基于网络与VR技术的机电产品协同设计

     本文讨论了基于网络和VR技术的协同设计在机电产品设计过程中的重要作用，构造了这项技术的体系结构，指出了这一研究领域中关于MAS和应用集成技术等几个关键研究问题。

     协同设计和VR技术
    在机电产品的设计阶段，实现在计算机网络(Intranet, Internet)和虚拟现实(VR:Virtual Reality)环境下的协同设计(Collaborative Design)，对产品的外观造型、结构形式、运动形态和动、静态性能进行仿真分析和综合评价，以便尽早地发现并解决产品方案和结构设计，乃至制造和装配中存在的问题，可以大幅度缩短机电产品的开发周期，降低成本，提高设计与制造的质量。良好的协同设计环境，还可以使企业设计制造的各部门更好地协调一致工作，是我国机电制造业实现并行工程，达成产品的敏捷设计制造，增强市场竞争力的重要途径。

    复杂机电产品的设计，往往需要分布在不同部门和工作场所，具有不同专业知识背景的领域专家群组

相互合作才能完成。基于Web的计算机网络技术的发展，提供了一种能实现群组分布的机电设计专家异地协同求解复杂问题，合作完成产品设计的物质基础。而在网络环境下计算机支持的合作工作(CSCW)体现了信息时代人们工作方式的群体性、交互性、分布性和协调性的客观需求。因而，分布式协同设计(Distributed Collaborative Design)研究已成为国内外计算机工程应用研究中最为活跃的前沿方向之一，而协同设计环境的研究则被认为是当前CAD/CAM技术发展的一个重要趋势。

    虚拟现实技术是计算机仿真在更高级层次上的延伸与扩展，在VR环境下从事设计的技术称之为虚拟设计(VD-Virtual Design)技术。由于VR技术可以为用户提供逼真的感觉，包括三维视觉，立体听觉及触觉、嗅觉等，用户可以通过自然技能，如手摸、头转、身体姿势的调整等与计算机提供的虚拟世界进行交互作用，从而使人成为系统中集成的一部分，进入了沉浸、交互、构想(即著名的三个“I”：Immersion Interaction Imagination)的信息环境。因而，VD技术是在人机完美结合环境下的先进设计技术，它使设计者可以用各种方式表达和实现自己的设计意图，最大限度地充分发挥创造力和想象力，在一种丰富自然的多维信息环境中完成一项工程或一个产品的设计、修改、装配、测试和试用，从根本上改变产品设计的方式，使设计真正作为与产品的制造、装配乃至整个生命周期紧密联系在一起的“工程”，而不仅仅是产品生产的一个先行阶段融入企业的生产与营销活动。VD技术将广泛应用于快速设计与快速原型(RP)、面向装配的设计(DFA)、面向制造的设计(DFM)、产品设计进入市场的并行处理和人员培训及产品维护等领域，为工程设计带来革命性的进步。

    在机电产品制造业中，人们越来越认识到在产品开发生产周期中，产品概念形成与设计开发阶段对整个产品的生命周期和总成本的巨大影响。设计开发所占产品生产总时间和成本往往只有生产成本的10%，但其作用却常常要影响到产品生命周期总成本的70%。因而，在产品周期较前的阶段，对设计尽可能早的作出正确的决定和修改就具有重要意义。它可以大幅减少产品制造、装配和维护各个阶段因多次重复修正而产生的直接浪费和对交货期延误等的损失，使企业在围绕T(Time)、Q(Quality)、C(Cost)、S(Service)展开的激烈竞争中处于有利地位。基于网络和VR的协同设计技术，正是可以在机电产品概念形成到开发设计阶段，从专家群组合作工作的形式，到设计过程、执行方式等提供强有力的支持，真正实现CAD、CAE、CAM…(统称CAX)等的功能集成和新产品开发的过程集成，产生更大的经济效益。

    协同设计的实现环境与体系结构
    为了不断地改进企业的TQCS以增强产品的竞争力，机电产品制造业大量地采用了CAX等计算机辅助技术。如在我国的大中型企业中，一个企业往往既有基于UNIX平台的系统，如SGI、SUN、HP等图形工作站及I-deas、Pro/Engineer等CAD/CAM软件，也有在Windows/NT环境下运行的微机CAX系统，如AutoCAD、CADKEY等。此外，在企业的计算机上还大量地运行着企业自主开发的种类繁多的应用软件。经过多年的实用考验，这些应用系统功能日趋完善，已成为企业设计支撑技术的一部分

。企业对基于网络和VR技术的需求，在一般意义上来说，是在这种复杂的软、硬件异构环境下提出来的。鉴于此种认识，我们提出如图1所示协同设计的体系结构。
 

图1 基于网络和VR技术的协同设计体系结构

    图1中相互靠近的各线框之间若没有直线段连接，表示两线框所表示的功能之间主要是一种相互支持的关系。有直线段相连的线框则表示有比较直接的数据传递关系。 图1所示的体系结构，大致可以分为三个层次，每一层又由若干部分组成。首先是由设计群组、VR新型人机接口和协同设计控制过程组成的过程控制层。由于协同设计都是围绕着某一特定设计过程展开的，过程是核心的因素，它决定了设计群组的组成，参与成员的职责、权限、工具的使用和VR等设备资源的分配，过程也与设计数据的流向和数据的类型、来源有关。 第二个层次包括CAX等应用系统、异构软件工具接口、对象管理框架、中间件框架和虚拟环境(VE)产生器，可以统称为应用层。其中CAX系统既是用户输入数据的接收器，同时又是设计模型、设计数据输出器，它可以通过一个中性异构软件工具接口，采用面向对象技术，封装在对象管理框架中，也就

是所谓的功能软件“即插即用”。异构软件工具接口与对象管理框架之间的数据交换应是双向的，并能在VE产生器的支持下实现互操作。这一层次中，一个极其重要的部分是中间件框架(Middlewares Frame-works)。中间件框架主要完成两大类支撑功能：一是对设计数据处理的支持，包括技术与产品信息的管理、数据资源的分配及控制、数据的传输与共享、分布式数据库管理等，属于分布数据的管理与分布计算问题。二是对设计决策过程的协同与管理，包括设计结果的评判准则和评判方式、设计群组各类冲突的协调、个人意图和倾向的表示、设计结果的控制、行政管理与技术管理的协调等。这一类问题属于知识与智能的应用范畴，它不仅可在网络环境下为设计群组提供主动的过程控制和管理服务，而且可以协助设计者检索信息，在适当的时候，从适当的地方取到合用的设计资料。多智能Agent (MAS: Multi-Agent System)就是在网络分布计算环境下，运用人工智能原理支持信息处理的新兴技术。 第三个层次是网络支持软、硬件环境。包括分布异构的各种计算机硬件平台，由OS(UNIX、Windows/NT)，TCP/IP、ISDN等通讯协议，STEP、IGES等数据交换标准和CORBA等组成的软件系统以及Intranet(或Internet)网络环境。CORBA(Common Object Request Broker Architechture 通用对象请求中介体系结构)是国际组织对象管理集团OMG(Object Management Group)制定的标准，其目的是实现对象请求中介，让分布在网络上的标准软件组件相互调用，以支持异构分布式计算环境下的互操作性，解决信息集成问题。该标准的主要特点是实现软件总线结构，只要将应用模块按总线规范做成软插件，插入总线即可实现集成运行。美国IONA公司的Orbix是这一类面向对象技术的软件产品代表，SDRC公司的I-deas系统从MS 4.0版本开始就支持CORBA标准。

    MAS与VR技术在协同设计中的作用
    进入90年代，随着计算机网络和通信技术的发展，多智能Agent(MAS)的研究已成为分布式人工智能(DAI)研究的一个热点。由于MAS技术具有代理性(Agent)、智能性(Intelligence)、自主性(Autonomy)和机动性(Mobility)，可以在网络和分布设计计算环境中为用户提供“主动服务和代理”，并通过与其他智能Agent的合作与协商索取符合用户需求的可利用资源和服务。所以，利用智能Agent技术实现协同设计，是分布设计计算技术发展的一个重要方向。 由于MAS和VR技术是具有广泛参与面而且生机勃勃的研究领域，迄今，已有几个国际会议将其列为单独主题。但是，总的来看，由于MAS技术要对人的社会性智能进行研究，如对知识、信念、愿望、意图等概念的精确定义，对合作、协商、谈判、好与坏等带感情色彩的描述等都难于用符号方式进行表示和推理。在VR技术方面，随着头盔式显示器(HMD)等可视化设备、人体方位跟踪系统等VR专用硬件的陆续上市，VR技术在国外进入了一个快速发展时期。但是由于VR技术所需求的高性能计算机还不能以用户可接收的价格出现，而对于人脑思维和人体行为的基础研究还难以在短时突破，故VR技术还会有一个较长的发展时期。 显然，MAS和VR技术具有一定的共性，如两者都含有智能化的内涵和对人机关系的处理，前者研究在现代网络分布计算环境

下向人类提供智能化的信息导航、解惑、过滤、整理和发现等服务，解决在并行设计环境下的信息管理与资源利用，后者则重研究人机交互的界面和接口技术，改善设计意图的表达途径，提高设计信息的输入、输出效率。可以预见，智能Agent和VR技术的综合必将极大地扩大计算机技术的应用领域，而MAS和VR技术的综合应用，将对真正实现企业的并行工程产生巨大的推动作用，前景十分诱人。

    主要参考文献
    [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.of International Symposium on Globa Engineering Networking, April 22-44, 1997, Antwerp, Belgium, P235-244.
    [3] 汪成为, 高文, 王行仁, 灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用. 清华大学出版社. 1996.
    [4] 刘子建, 黄红武, 宗子安, 计算机辅助设计(CAD)原理及应用技术, 湖南大学出版社, 1997.