，c a i d 概念的内涵可以概括为：在计算机辅助造型技术、人 机交互技术、人工智能技术、虚拟现实技术、网络协同设计技术等的支 撑下，进行工业领域内的概念设计、市场调查、方案设计、方案评价等 各类产品创新设计活动，同时还与制造领域的c a d c a e c a m ，c a p p 真 正流畅地协调工作，提高整个产品开发的效率和水平。 1 1 2c a i d 技术的发展现状 当前，国内外c a i d 的研究主要集中在计算机辅助造型技术、c a i d 中的人机交互技术、智能技术以及新兴技术的应用研究等方面”1 。因此， 对于计算机辅助工业设计技术的发展现状，我们主要可以从这几个方面 得到进一步的了解。 首先，是计算机辅助造型技术的发展，计算机辅助造型技术经过近几 十年的探索，已经发展到特征造型和参数化、变量化设计阶段，为实体模 型向产品模型的转化铺平了道路。在c a i d 技术领域，计算机辅助造型技术 的研究主要体现在造型的自由曲面设计和草图设计等方面。产品外形自由 曲面设计的研究是c a i d 的一个重要内容，采用曲面特征设计3 是自由曲面 设计的一个重要发展，如图1 1 。而草图设计技术是随着实体造型技术的发 展，为满足工业设计是传统的手绘习惯而发展起来的造型技术，它是用来 弥补传统c a d 系统与工业设计之间鸿沟的有效手段。1 ，如图1 2 。该技术的 图1 1 自由曲面设计图1 2 草图设计 重点在于两个方面：一是设计过程中的人机交互技术，及设计系统如何有 效地模拟设计手绘：二是草图重建技术。 其次，是c a i d 中人机交互技术的发展。随着近几十年对于人机工 程技术的研究，人体标准数据库、三维人体模型以及一些人机设计系统、 评价系统已经得到了广泛的应用。而在c a i d 技术领域，人机交互技术 的研究主要体现在人机界面技术和虚拟仿真技术等方面。当前，人机界 面模型“、虚拟界面1 、多用户界面“玎是人机界面技术的几个重要研究 方向。而对于人机交互的模拟、人机虚拟环境的构建的研究则可以更为 有效地进行人机关系的设计、评估、检验。 再次，是c a i d 中智能技术的发展。当前，智能技术已有一定的发 展，可对设计全过程提供一体化的计算机支持。在工业设计领域其主要 涉及到创造性设计思维以及频繁的人机交互，因此，尤其需要人工智能 技术的辅助。而对于工业设计过程的辅助。人工智能技术主要体现在创 造性思维、设计文法以及创新设计的研究和辅助上。 晟后，c a i d 技术的发展还表现于其在高新技术领域的研究。其中主 要是面向并行、协同的工业设计“”、基于v r 的产品设计”“以及绿色设 计1 。 1 1 3c a i d 的发展新趋势 对于c a i d 的发展面言，我们主要从两个方面进行研究，即工业设计 竺釜壁黧篓登登翌譬苎茎竺竺计算机 表1 1 工业设计的转变 辅助工业设计技术的发展趋势。 一 1 i 3 1 工业设计的发展方向 工业设计在现阶段而言最主要 的发展趋势就是后工业设计的发 展。从表i 1 中我们可以发现，后 工业设计的发展和转变主要体现在 设计理论、设计方法、设计程序以 及设计者等很多方面“”。 计算机技术的进步是工业设计 的“数字化”得以实现，因此，设 计过程的“数字化”是工业设计技 术发展的另一个必然趋势n ”。同时， 正是这一趋势的发展，又引发了 c a i d 技术的新发展。 1 1 3 。2c a i d 的发展趋势 从工业设计本身的角度来看，随 着c a d 、人工智能、多媒体、虚拟现 实等技术的进一步发展，使得设计师 对设计过程必然有更深的认识，而计算机对设计思维的模拟必将达到新的 境界。c a i d 将使工业设计朝着多元化、优化、一体化的方向发展，人机交 互方式更加自然，创新设计的手段更为先进、有效。 从整个产品设计与制造的发展趋势看，并行设计、协同设计、智能 设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产 品设计模式的发展方向。随着技术的进一步发展，产品设计模式在信息 化的基础上，必然朝着数字化、集成化、网络化、智能化的方向发展。 1 2 c a i d 系统中知识的研究现状 从领域上讲，c a i d 是计算机辅助设计( c a d ) 的重要组成部分“。 因此，对于c a i d 系统中关于知识的研究现状我们就主要从c a d 和c a i d 两个方面进行了解。 1 2 1 c a d 系统中关于知识的研究 随着计算机技术的应用与发展，c a d 得至u 了广泛的应用，同时，其 研究也得到了迅速的发展。随着人工智能、网络技术以及新媒体等各项 新技术引入c a d 研究，集成化、智能化、网络化、人机交互化成为现在 c a d 的发展趋势。而c a d 系统关于知识的研究，主要集中于对于知识 的提取、表达与应用。专家系统在c a d 系统中的应用是目前c a d 系统 中关于知识的研究的重点。 所谓专家系统在c a d 系统中的应用，就是将于产品设计有关的知识 转化为专家系统中的知识库，用知识来支持产品设计的概念设计、初步 设计和详细设计等接个产品设计过程“”。现在研究开发的是第三代专家 系统，也叫知识系统。它支持知识重用和共享，并可阻嵌入其它计算系 统灵活使用。从知识的角度而言，这一代的专家系统具备这样三个特征： l 、有多种知识表达方式和多种推理机制并存。 2 、支持知识共享和重用，并支持c a s e 推理和重用 3 、能部分支持涉及到常识推理的系统。 m c c 公司的c y c 项目、美国国防部的知识共享和重用项目、欧洲的 k a d si i 项目等都是具备这几项特征的专家系统拍1 。同时由于这些专家系 统的一个重要特征是知识库，因此，知识获取的方法与技术是现在c a d 系统研究的重点。 1 2 2c a i d 系统中关于知识的研究 由于c a i d 是c a d 技术发展的延伸，因此，应用于c a d 系统中的 专家系统同样被应用于c a i d 系统中。c a i d 系统中关于知识的研究一部 分沿用了c a d 系统中关于知识的研究；另一方面，由于工业设计其自身 的特点，关于知识的研究又有其自身的发展。也就是说，c a i d 系统关于 知识的研究除了知识获取的研究以外，还有关于用户知识和设计知识的 专门研究。 伊利诺理工学院对于c a i d 系统中的设计知识和用户知识有较为深 入的研究。他们基于对设计知识和用户知识的研究，开发出了煮咖啡机 的c a i d 系统，并提出了他们关于设计知识和用户知识的理论“”1 。这 一部分的研究在c a i d 系统关于知识的研究中处于领先地位。 1 3 研究课题的来源和研究发展方向 1 3 1 研究课题的来源 本论文的课题来源于由湖南大学赵江洪教授主持的国家“十五”科 技攻关计划：基于设计知识和用户知识的网络化数控机床造型设计与人 性化界面技术及运用研究。本研究的目标是在国家“九五”攻关项目的 基础上，以“基于因特网的计算机辅助工业设计系统”作为起点，开发 可用、实用、高水平并拥有完全自主知识产权的数控机床造型设计与人 性化设计系统平台。 1 3 2 研究发展方向 本次“十五”课题的研究继承了“九五”创造性提出的i c a i d 系统 成果，重点解决了4 个关键问题： 第一。基于设计知识与用户知识的建模理论与方法：设计过程中量 化的造型和色彩设计信息及设计知识获取和建模，用户认知心理模型及 用户知识的获取和建模，以概念设计和造型设计为源头的设计流程中， 造型设计与后续阶段的数据格式交换和在具体产品上的应用方法和建模 方法。 第二，网络协同工业设计过程的规划、集成与优化：建立以湖南大 学工业设计系为中心，以若干典型用户为合作对象的集成并行的网络设 计平台，实现造型设计过程网络意义上的全新规划和基于设计系统信息 集成框架的管理体系 第三，人性化界面设计技术：从机床使用者角度出发，以调查研究 为手段，重点研究机床产品的综合人性化界面问题，建立一套行之有效 和适合我国国情的人性化设计的技术方案。 第四。数控机床快速造型设计技术：研究基于协同网络的并行设计 技术、基于快速原型的快速造型方案设计技术，实现机床产品造型设计 的快速多样化。 本文以系统中的设计知识为核心，重点研究本项目中基于设计知识 的建模理论与方法。从i c a i d 系统设计知识的内容以及系统设计知识的 获取、表达与应用进行分析。着重完成了i c a i d 系统中的设计知识子系 统的研究与构建。 第2 章设计知识在i c a i d 系统中的研究 2 1 i c a i d 系统中的知识和知识系统 i c a i d ( i n t e r n e t b a s e dc o m p u t e ra i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ) 即基于网 络的计算机辅助工业设计，是以c a i d 技术为基础提出来的。而如上所 述本次研究的一个重要内容就是基于设计知识和用户知识的建模理论与 方法，因此，在i c a i d 系统的研究中，知识具有举足轻重的地位。本章 正是从知识及知识系统的角度出发，对i c a i d 系统中的设计知识进行阐 述。 2 1 1i c a i d 系统中知识的分类与特点 知识是一个具有广泛意义的概念，笼统地说，知识是人类对于客观 事物规律的认识，是人类通过对所掌握的信息的整理、加工而产生的。 关于知识，根据不同的原则有各种不同的分类。 就知识的层次而言，知识可以被划分为领域知识和元知识。领域知识 包括了该领域对象的原理性知识和启发性知识。原理性知识是有关对象的 事实、定义、实验和操作，大多定义良好，即可以用数学模型来表示：启 发性知识是指解决该领域复杂的不良结构问题的特有经验。元知识是关于 知识的知识，包括了领域知识的范围、产生背景、可信度等以及求解问题 的推理方法、解决问题的规划、知识组织、知识选择等n “。 就知识的编码而言，知识可以分为弱确的知识与含蓄的知识。明确的 知识可以被压缩成几个简单的符号，这些符号可以被语言( 或文字) 和( 或) 机器所编码，而倾向于含蓄的知识则很难被编码，它通常需要面对面、同 步传递的模式来传播n ”。图2 1 是根据明确的知识和含蓄的知识的区别所 建立的该两种知识之间的动态转换模型。由于在现实研究尤其是设计知识 的研究中，大部分的知识是含蓄的知识，即大部分的知识难以被编码，因 此，含蓄知识的明确化在相关的知识研究中就显得非常重要。从图中我们 可以看到，通过这两类知识之间的不断相互组合、转化使两类知识形成螺 旋式上升的动态知识。 图2 1 知识的动态转换模型 就知识的属性而言，知识可以分为陈述型知识和过程型知识两大类。 陈述型知识是解决事物“是什么( w h a t ) ”的知识，过程型知识是解决事 物“怎么做( h o w ) ”的知识“。陈述型知识是对知识的描述和表达，通 常是用叙述的方法进行表达的，或者说陈述型知识一般可以用语言符号 来进行表达。过程型知识又叫做“程序型知识”，是关于如何完成某件事 情的一种知识。它可以是具体的某个事情，也可以是某种认知的知识。 过程型知识具有说明性，并使用陈述型知识以确定动作或关键任务”“。 就系统对象而言，知识可分为设计 知识和用户知识。设计知识是设计师的 经验、价值观以及产品的生产、使用等 背景信息的混合体，它也包括通过融合 程序化的方法与设计师的直觉以形成 概念、实现概念和评估概念等方面”“。 用户知识是指伴随产品使用时，学习和 解决问题的过程中得到的经验所产生 的知识】。图2 2 是设计知识与用户知 图2 2 用户知识与设 识的知识周期图m 】，从中我们可以更 计知识的周期图 进一步了解这两者之间的关系。 在此需要强调的是，以上关于 知识的分类并不是孤立的，雨每种 知识的分类也不是完全界限明确 的。各种分类的知识之间都相互联 系、相互影响。图2 3 是关于各类 知识之间联系的网络图，从中我们 可以更清楚地了解各种类型知识问 的关系。 图2 3 知识分类网络图 2 ，1 2i c a i d 系统中的知识分 系统 i c a i d 系统是基于网络的计算机辅助数控机床造型设计的工业设计 系统“2 ”，因此，知识在该系统中就成为一个重要的组成部分。又因为 系统是一定成分按一定关系组成的具有独立功能和作用的有机整体n 1 ， 而i c a i d 系统中的知识部分具有系统的这些特点，从而形成了i c a i d 系 统中的知识分系统。 数控机床1 c a i d 知识分系统是以数控机床辅助设计的用户知识和设 计知识为核心，为设计师和工程师提供设计辅助的知识系统。数控机床 i c a i d 知识系统的核心是在于辅助数控机床设计，无论是知识获取、存 储还是表达，辅助设计是系统的核心。数控机床i c a i d 知识系统的关键 任务就是要通过系统辅助，发挥设计师的创造性，完成数控机床设计任 务。因此，该知识分系统主要是一个通过领域专家的总结分析以及网络 技术和系统导航技术等计算机技术的应用，对系统知识进行获取、存储、 表达与应用的系统。该分系统主要包括了四个方面的功能： 2 1 2 1 知识获取 知识获取是建立知识分系统的最重要的过程，同时它又是一个复杂 的过程。获取知识主要有两种形式：接受知识和学习知识。前者主要指 人或者其它系统将知识传递到知识分系统进行存储；后者则是系统通过 某种方法和手段自己获取知识，是属于人工智能的范畴”。从i c a i d 系 统而言，知识分系统的知识是通过各领域专家，包括工业设计师和工程 师对各自领域内与数控机床造型设计相关的知识进行分析、综合、评价 而获取的。 2 1 2 2 知识存储 知识存储是知识分系统最基本的功能。知识分系统中知识的存储是 以整个i c a i d 系统的庞大的数据库为基础的。获取的知识存储在系统的 数据库中，就可以随时被调用，从而实现知识系统的知识表达功能。 2 1 2 3 知识表达 知识分系统中知识表达的过程事实上是对知识进行特征抽取和形式 化描述等一系列的过程”。在i c a i d 系统中主要是通过p h p 技术和数据 库技术来实现了知识在系统中的表达。 2 1 2 4 知识应用 在i c m d 系统咿，知识的应用主要是指系统用户或其它系统从知识 分系统中提取知识的过程。知识分系统中的知识通过系统的人机界面传 递给系统用户，使系统用户可以 学习系统中的知识。用户通过学 习，又将新的知识反馈到知识分 系统，形成知识流在知识分系统 中运动的循环。 图2 4 是知识分系统中的知 识循环图，从中我们可以进一步 了解知识在整个知识分系统中的 流向，以及各部分功能在分系统 中的作用。 2 2 知识分系统中的设计知识子系统 图2 4 知识分系统 2 。2 1 i c a i d 系统中设计知识的含义 正如前面所提到的设计知识是设计师的经验、价值观以及产品的生 产、使用等背景信息的混合体。它包括通过融合程序化的方法与设计师 的直觉以形成概念、实现概念和评估概念等方面。主要可以从专家洞察 力、设计经验、设计价值观以及语境信息来进行进一步深入的分析“”。 就i c a i d 系统而言，设计知识是指系统中与机床设计相关的一部分， 由工业设计师总结出来，并应用于系统中，在系统辅助用户进行数控机 床造型设计时，为用户提供的与造型相关的知识。本文所论述的设计知 识，主要是指系统中与数控机床造型设计相关的知识，不包括色彩、结 构以及人机工程等其它辅助设计的知识。这部分知识，包括了系统知 识库中的造型知识库，以及体现于系统平台的对于系统图库中每个数控 机床造型的分析。 因为，系统中的设计知识自身同样具备了系统所需的各项条件，所 以，设计知识又成为知识分系统之下酌设计知识子系统。它与用户知识 等其它系统知识共同构成了i c a i d 的知识分系统。 2 2 2 设计知识的获取 从本文前部分关于知识的分类，我们可以了解到，系统中的设计知识 均属于工业设计的领域知识，同时它既含陈述型知识又有过程型知识， 而从编码的角度而言，设计知识更倾向于含蓄的知识。在设计知识子系 统中陈述型的设计知识主要指数控机床造型美学的知识，是静态的知识。 而工业设计过程是“问题求解”的过程1 ，所以子系统中过程型设计知 识相对而言更难提取，这一部分知识更偏向于动态知识。从编码的角度 来看，我们可以发现，设计知识中的陈述型知识更易于编码而倾向于明 确的知识，而含蓄的设计知识一部分存在于设计师的经验之中，很难被 编码，系统中的过程型的设计知识同时也倾向于含蓄的知识，同样难以 被编码。因此，我们可以知道对于设计知识的获取是一个复杂的过程。 实际上，在i c a i d 系统中对于设计知识的获取，一方面是对陈述型 设计知识以及设计知识中倾向于明确的知识的总结与分析；另一方面， 是对过程型知识的提取以及含蓄的知识的外在化研究，同时通过一系列 的实验，建立一定的规则，使这一部分偏向于动态的知识可以在系统中 得以呈现。 2 2 3 设计知识的表达与应用 在系统中对于设计知识的表达主要是通过p h p 技术、数据库技术以 及m e t a d a t a 技术进行知识表达。通过这些技术所表达出来的设计知识以 网页或系统页面的形式展示在系统中。如图2 5 设计知识的应用可分为两个部分。一部分是对于i c a i d 系统中的造 型知识库而吉，其应用主要是通过导航条，是用户在使用系统进行辅助 设计时，能够进入到这部分的页面学习数控机床造型设计的相关美学知 识。另一部分是镶嵌于i c a i d 系统页面之中的关于图库中每款数控机床 造型设计的造型分析，这一部分知识的应用主要在于用户在选取图库中 造型的同时能模拟设计师在进行造型设计时的思维过程以及所用造型手 法，从中学习数控机床造型设计的方法，是系统真正完成其辅助的功能。 2 2 4i c a i d 系统中设计知识的研究内容 图2 5 设计知识在系统中的应用 i c a i d 系统中设计知识的研究内容主要包括了以下几方面的内容： 数控机床造型的美学分析，包括了对于系统中数控机床造型方案的 分析； 意在提取设计师设计过程和手法的造型单元连接方式和造型处理手 法的分析； 通过一系列实验所进行的设计知识的获取的研究； 设计知识在系统中的表达的实现的研究； 设计知识在系统中的应用的分析。 2 3 设计知识的审美与认知 对于知识的研究，除了从含义和内容进行研究以外，还应从心理学 的角度进行相应的研究，从而确定其表达形式。就i c a i d 系统而言，就 是要通过对设计知识的认知和审美的研究，来确定设计知识在系统中的 正确合理的表达方式。 2 。3 1 审美心理 审美心理学研究的中心内容是审美经验。而现代审美心理学的主要 课题之一就是从内容、形式、功能研究艺术美学，即研究作品和设计的 美学心理特征1 。就本研究课题而言，研究审美心理，是要从数控机床 造型的内容、形式来研究设计艺术的美学，并从中提取出相关的造型设 计知识，以及i c a i d 系统中设计知识的表述方式。 一般而言，审美心理的研究主要包括了审美心理要素描述和审美经 验的过程描述两个部分”。因此，本文主要从这两个方面对审美心理进 行阐述。 审美心理要素包括了四个方面的内容。首先是审美感知，审美感知 不仅是一种包含了选择、解释作用和情感作用的积极主动的活动，而且 它的“期望”是与其所认识到的特定时期、特定文化背景和特定阶级的 感情生活模式联系在一起。构成审美经验的第二个重要元素是想象，包 括知觉想象和创造性想象。知觉想象是一般审美活动的想象，这种想象 不能完全脱离开眼前的事物。创造性想象则是艺术家创作过程中的想象， 它是脱离来眼前的事物，在内在情感的驱动下对回忆起的种种形象进行 彻底改造的想象。审美理解是审美心理的另一个要素。审美理解是指审 美中的理解能力，是审美心理经验中的知识性因素。审美感情是审美心 理的最后一个要素。它基本上是理解与想象共同对日常生活情感的“裁 剪”，即给予它以形式化、组织化的处理。 审美经验大体要经历三个主要阶段，如图2 6 所示，即初始阶段、 高潮阶段和效果延续阶段。这三个阶段不仅有时间上的先后顺序，就是 在逻辑上也互为因果关系”“3 ”。 准备阶段高潮阶段效应阶段 ，_ ， 、， 、，。_ 、 审美观念 塞蓑h 妻茎h 喜羹翥薹卜 审美知觉 叫l 美 审美理想 审美认识 _ - 审美趣味 审美愉快 审美欲望 图2 6 审美经验的三个阶段 初始阶段也称为准备阶段，该阶段注意以及期望共同构成一种特殊 的审美态度。高潮阶段则包括审美知觉以及由这种知觉活动造成的感性 上的畅快和审美的特殊认知以及由这种认知造成的糟神上的愉快两个环， 节。效果延续阶段包括审美判断以及由这种判断造成的更高的审美欲望、 更高雅的审美趣味和更丰富的情感生活，并带来审美趣味与鉴赏力的提 高。 2 3 2 造型心理 造型心理又称为造型构成心理“，是所谓学术性造型现象研究。一 般而言，主要可以从造型的心理意义和造型的感觉两方面来进行研究n “。 造型的心理意义是指造型所包含的知觉图式，也就是说，人们发现 一堆原始的视觉材料经过视觉加工获得的不仅仅是原始材料的自然属 性，而且使人们的某种视觉组织性和视觉发现。因此，知觉力造型的心 理意义研究的最主要方面。 “视觉不是对元素的机械复制， 而是对有意义的整体结构样式的把 握。”“在此整体是相对于局部和独 立元素而言的，即没有一个事物是孤 立地存在或单独存在的。知觉力是人 的心理语言，是外部刺激与内部结构 的一种异质同构，它表现为知觉张力， 如图2 7 所示。图中的点有个离开 图2 7 知觉张力 现在位置，向中心运动的趋势，点被 限定在现有的位置，从而形成一种具有一定方向性和强度的心理“张力”， 印知觉力。同时，这种“张力”的表现性又存在于结构之中，也就是说 它存在于“力道”中。而力道是一个整体，动与静、强与弱、简与繁、 流与塞之间是互相共鸣的，也就是说一个感觉响了，另一个感觉作为回 忆、和声和看不见的象征而产生共鸣，从而出现了场的概念。 形状是造型的心理意义的另一个研究内容，它是指我们看得到的东 西。，一般而言，看到的形状其实是看到了形状的轮廓，我们看到的形状 实际上是有一个可见的轮廓把它与视野其它部分隔离开来的那一部分， 因此轮廓是形状知觉中最基本的概念。 所有的形状都应该是某种内容的形式口“。在产品造型设计中，一般 把“形式”理解为诸种要素构成的总体关系的排列，这样一个有机的整 体恰恰是产品造型的形式。而整体关系永远是设计艺术中最重要的造型 概念。各种形状之间的拓扑关系，实际上也是产品设计中的“形式”之 一，是使产品各部分组成有效整体的一个重要方式。 造型心理的另一个研究内容造型感觉实际上就是造型知觉，是基于 对造型的心理意义的研究基础上所提出来的关于造型的基本原理及其所 引起的心理感受的研究。包括了视点与视线、平衡感、空间感、运动感、 秩序感、量感以及虚实感等多个方面。本文第三章就这一部分的内容结 合数控机床的造型设计有详细的论述。 2 3 3 设计知识的认知 从认知心理学的角度而言，认知是指感觉输入的变换、减少、解释、 贮存、恢复和使用的所有过程n ”。对于本文中关于设计知识的认知，则 主要是i c a i d 系统中的相关设计知识的认知，是基于审美心理和造型心 理的知识认知。 如前所述对于i c a i d 系统的设计知识的提取应遵循审美心理的各个 要素，同时对于数控机床造型设计评价，也应从审美心理的角度出发。 而造型心理在i c a i d 系统设计知识提取中的应用，则一方面要从造 型的心理意义方面来考虑从整体的角度来考虑场的概念，并从数控机床 造型整体的轮廓出发，研究其所带来的造型感觉，以及数控机床造型终 于形式相关的设计知识。另一方面应该从造型知觉的角度来对i c a i d 系 统中的设计知识进行进一步的提升。 同时无论是从审美心理中的视觉张力还是造型心理中的造型知觉， 图形都是最好的表达方式因此，在i c a i d 系统中的设计知识也最终以图 形的形式呈现于系统中，从而获得较好的审美表达。 第3 章数控机床造型设计知识的分析与研究 3 1 数控机床造型原理分析 一般而言，数控机床的设计美学可以归入机器艺术设计美学的范畴。 而机器艺术设计美学基础包括的内容是非常广泛的，它不同于纯艺术品 的纯精神功能造型艺术，但它又要满足人们对产品在精神方面的审美要 求。因此，机床产品艺术造型是一门既要达到实用的物质功利目的，又 要满足精神审美要求的实用艺术，有其自身的特点。因此，我们可以从 构成机床造型的基本元素以及相应的数控机床形态设计法则两方面对数 控机床的造型原理进行分析。 3 1 1 数控机床造型元素分析 点、线、面、体是造型设计中的基本形态要素，它们的单独构成或 组合构成经常应用于造型设计中。把要素进行组合是造型活动的基本规 律，也是形态设计的基本手段。这些基本要素在空间做各种形式的运动， 进行各种形式的组织编排，便可形成千姿百态的形状。数控机床的造型 设计也同样是由这些基本要素构成，因此，我们对于数控机床造型原理 的分析就从这几个基本要素开始”“。 在几何学中，点是只有位置而没有大小形状的抽象概念。而在工业 设计中，点是指那些和整体比较起来相对细小的造型单元。在造型中是 否是点要在与面的对比中来确定，例如在控制面板中往往只有按键才被 看作是点，而仪表则不是，但在机床床身上的仪表盘相对床身较小，因 而它又可以被看作是点。 点的视觉效果与其数目。位置，排列方向有关。空间上只有一个点 具有单纯，宁静，稳定的特点。给人以富有积聚性的视觉心理作用。单 独的点本身没有上下左右的连接性和方向性，但有求心性，使视觉集中 到它的身上。这一特性，可以运用到按键设计中，以引起重视，减少误 操作，如图3 1 a 。另外，在进行机床的铭牌设计时，采用这一方法可以 获得强调作用，使得机床的品名突出，提升认知感，如图3 1 b 。 当形状、大小相同的两个点在一起时，在视觉上两点之问有一种相 互吸引和相互排斥的作用，引导人们的视线在两点间不停的反复移动， 形成两点之间似乎有线相连的视觉效果。在面板设计中。这一方式往往 适用于功能相似或相反的两个按键，如开、关，向左、向右等，如图3 2 。 a )b ) 图3 1 点在按键及铭牌中的应用图3 2 面板上的点 点群如果按照一定的方向排列，则 可以产生多种视觉心理功能作用。各种 形态点的序列，可使人感觉到线的存 在，等距离的点排列在一起，会形成安 定均衡的心理作用，如图3 3 。 在数控机床的造型设计中，点主要 应用于数控机床控制面板的设计中。如 图3 4 是西门子公司生产的一款数控面 板，大量有序排列的点形成的控制面， 由于其排列方式的整齐划，结构清 晰，给人以严谨，稳重的心理感受。 3 1 1 2 线 a 1 b ) c 、 图3 3 各种形态点的序列 线是具有一定长度的点的移动轨迹，线是造型的重要要素，是一切 形体的基本单位。线按形态可分为直线和曲线。直线具有最单纯、最定 型、最有规律和速度感等特色，表现出直接、快速、简洁、明朗、坚硬、 锐利等的性格。而曲线总体上蕴含着流畅、优 雅、柔和、丰满、含蓄的性格”。 在数控机床的造型设计中直线是应用得 最多的线形，其主要是由于面面相交，接缝， 边界等形成。在数控机床的造型设计中大量应 用了水平方向和垂直方向的特征线，这些线条 表现了机床形态的主要特征，刚劲，严谨与精 密。 水平线均衡、安定感，表现平静、静寂、 和平、永恒、广阔、深远和轻松的性格。在数 图s t 西门子数控面板草銎喜器薯要妄亲辜z 搿警票曩篆篙 样是使人感到平稳，安全的运动。例如机床的外覆盖件，滑动导轨和刀 架移动导轨，就需要这样的一种感觉。水平线的分割作用还能够使机床 形态具备水平方向的延伸性，使之看起来更为稳定，安全，符合使用者， 心理需求，如图3 5 a 。 垂直线含支柱、升腾之意，体现挺拔、坚强、庄严、端庄、严峻、崇 a )b ) 图3 5 直线在数控机床造型中的应用 高、向上的性格。在数控机床的造型设计中，垂直线在体积较大的加工 中心中较为常见。大量的垂直线，使加工中心的视觉感受特征主要体现在 垂直方向，从而产生出一种强烈的重力方向感，大大增加了这类机床的 稳定感，如图3 5