计算机辅助工业设计技术发展状况与趋势

1　引言

　　90年代以来，随着以计算机技术为支柱的信息技术的发展，世界经济格局发生了巨大的变化，逐步形成了一个统一的一体化市场，经济循环加大、加快，市场竞争日趋激烈.同时，工业产品由传统的机械产品向机电一体化产品、信息电子产品方向发展，技术含量大为增高；社会的消费观念也不断发生变化，产品的功能已不再是消费者决定购买的最主要因素.产品的创新性、外观造型、宜人性、环保性等因素愈来愈受到重视，在竞争中占据突出地位.

　　这种趋势促使企业在着手进行新产品开发时把面向产品的创新性、外观造型、人机工程等的设计提到一个新的高度，从而也迫切要求对工业设计的研究能有进一步的突破，以提高企业形象、产品设计水平和市场竞争力.

　　正因如此，对于工业设计领域的研究逐渐受到了国内外学者的关注.特别是近几年来，随着计算机软硬件技术的日新月异，计算机图形学、计算机辅助设计、多媒体、虚拟现实等技术的发展和CAD/CAM应用的逐步深入，现代工业设计理论与方法的研究有了长足的进步，计算机辅助工业设计（Computer Aided Industrial Design，CAID）技术已成为CAD/CAM、先进制造与自动化技术领域的研究热点.

2　计算机辅助工业设计内涵

2.1　CAID基本内涵

　　计算机辅助工业设计——CAID，即在计算机及其相应的计算机辅助工业设计系统的支持下，进行工业设计领域的各类创造性活动.它是以计算机技术为支柱的信息时代环境下的产物.与传统的工业设计相比，CAID在设计方法、设计过程、设计质量和效率等各方面都发生了质的变化.

　　计算机辅助工业设计技术，是计算机辅助工业设计系统的内部支撑技术.由于工业设计是一门综合性的交叉性学科，涉及到诸多学科领域，因而计算机辅助工业设计技术也涉及到了CAD技术、人工智能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、优化技术、模糊技术、人机工程学等信息技术领域.广义上，CAID是CAD的一个分支，许多CAD领域的方法和技术都可加以借鉴和引用.

2.2　CAID与创新设计

　　创新是工业设计的灵魂. 以知识为基础的产品创新竞争是21世纪初全球制造业竞争的核心.一个新产品在功能、原理、布局、形状、结构、人机、色彩、材质、工艺等任一方面的创新，都会直接影响产品的整体特性，影响产品的最终质量和市场竞争力.

　　当前，关于产品创新原理、创新设计技术等的研究已成为CAD、CIMS领域的一个研究焦点.创新设计是CAID研究的一项重要内容.只有在创新设计的研究上取得突破性进展，才能使CAID的研究迈上一个更高的台阶.

3　计算机辅助工业设计技术发展状况

　　当前，国内外CAID的研究主要集中在计算机辅助造型技术、CAID中的人机交互技术、智能技术以及新兴技术的应用研究等方面.以下分别对这4个方面作一综述，并介绍当前一些著名的CAD/CAM/CAPP商品化软件中的工业设计模块.

3.1　计算机辅助造型技术的研究

　　计算机辅助造型技术经过20多年的探索，已发展到特征造型和参数化、变量化设计阶段，为实体模型向产品模型的转化铺平了道路.同时，CIMS、并行工程、虚拟制造等设计制造模式的发展，使得产品模型必须实现全生命周期中的信息共享、各种模型数据的转换和网络传输等问题.这些都对计算机辅助造型技术提出了更高的要求.

　　在CAID技术领域，计算机辅助造型技术的研究主要体现在造型的自由曲面设计和草图设计等方面.

　　● 自由曲面设计

　　产品外形自由曲面设计的研究是CAID的一个重要内容.采用曲面特征设计［1，2］（Surface Feature Design）是自由曲面设计的一个重要发展.曲面特征设计包括了3部分，即基本表面、移动特征和串通图形.

　　● 草图设计

　　草图设计技术是随着实体造型技术的发展，为满足工业设计师传统的手绘习惯而发展起来的造型技术.它是用来弥补传统CAD系统与工业设计之间鸿沟［3］的有效手段.该技术的重点在于2个方面：一是设计过程中的人机交互技术，即设计系统如何有效地模拟设计手绘；二是草图重建技术.当前，国内外已建立了一些基于草图的CAD系统［4-6］.

3.2　CAID中人机交互技术的研究

　　人机工程技术研究的真正兴起、并有组织地进行仅为数十年的历史.当前，人体标准数据库、三维人体模型以及一些人机设计系统、评估系统已得到广泛应用.在CAID技术领域，人机交互技术的研究主要体现在人机界面技术和虚拟仿真技术等方面.

　　● 人机界面技术

　　随着计算机技术尤其是多媒体、虚拟现实等技术的发展，人机交互的界面已发生了巨大变化.当前，人机界面模型［7］、虚拟界面［8］、多用户界面［9］、多感官界面［10］是人机界面技术的几个重要研究方向.

　　● 虚拟仿真技术

　　通过计算机软硬件系统的虚拟仿真，可以有效地进行人机关系的设计、评估、检验等工作.当前，虚拟仿真技术的研究主要体现在触觉反馈［11］、压力反馈［12］等基础技术以及人机交互的模拟［13］、人机虚拟环境［14］的构建等方面.

3.3　CAID中智能技术的研究

　　当前，智能CAD［15］ 、智能设计［16］已有相当程度的发展.集成化智能设计系统（I2CAD），可对设计全过程提供一体化的计算机支持.在工业设计中，由于其涉及到创造性设计思维以及频繁的人机交互，尤其需要人工智能技术的辅助.

　　● 创造性设计思维

　　设计活动是一个创造性设计思维的过程，在工业设计过程，设计师将其构想快速转化为草图的过程是一种相当复杂的行为.这一过程被称为观念作用阶段［17］（ideation stage）.

　　不少学者针对设计师的创造性设计思维［18］，设计知识［19］的表达，对观念作用阶段［20］进行了研究，并结合草图设计，提出了自己的见解.

　　● 设计文法

　　设计文法是从设计方法学的角度，对物体的造型、色彩、形状等构成要素及其生成原理进行提炼、抽象而形成的形式化描述方法.它是实现计算机辅助智能设计系统的基础之一.

　　当前，工业设计界学者提出的设计文法主要包括造型文法［21］、色彩文法［22］、形状文法［23，24］、造型转换文法［25］等.

　　● 创新设计

　　在创新设计过程中，设计师的创造性思维、设计经验以及领域知识等内容处于相当重要的地位.因而，不少学者从人工智能角度出发，进行产品创新技术的研究.当前，主要体现在对产品创新原理［26］、创新过程的描述模型［27］和计算模型［28，29］等建模技术的研究上.

3.4　CAID中高新技术的应用研究

　　当前，虚拟现实、神经网络、遗传算法等新兴技术以及并行设计、协同设计等设计方法是广大学者研究的热点.将这些技术引入CAID领域，并结合传统的优化设计、模糊技术、智能技术等技术，来进行CAID的研究也逐渐受到学者的关注.

　　● 面向并行、协同的工业设计

　　并行设计、协同设计是现代设计的发展趋势之一.在工业设计领域特别是产品设计，也必须研究产品功能、原理、布局、形态等各方面之间的并行设计和协同设计机制.一些学者从并行工程的角度，对并行环境下的设计过程和设计策略［30，31］以及面向并行工程的造型设计技术［32］进行了深入探讨.

　　一些学者从CSCW的思想出发，分析了协同设计过程中的各种角色［33］ ，提出了工程设计与工业设计的协同工作模型［34］ ，同时分析了协同设计中人的作用［35］.

　　● 基于VR的产品设计

　　当前，虚拟设计、敏捷设计已有了很大程度的发展.在产品设计领域，虚拟现实技术同样也受到了众多学者的关注，他们将VR技术引入形状设计［8］、结构设计［36］等过程，并开发出一些基于VR的设计系统如3-DRAW［37］、JDCAD［38］、COVIRDS［39］等.

　　● 绿色设计

　　绿色设计［40，41］（Green Design）是当前备受关注的一个产品方向，它与工程设计界提出的全生命周期工程设计［42］（Life Cycle Engineer Design，简称LCED）在本质上是一致的.

　　绿色设计的关键技术有面向再生（Design For Recycling, DFR）的设计技术、面向装配（Design For Disassembly, DFD）的设计技术、面向生命周期（Life Cycle Assessment, LCA）的评估等等.

3.5　商品化软件中的工业设计模块

　　当前，世界上大型的CAD/CAM/CAE软件系统，如Pro/Engineer、EDS Unigraphics、EUCLID、Autodesk、SolidWorks等都提供了有关产品早期设计的系统模块，它们称之为工业设计模块、概念设计模块或草图设计模块.

　　● Pro/Engineer

　　Pro/Engineer包含一个工业设计模块——Pro/Design，用于支持自上而下的投影设计，以及在复杂产品的设计中所包含的许多复杂任务的自动设计.此模块工具包括产品设计的二维非参数化装配布局编辑器，用于概念分析的二维参数模型的布局以及用于组件的三维布局编辑器.

　　● EDS Unigraphics

　　EDS Unigraphics 从V13版本后推出了概念设计WAVE （What-if Alternative Value Engineering）技术.它为协同概念设计提供了强大的技术支持.使得不同部门的工程师在设计早期阶段，就可站在系统工程的角度，同时针对多种可选的设计方案进行评估.通过将设计意图组织到一个相关控制结构（associative control structure）中去，可使设计师十分有效地控制各种设计变更.此外，WAVE也支持“概念设计到详细设计工程”（concept-to-detail engineering），即先作出设计决策，然后设计细节.

4　计算机辅助工业设计技术发展趋势

4.1　现代工业设计的发展方向

　　当今任何一个国家，若其要在综合国力上取得优势地位，就必须在科学技术上取得优势，尤其要在高新技术产品的创新设计与开发能力上取得优势.否则，在强大的国际竞争压力下将难以生存，难以发展.

　　以产品设计为核心的现代工业设计是跨越21世纪的设计.其发展方向应与产品设计制造的整体发展趋势保持一致，并在如下3个方面作出贡献：

　　①在创造性、发明性的探索性设计和创新性设计方面，要充分利用科技新成果，发挥设计师的最大潜能，以实现标新立异的设计创新；

　　②在以信息技术为代表的高科技应用方面，要充分利用各种新兴技术、新型材料、新式能源，并结合市场需求，以实现世界的又一次“工业大革命”；

　　③在工业设计与工程设计的一致性方面，要充分协调好设计的功能和形式2个方面的关系，使两者逐步走向融合，最终实现以人为核心、人机一体化的智能集成设计体系.

4.2　CAID有待解决的关键技术问题

　　与建筑、机械等其它CAD技术相比，CAID技术的研究进展相对迟缓.客观上主要是因为工业设计的综合性和复杂性.CAID存在的主要关键技术问题可归纳如下：

　　①现代设计方法学的研究.立足于现代工业设计的发展方向，从设计对象自身出发，用类似的、精确的方法对定性的设计过程及设计方法进行研究，以奠定CAID的理论基础;

　　②创新设计技术的研究.研究设计思维过程和计算机支持下的设计过程遵循的原则和规范；探讨各类创新技法，深入研究创新设计的原理、方法和技术;

　　③设计过程中的智能技术研究.研究设计过程及其评价过程中的智能支持技术；研究面向工业设计的智能支持系统;

　　④设计过程中并行、协同、全生命周期设计技术研究.研究设计过程中考虑制造、成本等因素的并行设计技术；研究设计过程中不同或相同领域的设计师之间的协同设计技术；研究面向全生命周期的绿色设计技术;

　　⑤设计过程中的人机交互技术研究.在传统交互手段的基础上，研究在VR等新兴技术支持下的人机交互技术.

4.3　CAID的发展趋势

　　从工业设计的本身角度看，随着CAD、人工智能、多媒体、虚拟现实等技术的进一步发展，使得对设计过程必然有更深的认识，对设计思维的模拟必将达到新的境界.CAID将使工业设计朝着多元化、优化、一体化的方向发展，人机交互方式更加自然，创新设计的手段更为先进、有效.

　　从整个产品设计与制造的发展趋势看，并行设计、协同设计、智能设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产品设计模式的发展方向.随着技术的进一步发展，产品设计模式在信息化的基础上，必然朝着数字化、集成化、网络化、智能化的方向发展.计算机辅助下的工业设计的发展趋势则必然与上述发展趋势相一致，最终建立统一的设计支撑模型.工业设计师与工程设计师逐步融合，走向统一化.