虚拟产品开发技术及其建模方法的研究

第８卷第４期　计算机集成制造系统一ｃＩＭｓ　Ｖ０Ｌ　８　Ｎｏ　４　２　０　０　２年４月　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ａｐｒ．２　０　０　２　文童编号：１Ｏ０６—５９１１（２００２）０４一Ｏ２５９—０４　虚拟产品开发技术及其建模方法的研究　黄斌，严隽琪，蒋祖华，马登哲，金烨　（上海交通大学机械学院ＣＩＭ研究所，上海２０００３０）　摘要：深＾地探讨了虚拟产品开发技术相关的基本概念，从方法学的角度分析了虚拟产品开发技术的建模　特点，研究并提出了全息建模方法中的设计环境模型的概念和组成结构。通过设计环境模型的建立不但可以记录　和监控开发过程，而且可以通过各领域的知识导出多视图应用模型。最后，用一个实例说明设计环境模型的建立．　关键词：虚拟产品开发；建模技术：设计环境模型：全息建模方法　中圄分娄号：ＴＰ３９１．７２；ＴＰ１４　直献标识码：Ａ　虚拟产品开发（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，　性地感受产品的功能和性能。显然．定义１从根本　ＶＰＤ）技术是用计算机模拟产品开发过程，通过建　上把虚拟产品和通常的二维ＣＡＤ图形区别开来。　立产品数字化模型，在虚拟现实和全任务仿真环境　虚拟产品的定义十分重要，它是研究虚拟产品开发　中进行分析．通过虚拟产品的数字化实验实现产品　问题的基础。　开发过程　由于ＶＰＤ技术是以计算机模型为基　定义２虚拟产品开发是虚拟产品在数字化开　础，因此建模技术是其最为重要的关键技术　关于　发中的实现过程和技术。包括虚拟产品在数字化开　产品建模和过程建模方面已有很多研究成果　＿”］，　发演化历程中所需的理论、技术、手段和方法。虚拟　如特征建模、基于ＳＴＥＰ建模、基于知识建模等。这　产品开发是在产品设计或制造、维护等系统的物理　些建模技术都是面向特定需求的，但对应于ＶＰＤ　实现之前，就模拟出未来产品的性能或制造、维护系　技术的建模方法还很少有人研究。明确ＶＰＤ技术　统的状态，从而作出前瞻性的优化决策和实施方案。　的建模方法学，是当前亟待解决的问题。　２虚拟产品开发建模方法学分析　ｌ基本概念　ＶＰＤ和ＤＦｘ技术都是面向产品生命周期的产　虚拟产品开发技术虽然已有不少研究成　品设计。ＤＦｘ的方法学是：在产品设计初期．全面　，但对于其基本问题，尚未形成统一的认识。　和清晰地表达产品生命周期内各阶段、各领域对产　本文定义如下：　品设计的需求，在产品开发过程中，除满足对功能的　定义１虚拟产品是反映产品本质的基于计算　基本要求外．还应在多种需求中取折衷．求得优化方　机的集成化数字模型　它能够反映产品在全生命周　寨　。ＶＰＤ的方法学是：在开发的各阶段，随时根　期内具有的功能和性能，从多个技术层面和角度反　据不完备的产品信息，从集成产品模型各自的角度　映产品的本质。　出发评价设计的合理性，通过建模过程对设计进行　可以通过各种仿真工具和虚拟现实工具对产品　评估和修改，实现设计最优　进行分析和测试，由多个通道交互性、沉浸性和想象　从建模方法学的角度看．ＤＦｘ与ＶＰＤ这两种　收稿日期：２００１—０５—２８；修订日期：２００１—１２　０４　基盒项目：同家自彝！｝科学基盘资助项目（５９８８９５０５）；国家８６３／ＣＩＭＳ主题资助项目（８６３—５１１—０３０—００２）　作者简介：黄斌（１§　８一），男．浙江东阳＾．讲师，上海交通大学ＣＩＭ研究所博士研究生，主要队事产品建模、虚拟产品开发监ＣＡＤ／ＣＡＥ等　。Ｅ　１：ｈｂ６８０９＠ａ［ｅｏｍｐｒｏ．…　维普资讯 http://www.cqvip.com

计算机集成制造系统ｃＩＭｓ　第８卷　方法之间存在“理论求解”和“试验验证”的关系　前　者以特征为核心，后者以建模为基础；ＶＰＤ比ＤＦｘ　更有利于开发小组的协作和参与，更能体现直观和　身临其境的特点；ＶＰＤ建模应能充分反映产品周期　内各个阶段的形式和内容。根据ＶＰＤ技术建模方　法学的特点，应该着重研究以下内容：　（１）多视图应用模型的变换和进化规律、手段、　品产生功能的使能设计环境．物体波和参考波的干　涉就可映射成产品和设计环境之间的相互作用规　律。通过这一规律可以全面地体现虚拟产品的性能　和开发过程　定义３全息建模方法是面向虚拟产品开发的　建模方法，在对产品实体建模的同时，还对虚拟产品　在数字化开发过程中所需的非几何信息进行建模，　同时通过产品实体信息与非几何信息的相互作用，　得到虚拟产品的动态演化特性。　全息建模方法综合考察产品模型和设计环境模　型的相互作用，能全面　动态地反映产品开发的内部　机制和过程，使全息产品模型真正满足虚拟产品开　技术和方法多视图是集成模型对不同应用场台提　供的一个自包含子集。ＶＰＤ技术的建模方法能反　映全生命周期内各个阶段的形式和内容。　（２）各应用模型所涉及的各领域知识　虚拟产　品所反映的产品功能和性能涉及多个应用领域，而　各个领域涉及的知识域不尽相同。把对应于各应用　模型的知识域连接起来，不但可根据集成模型推出　各分析模型，而且还能建立应用模型之间的联系　（３）如何把产品功能描述ｉｆ八虚拟产品建模过　发的需求，并反映产品模型动态演化规律和特性。　３．２设计环境模型　定义４　设计环境元（Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔ　Ｕ—　ｎｉｔ，ＤＥＵ）是虚拟产品开发中，使虚拟产品产生预定　的功能或性能的非几何基本单元。设计环境模型由　ＤＥＵ按照一定的结构层次组成　由于虚拟产品只　程中　在产品开发中没有功能信息的引入，只能使　模型表达停留在ＢＯＭ表的层次上，这不能很好地　支持部件的重用和设计知识的重用。　有在环境因素的驱动和约束下才能表现其性能，因　此设计环境模型的建立是虚拟产品开发中重要的使　能技术。　３．２．１设计环境模型的信息来源　３全息建模方法的理论和方法　产品开发新理论与技术的出现推动了产品建模　技术的发展　全息建模方法（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｍｏｄｅｌ　（ｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ，ＨＭＭ）　就是针对虚拟产品开发技术　的需求而提出的　设计环境模型由设计环境元组成，这些环境元　有三个来源：产品功能模型、产品开发过程模型和知　识库。相应地，设计环境模型由三个方面的环境元　组成：功能元、过程元和知识元。如图１所示。　３．１全息建模方法的提出　ＨＭＭ来自光全息技术的启发。光学中的全息　是在摄影底片上同时记录物体的振幅和相位信息　全息图利用物体波和参考波的干涉条纹．同时记录　被摄物的光强和相位的三维信息　。ＨＭＭ是把散　（１）功能元它是从功能模型导出的，反映设计　意图演化过程中对产品模型的约束和映射信息。产　品的功能模型是产品功能语义和行为的描述和表　达　，功能模型和功能设计是产品设计知识、设计意　图的直接表达，是产品智能设计和虚拟制造技术的　射波映射成产品实体模型，将参考波映射成虚拟产　图．　设计珥境模型帕组成结构　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　黄斌等：虚拟产品开发拄术及其建模方法的研究　核心　。　产品的功能可以分解为产品功能结构树，　直到分解成功能单元。功能模型中除了包括产品的　功能结构、功能关系等信息外，还包括功能对产品实　体模型和设计环境模型的约束和映射关系。　（２）过程元它是在产品开发过程中动态产生　的非几何产品信息，包括用于开发活动下阶段或其　他应用分析的数据，以及用于产品评价的信息。过　程建模是描述产品过程中的各种工程活动，这些活　动产生各种产品设计结果和加工工艺等相关信　息　虚拟产品开发过程的特点是：用ｖＲ或仿真　分析工具对各个设计阶段产生的多应用视图产品进　行测试产生许多中间数据。中间数据是由某个应用　视图的分析产生的数据，这些数据有可能是其他应　用视图分析的输　凡条件。这些通过多视图应用仿真　分析得到的中间数据，组成了环境模型的过程元　（３）知识元它是设计活动中由知识库中提取　的原理类、经验类、规范类和实例类知识形成的知识　信息，是设计者在设计中解决设计问题而从知识库　引　凡的信息。知识库包括各类工程设计知识，如设　计原理、实例知识、设计规范知识、专家经验类知识　和图形知识等。设计原理是长期形成的领域设计知　识，它确定了工程结构的设计原理和设计方法；实例　知识是经实践证明的专业设计知识，可作为同类设　计的参考。设计规范知识是过程设计经验的总结，　规定了工程设计需要满足的设计要求和设计方法、　规范及手册等；经验类知识是设计领域专家经实践　总结出来的工程设计经验，有很高参考价值，图形知　识是直观描述设计参数、具体结构的有效工具之一，　是工程设计工作中经常遇到的　。在人工智能领　域，知识的表达和应用已有大量成果，有比较成熟的　知识表达模型，它们包括谓词逻辑、语义网络、框架　表示法、规则表示法及其混合型知识表示等　３．２．２设计环境模型的组成结构　通过对产品开发全生命周期数据信息的分析，　本文提出设计环境模型的组成结构，如图２所示　它包括物理层、逻辑层和应用层。　（１）物理层给出设计环境模型所有信息的组　成方式和存储结构的详细描述。设计环境模型中的　物理层由概念、事实、规则和控制信息组成　（２）逻辑层是综合各个应用的数据模式而获　得的全局产品信息模型的逻辑模式。它是环境信息　根据其来源构成的逻辑信息表示　（３）应用层是设计环境模型中对于特定应用　领域的信息表示层，是符合应用需求的形式和结构　描述信息模型。不同的应用对产品的信息有不同的　需求，要处理的信息及其组织方式也有所不同，因此　应用层中有着不同的信息模式。某些信息的逻辑表　示可服务于多个应用，但两个不同应用不会有完全　一致的信息逻辑表示。　，蛤定环境　信　／　信息　／　／　。含蔷话息｝　∥　　一　：：　一　”　”逻辑层　概念环境　情息／　事实储环皂　话境／　规／／　　藕则环息Ｈ境　控／／　话制环息境　　物理层　囤２设计环境模型的组成结构　４实例分析　结合８６３重大攻关项目，采用虚拟产品开发方　式，对某新型客车配置的驾驶员座椅进行分析。首　先，根据产品需求建立功能模型，并从知识库中提取　各类知识信息作为环境信息，满足座椅静态和动态　舒适性等方面的要求。然后，根据产品开发过程不　断产生的信息和数据组成的环境信息，在全任务仿　真和虚拟现实环境下，分析各个应用领域的产品功　能和性能，进行了强度分析、动力学分析、运动学分　析、可制造性分析、可装配性分析和经济性分析等。　图３中的数字样机是ＡＤＡＭＳ软件中的动力　学分析模型。图４表示了图３所示的产品信息和环　境信息间的相互关系，图４中的产品模型由产品单　元按照一定结构组成。设计环境模型由几何、物理　对象、ｖＲ及仿真环境信息组成。　罔３座椅动态舒适性仿真模型　图４中，座椅的设计环境信息在应用层上可以　描述为：①考虑人体静态舒适性时，需要设计环境模　型中的座椅几何约束方面的信息，如图中的几何环　维普资讯 http://www.cqvip.com

２６２　计算机集成制造系统ＣＩＭｓ　第８　境单元Ｅ２；②分析动态舒适性时，座椅所受到的激　励，需要确定环境模型中的激振力．如图中的物理环　境单元Ｅ１；③座椅的开发是在全任务仿真或虚拟现　实的环境中，因此需要ＶＲ和仿真信息，如图中的　开发实例，论述了设计环境信息模型的来源和组成　结构。设计环境模型的建立不但可以记录和监控开　发过程，而且可以通过各领域的知识导出多视图应　用模型。这样，可以更好地支持虚拟产品开发的有　效进行。　参考文献：　［１］ＫＲＡＵＳＥ　ＦＬ．ＫＩＭＵＲＡ　Ｆ．ＫＪＥＬＬＢＥＲＧ　Ｔ，ｅｔ　ａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］Ａｎｎａｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＩＲＰ．１９９３—４２（９１：６９５　７０６　ＶＲ及仿真环境Ｅ３；④座椅受到激励对人体的输　人，需要对设计环境模型中的人体进行评判，如图中　的对象环境单元Ｅ３。　：２］ＨＯＵＴＥＮ　Ｆ　Ｊ　Ａ　Ｍ　ｖａｎ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｆｏｒ　ｍｏｄｅｔ—ｂａｓｅｄ　ｒＩｌａＩｎｔｅｎａ¨ｃｅ　Ｊ］Ａｎｎａｌｓ　ｏｆ　ＣＩＲＰ、ｌ９９８，４７（１／：１２３一ｌ２８．　［３］ＪＩＡＯ　Ｊｉａｎｘｉｎ—ＴＳＥＮＧ　Ｍｉｔｃｈｅｌｌ　Ｍ．Ａｎ［ｎｆｏｒ￣ｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｆｏｒ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｆａｍｉｌｉｅｓ　ｔｏ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｎｌａｓｓ　ｃｕｓｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ　ｒＩｌａ『１ｕｆａ　ｃ【ｕｒｍｇ＿Ｊ］．Ａｎｎｕｌｓ　ｏｆ　Ｃ１ＲＰ，ｌ　９９９．４８（１）：９３　９８　［４］宁汝新．虚拙产品开发技术：Ｍ］．北京：机械工业出版社．２０００．　Ｉｓ］ＢＥＣＫＥＲＴ　Ｂ　Ａ．Ｖｅｎｔｕｒｉｎｇ　ｉｎｔｏ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　［Ｊ］Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｌ９９６，４５（５１：４５　５０．　－６］　鸟兰木其．邛家提．现代产品设计方法厦其演进［Ｊ：．机械工程　学报．２０００．３６（５）：ｌ　５．　：７：ＹＡＮ　Ｊｕｎｑｉ．ＪＩＡＮＧ　Ｚｕｈｕａ．ＭＡ　Ｄｅｎｇｚｈｅ．ｅｔ　ａｌ　Ｖｉｒｔｕａｌ　ｇｉｌａ－　１产　模　与斗境顿型｝｝勺相自作川　ｃｈｉｎｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍ　ａｃｔ㈣ｇ　Ｓｙｓｔｅｎｌｓ．２０００．９（５）：１８　２２（ｉｎ　Ｃｈｉ　设计环境信息在逻辑层上描述为：①在座椅的　设计中有许多相关标准、规范以及范例，这些引入环　境信息是从知识库中提取的；②在开发过程中某个　应用分析输出的数据，作为派生环境信息引人环境　模型，可以作为其他应用分析的输入；③产品功能在　分解的过程中把功能环境信息传人环境模型，作为　产品开发各阶段的评价基础　ｎｅｓｅ）．［严隽琪．蒋祖华，马登哲．等基于全息产品建模的虚拟　加工ｌＪ：．计算机集成制造系统２２．］　２８－杨国光．近代光学测试技术：Ｍ：．杭州；浙江大学出版社，　ｉ９９　．　ｃＩＭｓ，２０００，６（５）；１８　７９＿ＪＯＨＮＳＯＮ　Ａ　ｔ　．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｂｙ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｔｕｄｉｅｓ．　１９９１．１２（１）－５１　５７　：１０］ＴＯＭ１ＹＡＭＡ　Ｔ　Ｆｒｏｍ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ｔｏ　ｋｎｏｗｌｅｄｇ　ｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　ｆｏｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅ￣　ｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ，Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．１９９４，８（４）：３１９　钳３．　５结束语　本文探讨了虚拟产品开发技术的基本问题，分　析了虚拟产品开发建模方法学的特点　在此基础　上，研究并提出了全息建模方法及其设计环境模型　的概念和组成结构。本文通过大客车驾驶员座椅的　［１１］李冰，宁汝新数据驱动的过程模型［Ｊ：．机械科学与技术．　１９９９．１８（２）：３２４　８２　６．　［１　孙林走．工程设计知识表达体系：Ｊ］．西南交通大学学报．　１９９９，３４（６）：６１　７—６２４　Ｓｔｕｄ）＇ｏｎ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　ＨＵＡＮＧＢｉｎ，ＹＡＮ　Ｊｕａｎ　ｑｉ，ＪＩＡＮＧＺ　ｈｕａ，ＭＡ　Ｄｅｎｇ－－ｚｈｅ，ＪｆＮ　Ｈ　［ＣＩＭ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ　ａｂｏｕｔ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ（ＶＰＤ）ａｒｅ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈＥ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｊｓｔ　ｃｓ　ｏｆ　ＶＰＤ　ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ（ＤＥＭ）ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ（ＨＭＭ）ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄ—　ｅｌｉｎｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｍｏｄｅｌ　ｃａｎ　ｄｏｃｕｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｂｕｉｌｄ　ｔｈｅ　ｌｉｎｋ　ａｍｏｎｇ　ｍｕｌｔｉｖｉｅｗ　ｍｏｄｅｌｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＶＰＤ；ｐｒｏｄｕｃｔ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｄｅｓｉｇｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ；ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　２８　ｂｌａｙ　２００１：Ａｃｃｅｐｔｅｄ　０４　Ｄｅｃ　２００１．　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｉｔｅｍ：Ｐ　ｒｏｊｃｃ：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｃｈ［ｏａ（Ｇｒａｎｔ　Ｎｏ　５９８８９５，２５１；　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｎａｒｉｏｎａｉ　Ｈｉｇｈ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｏｒ　ＣＩＭＳ，Ｃｈｉｎａ（Ｇｒａｎｔ　Ｎｏ　８６３　５１１　０３０　００２）