（计算机软件与理论专业论文）支持创新概念设计的计算机辅助设计系统研究.pdf

独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他需要特别声 明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究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。 一签簟高确哥 新签字 学位论文版权使用授权书 留衫 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂 蕉一可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：为观军 签字日期：2 0 0 岁年f 月仔日 导师签字： 剖办 签字日期：2 0 0 岁年妇瑁 山东师范丈学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的发展，世界经济格局发生了巨大的变化，逐步形成了一个统一的一 体化市场，市场竞争日趋激烈，社会的消费观念也不断发生变化，产品的功能已不再是 消费者决定购买的最主要因素。产品的创新性、环保性、宜人性、外观造型等因素愈来 愈受到重视，在竞争中占据突出地位。市场需求的变化，使c a d 在企业中所扮演的科 技角色发生了重大变化。因此只有使产品设计号陕速变化的市场需求紧密结合起来，才 能保证企业的生存。 目前，新环境的发展对创新设计的冲击主要体现在以下三个方面： 1 ) 国际经济竞争的关键是看能否生产适合销售的新产品。国际上商品的平均寿命 已经缩短到3 年左右，这要求设计者打破常规，充分发挥个体或者群体的创新能力，在 短时间内开发满足用户需求的新产品： 2 ) 大量新产品的问世，进一步刺激了人们的需求，这就使人们对商品的选择范围 迸一步扩大，但同时又使得人们对新产品的需求层次和个性化程度提高： 3 ) 高新技术产品的生产特点是小批量、多品种、多规格、生产工艺复杂、工作条 件特殊等等。这类产品往往不能用传统的老方法进行设计，需要有针对性地进行创新设 计。 概念设计是产品设计活动中的重要组成部分，是最能体现人类智慧的阶段，也是决 定产品性能、成本和创意的阶段。创新是概念设计的灵魂。在概念设计阶段，设计人员 的约束相对较少，具有较大的发挥空间。创新是一种高度依赖于人的智慧的活动，任何 技术都不能完全取代人在设计中的作用，如灵感、顿悟、直觉等。创新是建立在大量知 识和信息的基础上的，需要信息的检索和整理、信息提取挖掘等。另外，学科界限越来 越模糊，创新往往是多学科知识融合的结果，许多创造灵感是在学科交流中产生的，设 计者难以掌握所有的设计信息。将概念设计的创新研究与计算机技术紧密结合起来，通 过计算模型和计算机工具，利用计算机的高信息存储量以及可视化手段，为设计人员提 供一个能激发创作灵感的系统，对支持创新设计是一种行之有效的方法。 近年来，c a d 技术得到了长足的发展，但目前的c a d 技术也有不少缺陷，主要表 现在： 1 ) 传统c a d 技术旨在产生复杂、精确和完整的三维造型，本身缺乏设计方法学的 有效支持，没有体现概念设计的创造过程，即不能较好的支持创新设计： 2 ) 传统的c a d 系统主要针对详细设计阶段，较少考虑对设计中的重要阶段概 念设计的支持，把设计过程割裂开来，设计人员在利用c a d 系统进行设计时，首先要 用人脑和手工工具迸行概念设计，然后再利用计算机对每个零件进行详细设计、装配设 计和优化设计以形成最终产品。其不允许快速输入和再现不完备的概念造型，基本上是 一个在设计方案基本定型之后的概念化绘图工具，而非辅助设计工具。因此c a d 系统 山东师范大学硕士学位论文 对真正的设计活动支持较少，其实际只是一个辅助作图工具； 3 ) 较少体现符合设计人员的设计思维的原则，且人脑的概念设计结果和手绘的设 计草图不能为计算机直接使用； 4 ) 协同并行设计方面考虑较少。并行和协同设计是概念设计的发展趋势之一。概 念设计可以通过团队成员之间的共同协作完成。协作概念设计包括不同领域专家关于产 品功能、原理、布局、形状等各方面的协作设计，还包括不同环节，如客户、设计者和 制造者之间的协同设计。并行和协同的概念设计能够集成设计所需的各种知识，尤其适 合涉及多学科的复杂产品概念设计。 对于一个支持创新概念设计的计算机辅助设计系统，首先要解决的问题是提供一个 合理的、有效的框架支持，并在此基础上利用多种知识、方法和经验给出信息提示以辅 助设计人员进行有效的设计。由于创新是人类的思维状态，所以完全由系统自动完成的 可能性不大。本文使用多a g e m 技术为创建辅助概念设计系统提供框架支持，多a g e n t 系统为一组设计a g e n t 和设计人员在分布式环境下的协作提供支持。采用该技术主要有 以下优点： 1 ) 符合现实的设计模式。复杂的设计由软件a g e n t 和设计者来协作完成，每个 a g e n t 有自己独立的知识和设计决策方案，可以为人类设计者在设计过程中提供必要帮 助，最终的设计决策取决于设计者； 2 ) 设计资源的重用。智能a g e m 技术有利于重用已有的设计，避免了每个设计都 从头开始； 3 ) 对创新的支持。智能a g e n t 利用自身的知识库和算法实现构件的自动生成，构 件的批量生产可以大大的激发设计者的灵感，从而有效的支持创新概念设计： 4 ) 设计领域的分布性。分布是设计的自然特征，包括设计资源的分布及设计人员 的分布，多a g e n t 系统为连接分布的资源及信息提供了良好的框架； 5 ) 设计人员的协同。设计问题的复杂性使得设计任务难以被单个设计人员完成， 往往需要设计组的群体合作。多a g e n t 系统为分布式环境下的协同工作提供了支撑框 架。 本文通过对传统的c a d 方法的分析，提出了一种基于多a g e n t 理论的创新概念设计 方法，该方法将进化计算、协同技术以及三维造型技术有机结合起来，弥补了现有c a d 方法的缺陷，并以此为基础实现了支持创新概念设计的计算机辅助设计系统，该系统以 建筑的概念设计过程为例，为设计人员在分布式环境下的设计开发提供创新支持- 本文 的主要研究工作如下： 1 ) 提出并实现了一种支持进化概念设计的多a g e n t 系统。系统以多a g e n t 系统结 构作为设计人员的协作平台，以v i s u a lc + + 6 0 及s p a t i a l 公司的实体造型引擎a c i s 作为开发工具； 2 ) 采用基于数学函数表达式二叉树的遗传算法生成二维图象，并利用a c 】s 建模 引擎及可视化技术生成三维组件； 山东师范大学硕士学位论文 3 ) 为减少人机交互，引入数学函数自动生成系统。自动创建由运算符和运算数组 成的数学函数表达式，存入数据库，为辅助设计系统在进行进化设计时提供初始种群： 4 ) 采用改进的遗传算法进行建筑布局求解。提出建筑布局的两种表示方式：特征 树表示和矩阵表示：改进原有的遗传算法以适应新豹编码方式；设置基于对称度和黄金 分割度的适应度函数。在布局设计过程中应用改进后的遗传算法进行约束和控制。 关键词创新概念设计；多a g e n t 系统：树结构的遗传算法；协同设计；a c i s ；布局求 解： 中图法分类号t p 3 9 1 7 2 山东师范大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fc o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e ms u p p o r t i n gc r e a t i v e c o n c e p u t a ld e s 追n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e j o p m e n to fi n f 0 玎n a t i o nt e c h n o l o g y ，m ew o r i de c o n o m i cp a t t e mh a s e x p e r i e n c e dg r e a tc h a l l g e ，g r a d u a l l yf b m i n gau n i f i e dm a r k e t b e c a u s eo ft 1 1 ee v e rs h a r p n e s s o f 血em a r k e tc o m p e t i t i o n ，l ee x p e n d i n 盯ei d e ah a sc h 培e dal o t p e o p l en o1 0 n g e rt r e a t p r o d u c tm n c t i o na st h em a i nf a c t o ro fw h e 也e rt ob u ys o m e t h j n go rn o t m u c ha t t e n t i o nh a s b e e np a i dt ot h ea t 仃曲u t e so fc r e a t i v i 坝o u t l i n e ，d e l 远h t 如l n e s sa sw e l la se n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ，w h i c hs t a n dt 1 1 ei m p o r t a n tr o l li nc o m p e t i t i o n t h ec h a n g eo fm a r k e tr e q u i r e m e n t s h a sg r e a 廿yc h a l l g e dt h et e c h n o l o g i c a l r o l lo fc a di nn l em o d e me n t e r p r i s e s ，t h ep r o d u c t d e s i g nm u s tc o m b 血e 谢t ht h em o b i l em a r k e tr e q u i r e m e n t s 石g h t l ys oa st os m 啊v ei nt 1 1 e c o m p e t i t i v e w o r l d a tp r e s e n t ，t h ei m p e t u so fm ed e v e l o p m e n to fn e we n v i m m e n tt o 廿l ec r e a t i v ed e s 追ni s a sf o l l o w s ： 1 ) i t sc m c i a lf o rt h ec o m p a i l yt op r o d u c en e wp r o d u c t ，w l i c hi sa d 印t a b l et os e ui nt h e i n t e m a t i o n a ie c o n o m i cc o m p e t i t i o n t h ea v e r a g el i f e s p a i lo fi m e m a t i o n a lc o m m e r c i a l sh a s r e d u c e dt oa b o u tm r e ey e a r s ，删c hm a k e si tn e c e s s a d 衙d e s i g l l e r st ob r e a ka w a y 妇d j t i o 剧 w a y sa n dm a l ( e9 0 0 du s eo fm e i rc r e a t i v 对a b i l i 坝s oa st od e v e l o pn e wp r o d u c t si ns h o r t t i m e 2 ) t h es p r i n g i n gu po fn e wp r o d u c t sm “h e rs t i m u l a t c sp e o p l e sr e q u i r e m e m s ，w h i c hn o t o n l ye x p a n dt h ec h o i c es p a c ef o rm e m ，b u ta l s op m m o t et 1 1 er e q u i r e m e n t sl e v e io f t h e i r s t h e i n d i v i d u a ld e g r e eh a sb e e np r o m o t e df h r m e r 3 ) t h em a i nc h a r a c t e “s t i c sf o rh i g h t e c hp r o d u c t sa r es m a l i s c a l e ，m u l t i k i n d ，m u l t i s i z e ， s o p h i s t i c a t e dp r o c e d u r e ，s p e c i a la n dw o r k i n gc o n d “i o ne t c t 1 1 i s k i n do fp r o d u c ti sn o t p r o d u c e d b yt r a d i t i o n a lw a y sb u tb ys p e c i a lc r e a t i v ed e s i g n a st h em o s ti m p o r t a n tp a no fp r o d u c td e s i g i la c t i v i 吼c o n c e p t u a ld e s i g l li sm ec m c i a l s t a g ed e c i d i i l gt 1 1 ep e r f o n n a l l c e ，c o s ta 工l dc r e a t i v 时o fm en e wp r o d u c t d u r i n gc o n c e p t u a l d e s i g n ，m ed e s i g nc o n s t m i n ti s 1 i m es ot h a td e s i g n e r sh a v eb i g 丘e es p a c ef o rc r e a t i v i t y c r e a t i v i t yi sak i n do fa c t i v i t yw h i c hd e p e n d sg r e a t l yo nm a n si m e l l e c t n o 恤i n ge l s e c a n r 印j a c et h es t a t u so fm a nd u 血gd e s j g 】1p r o c e s s ，s u c ha si n s p i r a t i o n ，s u d d e nu 1 1 d e r s t a n d i i 培， a n di m u i t i o na 1 1 ds oo n h o w e v e r ， b e c a u s ec r e a t i v i 可a c t i v i t yi sb a s e do ne n o m o u s k n o w l e d g ea 1 1 di n f o n l l a t i o n ，“n e e d st 1 1 ep r o c e s so fs e a h i n g ，m a k i n gu pa n de x t r a c t i n g i n f o m l a t i o n w h a t sm o r e ，w i t ht h ew e a i 【e n i n go ft h ef i e l d sl i m i t s ，c r e a t i v i t yi su s u a l l yt h e r e s u l to ft h ec o m b i n a t i o no fm u l t i - s u b j e c tk n o w l e d g e m a n yc r e a t i v ei n s p i r a t j o n sc o m ef m m t h ec o m m u n i c a t i o no fs u b j e c t s ，w h i c hm a k e si ti m p o s s i b l ef o rt h ed e s i g n e r st om a s t e ra l lt h e 4 山东师范大学硕士学位论文 d e s i g ni n f o m l a t i o n i t sa na d a p t a b l ea n de 丘b c t u a lw a yt oc o m b i n ec r e a t i v ea c t i v i t ya n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t ou s ec o m p u t a t i o nm o d e la i l dc o m p u t e rt o o l s ，t om a k e9 0 0 du s eo ft h e h i 曲一s t o r ea b i i i t yo fc o m p u t e ra i l ds o m ev i s u a lm e a n s ，s oa st oc o n s t m c tas y s 把mt oi n s p i r e m ed e s i g n e r s i nr e c e n ty e a r s ，也et e c h r i i q u eo fc a dh a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l y ，h o w e v e ri nm o s t c a s e si ts t i l lh a ss o m ed e f e c t st os u p p o r tc o n c e p t u a ld e s i g ni i l 吐l a t ： 1 ) t h et r a d i t i o n a lc a dt e c h n i q u ea i m st op m d u c ec o m p i e x ，a c c u r a t ea 1 1 dc o m p l e t e3 d m o d e l s ，a 1 1 di ss h o r to fs u p p o r to fd e s i g nm e t l l o d o l o g i s t sf o rp m v i d i n ge f f e c t i v es o l u t i o n st o t h ec r e a t i v ep r o b i e m 2 ) t h et r a d i t i o n a ic a ds y s t e m sa i m st od e t a i l e dd e s i 弘s 诅g e ，c o n s i d e 血g n oo rl i m i t e d s u p p o r tf o rc o n c e p t u a ld e s i g n ，w h i c hd e p a r tt h ec o n c e p t l l a ld e s i g n 矗o mt h cw h o l ed e s i g n p m c e s s w h e nd e s i g n e r sw o r k ，t h e yf i r s tb r i n go u tc o n c e p t u a im o d e lu s i n gt 1 1 e i re x p e r i e n c e b yh a n d ，t h e nu s ec o m p u t e rt od e s i g nt 1 1 es i n g i ep a r t sa n da tl a s ta s s e m b l ea 1 1 do p t i m i z et h e d e s i g nt op u to u tt h ef i n a lp r o d u c t t h es y s t e mi sb a s i c 觚l yac o n c 印m a id r a w i n gt o o l ，n o ta t l a i d e dd e s i 鲫t 0 0 1 s oc a ds y s t e mc a n n o ts u p p o r tt 1 1 ed e s i 印a c t i v i t i e sa n do 址yp l a yar o l eo f a na i d e dd r a 埘n gt 0 0 1 3 ) d e s i g i l i n gp r o c e s si s 姗n 删t o t l l ed e s i 弘e r ，o rt ot h ed c s i g n e r sw a yo ft l l i n k i n g t h er e s u l to f c o n c e p t u a ld e s i 盟锄d 1 es k e t c h 如mt h ed e s i g n e rc 锄o tb eu s e dd i r e c t l y 4 1l a c ko fc o n 5 i d e r a t i o no fc o l l a b o 阳虹v ed c s i 印肌dc o o p e r a t i v ew o r kp r o c e s s a so n e o fn l et e n d e n c yo f c o n c e p t u a ld e s i 印s ，c o n c e p t l l a ld e s i g i lc a l lb eg o tb yc o l l a b o r a t i o nb e t 、v e e n m e m b e r so fag m u p c o l l a b o r a t i v ec o n c e p t u a ld e s i g ni n c l u d e sm ec o l l a b o r a t i v ed e s i g no f p r o d u c tm n c t i o n ，p r i n c i p l e ，l a y o u ta n ds h 印eo fd i 航r e n t f i e l d sa n di ta l s oi n c l u d e st 1 1 e c o l l a b o 枷o no fd i 毹r e n ts t a g e s ， s u c ha st h ec 0 1 l a b o r a t i o n甜c l i e n 招，d c s i 驴e r sa n d m a n u f a c t u r e r s c o n c e p 乜l a ld e s i g i li n c l u d i n gc o l l a b o r a t i o na i l dc o o p e r a t i o nc a ni n t e g r a t ea l l k i n d so fk n o w l e d g en e e d e db yd e s i g np r o c e s s ，e s p e c i a u yt l cd e s i g no fs o p h i s t i c a t e d c o n c e p t u a lo n ei n v 0 1 v i n gm u l t i p l esu _ b j e c t s a sf o rm ec o m p u t e ra i d e dd e s i 印s y s t e ms u p p o n i n gc r e a t i v ec o n c e p t i l a ld e s i g n ，t 1 1 ef i r s t p r o b l e mt ob es o i v e di st op r o v i d ear a t i o n a ja n de 虢c t i l a i 丘a m e ，b a s e do nw h i c hd e s i g n e r s c a nm a k e9 0 0 du s eo fd i r e n tk i n d so f 虹o w l e d g e ，m e 血o d sa n dp r e v i o u se x p e r i e n c et o p e r f o me f f e c t u a ld e s i g n b e c a u s eo ft 1 1 en a t u r eo fc r e a t i v 时a sm et h j l l k i n gs 诅t eo f h 眦a n b e i n g ，血l ia u t o m a t i o ni sa l m o s t 妇p o s s i b l e t h ep a p e ri n t r o d u c e sm u l t i a g e n tt e c h n o l o g yt o p r o v i d e 丹锄es u p p o r tf o rm ea i d e dc o n c e p t l l a ld e s i g ns y s t e m i tp r 0 v i d e ss u 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ec o m p o n c n t sa u t o m a t i c a l l y 1 1 1 eb a n e r yp m d u c t i o no fc o m p o n e n t sc a l lb eu s e dt o s t i m u l a t et h ei n s p i r a t i o no ft h ed e s i g n e r ss oa st o p r o v i d ee 丘e c r u a lc r e a t i v ec o n c e p t u a l d e s i g n 4 ) c o n s i d e id i s t r i b u t e dc h a r a c t e ro ft h ed e s i g nd o m a i n d e s i g ni sad i s t r i b u t e dp r o c e s s ， b o t hi nr e s o u r c e sa 1 1 dp e o p l e t h em u l t i a g e n ts y s t e m 印p l i e sab e t t e re n v i r 0 啪e n tt oc o n n e c t t h ed i s t r 王b u t e dr e s o u r c ea n di n f o n n a t i o n 5 ) i m p r o v ec 0 1 1 a b o r a t i v ew o r ka m o n gd e s i g n e r s ，w h j c hi si m p e 枷v eb e c a u s es i n g l e d e s i g n e rc a n n o ta c c o m p l i s hac o m p l e xd e s i g na s s i g n m e n t t h em u l t i - a g e n ts y s t e m 印p l i e sf o r c r e a t i n gm u t u a lu n d e r s t a n d i n g a 1 1 df o 衄i n gc o n s e n s u sa m o n gd e s i g n e r s b a s e do nt h ea 工l a l y s i so f t h e 虹a d i t i o n a lc a dm e 廿1 0 d s ，m ep 印e rp r o v i d e san e wm e 吐1 0 d o nt 1 1 eb a s i so fm u l t i _ a g e n tt h e o r y ，w h i c hc o m b i n e se v o l u t i o n a r yc o r n p u 协t i o n ，c o l l a b o r a t i v e t e c h n o l o g ya n d3 dm o d e l i n gt e c h n o l o 烈m a k e su pf o r 也ed e f e c t so f c u r r e n tc a dm e m o d s ， a n db a s e do nm i sr e a i i z e sa 口s t e ms u p p o r t i n gc r e a t i v ec o n c 印t u a ld e s i g n ，w 1 1 i c ht a k e st h e a r c h “e c t u r a ld e s i g np r o c e s sa sa ne x 锄p l et op r o v i d e sc r e a t i v es u p p o nf o rd e s i g n e r si n d i s 啊b u t e de n v 打。脚e n t h em 出nr e s e a r c hw o r ki s ： 1 ) p u t sf o r 、v a r dam u l t i - a g e n ts y s t e ms u p p o 而n ge v o l u t i o n a r yc o n c 印t u a ld e s i 朗，w h i c h u s e sm u l 小a g e mt op r o v i d et h es u p p o n i n g 丹a m ef o r 也ec o l l a b o r a t i o no fd e s i g n e r sa n d 诅k e s s u a lc + + 6 0a 1 1 dt h ee n t i t ym o d e l i n ge r 四n ea c i so fs p a t i a lc o m p a j l ya sm ed e v e l o pt 0 0 1 ； 2 ) g e n e r a t e sm e2 di m a g eb yu s i n gg e n e t i ca l g o r i t b a s e d o nb i nt r e eo fm a t h f m l c t i o n s ，a i l dc o n s t m c t st h e3 dc o m p o n e n t sb yu s m ga c i sm o d e i i n ge n g i n ea r l dv i s u a l t e c h n o l o g y 3 ) t 0r e d u c et h ei n t e r a c t i o no fh u m a na n dc o m p u t 豇t h ep a p e ri n t r o d u c e st 1 1 em a t h 如n c t i o na u t o m a i i c c r e a t es y s t e m ，w h i c hc r e a t e sm a t h 如n c t i o nc o m p r i s i n go p e r a t o r sa i l d o d e r a n d sa u t 。m a t c a i 】ya n ds t o r e s 出e m 西t h ed a t a b a s e ，s oa st os e r v ea st 1 1 eo n g i n a l p o p u l a t i o no f t h ea i d e dd e s i g ns y s t e md u r i n ge v 0 1 u t i o n a r yd e s i g n 4 ) m e l i o r a t e st h eo r i g i n a 】g e n e t j ca l g o r i 岫t oa p p l yt ot 1 1 ea r c l l j t e c m 剐】a y o u td e s i g n ； a d v a n c e st w om e a n so f 口r e s e m a t i o no fa r c h j t e c t u m l1 a y o u t ， w h i c ha r ef ea t l 】r et r e e d r e s e n t a t i o na n dm a t r i xp r e s e n t a t i o n ；m e l j o r a t e st 1 1 eg e n e t i ca l g o r i t 1 mt oa d 印tt ot h en e w e n c o d i n 2m e t h o d s ：s e t sm ef l t n e s sm n c t i o nc o n s i d e r i n gt h em e a s u r eo fs y m m e t i ya n dg o l d e n r a d i o ；a p p l i e st h em e l i o r a t e dg e n e t i ca l g o r i m mt oc o n s 仃a i n a n dc o n t r 0 1t 1 1 el a y o u td u r i n g d e s i g np r o c e s s k e y w o r d s ：c r e a t i v ec o n c e p t u a ld e s i g n ；m u l t i a g e n ts y s t e m ，t r e e b a s e dg e n e t i ca l g o r i m m ； c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；a c i s ；l a y o u td e s i g n c l 目ss j f i c a t i o n ：t p 3 9 1 7 2 6 山东师范大学硬士学位论文 第一章概论 在论述课题的背景、意义的基础上，讨论了传统的辅助设计过程及进化计算技术、 多a g e m 技术及协同设计技术对辅助概念设计的支持。在论述国内外研究现状的基础 上，指明了本文的工作重点、创新点及进一步的研究方向。 1 1 课题的背景和意义 1 1 1 传统的概念辅助设计( c o m p u t e ra id e dc o n c e p t u a d e si g n ，c a c d ) 产品设计是一个复杂的创造性生产过程，对产品设计过程的描述，国内外已有很多 的论述。概括的说，设计可被分成两个阶段【l 】= 一是概念设计( c o m p u t e r a i d e dc o n c e p t u a l d e s i g l l ，c a c d ) ，二是构型设计( c o 蚯g 吼t i o nd e s i g i l ，c d ) ，前者的目的是制定设计方案， 后者是根据设计方案设计出具体的产品模型。 c a c d 是产品设计过程中最初的也是最具创造性的阶段，在整个产品设计开发过程 中占有重要的地位。研究表明：产品价值的7 0 【2 1 是由设计的早期阶段即概念设计( 初 步设计) 所决定的。概念设计的内涵十分广泛和深刻。p a 啦和b e i r z 在其e n g i n e e 血g d e s i g n 一书中指出：“在明确任务之后，经过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作 用原理及其组合，确定出基本的求解路径，得出求解方案，这一部分设计工作称之为概 念设计。”邹慧君教授认为，概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品 功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计，是进行满足功能和结构要求的工作 原理求解和实现工作原理载体方案的构思与系统化设计。从众多的论述中可以看出，概 念设计主要由产品规划、功能设计、结构方案设计等内容组成。 c a c d 作为c a d 领域的一个重要分支，其设计过程是相当复杂的口j ，因为一个好 的设计方案既要有合理的功能结构、美观的造型和简便的操作，同时还要富有创新性。 因此，c a c d 涉及设计方法学、人机工程学、人工智能技术、c a d 技术以及认知与思 维科学。设计师的c a c d 系统是一种辅助性的设计工具，随着功能的逐步强大，c a c d 系统必然越来越受到概念设计师的欢迎，从而在概念设计过程中最终替代传统的c a d 系统。 传统的c a d 系统( 例如a u t o c a d 、p r o e 等) 虽能产生复杂、精确和完整的三维 造型，但由于其本身并不是为概念设计而开发的，同时缺乏设计方法学的支持，没有体 现概念设计的创造性过程。传统的c a d 系统存在许多约束限制，不允许快速输入和再 现不完备的概念造型，因而基本上是一个在设计方案基本定型之后的概念化( 草图化) 绘图工具，而非辅助设计工具。 山东师范大学硕士学位论文 针对上述情况，c a c d 的研究以及c a c d 系统的开发应运而生。c a c d 系统研究 与开发的根本目的在于能够对产品的创新设计提供有效的支持。c a c d 系统对设计人员 的支持主要体现在以下三个方面【4 】：一、能满足概念设计师的各类个性需求；二、能有 效提高概念设计的质量；三、能更为筒捷地生成设计对象。同时可以利用已有的成功实 例；四、能提供一个进行信息交流和对象评价的平台，可以避免因设计失败而造成的浪 费。 1 1 2 从传统的概念辅助设计到支持进化的概念辅助设计 创新设计是产品设计过程中最富创意的环节，也是一项综合运用各种创造性方法进 行的思维活动。创新设计是指在设计中采用新的技术原理、技术手段和非常规方法，在 旧产品改进、新产品研制以及降低生产材料和能源的消耗、改进生产加工工艺等的设计。 必须进行创新设计的原因p 1 在于： 1 ) 国际经济竞争的关键是看能否生产适合销售的新产品，国际上商品的平均寿命 已经缩短到3 年左右，这就要求设计者必须打破常规，充分发挥自己的创新能力，在短 时间内开发新产品。 2 ) 大量新产品的问世，进一步刺激了人们的需求，不仅增大了人们对商品的选择 范围，同时提高了人们对新产品的需求层次和个性化程度。 3 ) 高新技术产品的生产特点是小批量、多品种、多规格、生产工艺复杂、工作条 件和工作环境特殊等等。这类产品往往不能用传统的老方法进行设计，需要有针对性地 进行创新设计。 在进行概念设计之初，设计者不仅需要具有定的设计知识，而且需要具有相当 的工程经验、创造与直觉的能力及许多其它方面的条件。这是一种发明行为，不仅是设 计过程中最富有创造性的部分，也是设计过程中最为困难的部分。到目前为止，尚未有 一种系统化的方法引导设计者有条理地进行创新设计。然而，大多数的设计实例不是