基于網(wǎng)絡與VR技術(shù)的機電產(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)在機電產(chǎn)品的設(shè)計階段，實現(xiàn)在計算機網(wǎng)絡(Intranet,Internet)和虛擬現(xiàn)實(VR:VirtualReality)環(huán)境下的協(xié)同設(shè)計(CollaborativeDesign),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)性能進行分析和綜合評價，以便盡早地發(fā)現(xiàn)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，可以大幅度縮短機電產(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，還可以使企業(yè)設(shè)計制造的各部門更好地協(xié)調(diào)一致工作，是我國機電制造業(yè)實現(xiàn)并行工程，達成產(chǎn)品的敏捷設(shè)計制造，增強市場競爭力的重要途徑。復雜機電產(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。基于Web勺計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，提供了一種能實現(xiàn)群組分布的機電設(shè)計專家異地協(xié)同求解復雜問題，合作完成產(chǎn)品設(shè)計的物質(zhì)基礎(chǔ)。而在網(wǎng)絡環(huán)境下計算機支持的合作工作(CSCW#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(DistributedCollaborativeDesign)研究已成為國內(nèi)外計算機工程應用研究中最為活躍的前沿方向之一，而協(xié)同設(shè)計環(huán)境的研究則被認為是當前/技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是計算機仿真在更高級層次上的延伸與擴展，在VR環(huán)境下從事設(shè)計的技術(shù)稱之為虛擬設(shè)計(VD-VirtualDesign)技術(shù)。由于VR技術(shù)可以為用戶提供逼真的感覺，包括三維視覺，立體聽覺及觸覺、嗅覺等，用戶可以通過自然技能，如手摸、頭轉(zhuǎn)、身體姿勢的調(diào)整等與計算機提供的虛擬世界進行交互作用，從而使人成為系統(tǒng)中集成的一部分，進入了沉浸、交互、構(gòu)想(即著名的三個“I”：ImmersionInteractionImagination)的信息環(huán)境。因而，VD技術(shù)是在人機完美結(jié)合環(huán)境下的先進設(shè)計技術(shù)，它使設(shè)計者可以用各種方式表達和實現(xiàn)自己的設(shè)計意圖，最大限度地充分發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，在一種豐富自然的多維信息環(huán)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，從根本上改變產(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)的一個先行階段融入企業(yè)的生產(chǎn)與營銷活動。VD技術(shù)將廣泛應用于快速設(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)計進入市場的并行處理和人員培訓及產(chǎn)品維護等領(lǐng)域，為工程設(shè)計帶來革命性的進步。在機電產(chǎn)品制造業(yè)中，人們越來越認識到在產(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)階段對整個產(chǎn)品的生命周期和總成本的巨大影響。設(shè)計開發(fā)所占產(chǎn)品生產(chǎn)總時間和成本往往只有生產(chǎn)成本的10%，但其作用卻常常要影響到產(chǎn)品生命周期總成本的70%。因而，在產(chǎn)品周期較前的階段，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。它可以大幅減少產(chǎn)品制造、裝配和維護各個階段因多次重復修正而產(chǎn)生的直接浪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?；诰W(wǎng)絡和VR的協(xié)同設(shè)計技術(shù)，正是可以在機電產(chǎn)品概念形成到開發(fā)設(shè)計階段，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)為了不斷地改進企業(yè)的TQCSA增強產(chǎn)品的競爭力，機電產(chǎn)品制造業(yè)大量地采用了CAXI?計算機輔助技術(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、SUNHP等圖形工作站及I-deas、Pro/Engineer等CAD/CAMC件，也有在Windows/NT環(huán)境下運行的微機CAXK統(tǒng)，如AutoCADCADKE等。止匕外，在企業(yè)的計算機上還大量地運行著企業(yè)自主開發(fā)的種類繁多的應用軟件。經(jīng)過多年的實用考驗，這些應用系統(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)絡和VR技術(shù)的需求，在一般意義上來說，是在這種復雜的軟、硬件異構(gòu)環(huán)境下提出來的。鑒于此種認識，我們提出如圖1所示協(xié)同設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)。圖1基于網(wǎng)絡和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主要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)大致可以分為三個層次，每一層又由若干部分組成。首先是由設(shè)計群組、VR新型人機接口和協(xié)同設(shè)計控制過程組成的過程控制層。由于協(xié)同設(shè)計都是圍繞著某一特定設(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、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?應用系統(tǒng)、異構(gòu)軟件工具接口、對象管理框架、中間件框架和虛擬環(huán)境(VE)產(chǎn)生器，可以統(tǒng)稱為應用層。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，它可以通過一個中性異構(gòu)軟件工具接口，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，封裝在對象管理框架中，也就是所謂的功能軟件“即插即用”。異構(gòu)軟件工具接口與對象管理框架之間的數(shù)據(jù)交換應是雙向的，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(MiddlewaresFrame-works)。中間件框架主要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)品信息的管理、數(shù)據(jù)資源的分配及控制、數(shù)據(jù)的傳輸與共享、分布式數(shù)據(jù)庫管理等，屬于分布數(shù)據(jù)的管理與分布計算問題。二是對設(shè)計決策過程的協(xié)同與管理，包括設(shè)計結(jié)果的評判準則和評判方式、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)果的控制、行政管理與技術(shù)管理的協(xié)調(diào)等。這一類問題屬于知識與智能的應用范疇，它不僅可在網(wǎng)絡環(huán)境下為設(shè)計群組提供主動的過程控制和管理服務，而且可以協(xié)助設(shè)計者檢索信息，在適當?shù)臅r候，從適當?shù)牡胤饺〉胶嫌玫脑O(shè)計資料。多智能Agent(MAS:Multi-AgentSystem)就是在網(wǎng)絡分布計算環(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)絡支持軟、硬件環(huán)境。包括分布異構(gòu)的各種計算機硬件平臺，由OS(UNIXWindows/NT),TCP/IP、ISDN等通訊協(xié)議，STEPIGES等數(shù)據(jù)交換標準和CORB序組成的軟件系統(tǒng)以及Intranet(或Internet)網(wǎng)絡環(huán)境。CORBA(CommoOnbjectRequestBrokerArchitechture通用對象請求中介體系結(jié)構(gòu))是國際組織對象管理集團OMG(ObjectManagementGroup)制定的標準，其目的是實現(xiàn)對象請求中介，讓分布在網(wǎng)絡上的標準軟件組件相互調(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。該標準的主要特點是實現(xiàn)軟件總線結(jié)構(gòu)，只要將應用模塊按總線規(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)ο蠹夹g(shù)的軟件產(chǎn)品代表，SDR蟲司的I-deas系統(tǒng)從MS4.0版本開始就支持CORB標準。MASWVR技術(shù)在協(xié)同設(shè)計中的作用進入90年代，隨著計算機網(wǎng)絡和通信技術(shù)的發(fā)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MA限術(shù)具有代理性(Agent)、智能性(Intelligence)、自主性(Autonomy)和機動性(Mobility)，可以在網(wǎng)絡和分布設(shè)計計算環(huán)境中為用戶提供“主動服務和代理”，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。所以，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)發(fā)展的一個重要方向。由于MA序口VR技術(shù)是具有廣泛參與面而且生機勃勃的研究領(lǐng)域，迄

今，已有幾個國際會議將其列為單獨主題。但是，總的來看，由于MA豉術(shù)要對人的社會性智能進行研究，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行表示和推理。在VR技術(shù)方面，隨著頭盔式顯示器（HMD痔可視化設(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)在國外進入了一個快速發(fā)展時期。但是由于VR技術(shù)所需求的高性能計算機還不能以用戶可接收的價格出現(xiàn)，而對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)還會有一個較長的發(fā)展時期。顯然，MAS口VR技術(shù)具有一定的共性，如兩者都含有智能化的內(nèi)涵和對人機關(guān)系的處理，前者研究在現(xiàn)代網(wǎng)絡分布計算環(huán)境下向人類提供智能化的信息導航、解惑、過濾、整理和發(fā)現(xiàn)等服務，解決在并行設(shè)計環(huán)境下的信息管理與資源利用，后者則重研究人機交互的界面和接口技術(shù)，改善設(shè)計意圖的表達途徑，提高設(shè)計信息的輸入、輸出效率?？梢灶A見，智能Agent和VR技術(shù)的綜合必將極大地擴大計算機技術(shù)的應用領(lǐng)域，而MA序口VR技術(shù)的綜合應用，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。主要參考文獻inadistributedMaturanaF.P.,NorrieD.H.,Multi-agentco-ordinationusingdynamicvirtualclustering

inadistributedmanufacturingsystem,IndustrialEngineeringmanufacturingsystem,IndustrialEngineeringResearch-ConferenceProceedings1996.IIE,Norcross,GA,USA.P473-478.HolgerKress,NetworkedCollaborationinDistr