产品概念设计下多用户协同设计系统的实现及关键技术

单鸿波，严海峰，周尚锦，于海燕，王曙光，程起兴

(东华大学 机械工程学院,上海201620)

产品概念设计下多用户协同设计系统的实现及关键技术

单鸿波，严海峰，周尚锦，于海燕，王曙光，程起兴

(东华大学 机械工程学院,上海201620)

研究了协同设计系统的体系结构，开发了支持产品概念设计的多用户协同设计系统.该系统主要利用B/S结构建模，将分布的多领域设计者和用户联系起来，协同参与需求获取和需求转化，以实现功能与工程参数的匹配和概念设计方案的输出.介绍了系统实现的关键技术，并通过智能手表的实例验证了概念设计系统的有效性.

多用户；概念设计；协同设计；设计系统

在产品的全生命周期中，用户对产品功能的需求在不断发展变化，功能相对单一的简单产品已经远远不能满足用户的需求，一个处于市场竞争激烈的企业，及时推出符合用户预期的产品进而赢得市场份额是生存的关键.因此，准确掌握用户需求，运用跨学科技术来开发产品，快速成功地完成新产品的概念设计，并指导产品的生产销售等策略是企业获得市场竞争力的关键.在工程领域，一种新的产品包括两方面含义：一是基于已存在的原理解实现新的功能，二是基于新的原理解实现更好的功能[1].因此，聚集一批不同专业方向的优秀设计人员，协同完成产品的设计是研发功能复杂产品的有力保证，开发高效实用的协同设计系统具有非常重要的现实意义.

协同设计是不同的设计者围绕共同的设计任务，通过一定的协同交互机制进行讨论、分析和设计，共同完成设计任务.设计者可以是同领域，也可以跨领域，来自不同领域的设计者，在协同设计平台的支持下进行设计活动，既综合了不同领域知识以实现复杂产品的概念设计，也提高了产品设计阶段的用户参与度，可最大程度得到符合用户要求又具有市场前景的产品设计方案.

本文基于计算机网络技术，利用浏览器/服务器(B/S)结构[2]，开发了一个开放式的、可视化的协同设计系统，并结合智能手表的案例重点讨论了面向概念设计的多用户协同设计系统的体系结构和系统实现的关键技术.

1　概念设计下多用户协同体系结构

多用户协同设计系统(multi-user collaborative design system, MCDS)旨在给各设计者提供交流合作的机会，使各企业的设计者能够一起参与新产品的开发，从而更准确地掌握用户需求，更高效地开发产品，在节省成本的同时增加新产品的开发成功率.

本文所建立的MCDS平台体系结构如图1所示，采用Browser, Web Server 和Database Server三层体系结构模型.MCDS平台具有通用的客户端浏览器界面，产品用户或者设计者在浏览器界面注册获得账号后即可登入系统，具有开发简单、易于维护的优点，后续只需升级和维护服务器端即可完成体系的更新，客户端只需安装具有Java功能的浏览器，即可直观地显示获取的用户需求排序、协同设计过程和最终输出的方案.在服务器端安装建模软件、分析软件等工具，可实现概念设计阶段用户需求筛选转化、方案生成优选等功能.

图1　MCDS平台体系结构Fig.1　The structure of MCDS

2　系统实现关键技术

MCDS是一个基于B/S结构的瘦客户端-服务器网络体系下分布式的同步协同设计平台，其提供从用户需求录入到最优方案输出的流程节点服务.相比异步协同，同步协同是一种耦合度高的协同设计方法，需要更复杂的技术实现[3]，故对于服务器数据的操作和保护有较高要求.本系统的实现过程中，有效解决了权限控制、用户需求获取及转化机制、同步协同、冲突识别与消除的问题.

2.1权限控制

在设计过程中，系统的不同使用者根据承担的任务具有不同的权限，可以分为4类：总设计师、设计小组组长、设计小组成员和普通用户，各级人员操作权限如图2所示.其中，总设计师对整个产品设计方案负责，具有全局查看、操作和审核权限；各设计小组分别负责产品的不同部分，小组间可以互相建议，小组组长被赋予承担任务的方案设计、浏览和提交审核权；小组成员负责完成承担任务的方案设计、修改；普通用户在需求设计阶段完成调查问卷.

图2　各级人员操作权限Fig.2　Operating authority for personnel at all levels

2.2用户需求获取及转化机制

常见的用户需求获取方法有问卷调查法、头脑风暴法和用户访谈等[4].本系统采用网上问卷调查法的方式得到直观的用户需求.由产品专家给用户分组设定不同的用户重要度，采用粗糙集理论对需求信息进行处理，由粗糙数排序规则和重要度计算公式得出用户需求权重，确定用户需求重要度排序[5].在决策系统的建立过程中，利用粗糙集的属性约简和熵理论对相应的样本集进行处理，实现用户需求与技术特性的关联性测度矩阵和技术特性自相关性矩阵的求解，最后得到考虑技术特性自相关性的关联性测度和技术特性的重要度.

2.3同步协同

随着人工智能方法、面向对象编程技术以及相关硬件的发展，同步协同模式逐渐成为协同概念设计研究的重点.同步协同一般分为集中式同步协同和复制式同步协同.文献[6]基于B/S结构，在浏览器与服务器之间加入建有同步控制器的Cache Server, 而Cache Server起到数据传输桥梁的作用，在服务器和浏览器间实现数据交换和同步刷新，并讨论了基于同步控制器的客户端同步刷新实现过程，是一种集中式协同模式.文献[7]提出在CAD协同设计中采用桌面共享构建异地同步协同技术，提出采用懒惰显示更新策略以减少网络传输的数据量，是一种复制式同步协同模式.文献[8]提出正式化和聚焦的多用户协作议程，包括计算机和网络体系结构、用户界面、CAX应用.

本系统采用集中式同步协同，相比复制式同步协同，其具有结构简单、并发控制容易的优点，并利用动态数据交换机制，可以使多个设计者在相同的时间里共享服务器工作空间，各设计者可即时与其他设计者互动，达到面对面交流的迅捷效果.同时，在服务器端安装建模软件，如AutoCAD、数据处理软件Matlab和数据库软件等，设计者通过客户端调用服务器软件进行模型的浏览、建立和数据的输入，供服务器处理.

2.4冲突识别与消除

由于设计者的专业背景、设计经验、工程阅历和个人喜好等因素不同，常对同一个设计主体提出不同的设计方案，导致冲突发生.在设计过程中，冲突是阻止设计活动进行的主要因素，当同一功能匹配不同的方案时，即认为冲突发生.因此，冲突的识别与消除是保证设计活动顺利进行的关键环节[9].本系统基于相关度的标准满意度冲突消除策略解决同步协同中设计资源冲突问题，提出了一个规范的冲突消除机制，将冲突消除分为3个过程[10]：冲突识别、冲突分类和冲突解决，并根据学科领域相关度，应用标准满意度来评价消除冲突.其中，将这些冲突分为3类：技术冲突、周期冲突和资源冲突.技术冲突通过技术参数与功能载体重新组合解决，周期冲突通过重新规划生产路径解决，资源冲突通过资源的重新配置解决，利用目标规划法对上述冲突进行求解，来得到设计满意解.

3　应用实例

智能手表是在手表内嵌入智能系统，通过网络连接智能手机实现多种功能的一种智能穿戴设备，可以同步手机或电脑中邮件、照片、音乐等，并可以检测身体健康状况的一种新型手表.自苹果、谷歌等公司于2013年推出智能手表，各科技公司纷纷推出自己的相关产品.对于一款可穿戴的智能设备，零部件的体积足够小、功能尽量多、美观便携、操作体验好以及足够便宜，是赢得市场占有率的关键因素.本文以智能手表的开发为例，邀请100多位志愿者通过协同平台参与问卷调查，验证上述内容的可行性.如图3所示，用户需求调查的志愿者包括有使用经验的用户、无使用经验的用户和专业的设计师，按照一定比例组成.

图3　智能手表概念设计网上调查问卷Fig.3　Online survey of smart watch conceptual design

在用户需求获取阶段，不同类型的用户对需求的描述表达不同.有智能手表使用经验的用户对于需求的描述较为直观，具有非常个性化表达的特性；无使用经验的用户对于需求的描述是模糊的甚至矛盾的；专业的设计师对于需求的表达则相对直观准确.本平台在使用网上问卷调查方式获取用户需求后，根据粗糙集理论和熵处理方法得到用户较准确的需求描述，确定的主要用户需求如表1所示.

表1　主要用户需求描述Table 1　The main customer requirement

本文将主要的用户需求转化为较为直观的专业需求语言，通过系统的需求转化机制转换为功能需求，在功能需求转化过程中，由于各用户需求映射的功能具有一定的耦合度，需要对功能需求进行去冗余处理，删除重复的功能，将功能分解为功能元.设计流程如图4所示.

根据本文提出的设计流程，在数据库中建立功能载体知识库，通过系统数据库的智能匹配和人工评价，输出多个概念设计方案，即智能手表的产品模型如图5所示，该款手表是当今市面上主流的智能手表模型.

图4　智能手表协同设计流程Fig.4　The process of collaborative design of smart watch

图5　智能手表产品模型Fig.5　The prototype of smart watch

这里对其中的两个设计方案进行比较分析.方案一：新开发的智能手表使用Android智能操作系统，具有SIM卡插槽，表面采用1～2英寸的触摸屏，腕带使用橡胶材料，提供常见的红、蓝、白和黑色可供用户选择.智能手表具有蓝牙功能和红外功能，拥有立体扬声器，内置加速度等感应器，使用可充电不可拆卸锂电池，采用IP68级别防水设计等.方案二：新开发的智能手表采用Windows操作系统，触屏尺寸大于2英寸，不具有独立通话功能，腕带采用金属材料，提供传统的白色和黑色产品供用户选择，采用内置不可更换电池.

对比方案一和方案二，显然Android 操作系统具有更多App兼容，设置SIM卡插槽虽然在一定程度上增加成本，但符合智能手表的发展趋势，橡胶材料腕带比金属材料腕带节省成本且用户体验不会大打折扣.综合考虑技术因素、成本因素和周期因素等，显然方案一优于方案二，因此，最终采用方案一指导产品后续详细设计.

4　结　语

本文讨论了多用户协同设计系统的体系结构，采用权限控制和同步协同等关键技术解决概念设计协同设计过程中的冲突消解，并以智能手表的开发实例验证了多用户协同概念设计系统工作流程的可行性.在后续的研究中，实现需求分析阶段定性需求的定量化处理，以及面向复杂产品概念设计过程中的协同设计都有待进一步深入研究.此外，在现实产品设计过程中，提高概念设计理论方案设计的效率和成功率，降低设计过程中循环再设计和再修正的频度也是未来研究的重点之一.

[1] CHEN Y, LIU Z L, XIE Y B. A knowledge-based framework for creative conceptual design of multi-disciplinary systems[J]. Computer-Aided Design， 2012, 44: 146-153.

[2] 李书杰,李志刚.B/S三层体系结构模式[J].河北理工学院学报,2002,24(5):25-28.

[3] 高曙明,何发智.分布式协同设计技术综述[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2014,16(2):149-157.

[4] 单鸿波,葛滨,于海燕，等.面向概念设计的用户需求获取体系及过程机制[J].东华大学学报:自然科学版,2012，38(5):632-635.

[5] 宋欣,郭伟,刘建琴.QFD中用户需求到技术特性的映射方法[J]. 天津大学学报,2010,43(2):174-180.

[6] 张小波,成良玉,钟闰禄.基于B/S模式的异地同步协同技术的实现[J]. 计算机工程,2005,31(6):114-116.

[7] 李志华,刘春伟,赵顺丹，等. 异地同步协同技术研究及实现[J].机电工程,2007,24(7):17-19.

[8] RED E, HOLYOAK V, JENSEN C G, et al. V-CAX: A research agenda for collaborative computer-aided applications[J]. Computer-Aided Design and Applications, 2010, 7(3): 387-404.

[9] 陈立杉,段莉莉.基于相关度的同步协同设计冲突消解策略[J].武汉大学学报:工学版,2012,45(2):268-271.

[10] 张友良,汪惠芬.异地协同设计制造关键技术及系统实现[J].工程设计,2002,9(2):53-59.

Key Technologies and Realization of Multi-user Collaborative Design System in Product Conceptual Design

SHANHong-bo,YANHai-feng,ZHOUShang-jin,YUHai-yan,WANGShu-guang,CHENGQi-xing

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

The architecture of the collaborative design system is studied, and the system of multi-user collaborative design system of conceptual design is developed. Modeling is built by B/S structure in the system. In order to realize the function and engineering parameter matching and output the conceptual design scheme, customers and designers are designed to work collaboratively in the process of confirming the customer voice and function transformation. The key technologies to realize the system are analyzed and the system is proved to be feasible by using an example of smart watch.

multi-user; conceptual design; collab orative design; design system

1671-0444(2015)04-0542-04

2015-03-30

单鸿波(1973—),男,湖北十堰人,教授,博士,研究方向为先进产品设计理论与方法、轻量化复合材料、3D织造装备和人因机械工程. E-mail: hbshan@dhu.edu.cn

TP 182

A