單鴻波，嚴(yán)海峰，周尚錦，于海燕，王曙光，程起興

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海201620)

產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)下多用戶(hù)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

單鴻波，嚴(yán)海峰，周尚錦，于海燕，王曙光，程起興

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海201620)

研究了協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了支持產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的多用戶(hù)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng).該系統(tǒng)主要利用B/S結(jié)構(gòu)建模，將分布的多領(lǐng)域設(shè)計(jì)者和用戶(hù)聯(lián)系起來(lái)，協(xié)同參與需求獲取和需求轉(zhuǎn)化，以實(shí)現(xiàn)功能與工程參數(shù)的匹配和概念設(shè)計(jì)方案的輸出.介紹了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)智能手表的實(shí)例驗(yàn)證了概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性.

多用戶(hù)；概念設(shè)計(jì)；協(xié)同設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)系統(tǒng)

在產(chǎn)品的全生命周期中，用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品功能的需求在不斷發(fā)展變化，功能相對(duì)單一的簡(jiǎn)單產(chǎn)品已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，一個(gè)處于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的企業(yè)，及時(shí)推出符合用戶(hù)預(yù)期的產(chǎn)品進(jìn)而贏得市場(chǎng)份額是生存的關(guān)鍵.因此，準(zhǔn)確掌握用戶(hù)需求，運(yùn)用跨學(xué)科技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，快速成功地完成新產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，并指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)銷(xiāo)售等策略是企業(yè)獲得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵.在工程領(lǐng)域，一種新的產(chǎn)品包括兩方面含義：一是基于已存在的原理解實(shí)現(xiàn)新的功能，二是基于新的原理解實(shí)現(xiàn)更好的功能[1].因此，聚集一批不同專(zhuān)業(yè)方向的優(yōu)秀設(shè)計(jì)人員，協(xié)同完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是研發(fā)功能復(fù)雜產(chǎn)品的有力保證，開(kāi)發(fā)高效實(shí)用的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.

協(xié)同設(shè)計(jì)是不同的設(shè)計(jì)者圍繞共同的設(shè)計(jì)任務(wù)，通過(guò)一定的協(xié)同交互機(jī)制進(jìn)行討論、分析和設(shè)計(jì)，共同完成設(shè)計(jì)任務(wù).設(shè)計(jì)者可以是同領(lǐng)域，也可以跨領(lǐng)域，來(lái)自不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者，在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的支持下進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)，既綜合了不同領(lǐng)域知識(shí)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，也提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的用戶(hù)參與度，可最大程度得到符合用戶(hù)要求又具有市場(chǎng)前景的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案.

本文基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu)[2]，開(kāi)發(fā)了一個(gè)開(kāi)放式的、可視化的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并結(jié)合智能手表的案例重點(diǎn)討論了面向概念設(shè)計(jì)的多用戶(hù)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù).

1　概念設(shè)計(jì)下多用戶(hù)協(xié)同體系結(jié)構(gòu)

多用戶(hù)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)(multi-user collaborative design system, MCDS)旨在給各設(shè)計(jì)者提供交流合作的機(jī)會(huì)，使各企業(yè)的設(shè)計(jì)者能夠一起參與新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，從而更準(zhǔn)確地掌握用戶(hù)需求，更高效地開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，在節(jié)省成本的同時(shí)增加新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成功率.

本文所建立的MCDS平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用Browser, Web Server 和Database Server三層體系結(jié)構(gòu)模型.MCDS平臺(tái)具有通用的客戶(hù)端瀏覽器界面，產(chǎn)品用戶(hù)或者設(shè)計(jì)者在瀏覽器界面注冊(cè)獲得賬號(hào)后即可登入系統(tǒng)，具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，后續(xù)只需升級(jí)和維護(hù)服務(wù)器端即可完成體系的更新，客戶(hù)端只需安裝具有Java功能的瀏覽器，即可直觀地顯示獲取的用戶(hù)需求排序、協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程和最終輸出的方案.在服務(wù)器端安裝建模軟件、分析軟件等工具，可實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)階段用戶(hù)需求篩選轉(zhuǎn)化、方案生成優(yōu)選等功能.

圖1　MCDS平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)Fig.1　The structure of MCDS

2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

MCDS是一個(gè)基于B/S結(jié)構(gòu)的瘦客戶(hù)端-服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)體系下分布式的同步協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，其提供從用戶(hù)需求錄入到最優(yōu)方案輸出的流程節(jié)點(diǎn)服務(wù).相比異步協(xié)同，同步協(xié)同是一種耦合度高的協(xié)同設(shè)計(jì)方法，需要更復(fù)雜的技術(shù)實(shí)現(xiàn)[3]，故對(duì)于服務(wù)器數(shù)據(jù)的操作和保護(hù)有較高要求.本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，有效解決了權(quán)限控制、用戶(hù)需求獲取及轉(zhuǎn)化機(jī)制、同步協(xié)同、沖突識(shí)別與消除的問(wèn)題.

2.1權(quán)限控制

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)的不同使用者根據(jù)承擔(dān)的任務(wù)具有不同的權(quán)限，可以分為4類(lèi)：總設(shè)計(jì)師、設(shè)計(jì)小組組長(zhǎng)、設(shè)計(jì)小組成員和普通用戶(hù)，各級(jí)人員操作權(quán)限如圖2所示.其中，總設(shè)計(jì)師對(duì)整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案負(fù)責(zé)，具有全局查看、操作和審核權(quán)限；各設(shè)計(jì)小組分別負(fù)責(zé)產(chǎn)品的不同部分，小組間可以互相建議，小組組長(zhǎng)被賦予承擔(dān)任務(wù)的方案設(shè)計(jì)、瀏覽和提交審核權(quán)；小組成員負(fù)責(zé)完成承擔(dān)任務(wù)的方案設(shè)計(jì)、修改；普通用戶(hù)在需求設(shè)計(jì)階段完成調(diào)查問(wèn)卷.

圖2　各級(jí)人員操作權(quán)限Fig.2　Operating authority for personnel at all levels

2.2用戶(hù)需求獲取及轉(zhuǎn)化機(jī)制

常見(jiàn)的用戶(hù)需求獲取方法有問(wèn)卷調(diào)查法、頭腦風(fēng)暴法和用戶(hù)訪談等[4].本系統(tǒng)采用網(wǎng)上問(wèn)卷調(diào)查法的方式得到直觀的用戶(hù)需求.由產(chǎn)品專(zhuān)家給用戶(hù)分組設(shè)定不同的用戶(hù)重要度，采用粗糙集理論對(duì)需求信息進(jìn)行處理，由粗糙數(shù)排序規(guī)則和重要度計(jì)算公式得出用戶(hù)需求權(quán)重，確定用戶(hù)需求重要度排序[5].在決策系統(tǒng)的建立過(guò)程中，利用粗糙集的屬性約簡(jiǎn)和熵理論對(duì)相應(yīng)的樣本集進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)需求與技術(shù)特性的關(guān)聯(lián)性測(cè)度矩陣和技術(shù)特性自相關(guān)性矩陣的求解，最后得到考慮技術(shù)特性自相關(guān)性的關(guān)聯(lián)性測(cè)度和技術(shù)特性的重要度.

2.3同步協(xié)同

隨著人工智能方法、面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)以及相關(guān)硬件的發(fā)展，同步協(xié)同模式逐漸成為協(xié)同概念設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn).同步協(xié)同一般分為集中式同步協(xié)同和復(fù)制式同步協(xié)同.文獻(xiàn)[6]基于B/S結(jié)構(gòu)，在瀏覽器與服務(wù)器之間加入建有同步控制器的Cache Server, 而Cache Server起到數(shù)據(jù)傳輸橋梁的作用，在服務(wù)器和瀏覽器間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和同步刷新，并討論了基于同步控制器的客戶(hù)端同步刷新實(shí)現(xiàn)過(guò)程，是一種集中式協(xié)同模式.文獻(xiàn)[7]提出在CAD協(xié)同設(shè)計(jì)中采用桌面共享構(gòu)建異地同步協(xié)同技術(shù)，提出采用懶惰顯示更新策略以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，是一種復(fù)制式同步協(xié)同模式.文獻(xiàn)[8]提出正式化和聚焦的多用戶(hù)協(xié)作議程，包括計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、用戶(hù)界面、CAX應(yīng)用.

本系統(tǒng)采用集中式同步協(xié)同，相比復(fù)制式同步協(xié)同，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、并發(fā)控制容易的優(yōu)點(diǎn)，并利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換機(jī)制，可以使多個(gè)設(shè)計(jì)者在相同的時(shí)間里共享服務(wù)器工作空間，各設(shè)計(jì)者可即時(shí)與其他設(shè)計(jì)者互動(dòng)，達(dá)到面對(duì)面交流的迅捷效果.同時(shí)，在服務(wù)器端安裝建模軟件，如AutoCAD、數(shù)據(jù)處理軟件Matlab和數(shù)據(jù)庫(kù)軟件等，設(shè)計(jì)者通過(guò)客戶(hù)端調(diào)用服務(wù)器軟件進(jìn)行模型的瀏覽、建立和數(shù)據(jù)的輸入，供服務(wù)器處理.

2.4沖突識(shí)別與消除

由于設(shè)計(jì)者的專(zhuān)業(yè)背景、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、工程閱歷和個(gè)人喜好等因素不同，常對(duì)同一個(gè)設(shè)計(jì)主體提出不同的設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致沖突發(fā)生.在設(shè)計(jì)過(guò)程中，沖突是阻止設(shè)計(jì)活動(dòng)進(jìn)行的主要因素，當(dāng)同一功能匹配不同的方案時(shí)，即認(rèn)為沖突發(fā)生.因此，沖突的識(shí)別與消除是保證設(shè)計(jì)活動(dòng)順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9].本系統(tǒng)基于相關(guān)度的標(biāo)準(zhǔn)滿(mǎn)意度沖突消除策略解決同步協(xié)同中設(shè)計(jì)資源沖突問(wèn)題，提出了一個(gè)規(guī)范的沖突消除機(jī)制，將沖突消除分為3個(gè)過(guò)程[10]：沖突識(shí)別、沖突分類(lèi)和沖突解決，并根據(jù)學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)度，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)滿(mǎn)意度來(lái)評(píng)價(jià)消除沖突.其中，將這些沖突分為3類(lèi)：技術(shù)沖突、周期沖突和資源沖突.技術(shù)沖突通過(guò)技術(shù)參數(shù)與功能載體重新組合解決，周期沖突通過(guò)重新規(guī)劃生產(chǎn)路徑解決，資源沖突通過(guò)資源的重新配置解決，利用目標(biāo)規(guī)劃法對(duì)上述沖突進(jìn)行求解，來(lái)得到設(shè)計(jì)滿(mǎn)意解.

3　應(yīng)用實(shí)例

智能手表是在手表內(nèi)嵌入智能系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)多種功能的一種智能穿戴設(shè)備，可以同步手機(jī)或電腦中郵件、照片、音樂(lè)等，并可以檢測(cè)身體健康狀況的一種新型手表.自蘋(píng)果、谷歌等公司于2013年推出智能手表，各科技公司紛紛推出自己的相關(guān)產(chǎn)品.對(duì)于一款可穿戴的智能設(shè)備，零部件的體積足夠小、功能盡量多、美觀便攜、操作體驗(yàn)好以及足夠便宜，是贏得市場(chǎng)占有率的關(guān)鍵因素.本文以智能手表的開(kāi)發(fā)為例，邀請(qǐng)100多位志愿者通過(guò)協(xié)同平臺(tái)參與問(wèn)卷調(diào)查，驗(yàn)證上述內(nèi)容的可行性.如圖3所示，用戶(hù)需求調(diào)查的志愿者包括有使用經(jīng)驗(yàn)的用戶(hù)、無(wú)使用經(jīng)驗(yàn)的用戶(hù)和專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)師，按照一定比例組成.

圖3　智能手表概念設(shè)計(jì)網(wǎng)上調(diào)查問(wèn)卷Fig.3　Online survey of smart watch conceptual design

在用戶(hù)需求獲取階段，不同類(lèi)型的用戶(hù)對(duì)需求的描述表達(dá)不同.有智能手表使用經(jīng)驗(yàn)的用戶(hù)對(duì)于需求的描述較為直觀，具有非常個(gè)性化表達(dá)的特性；無(wú)使用經(jīng)驗(yàn)的用戶(hù)對(duì)于需求的描述是模糊的甚至矛盾的；專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)師對(duì)于需求的表達(dá)則相對(duì)直觀準(zhǔn)確.本平臺(tái)在使用網(wǎng)上問(wèn)卷調(diào)查方式獲取用戶(hù)需求后，根據(jù)粗糙集理論和熵處理方法得到用戶(hù)較準(zhǔn)確的需求描述，確定的主要用戶(hù)需求如表1所示.

表1　主要用戶(hù)需求描述Table 1　The main customer requirement

本文將主要的用戶(hù)需求轉(zhuǎn)化為較為直觀的專(zhuān)業(yè)需求語(yǔ)言，通過(guò)系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)化機(jī)制轉(zhuǎn)換為功能需求，在功能需求轉(zhuǎn)化過(guò)程中，由于各用戶(hù)需求映射的功能具有一定的耦合度，需要對(duì)功能需求進(jìn)行去冗余處理，刪除重復(fù)的功能，將功能分解為功能元.設(shè)計(jì)流程如圖4所示.

根據(jù)本文提出的設(shè)計(jì)流程，在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立功能載體知識(shí)庫(kù)，通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的智能匹配和人工評(píng)價(jià)，輸出多個(gè)概念設(shè)計(jì)方案，即智能手表的產(chǎn)品模型如圖5所示，該款手表是當(dāng)今市面上主流的智能手表模型.

圖4　智能手表協(xié)同設(shè)計(jì)流程Fig.4　The process of collaborative design of smart watch

圖5　智能手表產(chǎn)品模型Fig.5　The prototype of smart watch

這里對(duì)其中的兩個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較分析.方案一：新開(kāi)發(fā)的智能手表使用Android智能操作系統(tǒng)，具有SIM卡插槽，表面采用1～2英寸的觸摸屏，腕帶使用橡膠材料，提供常見(jiàn)的紅、藍(lán)、白和黑色可供用戶(hù)選擇.智能手表具有藍(lán)牙功能和紅外功能，擁有立體揚(yáng)聲器，內(nèi)置加速度等感應(yīng)器，使用可充電不可拆卸鋰電池，采用IP68級(jí)別防水設(shè)計(jì)等.方案二：新開(kāi)發(fā)的智能手表采用Windows操作系統(tǒng)，觸屏尺寸大于2英寸，不具有獨(dú)立通話功能，腕帶采用金屬材料，提供傳統(tǒng)的白色和黑色產(chǎn)品供用戶(hù)選擇，采用內(nèi)置不可更換電池.

對(duì)比方案一和方案二，顯然Android 操作系統(tǒng)具有更多App兼容，設(shè)置SIM卡插槽雖然在一定程度上增加成本，但符合智能手表的發(fā)展趨勢(shì)，橡膠材料腕帶比金屬材料腕帶節(jié)省成本且用戶(hù)體驗(yàn)不會(huì)大打折扣.綜合考慮技術(shù)因素、成本因素和周期因素等，顯然方案一優(yōu)于方案二，因此，最終采用方案一指導(dǎo)產(chǎn)品后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì).

4　結(jié)　語(yǔ)

本文討論了多用戶(hù)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，采用權(quán)限控制和同步協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)解決概念設(shè)計(jì)協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中的沖突消解，并以智能手表的開(kāi)發(fā)實(shí)例驗(yàn)證了多用戶(hù)協(xié)同概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作流程的可行性.在后續(xù)的研究中，實(shí)現(xiàn)需求分析階段定性需求的定量化處理，以及面向復(fù)雜產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過(guò)程中的協(xié)同設(shè)計(jì)都有待進(jìn)一步深入研究.此外，在現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，提高概念設(shè)計(jì)理論方案設(shè)計(jì)的效率和成功率，降低設(shè)計(jì)過(guò)程中循環(huán)再設(shè)計(jì)和再修正的頻度也是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一.

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Key Technologies and Realization of Multi-user Collaborative Design System in Product Conceptual Design

SHANHong-bo,YANHai-feng,ZHOUShang-jin,YUHai-yan,WANGShu-guang,CHENGQi-xing

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The architecture of the collaborative design system is studied, and the system of multi-user collaborative design system of conceptual design is developed. Modeling is built by B/S structure in the system. In order to realize the function and engineering parameter matching and output the conceptual design scheme, customers and designers are designed to work collaboratively in the process of confirming the customer voice and function transformation. The key technologies to realize the system are analyzed and the system is proved to be feasible by using an example of smart watch.

multi-user; conceptual design; collab orative design; design system

1671-0444(2015)04-0542-04

2015-03-30

單鴻波(1973—),男,湖北十堰人,教授,博士,研究方向?yàn)橄冗M(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法、輕量化復(fù)合材料、3D織造裝備和人因機(jī)械工程. E-mail: hbshan@dhu.edu.cn

TP 182

A