王偉偉 余隋懷 楊剛俊 楊延璞

西北工業(yè)大學(xué)，西安，710021

0 引言

制造技術(shù)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨白熱化，使新產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計(jì)正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的功能至上或者單一的外觀競(jìng)爭(zhēng)策略已不能再滿足市場(chǎng)的需求［1］。未來，新產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)所受的約束條件越來越多，新產(chǎn)品需要最大限度地滿足各個(gè)約束，才有可能取得成功。這就需要反復(fù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行推敲與優(yōu)化。但傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式，決定了設(shè)計(jì)優(yōu)化過程過度依賴于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，存在不確定性，往往一個(gè)或幾個(gè)設(shè)計(jì)師就可影響這個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)策略。另外，在這種模式下設(shè)計(jì)師的更迭更是制約了企業(yè)的產(chǎn)品策略。

近年來，針對(duì)概念設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的研究主要集中在軟件工程、相關(guān)算法和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，對(duì)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)優(yōu)化主要停留在設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方面。文獻(xiàn)［2］提出了一種多目標(biāo)的演化算法;文獻(xiàn)［3］在功能樹的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種快速的多目標(biāo)進(jìn)化算法;文獻(xiàn)［4-5］基于一種結(jié)構(gòu)不斷生長(zhǎng)的獨(dú)特設(shè)計(jì)思路，提出了結(jié)構(gòu)與公差同步設(shè)計(jì)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)思想;文獻(xiàn)［6］提出了一種滾切剪切機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng);文獻(xiàn)［7］在手機(jī)概念設(shè)計(jì)階段同時(shí)考慮了用戶要求、構(gòu)件設(shè)計(jì)屬性、設(shè)計(jì)成本和綜合評(píng)價(jià)值等多種因素，將分布估計(jì)算法應(yīng)用于求解手機(jī)集成的多目標(biāo)優(yōu)化問題。但是，以往的研究很少涉及產(chǎn)品形態(tài)概念設(shè)計(jì)智能優(yōu)化方法和技術(shù)，很難滿足設(shè)計(jì)師對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行科學(xué)、客觀地優(yōu)選和改進(jìn)的要求。然而，這方面的探索可有效地提升實(shí)踐過程中產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

本文提出一種約束驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)智能優(yōu)化模型，用以匹配產(chǎn)品形態(tài)概念設(shè)計(jì)中的方案優(yōu)化問題。通過分析產(chǎn)品形態(tài)概念設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出了約束驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品形態(tài)概念設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，并在此基礎(chǔ)上建立了其框架模型和算法機(jī)制，給出了完整的實(shí)施方案線路。最后，利用某款機(jī)場(chǎng)消防車的形態(tài)概念設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基本概念

1． 1 產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)約束

產(chǎn)品形態(tài)概念設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序中的孕育階段，既需要協(xié)調(diào)產(chǎn)品的物質(zhì)功能結(jié)構(gòu)，又需要綜合考量產(chǎn)品的精神美學(xué)功能，還需要處理好產(chǎn)品與用戶、與企業(yè)、與社會(huì)、與環(huán)境之間的復(fù)雜關(guān)系。因此產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)需要跨越用戶域、市場(chǎng)域、功能域、結(jié)構(gòu)域、制造域的同時(shí)，還需要處理人機(jī)、界面、審美、情感、文化、家族識(shí)別等方面的問題。反過來，這些因素就構(gòu)成了產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的約束。產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)從本質(zhì)上講就是對(duì)各類設(shè)計(jì)約束以及沖突的求解過程，好的設(shè)計(jì)方案應(yīng)該是對(duì)所有設(shè)計(jì)約束的一種巧妙的折中，或者是最大程度的滿足。

1． 2 約束驅(qū)動(dòng)優(yōu)化

約束驅(qū)動(dòng)優(yōu)化是指在對(duì)新產(chǎn)品形態(tài)概念的局部或整體進(jìn)行優(yōu)化的過程中，將約束作為主要的參考條件，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)對(duì)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的參考原型。約束驅(qū)動(dòng)優(yōu)化替代原有的經(jīng)驗(yàn)論，從而使優(yōu)化過程顯得更加科學(xué)、客觀。產(chǎn)品設(shè)計(jì)約束即指產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的原始條件，如功能約束、結(jié)構(gòu)約束、流行趨勢(shì)約束、產(chǎn)品識(shí)別約束等。

現(xiàn)階段對(duì)于約束驅(qū)動(dòng)建模的研究多集中于人機(jī)接觸面方面和機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面?；谀芰考s束的曲面設(shè)計(jì)方法最早出現(xiàn)于1987年，加拿大學(xué)者Terzopoulos等將基于物理能量模型的可變形曲面造型技術(shù)引入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中［8］?；趫D形學(xué)中能量?jī)?yōu)化的研究目標(biāo)主要集中在對(duì)曲面的連續(xù)性和光順性的研究上［9-11］。另外，其他一些領(lǐng)域(如建筑設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)等)的研究也涉及能量?jī)?yōu)化的概念，但還未形成系統(tǒng)化的應(yīng)用以及實(shí)用性的軟件工具。在學(xué)術(shù)界，設(shè)計(jì)約束的研究受到了越來越多的關(guān)注，浙江大學(xué)羅仕鑒等［12］對(duì)基于設(shè)計(jì)基因的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)進(jìn)行的研究，就是將產(chǎn)品家族識(shí)別因子作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要約束來進(jìn)行的;劉肖健等［13］驗(yàn)證了基于人體形態(tài)與產(chǎn)品曲面形態(tài)的相似性和人機(jī)接觸壓力的能量?jī)?yōu)化曲面形態(tài)設(shè)計(jì)方法，并取得了一定的成果。

1． 3 約束驅(qū)動(dòng)優(yōu)化法原理

假設(shè)在設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，簡(jiǎn)化約束只重點(diǎn)考慮某一方面的因素，其設(shè)計(jì)法則如圖1所示。

圖1 優(yōu)化法則

也就是說，A經(jīng)過B的作用后變?yōu)镃。這也可以表示為 cij=aij+ αbij，其中aij∈A，bij∈B，cij∈C，α為優(yōu)化因子。

這種情況較常見于現(xiàn)在的設(shè)計(jì)程序中［14］。比如在產(chǎn)品樣機(jī)試制前，會(huì)進(jìn)行專門的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與論證。

例如，圖2是某款數(shù)碼相機(jī)機(jī)身一側(cè)的形態(tài)概念設(shè)計(jì)曲線優(yōu)化方案示意圖，假設(shè)曲線A0為概念曲線，而曲線B0為家族識(shí)別曲線，根據(jù)產(chǎn)品策略，要求新產(chǎn)品具有極高的家族識(shí)別特征，識(shí)別率要超過80%，那么由此可得的優(yōu)化曲線即為C0。

圖2 數(shù)碼相機(jī)機(jī)身曲線優(yōu)化示意

2 約束驅(qū)動(dòng)的概念設(shè)計(jì)優(yōu)化法模型框架

本研究主要通過對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行關(guān)鍵線條的繪制，并對(duì)關(guān)鍵線條進(jìn)行約束驅(qū)動(dòng)運(yùn)算，通過對(duì)關(guān)鍵線條的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的優(yōu)化。

圖3 研究框架

主要研究框架如圖3所示。首先根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的團(tuán)體決策，確定決定產(chǎn)品外形的關(guān)鍵曲線，根據(jù)關(guān)鍵曲線對(duì)形態(tài)概念設(shè)計(jì)草案進(jìn)行曲線繪制，得到形態(tài)概念設(shè)計(jì)的曲線模型，并對(duì)每條曲線進(jìn)行編碼。其次，根據(jù)確定的約束從相應(yīng)的約束知識(shí)庫(kù)中調(diào)用約束模型，在此基礎(chǔ)上依據(jù)形態(tài)概念設(shè)計(jì)曲線模型對(duì)應(yīng)得到各個(gè)約束的曲線模型，并進(jìn)行編碼。然后，確定每個(gè)約束相對(duì)于目標(biāo)的重要性，根據(jù)領(lǐng)先用戶、設(shè)計(jì)、產(chǎn)品專家對(duì)約束重要性的評(píng)價(jià)結(jié)果，利用層次分析方法進(jìn)行綜合計(jì)算，得到每個(gè)約束的權(quán)重隸屬度［15］。最后根據(jù)編碼對(duì)概念設(shè)計(jì)曲線模型上的每條曲線進(jìn)行多維度約束驅(qū)動(dòng)計(jì)算和優(yōu)化，得到優(yōu)化后的產(chǎn)品形態(tài)概念設(shè)計(jì)曲線模型，并以此曲線模型為參照，在三維設(shè)計(jì)軟件中構(gòu)建設(shè)計(jì)方案的曲面或?qū)嶓w模型，從而得到比較理想的產(chǎn)品形態(tài)概念設(shè)計(jì)方案。

3 約束驅(qū)動(dòng)下的設(shè)計(jì)曲線優(yōu)化模型

在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，主要是通過對(duì)設(shè)計(jì)方案關(guān)鍵線條的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)方案的優(yōu)化的。對(duì)關(guān)鍵線條的優(yōu)化思路如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)曲線優(yōu)化流程

3．1 約束關(guān)系的構(gòu)建

(1)定義約束空間。約束空間U={G1，G2，…，Gn}，Gi為第i條約束曲線。

(2)定義每條曲線的約束關(guān)系。建立目標(biāo)曲線和約束曲線的信息超圖G=(L，K)，L={L1，L2，…，Ln}為約束曲線的子線段集合，K={?k1，?k2，…，?kn}表示子線段的曲率改變。

(3)對(duì)目標(biāo)曲線進(jìn)行等距分割。檢索曲線上第i條子線段的起點(diǎn)坐標(biāo)為(xi0，yi0)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(xin，yin)，Vi={Vi1，Vi2，…，Vin}為目標(biāo)曲線子曲線段的頂點(diǎn)集，其中等分點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)?ki的大小在［0，1］上模糊取值，當(dāng) ?ki→ 0 時(shí)，ηi取1，這時(shí)不再對(duì)子線段進(jìn)行等分。

(4)對(duì)約束曲線進(jìn)行分割。綜合分析各個(gè)約束，產(chǎn)品的家族識(shí)別對(duì)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)起著越來越關(guān)鍵的作用，因此選擇家族識(shí)別曲線并對(duì)其進(jìn)行同樣的分割，其中對(duì)對(duì)應(yīng)子線段的分割數(shù)量調(diào)用目標(biāo)曲線的對(duì)應(yīng)數(shù)值。最后我們得到另外一組拆分點(diǎn)。這時(shí)，將目標(biāo)曲線和家族識(shí)別曲線的對(duì)應(yīng)分割點(diǎn)連接并延長(zhǎng)，與其他約束曲線相交，并等待其他的約束等分點(diǎn)，如圖5所示。

將得到的點(diǎn)按照空間時(shí)序重新排列，可得到目標(biāo)曲線的頂點(diǎn)集V和約束點(diǎn)陣A:

圖5 目標(biāo)線條和約束線條等分示意圖

式中，Pij為第i條驅(qū)動(dòng)曲線上的第j+1個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

3．2 定義約束優(yōu)化隸屬程度

約束優(yōu)化隸屬程度是約束空間中各約束曲線對(duì)于目標(biāo)曲線的約束權(quán)重。如何確定各約束曲線的隸屬程度是實(shí)施目標(biāo)優(yōu)化的關(guān)鍵步驟之一，關(guān)系著最終結(jié)果的可信度。約束優(yōu)化隸屬函數(shù)ux(Gi)由專家打分決定，在［0，1］上取值，它的大小反應(yīng)了約束曲線Gi對(duì)于目標(biāo)曲線的重要性。ux(Gi)的值接近于0，表示Gi對(duì)目標(biāo)曲線的重要性較低，ux(Gi)的值接近于1，表示Gi對(duì)目標(biāo)曲線的重要性較高，會(huì)對(duì)優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

3．3 約束驅(qū)動(dòng)計(jì)算

首先計(jì)算目標(biāo)曲線與驅(qū)動(dòng)曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的距離，即

其中，P0(x0，y0)為目標(biāo)曲線上的點(diǎn)，Pi(xi，yi)為第i條驅(qū)動(dòng)曲線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。然后綜合考慮驅(qū)動(dòng)方向進(jìn)行分析，這時(shí)驅(qū)動(dòng)變形可記為P0Pi。

設(shè)優(yōu)化后的曲線為G'，P'0為G'上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，那么點(diǎn)P0的優(yōu)化變形量，當(dāng)D為正值時(shí)曲線發(fā)生膨脹性變形，當(dāng)D為負(fù)值時(shí)曲線發(fā)生收縮性變形。

設(shè)U=［u1u2… ui… uN］T，其中ui為約束曲線Gi的約束優(yōu)化隸屬度。那么優(yōu)化后的曲線為

其中，P0j為目標(biāo)曲線上的點(diǎn)，P0j∈V，Pij為第i條約束曲線上的點(diǎn)，Pij∈A。

4 實(shí)現(xiàn)約束驅(qū)動(dòng)概念設(shè)計(jì)優(yōu)化的支撐技術(shù)

4．1 產(chǎn)品關(guān)鍵線條的提取與編碼

在產(chǎn)品草案設(shè)計(jì)結(jié)束后會(huì)形成大量的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過嚴(yán)格評(píng)估和篩選后，對(duì)重點(diǎn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在選定的設(shè)計(jì)草圖上提取產(chǎn)品的主要特征線條并統(tǒng)一編碼，一般可以選擇形態(tài)的邊界線條和主要造型線條，如圖6所示。

圖6 關(guān)鍵線條提取與編碼

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品形態(tài)概念設(shè)計(jì)方案的約束驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，需要統(tǒng)一的線條劃分和編碼規(guī)則，這樣才能解決驅(qū)動(dòng)計(jì)算過程中的線條匹配問題。以某汽車品牌的鬼臉設(shè)計(jì)為例，可以指定如表1所示的線條劃分和編碼規(guī)則。

表1 某品牌汽車鬼臉設(shè)計(jì)線條編碼原則

4．2 產(chǎn)品約束知識(shí)庫(kù)

產(chǎn)品約束知識(shí)庫(kù)是約束驅(qū)動(dòng)計(jì)算的知識(shí)和數(shù)據(jù)的集合與管理平臺(tái)，包括約束技術(shù)知識(shí)庫(kù)、約束模型庫(kù)和專家系統(tǒng)。約束技術(shù)知識(shí)庫(kù)包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)資源、設(shè)計(jì)要求、產(chǎn)品的家族特征、標(biāo)準(zhǔn)及定制產(chǎn)品技術(shù)資料、設(shè)計(jì)管理的規(guī)范以及技術(shù)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)智慧等。約束模型庫(kù)主要是存放產(chǎn)品的主要約束模型，該模型由約束標(biāo)簽和約束線框模型組成。約束標(biāo)簽包括對(duì)約束的描述和約束的圖像描述，約束線框模型即由約束的主要線條組成的三維模型。專家系統(tǒng)包含了為設(shè)計(jì)人員提供尋求問題解答和知識(shí)共享的途徑［14］。

通過產(chǎn)品約束知識(shí)庫(kù)庫(kù)，設(shè)計(jì)人員能夠在設(shè)計(jì)過程中方便地得到領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)、專業(yè)技術(shù)文獻(xiàn)、成熟設(shè)計(jì)實(shí)例、工程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和人機(jī)工程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)快速的概念設(shè)計(jì)約束定位和約束優(yōu)化。

4．3 軟件開發(fā)

軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以采用Visual C++V6．0為開發(fā)環(huán)境，通過平臺(tái)的二次開發(fā)功能，采用COM組件化技術(shù)，在Windows環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，使其具有很好的可移植性。組件開發(fā)可以采用基于ATL的組件開發(fā)模式來進(jìn)行，數(shù)據(jù)的讀取與交換主要通過SolidWorks2006提供的API接口來實(shí)現(xiàn)，底層數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)造采可以用Access數(shù)據(jù)庫(kù)來完成。

5 實(shí)例

本文以某企業(yè)的機(jī)場(chǎng)主力消防車造型設(shè)計(jì)為例，從技術(shù)生成的角度出發(fā)，通過最初的形態(tài)概念設(shè)計(jì)到概念設(shè)計(jì)優(yōu)化，再到最終的產(chǎn)品定型，驗(yàn)證理論的可行性。

5．1 優(yōu)化定位

考慮到設(shè)計(jì)對(duì)象本身的特點(diǎn)，選用市場(chǎng)域、家族識(shí)別和功能域三個(gè)方面的約束來進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證。

(1)市場(chǎng)域。市場(chǎng)域約束對(duì)象的選擇，主要考慮市場(chǎng)認(rèn)可度、銷售情況、審美以及能否代表未來發(fā)展方向等多個(gè)方面的因素。表2所示的市場(chǎng)域中選擇的兩款消防車產(chǎn)品代表了現(xiàn)階段國(guó)際市場(chǎng)機(jī)場(chǎng)主力消防車的主流外形形態(tài)。這兩款車型不僅獲得了多項(xiàng)國(guó)際性的設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)，而且市場(chǎng)認(rèn)可度極高，符合消費(fèi)者對(duì)審美和情感方面的需求，可以說代表了機(jī)場(chǎng)消防車未來的發(fā)展方向。經(jīng)過專家打分和智能計(jì)算，在新產(chǎn)品的形態(tài)概念設(shè)計(jì)中，以其形態(tài)作為市場(chǎng)域的主要約束因素。

(2)家族識(shí)別域。家族識(shí)別要能體現(xiàn)產(chǎn)品的家族設(shè)計(jì)特色，應(yīng)具有鮮明的識(shí)別因子和設(shè)計(jì)DNA。一般選擇企業(yè)的主打產(chǎn)品。

(3)功能域。產(chǎn)品外在形態(tài)是產(chǎn)品內(nèi)在功能實(shí)現(xiàn)的載體，功能域約束保證產(chǎn)品以最簡(jiǎn)的外觀形態(tài)實(shí)現(xiàn)其全部功能。

表2列出了約束對(duì)象選擇的情況。

表2 機(jī)場(chǎng)主力消防車約束對(duì)象選擇

5．2 草圖設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和需求分析，草圖設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 機(jī)場(chǎng)消防車設(shè)計(jì)草圖

5．3 約束驅(qū)動(dòng)計(jì)算

對(duì)選定的草圖進(jìn)行關(guān)鍵線條的繪制并編碼，然后對(duì)關(guān)鍵線條進(jìn)行多約束驅(qū)動(dòng)運(yùn)算。圖8即為選定方案的關(guān)鍵線條約束編碼圖。

圖8 選定方案關(guān)鍵線條編碼

5．4 三維模型制作

將計(jì)算后的線框模型導(dǎo)入后續(xù)加工軟件，以優(yōu)化后的線框作為參照，制作模型并渲染。最終的方案效果圖如圖9所示。

圖9 最終方案效果圖

6 結(jié)語(yǔ)

在質(zhì)量和技術(shù)日益趨同的情況下，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)由原先的質(zhì)量和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)。如何有效地組織企業(yè)產(chǎn)品的現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，并融入更多的時(shí)代因素和企業(yè)品牌因素，通過有效的設(shè)計(jì)手段來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)，將成為企業(yè)品牌建設(shè)及企業(yè)發(fā)展的難題。而約束驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品形態(tài)概念設(shè)計(jì)優(yōu)化無疑是解決這一問題的方法之一。

從工業(yè)設(shè)計(jì)出發(fā)，本文研究了約束驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品形態(tài)概念設(shè)計(jì)的智能優(yōu)化模型，并以某機(jī)場(chǎng)消防車的概念設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了驗(yàn)證，為產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)踐和設(shè)計(jì)教育提供了參考。這一理論的廣度和深度還有待于進(jìn)一步深入探討，接下來的工作是:①研究更加高效的約束驅(qū)動(dòng)算法;②研究曲面的約束驅(qū)動(dòng)原理，使這一過程更加智能;③研究約束驅(qū)動(dòng)概念設(shè)計(jì)優(yōu)化的學(xué)習(xí)與推理機(jī)制，為進(jìn)一步構(gòu)建產(chǎn)品族快速設(shè)計(jì)平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。

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