計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)

1　引言

90年代以來(lái)，隨著以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支柱的信息技術(shù)的發(fā)展，世界經(jīng)濟(jì)格局發(fā)生了巨大的變化，逐步形成了一個(gè)統(tǒng)一的一體化市場(chǎng)，經(jīng)濟(jì)循環(huán)加大、加快，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈.同時(shí)，工業(yè)產(chǎn)品由傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化產(chǎn)品、信息電子產(chǎn)品方向發(fā)展，技術(shù)含量大為增高；社會(huì)的消費(fèi)觀念也不斷發(fā)生變化，產(chǎn)品的功能已不再是消費(fèi)者決定購(gòu)買的最主要因素.產(chǎn)品的創(chuàng)新性、外觀造型、宜人性、環(huán)保性等因素愈來(lái)愈受到重視，在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)突出地位.

這種趨勢(shì)促使企業(yè)在著手進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)把面向產(chǎn)品的創(chuàng)新性、外觀造型、人機(jī)工程等的設(shè)計(jì)提到一個(gè)新的高度，從而也迫切要求對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的研究能有進(jìn)一步的突破，以提高企業(yè)形象、產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.

正因如此，對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究逐漸受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.特別是近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的日新月異，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展和CAD/CAM應(yīng)用的逐步深入，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)理論與方法的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)（Computer Aided Industrial Design，CAID）技術(shù)已成為CAD/CAM、先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

2　計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)涵

2.1　CAID基本內(nèi)涵
計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)——CAID，即在計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的支持下，進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的各類創(chuàng)造性活動(dòng).它是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支柱的信息時(shí)代環(huán)境下的產(chǎn)物.與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)相比，CAID在設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率等各方面都發(fā)生了質(zhì)的變化.

計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)，是計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)部支撐技術(shù).由于工業(yè)設(shè)計(jì)是一門(mén)綜合性的交叉性學(xué)科，涉及到諸多學(xué)科領(lǐng)域，因而計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)也涉及到了CAD技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、模糊技術(shù)、人機(jī)工程學(xué)等信息技術(shù)領(lǐng)域.廣義上，CAID是CAD的一個(gè)分支，許多CAD領(lǐng)域的方法和技術(shù)都可加以借鑒和引用.

2.2　CAID與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

創(chuàng)新是工業(yè)設(shè)計(jì)的靈魂. 以知識(shí)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)是21世紀(jì)初全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的核心.一個(gè)新產(chǎn)品在功能、原理、布局、形狀、結(jié)構(gòu)、人機(jī)、色彩、材質(zhì)、工藝等任一方面的創(chuàng)新，都會(huì)直接影響產(chǎn)品的整體特性，影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.
當(dāng)前，關(guān)于產(chǎn)品創(chuàng)新原理、創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)等的研究已成為CAD、CIMS領(lǐng)域的一個(gè)研究焦點(diǎn).創(chuàng)新設(shè)計(jì)是CAID研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容.只有在創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究上取得突破性進(jìn)展，才能使CAID的研究邁上一個(gè)更高的臺(tái)階.

3　計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外CAID的研究主要集中在計(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)、CAID中的人機(jī)交互技術(shù)、智能技術(shù)以及新興技術(shù)的應(yīng)用研究等方面.以下分別對(duì)這4個(gè)方面作一綜述，并介紹當(dāng)前一些著名的CAD/CAM/CAPP商品化軟件中的工業(yè)設(shè)計(jì)模塊.

3.1　計(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)的研究

計(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)經(jīng)過(guò)20多年的探索，已發(fā)展到特征造型和參數(shù)化、變量化設(shè)計(jì)階段，為實(shí)體模型向產(chǎn)品模型的轉(zhuǎn)化鋪平了道路.同時(shí)，CIMS、并行工程、虛擬制造等設(shè)計(jì)制造模式的發(fā)展，使得產(chǎn)品模型必須實(shí)現(xiàn)全生命周期中的信息共享、各種模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葐?wèn)題.這些都對(duì)計(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)提出了更高的要求.

在CAID技術(shù)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)的研究主要體現(xiàn)在造型的自由曲面設(shè)計(jì)和草圖設(shè)計(jì)等方面.
● 自由曲面設(shè)計(jì)
產(chǎn)品外形自由曲面設(shè)計(jì)的研究是CAID的一個(gè)重要內(nèi)容.采用曲面特征設(shè)計(jì)［1，2］（Surface Feature Design）是自由曲面設(shè)計(jì)的一個(gè)重要發(fā)展.曲面特征設(shè)計(jì)包括了3部分，即基本表面、移動(dòng)特征和串通圖形.
● 草圖設(shè)計(jì)
草圖設(shè)計(jì)技術(shù)是隨著實(shí)體造型技術(shù)的發(fā)展，為滿足工業(yè)設(shè)計(jì)師傳統(tǒng)的手繪習(xí)慣而發(fā)展起來(lái)的造型技術(shù).它是用來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)與工業(yè)設(shè)計(jì)之間鴻溝［3］的有效手段.該技術(shù)的重點(diǎn)在于2個(gè)方面：一是設(shè)計(jì)過(guò)程中的人機(jī)交互技術(shù)，即設(shè)計(jì)系統(tǒng)如何有效地模擬設(shè)計(jì)手繪；二是草圖重建技術(shù).當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外已建立了一些基于草圖的CAD系統(tǒng)［4-6］.

3.2　CAID中人機(jī)交互技術(shù)的研究

人機(jī)工程技術(shù)研究的真正興起、并有組織地進(jìn)行僅為數(shù)十年的歷史.當(dāng)前，人體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、三維人體模型以及一些人機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)、評(píng)估系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用.在CAID技術(shù)領(lǐng)域，人機(jī)交互技術(shù)的研究主要體現(xiàn)在人機(jī)界面技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)等方面.
● 人機(jī)界面技術(shù)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互的界面已發(fā)生了巨大變化.當(dāng)前，人機(jī)界面模型［7］、虛擬界面［8］、多用戶界面［9］、多感官界面［10］是人機(jī)界面技術(shù)的幾個(gè)重要研究方向.
● 虛擬仿真技術(shù)
通過(guò)計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的虛擬仿真，可以有效地進(jìn)行人機(jī)關(guān)系的設(shè)計(jì)、評(píng)估、檢驗(yàn)等工作.當(dāng)前，虛擬仿真技術(shù)的研究主要體現(xiàn)在觸覺(jué)反饋［11］、壓力反饋［12］等基礎(chǔ)技術(shù)以及人機(jī)交互的模擬［13］、人機(jī)虛擬環(huán)境［14］的構(gòu)建等方面.
3.3　CAID中智能技術(shù)的研究
當(dāng)前，智能CAD［15］ 、智能設(shè)計(jì)［16］已有相當(dāng)程度的發(fā)展.集成化智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)（I2CAD），可對(duì)設(shè)計(jì)全過(guò)程提供一體化的計(jì)算機(jī)支持.在工業(yè)設(shè)計(jì)中，由于其涉及到創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維以及頻繁的人機(jī)交互，尤其需要人工智能技術(shù)的輔助.
● 創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維
設(shè)計(jì)活動(dòng)是一個(gè)創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維的過(guò)程，在工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)師將其構(gòu)想快速轉(zhuǎn)化為草圖的過(guò)程是一種相當(dāng)復(fù)雜的行為.這一過(guò)程被稱為觀念作用階段［17］（ideation stage）.
不少學(xué)者針對(duì)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維［18］，設(shè)計(jì)知識(shí)［19］的表達(dá)，對(duì)觀念作用階段［20］進(jìn)行了研究，并結(jié)合草圖設(shè)計(jì)，提出了自己的見(jiàn)解.
● 設(shè)計(jì)文法
設(shè)計(jì)文法是從設(shè)計(jì)方法學(xué)的角度，對(duì)物體的造型、色彩、形狀等構(gòu)成要素及其生成原理進(jìn)行提煉、抽象而形成的形式化描述方法.它是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之一.
當(dāng)前，工業(yè)設(shè)計(jì)界學(xué)者提出的設(shè)計(jì)文法主要包括造型文法［21］、色彩文法［22］、形狀文法［23，24］、造型轉(zhuǎn)換文法［25］等.
● 創(chuàng)新設(shè)計(jì)
在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性思維、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及領(lǐng)域知識(shí)等內(nèi)容處于相當(dāng)重要的地位.因而，不少學(xué)者從人工智能角度出發(fā)，進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù)的研究.當(dāng)前，主要體現(xiàn)在對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新原理［26］、創(chuàng)新過(guò)程的描述模型［27］和計(jì)算模型［28，29］等建模技術(shù)的研究上.
3.4　CAID中高新技術(shù)的應(yīng)用研究
當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等新興技術(shù)以及并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法是廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn).將這些技術(shù)引入CAID領(lǐng)域，并結(jié)合傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、模糊技術(shù)、智能技術(shù)等技術(shù)，來(lái)進(jìn)行CAID的研究也逐漸受到學(xué)者的關(guān)注.
● 面向并行、協(xié)同的工業(yè)設(shè)計(jì)
并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)之一.在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域特別是產(chǎn)品設(shè)計(jì)，也必須研究產(chǎn)品功能、原理、布局、形態(tài)等各方面之間的并行設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)機(jī)制.一些學(xué)者從并行工程的角度，對(duì)并行環(huán)境下的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)策略［30，31］以及面向并行工程的造型設(shè)計(jì)技術(shù)［32］進(jìn)行了深入探討.
一些學(xué)者從CSCW的思想出發(fā)，分析了協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種角色［33］ ，提出了工程設(shè)計(jì)與工業(yè)設(shè)計(jì)的協(xié)同工作模型［34］ ，同時(shí)分析了協(xié)同設(shè)計(jì)中人的作用［35］.
● 基于VR的產(chǎn)品設(shè)計(jì)
當(dāng)前，虛擬設(shè)計(jì)、敏捷設(shè)計(jì)已有了很大程度的發(fā)展.在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)同樣也受到了眾多學(xué)者的關(guān)注，他們將VR技術(shù)引入形狀設(shè)計(jì)［8］、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［36］等過(guò)程，并開(kāi)發(fā)出一些基于VR的設(shè)計(jì)系統(tǒng)如3-DRAW［37］、JDCAD［38］、COVIRDS［39］等.
● 綠色設(shè)計(jì)
綠色設(shè)計(jì)［40，41］（Green Design）是當(dāng)前備受關(guān)注的一個(gè)產(chǎn)品方向，它與工程設(shè)計(jì)界提出的全生命周期工程設(shè)計(jì)［42］（Life Cycle Engineer Design，簡(jiǎn)稱LCED）在本質(zhì)上是一致的.
綠色設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)有面向再生（Design For Recycling, DFR）的設(shè)計(jì)技術(shù)、面向裝配（Design For Disassembly, DFD）的設(shè)計(jì)技術(shù)、面向生命周期（Life Cycle Assessment, LCA）的評(píng)估等等.
3.5　商品化軟件中的工業(yè)設(shè)計(jì)模塊
當(dāng)前，世界上大型的CAD/CAM/CAE軟件系統(tǒng)，如Pro/Engineer、EDS Unigraphics、EUCLID、Autodesk、SolidWorks等都提供了有關(guān)產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊，它們稱之為工業(yè)設(shè)計(jì)模塊、概念設(shè)計(jì)模塊或草圖設(shè)計(jì)模塊.
● Pro/Engineer
Pro/Engineer包含一個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)模塊——Pro/Design，用于支持自上而下的投影設(shè)計(jì)，以及在復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中所包含的許多復(fù)雜任務(wù)的自動(dòng)設(shè)計(jì).此模塊工具包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)的二維非參數(shù)化裝配布局編輯器，用于概念分析的二維參數(shù)模型的布局以及用于組件的三維布局編輯器.
● EDS Unigraphics
EDS Unigraphics 從V13版本后推出了概念設(shè)計(jì)WAVE （What-if Alternative Value Engineering）技術(shù).它為協(xié)同概念設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持.使得不同部門(mén)的工程師在設(shè)計(jì)早期階段，就可站在系統(tǒng)工程的角度，同時(shí)針對(duì)多種可選的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估.通過(guò)將設(shè)計(jì)意圖組織到一個(gè)相關(guān)控制結(jié)構(gòu)（associative control structure）中去，可使設(shè)計(jì)師十分有效地控制各種設(shè)計(jì)變更.此外，WAVE也支持“概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)工程”（concept-to-detail engineering），即先作出設(shè)計(jì)決策，然后設(shè)計(jì)細(xì)節(jié).

4　計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1　現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向

當(dāng)今任何一個(gè)國(guó)家，若其要在綜合國(guó)力上取得優(yōu)勢(shì)地位，就必須在科學(xué)技術(shù)上取得優(yōu)勢(shì)，尤其要在高新技術(shù)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)能力上取得優(yōu)勢(shì).否則，在強(qiáng)大的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)壓力下將難以生存，難以發(fā)展.

以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為核心的現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)是跨越21世紀(jì)的設(shè)計(jì).其發(fā)展方向應(yīng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的整體發(fā)展趨勢(shì)保持一致，并在如下3個(gè)方面作出貢獻(xiàn)：
①在創(chuàng)造性、發(fā)明性的探索性設(shè)計(jì)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方面，要充分利用科技新成果，發(fā)揮設(shè)計(jì)師的最大潛能，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)新立異的設(shè)計(jì)創(chuàng)新；
②在以信息技術(shù)為代表的高科技應(yīng)用方面，要充分利用各種新興技術(shù)、新型材料、新式能源，并結(jié)合市場(chǎng)需求，以實(shí)現(xiàn)世界的又一次“工業(yè)大革命”；
③在工業(yè)設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)的一致性方面，要充分協(xié)調(diào)好設(shè)計(jì)的功能和形式2個(gè)方面的關(guān)系，使兩者逐步走向融合，最終實(shí)現(xiàn)以人為核心、人機(jī)一體化的智能集成設(shè)計(jì)體系.

4.2　CAID有待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

與建筑、機(jī)械等其它CAD技術(shù)相比，CAID技術(shù)的研究進(jìn)展相對(duì)遲緩.客觀上主要是因?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)的綜合性和復(fù)雜性.CAID存在的主要關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題可歸納如下：
①現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究.立足于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，從設(shè)計(jì)對(duì)象自身出發(fā)，用類似的、精確的方法對(duì)定性的設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，以奠定CAID的理論基礎(chǔ);
②創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)的研究.研究設(shè)計(jì)思維過(guò)程和計(jì)算機(jī)支持下的設(shè)計(jì)過(guò)程遵循的原則和規(guī)范；探討各類創(chuàng)新技法，深入研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)的原理、方法和技術(shù);
③設(shè)計(jì)過(guò)程中的智能技術(shù)研究.研究設(shè)計(jì)過(guò)程及其評(píng)價(jià)過(guò)程中的智能支持技術(shù)；研究面向工業(yè)設(shè)計(jì)的智能支持系統(tǒng);
④設(shè)計(jì)過(guò)程中并行、協(xié)同、全生命周期設(shè)計(jì)技術(shù)研究.研究設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮制造、成本等因素的并行設(shè)計(jì)技術(shù)；研究設(shè)計(jì)過(guò)程中不同或相同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)師之間的協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)；研究面向全生命周期的綠色設(shè)計(jì)技術(shù);
⑤設(shè)計(jì)過(guò)程中的人機(jī)交互技術(shù)研究.在傳統(tǒng)交互手段的基礎(chǔ)上，研究在VR等新興技術(shù)支持下的人機(jī)交互技術(shù).

4.3　CAID的發(fā)展趨勢(shì)

從工業(yè)設(shè)計(jì)的本身角度看，隨著CAD、人工智能、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使得對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程必然有更深的認(rèn)識(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)思維的模擬必將達(dá)到新的境界.CAID將使工業(yè)設(shè)計(jì)朝著多元化、優(yōu)化、一體化的方向發(fā)展，人機(jī)交互方式更加自然，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的手段更為先進(jìn)、有效。從整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨勢(shì)看，并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、敏捷設(shè)計(jì)、全生命周期設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法代表了現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式的發(fā)展方向.隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式在信息化的基礎(chǔ)上，必然朝著數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展.計(jì)算機(jī)輔助下的工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)則必然與上述發(fā)展趨勢(shì)相一致，最終建立統(tǒng)一的設(shè)計(jì)支撐模型.工業(yè)設(shè)計(jì)師與工程設(shè)計(jì)師逐步融合，走向統(tǒng)一化. （CAD/CAM）