基于Internet的协同产品概念设计 - 文章

基于Internet的协同产品概念设计

作者：烟台黄金机械厂林梅林华李建滨

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计算机技术、网络、数据库等信息技术已经开始对产品创新设计理论和方法以及产品开发模式产生全面而深刻的影响。计算机支持的协同设计就是在这些相关技术发展的基础上产生的新的研究领域，它以计算机网络、虚拟现实、多媒体以及群件等技术为基础，旨在克服地域和时间的障碍，组织多学科专家实现复杂产品的协同开发，以适应21世纪“全球市场”与“全球制造”的需要。

产品概念的开发是整个设计过程中的一个非常关键的阶段，它直接决定着产品的创新程度。Nevins和Whitency的研究表明一个产品大约70%的成本是由产品概念设计阶段所决定的，因此产品概念的设计应当受到更多的重视。Internet技术的发展为这一领域的研究工作带来了新的思路，目前，已有学者将质量功能配置、形态矩阵等概念设计方法同Internet技术结合起来，促进设计组成员的协同工作，然而，由于目前这方面的研究工作尚处于起步阶段，对构建什么样的协同环境和概念设计模式才能更好地支持协同产品概念的开发，尚没有较为清晰的认识。因此，本文试图在这些方面做出一些有益的工作。

1 支持协同概念设计的总体框架

Internet、Intranet、Web在实现技术和细节上有所不同，本文中我们统称为Internet。在Internet环境中构建协同产品概念设计系统应具备以下基本要求：

a 提供三维产品概念建模空间。
b 允许参与人员之间的自然通信，并可在虚拟空间中交流设计思想，讨论设计难题，完成跨越时间的“人—人”交互设计。
c 在异构条件下分布式、开放及集成化的多用户协同CAD工作环境。
d 标准接口，如采用IGES、VRML、STEP等数据交换标准，以便于CAD信息共享。
e 远程产品概念模型操作及动态观察、动态加注和修改。
f 采用开放标准，这种开放的标准应当能够使来自产品生命周期各环节的设计人员以及供应商和客户的参与。

1) 总体框架

根据以上对协同产品概念设计的基本要求的分析，我们构建了在Internet上支持协同产品概念设计的总体框架，如图1所示。

图1 在Internet上支持协同概念设计的系统体系结构

Agent在这一体系结构中是一种半自动的消息型(Typed-message agents)，为了共同完成一设计任务，Agent必须相互交换消息，因此就应采用一种共同的消息通讯协议，如：KQML，这些消息的语义应当是独立于应用程序的。

2) Agent协作管理器(ACM)。Agent协作管理器(ACM)监视和协调周围Agent的活动。基于ACM的相关Agent之间的协作结构(这一结构包含于图1所示的总体体系结构中)如图2所示，这提供了一种协同设计过程中的同步协调机制。借助于ACM，可以管理设计人员参与设计活动的注册、身份验证等方面的工作，各相关Agent可以相互传递信息，ACM在整个系统中起到一个中心管理器的作用。

图2 Agent体系结构

3) GSDMP-Agent。GSDMP是机械产品广义结构设计英文名字的字头缩写。这是我们基于分解重构原理开发的机械产品概念设计软件模块，在这一模块的基础上我们构建了GSDMP-Agent，设计人员在GSDMP-Agent辅助下，可以生成基于功能表面表达的产品概念。

3) 信息Agent。信息Agent是访问设计信息服务器的接口和管理器。

4) 设计信息服务器。设计信息服务器(DIS)在Web数据库基础上构建，存贮有大量的设计知识，产品数据和管理信息的服务器。ACP-Agent借助于信息Agent访问DIS，而Web用户可以借助于ASP访问相关信息，CAD用户借助于设计Agent中以AD5为基础创建的数据库接口来共享相应信息。

5) 私有设计空间。GSDMP-Agent、CAD建模工具构成了CAD用户的私有设计空间，而Web及VRML浏览器、Java Applet构成了Web客户端用户的私有工作空间，当然这两种私有设计空间也可以混合使用。协同设计参与人员可以通过私有设计空间建立设计概念，并在适当的时候，提交到共享空间，进行协商、讨论、修改、评价等。

6) 共享设计空间。设计信息服务器(DIS)、信息Agent、Agent协作管理器(ACM)共同构成了共享设计空间。借助于共享设计空间，可以实现设计信息的访问、共享与交流。设计人员生成的产品概念通过向共享设计空间的提交可以实现设计方案的共享与交流。管理人员和参与设计的客户(Customers)可将设计修改和评价建议等通过共享设计空间反馈给设计人员。共享设计空间的建立为协同设计提供了一个建立紧耦合及松耦合相结合的协作环境，并使协同设计活动有序化。

2 协同概念设计过程

在新产品的设计过程中，设计人员需要根据产品设计需求，凭借已有设计知识和经验构思产品的工作原理和基本结构，并以草图或原理图等形式记录下来。就机械产品来说，形象思维在产品结构的构思中发挥着重要作用。在产品概念的构思中，为了充分发挥人的创造能力，通常还会采用智暴法(brainstorming)、脑映射法(mindmapping)、群组讨论(group discussion)等方法。在实施这些技术的活动中，设计人员通常聚到一起把各自的设计方案挂到黑板上，其它开发组成员对其思想进行评论并提出建议，设计人员将会在改进设计概念时将这些相应的建议考虑进去。最后，设计组选出最佳设计概念用于产品详细设计阶段。根据以上对产品概念创成中各种相关活动的分析，本文提出了在协同设计总体框架中实施协同产品概念开发的过程模型，如图3所示。这一过程主要分为三个阶段，即产品概念产生、产品概念的交流与通讯(点划线中的内容)、最佳产品概念的选择。

1) 产品概念产生

一个产品概念是产品工作原理、结构的近似描述。一个产品能够满足用户需求的程度在很大程度上是在产品的概念设计阶段就已经决定了的。这一阶段的工作，需要充分发挥人的主观能动性，相关人员的协作努力，需要挖掘计算机的概念设计支持能力，要达到这一目的，就需要针对人类利用形象思维进行三维空间的构思的特点，寻求一种既有利于设计人员进行产品概念表达与交流，又有利于计算机对产品概念结构进行可视化显示的产品概念表达方案。基于功能表面的产品设计概念的表达，在基于分解重构原理构建的GMDSP-Agent 的辅助下，设计组成员各自独立在自己私有设计空间中生成产品概念。关于单人与群组问题求解的形式化研究表明：工作的初始阶段，在同样的一段时间内，若采用小组成员单独工作的形式比采用小组成员共同工作将会对某一问题的求解产生更多的概念。因此，我们将这一方法用于开发产品的初步可视概念的生成上。在初步概念基础上，然后经过设计方案向共享工作空间的提交，以及设计人员的交流及对设计方案的修改与选择，将最终进化为产品的最终概念模型。概念设计阶段开始于客户的需求，对客户需求的详尽而正确的理解是产品概念模型开发成功的关键。但从形成某一产品所需的知识来考察设计人员和客户，设计人员对设计知识知道的多而对客户的需求了解的少，而客户对他的需求了解较多但对设计知识了解较少，因此客户的参与也是最终产生成功产品概念的一个重要方面。根据这一观点，我们提供了一个用HTML开发的“需求表单”，客户可以通过Web 访问这一“需求表单”并提交他们的需求，设计人员可以通过相应的访问接口来获得这些需求。

图3 分布式协同产品概念设计过程模型

2）概念交流

产品概念交流的目的就是要促进产品概念的改进和更多创新思想的产生。由设计人员在私有设计空间所创建的产品设计，在没有进入共享设计空间以前，不能进行交流与协同改进。对于分布式协同设计来说一个基本的需求就是要使分布于不同地理位置、采用不同计算平台的产品设计参与人员能够很容易地交换设计数据。Internet、Intranet以及与其相关的Web为地理位置分布的工作组提供了这一具有巨大潜力的交流与协作环境。对于可视化的产品概念表达与交流，理想的情况是选用一种平台独立，低代价，允许三维交互，计算高效，低存贮的数据可视化方法。虚拟现实建模语言(VRML)就是这样一种非常理想的数据可视化方法。基于VRML的三维数据可以通过VRML浏览器显示和操纵，而VRML浏览器可以嵌入标准的Web浏览器中。因此利用VRML的优势，可以作为参与人员之间交流与通信的可视化表达形式，以及相关设计信息转换的中间形式。

在群组成员进行产品概念的交流过程中，有两种方式可以采用，即同步方式和异步方式。借助于同步方式，多个设计者可通过网络以WYSIWIS的方式同时讨论一个以VRML表达的三维可视化产品概念。这种协同方式直观生动，交互性强，但由于受到目前处理器和网络性能的限制，这种协作方式很难在实时性和视觉效果两方面同时做到令人满意，而且当分布在不同位置的群组成员跨越的时差较大时，也很难实施。因此异步方式，即通过提供文档管理、电子邮件、工作流管理等功能支持设计者之间的协调和促进产品概念信息的交流是我们采用的主要方式。将来，一旦硬件性能和相关软件技术发展到能够很好地支持交互的设计方式时，同步方式就会成为协同设计系统中不可缺少的一部分，得到普遍接受。即使在目前的技术条件下，简单的实时交互技术(比如视频会议)也会给设计者直接交流设计思想、解决冲突带来很大方便，因此，一个完整的协同设计系统应该在主要支持异步协作的同时给予同步协作足够的重视。

3）概念选择

产生满足客户需求的产品概念将会有多个，因此接下来的工作就是最佳产品概念的选择。开发一种适合在协同环境中概念选择的方法是非常必要的，特别在设计参与人员分布在不同地理位置且不能同步工作的情况。根据美国运筹学家Saaty提出的优先权理论，我们提出了结构设计多方案的多设计专家协同选择的形式化方法，并确定了相应的数学求解模型。这一方法的算法如下：

a. 设计参与人员协商确定影响产品概念模型实施的相关因素。
b. 设计参与人员对各相关因素进行对比评比，确定评价矩阵R。
c. 根据式

和a_i≈a_j=exp(b+X_i)=exp(b)exp(X_i)计算出第一层反映每个影响因素相对重要性的权重适量W。
d. 同样再由相应求出确定同各因素相关的方案评价矩阵R_i，并相应的权重矢量W_i，(i=1，2，…，m)。
e. 最后，由W·W_i，(i=1，2，…，m)，计算出每个结构设计方案的最终得分数，分数最高者即为这些结构方案中最满足要求的设计方案。参与人员可以在Web客户端借助于ASP网页提供的表单来添写相应的数据，对于参与人员不愿添写的某些个别数据可以省略，并且参与人员可在最后期限之前任何时候，在任一能够访问Internet的地方来完成这一工作。这一方法可通过综合各方面的意见选出最佳设计概念，进入详细设计阶段。

3 协同设计实验环境的建立

我们构造的基于Internet的协同概念设计工作环境支持设计参与人员在远距离、分布环境下的协同产品概念设计工作，其具体的实施如下：

硬件环境

浪潮TrendServer系列NetPoint710服务器作为局域网服务器，用16口D-AinBCDb连接子网设备，并配有海信、浪潮奔腾。高档微机各S台构成本地CAD系统。此系统通过D-Link Hub向上级连到NEC公司的SH360交换机进入校园网，再由CISCO公司的4500路由器接入Internet。而用另外两台计算机作为远程CAD系统及Web用户与上述本地CAD系统连接，构成基于Internet的协同设计试验系统。多媒体硬件工具有视频头和话筒。

软件环境及工具

服务器软件——服务器安装有Windows2000 Server，采用IIS作为Web服务器。
Web数据库——采用SQL Server数据库，采用Microsoft公司的ASP与ADO Web数据库访问方案。
产品概念生成软件开发平台——AutoCAD14.0，MDT3.0。
产品概念生成软件开发环境——ObjectARX2.02版，Visual C++ 5.0.Web客户端产品概念生成及显示——Cosmos Player2.0，Java2.0
系统中多媒体工具——采用NetMeeting2.11，可以提供交谈、视频和白板等远程多媒体会议功能。本试验系统的拓扑结构如图4所示。

图4 协同概念设计试验系统的拓扑结构

4 结语

本文基于Internet分布式协同设计的特点以及支持协同产品概念设计的需求，构建了支持基于Internet的协同产品概念设计框架! 在总体框架支持的协同设计环境下，作者提出了从概念产生、概念交流、到最佳产品概念选择这样一个实施协同概念设计的过程模型，从而为充分利用Internet的优势，有效发挥分布在各地的产品开发参与人员的经验和才智，实现产品的创新设计和快速开发提供了有效的支持。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/14/2005)


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