約束驅動的產品形態概念設計智能優化模型研究

王偉偉 余隋懷 楊剛俊 楊延璞

西北工業大學，西安，710021

0 引言

制造技術和信息技術的迅速發展，以及市場競爭的日趨白熱化，使新產品的開發與設計正在發生轉變。傳統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，新產品概念設計所受的約束條件越來越多，新產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化。但傳統的產品開發模式，決定了設計優化過程過度依賴于設計師的經驗，存在不確定性，往往一個或幾個設計師就可影響這個企業的產品開發策略。另外，在這種模式下設計師的更迭更是制約了企業的產品策略。

近年來，針對概念設計優化方面的研究主要集中在軟件工程、相關算法和產品結構設計方面，對產品概念設計優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品概念設計優化的設計思想;文獻［6］提出了一種滾切剪切機構優化設計系統;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化問題。但是，以往的研究很少涉及產品形態概念設計智能優化方法和技術，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品外觀設計的質量和效率。

本文提出一種約束驅動的產品概念設計智能優化模型，用以匹配產品形態概念設計中的方案優化問題。通過分析產品形態概念設計特點，提出了約束驅動的產品形態概念設計優化方法，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概念設計優化對該方法進行了驗證。

1 基本概念

1． 1 產品概念設計約束

產品形態概念設計作為產品設計程序中的孕育階段，既需要協調產品的物質功能結構，又需要綜合考量產品的精神美學功能，還需要處理好產品與用戶、與企業、與社會、與環境之間的復雜關系。因此產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品概念設計的約束。產品概念設計從本質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 約束驅動優化

約束驅動優化是指在對新產品形態概念的局部或整體進行優化的過程中，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優化，作為進一步設計的參考原型。約束驅動優化替代原有的經驗論，從而使優化過程顯得更加科學、客觀。產品設計約束即指產品開發設計的原始條件，如功能約束、結構約束、流行趨勢約束、產品識別約束等。

現階段對于約束驅動建模的研究多集中于人機接觸面方面和機構優化設計方面。基于能量約束的曲面設計方法最早出現于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化的研究目標主要集中在對曲面的連續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化的概念，但還未形成系統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品族設計進行的研究，就是將產品家族識別因子作為產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與產品曲面形態的相似性和人機接觸壓力的能量優化曲面形態設計方法，并取得了一定的成果。

1． 3 約束驅動優化法原理

假設在設計優化的過程中，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 優化法則

也就是說，A經過B的作用后變為C。這也可以表示為 cij=aij+ αbij，其中aij∈A，bij∈B，cij∈C，α為優化因子。

這種情況較常見于現在的設計程序中［14］。比如在產品樣機試制前，會進行專門的產品結構設計優化與論證。

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

圖2 數碼相機機身曲線優化示意

2 約束驅動的概念設計優化法模型框架

本研究主要通過對產品進行關鍵線條的繪制，并對關鍵線條進行約束驅動運算，通過對關鍵線條的優化來實現對整個產品的優化。

圖3 研究框架

主要研究框架如圖3所示。首先根據目標產品的設計特點，通過設計團隊的團體決策，確定決定產品外形的關鍵曲線，根據關鍵曲線對形態概念設計草案進行曲線繪制，得到形態概念設計的曲線模型，并對每條曲線進行編碼。其次，根據確定的約束從相應的約束知識庫中調用約束模型，在此基礎上依據形態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，根據領先用戶、設計、產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動計算和優化，得到優化后的產品形態概念設計曲線模型，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實體模型，從而得到比較理想的產品形態概念設計方案。

3 約束驅動下的設計曲線優化模型

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

圖4 設計曲線優化流程

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，其中等分點的數量根據?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，產品的家族識別對產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量調用目標曲線的對應數值。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條驅動曲線上的第j+1個對應點。

3．2 定義約束優化隸屬程度

約束優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化的關鍵步驟之一，關系著最終結果的可信度。約束優化隸屬函數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，會對優化結果產生較大的影響。

3．3 約束驅動計算

首先計算目標曲線與驅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條驅動曲線上的對應點。然后綜合考慮驅動方向進行分析，這時驅動變形可記為P0Pi。

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

設U=［u1u2… ui… uN］T，其中ui為約束曲線Gi的約束優化隸屬度。那么優化后的曲線為

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 實現約束驅動概念設計優化的支撐技術

4．1 產品關鍵線條的提取與編碼

在產品草案設計結束后會形成大量的設計方案，經過嚴格評估和篩選后，對重點方案進行設計優化。在選定的設計草圖上提取產品的主要特征線條并統一編碼，一般可以選擇形態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

為了實現對產品形態概念設計方案的約束驅動優化，需要統一的線條劃分和編碼規則，這樣才能解決驅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則。

表1 某品牌汽車鬼臉設計線條編碼原則

4．2 產品約束知識庫

產品約束知識庫是約束驅動計算的知識和數據的集合與管理平臺，包括約束技術知識庫、約束模型庫和專家系統。約束技術知識庫包括產品的設計資源、設計要求、產品的家族特征、標準及定制產品技術資料、設計管理的規范以及技術領域的經驗智慧等。約束模型庫主要是存放產品的主要約束模型，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專家知識、專業技術文獻、成熟設計實例、工程數據標準和人機工程數據標準等，同時也能實現快速的概念設計約束定位和約束優化。

4．3 軟件開發

軟件系統的實現可以采用Visual C++V6．0為開發環境，通過平臺的二次開發功能，采用COM組件化技術，在Windows環境下進行開發，使其具有很好的可移植性。組件開發可以采用基于ATL的組件開發模式來進行，數據的讀取與交換主要通過SolidWorks2006提供的API接口來實現，底層數據庫的構造采可以用Access數據庫來完成。

5 實例

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

5．1 優化定位

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品代表了現階段國際市場機場主力消防車的主流外形形態。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展方向。經過專家打分和智能計算，在新產品的形態概念設計中，以其形態作為市場域的主要約束因素。

(2)家族識別域。家族識別要能體現產品的家族設計特色，應具有鮮明的識別因子和設計DNA。一般選擇企業的主打產品。

(3)功能域。產品外在形態是產品內在功能實現的載體，功能域約束保證產品以最簡的外觀形態實現其全部功能。

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

根據市場調研和需求分析，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加工軟件，以優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

在質量和技術日益趨同的情況下，企業間的競爭已經由原先的質量和技術競爭逐漸轉變為設計的競爭。如何有效地組織企業產品的現有競爭優勢，并融入更多的時代因素和企業品牌因素，通過有效的設計手段來實現產品的快速設計，將成為企業品牌建設及企業發展的難題。而約束驅動產品形態概念設計優化無疑是解決這一問題的方法之一。

從工業設計出發，本文研究了約束驅動產品形態概念設計的智能優化模型，并以某機場消防車的概念設計為例進行了驗證，為產品開發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動算法;②研究曲面的約束驅動原理，使這一過程更加智能;③研究約束驅動概念設計優化的學習與推理機制，為進一步構建產品族快速設計平臺奠定基礎。

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