王偉偉 余隋懷 楊剛俊 楊延璞

西北工業(yè)大學，西安，710021

0 引言

制造技術和信息技術的迅速發(fā)展，以及市場競爭的日趨白熱化，使新產(chǎn)品的開發(fā)與設計正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的功能至上或者單一的外觀競爭策略已不能再滿足市場的需求［1］。未來，新產(chǎn)品概念設計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約束，才有可能取得成功。這就需要反復對設計方案進行推敲與優(yōu)化。但傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式，決定了設計優(yōu)化過程過度依賴于設計師的經(jīng)驗，存在不確定性，往往一個或幾個設計師就可影響這個企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)策略。另外，在這種模式下設計師的更迭更是制約了企業(yè)的產(chǎn)品策略。

近年來，針對概念設計優(yōu)化方面的研究主要集中在軟件工程、相關算法和產(chǎn)品結構設計方面，對產(chǎn)品概念設計優(yōu)化主要停留在設計評價方面。文獻［2］提出了一種多目標的演化算法;文獻［3］在功能樹的基礎上構建了一種快速的多目標進化算法;文獻［4-5］基于一種結構不斷生長的獨特設計思路，提出了結構與公差同步設計的產(chǎn)品概念設計優(yōu)化的設計思想;文獻［6］提出了一種滾切剪切機構優(yōu)化設計系統(tǒng);文獻［7］在手機概念設計階段同時考慮了用戶要求、構件設計屬性、設計成本和綜合評價值等多種因素，將分布估計算法應用于求解手機集成的多目標優(yōu)化問題。但是，以往的研究很少涉及產(chǎn)品形態(tài)概念設計智能優(yōu)化方法和技術，很難滿足設計師對設計方案進行科學、客觀地優(yōu)選和改進的要求。然而，這方面的探索可有效地提升實踐過程中產(chǎn)品外觀設計的質(zhì)量和效率。

本文提出一種約束驅(qū)動的產(chǎn)品概念設計智能優(yōu)化模型，用以匹配產(chǎn)品形態(tài)概念設計中的方案優(yōu)化問題。通過分析產(chǎn)品形態(tài)概念設計特點，提出了約束驅(qū)動的產(chǎn)品形態(tài)概念設計優(yōu)化方法，并在此基礎上建立了其框架模型和算法機制，給出了完整的實施方案線路。最后，利用某款機場消防車的形態(tài)概念設計優(yōu)化對該方法進行了驗證。

1 基本概念

1． 1 產(chǎn)品概念設計約束

產(chǎn)品形態(tài)概念設計作為產(chǎn)品設計程序中的孕育階段，既需要協(xié)調(diào)產(chǎn)品的物質(zhì)功能結構，又需要綜合考量產(chǎn)品的精神美學功能，還需要處理好產(chǎn)品與用戶、與企業(yè)、與社會、與環(huán)境之間的復雜關系。因此產(chǎn)品概念設計需要跨越用戶域、市場域、功能域、結構域、制造域的同時，還需要處理人機、界面、審美、情感、文化、家族識別等方面的問題。反過來，這些因素就構成了產(chǎn)品概念設計的約束。產(chǎn)品概念設計從本質(zhì)上講就是對各類設計約束以及沖突的求解過程，好的設計方案應該是對所有設計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)動優(yōu)化

約束驅(qū)動優(yōu)化是指在對新產(chǎn)品形態(tài)概念的局部或整體進行優(yōu)化的過程中，將約束作為主要的參考條件，由計算機自動對設計方案實現(xiàn)優(yōu)化，作為進一步設計的參考原型。約束驅(qū)動優(yōu)化替代原有的經(jīng)驗論，從而使優(yōu)化過程顯得更加科學、客觀。產(chǎn)品設計約束即指產(chǎn)品開發(fā)設計的原始條件，如功能約束、結構約束、流行趨勢約束、產(chǎn)品識別約束等。

現(xiàn)階段對于約束驅(qū)動建模的研究多集中于人機接觸面方面和機構優(yōu)化設計方面。基于能量約束的曲面設計方法最早出現(xiàn)于1987年，加拿大學者Terzopoulos等將基于物理能量模型的可變形曲面造型技術引入計算機圖形學中［8］。基于圖形學中能量優(yōu)化的研究目標主要集中在對曲面的連續(xù)性和光順性的研究上［9-11］。另外，其他一些領域(如建筑設計、機械設計等)的研究也涉及能量優(yōu)化的概念，但還未形成系統(tǒng)化的應用以及實用性的軟件工具。在學術界，設計約束的研究受到了越來越多的關注，浙江大學羅仕鑒等［12］對基于設計基因的產(chǎn)品族設計進行的研究，就是將產(chǎn)品家族識別因子作為產(chǎn)品設計的主要約束來進行的;劉肖健等［13］驗證了基于人體形態(tài)與產(chǎn)品曲面形態(tài)的相似性和人機接觸壓力的能量優(yōu)化曲面形態(tài)設計方法，并取得了一定的成果。

1． 3 約束驅(qū)動優(yōu)化法原理

假設在設計優(yōu)化的過程中，簡化約束只重點考慮某一方面的因素，其設計法則如圖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)在的設計程序中［14］。比如在產(chǎn)品樣機試制前，會進行專門的產(chǎn)品結構設計優(yōu)化與論證。

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

圖2 數(shù)碼相機機身曲線優(yōu)化示意

2 約束驅(qū)動的概念設計優(yōu)化法模型框架

本研究主要通過對產(chǎn)品進行關鍵線條的繪制，并對關鍵線條進行約束驅(qū)動運算，通過對關鍵線條的優(yōu)化來實現(xiàn)對整個產(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)目標產(chǎn)品的設計特點，通過設計團隊的團體決策，確定決定產(chǎn)品外形的關鍵曲線，根據(jù)關鍵曲線對形態(tài)概念設計草案進行曲線繪制，得到形態(tài)概念設計的曲線模型，并對每條曲線進行編碼。其次，根據(jù)確定的約束從相應的約束知識庫中調(diào)用約束模型，在此基礎上依據(jù)形態(tài)概念設計曲線模型對應得到各個約束的曲線模型，并進行編碼。然后，確定每個約束相對于目標的重要性，根據(jù)領先用戶、設計、產(chǎn)品專家對約束重要性的評價結果，利用層次分析方法進行綜合計算，得到每個約束的權重隸屬度［15］。最后根據(jù)編碼對概念設計曲線模型上的每條曲線進行多維度約束驅(qū)動計算和優(yōu)化，得到優(yōu)化后的產(chǎn)品形態(tài)概念設計曲線模型，并以此曲線模型為參照，在三維設計軟件中構建設計方案的曲面或?qū)嶓w模型，從而得到比較理想的產(chǎn)品形態(tài)概念設計方案。

3 約束驅(qū)動下的設計曲線優(yōu)化模型

在進行設計優(yōu)化時，主要是通過對設計方案關鍵線條的優(yōu)化來實現(xiàn)對整個方案的優(yōu)化的。對關鍵線條的優(yōu)化思路如圖4所示。

圖4 設計曲線優(yōu)化流程

3．1 約束關系的構建

(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系。建立目標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)對目標曲線進行等距分割。檢索曲線上第i條子線段的起點坐標為(xi0，yi0)，終點坐標為(xin，yin)，Vi={Vi1，Vi2，…，Vin}為目標曲線子曲線段的頂點集，其中等分點的數(shù)量根據(jù)?ki的大小在［0，1］上模糊取值，當 ?ki→ 0 時，ηi取1，這時不再對子線段進行等分。

(4)對約束曲線進行分割。綜合分析各個約束，產(chǎn)品的家族識別對產(chǎn)品的市場競爭起著越來越關鍵的作用，因此選擇家族識別曲線并對其進行同樣的分割，其中對對應子線段的分割數(shù)量調(diào)用目標曲線的對應數(shù)值。最后我們得到另外一組拆分點。這時，將目標曲線和家族識別曲線的對應分割點連接并延長，與其他約束曲線相交，并等待其他的約束等分點，如圖5所示。

將得到的點按照空間時序重新排列，可得到目標曲線的頂點集V和約束點陣A:

圖5 目標線條和約束線條等分示意圖

式中，Pij為第i條驅(qū)動曲線上的第j+1個對應點。

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于目標曲線的約束權重。如何確定各約束曲線的隸屬程度是實施目標優(yōu)化的關鍵步驟之一，關系著最終結果的可信度。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，它的大小反應了約束曲線Gi對于目標曲線的重要性。ux(Gi)的值接近于0，表示Gi對目標曲線的重要性較低，ux(Gi)的值接近于1，表示Gi對目標曲線的重要性較高，會對優(yōu)化結果產(chǎn)生較大的影響。

3．3 約束驅(qū)動計算

首先計算目標曲線與驅(qū)動曲線對應點之間的距離，即

其中，P0(x0，y0)為目標曲線上的點，Pi(xi，yi)為第i條驅(qū)動曲線上的對應點。然后綜合考慮驅(qū)動方向進行分析，這時驅(qū)動變形可記為P0Pi。

設優(yōu)化后的曲線為G'，P'0為G'上的對應點，那么點P0的優(yōu)化變形量，當D為正值時曲線發(fā)生膨脹性變形，當D為負值時曲線發(fā)生收縮性變形。

設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為目標曲線上的點，P0j∈V，Pij為第i條約束曲線上的點，Pij∈A。

4 實現(xiàn)約束驅(qū)動概念設計優(yōu)化的支撐技術

4．1 產(chǎn)品關鍵線條的提取與編碼

在產(chǎn)品草案設計結束后會形成大量的設計方案，經(jīng)過嚴格評估和篩選后，對重點方案進行設計優(yōu)化。在選定的設計草圖上提取產(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 關鍵線條提取與編碼

為了實現(xiàn)對產(chǎn)品形態(tài)概念設計方案的約束驅(qū)動優(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)動計算過程中的線條匹配問題。以某汽車品牌的鬼臉設計為例，可以指定如表1所示的線條劃分和編碼規(guī)則。

表1 某品牌汽車鬼臉設計線條編碼原則

4．2 產(chǎn)品約束知識庫

產(chǎn)品約束知識庫是約束驅(qū)動計算的知識和數(shù)據(jù)的集合與管理平臺，包括約束技術知識庫、約束模型庫和專家系統(tǒng)。約束技術知識庫包括產(chǎn)品的設計資源、設計要求、產(chǎn)品的家族特征、標準及定制產(chǎn)品技術資料、設計管理的規(guī)范以及技術領域的經(jīng)驗智慧等。約束模型庫主要是存放產(chǎn)品的主要約束模型，該模型由約束標簽和約束線框模型組成。約束標簽包括對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)包含了為設計人員提供尋求問題解答和知識共享的途徑［14］。

通過產(chǎn)品約束知識庫庫，設計人員能夠在設計過程中方便地得到領域?qū)＜抑R、專業(yè)技術文獻、成熟設計實例、工程數(shù)據(jù)標準和人機工程數(shù)據(jù)標準等，同時也能實現(xiàn)快速的概念設計約束定位和約束優(yōu)化。

4．3 軟件開發(fā)

軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)可以采用Visual C++V6．0為開發(fā)環(huán)境，通過平臺的二次開發(fā)功能，采用COM組件化技術，在Windows環(huán)境下進行開發(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)模式來進行，數(shù)據(jù)的讀取與交換主要通過SolidWorks2006提供的API接口來實現(xiàn)，底層數(shù)據(jù)庫的構造采可以用Access數(shù)據(jù)庫來完成。

5 實例

本文以某企業(yè)的機場主力消防車造型設計為例，從技術生成的角度出發(fā)，通過最初的形態(tài)概念設計到概念設計優(yōu)化，再到最終的產(chǎn)品定型，驗證理論的可行性。

5．1 優(yōu)化定位

考慮到設計對象本身的特點，選用市場域、家族識別和功能域三個方面的約束來進行優(yōu)化驗證。

(1)市場域。市場域約束對象的選擇，主要考慮市場認可度、銷售情況、審美以及能否代表未來發(fā)展方向等多個方面的因素。表2所示的市場域中選擇的兩款消防車產(chǎn)品代表了現(xiàn)階段國際市場機場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國際性的設計大獎，而且市場認可度極高，符合消費者對審美和情感方面的需求，可以說代表了機場消防車未來的發(fā)展方向。經(jīng)過專家打分和智能計算，在新產(chǎn)品的形態(tài)概念設計中，以其形態(tài)作為市場域的主要約束因素。

(2)家族識別域。家族識別要能體現(xiàn)產(chǎn)品的家族設計特色，應具有鮮明的識別因子和設計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)在功能實現(xiàn)的載體，功能域約束保證產(chǎn)品以最簡的外觀形態(tài)實現(xiàn)其全部功能。

表2列出了約束對象選擇的情況。

表2 機場主力消防車約束對象選擇

5．2 草圖設計

根據(jù)市場調(diào)研和需求分析，草圖設計方案如圖7所示。

圖7 機場消防車設計草圖

5．3 約束驅(qū)動計算

對選定的草圖進行關鍵線條的繪制并編碼，然后對關鍵線條進行多約束驅(qū)動運算。圖8即為選定方案的關鍵線條約束編碼圖。

圖8 選定方案關鍵線條編碼

5．4 三維模型制作

將計算后的線框模型導入后續(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 結語

在質(zhì)量和技術日益趨同的情況下，企業(yè)間的競爭已經(jīng)由原先的質(zhì)量和技術競爭逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵O計的競爭。如何有效地組織企業(yè)產(chǎn)品的現(xiàn)有競爭優(yōu)勢，并融入更多的時代因素和企業(yè)品牌因素，通過有效的設計手段來實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設計，將成為企業(yè)品牌建設及企業(yè)發(fā)展的難題。而約束驅(qū)動產(chǎn)品形態(tài)概念設計優(yōu)化無疑是解決這一問題的方法之一。

從工業(yè)設計出發(fā)，本文研究了約束驅(qū)動產(chǎn)品形態(tài)概念設計的智能優(yōu)化模型，并以某機場消防車的概念設計為例進行了驗證，為產(chǎn)品開發(fā)設計實踐和設計教育提供了參考。這一理論的廣度和深度還有待于進一步深入探討，接下來的工作是:①研究更加高效的約束驅(qū)動算法;②研究曲面的約束驅(qū)動原理，使這一過程更加智能;③研究約束驅(qū)動概念設計優(yōu)化的學習與推理機制，為進一步構建產(chǎn)品族快速設計平臺奠定基礎。

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