计算机辅助概念设计中的协同设计

摘要：本文从产品概念设计的角度出发，讨论了计算机支持的协同概念设计中的产品信息模型、协同概念设计求解方法、协同概念设计中的冲突消解方法以及在协同设计过程中用户与设计师的协同方式。

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）04-0000-00

产品概念设计是产品设计过程中生成满足设计需求的物理方案阶段。概念设计之后是详细设计阶段[1]，该阶段将确定产品零部件的形状、尺寸、布局、材料等。随着产品市场的国际化，商业竞争已经进入了白热化的阶段，创新是关键，而产品创新主要形成于产品概念设计阶段，概念设计直接决定了最终方案的产出。正因为概念设计重要，越来越多的研究开始投入这一过程之中。现有的CAD技术，主要是支持产品设计的造型表达和详细设计过程，有部分的CAD/CAM系统，例如Pro/E也提供概念设计的模块，但是缺乏对设计创新的支持，因此一般无法参与产品概念设计阶段。计算机辅助概念设计（Computer Aided Conceptual Design，简称CACD）却是能够支持从需求分析到产品方案求解的概念设计全过程，涉及到CAD技术、人工智能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、网络技术、优化技术、模糊技术、神经网络、面向对象建模技术、人机交互技术等信息技术领域。

产品概念设计阶段中的最为显著的特点就是创造性，创造性思维具有灵活性、独立性、跨越性、多面性、求实性、连贯性、综合性等特性，现在计算机只能模拟人类已有的知识与经验，逻辑性过强而创意不足。对于人类的一些发散性思维，例如直觉、灵感、顿悟等思维方式尚不能完全模拟。 另一方面，目前的市场已经转化消费驱动型，用户需求是第一位，用户在产品概念设计中的地位日益凸现。因此创新设计除了依靠设计师，还要依靠用户，通过用户与设计师的协同来发挥人的设计潜力，但是协同概念设大中涉及用户和设计师的两个问题必须解决：

(1)用户游离于设计过程之外，设计师难以满足用户需求.设计师通常是根据市场调研来寻求用户的需求，但是，现在的市场潮流变化很快，设计师根据调研的情况来设计很有可能使得生产出来的产品置后于用户需求。企业为了获得生存，产品不仅要满足用户需求，往往还要做到差异化、典型化。产品概念设计应结合人的各个方面因素，综合考虑用户的需求，促进用户和设计师的互动和交流。

(2)产品信息模型、协同概念设计求解方法、基于协同的概念设计系统模型是协同概念设计技术的主要研究对象。而且目前对产品信息模型的研究比较多地集中在机械产品的几何特征表达中，对产品概念设计主体的参与性不能够充分支持，用户和设计师很难在同一平台上共同参与产品创新设计。

从上文的分析可以看出把用户引入到产品概念设计的流程中是加强产品创新的必然趋势，这样可以通过计算机的支持来实现用户与设计师的互动设计，从而进行产品创新设计。

计算机支持的协同概念设计（Computer Supported Cooperative Conceptual Design简称CSCCD）是应用计算机支持协同工作（CSCW）理论与技术解决产品概念设计问题形成的一个专用术语。从工业设计角度来看，CSCCD主要是指产品的功能、形态、布局、人机工程、初步结构等设计内容之间的协同工作[2]，对于这种协同的概念，可以有以下两种理解：一是设计过程中对不同设计内容的相互协同；二是设计主体之间的协同；三是计算机与设计主体之间的协同；四是不同的计算机系统之间的协同。计算机支持的协同概念设计中各参与主体的独立性和创新性较强，冲突更为明显和复杂。

计算机支持的协同概念设计需要解决以下四个方面：产品信息模型、协同概念设计求解方法、协同概念设计冲突消解方法、协同的概念设计系统模型。

(1)产品信息模型方面：产品模型的种类可以概括为面向集合的产品信息模型、面向特征的产品信息模型、集成产品信息模型。概念设计产品信息模型应该能够兼具面向计算机的表达能力与面向人的表达能力。目前常见的产品信息模型主要有：语言模型、几何模型、图形模型、对象模型、知识模型和图像模型。针对几何的产品建模、针对产品信息建模和针对特征的产品建模，都是基于语法的产品信息模型。STEP(产品模型数据交换标准)侧重于静态数据的交换； XML支持的数据交换， 数据模式为半结构化，可支持较为简单的语义信息的描述，具有动态可改变性。很多研究机构开始在产品建模中引入本体论，美国密歇根大学的Patil等人开发了一个产品本体作为语义交换的标准中介（PSRL）[3]。浙江大学赵燕伟对基于OWL本体建模的概念产品配置进行了研究。

(2)协同概念设计求解方法方面：协同设计技术与概念设计求解方法相结合而形成了协调概念设计的求解方法，主要为了保证以下几点：1)将概念设计的周期缩短；2)可以及时更新概念设计方案；3)保证各个概念设计小组之间通讯畅通；4)产品信息模型数据能被快速有效地使用；5)进一步提升概念设计方案的质量。

(3)冲突消解方法方面： 在产品概念设计过程中，出现的冲突一般可以分为设计冲突、资源冲突、过程冲突。目前冲突消解方法可以概括为以下几个方面：支持产品协同设计的共享数据库的协作事物模型[4]、基于约束的冲突消解方法、基于知识的冲突消解方法、冲突分层消解策略、基于多目标决策的消解策略、基于多目标进化算法的冲突消解策略、基于规则推理的冲突消解策略、基于协商的冲突消解策略、基于集成的冲突消解策略等[4]。

(4)基于协同的概念设计系统模型：根据各个任务和系统在协同中不同的地位和分布情况，协同设计可以分为两类：同步和异步。异步协同设计是指多个有各自工作空间的协作者，可以在不同的工作时间，在分布集成的平台上围绕着共同的任务进行协同设计的工作。通常协作者之间不需要、也不能够十分迅速地得到相互之间的反馈信息。而同步协同设计是一种结合紧密的协同工作，多个协作者能够在相同时间内，在共享的工作空间中进行设计活动，并且协作者之间可以迅速地获得相互之间的反馈信息。基于协同的概念设计建模是协同设计技术与产品信息模型结合的产物，目前的系统设计模型通常可以分为集中式结构和分布式结构。集中式结构采用客户机/服务器（C/S）逻辑模式，服务器负责提供重要的建模服务，生成中心模型，客户端则主要负责建模操作的交互输入以及模型显示。集中式同步协同建模系统的优点在于有效解决了共享信息不一致的问题，系统结构简单，但也存在网络负载重、通讯延迟明显、中心服务器容易成为系统瓶颈等问题。分布式结构的特点是没有服务器，各机器处于对等状态，并发和访问控制在各计算机之间完成。其优点是网络负载轻、适应性广，适合大范围分布的群组工作方式。其主要不足在于系统结构复杂、资源浪费严重，难以有效地进行并发控制和一致性维护。[5]

产品概念设计中，用户需求是要加以考虑和研究的重点内容，但目前还只是在概念设计的前期引入用户需求，并且这一需求信息在设计过程中是静态地支持产品设计，其数据必然缺乏特殊性和即时性。为了能够让设计师在设计过程中获取、整合、转换用户知识，必须要将设计过程变得开放，把用户需求引入循环的设计过程中。只有用户全程参与产品概念设计，才能动态地获得用户认知数据，从而支持产品概念设计。用户对于产品的认知具有多样性，他们的认知来源于对整个产品的体验，产品的外形、质感、纹理、使用效果、功能、声音等要素构成了产品这一对象，而用户的知识背景、价值观、生活方式、行为方式等都会影响他们对产品的判断。因此需要从认知心理学的角度出发，探索用户对产品的认知模型。

协同的概念设计系统中用户-设计师的协同具有循环性。首先，设计师根据用户对产品的初始需求来进行产品定位，将设计方案采用草图或者效果图的形式提供给用户；用户根据自身对产品的体验对设计师的方案进行评价，评价结果可以以文字、数据、影像等方式反馈给设计师；然后，设计师根据得到的用户反馈信息来修改方案，再用视觉化的表现形式将方案提供给用户，用户再给出反馈信息。这一过程循环往复，直到用户与设计师对产品的理解达成一致，产品设计方案定稿，协同过程才得以结束。在整个协同设计的过程中，用户和设计师之间的信息得到不断地整合，用户需求以及产品方案逐渐清晰，由一开始的定性描述发展到清晰的定量描述，产品创新得以高效实现。

参考文献

[1] 邓家缇,韩晓建,曾硝等.产品概念设计[M].北京:机械工业出版社,2002.5.

[2] 林宗楷,孙守迁,唐明.计算机支持的协同概念设计[J].计算机世界,1999年8月16日,专题报道,C7.

[3] D. Roller, O. Eck. Active cooperative transaction model for shared design database[A]. TeamCAD’97, TeamCAD: GVU/NIST workshop on collaborative design[C]. 1997,Atlanta, GA. 101-123.

[4] 李祥,袁国华等.基于集成的协同设计冲突消解系统研究[J].计算机集成制造系统,2000,6(4):61-64.

[5] 马峻.产品协同设计过程中关键技术的研究与实现[D].西安:西安理工大学,2005.