当前位置:研发设计首页 >> 管理信息化 >> 知识工程 >> 设计历史:概念、内容和现状
设计历史:概念、内容和现状
2017-05-19 15:06:36  作者:朱全敏   来源:互联网
  •   1 引言   设计历史,是设计活动的发展过程和重要的设计知识的记录,它的研究意义在于能够为通常的以工程图纸和设计文档为结果形式的概念设计阶段提供更多的设计支持,使设计者不仅了解设计得到了什么(wh ...

  1 引言

  设计历史,是设计活动的发展过程和重要的设计知识的记录,它的研究意义在于能够为通常的以工程图纸和设计文档为结果形式的概念设计阶段提供更多的设计支持,使设计者不仅了解设计得到了什么(what),还可以得知设计是如何实现的(how)和设计所蕴涵的理性(why)。

  设计历史的思想,最初源自软件工程领域。早在七十年代中,Freeman在论述软件设计理论时,就提出了“要明确地记录包括设计问题、各种解决方案以及具体某个方案的评价和依据”,用以了解“决策所隐含的设计原因”。到了八十年代,随着计算机、信息技术的不断普及,制造业也开始经历新技术的变革,机械CAD技术取代了手工设计,网络化的协同设计环境使设计团队之间的信息交流更为密切,机械工程领域的许多学者也开始意识到设计历史管理对设计过程优化的重要意义,纷纷开始支持设计历史管理的工程设计环境的研究工作。

  本文将从设计历史的基本概念模型说起,对设计历史的内容、类型进行阐述,并通过对现有一些设计历史管理实现的分析提出对将来设计历史管理的一些关键问题的看法。

  2 设计历史的基本概念和内容

  2.1 设计历史的基本概念

  设计历史,简单的来说,就是产品设计活动的发展史, 它是设计活动的发展过程和重要的设计知识的记录。在设计过程中,设计知识指的是那些有价值的、可以用来支持设计的重现和对设计的理解的历史信息。

  设计历史的基本功能在于实现对设计活动的记录,其内容应该能够体现设计活动的特征,这是从狭义上理解的设计历史;广义上,设计历史还应该包含设计的理性、与产品数据和约束之间的关系,这样,它才可以反映不同的产品设计阶段中的被设计的产品信息和设计过程信息,描述设计者所做出的决策和所反映的设计意图。

  2.2 设计历史模型的内容

  有关设计历史的模型,大致有两种不同的看法:一种是将机械设计的设计历史看成是产品从最初的需求分析到最终的详细设计的整个发展过程中所产生的约束和决策的记录,允许设计参与者一个决策一个决策地回溯设计从最初问题定义到最终几何和拓扑设计的全过程。 另一种是将认为设计历史看成是设计走向产品最终设计结果的过程中的事件和状态的一步步的记录。前者的侧重点在于决策和约束,目标是捕获设计者的原始意图,使设计参与人员能够得知设计内在的基本原理;而后者的侧重点在于过程,目标是记录实现设计的步骤、活动,以支持对设计过程的监控。

  如前所述,设计历史是设计活动和设计知识的记录,通常,用来描述产品设计活动全过程的要素有决策、步骤、产品(artifact)描述、约束等,这些重要因素之间相互的关系如下图所示:

  

组成设计历史的元素

  图1 组成设计历史的元素

  根据广义设计历史的概念,我们可以将设计历史模型分为设计过程模型和设计意图模型两个部分,设计过程部分用以描述设计实现的一步步活动;设计意图部分则是通过建立与对应的产品数据、决策和约束之间的内在联系或者提供外在的记录途径,来体现设计者的原始意图。

  3 设计历史管理的实现

  3.1 设计历史管理的概念

  设计历史管理则是通过对设计历史进行捕捉、识别、存储、查询等操作,实现对设计整个过程的记录和监控。它可以支持对设计全过程的回溯,以理解设计者的活动和找寻可能的设计瓶颈,更有意义之处在于,记录设计历史,将为设计重用和智能化的设计提供必要的知识。

  设计历史管理的基本组成如下图所示:

  

设计历史管理的基本组成模块

  图2 设计历史管理的基本组成模块

  设计捕获和记录模块,是设计历史管理的核心模块,实现设计历史集成的要素,在于成功的设计知识捕捉活动。设计分析和理解模块,是对记录下的设计历史信息进行分析,以理解设计的来龙去脉,理解设计者的初始意图。设计浏览模块为管理者监控设计过程和设计者浏览设计知识所提供支持。设计知识表达是为了利用领域知识和事先定义的规则等建立知识库,降低信息流的非形式化程度和处理的复杂程度。

  3.2 设计捕获与记录

  3.2.1 设计捕获的关键问题

  进行设计历史管理,需要捕获的设计历史对象分为两种,一种是内在的(implicit)信息,另一种是外在的(Explicit)信息,如下表所示:

  表1 广义的设计历史信息可分为内在和外在两种

  

广义的设计历史信息可分为内在和外在两种

  由此,设计捕获的实现就归结到如下几个关键问题:

  ●如何实现内在设计历史信息的自动生成:结合现有的技术,设计知识捕捉究竟可以计算机化到什么地步,是一个很值得商讨的问题。

  ●如何更加有效的获取和理解动态生成的外在设计历史信息,来支持设计者的原始意图的追踪:结合人工智能和知识表述的方法,是目前研究学者努力的方向。

  ●如何寻求内在设计历史自动生成和外在设计历史人工生成两者之间的平衡点,使设计历史管理达到两个标准:捕获的信息尽可能完整地反映设计,同时,设计捕获方式对系统带来的干预应尽可能的小。

  3.2.2 外在设计历史信息的捕获与生成

  外在的设计历史捕获的捕捉对象,应该是如下三种可能来源的信息:

  ●完全自由的用户输入:用户觉得有想记录下的灵感、思路,或者说觉得有记录的必要,就输入,这种方式减小了设计过程的干涉程度,但是很可能会造成重要信息的流失。

  ●系统自动地向用户询问,要求用户按固定的结构(如,填空的形式)提供特定的信息:这种形式的好处在于,结构化的信息有利于处理和分析,缺点是具有干涉性,给用户强加了必须满足的设计与系统需求(如,按事先规定的描述协议表述行为、决策)。

  ●系统历史信息:比如日期、时间、网上会议的参与者、有关程序、文档等。

  在现有的许多协同设计环境,如VMACS系统、CECED系统中,外在历史信息的捕获和记录都是建立在电子设计笔记本(Electronic Design Notebook)基础上的,它主要是针对非形式化的设计知识的捕获。

  电子设计笔记本的前身是工程设计的设计日志(logbook),设计活动通常是由多个设计者协商推进的,设计师将自己的设计思路和其内在的理性记录在纸张式的笔记本上,这些笔记记录下来的,实际上就是零零散散的设计历史信息。

  电子设计笔记本相对于纸张式的设计笔记本的优点是显而易见的:纸张式的笔记本分散在各设计人员手中,即不利于设计信息的共享,也不利于设计信息的保存和维护。而电子设计笔记本充分体现了计算机代替手工的优越性,特别是在计算机网络化的协同设计环境中,设计者可以通过电子设计笔记本来访问、发布、存储与设计相关的信息,可以是图纸草案、注释、产品相关数据,也可以是某一次网上磋商的会议记录。

  单纯的电子设计笔记本存在许多不足之处,其所能记录的信息往往不够完整,没有组织,且难以被计算机理解等。随着网络的普及,学者们提出了一种改进的电子设计笔记本的形式——在线期刊(On-line Journal),其工程应用有DHE(Design History Editor)、ODJ(On-Line Design Journal)、和Stanford大学的CDR项目Design Journal等。

  在线期刊方式利用页面的形式记录设计信息,并通过建立各页面间的联系,来实现顺序的设计历史记录。同时,通过知识表述、协议分析等增强了计算机理解输入信息的能力。Stanford大学的 Design Journal中还开发了电子设计笔记本语言AEDNL以便于设计知识的捕获和推断。

  3.2.3 设计历史信息的自动捕获和生成

  实现设计历史自动捕获一直是学者们关注的问题之一,自动捕获的对象属于内在的设计历史信息,主要是系统内部流动的信息,如数据库版本信息、设计工具的执行记录、用户界面的激活信号、X事件记录、声像记录,以及一些协同的细节——谁做了什么事、应用语法信息,协作日志的手稿等。

  在设计历史信息的自动捕获中,核心问题是如何自动生成设计的过程历史。产品设计开发过程是以一系列的步骤或行为、行为引起设计本身状态或设计者状态的改变为特征的,其特点是渐进性和反复性,它往往是围绕某个设计问题的提出——争论——决策活动,伴随着设计环境中的设计工具(如CAD工具)的状态改变和信息流动。

  早期的自动设计历史生成是基于工具活动的,它针对设计工具状态的改变,通过记录设计工具的活动来推测设计历史。这种实现方式的代表应用是设计轨迹(design trace)系统,设计轨迹的概念是在八十年代末提出的,它将设计看成设计事件的序列,而将设计事件简化为CAD设计工具的执行事件;这样,就可以通过捕捉CAD工具执行设计事务(transaction)的信息,自动生成设计历史。这种实现方式是较早的设计历史生成方式,如VOV系统、Papyrus系统和CECED系统等。

  基于工具的设计历史生成是与传统的产品建模方式密切相关的,传统的产品建模方式把产品建模和产品开发过程建模作为相对独立的问题来研究,即只注重对产品(artifact)模型本身的定义,如通过STEP定义三维几何、拓扑、特征等,而缺乏对产品模型形成过程的描述。

  随着过程建模的重要性逐渐得到认识,另一类针对设计本身状态的改变的自动设计历史生成方式,逐渐成为主流。这种实现方式,是通过在产品数据模型中建立过程模型,并用面向对象描述方法,为过程对象定义各种属性,生成设计历史的结构框架。如提出的设计历史工具、KDBS系统、EPEE系统中的历史模块、DHS等。

  3.2.4 设计历史捕获的协调问题

  设计历史捕获必须满足即能在合适、完全地描述设计的历史,同时给设计活动(设计者)带来的干预尽可能的小。

  电子设计笔记本形式的设计历史管理方式,为了获得设计者的原始意图,需要用户的参与,这在一定意义上限制了设计者的设计活动(如,必需为存储设计行为和决策输入相关信息)。而自动的设计历史捕获和生成,可以实现设计管理自动化、无须用户干预的目标,但是很可能存在捕获信息过细、难以处理、难以修改等缺陷。同时,由于设计过程在常规活动之外,还常常伴随着创造性活动,许多创造性的因素是无法实现准确的实现定义的。这种情况下,必须还有外在的设计捕获方式,如人机界面交互,来外在地记录一些无法自动捕获的设计历史信息。所以,在内在设计历史捕获和外在设计历史捕获之间,还存在寻求合适比重的问题。

  指定设计团队中的一名成员担任“历史记录员”(design historian),负责收集和记录设计知识。设计历史工具中,设计者的全部设计活动都通过录象记录下来,事后由专人进行历史信息提取和表述。现在研究的方向,已经从人工智能、知识表述、自治代理等技术出发上改进设计历史捕获机制,以实现最有效的设计历史捕获与生成。

  3.2.5 设计历史信息的组织结构

  设计历史是随着设计的不断发展渐进生成的,设计历史信息的组织结构关心两个方面的问题:如何支持设计历史的动态生成,以及如何管理不断膨胀的设计历史记录(包括图纸、文档等)。

  用图论组织和浏览包括设计被设计对象的结构(组件的阶层图、部件的特征树等)、设计发展流程(设计步骤序列)、约束相关性和设计理性等的设计历史信息。这种思路是目前大多数工程设计环境设计历史信息组织的出发点。

  Papyrus系统中,设计历史是通过设计线程(design thread)组织的,它象一个树状结构,每一条分枝是一条设计线,代表设计历史活动的一个分支序列,如下图所示:

  

设计线程控制流

  图3 设计线程控制流

  图中每一个HR打包了一个设计活动的全部信息,包括设计产品数据和设计过程的信息。系统通过筛选、加时效限制、垃圾回收措施维护HR数据,并通过 “rework”机制支持设计重用。

  KBDS系统中,建立设计历史信息库,为设计各个环节产生的设计信息建立数据库,将设计文档分门别类或按时间顺序存放在数据库中,学者提出基于Hypertext结构的实现方式,它的出发点是,按一定的路由(如文档路由、步骤路由等)来产生和链接相关的历史记录,从而将设计历史信息组织起来。Hypertext不仅可以支持浏览,还可以为相对无关的历史文档建立index, 从而方便实现对设计文档的查询和整理。

  基于Hypertext结构的设计历史信息管理方式具体实现例子有gIBIS系统、MIKROPOLIS系统、PTTT系统、Design History Editor等。

  4 结语

  设计历史管理是记录、存储和回溯机械设计活动的一个重要手段,设计环境集成设计历史工具的现实意义主要表现在如下几个方面:

  ●有了设计历史工具,设计团队就能够监控设计活动的进展状况,掌握设计中重要的设计知识,对于设计中或完成设计的整个系统、单个元件、元件的某个特征,都可以实现从最初需求分析到最终完成形式的追踪。

  ●有了设计历史工具,有利于理解设计,支持设计重用。通常,人们只能从设计图纸、文档记录和涉及到的硬件推断设计推进的过程,或向设计者询问以了解设计的原始意图。通过设计历史工具,可以实现设计的直接查询,同时可以迅捷地从各种所需的视图来浏览设计,很大程度上提高了信息的流通性,有利于理解的可达性和完整性。

  ●有了设计历史工具,设计者不仅可以得知设计成果是如何得到的,还能够检查约束的相关性和相互联系,从而可以推断某一约束的改变将如何影响设计。在产品开发过程中,往往有很大的工作量是在针对某约束进行的“ 尝试——失败——再尝试”的反复(iteration)活动,从这个角度上,设计历史工具将大大节省设计者改进最终设计所耗的精力和时间。

  ●有了设计历史工具,就能帮助新参与设计的人员了解先前设计的来龙去脉,从而更快地熟悉环境,掌握设计思路,提高效率。



版权所有:智造网 京ICP证100778号 京公网安备110102003025 虚假新闻举报电话:010-88379107