复杂产品创新设计.doc

3.2课题主要研究技术的国内外发展现状与趋势，课题主要研究技术国内外专利授权情况(1)、国内外发展趋势在经济全球化的发展趋势下，先进制造业的发展面临着新的挑战：（1）经济增长方式从资源资本要素投入型向知识技术投入型、增强产业核心竞争力方向转变；（2）在发展中国家以规模扩展为中心的科技产业结构调整和升级时，发达国家由20世纪90年代的资本密集、技术密集型转向为知识密集、高技术、高附加值的新经济产业；（3）先进制造业开始逐步从直接生产领域退出，转向以输出专利技术等知识产权、品牌为主的委托加工生产，将有关制造和生产加工向发展中国家转移。（4）先进制造业竞争已由资源和劳动力竞争转向技术和人才竞争，竞争的界面前移到技术和产品的研究开发、产业化乃至基础性研究和应用研究开发阶段，使科技竞争成为先进制造业竞争的关键因素。为了顺应这样的变革，从20世纪90年代开始，基于信息技术革命，企业的管理思想与方法发生了根本性的变化，企业组织形式也发生了变化，这些变化在先进制造业的领导者跨国公司中得到了很好的发展与发挥，并将成为新型全球化方式而发展下去。这种变化的主要特征是：广泛利用别国的生产设施与技术力量，在自己可以不拥有生产设施与制造技术的所有权的情况下，制造出最终产品，并进行全球销售。主要有两种形式：一是制造业公司掌握产品设计、关键技术，授权国外生产厂商按其要求生产产品，自己则在全球建立营销网络，进行产品的广告宣传与销售及提供售后服务。二是制造业公司在全球范围内建立零部件的加工制造网络，自己负责产品的总装与营销。制造业全球化，使制造业的资源配置由一国范围扩大到全球范围，生产、营销、资本运作、服务以及研究开发均推向全球化，导致世界制造业在全球范围的重新分布和组合，即国际产业分工格局的重组。企业通过国际互联网、局域网和内部网，与世界上其它合作伙伴组建动态联盟，从一个无国界的大市场中实现异地设计、异地制造和远程销售。随之，制造业企业的生产方式、经营管理、企业结构与地区、社会的协调发展等方面均在发生巨大的变化。进而表现在从以增长导向型管理转向以价值导向型管理，并进一步优化包括采购、生产、销售、物流、售后服务等价值链的结构。价值导向型管理模式注重长期价值的创造。世界特别是亚洲经济布局，及产业结构都将产生巨大变化。越来越多的企业开始利用新的商务模式、信息技术及战略联盟等手段，进一步优化包括采购、生产、销售、物流、售后服务等业务链，引发出以业务驱动的企业集群的协同设计、制造和管理。同时，在当今高度竞争的经济环境中，商务需求总是驱动技术路线的发展。为了应对日益高涨的客户需求和动态竞争，公司面对以下巨大压力：（1） 为客户提供大批量定制的产品而不断缩短产品到市场的前提期；（2）通过大批量生产来提高生产容量；（3）通过提高产品生命周期中的效率来加快盈利的时间。这些商务需求驱动了相应的技术技术发展需求，包括：（1）加速产品创新设计与开发，（2）提高制造/供应的能力和容量，（3）从生命周期的效率提高盈利能力。为了应对这样的挑战，在过去几十年，通过先进制造技术的支持，制造工业已经从以规模经济为优势的大批量生产，转变到以优化企业内部流程的并行工程，以及到利用创新来提高新产品的开发能力和企业的竞争力12。为了很快地响应不断变化的市场的需求，各成员公司需要以实时的方式和客户、制造商、供应商紧密协同工作。相应地，制造业中的商务模型也从基于库存的生产，到基于订单的加工，到基于订单的工程，到基于订单的配置，到基于订单的设计，以及在不久的将来的基于订单的创新。用以支撑这些商务模型的关键技术也从大批量生产，到柔性制造系统，到基于知识和经验的制造，到产品客户化，到产品知识重用，到产品创新设计34。因此，企业群业务协同被当今知名学者56、应用企业78认为是企业研发信息化软件市场的下一次浪潮。当公司趋向于向提供更好的以客户为中心的产品和服务来更快地满足客户的需求以提高市场占有率和市场容量从而不断地增加收益的时候，产品创新设计关键技术和应用系统在现代价值链中变得日益重要。为了满足这样的需求，产品创新设计最近被认为是一种新的、从概念到产品生命结束的贯穿整个价值链的商务战略方法，它被用来集成人员、流程、和技术以支持产品全生命周期的协同创新，涵盖设计、制造、管理、分发，和充分利用产品资产，包括数据、信息、知识等。航空航天、发电设备、汽车产业是复杂产品而且迫切需要创新设计系统支撑的典型行业。这样的一个企业同时有多达几个到十几个新产品的同步开发，每个新产品有几千到几万个零部件、几百到几千家供应商紧密协同工作。将各种产品零部件组装在一起进行整个产品的性能匹配，使各项指标达到最佳或较佳，则是非常困难的。有数据表明，以汽车行业为例，尽管汽车零部件供应商可以降低单个零部件设计成本40，而这些零部件装配成整车后，由于性能匹配上的问题，实际上只降低了20的成本。因而，问题的复杂程度随着新产品开发数量的增加呈几何级数增加。这就造成了企业期望较多数量的新产品开发与企业有限资源的矛盾，特别是在众多有限资源不能及时地被获取和利用时，就显得更为突出。存在的瓶颈问题主要包括：（1）产品工程设计过程中，缺乏设计过程中实时的大型设计计算、仿真与优化能力，使各种计算机服务设计效率低下。（2）产品设计出现的问题不能及时地被发现，需要到生产制造时才能被修正，从而增加了新产品开发的成本和推迟了产品的上市时间。（3）产品开发过程中，具有结构/性能匹配关联的汽车零部件的多供应商间并行开发缺少信息互通的渠道。往往需要在等大家都完成了设计，开发了模具，加工了样品以后才发现尺寸不匹配，性能不吻合等问题，从而增加了供应商零部件的设计时间与开发成本。（4）产品生产过程中，不能及时地获取众多供应商的生产能力、生产负荷等情况，设计的内容需要经过多次的反复修正，从而延长了工程设计的时间。（5）在进行整个产品预试生产和试生产阶段，由于众多供应商及总装生产企业的资源不能被实时地协同共享，及过去的生产经验不能很好地被借鉴，试生产中产品出现的问题不能被及时地发现，更不能及时地被解决。 因此，以航空航天、发电设备、汽车产业未背景来研究和验证复杂产品创新设计技术与系统具有较为典型的代表性。（2）、国内外发展现状复杂产品创新设计系统支持，从最初的概念、到设计、工程、投放、生产、使用和最终的处置，对一系列产品、流程、和服务的设计。它协同设计贯穿全生命周期的介于企业内外、不同人员之间的产品、项目、和流程信息。它也支持以产品为中心的、通过实时在线分享产品知识和商务应用的商务解决方案9 10 11。因而，复杂产品创新设计支持制造企业通过以较少的时间、 较低的成本、和较少的缺陷创造更好的新产品，而获得最大的竞争优势。总之，复杂产品创新设计不仅提供贯穿产品生命周期的设计，也为产品价值链中的相关参与者提供有效协同与优化能力。这些使得它有别于传统的企业应用系统，例如：企业资源规划（ERP）、制造执行系统（MES）等。这是因为传统的应用系统，例如，计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）12、计算机辅助规划（CAPP）13，对使得设计过程更有效提供了帮助，但它们通常同一个公司的主要运营相分离。设计工程师或制造工程师可以接触到这些系统，但其他的或许可以对设计增加价值的人员没有系统性的方式来影响或对产品设计、制造进行评价。当等到这些其他的人提供相应的建议时，改变的成本已非常高或已不可能实现，从而导致了高成本，或更糟糕的是，不能满足客户需要的无效产品设计。虽然现代制造应用系统，例如，产品数据管理（PDM）、供应链管理（SCM）、企业资源规划（ERP）、制造执行系统（MES）、客户关系管理（CRM）、需求链管理（DCM）等，已被开发来克服以上的有些困难，它们还是不能充分满足贯穿产品生命周期的协同要求。因为这些系统集中在企业中的特定活动范围内，而不是设计了用来满足新的商务需求141516。最近对复杂产品创新设计的国外科研结果调查显示，日本东京大学的产品生命周期建模研究组的研究集中在生命周期工程、基于仿真的生命周期设计、生命周期规划和生命周期优化、重用、快速生命周期、绿色设计、服务质量等17。其他的研究包括美国斯坦福大学的设计研究18、麻生理工学院的产品开发创新中心19、加州大学伯克利分校的基于万维网的设计、工艺规划和制造系统20、乔治理工学院的系统实现实验室21、英国牛津大学的工程设计中心的设计流程和知识管理，兰卡斯特大学的工程设计中心的计算机辅助概念设计，美国国家标准与技术研究所的FIPER项目22，德国Fraunhofer资助的iViP项目23。这些研究集中在应用现代计算和网络技术进行产品设计和开发并支持协同设计和潜在的创新。这些报导的成果对产品创新设计的进一步研究奠定了较好的基础。但是，在系统化的产品创新设计技术与系统方面却看到较少的报道，而目前所取得的成果还很不尽人意。最近对复杂产品创新设计的工业界的国外应用系统的分析显示，Goldfire Innovator产品为企业提供了发明问题解决的结构化流程，即帮助用户进行问题分析、问题解决和产生最优方案7。Pro/Innovato为用户提供根据市场需求明确现有产品或工艺流程中存在的问题,确定和解决产品开发中的关键问题，并协助找出创新设计途径8。UGS公司的产品生命周期管理解决方案提供了基于Teamcenter基础架构的协同平台、协同项目管理等能力24。PTC公司提供了基于传统产品数据管理（PDM）的、与供应商和项目管理衔接的、可扩充功能 25。IBM公司支持扩充的产品数据管理包括以跨国公司为应用对象的Enovia系统，及面向中小企业的Smarteam系统26。MatrixOne公司提供了产品定义、产品协同、 产品供应等解决方案27。这些来自于不同供应商的解决方案，特别是产品数据管理系统，已经在制造领域得到了较广泛的应用并给企业带来了利益。国内科研人员也在产品创新设计领域作了初步探讨。具有代表性的包括: 浙江大学的人工智能研究所5；河北工业大学的机械学院创新设计研究所6；清华大学的基于轿车生命周期的计算机仿真28；华中科技大学的面向产品全生命周期管理的企业规划和实施，及基于PLM的产品定制研究2930；哈尔滨工业大学的面向型号产品全生命周期的CAD/CAPP并行过程研究31；重庆大学的产品生命周期管理的内涵、技术框架和物料清单研究323334；南京航空航天大学的为解决信息孤岛的PLM解决方案35；合肥工业大学的基于企业信息管理的制造数据建模36；同济大学的基于知识面向环境的产品全生命周期模型37；东北大学的基于产品全生命周期的工艺信息模型38；东华大学的产品生命周期管理在服装企业的应用研究39；。国内的这些研究基本上集中在产品创新设计技术与系统的某个阶段或方面的信息和功能建模、仿真与优化，但对产品创新设计缺乏较完整的、系统性的、本体性的研究、开发与应用。（3）现状分析复杂产品的创新设计系统不仅面临产品功能、结构的复杂性问题，同时面临由复杂功能和复杂结构引发的多种复杂问题。从产品全生命周期的设计阶段来看，复杂产品创新设计系统复杂性涵盖产品本体复杂性、设计知识复杂性、设计组织复杂性、设计过程复杂性、设计系统复杂性，如下图所示。用户需求复杂性产品功能复杂性产品形式复杂性制造工艺等其他复杂性图：复杂产品创新设计系统复杂性示意图产品创新设计涵盖了产品生命周期中所有具有创造性的活动。产品创新设计具有的特点包括：（1）从企业角度观察，能为产品创造高附加值；（2）从市场角度观察，能保持强劲的吸引力，不断刺激消费者的消费欲望；（3）从消费者角度观察，能不断获得新产品，满足物质和精神生活的需要；（4）从设计师角度观察，能不断迸发灵感进行创造；（5）从经济发展宏观角度观察，使整个国家的经济呈现出强劲的竞争力。德国学者Gerhard Pahl和Wolfgang Beitz把传统的产品设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计四个阶段33。明确任务是分析市场需求，确定新产品的定位；概念设计包括功能、原理、结构、布局和外形五个方面，它确定了产品的大部分消费者可认知特性，是产品设计中的关键阶段，也是可塑性最强的一环，是体现产品设计创新性的关键，尤其是外形设计最能发挥设计师的创造性；技术设计为概念设计的要求服务，是传统意义上的技术创新的发挥阶段。市场需求及与之对应的产品定位可以驱动概念设计的创新，并带动技术创新，反之也有促进作用。因此，概念设计是产品创新设计的关键阶段！然而根据以上国内外现状的综述，现有基本理论、关键技术和软件平台的均较难满足现代企业对复杂产品创新设计的复杂性需求。因此迫切需要研究复杂产品创新设计系统的功能模块、关键技术、使能工具、集成平台和应用验证，以不断提高企业集群的综合竞争力。（4）、主要研究技术国内外专利授权情况目前国内外业务驱动企业群协同设计、制造和管理方面的知识产权还较少，有比较大的研究和创新空间。参考文献：1 ASCET, 2005, .2 Porter , M. E. Clusters and New Economics of Competition. Harvard Business Review 1998 , (11) 。3 CIMdata, 2003, http:/www.CIM.4 AMRResearch, 2003. .5 潘云鹤，庄越挺，“创新：产品设计的灵魂”，网址：/disp_art/1330005/3260.html。6 檀润华， 产品创新设计若干问题研究进展， 机械工程学报，2003，39（9）：11-16。7 Pro/Innovator， 网址：。8 Goldfire Innovator,网址：。2CIMdata, 2003, http:/www.CIM.3AMRResearch, 2003. .4Brown, J., 2002. The PLM program, an incremental approach to the strategic value of PLM, .5Szykman, S., Sriram, R. D., Regli, W. C., 2001. The Role of Knowledge in Next-Generation Product Development Systems, Transactions of the ASME, Journal of Computing and Information Science in Engineering, 1: 3-11.6Zhang H. C., and Alting L, 1994. Computerized Manufacturing Process Planning Systems, Chapman & Hall, New York.7Anthony, L., Regli, W. C., John, J. E., Lombeyda, S. V., 2001, An Approach to Capturing Structure, Behavior, and Function of Artifacts in Computer-Aided Design, Transactions of the ASME, Journal of Computing and Information Science in Engineering, 1: 186-192.8Ciocoiu, M., Nau, D. S., Gruninger, M., 2001, Ontologies for Integrating Engineering Applications, Transactions of the ASME, Journal of Computing and Information Science in Engineering, 1: 12-22.9Svensson, D., Malmqvist, J., 2002, Strategies for Product Structure Management of Manufacturing Firms, Transactions of the ASME, Journal of Computing and Information Science in Engineering, 2: 50-58.10Tokyo, 2003, Product life cycle modeling group, University of Tokyo, http:/www.cim.pe.u-tokyo.ac.jp/lc/index.html.11Stanford, 2003, Center for design research, Stanford University, /.12MIT, 2003, Center for innovation for product development, Massachusetts Institute of Technology, /.13Berkeley, 2003, CyberCut project, University of California at Berkeley, /.14Georgia, 2003, Systems realization laboratory, Georgia Institute of Technology, /.15FIPER, 2003, Federated Intelligent Product EnviRonment, /product_FIPER.htm.16IViP, 2004, Integrated Virtual Product Creation, http:/www.ivip.de/.17UGS, 2004, .18PTC, 2004, .19IBM, 2004, .20MatrixOne, 2004, .21熊光楞，王克明，陈斌元，杨流辉，范小东，王丹妮，（清华大学）2004，计算机仿真技术在轿车工业中的应用与发展，系统仿真学报，Vol.16 No.1，pp.73-78。22刘清华，万立，王启付，钟毅芳，（华中科技大学）2002，产品全生命周期管理在某企业的规划与实施，计算机辅助工程，No. 1，2002年3月，pp.35-42。23袁晓鸣，万立，(华中科技大) 2005，基于PLM的产品定制系统研究,机械与电子，2005年04期，pp.3-6。24陈彦海，刘文剑，（哈尔滨工业大学CAD/CAM 研究所）2003，面向型号产品全生命周期的CAD/CAPP并行过程研究,航天制造技术，2003 年12 月第6 期，pp.27-30。25郭钢，余成龙，徐宗俊，陈静波，(重庆大学机械工程学院) 2002，面向产品自主开发的并行协同环境与支持技术,重庆大学学报(自然科学版)，第25卷第4期，pp.1-5。26郭钢，余成龙，刘飞，(重庆大学机械工程学) 2004，产品生命周期管理的内涵和技术架构，中国机械工程第15卷第6期，2004年3月下半月，pp.512-515。27郭钢，程静波，刘飞，(重庆大学机械工程学) 2004，产品生命周期中的单/多层BOM表示与应用，计算机集成制造系统CIMS，第10卷第1期，2004年1月，pp.59-64。28姚雄，傅铅生，(南京航空航天大学经济与管理学院) 2004，“信息孤岛”问题及PLM解决方案，机械制造与自动化，2004年04期，pp.68-75。29蒋增强，刘明周，赵韩，曹飞，(合肥工业大学机械与汽车工程学院) 2004，基于EIM的制造数据管理模型研究，组合机床与自动化加工技术，2004年11期，pp.96-98。30李爱平，(同济大学机械工程学院) 2003，基于知识面向环境的产品全生命周期模型，中国机械工程，2003年04期，pp.295-298。31舒启林，王成恩，(东北大学机械工程与自动化学院) 2005，基于产品全生命周期的工艺信息模型，航空制造技术，2005年03期，pp.84-88。32郭大宁，王磊，陈成，(东华大学旭日工商管理学院) 2005，产品生命周期管理(PLM)及其在服装企业的应用研究，东华大学学报(自然科学版)，第31卷第2期，2005年4月，pp.77-82。33Gerhard Pahl, Wolfgang Beitz, 1995, Engineering Design: A Systematic Approach. Springer,2 edition (December 8, 1995). ISBN-10: 3540199179。3.3课题主要研究内容、拟解决的技术难点和主要创新点，现有研究基础（1）、主要研究内容（1.1）、研究目标当今世界复杂产品创新设计的趋势是产品质量更高、产品开发更快、产品成本更低。高质量的产品可以不断获得更多的新用户的青睐，快捷的产品开发速度使得公司可以更快的抢尽先机占有市场，而更低的产品成本为公司带来更大的经济利益。要在上述三个方面取得进展，本课题要在三个方面取得关键技术的应用验证的突破：l l 复杂产品创新设计的理论与方法（原始规律），从而能更好地发挥设计师的最大潜能，包括思维、经验以及领域知识，实现标新立异的产品创新。同时，充分协调好计算机与人的创新思维活动，使两者由互补逐步走向融合，最终实现以人为核心、人机一体化的创新思维体系。l l 符合市场需求的复杂产品创新产品设计和面向生命周期的新产品设计的仿真与优化的统一表达、产品创新设计过程中产品中间形态高效转变机理和创新开发过程中的优化推理策略。l l 利用当代最新信息技术、网络技术、智能技术和协同技术以及其它新兴技术、新型材料、新式能源，结合市场需求，实现高效、并行、协同、智能的复杂产品创新设计的共性原理。（1.2）、研究内容本课题研究内容包括：（1）复杂产品创新概念设计关键技术与功能平台；（2）产品创新设计理论和方法；（3）产品创新设计知识使能工具；（4）复杂产品创新设计集成环境；（5）复杂产品创新设计应用验证。具体关系如下图所示。复杂产品创新概念设计技术平台产品创新设计理论方法产品创新设计知识使能工具复杂产品创新设计集成环境复杂产品创新设计应用验证（1.2.1）子课题A：复杂产品创新概念设计当前，国家非常重视复杂产品的创新设计问题，正努力提升复杂产品系统的创新设计水平。产品创新设计研究对象正从原来单一的机械产品向着机电信息一体化、多功能、超大规模和巨复杂系统的方向发展。对于复杂产品而言，其某方面的单一功能已经不能决定产品的创新度，单一功能的创新也不再是决定消费者是否购买的主要因素。复杂产品的综合性能、外观造型的美观性、宜人性等因素越来越受到重视，这种趋势要求我们将复杂产品布局、外形、人机工程学的创新研究提到一个新的高度。概念设计是产品创新设计的早期阶段，广义概念设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程，包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和宜人性（人机工程）设计等。从工业设计角度看，概念设计则是指在产品的功能和原理基本确定的前提下，对复杂产品外观造型进行创新设计的过程，主要内容包括布局设计、形状设计和人机工程设计。概念设计是高层的系统性设计，涉及多专业、多学科知识及知识综合能力。概念设计创新要求多专业产品设计知识高度继承与融合，因此计算机辅助概念设计（Computer-aided Conceptual Design，简称CACD）技术的研究已经成为复杂产品创新设计领域的热点问题，受到了众多专家学者的热切关注。目前一些大型CAD/CAM/CAE系统，例如Pro/Engineer、EDS、UGS等，都提供了概念设计模块或工业设计模块。但这些系统的根本缺陷在于缺乏多专业产品设计知识，缺乏多专业设计知识的继承与融合机制，缺乏多学科知识的驱动机制和使能技术，不能有效支持复杂产品概念设计创新。（A1）复杂产品创新概念设计关键技术为解决概念设计阶段多专业产品设计理念的继承与融合，实现基于多专业知识驱动的概念设计创新系统，将产品几何特征拓广为涵盖几何特征、工程特征、语义特征等三大内容的产品组件特征，重组为总体特征、布局特征、形状特征和人机特征，以三元组、条件约束集、多值依赖图建立组件特征模型，进而研究基于组件特征模型的概念设计建模技术、基于组件特征模型的产品布局设计技术、基于形状文法的产品形状设计技术、面向概念设计的人机工程设计技术、产品概念设计多目标协同技术、基于交叉组合方法的产品方案综合评价与决策技术；结合航空航天、发电设备等复杂产品的设计，开发一套面向复杂产品创新的概念设计系统，提供数字化、集成化、智能化的概念创新设计平台，实现对复杂产品概念创新设计的支持。具体研究内容阐述如下：（A11）组件特征模型技术为了实现对复杂产品设计过程中的布局、外形和人机工程等设计环节的支持，融合几何特征、工程特征和语义特征提出了组件特征，将特征的内涵和范围从零件层拓宽到组件层。考虑到概念设计阶段各属性的主次性、系统内部数据结构的模块化，对组件特征的内容重组为总体特征、布局特征、形状特征和人机特征。主要研究组件特征的内容及形式化描述、组件特征操作。（A12）基于组件特征模型的建模技术概念设计建模技术主要研究产品信息模型和求解过程模型。信息模型需要考虑几何、结构、拓扑、功能、材料、力学等信息，与多学科知识关联。过程模型需要考虑建模的方法性、过程性与统一性、人机协作以及人群协同机制。过程模型能够描述、优化设计组织行为。（A13）基于组件特征模型的产品布局设计技术复杂产品布局设计的好坏，在很大程度上影响着整个产品的美观性和宜人性。布局设计是产品级的系统性、整体性设计，布局特征的构成单元是各个功能组件，而非单个零件。常规产品模型布局规则大多基于零件特征，其布局理论有很大的局限性，不能解决复杂产品布局设计面临的复杂性和动态性问题。提出基于组件特征模型的产品布局设计技术，主要研究内容包括：分析并抽取影响布局设计的三种主要的变化元素（空间排列、配置方式和尺度变化），针对复杂产品功能单元特征及其耦合特征，建立基于特征知识的布局规则和机制。（A14）基于形状文法的产品形状设计技术形状文法沿用了语言学中的衍生法则，通过形状文法与规则来描述形状设计空间。形状设计空间蕴含了丰富的形状创新方案，可以弥补设计师在形象思维方面的不足。但是由于在规则建立、基本模型的选择方面有缺陷，当前的形状文法无法广泛地被应用到实际的设计中去。当前形状文法的研究趋势包括两个方面：设计风格的分析、描述与归纳；风格空间与形状方案空间的映射和驱动机制。针对这种情况，重点研究：（1） （1） 建立面向特定复杂产品的组件形状原型库；（2） （2） 针对特定复杂产品确定合理的规则选择标准，确立系统的提取和抽象规则，并建立形状规则库；（3） （3） 拓展形状文法，打破当前形状文法的二维限制。（A15）面向概念设计的人机检测与设计技术复杂产品的宜人性以及良好的人机交互性越来越重要，研究和应用人机工程设计原理和方法已经成为概念设计专家面临的新课题之一。人机工程设计作为概念设计中的一个重要内容，主要研究产品操作空间、人的操作特性，建立人机工程约束机制，实现复杂产品宜人性实时检测、分析与评价，进而大大缩短产品开发周期，提高产品人性化质量。主要研究以下两点：（1）面向复杂产品（例如：航空航天、发电设备）的操作空间、操作过程分析（2）面向特定复杂产品的人机约束机制（A16）复杂产品概念设计多目标协同技术如上所述，布局设计将决定产品的组件数量和各组件的位置关系等；形状设计将决定产品各组件和整体的形状，包括外形、颜色等；人机工程设计则主要是研究在概念设计阶段如何考虑人机工程因素，建立人机工程约束模型。这些设计过程既相互独立又相互牵制，多领域专家设计时的冲突、任务求解的协调与决策经常发生，这要求概念设计支持系统在进行问题求解时必须具备相应的组织、协调和冲突检测能力。我们提出多目标协同技术，在构造协同概念设计系统框架时协调各个任务求解器，使整个问题的求解更加合理和有序。因此，产品概念设计需要解决以下问题：（1）复杂产品设计多目标模型（2）复杂产品多目标协同工作机制（3）复杂产品多目标冲突消解方法（A17）基于交叉组合方法的产品方案综合评价与决策技术在现代各种方案评价和分析决策中，由于产品的复杂性，一个方案的评价需要综合考虑多项指标，如布局的合理性、形状的美观性、使用的宜人性等等，因此需要进行综合评价。首先建立包含这些因素的一整套合理的评价指标体系；然后采用各种评价方法对概念设计方案进行综合评价，其中包括模糊综合评价方法，层次分析法等等。由于选用不同的方法是从不同的角度进行综合评价，如果仅仅用一种方法进行评价其结果难以让人信服，目前尚且找不到一种完善的评价方法，此外复杂产品的评价指标是多角度，多层次的，所以组合评价与决策方法是我们今后努力的方向。主要的研究内容包括：（1） （1） 分析研究评价对象，建立比较全面完整评价指标体系。（2） （2） 建立包含各种评价方法的评价方法库。（3） （3） 从该评价方法库中选择各种评价方法，进行交叉组合综合评价。（A2）复杂产品创新概念设计功能平台基于以上的复杂产品创新概念设计的关键技术，实现复杂产品创新概念设计系统，具体的功能模块包括：(A.2.1) 复杂产品创新概念设计流程管理平台在复杂产品创新概念设计关键技术研究的基础上，运用基于SOA（Service-Oriented Architecture）架构的工作流管理技术，构建复杂产品创新概念设计流程管理平台，内容包括：产品功能创新设计、产品原理创新设计、产品布局创新设计、产品形状创新设计、产品结构创新设计、产品功能结构仿真、产品综合方案设计等系统模块。(A.2.2) 多学科耦合协同仿真设计平台针对复杂多领域系统动态优化问题，基于对模型的仿真分析，考虑多领域、多目标、多约束以及多变量等特征，研究基于仿真模型的多领域物理系统的协同优化通用建模方法，其目标是将机械、电子、液压、控制等不同学科领域的模型集成一体，以实现协同设计、分析和仿真，包括实现：统一描述不同领域的问题；基于基本的物理规律；具有国际统一的语言规范（Modelica）；丰富的开放资源。研究内容包括：多领域统一建模、仿真与优化的体系架构；多领域统一建模机制及仿真模型的规划求解实现；适合多领域、多目标、多约束的优化问题的搜索算法库实现；模型灵敏度分析与参数试验；仿真、优化结果后处理； (A.2.3) 产品创新设计全局数据模型通过统一的数据表达形式（如STEP标准），研究产品定义信息、配置控制信息、生产过程控制信息、制造信息、分析优化信息等统一描述和存放的产品创新设计全局数据模型。它具有信息完备、语意一致、定义灵活、操作方便、表达集成和应用独立的特性，反映产品的信息本质，从概念上和逻辑上对产品的数据和数据流进行合理的规划、设计，成为产品全生命周期过程集成的桥梁。在集成产品模型的基础上，发展工程数据库，在数据的传输、共享和操作的基础上进行数据的重复提取和使用，并且可以变成系统知识进行使用。 产品开发平台通过建立统一的数据标准、便捷的共享机制、分布环境下的多库集成子系统、以集成产品模型为主的中央数据库和以融合历史数据和经验为主的知识库，支持产品研制的持续创新，从而实现数据层面的集成。(A.2.4) 全生命周期综合优化设计平台以产品创新设计全局数据模型技术、全生命周期协同优化技术、多学科耦合协同仿真设计为技术核心，以时间（缩短产品开发时间、提高响应市场的速度）、成本（降低产品成本、降低运营成本）、质量（提高产品功能、性能、维护）和服务（客户的满意度）为目标，支持产品持续创新的、由一系列软件工具和软件子系统组成的软件套件和解决方案集成合体，在数据、过程、应用三个层面构建全局优化设计平台，以实现多层次（例如：计划层、执行层、支持层、评价层）、多目标（例如：缩短开发时间、降低开发成本、提高产品质量和服务等）、多约束控制（例如：制造能力限制、制造容量限制等）的全生命周期全局优化设计。（1.2.2）子课题B：产品创新设计理论和方法（B1）共性创新方法与工具应用研究创新方法，包括：（1）集体群智法：智力激励法、检核表法、CBS法、得尔菲法，（2）系统创新法：系统设问法、系统列举法，(3) 组合创新法：性能组合、功能组合、原理组合、结构重组、系统组合、模块组合，（4）联想类比法：联想发明、综摄类比等，在创新设计中的应用。研究创新工具，包括：形态学求解工具、构思激励工具、协同求解工具、智能求解工具、模型变换工具、组合求解工具等，在创新设计中的应用。（B2）面向创新设计的TRIZ理论基于TRIZ理论，研究形成结构化、一致性的可重复性创新流程，从问题分析、自动查询、解决方案的产生、方案评估、一直到分析报告的生成，支持新产品开发和实现技术创新，以及对现有制造工艺流程的优化。研究将TRIZ理论应用于整个复杂产品创新设计流程，并对所要获取的知识进行挖掘，分析竞争对手专利动向，以及行业和技术的发展趋势。研究构建基于TRIZ理论的资源库来支持已有知识的重复利用、创新概念的产生和验证的全过程（B3）渐进式创新设计方法研究渐进式创新设计方法，内容包括：（1）提升传统产品性能方法：智能化、网络化、柔性化、数字化、自动化、“傻瓜”化，（2）平台化方法：系列化、模块化、集成化、多功能化，组合化、功能单一化，（3）精度、纯度、改进重量方法：小型化，便携化、精密化、高灵敏化、大型化、轻量化，（4）时代发展新时尚方法：未来化、个性化、高级化、高功能化、高速化，（5）安全使用寿命方法：耐用性、耐久性、免修化、无故障化，（6）环保、节省能源方法：绿色化、资源再生化、廉价化、省能源资源化、工艺简单化等。（B4）突破式创新设计方法研究渐进式创新设计方法，内容包括：（1）突破创新：产生替代技术，（2）酝酿期：共同学习型，（3）主导设计出现，（4）连续创新：工艺、结构、流程创新，（5）全新系列产品投入市场等一系列创新设计流程方法。（B5）创新思维驱动的设计方法研究创新思维驱动的设计方法， 内容包括：(1) 引导设计人员去创新思维：提供一套完整的创新思维和设计方法,使设计人员知道如何进行创新设计，（2）促使设计人员去创新思维：在使用所提供的方法和工具时,设计人员不能绕开某些重要步骤从事设计，（3）帮助设计人员去创新思维：提供创新设计原理和知识库、网上头脑风暴白板、基于语义的网上搜索引擎,使设计人员能有效地利用内外部资源激发创新灵感，（4）有利于设计人员去创新思维：提供概念设计环境,使设计人员能用草图、工程图、三维模型、文本、计算、图片、表格、多媒体和对象等多种形式表达他们的创新思维等方法。（1.2.3）子课题C：产品创新设计知识使能工具（C1）产品创新设计知识管理体系结构研究产品创新设计知识管理体系结构，包括（1）研究描述产品创新设计知识，包括显性知识表达和隐性知识表达。显性知识表达包括数据建模、信息建模、列表、决策树、框架、实体关系、生产规则、数学模型、优化算法等。隐性知识表达方法包括文本、制图、图表、非线性映射，模糊逻辑、录像录音；（2）研究挖掘产品创新设计知识， 包括数据库、知识库、数据仓库、内容管理，数据分析、汇总表等；（3）研究组织与分享产品创新设计知识，其中组织知识包括分类、检索、分布式知识库、知识图表等。分享知识包括电邮、声音邮件、国际互联网、目录、导航、搜索树、网络网络等；（4）研究学习与吸收产品创新设计知识，其中学习知识包括在线培训、电子化和实例化培训。知识吸包括分析、拉拔技术、成组方法、会议方法、视讯会议等；（5）研究应用和创造产品创新设计知识，其中应用知识技术包括虚拟现实，推动技术、仿真技术、认知技术等。创造知识技术包括同步信息传递、多线程对话、亲密关系标识、应用驱动、金块挖掘等。（C2）产品创新设计知识本体研究基于元知识的知识本体，它使得企业内的知识能够连接和引导。其中，元知识中描述的知识属性表包括以下内容：知识基本属性，包括贡献者、类型、背景等信息。依据产品创新设计的需要，研究知识本体结构表示方法，包括：图表层、描述层等，以便实现实际的知识资源层在可视化界面上的映射。产品创新设计知识本体结构包括：（1）知识节点：代表从业务过程中提炼出的知识对象；（2）知识关联：节点之间的连线说明了知识节点之间的联系;(3) 知识链接：提供知识的详细信息或知识本身的位置；（4）知识描述：提供知识节点更详细的信息。（C3）产品创新设计知识分类表达与应用方法研究产品创新设计知识分类表达，包括：（1）领域知识：功能域知识、行为域知识、结构域知识；（2）评价规则：评价指标树、评价模糊函数、指标权值集合；（3）设计实例：实例设计空间 - 领域知识、影射规则等。研究产品创新设计知识的应用，包括：领域知识、影射规则、设计实例、评价规则等在产品创新设计过程（例如：构建目标设计功能域、构建目标设计空间、搜索寻求相似实例设计空间、设计方案评价）中的应用方法。（C4）产品创新设计知识仓库研究构成知识仓库的集产品知识生成、共享和交互的知识管理平台，研究知识仓库的获取、净化、存储、组织、分析、发布企业内外的数据、信息和知识等关键技术。研究知识仓库中知识的分类定义，包括：（1）设计资料库：标准与规范、标准件、工程材料、常用算法、工艺规程；（2）产品创新库：创新原理、创新设计方法、创新方案评价、专利检索、技术革新；（3）建模辅助库：产品型谱分析、产品性能分析、产品结构分析、产品实例库、设计模板；（4）产品知识库：知识获取方法、规则库、推理机制、知识搜索策略、专家知识库；（5）非物化知识库：规则、方法、技巧、经验、原理、隐性知识；（6）物化知识：计算结果、说明书、测试结果、仿真分析、工程绘图、总体装配、零件造型、总体布置、气动设计等。（1.2.4）子课题D：复杂产品创新设计集成环境（D1） 企业智力资源管理及应用（1）已有知识的管理与共享研究多种类型知识的采集、表达、分类整理、存储、传播、共享和求精，研究知识管理系统中的知识库系统结构、启发式信息检索技术、知识库分布技术、智能在线帮助工具、相关的网络平台等，为知识的应用和知识创新奠定基础，开发相关知识库及软件模块。（2）新知识的产生研究通过知识挖掘在已有数据和已有知识两种基础上产生新的知识，以及将新知识导入知识管理系统时的冲突检查管理、版本管理、知识求精等技术，开发相关软件模块。（3）自主知识产权的保护研究如何在安全容器技术、数字水印技术及移动代理等技术的基础上，对软件类自主知识产权进行保护的技术解决方案，建立对企业自身核心知识进行有效的产权管理制度，开发相关知识库及软件模块。（D2）软件系统集成开发（1） 建立产品创新平台软件系统的对象管理框架。通过合理划分知识和数据服务、创新决策逻辑服务和创新设计应用平台等层次，建立数据映射与转换，将数据层次化、对象化，为产品创新设计软件系统提供底层的对象框架支持，为产品创新设计过程中的所有知识、数据和过程提供一个统一的面向对象的建模环境和管理环境。（2） 建立基于对象管理模型的构件化系统集成管理框架通过集成使能服务的建立，以之为核心和纽带,建立基于构件的系统集成框架，全面支持知识搜索、知识处理、知识利用、需求定义、需求分析、设计矛盾确定、矛盾解决、创新设计、方案评价、功能结构映射等工具的即插即用和构件化，为整个产品创新设计软件系统提供一个可伸缩的构件化集成管理框架。（3） 开发基于对象管理和构件化集成框架的统一产品创新设计平台基于前述对象管理框架和集成管理框架，集成各种构件化工具，建立计算机辅助产品创新设计软件平台。（1.2.5）子课题E：复杂产品创新设计应用验证发电设备、航空航天等是典型的复杂产品。在其设计过程中，创新性、外观造型的美观性、宜人性等因素占有很大比重。以本项目为依托，针对上海汽轮机有限公司、上海空间推进研究所等企业的产品创新设计，利用本项目研究的理论、方法、技术、工具和系统，研制一套复杂产品创新设计系统，通过实际应用案例验证理论的正确性、方法的可行性以及软件的实用性，实现提升企业的复杂产