（机械设计及理论专业论文）协同环境下的产品形态设计方法研究.pdf

朱北大学颓士学位诒文 摘要 协同环境下产品形态设计方法的研究在当前是一个新的课题，具有理论意义 和实际意义。 本文首先基于协同学阐述了计算机支持的协同t 作( c s c w ) 的t 作原理，郢 为时空上分散的群组之闻提供了一个“而对而( f a c e t o f a c e ) ”和“你见即我见( w h a t y o us c ei sw h a tis e e ) ”的协同工作环境，支持多个时间上分离、空间上分布而工作 又相互依赖的群组成员的协同工作。基于支持异地工作的w e b 环境，奉文对于协 同环境下产品形态设计系统的功能目标进行分析架构了协同产品设计系统的体 系结构，并从4 i 同的角度给出，此系统的蚓络结构、层次结构。摹于分布式对象 技术的二层结构、r m i 和浏览器技术，运用j a v a 语言实现了系统中协同管理工具 的b b s 和网上会议两个系统，同时对协同管理系统的所有工具的功能进行了详纽 的阐释。 本文论述，与产品形态设计有关的诸要素及其之闻的柑互联系，通过对传统 的产品形态设计流程和计算机辅助产品形态设计流程的比较发现，在产品开发设 计过程中，一定要有系统的观点，充分掌握设计的全盘性和相互联系及制约的细 节口j 题，这样才能更好的控制各设计因素，以便于工作有效地完成设计。孙同环 境f 产品彤态设计过程的知泌表达是基十产品设计流狸来阐述的，从计划阶段的 调查与分析到最终的设计方案的评价，本文给出了k j 法、系统化思想、群体决策 法和模块化理论等运璀十产晶形态设计过程中的设计方法，通过小型多功能除雪 车的例子来验证了这些设计方法在协同环境下能够得以实现，表明本系统具有可 操作性，对设计具有指导意义。 在文章的最后，对协同环境下产品形态设计方法进行了总结和展望，提出了 有待解决的诸多问题。 关键词：c s c w 、协同环境、b s 、形态设计、设计流程、法、系统化思想、模 块化设计 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t u d ya b o u td e s i g nm e t h o d f o rp r o d u c t sm o d e l i n gi nc o o r d i n a t i v ee n v i r o n m e n t a b s t r a c t t h es t u d ya b o u td e s i g nm e t h o df o rp r o d u c t sm o d e l i n gi nc o o r d i n a t i v ee n v i r o n m e n t i san e w t o p i c i ti st h e o r i a la n dp r a c t i c a l i nt h ef i r s tp l a c e ，t h ea r t i c l ee x p o u n d st h ew o r kp r i n c i p l eo fc s c wa c c o r d i n gt o c o o r d i n a t i v e a c c o r d i n g l y , t op r o v i d ea ne n v i r o n m e n t ，w h i c hf a c et of a c eo rw h a ty o u s e ei sw h a t1s e e ，t ow o r ki nc o o r d i n a t i o nw i t he a c ho t h e rf o rt h el o o s eg r o u p si ns p a g 圮 a n dt i m e t h es y s t e ms u p p o r t st h ei n t e r d e p e n d e n t 謦o u p sc o o r d i n a t i v ew o r k ，w h o s e p a r a t ee a c ho t h e ro nt h et i m ea n ds p a c 七o nt h eb a s i so ft h ew e be n v i r o n m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c sw h i c hs u p p o r tt h ew o r ki nu t h e rp l a c e ，t oa n a l y z et h ef u n c t i o ng o a lo f p r o d u c tm o d e l i n gd e s i g ns y s t e mi nt h ec o o r d i n a t i v ee n v i r o n m e n t ，a n db u i l ds y s t e m a t i c c o n s t r u c t i o no fc o o r d i n a t i v ep r o d u c td e s i g ns y s t e m ，a n dg i v et h e s y s t e m s n e t c o n s t r u c t i o na n dl a y e rc o n s t r u c t i o ni nd i f f e r e n tv i e w s o nt h eb a s i so ft h r e el a y e r s c o n s t r u c t i o no f d i s t r i b u t e do b j e c tt e c h n i q u e ，砌a n di et e c h n i q u e s ，t h es y s t e mr e a l i z e s b b sa n dn e tm e e t i n gw h i c h 唧c o o r d i n a t i v em a n a g e m e n tt o o l si ns y s t e mb yu s eo f j a v al a n g u a g e a n da tt h es a m et i m em a k e sd e t a i l e de x p l a i nf o rt h ef o n c t i o no fa l lt h e c o o r d i n a t i v em a n a g e m e n tt o o l s t h et h e s i sd i s c u s s e sa i le l e m e n t sa b o u tp r o d u c t s m o d e l i n gd e s i g na n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c ho t h e r w i t hc o m p a r i n gb e t w e e nt r a d i t i o n a lp r o c e s s e sa n d c o m p u t e r - a i d e dp r o c e s s e so fp r o d u c t s m o d e l i n gd e s i g n , w ef i n dt h a tt h e r em u s th e s y s t e m a t i cv i e wd u r i n gt h ec o a r s eo fp r o d u c t - e x p l o i t e dd e s i g n ，w es h o u l da d e q u a t e l y c o n t r o lc o m p r e h e n s i v ea n dr e l a t i o n s h i p sa n dd e t a i l so fd e s i g n i ti sn e c e s s a r yf o rt l st o c o n t r o lt h ed e s i g nf a c t o r s b e t t e ra n di m p r o v ed e s i g nl e v e le f f e c t i v e l y k n o w l e d g e e x p r e s s i o na b o u tp r o d u c t s m o d e l i n gd e s i g ni nc o o r d i n a t i v ee n v i r o n m e n ti se x p l a i n e d o nb a s i so fp r o d u c td e s i g nc o t a s e k jm e t h o d , s y s t e m a t i ci d e a s ，g r o u pd e c i s i o nm e t h o d a n dp a t t e r nt h e o r ye t c a r eg i v e nt ou s ea sd e s i g nm e t h o d sd u r i n gt h ec o o r s eo fp r o d u c t s m o d e l i n gd e s i g n t h e s ea r et h ef o c a lp o i n t sd i s c u s s e dm t h ea r t i c l ea b o u ta p p l i c a t i o ni n t h ec o o r d i n a t i v ee n v i r o n m e n t a tl a s t , w eg i v ea l li n s t a n c ea b o u tam i n im u l t i - f u n c t i o n s n o wr e m o v e ri no r d e rt ot e s tt h es y s t e mw o r lt h ew o r ks h o w st h a tt h i ss y s t e mc a nb e o p e r a t e d ，a n dc a ng u i d et h ed e s i g nw o r k 丌1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i n a l l y , t h ea u t h o rd r a w sac o n c l u s i o na n dm a k e sap r e d i c t i o na b o u tp r o d u c t s m o d e l i n gd e s i g ni nt h ec o o r d i n a t i v ee n v i r o n m e n ta n db r i n g sl o t so f p e n d i n gp r o b l e m s k e y w o r d s ：c s c w , c o o r d i n a t i v ee n v i r o n m e n lb s ，m o d e l i n gd e s i g n , d e s i g np r o c e d u r e ， k jm e t h o d , s y s t e m a t i z e di d e a s ，b m l d i n gb l o c k m e t h o d 声明 本人声赡所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究 成果除加以标注和致谢的谶方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含本人为获得其他学位而使用过的材科。与本人一同工作的同志对本课 题所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名： 狼鹑哟 日期：御鼻硼，8 曰 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 现代产品形态设计的发展趋势 产品形态设计是产品设计的重要组成部分，应综合技术、经济、市场需求、 社会、生态环境的众多因素，以及与产品制造过程密切相关的构思与决策。但如 何在产品形态设计过程中考虑上述i 强素，实现“人性化设计”是至关重要的。产 品形态设计所研究和探讨的正是为了解决这一问题。 1 1 1 工业设计的理念 1 1 1 1 工业设计的定义 国际工业设计社团协会( i c s i o ) 于1 9 6 4 年的布鲁塞尔年会上，对工业设计 的概念是这样阐述的：“工业设计( i n d u s t r i a ld e s i g n ，简称i d ) 作为一种创造 性行为，其目的在于决定产品的正式品质。所谓正式品质，即为除外形及表面的 特点外的决定产品的结构与功能的关系，以获得一种使用生产者与消费者都感到 满意的整体。”从广义上说，工业设计是以批量生产的工业产品设计为主，兼顾视 觉传达设计与环境设计。 1 1 1 2 工业设计的总理念 杨振宁博士曾预言：2 1 世纪是工业设计的世纪。各企业要想提高自己的创新 能力和竞争能力，应认识到工业设计的价值，同时工业设计的发展必须适应社会 的发展规律，以设计哲学为指导，与当代的文化和社会哲学相结合。总的理念是： 技术第一，艺术第二； “以人为本”的设计理念： 体现生态工程、绿色设计、可持续发展的思想； 产品形态设计应实现数字化，为实现数字化制造创造必要条件。 为实现上述理念，应积极创立一个“薪的创新模式”来面对变化的市场。 1 1 1 3 产品形态设计在工业设计领域的重要地位 工业设计包含的内容很广泛，主要有产品设计、视觉传达设计、环境设计等 三大部分，产品形态设计只是产品设计中一个重要内容。它的重要性主要体现在： ( 1 )产品形态具有实用机能，是由结构和机能组成。是能创造附加价值的 有机体形态。 ( 2 ) 产品彤态由形状、色彩、材料、质感等要素构成，强调整合后整体造 型的形象意义，缺一不可。 ( 3 ) 产品形态设计活动之理念内涵是由被展示出来的商品造型来传达，除 东北大学碗士学位论文第一辛绪论 外在造型是由形状、色彩、材料等知识领域所构成的美学冈索外，还包括 生产技术、成本经济、结构功能、协i _ j 整合和具有时代意义的消费者心理 需求等缀多层面。 因此，产品是透过形态与顾客沟通，通过形态来进行交流。人们消费观念的 不断变化使企业在不断提高产品质量、增加产品功能的基础上，更加重视产品豹 创新性、外观形态、宜人性和环保问题。产品的功能已不再是消费者绝对购买的 最主要因素，产品的创新性、外观造型、宜人性、环保性等因素受到重视，产品 形态赋予人的心理感受具有深层豹理念支配，在竞争中占据突出地位“。 2 产品形态设计的发展 产品的形态设计是工业设计的核心内容，它既是一种创造活动，又是一种现 代审美特殊的新形式。它要求人们对产品技术功能、材料、结构、工艺、形念、 色彩和装饰诸阂索，从社会的、经济的、人为生理和心理、技术和艺术等多层面 作综合的系统处理，设计出实岗、经济、美观其有时代感的新产晶，以满足人们 不断提高的物质和精神双重需求，改善人类的生存环境。产品形态设计的发展一 直与政治、经济、文化及科学技术水平密切相关，与新材料的发现、新工艺的采 用相互依存，也受不同的艺术风格及人们审美爱好的直接影响。 1 1 2 1 形态设计方法的发展 从产品形态设计的本身角度看，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，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在产品设计模式的发展方向。1 。随着技术的进 一步发展，产品设计模式的在信息化的基础上，必然朝着数字化、集成化、网络 化、智能化的方向发展。计算机辅助下的工业设计的发展趋势势必与上述发展趋 势相一致，最终建立统一的设计支撑模型，工业设计师与工程设计师逐步融合， 走向统一化。 2 0 0 3 年度美国t 业设计优秀奖( i d e a ) 存6 月2 7 日揭晓，t 业设汁优秀奖 是由商业周刊和美国工业设计协会( i d s a ) 共| 司发起的。获奖作品既有表达 简洁清楚的美学理念作品，又有营造优雅品位的作品。 评委们指出了他们所看到的关于产品形叁设计的趋势如下”1 ： 对生态负责的趋势有所增加； 根据使崩者需要的个性化在设计研究的应用性和复杂性中都有所体现 设计正在由其使用耆来评判其价值几何 各公司开始把获得高边际利润和设计联系起来。尤其是当品牌是反映顾客 需求的一面镜了，设计创造了顾客的价值，这两者形成了一个产品的良性 循环的时候。 多次成型作为一种设计中的功能而非装饰被引入。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 2 计算机辅助工业设计的发展 计算机辅助设计已经得到普遍运用，并且是在探索产品设计中的重要的转变。 这领域正赣着一种简洁、现代、精确和雅致的方向发展。 计算机软硬件技术的日新月异，计算机图形学、计算机辅助设计、多媒体、 虚拟现实等技术的发展和c a d c a m 应用的逐步深入，使计算机辅助工业设计 ( c 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 ，简称c a i d ) 技术成为当前工业设计的研 究热点。 计算机辅助工业设计c a i d ，是近年来由新技术i d 和c a d 相互交叉、融合 结合形成的一种最新学科技术，即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。它能充分发挥计算机快速、灵 活、精确、高效的优点，使i d 的全过程包括从市场调查分析、设计计划的提出、 方案的构思、详细设计、方案评价、综合优化、效果表现、最终投产到广告销售 等，都在计算机上进行仿真模拟“实现”，从而大大的提高了设计效率和产品质量， 增强了产品市场的竞争能力，使企业在理智的时间内便可创造出更加实用、经济、 美观、宜人的新产品。 1 2 计算机支持的协同产品设计 “计算机支持下的协同设计”是近年来新提出的种产品开发设计模式，它 受到了国内外众多研究单位与制造商的重视。协同设计继承发展了并行设计的基 本思想，借助于迅速发展的计算机技术和网络技术，它不是简单的设计发明或创 造，而是集成了现代设计中许多新方法、新技术、新思想、新模式，经过系统的 抽象发展形成的。 1 2 1 产品设计过程协同的必要性 协同设计主要应用以计算机及网络为支持手段，具有共享信息及群体协作等 工作特征的产品设计领域。目前制造类企业在新产品开发过程中，总会碰到以下 几方面的问题“。： ( 1 ) 不同的参与者只能修改不同的产品设计版本； ( 2 ) 在修改、评审或批准过程中，实际图样的提交总会有些时问滞后； ( 3 ) 企业缺少一个中央资料库来追溯先前的修改以及查找文件； ( 4 ) 团队成员远距离工作所需的文档无法获取，即使获得书面资料也不全 或不清楚； ( 5 ) 对过程中修改、评审或待审批等各阶段的追溯不能轻易进行； ( 6 ) 生产部门加入较迟，很容易弓腱设计频繁修改等问题。 这些问题严重阻碍了企业产品开发设计的步伐。因此，强化资源共享 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 与群体协作程度，降低生产成本，提高经济效益，是社会发展和市场竞争 的急需。“计算机支持下的办列设计”新模式就是在社会发展与需要的背景 下形成而产生的。 1 2 2 协同环境下的产品设计的定义和特点 协同环境下产品设计又叫计算机支持的协同产品设计( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ep r o d u c t i o nd e s i 謦l ，简称c s c p d ) ，是指在i n t e r n e t i n t r a n e t 环境 下，通过计算机进行多方同步或骨步协作、配合或一方协助另一方的辅助产品设 计的创造性活动。计算机支持的协| 一j 产品设计是计算机支持的协| 石j 工作( c s c w ) 的一个应崩领域。 1 。2 2 1c s c w 的定义与应用 c s c w ( 计算机支持的协同工作) 是1 9 8 4 年由美国m i t 的i r e ng r i e f 和d e c 的p a u lc a s h m a n 在一个专题讨论会创造的新术语，它又被称为组件( g r o u p v a r e ) 、 计算机支持合作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v e ) 、小组决策支持系统( g r o u p d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 等”。它可以定义为：地域分散的一个群体借助于计 算机及其网络技术，共同协调与协作来完成一项任务。它包括协同工作系统的建 设、群体工作方式研究和支持群体工作的相关技术研究、应用系统的开发等部分。 c s c w 为在时空上分散的群组之间提供了一个“而对丽”( f a c et of a c e ) 和 “你见即我见”( w h a ty o us e ei sw h a tis e e ) 的泌蚓工作环境“，支持多个时 间上分离、空间上分布而工作义丰h 互依赖的群组成员的协同工作，使计算机系统 从传统的只能提岛个人工作效率变为能够提高群体工作效率。在这种环境下工作， 不仅改善了群组成员的信息交流方式，缩短了群组成员传递信息的距离，消除了 群组成员在时空上相互分隔的障碍，丽且节省了群组成员的时间和精力，提高了 工作效率和质量。 1 2 2 2 协同产品设计的特点 协同产品设汁借鉴了许多新的概念和设计方法如：c i m s 、并行丁程、敏捷制 造、虚拟设计等，在上述研究成员的基础上，提出在计算机协j 一工作环境中，通 过对复杂结构产品设计过程的重组、建立产品协同设计开发流程；并利用现代 c a o c a m c a p p 虚拟设计等集成技术与工具，进行系统他的协同设计工作模式。协 同设计不但体现了现代设计技术，也体现了现代管理技术。其土要特点是”1 ： ( 1 ) 协| 一设计的核心思想是产晶的体系优化建模和开发过程集成，即从产 品设计开始就考虑到产品开发后期可能出现的问题及对策。 ( 2 ) 基于扔同思想进行设汁，可以通过结构重组，将以前不属于同一时问 段的问题，如安装过程、使用过程中以及维修时可能出现的问题提前 到设计阶段来考虑。 ( 3 )对于那些复杂交错、跨时域、多目标的问题，防同设计采州海i 刊决策 的方法进行处理。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 )在技术方面，协同设计在继承了许多优秀技术与方法，如c i m s 、p d m 多媒体技术等基础上提出了“计算机支持下的协同设计”和面f 句协同 设计的c d g a 衄c a p p 集成等设计理念。 ( 5 )在产品设计期问，协同设计能很好地处理产品生命周期中各环节的关 系，充分地体现了互相合作、资源共享、协同决策的价值，从而消除 了传统串行设计过程中存在的许多弊端。 1 2 3 国内外研究现状 1 2 3 1 国外研究状况 国外在这方面的研究主要集中在欧、美等工业发达的国家，最典型的是美国通 用电器研究和开发部1 9 9 6 年建立的“计算机辅助制造网络( c a m n e t ) ”，它通过 i n t e r n e t 提供多种制造支撑服务，如产品设计的可制造性、加工过程仿真及产品 的试验等，系统主要为公司成员和客户提供服务。在美国麻省理工学院( m i t ) 将 建立基于计算机的设计系统，提供个共享的工作空问，多个设计人员按照各自 的工程学科进行设计。在该项强中采用基于全局控制机制的面向对象的数据库 管理系统，以此来解决设计人员之间的协调和交流。s t a n f o r d 大学启动了s h a r e 项目，支持设计人员或小组通过计算机网络开展合作，交流设计信息。此外韩国 国家大学工业工程系开发的3 d - s y n 系统可以使分布在不同地方的设计人员通过 i n t e r n e t 浏览同一个3 d 模型视力来进行协同设计和实时模型处理、交互活动。 比利时某科研机构所研制的s h a r e d3 dv i e w e r 用于c a d 三维几何图形和产品结构 的分布式协同讨论。此外韩国国家大学工业工程系开发的3 d - s y n 系统可以使设计 和实时模型处理、交互活动。 由于产晶的全球化以及新产品的“速度竞争”，使“无墙设计室”这个崭新概 念的工作方式得到广泛应用。在设计过程中，不同国家、不同地区的设计师可通 过网络，直接进行设计信息的交流，展现各自的设计方案和构思意图，从而可以 矗接参与讨论双方的设计构想，寻找灵感，互相合作。在现代设计多学科集合的 趋势中使项目内工程师、设计师、企业负责人等相关人员紧密的合作，把整个项 目的策划设计、工艺、施工、预算及营销等生产前后的活动整合在一个互动体系 中，极大地缩短了设计周期，提高了工作效率。从某种意义上讲，这种跨越不同 国家、地域的设计环境构成了一个虚拟的而又广阔的“无墙设计室”。目前，美国、 日本以及欧洲等地的公司建立的设计中心已在网络上广泛开展设计合作，通过计 算机联网，使处在不同国家的一些设计师形成了一个广域网，同时发展、商讨设 计方案并可进行无地域性的生产。 1 2 3 2 国内研究状况 国内对协同环境的研究还主要在一些高校和科研院所进行。西安交通大学 c i m s 研究所构建了一个远程协同工作原型系统，解决远程设计用户共享设计工具 的问题，它可以通过i n t e r n e t 让远程用户使用研究所的s o l i d w o r k 、p r o e 、m d t 东北大学硕士学位论文第一章绪论 等专n k 设计甲台。清华大学、南京理工大学、中国科学院自动化所等单位，基于 c s c w 技术开展了关于计算机支持的防同设计中芙键技术的研究；卜海大学c i m s 与机器人中心提出r 一种“虚拟企业业务过程集成化建模方法”；北京航空航天大 学正在开发“支持过程集成的工作流管理系统”等等。 国内在产品形态设计相关领域的研究也十分活跃，并取得了初步进展。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。在自山曲面设计方面的研究主要体现为曲面特征设计( s u r f a c e f e a t u r ed e s i g n ) ：采用鞠雨特征设计是自由i i 而设计的一个重要发展。 f i 雨特征 设计包括了三部分，即基本表商、移动特征和串通图形。草图设计技术是随着实体 造型技术的发腱，为满足工业设计师传统的手绘习惯而发展起来的造型技术。它是 用束弥补传统c a d 系统与工业设计之间鸿沟的有效手段。该技术的重点在于：一是 设计过程巾的入机交互技术，即设计系统如何有效地模拟手绘设计：- 2 是草图重建 技术。设计管理系统的构建方法的研究也有很大发展，香港大学机械系在i n t e r n e t 上构建了一个基于w r e b 的远程设计系统，井 于花瓶的造型设计：台湾著名的设计 公司“浩汉设计公司”开发了一个“k m o ( k n o w l e d g em a n a g e m e n to f f i c e ) 知识 管理”的平台，其中属于各项专业的部门组织，形成所谓的同业团体组织，并结 合各地的分公司及结盟的伙伴，构成一个有机的设计联网组织，而总管理室则转 型扮演成支持与仲裁的b a c k o f f i c e 角色，这样的系统支持了项目经理玄进行设计 项目的管控及备设计方案在数据与知识的取得一对创耨的知识化卜亦提供了一 个可产生新效益的体系。透过i n t c r n c t ，0 i 论身处何地，都能经e m o 平台，随时 且快速的了解公司内部各个项目的执行状况。对执行钉问题的项目，系统也可以 透过预警或预策的方法让资源互相联系，并及时解决相关问题。这是产品形态设 计在协同管理领域中最典型的应用。 1 2 3 3 国内外概况分折 综合以上的国内外的研究状况，可以得出如下认识： 计算机支持下的协同产品设计技术，作为先进产品设汁和制造的支撑技术， 已经成为产茄设计领域的研究熟点。从总体上看，目前在该方面的研究还不成熟， 缺乏系统的理论体系和统一的概念定义，国外在这方面的研究有了一定的基础和 实践活动，豳内的研究工作主要是研究如何建立计算机支持的协同工作环境以及 协同环境下产品模型，缺少从产品设计领域出发，对产品设计方法的研究，而从 产晶形态设计角度出发的则更少，而且无论是对产品设计的过程建模与集成技术， 还是对于在| 办同环境下进行产品设计的方法研究，与国外的研究尚有一定的差距。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题针对产品设计领域设计方法研究的情况，以简化设计过程来达到省肘、 东北大学硕士学位论文第一章绪论 省力、省钱，提高工作效率，提高产品质量为目的，以协同工作原理和各种创新 设计理论为基础，通过对形态设计中诸要素的解析和产品设计流程的研究，建立 一个初步的计算机支持的协同设计管理系统，并基于该系统来设计协同环境下的 产品形态设计方法。研究工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 提出计算机支持的协同环境的体系结构和建立系统所必须的关键技术的选 择，为建立协同产品设计管理系统做准备。 ( 2 ) 设计并实现一个可扩展的协同产品设计管理系统的部分功能，管理系统部 分功能的实现遵循本文提出的体系结构，并运用所选的关键技术。在结构 上保持了灵活、开放、通用等特点，又吸收了b s 结构的优点，使系统的 一致性得到了加强。同时对于系统的多用户管理机制进行说明，并建立了 系统的工作流管理模型。 ( 3 ) 在此基础上，基于对宏观上的系统化思想的把握，按照协同环境下产品设计 流程顺序，提出协同环境下产品形态设计方法面向对象的模块化设计， 提出了模块接口方露的问题并加以解决。 ( 4 ) 以小型多功能除雪车为例，对所设计开发的协同产品设计管理系统以及协 同环境下的产品形态设计方法进行原形验证。验证工作根据设计流程分以 下几个方面展开：调查分析阶段；方案初探；构思及方案明确；方案评价。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 协同环境下产品形态设计体系图，如图1 所示： 图1 1 协同环境下产品形鑫设计体系图 f i g i 1as y s t e ms k e t c h o fp r o d e u c tf o r md e s i g ni nc o o r d i n a t e de n v i r o n m e n t 东北大学硕士学位论交 第二章协同产品形态设计系统架构与关键技术 2 1 系统的功能目标 协同环境下对产品形态进行设计就是要在基于计算机支持的辅助产晶形态设 计巾引入协同工作的新思想，所以它即要具有产品设计的特色，又要遵循协同工作 的思想，因而应具有以下功能“： ( 1 ) 支持基于任务分解的多层次、多群体协同工业设计工作模型。 ( 2 ) 以i n t e r n e t i n t r a n e t 为网络平台，实现一个能够支持工业设计的辅助协同 环境，具体如下： 支持多点网上会议，支持多人同时参加会议；可以在多个窗口中显 示协作成员的视频信息，在保证焦点传输速率的前提下，提供对各成 员节点的控制功能：能够在协作成员之间进行双向的语音通信； 支持多点数据会议。多点数据会议可以通过多种协作工具来实现，如 电子白板、在线聊天、文件传输等； 提供接口来集成现有的i n t e r n e t l i n t r a n e t 协作工具。如n e t m e e t i n g 中的应用程序共享和电子白板； 辅助协同产品设计功能，主要体现在整个产品设计流程中设计者之问 在协同环境中的沟通和交流： 与i n t e r n e t i n t r a n e t 有效集成，共享网上资源。 ( 3 ) 提供协同信息管理( 任务管理、协作管理和成员管理) 功能，处理用户对 资源的访问请求、为用户分配可用资源，维护资源的并发访问，保证资源及时回 收，保证协作能有序、安全、高效和顺利进行。 ( 4 ) 通过协同环境，能够对工业产品进行方案设计与修改，以及对设计出的产品 进行设计评价等功能。 ( 5 ) 一个有效的协作过程控制手段，它包括： 对协作任务、协作成员、成员权限、协作方式等信息进行查询： 协作发起( 通知、登记、启动) 和结束； 协作过程管理( 登录、撤离) ； 共享设计资源及参考信息。 ( 6 ) 具有清晰、简洁、直观、真实的图形用户界面，操作简便，使用直观。 东北大学硕士学位论文第二章协同产品彤态设计系统浆构与关键技术 2 2 系统的总体结构 2 2 1 系统的体系结构 这里首先试者给出从开发者考虑的关于产品形态设计协同环境系统的体系结 构，用米描述网络信息技术、系统应用、人机接臼、用户与设计师4 个层次的关 系。如图21 所示： 用户和设计者领域 用户， 垃计者、应用接n 应用模块 陲络通信与信息传递层 ) 协同设计系统应用 特殊 通用支持功能 支持功能 系统协同环境 研l 下 li iif 上一i _ 一t 一 i 通信与分布式系统支持 上个 o s i o d p t c p i p f r t p 圈2 1 协同设计系统的体系结构 f i g 2 1s y s t e mc o n s t r u c t i o no fc o o r d i n a t e dd e s i g ns y s t e m 2 2 2 系统各个侧面的结构分析 2 2 。2 1 协同环境下产品形态设计系统与计彝机辅助工业造型设计系统之间的关系 协同环境下产品形态设计系统是建立在基于计算机支持的工业产品辅助造型 东北大学硕士学位论文第二章协同产品形态设计系统架构与关键技术 设计技术及应用所做的工作的基础之上的，它集成了协同管理、形态设计、色彩 设计、人机设计等各相应的功能模块。 协同环境下产品形态设计系统与计算机辅助工业造型设计系统之间的关系如 图2 2 所示： 辅助协同管理 协同环 共享产品 协 设计数据 境下产 一辅助造型设计 l 计算机辅 和设计过 品形态 同 设计系 一辅助形态设计 l 助工业造 程信息环 型设计系 统 境 统 辅助人桃设计 圈2 。2 协同产品形态设计系统与计算机辅助工业设计系统的关系 f i g 2 2r e l a t i o nb e t w e e nc o o r d i n a t e dp r o d u c tf o r m s d e s i g ns y s t e la n dc o m p u t ea i d e di n d u s t r i a ld e s i g ne y s t e l 2 2 2 2 系统的网络体系结构 ( 1 ) 结构选取的决定因素 可以明确的是要构建协同设计系统，其核心技术是计算机支持的协同工 ( c s c w ) ，在c s c w 系统中，系统网络结构的选取主要由以下几个因素决定： 系统的开放性： 主体是同构的还是异构的； 主体是为了满足统一目标，还是自激励的以满足自身的最大利益； 主体间的交互是遵循统一的规定和协议，还是事先定义的规定和协议； 主体数量的大小； 子任务的耦合程度； 系统是由自动主体组成，还是由人和主体混合构成； 主体通信可行性、计算能力与代价。 ( 2 ) c s c w 中的几种常见网络结构 协同设计系统一般由设计专家和智能主体组成的混合体，往往是为满足相同目 标协同工作。它们彼此之间相互影响、相互制约。在体系结构的选取上可参考 c s c w 的主流结构。 以下是c s c w 的3 种主流结构1 12 l ： 网络结构 在这种结构中，每个主体有自己的通信接口、局域问题求解知识、其它主体 模型、当前上下文模裂等功能模块。它允许动态地改变协同设计系统的主体组成， 具有系统开放性。但每个主体除了具备领域知识外，还要包含完备的通信和控制 东北大学硕士学位论文第二章协同产品形态设计系统架构与关键技术 知识，这使信息和知识的容余较大。l 夭i 此，网络结构适合于主体数量小、要求较 强的系统开放性、予任务耦台松散等特性的设计环境。 联邦结构 在这种结构中，主体间的联系和消息传输通过一个称为协调控制器的特殊主 体。它是主体的神经中枢，负责协同设计组之问以及主体问的信息转换、任务的 规划、分解和管理。当某一主体需要服务时，只需向协调控制器发出请求，而且 并不直接同其它主体发生作用。因此，联邦结构能更灵活地实施不同的通信办议， 适合于具有予任务耦合程度高、主体数量大、信息交换频繁等特性的系统。 面向主体的黑板结构 它与联邦结构相似，主体问的相互作崩也是分组管理的，两者的区别在十面向主 体的黑扳结构将系统的协调管理划分为几个组成部分。每个局域主体组中有一共 享的称为黑板的数据存储区，用来存储设计数据和设计过程信息，主体间的物理 通信是由网络管理器实现的，从而减小了协调控制器的负担。 通过对以上各种常见结构的比较并根据实际情况的需要，协同产品形态设计 系统的总体结构应采用网络结构。原因如下： 协同环境下的产品形态设计对环境的开放性要求较高，以此来保证设计师 对设计数据和设计过程的信息共享； 形态设计涉及的知识领域较为广泛，对信息和知识的容余也要求较大。 形态设计不仅需要许多理性的客观知识，同时需要设计师发挥自身想象力 来完成色u 造性的设计，人的因素在系统中占有很大的比重，与工程设计相 比，主体的数量要求相对较少。 其中多媒体用户机应该配青网卡、声卡、话筒、音箱、视频卡和摄像机，对 予不需要视频信息的用户机，可以不配视频卡和摄像机。i n 仃a n c t 服务器可由多台 实际的服务器组成“。其网络结构如图2 3 所示： 图2 3 懈同设计系统的网络环境 f i g 2 。3n e te n v i r o n m e n to fc o o r d i n a t e dd e s i g ns y s t e m 12 东北大擘硕士学位论文 第二章协同产品形态设计系统架构与关键技术 2 2 。2 3 应用系统的层次结构 。 为了实现协同工业设计中各项功舷，在现有的网络、技术、协议、数据库等 的支持下，基于功能在该系统中采用分层模型。具体就是把各项系统功能图表化 成以下的协同工业设计体系结构。系统共分四层：产品信息层、协同管理层、协 议工具层和网络传输层h “，见图2 4 所示。 各层主要完成以下功能： 产品信息层：存放产品设计过程中的各种产品信息。 协同管理层：进行任务分析、设计管理等工作流管理。是系统的核心 部分，保证系统的正常运行，外部协作工具接口子系统和其它操作系 统和数据库系统接口的予系统组成。 协同工具层：实现系统的管理和使用，提供聊天、视频会议、语音传 输、文件传送、自板、软件共享等辅助协同的工具； 网络传输层：翻译、发送和接收系统的信息，采用t c p i p 协议。t c p 协议用于数据和控制信息的传送。 产品信息 二三三三三三三二三二函三三三三圈 协同管理 三三至 二亟三三 三三至三工三三垂三工习 图2 4 系统的层次结构 f i g 2 4c r a d a t ec o n s t r u c t i o na b o u ts y s t e m 东北大学硕士学位论文第二章协同产品形态设计系统架构与关键技术 2 2 2 4 协l 霹工作的人机接口和人际接口 人机交互或接口h c i ( h u m a n - c o m p u t e ri n l e r a c t i 0 州i n t e r f a c e ) 和人际接口h h i ( h u m a n - h u m a ni n t e r f a c e ) 是保证信息系统可用性( u s a b i l i t y ) 的重要环节。 系统可用性表现为： ( 1 )可学习性( l c a r n a b i l i t y ) 用户很容易学习与掌握，使用户很快投 入工作。 ( 2 )可记忆性( m e m o r a b i l i t y ) 即使用户离开系统一段时间，也不必 一切都重新学习； ， ( 3 )高效性( e f f i c i e n c y ) 系统麻_ 其有使用的高效性，这样用户一旦 掌握后就能获得较高的效率； ( 4 )低错误率( l o w e r r o r r a t e ) 系统应具有较低的错误率，这样用户 在使用系统时很少产生错误； ( 5 ) 合作性协同性( c o l l a b o r a t i v e c o o p e r a t i v e ) 协作体中人与人之i 司 应该保持的协作关系使协同任务得以顺利完成。 h c i 是计算机应用中专门处理与人进行交互的一个特别的部分；它应具备以 下条件： ( 1 ) 它是面向任务，以用户为中心的： ( 2 ) 它要具备交互过程所需的通用豹规则； ( 3 ) 其有宣接处理对象的基本交互技术； ( 4 ) 用户安熟悉具体对象或对象棱礁； 当用户掌握这样的h c i 以后，系统的可用性得以有效发挥。 h h i 也是一个相当重要的因素，在协同环境下人o 人之间的可合作性协同性 更加复杂，有许多社会的、组织的、体制的，乃至心理的诸多非技术因素需要考 虑。 2 3 系统的开发和运行平台 在进行系统设计时，根捌需求确定协i 司工作模型和机制，选取或开发某些工 具，构成涛同工作的支撑平台，为各种应罔系统的开发提供一些通用的服务。 ( 1 ) 硬件平台因为本系统是工作在分布式环境下的，所以服务器端要求要高。 w w w 服务器的要求为硬盘s c s i4 0 g ，内存2 5 6 m bp c1 3 3 ，c p up i i l 4 5 0 以上；客 户端用于浏览和设计产品，所以至少足p i t t 的微机，内存6 4 兆，硬盘1 0 g 以上。 ( 2 ) 软件平臼i n t r a n e t 服务器采瑚w i n d o w sn ts e r v e r 操作系统，客户端操作 系统可以是w i n d o 粥9 8 、w