（机械电子工程专业论文）产品概念设计系统中虚拟构思与设计管理技术的开发.pdf

摘要 摘要 本文在产品概念设计系统d a k f a d 基础上，对产品概念设计中亟待解决的问题 进行了分析，探讨并开发了虚拟拖动技术和人机交互技术，形成了虚拟构思设计工 具模块；基于多方案与设计团队协同工作以及知识版权要求，开发了以产品方案树 和基于功能表面的版本管理模式，进一步完善提高了d a r f a d 系统功能。 二十一世纪是知识经济的时代，在全球经济日趋一体化的形势下，产品竞争也 日趋激烈，因此，世界各国普遍重视提高产品设计水平。产品设计的本质是创新， 而产品创新最主要的是体现在概念设计方案的创新上。本文全面调研了国内外产品 设计研究的现状，深入探讨了产品设计理论与方法，尤其是对最有创新性的概念设 计理论进行了重点论述。 产品概念设计过程是一种创造性思维过程，是形象思维和抽象思维综合作用的 结果。本文针对这一特点提出了将虚拟拖动技术应用于产品概念设计，建立了三维 虚拟空间，并用功能表面三维图形直观的表达了设计者的设计意图，解决了计算机 难以表达设计者的抽象构思问题；本文还建立了一种人机交互模型，提供了对设计 全过程可视化的交互式设计工具，弥补目前尚无法由计算机完成的部分工作，最终 形成了产品概念设计的虚拟构思工具，大大提高了设计效率。 本文将p d m 的功能引入概念设计阶段，对参与产品设计的人员、设计过程产生 的数据和系统使用的内存进行统一管理，建立了角色权限的功能模型，保证信息的 安全性、完整性、正确性。本文针对概念设计阶段易产生大量可行的产品方案的特 点，提出了以产品方案树和基于功能表面的版本管理模式，解决了版本查询、版本 回溯、版本存储等问题。本文对系统使用的内存提出了一种新的管理方案，防止内 存泄露，改善了内存的利用率，提高了系统运行的稳定性。 最后，本文阐述了系统的开发环境，并运用该系统完成了一个设计实例。总结 了所做工作和取得的成果，并介绍了进一步的研究方向。 关键词：产品设计概念设计虚拟拖动人机交互角色权限产品数据管理 版本 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ec o n c e p td e s i g no ft h ep r o d u c t ss y s t e m d a r f a d t h i sp a p e r a n a l y s e st h ep r o b l e mu r g e n t l yw a i t i n gt ob es o l v e di nt h ec o n e 印td e s i g n ，p r o b e si n t o a n dd e v e l o p st h et e c h n o l o g yo fv i r t u a lp u l la n dm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n ，a n df o r m st h e d e s i g nt o o lm o d u l eo f t h ev i r t u a lc o n c e i v e b a s e do nt h er e q u i r e m e n to f m a n ys c h e m e s a n dd e s i g n i n gg r o u pw o r k i n gi nc o o r d i n a t i o na n dk n o w l e d g ec o p y r i g h t ，t h i sp a p e r d e v e l o p st h es c h e m et r e eo fp r o d u c t sa n dt h ev e r s i o nm a n a g e m e n tm o d eb a s e do nt h e f u n c t i o ns u r f a c e ，w h i c hp e r f e c ta n d i m p r o v ed a r f a ds y s t e m a t i cf u n c t i o nf u r t h e r 2 1 s tc e n t u r yi st h ee r ao ft h ek n o w l e d g ee c o n o m y ，u n d e rt h es i t u a t i o no fg l o b a l e c o n o m i ci n t e g r a t i o nw i t hd a yb yd a y , t h ep r o d u c tc o m p e t i t i o ni sb e c o m i n gf i e r c e r ，s o e v e r yc o u n t r yi nt h ew o r l dp a y sa t t e n t i o nt oi m p r o v i n gt h ep r o d u c td e s i g nl e v e l g e n e r a l l y t h ee s s e n c eo fp r o d u c td e s i g ni st h ei n n o v a t i o n ，a n dp r o d u c ti n n o v a t i o ni s m a i n l ye m b o d i e di nt h ei r m o v a t i n no ft h ep l a no fc o n e e p td e s i g n t h i sp a n e rs u r v e y s a n ds t u d i e st h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o ni nd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lp r o d u c td e s i g n p r o b e si n t ot h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do ft h ep r o d u c t sd e e p l y ，e s p e c i a l l yd e s c r i b e s t h ei n n o v a t i v et h e o r yo f c o n c e p td e s i g nm o s t l y c o n c e p td e s i g np r o c e s so ft h ep r o d u c t si sac r e a t i v et h o u g h tp r o c e s s ，w h i c hi sa s y n t h e s i z i n gr e s u l to fa b s t r a c tt h i n k i n ga n dv i s u a l i z a t i o nt h i n k i n g ，s ot h i s p a p e r p r o p o s e st oa p p l yt h ev i r t u a lp u l lt e c h n o l o g yt oc o n c e p td e s i g n ，a n ds e t su pv i r t u a ls p a c eo f t h r e e d i m e n s i o n ，i tu t i l i z e st h et h r e e - d i m e n s i o n a lf i g u r eo f t h ef u n c t i o ns u r f a c et oe x p r e s st h ed e s i g n i n t e n t i o n so fd e s i g n e rd i r e c t l y , a n ds o l v e st h ep r o b l e mt h a tt h ec o m p u t e ri sd i f f i c u l tt oe x p r e s st h e d e s i g n e r sa b s t r a c tp l o t t h i sp a p e rs e t su pak i n do f m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o nm o d e l ，a n do f f e r sa d e s i g nt o o tt h a ti sv i s u a la n di n t e r a c t i v ei nt h ew h o l ed e s i g nc o u r s ee n dr e m e d yw o r k st h a tc o m p u t e r s t i l lu n a b l et of i n i s ha tp r e s e n t ，f i n a l i yh a sf o r m e dt h ev i r t u a lp l o tt o o lo fc o n c e p td e s i g no f t h ep r o d u c t s a n dh a si m p r o v c dd e s i g ne 缳c i e n c yg r e a t l y t h ee m p h a s e so ft h i sp a p e rl i e si nl e a d i n gt h ef u n c t i o no fp d mi n t oc o n e e p t d e s i g n ，i tm a n a g e r ss y s t e m a t i c a l l yd e s i g n e r s 、p r o d u c td a t at h a tp r o d u c e di nd e s i g n p r o c e s sa n dm e m o r yt h a tt h es y s t e mu s e d ，t h i sp a p e r s e t su pr o l e s a u t h o f i t y sf u n c t i o n m o d e la n dg u a r a n t e e st h es e c u r i t y , i n t e g r a l i t y , e x a c 仃l e s so ft h ei n f o r m a t i o n c o n c e p t d e s i g ni sae r e a t i v ec o u r s e ，o nc o n e 印td e s i g np h a s e ，t h ed e s i g n e rc a np r o d u c eal a r g e a m o u n to ff e a s i b l ep r o d u c t ss c h e m e s ，s ot h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h es c h e m et r e eo f p r o d u c t sa n dt h ev e r s i o nm a n a g e m e n tm o d eb a s e do nt h ef u n c t i o ns a t f a c e ，a n ds o l v e s t h ep r o b l e m so fv e r s i o nq u e r y i n g ，v e r s i o nt r a c kb a c ka n dv e r s i o ns t o r e d ，a n ds oo n t h i sp a p e rh a sa l s op r o p o s e dan e ws c h e m eo fm e m o r ym a n a g e m e n tt h a ti m p r o v e st h e u t i l i z a t i o nr a t i oo ft h em e m o r ya n d 也es y s t e m a t i cs t a b i l i t y a tl a s t ，t h i sp a p e re x p l a i n st h es y s t e mc h a r a c t e r i s t i ca n dd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ，a n d h a su s e dt h i ss y s t e mt o 蠡| 1 i s had e s i g ni n s t a l i c e ，t h i sp a d e rh a ss u m m a r i z e dt h ew o r k a n da c h i e v e m e n tm a d ea n di n t r o d u c e dt h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n k e yw o r d s ：p r o d u c td e s i g nc o n c e p td e s i g n v i r t u a lp u l lm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n r o l e sa u t h o r i t yp r o d u c t i o nd a t am a n a g e m e n tv e r s i o n 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在我国，由于长期受计划经济的束缚，不注重提升企业创新能力，直接导致产 品创新能力差。有资料表聪：我国机械制造业在2 0 0 0 年的新产品贡献率约为1 8 0 9 ，而美国已经达到5 2 左右；我国大中型企业生产的2 0 0 0 多种主导产品的平均 生命周期为1 0 5 年，是美国同类产品生命周期的3 5 倍；我国近年来开发成功的 9 2 种典型机电产品，自主开发的不到4 6 ，而这些自主开发的产品中的大部分仍 需要利用国外技术。我国国家8 6 3 计划先进制造与自动化领域专家委员会主任孙家 广先生指出耳前我国工业迫切需要解决的主要问题就是产品创新能力较差，开发 周期较长。 计算机辅助设计( c a d ) 技术是促进科研成果的开发和转化，实现设计自动化，加 速国民经济发展和国防现代化的一项关键技术：是提高产品和工程设计技术水平， 降低消耗，缩短科研和新产品开发乃至工程建设周期，大幅度提高劳动生产率的重 要手段；是科研单位提高自主研究开发能力、企业提高应变能力和管理水平，参与 国际合作和竞争的重要条件。计算机辅助设计( c a d ) 技术可以提高产品设计效率和 设计质量，同时使设计者从繁琐的手工设计中解脱出来，使其有更多的时间仔细考 虑产品的总体设计，易于保证产品结构的优化设计，增强产品的市场竞争能力。 c a d 技术在推动产品自动化设计方面作出了巨大贡献，但是目前绝大多数c a d 系统 仅支持产品详细阶段的设计过程，不支持概念设计阶段。设计人员先要用人脑和手 工工具进行概念设计，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。这过程对真正的设计活动支持较少，也不支持t o p d o w n 式的设计方法，不符合设计人员的正常设计思维，且人脑的概念设计结果和手绘的 设计草图不能为计算机所直接使用【2 】。 鉴于概念设计在产品设计中的重要地位，如果能够实现计算机辅助的概念设计 自动化，同时保证实现产品结构上的创新，那么无疑对提高产品的设计效率、设计 质量乃至降低开发设计的周期、成本，从而提高我国企业、产品在国际市场上的竞 争能力具有巨大的作用。针对现有概念设计研究缺乏设计过程自动化的内容、与结 构设计和参数设计衔接功能差、设计步骤操作性差、没有自动综合能力等问题，我 们采用功能表面为基本功能载体，将形象思维因素与传统的抽象思维与推理技术有 机结合，建立概念设计、结构设计与参数设计真正一体化的t o p d o w n 设计自动化 支持系统，改变传统机械设计观念。 山东大学硕士学位论文 1 2 产品设计概述 二十一世纪是知识经济的时代，在全球经济日趋一体化的形势下，产品竞争日 趋激烈。世界各国普遍重视新产品、新技术的应用和开发。而产品设计是产品开发 过程中最重要的环节之一。 1 2 1 产品设计的定义与分类 设计是一个有目的的人类主动行为，设计的目标为有使用价值的人造物，即产品。 它可以表达为p j ： g = c ( p ) 如图( 1 - 1 所示) 其中 r 产品设计的需求( r e q u i r e m e n t ) ； g 产品设计的目标； p 产品设计过程( p r o d u c td e s i g np r o c e s s ) ： c 对p 过程的控制、约束( c o n t r o l ，c o n s t r a i n ) ； m 设计过程中的机制。 产品需求r 控制c 与约束c 机制m ( 知识、方法、理论) 图1 - 1产品设计的一般模式 产品设计目标g 产品设计是一项复杂的工作，从人们对设计本身的理解和定义看，目前尚无统 一的表述。国际上关于设计问题研究存在若干个大的流派。前苏联a l t s h u l l e r g s 等 人提出的t r i z 理论【4 1 在提供探索发明新产品的技术发展方向的思路上已有一定程 度的普及；美国n a m p s u n 等提出的a d ( a x i o m a t i o n d e s i g n ) t 里论1 5 1 的基本逻辑体系的 发展与t r i z 有一定的近似，但远未达到一种自成体系的程度，也未能达到可供构造技 术系统的基础的程度；日本东京大学人造物工程中一i j , ( r a c f e ) 的t e t s u t o m i y a m a 等提 出的g d t ( g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ) 理论f 6 利用现代信息理论的面向对象方法，在分析 表达设计过程的开展上较之深入了一步，而德国学者提出的u d t ( u n i v e r s a ld e s i g n 第1 章绪论 t h e o r y ) 理论”l 贝4 比较重视它的可实用化的基础方面的探索。 现代工程设计面向市场和用户，对于产品设计而言，是产品全生命周期中的决 定环节，它已成为工业创新链中不可分割的一部分。产品设计按照不同的划分标准， 可分为以下几种。 1 ，根据设计中创造性的大小，设计可分为常规设计( r o u t i n ed e s i g n ) 、革新设 计( i n n o v a t i v e d e s i g n ) 和创新设计( c r e a t i v e d e s i g n ) 。【8 】 2 p a h l & b e i z 9 以设计解的原理和技术设计是否改变为原则，将设计分为三类， 即：新设计、适应性设计和变型设计 3 文献 1 0 】将设计分为两种：基于计算的设计( 如多学科优化) 和基于知识的 设计( 如基于决策的设计) 。 4 在技术创新学的理论1 1 l 】中，技术创新是以构思新颖性和成功实现为特征的、 有意义的非连续事件。根据技术创新过程中技术变化强度的不同，技术创新 可分为渐进性创新和根本性创新。 1 2 2 产品设计过程阶段划分 产品设计是从市场开始到求得产品详细解的求解过程，是一个需要多种专业知 需求技术说明 概念产品方案三维装配模型二维工程图 图1 2 产品设计过程阶段划分示意 识和实践经验的工作，它是对合理需求给出正确实现的一种创造性的活动，是一个 从概念设计开始的逐步细化过程，是有步骤地分析与综合，不断从定性到定量的问 题求解过程。产品开发过程包括需求分析与定义、发展与配置产品功能、发展与配 置技术原理以实现预定功能、发展与配置机构与结构以实现技术原理等求解发展阶 段，它是既分散、分解段又综合平衡的求解过程。 产品设计过程可分为四个设计阶段：需求分析过程或称产品需求设计，概念设 计过程，总体装配设计过程和详细设计过程，并相应产生阶段性结果：需求规格说 明，概念产品方案和工程图技术文档，如图1 2 所示。上述四个过程即有顺序上的 逻辑性，又有相互之间的重叠性，从而宏观上可以表现为一种并行设计的模式。 山东大学硕士学位论文 1 2 3 设计理论的变革 1 9 8 0 2 0 0 0 年的2 0 年，全球社会、经济、市场、产业结构及科学技术等发生了 深刻的变革，因此，传统的局限于产品的设计理论已不能适应时代的发展。为迎接新 世纪的挑战，现代设计理论摆脱了传统的模式和格局。设计不仅仅是面向产品，而 是面向企业及整个生产过程，面向整个社会及全球经济。现代设计理论正向多学科 交叉方向发展，涉及基础科学、信息科学、经济学、市场学、管理科学、现代控制 理论与制造科学、人工智能以及可持续发展理论等。与此同时，c a d 技术也获得了 长足的进展。 企业为赢得竞争，对t ，q ，c ，s ，e 的追求，使机械设计理论及c a d 技术获 得了巨大的发展。具体来说，主要有以下几个方面。 并行工程和并行设计 并行工程和并行设计( c o n c u r r e n td e s i g n ) 思想的提出源于世界经济的飞速发 展、全球范畴的市场建立以及市场竞争的日益加剧【2 4 】。 并行工程c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 是对产品及其相关过程( 包括制造过 程和支持过程) 进行并行、一体化设计的一种系统化工作模式，这种工作模式力图 使开发者们从己开始就考虑产品的生命周期( 从概念形成到产品报废) 中的左右因 素，包括质量、成本、进度与用户要求。并行工程以c i m s 的信息技术为基础，通 过组成多学科产品开发队伍、改进产品开发流程、利用各种d f x ( 面向某一领域的 设计) 工具等手段，使产品开发的早期阶段就能及早考虑下游的各种因素，达到缩 短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本的目标。c e 强调多学科专家的协 调工作( t e a m w o r k ) 和一体化、并行的进行产品及其相关工程的设计，其中尤其 注意早期的概念设计阶段的并行与协调，因此可以认为c e 的核心是并行设计。 所谓并行设计( c o n c u r r e n td e s i g n ) 就是指在产品开发的设计阶段就综合考虑产 品整个生命周期( 从概念设计到产品报废) 中的所有因素，包括市场需求、制造、装 配、维护、环境保护等，通过各环节的并行集成，以缩短产品的开发时间，降低产 品成本，提高产品质量。 设计网络化设计网络化就是利用计算机网络实现产品异地协同设计。协同设计是指 在计算机的支持下，各成员围绕一个设计项目，承担相应的设计任务，并行交互地 进行设计工作，最终得到符合要求的设计结果的设计方法。协同设计支持多学科专 家的共同工作，从而大大提高工作效率，缩短设计周期，增强产品的市场竞争力。 协同设计思想源于计算机支持的协同工作( c o m p u t o rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ， 简称c s c w ) 2 3 】。1 9 8 4 年，m i t 的k e ng r i e f 和d e c 的p a u lc a s h m a n 首次提出了 c s c w 的概念。目前，对c s c w 的研究逐步成为热点，国内在这方面的研究已经起 步，c s c w 正从概念走向实用，不仅在机械设计，而且在军事、科研、教学、医疗 等众多领域均有应用。 设计智能化设计一般包括两类工作：一类为数值计算，包括计算、分析、绘画等， _ d 第1 章绪论 主要依靠建立设计对象的数学模型并进行数值处理：另一类为符号推理，包括方案 设计、评价、决策、结构设计等，属于创造性活动，必须依靠思考与推理，因此这 类工作主要依靠建立设计对象的知识模型并进行处理。传统的c a d 技术都以数值 计算为基础，难以处理第二类工作。可是在实际的设计工作中，第二类工作有着举 足轻重的地位，例如，方案构思将对设计优劣有决定性的影响。因此，人们引进人 工智能的原理与方法，采用专家系统技术，将c a d 发展为智能c a d ( 日pi c a d ) ，以 适应创造性设计的要求。 集成化现代设计系统不再是单一的c a d ，c a m ，c a e ，c a p p 系统，而是支持产 品生命周期全过程的现代设计集成系统。集成化系统已从传统单一的信息集成发展 到包括信息集成、过程集成、企业集成的系统，并且涉及到许多技术，如数字化建 模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换、c a x 工具、d f x 工具等。 1 3 产品概念设计 产品概念设计在整个产品开发过程中占有十分重要的地位。产品概念设计的质 量是决定产品最终质量、市场竞争力以及企业获利最为关键的因素。因此，产品概念 设计越来越多地受到人们的重视。传统c a d 系统主要面向产品详细设计阶段，只能解 决产品的二维和三维描述，而对于产品的概念设计则没有提供有力的支持，不能充分 地体现设计人员的创新设计思维活动，所以其不是真正意义上的计算机辅助产品设 计。从 8 0 年代后期开始，计算机辅助概念设计 ( c o m p u t e r a i d e d c o n c e p t u a l d e s i g n ，c a c d ) 技术逐渐受到人们的重视，目前已成为设 计领域的研究热点之一【2 5 】【2 6 1 。 1 3 1 概念设计的深刻内涵 概念设计这一名词最早由f r e n c h ”l 提出。他在其书中将概念设计定义为：“设 计首先是要弄清设计要求和条件，然后生成框架式的广泛意义上的解。在此阶段中对 设计师的要求较高，但却可以极大地提高产品性能。它需要将工程科学、专业知识、 产品加工方法和商业运作等各方面知识相互融合在一起，以作出一个在产品生命全 周期内最为重要的决策。” p a h l 和b e i t z 于1 9 8 4 年提出了设计过程分为明确任务( c l a r i f i c a t o n o f t a s k ) 、 概念设计( c o n c e p t u a l d e s i g n ) 、具体设计( e m b o d i m e n t d e s i g n ) 和详细设计 ( d e t a i l e d d e s i g n ) 的四阶段模型【2 8 ，并将概念设计定义为：“在确定任务之后，通过 抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出 求解方案，这一部分设计工作叫概念设计。” k a r l u l r i c h 认为设计的过程是产品的功能描述向结构描述的转换过程，而概念 设计是这个过程的早期阶段。产品的功能描述可以是一个真值表、条性能曲线或 第1 章绪论 主要依靠建立设计对象的数学模型并进行数值处理；另一类为符号推理，包括方案 设计、评价、决策、结构设计等，属于创造性活动，必须依靠思考与推理，因此这 类工作主要依靠建立设计对象的知识模型并进行处理。传统的c a d 技术都以数值 计算为基础，难以处理第二类工作。可是在实际的设计工作中，第_ 二类工作有着举 足轻重的地位，例如，方案构思将对设计优劣有决定性的影响。因此，人们引进人 工智能的原理与方法，采用专家系统技术，将c a d 发展为智能c a d ( b pz c a d ) ，以 适应创造性设计的要求。 集成化现代设计系统不再是单一的c a d ，c a m ，c a e ，c a p p 系统，而是支持产 品生命刷期全过程的现代设计集成系统。集成化系统已从传统单一的信息集成发展 到包括信息集成、过程集成、企业集成的系统，并且涉及到许多技术，如数字化建 模、产品数据管理、过程饰调与管理、产品数据交换、c “工具、d y x 工具等。 1 3 产品概念设计 产品概念设计在整个产品开发过程中占有十分重要的地位。产品概念设计的质 量是决定产品最终质量、市场竞争力以及企业获利最为关键的因素。因此，产品概念 设计越来越多地受到人们的重视。传统c a d 系统主要面向产品详细设计阶段，只能解 决产品的二维和三维描述，而对于产品的概念设计则没有提供有力的支持，不能充分 地体现设计人员的创新设计思维活动，所以其不是真正意义上的计算机辅助产品没 计。从8 0年代后期开始，计算机辅助概念设计 ( c o m 口u t e r a i d e d c o n c e p t u a l d e s i g n ，c a c d ) 技术逐渐受到人们的重视，目前已成为设 计领域的研究热点之一”i z 。 1 31 概念设计的深刻内涵 概念设计这一名词最早由f r e n c h 9 7 魄出。他在其书中将概念设计定义为：“设 计首先足要弄清设计要求和条件，然后生成框架式的广泛意义上的解。在此阶段中对 设计师的要求较高，但却可以极大地提高产品性能。它需要将工程科学、专业知识、 产品加工方法和商业运作等各方面知识相互融台在一起，以作出一个在产品生命全 周期内最为重要的决策。” p a h l 和b e i t z 于1 9 8 4 年提出了设计过程分为明确任务( c 】a r i f i c a t o n o f t a s k ) 、 概念设计( c o nc e p t u a l d e s i g n ) 、具体设计( e m b o d i m e n t d e s i g n ) 和详细设计 ( d e t a i l e d d e s i g n ) 的四阶段模型f ，并将概念设计定义为：“在确定任务之后，通过 抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组台等，确定出基本求解途径，得出 求解方案，这一部分设计工作叫概念设计。” k a r l u l r i c h 认为设计的过程是产品的功能描述向结构描述的转换过程而概念 设计是这个过程的早期阶段。产品的功能描述可以是一个真值表、一条性能曲线或 设计是这个过程的早期阶段。产品的功能描述可以是一个真值表、一条性能曲线或 山东大学硕士学位论文 者一组动词短语；结构的描述包括通过图形、模型或装置本身的物理实现等方式所 体现的一组结构属性。功能描述与结构描述是多对多的映射关系【”1 。 m s h u n d a l ”1 在p a h l 和b e i t z 的基础上将概念设计分为问题本质的抽象识别、 功能结构的建立、子功能一解原理的匹配、子结构的组合及基于设计规范的方案评 价五个阶段，并对各个阶段的计算机支持作了一些阐述与展望。 r v w e l c h 和j r d i x o n 将概念设计定义为由功能需求到抽象物理系统的转换 过程，并将这一过程分为两个阶段：( 1 ) 现象设计( p h e n o m e n o l o g i c a l d e s i g n ) 阶段一 一基于物理原理将功能需求抽象为行为的描述；( 2 ) 具体设计( e m b o d i m e n t d e s i g n ) 阶段将行为的描述具体为能够实现行为的物理系统p “。 由此看来，概念设计不能简单地等同于过去理解的方案设计，概念设计的内涵是 十分广泛和深刻的。它是根据产品生命周期各个阶段的要求，不仅进行产品功能创 造、功能分解以及功能和予功能的结构设计，而且进行满足功能和结构要求的工作原 理求解以及进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计口”。 1 3 2 产品概念设计过程 产品概念设计过程就是分析用户需求到生成概念产品的过程。从设计流程看， 面向产品创新的概念设计过程可分为如下五个过程3 3 1 ( 如图i - 3 ) 。 图i - 3 面向产品创新的概念设计过程 ( i ) 组件特征录入过程 这个过程实质上是需求、功能、原理等信息的实体化过程，或称产品数据的可 视化过程。其目的是形成产品的初始实体。整个录入过程以组件特征为单元逐步进 行。具体过程为首先输入产品的总体信息，包括几何信息与语义信息等：其次录入 产品的各个初始组件特征，包括总体特征、几何特征、工程特征、布局特征等信息， 特征的录入非常灵活，若设计师无法确定某些要素，完全可以省略。 ( 2 ) 产品创新设计过程 第1 章绪论 这一过程是概念设计的核心过程，包括了以布局、形状和结构创新为主的全部 概念创新过程。这一过程将提供一些常用的概念设计创新工具和产品方案的实时三 维展示平台工具。设计师可根据自己经验和实际需求，选择不同的创新工具进行产 品创新。整个创新过程是设计师与计算机的协作、交互过程。 ( 3 ) 方案评价过程 每进行一步创新，系统都将记录当前历史，并进行分析和评价，同时将满足当 前要求的方案显示出来，并由设计师进行进一步的评价。系统随之响应设计师的评 价和修改指令，对当前的状态和方案进行修正。 ( 4 ) 产品方案展示过程 设计师可对选定的单个或多个方案进行设计方案的展示，可以给展示方案添加 真实感纹理、对产品组件进行进一步的精细化：可以添加各种模拟现实环境的场景； 可以进行静态或动态的演示等等。 ( 5 ) 方案输出过程 方案输出是概念设计的最后阶段。在这一过程，产品方案可以以多种方式进行 输出；可以存储成标准的文件格式，从而直接传递给后续设计过程；或根据不同的 需求形成不同的概念设计效果图和报告书等等。 i 3 3 概念设计的评价 概念设计的方案评价历来是争议最多，但又不得不做的一件事情。在该阶段中， 设计者对设计对象的认识不完全，信息不精确，因而做出正确无误的评价是相当困难 的。概念设计的评价与其纯评价相比有其独特的特点f 3 4 j 。 在设计决策中通常使用两种方案：一种是多目标决策，另一种是模糊决策。多目 标决策的方法由v o n n e n m a n n 和m o r g e n s t e r n 提出。他们在决策时同时考虑多个准 则，着重解决在多准则同时作用但又不能同时得到满足时如何进行方案的选优和决 策的问题。t h u r s t o n 将此方法应用于种工业用泵的材料选择当中，他在选择中间 时考虑了材料的价格、重量、耐磨性和耐腐蚀性等等因素，并做出了选择。模糊决策 方法是由z e d e h 提出的，它是一种对不精确信息的处理方法：c a r n a h a n 采用模糊决策 方法，用模糊语义值表示权重和设计准则，利用模糊加权距离计算方案与准则的差距 从而得出方案的模糊优序关系【3 ”。 概念设计阶段的评价既是一个多目标决策，又是一个模糊决策。 1 3 4 产品概念设计的研究方法与现状 机械产品概念设计方法总体上有两种：第一种方法，基本上是一种很原始的机 械设计，即生成机械产品功能目录；第二种方法，涉及机械结构的抽象化表示和符 号化表示机械的各个功能方面。第二种方法是朝向通用化方向的进步。用抽象化符 山东大学硕士学位论文 号表示可以为规律化、系统化描述提供基础，但是要求有一个便于理解的方法表示 抽象的功能解答方案。 专家系统是人工智能中最重要的分支，它的迅速发展和成功引起了机械c a d 专 家的高度重视，自1 9 8 3 年d c b r o w n 最早提出关于人工智能在机械设计中的应 用的研究论文发表以来，大量的文献报告了机械设计专家系统在机械设计各方面的 应用成果。结合专业c a d 系统建立机械产品设计专家系统为主的智能c a d 技术， 重点研究早期设计阶段的自动化。专家系统在解决本专业的问题时表现出高超的水 平，但在事先没有估计到的情况时，在稍偏离原定领域的时候，显得无能为力。m 程序的这种脆弱性源于专业知识的过分狭窄。研究协同式多专家系统，可以综合应 用多个相关领域的专家知识完成设计任务；当前，国内专家系统研究重心仍在特定 专业产品结构方案的评价与选择的智能自动化，产品概念设计自动化还未引起广泛 而深入的研究。 在系统方面，早在2 0 世纪7 0 年代，f r e e m a n 等人就提出了功能推理的概念， 即由功能概念到结构的匹配【1 2 。l a i 等人进一步发展了该思想，研制了一种可用于 功能结构描述和功能推理的语言，使功能推理方法项实用阶段迈进了一大步。 m a n o o c h a i r 等人讨论了创造性概念设计问题，提出了从第一原理出发创造新的物理 实体和物理概念的思想。g e r o 提出了基于原型的设计方法。c o y n e 则研究了神经 网络方法用于概念设计的可能性。 台湾成功大学的颜洪森等人提出颜氏创造性机构设计的系统方法。该方法首先 找出可用的已有设计，归纳出这些机构的拓扑构造特性，选择其中一个存在的设计 作为原始机构，然后把原始机构转化成只含有连杆和回转副的一般化运动链，运用 数目综合理论，得到所需机件和运动副数目的一般化运动链图谱。根据设计需求， 特定化运动链图谱，找出能满足设计约束条件的可用特定化运动链图谱，再把可用 特定化运动链图谱转换成与之对应的机构，获得机构图谱。最后去掉已存在的现有 机构，获得新类型机构图谱【1 。 j e s h a r p e 等人进行的并行概念设计的研究，通过b o n dg r a p h 图来表示单个 零件是怎样装配到整个系统模型中的，可以进行静态操作和动态仿真。y d w a n g 等人讨论了在概念设计阶段设计处理和模型的可能性，提出了两种不同的方法：( 1 ) 寻找在每个设计阶段决策的基本原则；( 2 ) 模拟化感性知识和经验，即a i 技术的应 用。h ，j h e r p l 等人研究了多类领域的系统设计方法，根据快速成型原理，通过一套 图形设计接口，进行综合分析各种功能原理，并连接到整个系统中，再进行证实和 评价。此外，y n a k a 等人在实践上进行了基于实例的工程设计系统的研究。 m a t t h e w t a l e b b e n d i a b 等人利用衍生分层多代理技术来完成一种分布式并行 概念设计任务，力图通过多层分布式代理的衍生与反馈机制去模仿概念设计的创造 性过程，并在某些特定的产品中实现了其理论的验证。 大型知识库的建立经验( y o s h i k a w a ，1 9 9 3 ) 表明知识需要系统化，单纯知识积累无 法实用：传统机械设计专家系统主要解决方案选择与优化问题，但和概念设计自动化 第l 章绪论 的距离较远，更无创新设计能力可言。设计类专家系统的目标就是要研制一种能够 替代并且超过人类设计专家水平的机器系统，这必然涉及到专家的创造性思维的研 究，属于外延型知识工程领域的研究范畴。已有的外延型知识库系统有：b a c o n 系 列知识库提出了分层描述升级发现模型：a m 系统采用启发式技术：m e t a d e n d r a l 系统应用归纳技术于专业领域。它们虽都从某些方面表现出一定的外延性，但从严格 意义上讲，都没有能触及自动发明( 现) 的本质，至少没有普遍意义。 国内对概念设计的研究与国外相比起步较晚，于1 9 8 6 年才发表了有关机械产 品方案设计专家系统的研究成果。该文对总体方案设计思想、知识表示、求解策略 和控制结构等方面提出了详细的描述。在实用系统开发方面，国内各大学百家争鸣， 都做了大量的工作，先后实现了几个实用化的概念设计专家系统和开发工具，推进 了国内机械产品概念设计专家系统的进程口。 1 3 5 概念设计的关键技术 为了有效支持产品概念设计活动，首先需要解决好几个基本问题：一对产品概 念设计中相关的设计知识和信息的计算机表达技术：二是如何产生合理的产品设计 解的计算机求解技术；三是产品数据的管理问题。 1 概念设计问题的计算机表达技术 概念设计问题的计算机表达形式常用的有形式化语言、几何模型、图( 树) 、对 象、知识模型以及图象等【15 】，最接近人类思维和推理方式的表示方法之一就是利用 图象，如徒手草图是设计活动中常用的加速设计进程和比较设计结果的方法，设计 草图不仅反映了设计师思维的结果，而且还是他们工作的一种工具，求解过程中的 思想也常常是在画草图和建模中逐渐形成的【1 6 1 。 2 概念设计问题的计算机求解技术 概念设计计算机求解工作主要是j f 用计算机代替人做一些基于规则、知识的推 理工作，常见的推理方法主要有以下几种： 基于事例的推理：基于事例的推理是应用以计算机形式存储的过去经验来解 决在与之类似的当前环境中产生的问题，它包括三个阶段：事例的描述，类似事例 的匹配和检索，被检事例的修改【1 7 18 】。 基于知识的推理技术：知识库被用于捕捉程序性的设计知识和产品或领域知 识。适合设计描述的解释的推理技术包括：推测( a b d u c t i v e ) 推理、演绎( d e d u c t i v e ) 推理、基于约束( c o n s t 陷i n t - b a s e d ) 的推理和非单调( n o n _ m o n o t o n i c ) 推理 ” 2 “。 3 产品数据管理技术 产品数据管理( p d m ) 技术是2 0 世纪8 0 年代末兴起的一门产品信息综合管理技 术，最初的目的是解决大量工程图样、技术文挡及c a d 文件的计算机化管理问题， 然后逐步扩展到产品开发过程中的三个主要应用领域：设计图样和电子文挡管理、 物料清单管理、工程变更管理【8 2 】。按照专门从事p d m 和c n k 相关技术咨询业务的 山东大学硕士学位论文 国际公司c i m d a t a 公司的定义，p d m 是管理与产品相关的下列信息和过程的 技术： a 与产品相关的所有信息，即描述产品的各种信息，包括部件信息、结构配置、 文件、c a d 档案、审批信息等 b 与产品相关的所有过程，即对这些过程的定义和管理，包括信息的审批和分 配 p d m 技术是作为协调大量快速变化的产品信息的关键技术出现的，这些快速变 化的产品信息必须安全存储、相互关联、可转化格式以方用户访问【2 1 】。 1 4 存在的问题 1 ) 从功能域到结构域的映射，实际上是功能结构图中的每一个分功能与能实现该 分功能的结构进行匹配，一