1、基于網(wǎng)絡(luò)與VR技術(shù)的機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計作者：劉子建 張建華 盛曉敏協(xié)同設(shè)計和VR技術(shù) 在機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計時期，實現(xiàn)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(Intranet, Internet)和虛擬現(xiàn)實(VR:Virtual Reality)環(huán)境下的協(xié)同設(shè)計(Collaborative Design)，對產(chǎn)品的外觀造型、結(jié)構(gòu)形式、運動形態(tài)和動、靜態(tài)性能進(jìn)行分析和綜合評價，以便盡早地發(fā)覺并解決產(chǎn)品方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計，乃至制造和裝配中存在的問題，能夠大幅度縮短機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低成本，提高設(shè)計與制造的質(zhì)量。良好的協(xié)同設(shè)計環(huán)境，還能夠使企業(yè)設(shè)計制造的各部門更好地協(xié)調(diào)一致工作，是我國機(jī)電制造業(yè)實現(xiàn)并行工程，達(dá)成產(chǎn)品的敏捷設(shè)計制造，

2、增強(qiáng)市場競爭力的重要途徑。 復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計，往往需要分布在不同部門和工作場所，具有不同專業(yè)知識背景的領(lǐng)域?qū)＜胰航M相互合作才能完成?；赪eb的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)展，提供了一種能實現(xiàn)群組分布的機(jī)電設(shè)計專家異地協(xié)同求解復(fù)雜問題，合作完成產(chǎn)品設(shè)計的物質(zhì)基礎(chǔ)。而在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計算機(jī)支持的合作工作(CSCW)體現(xiàn)了信息時代人們工作方式的群體性、交互性、分布性和協(xié)調(diào)性的客觀需求。因而，分布式協(xié)同設(shè)計(Distributed Collaborative Design)研究已成為國內(nèi)外計算機(jī)工程應(yīng)用研究中最為活躍的前沿方向之一，而協(xié)同設(shè)計環(huán)境的研究則被認(rèn)為是當(dāng)前/技術(shù)進(jìn)展的一個重要趨勢。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是計算

3、機(jī)仿真在更高級層次上的延伸與擴(kuò)展，在VR環(huán)境下從事設(shè)計的技術(shù)稱之為虛擬設(shè)計(VD-Virtual Design)技術(shù)。由于VR技術(shù)能夠為用戶提供逼確實感受，包括三維視覺，立體聽覺及觸覺、嗅覺等，用戶能夠通過自然技能，如手摸、頭轉(zhuǎn)、軀體姿勢的調(diào)整等與計算機(jī)提供的虛擬世界進(jìn)行交互作用，從而使人成為系統(tǒng)中集成的一部分，進(jìn)入了沉醉、交互、構(gòu)想(即聞名的三個“I”：Immersion Interaction Imagination)的信息環(huán)境。因而，VD技術(shù)是在人機(jī)完美結(jié)合環(huán)境下的先進(jìn)設(shè)計技術(shù)，它使設(shè)計者能夠用各種方式表達(dá)和實現(xiàn)自己的設(shè)計意圖，最大限度地充分發(fā)揮制造力和想象力，在一種豐富自然的多維信息環(huán)

4、境中完成一項工程或一個產(chǎn)品的設(shè)計、修改、裝配、測試和試用，從全然上改變產(chǎn)品設(shè)計的方式，使設(shè)計真正作為與產(chǎn)品的制造、裝配乃至整個生命周期緊密聯(lián)系在一起的“工程”，而不僅僅是產(chǎn)品生產(chǎn)的一個先行時期融入企業(yè)的生產(chǎn)與營銷活動。VD技術(shù)將廣泛應(yīng)用于快速設(shè)計與快速原型(RP)、面向裝配的設(shè)計(DFA)、面向制造的設(shè)計(DFM)、產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)入市場的并行處理和人員培訓(xùn)及產(chǎn)品維護(hù)等領(lǐng)域，為工程設(shè)計帶來革命性的進(jìn)步。 在機(jī)電產(chǎn)品制造業(yè)中，人們越來越認(rèn)識到在產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)周期中，產(chǎn)品概念形成與設(shè)計開發(fā)時期對整個產(chǎn)品的生命周期和總成本的巨大阻礙。設(shè)計開發(fā)所占產(chǎn)品生產(chǎn)總時刻和成本往往只有生產(chǎn)成本的10%，但其作用卻常常要

5、阻礙到產(chǎn)品生命周期總成本的70%。因而，在產(chǎn)品周期較前的時期，對設(shè)計盡可能早的作出正確的決定和修改就具有重要意義。它能夠大幅減少產(chǎn)品制造、裝配和維護(hù)各個時期因多次重復(fù)修正而產(chǎn)生的直接白費和對交貨期延誤等的損失，使企業(yè)在圍繞T(Time)、Q(Quality)、C(Cost)、S(Service)展開的激烈競爭中處于有利地位。基于網(wǎng)絡(luò)和VR的協(xié)同設(shè)計技術(shù)，正是能夠在機(jī)電產(chǎn)品概念形成到開發(fā)設(shè)計時期，從專家群組合作工作的形式，到設(shè)計過程、執(zhí)行方式等提供強(qiáng)有力的支持，真正實現(xiàn)CAD、CAM(統(tǒng)稱CAX)等的功能集成和新產(chǎn)品開發(fā)的過程集成，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。 協(xié)同設(shè)計的實現(xiàn)環(huán)境與體系結(jié)構(gòu) 為了不斷地改

6、進(jìn)企業(yè)的TQCS以增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力，機(jī)電產(chǎn)品制造業(yè)大量地采納了CAX等計算機(jī)輔助技術(shù)。如在我國的大中型企業(yè)中，一個企業(yè)往往既有基于UNIX平臺的系統(tǒng)，如SGI、SUN、HP等圖形工作站及I-deas、Pro/Engineer等CAD/CAM軟件，也有在Windows/NT環(huán)境下運行的微機(jī)CAX系統(tǒng)，如AutoCAD、CADKEY等。此外，在企業(yè)的計算機(jī)上還大量地運行著企業(yè)自主開發(fā)的種類繁多的應(yīng)用軟件。通過多年的有用考驗，這些應(yīng)用系統(tǒng)功能日趨完善，已成為企業(yè)設(shè)計支撐技術(shù)的一部分。企業(yè)對基于網(wǎng)絡(luò)和VR技術(shù)的需求，在一般意義上來講，是在這種復(fù)雜的軟、硬件異構(gòu)環(huán)境下提出來的。鑒于此種認(rèn)識，我們提出如圖

7、1所示協(xié)同設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)。 圖1 基于網(wǎng)絡(luò)和VR技術(shù)的協(xié)同設(shè)計體系結(jié)構(gòu)中相互靠近的各線框之間若沒有直線段連接，表示兩線框所表示的功能之間要緊是一種相互支持的關(guān)系。有直線段相連的線框則表示有比較直接的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系。 體系結(jié)構(gòu)大致能夠分為三個層次，每一層又由若干部分組成。 首先是由設(shè)計群組、VR新型人機(jī)接口和協(xié)同設(shè)計操縱過程組成的過程操縱層。由于協(xié)同設(shè)計差不多上圍繞著某一特定設(shè)計過程展開的，過程是核心的因素，它決定了設(shè)計群組的組成，參與成員的職責(zé)、權(quán)限、工具的使用和VR等設(shè)備資源的分配，過程也與設(shè)計數(shù)據(jù)的流向和數(shù)據(jù)的類型、來源有關(guān)。 第二個層次包括CAX等應(yīng)用系統(tǒng)、異構(gòu)軟件工具接口、對象治理框架、

8、中間件框架和虛擬環(huán)境(VE)產(chǎn)生器，能夠統(tǒng)稱為應(yīng)用層。其中CAX系統(tǒng)既是用戶輸入數(shù)據(jù)的接收器，同時又是設(shè)計模型、設(shè)計數(shù)據(jù)輸出器，它能夠通過一個中性異構(gòu)軟件工具接口，采納面向?qū)ο蠹夹g(shù)，封裝在對象治理框架中，也確實是所謂的功能軟件“即插即用”。異構(gòu)軟件工具接口與對象治理框架之間的數(shù)據(jù)交換應(yīng)是雙向的，并能在VE產(chǎn)生器的支持下實現(xiàn)互操作。這一層次中，一個極其重要的部分是中間件框架(Middlewares Frame-works)。中間件框架要緊完成兩大類支撐功能：一是對設(shè)計數(shù)據(jù)處理的支持，包括技術(shù)與產(chǎn)品信息的治理、數(shù)據(jù)資源的分配及操縱、數(shù)據(jù)的傳輸與共享、分布式數(shù)據(jù)庫治理等，屬于分布數(shù)據(jù)的治理與分布計算

9、問題。二是對設(shè)計決策過程的協(xié)同與治理，包括設(shè)計結(jié)果的評判準(zhǔn)則和評判方式、設(shè)計群組各類沖突的協(xié)調(diào)、個人意圖和傾向的表示、設(shè)計結(jié)果的操縱、行政治理與技術(shù)治理的協(xié)調(diào)等。這一類問題屬于知識與智能的應(yīng)用范疇，它不僅可在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為設(shè)計群組提供主動的過程操縱和治理服務(wù)，而且能夠協(xié)助設(shè)計者檢索信息，在適當(dāng)?shù)臅r候，從適當(dāng)?shù)牡攸c取到合用的設(shè)計資料。多智能Agent (MAS: Multi-Agent System)確實是在網(wǎng)絡(luò)分布計算環(huán)境下，運用人工智能原理支持信息處理的新興技術(shù)。 第三個層次是網(wǎng)絡(luò)支持軟、硬件環(huán)境。包括分布異構(gòu)的各種計算機(jī)硬件平臺，由OS(UNIX、Windows/NT)，TCP/IP、ISD

10、N等通訊協(xié)議，STEP、IGES等數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)和CORBA等組成的軟件系統(tǒng)以及Intranet(或Internet)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。CORBA(Common Object Request Broker Architechture 通用對象請求中介體系結(jié)構(gòu))是國際組織對象治理集團(tuán)OMG(Object Management Group)制定的標(biāo)準(zhǔn)，其目的是實現(xiàn)對象請求中介，讓分布在網(wǎng)絡(luò)上的標(biāo)準(zhǔn)軟件組件相互調(diào)用，以支持異構(gòu)分布式計算環(huán)境下的互操作性，解決信息集成問題。該標(biāo)準(zhǔn)的要緊特點是實現(xiàn)軟件總線結(jié)構(gòu)，只要將應(yīng)用模塊按總線規(guī)范做成軟插件，插入總線即可實現(xiàn)集成運行。美國IONA公司的Orbix是這一類面向?qū)?/p>

11、象技術(shù)的軟件產(chǎn)品代表，SDRC公司的I-deas系統(tǒng)從MS 4.0版本開始就支持CORBA標(biāo)準(zhǔn)。 MAS與VR技術(shù)在協(xié)同設(shè)計中的作用 進(jìn)入90年代，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的進(jìn)展，多智能Agent(MAS)的研究已成為分布式人工智能(DAI)研究的一個熱點。由于MAS技術(shù)具有代理性(Agent)、智能性(Intelligence)、自主性(Autonomy)和機(jī)動性(Mobility)，能夠在網(wǎng)絡(luò)和分布設(shè)計計算環(huán)境中為用戶提供“主動服務(wù)和代理”，并通過與其他智能Agent的合作與協(xié)商索取符合用戶需求的可利用資源和服務(wù)。因此，利用智能Agent技術(shù)實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計，是分布設(shè)計計算技術(shù)進(jìn)展的一個重要方

12、向。 由于MAS和VR技術(shù)是具有廣泛參與面而且生機(jī)勃勃的研究領(lǐng)域，迄今，已有幾個國際會議將其列為單獨主題。然而，總的來看，由于MAS技術(shù)要對人的社會性智能進(jìn)行研究，如對知識、信念、愿望、意圖等概念的精確定義，對合作、協(xié)商、談判、好與壞等帶感情色彩的描述等都難于用符號方式進(jìn)行表示和推理。在VR技術(shù)方面，隨著頭盔式顯示器(HMD)等可視化設(shè)備、人體方位跟蹤系統(tǒng)等VR專用硬件的陸續(xù)上市，VR技術(shù)在國外進(jìn)入了一個快速進(jìn)展時期。然而由于VR技術(shù)所需求的高性能計算機(jī)還不能以用戶可接收的價格出現(xiàn)，而關(guān)于人腦思維和人體行為的基礎(chǔ)研究還難以在短時突破，故VR技術(shù)還會有一個較長的進(jìn)展時期。 顯然，MAS和VR技術(shù)

13、具有一定的共性，如兩者都含有智能化的內(nèi)涵和對人機(jī)關(guān)系的處理，前者研究在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分布計算環(huán)境下向人類提供智能化的信息導(dǎo)航、解惑、過濾、整理和發(fā)覺等服務(wù)，解決在并行設(shè)計環(huán)境下的信息治理與資源利用，后者則重研究人機(jī)交互的界面和接口技術(shù)，改善設(shè)計意圖的表達(dá)途徑，提高設(shè)計信息的輸入、輸出效率。 能夠預(yù)見，智能Agent和VR技術(shù)的綜合必將極大地擴(kuò)大計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，而MAS和VR技術(shù)的綜合應(yīng)用，將對真正實現(xiàn)企業(yè)的并行工程產(chǎn)生巨大的推動作用，前景十分誘人。 要緊參考文獻(xiàn) 1 Maturana F. P., Norrie D.H., Multi-agent co-ordination using dynamic virtual clustering in a distributed manufacturing system, Industrial Engineering Research-Conference Proceedings 1996. IIE, Norcross, GA, USA. P473-478. 2 Holger Kress, Networked Collaboration in Distributed Design Teams. Proc