產(chǎn)品設計過程中非模型信息管理方法與管理系統(tǒng)

梁中凱，李 貴，劉耀東

（1. 武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北武漢430081；2. 武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北武漢430081）

根據(jù)《中國制造2025》要求，制造業(yè)需實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，而實現(xiàn)這一目標的前提是必須具有處理大量信息、不完整信息與錯誤信息的能力［1］。任何產(chǎn)品都始于設計，包括方案設計、總體設計、零件設計、改進設計以及審核校驗等。產(chǎn)品設計期間會產(chǎn)生大量的信息，包括模型信息和非模型信息。非模型信息來源復雜，類型與產(chǎn)生時間無規(guī)律可循，如設計人員在產(chǎn)品設計各個環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生一些新的設計靈感、思路或聯(lián)想到某些經(jīng)驗，這些信息存在于設計人員的大腦，具有極其重要的價值。已有研究發(fā)現(xiàn)，大部分設計靈感、思路來自于設計人員長期的信息積累［2］，另外，信息也是企業(yè)培養(yǎng)新型人才的重要培訓資源。然而在實際生產(chǎn)中，大多數(shù)企業(yè)并沒有一種合適的方法和管理體系供設計人員實時記錄和管理信息。

隨著產(chǎn)品設計過程中信息化程度的不斷提高，信息管理受到了越來越多學者的關(guān)注。葉曉峰等［3］建立了能夠管理標準件模型信息的標準件知識數(shù)據(jù)庫。孫兆洋等［4］提出了設計思考過程模型，以記錄產(chǎn)品設計意圖。李英杰等［5］建立了模具設計知識管理系統(tǒng)的運行模型，該模型側(cè)重于客戶與設計人員之間的信息交互。徐江等［6］提出了多維設計認知模型，用于處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。王勇等［7］開發(fā)了面向模具企業(yè)的PDM（product data management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）系統(tǒng)，該系統(tǒng)已成為模型數(shù)據(jù)的重要管理系統(tǒng)。張應中等［8］提出了語義表達模型，該模型在一定程度上能充分記錄和管理產(chǎn)品的非模型數(shù)據(jù)信息。肖小亭等［9］開發(fā)了大型注塑模設計知識管理系統(tǒng)軟件，該軟件提供了大型注塑模產(chǎn)品的信息管理方法。Wu等［10］提出了基于本體標注的仿真數(shù)據(jù)管理方法，該方法適用于產(chǎn)品設計過程中各類文件的管理。另外，針對產(chǎn)品設計過程中的非模型信息，目前的主要研究方法有語意差異法（semantic differential method）［11］、情感設計（emotional design）［12］、感性工學（kansei engineering）［13］等。

上述文獻中的管理方法和管理系統(tǒng)在一定程度上能夠管理產(chǎn)品的某一部分信息，但大多數(shù)方法并沒有被機械行業(yè)普遍接納和采用。究其原因，還是這些方法的功能不夠完善，且操作流程過于復雜，沒有充分考慮到實際應用背景。在實際生產(chǎn)中，對于不同產(chǎn)品的設計人員而言，他們需要的信息是不一樣的。因此，在管理產(chǎn)品的數(shù)據(jù)信息時，既要使信息分類，方便不同設計人員處理各自所需信息，又不能使各部分信息完全孤立，形成信息孤島。本文在已有研究的基礎上，充分考慮設計人員與產(chǎn)品信息之間的緊密聯(lián)系，并賦予設計人員在信息管理中的基礎性作用，提出了一種面向設計人員的即時非模型信息管理方法，該方法是采用多樣化信息載體直觀反映模型信息與非模型信息，具有極好的通用性，充分體現(xiàn)設計過程中以人為本的設計思維［14］。

1 產(chǎn)品的非模型信息分析

在產(chǎn)品設計周期內(nèi)，信息表現(xiàn)為語言、文字、數(shù)字、圖像和符號等形式，它具有依附性和價值相對性。按設計流程、設計人員以及數(shù)據(jù)類型將信息劃分為不同類型，可充分體現(xiàn)信息的這兩大特性。按設計流程分，可將信息分為各個設計流程的階段信息；按數(shù)據(jù)類型分，可將信息分為模型信息與非模型信息，其中非模型信息既包括設計人員對產(chǎn)品的感性認知，又包括難以進行參數(shù)化表達的幾何信息。非模型信息與設計人員直接相關(guān)，受到個人能力以及所處環(huán)境等條件的影響，是設計過程中最為活躍的因素，其管理是信息管理過程中的難點。圖1列舉了產(chǎn)品的部分非模型信息。

圖1 產(chǎn)品非模型信息Fig. 1 Non-model information of product

產(chǎn)品的信息模型可理解為信息的可視化描述，要求對產(chǎn)品的各類數(shù)據(jù)信息進行結(jié)構(gòu)化處理，并在邏輯上使它們成為一個有機的整體［15］。圖2展示了信息模型的一種組成結(jié)構(gòu)。在該信息模型中，設計人員處于核心地位，他們是非模型信息的直接來源。對于一個大型產(chǎn)品而言，其設計過程中的信息眾多，模型信息可以從幾何模型（實物模型或CAD（computer aided design，計算機輔助設計）模型）中直接得到，但非模型信息例如設計思想或歷史數(shù)據(jù)等僅從幾何角度很難直接獲取。獲取非模型信息最好的方法是將設計思想等非模型信息與幾何模型同時保存在一處，在獲取幾何模型的同時也能得到對應的非模型信息，實現(xiàn)產(chǎn)品信息在不同設計人員之間的高效流通與共享。

圖2 產(chǎn)品信息模型組成結(jié)構(gòu)Fig. 2 Composition structure of product information model

2 面向設計人員的信息管理方法

圖3是面向設計人員的信息數(shù)據(jù)管理流程，產(chǎn)品的模型信息和非模型信息來源于產(chǎn)品的各個設計階段，其中模型信息多以概念草圖、三視圖、效果圖和樣機模型等方式呈現(xiàn)［16］，是設計人員內(nèi)心思想的體現(xiàn)。從另一個角度而言，也可認為模型信息是證明非模型信息現(xiàn)實存在的依據(jù)，因此在記錄產(chǎn)品信息時，需實現(xiàn)模型信息與非模型信息的同時記錄。在實際工作中，產(chǎn)品設計與信息管理往往同時進行，為此信息管理系統(tǒng)必須與產(chǎn)品設計過程集成。綜上所述，信息管理系統(tǒng)必須滿足以下條件：

1）產(chǎn)品設計過程與信息管理系統(tǒng)集成。對于有價值的信息，設計人員能對它進行即時記錄和管理，而不是在設計過程結(jié)束后或中斷設計過程進行信息記錄。

2）面向設計人員，使他們能管理產(chǎn)品全生命域信息。信息管理系統(tǒng)可以生成單獨的信息數(shù)據(jù)庫，只保存某一位設計人員需要的信息，也可以將所有信息保存到一份信息數(shù)據(jù)庫中，作為產(chǎn)品的全生命域信息數(shù)據(jù)庫。

3）多樣化載體體現(xiàn)信息之間的關(guān)系。目前大多數(shù)信息管理系統(tǒng)采用單一的信息載體來表達產(chǎn)品信息，這既加大了信息清晰表達的難度，又降低了信息的處理效率。

4）系統(tǒng)操作簡單，易于信息增加、刪減和修改。現(xiàn)有的信息管理專業(yè)化軟件一般不易操作且對使用者提出了較高的專業(yè)素質(zhì)要求。因此，有必要解決這一問題，以減少信息管理所耗時間。

圖3 面向設計人員的信息數(shù)據(jù)管理流程Fig. 3 Information data management process for designers

3 集成信息管理系統(tǒng)構(gòu)建

目前大部分設計工作都借助NX 等三維設計軟件完成，因此信息管理與設計過程的集成即是信息管理與此類軟件的集成。大部分軟件都能提供二次開發(fā)功能，方便用戶進行個性化功能定制。本文以NX作為產(chǎn)品設計平臺，演示信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建。

3.1 信息管理系統(tǒng)構(gòu)架

本信息管理系統(tǒng)以設計人員為核心，其構(gòu)架形式為事件驅(qū)動型，即當設計人員有信息記錄需求時，通過相應操作進行信息的增加、刪減、修改等處理。信息管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 信息管理系統(tǒng)構(gòu)架Fig. 4 Architecture of information management system

在該信息管理系統(tǒng)中，當設計人員啟動信息管理工具后，可以新增信息，也可查看信息，系統(tǒng)根據(jù)設計人員的輸入信息自動響應，進入信息記錄界面或信息顯示界面。當設計人員輸入信息后，信息能自動保存至Excel；當用戶選擇信息編號后，系統(tǒng)能自動從數(shù)據(jù)庫中讀取信息，并顯示到操作界面，整個操作流程簡單而方便。

3.2 信息管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 多樣化信息載體與操作流程

常見的信息載體主要有文字（包括數(shù)字）和圖片：文字既能描述模型信息又能描述非模型信息，但記錄速度與獲取速度較慢；圖片能直觀地表達信息，且表達上存在著不確定性，在產(chǎn)品設計過程中，圖片的這種不確定性有利有弊，例如在產(chǎn)品的創(chuàng)新性設計中，不確定性可以刺激設計人員，使他們從中提煉出其他類型的形態(tài)元素，從而獲得多種類型的設計方案［17］。已有學者指出，人接收到的信息有80% 來自于視覺，而圖片能極大地加快視覺信息處理效率。因此采用文字與圖片相結(jié)合的方式來記錄信息，更能滿足實際需求。

圖5 為信息管理系統(tǒng)的操作流程。在NX 中進入信息管理系統(tǒng)，輸入用戶名與操作日期后，信息管理系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品模型編號自動關(guān)聯(lián)與之對應的信息數(shù)據(jù)庫；然后，用戶可選擇3種操作角色：查閱、增加新信息、修改已有信息。每種操作角色可對數(shù)據(jù)庫進行不同的操作。

圖5 信息管理系統(tǒng)操作流程Fig. 5 Operation flow of information management system

3.2.2 信息管理數(shù)據(jù)庫

采用Excel 記錄數(shù)據(jù)信息，并對Excel 進行個性化設計，使它適合存放文字信息和圖片信息。在設計人員記錄設計信息時，Excel能自動生成新的工作頁，且每個工作頁都包含個性化的控件與格式，此過程通過VBA（visual basic for application）宏語言實現(xiàn)。圖6為信息數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相應功能。如圖所示：將Excel 首頁作為目錄頁，用于信息的匯總顯示，記錄的信息主要包括設計人員與日期、文件信息、信息統(tǒng)計和文字信息匯總；將后續(xù)頁面作為工作頁，用于記錄單條信息的詳細內(nèi)容，主要包括文字信息和圖片信息。

圖6 信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)部結(jié)構(gòu)與相應功能Fig. 6 Internal structure and corresponding functions of information database

4 汽車梁模具設計實例

以某汽車梁模具設計過程中的非模型信息管理為例，來驗證所提出的管理方法和管理系統(tǒng)的可行性。汽車梁模具的全設計生命周期大致可分為4個階段：設計、鑄造、加工、調(diào)試。圖7所示為該模具設計過程的信息管理，如前文所述，非模型信息極為抽象，管理時需要和模型信息同時管理，如此才能使非模型信息更容易理解，因此圖7包含了設計模型等模型信息。將每位設計人員生成的模型信息和非模型信息匯總，組成一份信息數(shù)據(jù)子庫，設計時一部分信息會作為其他設計人員的設計依據(jù)或參考依據(jù)，因此在權(quán)限允許的情況下，設計人員可隨時查閱相關(guān)的設計信息。所有數(shù)據(jù)子庫可集成為企業(yè)大數(shù)據(jù)信息庫，反饋于下一次的產(chǎn)品設計，具有極高的價值。

圖8為該汽車梁模具設計過程的信息記錄頁，詳細顯示了2條信息，每條信息包括文字與圖片，文字內(nèi)容按設計人員的輸入，既包含模型信息又包含非模型信息。

5 結(jié) 論

為解決產(chǎn)品設計過程中的信息管理問題，提出了一種面向設計人員的信息即時記錄與管理方法，其創(chuàng)新與實用之處為：

1）面向設計人員。提出的管理方法面向設計人員，使設計人員可以根據(jù)自己的需要記錄信息，打破了傳統(tǒng)意義上的信息管理界定，提高了信息管理的靈活性，體現(xiàn)了設計過程中以人為本的理念。

圖7 某汽車梁模具設計過程的信息管理Fig. 7 Information management in the die design process of an automotive beam

圖8 某汽車梁模具設計過程的信息記錄Fig. 8 Information record in the die design process of an automotive beam

2）信息管理兼容于產(chǎn)品設計過程。設計人員可直接在產(chǎn)品設計軟件（例如NX）上記錄或查看產(chǎn)品信息，不需要中斷設計過程，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計與信息管理的一體化。

3）信息記錄方式多樣，操作過程簡單。采用多樣化的信息載體，使設計人員更好地表達心中所想，提高了信息表達的準確性和信息的處理效率，進而增強了信息共享能力。

此外，所提出的信息管理方法還具有極大的成長空間，可將所有設計人員記錄的信息匯總，形成企業(yè)大數(shù)據(jù)信息庫，運用現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)分析理論，可以極大地提升企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力。開發(fā)管理系統(tǒng)中信息記錄單網(wǎng)絡共享功能，還可解決異地產(chǎn)品設計中的數(shù)據(jù)管理難題；開發(fā)信息記錄的前端操作軟件，則能使該管理系統(tǒng)的信息記錄功能擴展到任意領(lǐng)域，為產(chǎn)品設計生態(tài)領(lǐng)域中的信息管理提供了一種全新的工具。