淺談?dòng)?jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向

玄　剛

【摘 要】本文通過全面調(diào)研國內(nèi)外產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀,根據(jù)概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn),探討了計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)研究中存在的問題及以后的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】CAD 計(jì)算機(jī) CACD概念設(shè)計(jì)

CAD技術(shù)在提高設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量等方面貢獻(xiàn)巨大,但此時(shí)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)主要解決了在計(jì)算和繪圖等設(shè)計(jì)后續(xù)階段對(duì)設(shè)計(jì)者的支持。而對(duì)于極富創(chuàng)造性的早期方案設(shè)計(jì)階段的計(jì)算機(jī)支持至今沒有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。而目前的智能CAD系統(tǒng),所采用的方法的理論基礎(chǔ)一般是基于傳統(tǒng)的人工智能的知識(shí)表示與推理方法,即邏輯思維為基礎(chǔ),其中多以知識(shí)工程和專家系統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)造性如何在方案設(shè)計(jì)過程中體現(xiàn)一直是困擾設(shè)計(jì)理論研究工作者的棘手問題。

近年來,隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展以及CAD/CAM應(yīng)用的深入,現(xiàn)代產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)理論與技術(shù)的研究有了長足的進(jìn)步。計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)(CACD)已成為CAD/CAM和CIMS領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。CACD是CAD領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,它涉及設(shè)計(jì)方法學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、人工智能技術(shù)、CAD技術(shù)以及認(rèn)知與思維學(xué)等多種學(xué)科的知識(shí)。目前,CACD是一種輔助性的設(shè)計(jì)工具,隨著功能的逐步強(qiáng)大,它必將越來越受到概念設(shè)計(jì)師的歡迎,從而最終取代傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)。

一、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

目前的設(shè)計(jì)理論研究和設(shè)計(jì)工具的開發(fā)在詳細(xì)設(shè)計(jì)、幾何設(shè)計(jì)、制造自動(dòng)化方面已經(jīng)做了大量研究工作,開發(fā)了很多成熟的工具軟件并應(yīng)用在輔助設(shè)計(jì)繪圖、設(shè)計(jì)計(jì)算、制造加工、工藝規(guī)劃等方面,取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益,例如,CAD/CAM/CAPP等方面的工具軟件。但是這些軟件技術(shù)大都是在擬定了設(shè)計(jì)大體方案之后才可以進(jìn)行的幾何設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì),需要設(shè)計(jì)者有相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、了解客戶期望以及制造工藝和過程,能夠成功地進(jìn)行初期設(shè)計(jì)(概念設(shè)計(jì))。而經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)者在概念設(shè)計(jì)階段就必須得到各領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)者的協(xié)助,并且很可能因?yàn)槟硞€(gè)錯(cuò)誤而重復(fù)設(shè)計(jì),造成很大的成本浪費(fèi)。所以目前很多學(xué)者在概念設(shè)計(jì)智能化研究以及概念設(shè)計(jì)與其它設(shè)計(jì)工具的集成等方面進(jìn)行理論和方法的研究。

在開發(fā)輔助工具方面,人們借助人工智能技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)來推動(dòng)概念設(shè)計(jì)的智能化。Adzhiev提出面向代理的方法,有利于并行設(shè)計(jì)環(huán)境下使各種設(shè)計(jì)變量保持高度一致性。Tabel-Bendiab應(yīng)用基于實(shí)例推理和機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù),學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)實(shí)例,并存儲(chǔ)起來。Li利用定性啟發(fā)式搜索方法,輔助機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。在基于計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)環(huán)境方面,Twent建立了一個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)支撐環(huán)境,支持多模型狀態(tài)。Tomiyama利用大型數(shù)據(jù)庫建立了一個(gè)概念設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。Sharpe主持開發(fā)的環(huán)境著重于集成,同時(shí)利用了超媒體和超文本技術(shù)。在國內(nèi),有人提出了基于設(shè)計(jì)目錄的原理方案求解和基于知識(shí)的原理方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)等方法與技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助原理方案設(shè)計(jì)。許多學(xué)者從工程設(shè)計(jì)方法學(xué)中概念設(shè)計(jì)的定位出發(fā),提出層次概念模型、基于廣義特征的概念模型、工程設(shè)計(jì)概念模型、基于功率鍵圖的概念設(shè)計(jì)等。許多學(xué)者將他們?cè)诋a(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)等方面的研究成果加以拓展,應(yīng)用在概念設(shè)計(jì)過程,提出以支持變量特征和概念設(shè)計(jì)為標(biāo)志的各類產(chǎn)品模型,如基于特征關(guān)聯(lián)語義的模型、基于變動(dòng)特征的模型、信息基因模型、生成型特征設(shè)計(jì)模型等建模方法。

機(jī)械產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)的發(fā)展方向是計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)、智能化設(shè)計(jì),但由于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的研究起步較晚,目前還沒有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的概念設(shè)計(jì)工具軟件。

從國內(nèi)外的機(jī)械產(chǎn)品基于功率鍵圖的概念設(shè)計(jì)等,許多學(xué)者將他們?cè)诋a(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)等方面的研究成果加以拓展,應(yīng)用在概念設(shè)計(jì)過程,提出以支持變量特征和概念設(shè)計(jì)為標(biāo)志的各類產(chǎn)品模型,如基于特征關(guān)聯(lián)語義的模型、基于變動(dòng)特征的模型、信息基因模型、生成型特征設(shè)計(jì)模型等建模方法。

機(jī)械產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)的發(fā)展方向是計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)、智能化設(shè)計(jì),但由于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的研究起步較晚,目前還沒有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的概念設(shè)計(jì)工具軟件。

二、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展方向

從國內(nèi)外的機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀來看,目前多數(shù)集中在概念設(shè)計(jì)建模方面的研究上,也即主要集中在概念功能和概念形狀設(shè)計(jì)建模上。從發(fā)展趨勢(shì)而言,概念設(shè)計(jì)今后的研究重點(diǎn)或方向,主要集中在兩個(gè)方面:一方面,是支持概念設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究,如計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)信息建模技術(shù)及其相關(guān)推理技術(shù)的研究。另一方面,是概念設(shè)計(jì)與其它設(shè)計(jì)階段集成的研究,如概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)無縫集成,計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)與其它計(jì)算機(jī)輔助工具的集成,從而建立支持從概念設(shè)計(jì)到工藝設(shè)計(jì)全設(shè)計(jì)過程的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)環(huán)境。

計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分,必然與上述發(fā)展趨勢(shì)相一致,因此,建立統(tǒng)一的設(shè)計(jì)模型將是計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究內(nèi)容之一。目前,在集成方面的研究上,主要借助于數(shù)據(jù)庫中間環(huán)節(jié)或通過映射方式等得以實(shí)現(xiàn),今后,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)與其它設(shè)計(jì)階段無縫集成,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對(duì)減少設(shè)計(jì)誤差、提高設(shè)計(jì)效率等必將具有重要作用。此外,在概念設(shè)計(jì)中考慮制造、成本等其它因素的并行設(shè)計(jì),以及不同設(shè)計(jì)者之間或不同地域之間的協(xié)同設(shè)計(jì),將是計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)符合發(fā)展趨勢(shì)的另一項(xiàng)研究內(nèi)容。

參考文獻(xiàn):

[1]費(fèi)麗蘭,張家泰.概念設(shè)計(jì)及機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)過程分析.應(yīng)用科技,2003,30(11):5-7.

[2]Lancaster international Workshop on Engineering Design CADD94: Conceptual Design.Lancaster, 1994.171-188.

[3]LiC. L., Tan S. T., Chen K.W.A. Qualitative and Heuristic Approach to the Conceptual Design of Mechanisms. Engineering Application of Artificial Intelligence, 1996, 9,(1) :17-31.

[4]馮培恩,徐國容.基于設(shè)計(jì)目錄的原理方案及其求解過程的特征建模.機(jī)械工程學(xué)報(bào),1998,34(2):79-86.

[5]張明君.原理方案設(shè)計(jì)目錄及知識(shí)基系統(tǒng)研究(碩士學(xué)位論文).浙江大學(xué), 1994.

[6]邵春,孫守遷,許海明.計(jì)算機(jī)支持的工程設(shè)計(jì)概念模型.計(jì)算機(jī)輔助工程, 1998, 7(1):12-17.

[7]檀潤華,謝英俊.基于功率鍵圖的概念設(shè)計(jì).機(jī)械設(shè)計(jì),1997,(7):1-3.

[8]楊晨暉,應(yīng)道寧.變動(dòng)產(chǎn)品模型及其研究內(nèi)容.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),1997,9(1):66-71.

[9]顧建新,譚建榮,祁國寧.機(jī)械產(chǎn)品信息基因模型.中國機(jī)械工程, 1997, 8(2):77-79.

[10]舒慧林,劉繼紅,鐘毅芳.計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)研究綜述.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2000,12(12):950-952.