設計行為意義上的數字化設計系統特性評價

摘 要：從設計行為的角度分析數字化設計系統的優劣，進而論證數字化設計系統的演化特性.建立了包括設計行為鏈在內的相關概念體系，提出了設計行為量等計算方法.采用不同產品信息建模原理和軟件架構技術構建不同數字化設計系統，完成相同產品設計任務的設計行為對比試驗.通過試驗數據的定量研究，驗證了基于設計行為試驗和分析對產品數字化設計系統優劣進行判別的可行性，分析了不同建模原理和技術對此類軟件系統的影響.

關鍵詞：軟件架構；設計行為；行為量計算；產品數字化設計系統；一元四體模型

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

Characteristic Evaluation of the Sense of Design

Behavior for Digital Design System

LIU Zi-jian，DONG Si-ke，WANG Ping，LV Cheng



(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China)

Abstract:

From the view of design behavior，the merits of digital design system were analyzed，and then the evolution of digital design system was demonstrated.The related concepts about design behavior chain were established， and the computing method of design behavior quantity was proposed. Two digital design systems built by different product information modeling principles and software architecture technology were carried out to take behavior comparison experiment to complete the same product design task. Through quantitative analysis of the experimental data， the feasibility of discriminating the advantages and disadvantages of digital design system based on design behavioral experiments and important effect of such software system caused by different model principles and techniques were verified.

Key words:software architecture;design behavior; calculation of conduct; digital product design system;A Model with Four Bodies(AMFB) product model

數字化設計系統在現代制造業中占有越來越重要的地位，然而，對其進行系統意義上的理論研究和技術改進仍處于局部領域和淺層次階段.深入研究產品數字化設計系統的發展規律，探討如何改進建模原理和軟件架構技術，仍然是這一研究領域的當務之急.在產品設計過程中，人的行為起到至關重要的作用，尤其是在交互式技術高度發展的今天.從設計行為的微觀角度，研究采用不同建模原理和技術的數字化設計系統的特性，將有助于形成這一研究領域解決某些問題的新方法.

目前，已有學者將設計行為研究應用到建筑及心理學等領域.王宇從行為的角度建立人的心理需求空間［1］.許峰等從心理行為因素方面研究通過心理、行為等因素創造人性化步行空間的原則［2］.在數字化設計領域，有學者從宏觀角度對產品數字化設計系統的演化特性進行了研究.Moonsoo Shin等提出用一種制造系統的自演化結構，改善系統對復雜產品設計需求的適應性［3］.劉子建等［4］從系統科學的角度，運用耗散結構、信息熵理論，采用定性與定量相結合的方法，通過改變產品信息模型原理和軟件架構技術，對數字化設計系統的時間和空間信息差進行了比較分析.以上論述表明設計行為在某些領域的應用取得了一定的效果.然而，這些學者并沒有從系統與人的作用關系的微觀角度對設計行為進行研究，他們難以準確把握數字化設計系統的演化特性，不能為產品建模理論和技術的研究提供充分的支持.

本文建立了包括設計行為鏈在內的相關概念體系，提出了設計行為量等計算方法.采用不同產品信息建模原理和軟件架構技術構建不同的數字化設計系統，通過設計相同的產品，計算設計行為量，進行對比試驗和定量分析，驗證了基于設計行為試驗和分析對產品數字化設計系統優劣進行判別方法的可行性，以及不同建模原理和技術對此類軟件系統的重要影響.

1 產品數字化設計流程與設計行為

1.1 產品數字化設計流程

產品全生命周期數字化設計流程中的設計行為，可以分為確定基本方針、前期調查、可行性研究、銷售調查、設計展開（包括概念設計、功能原理設計、結構設計、零件設計、零部件分析設計、制造工藝設計、裝配設計）、產品仿真、生產計劃、設備及市場準備、生產和銷售、產品維修回收等多個行為階段［5-6］.為了使論述更集中，本文將產品數字化設計流程簡分為設計、分析、制造、裝配4個階段進行討論.

1.2 設計行為分類與研究內容

產品設計行為可以分為查詢資料、設計計算、建立模型或繪制圖形等3個基本類型.

我們將上述3類設計行為和動作稱為設計行為節點，每個節點都與設計內容、行為頻次和時間相關，如圖1所示.

由于設計行為是以設計心理活動為主導的有組織的思維活動和設計動作的集合，所以本文所指的“設計行為”包含了“動作刺激”和具體的“設計動作”兩個部分，并且認為前者是后者的動因，后者是前者的表象，它們具有內在的一致性.產品數字化設計過程與軟件系統的功能、設計者對系統的操作密切相關，下面同時提到設計行為和動作就是考慮了人機之間這種密切的交互關系.

1.3 相關概念體系

為了深入研究，建立相關概念如下.

1.3.1 設計行為鏈

設計行為鏈（Design Behavior Chain，DBC）：為了完成某一設計流程規定的目標而必須采用的動態有序的設計行為序列，稱之為該設計流程對應的設計行為鏈.在產品設計的全過程中，可以存在一條或多條設計行為鏈.

1.3.2 設計行為片段

設計行為片段（Design Behavior Segment，DBS)：為了完成某一設計內容而必須做出的判斷、對策，以及必須采用的設計行為的集合，稱之為該設計內容對應的設計行為片段.設計行為鏈通常包含有多個設計行為片段，每一個片段可以完成確定的設計內容，獲得具體的設計結果.

1.3.3 設計行為動因

設計行為動因（Design Behavior Reason，DBR）：為了確定設計行為實施步驟而做出的滿足設計需求的判斷和對策，稱之為設計行為動因.設計行為動因通常包含對完成設計內容必需的行為序列的組織，以及若干具體的設計動作.DBR與設計者的經驗及其對設計流程的把握相關，通常在一個DBS下有一個或者多個DBR.

1.3.4 設計行為節點

設計行為節點(Design Behavior Node，DBN）：設計者在消除設計信息不確定性時所接受的刺激和采取的設計動作稱之為設計行為節點.一個設計行為節點可以輸出確定的設計參數或某種設計結果，也可以是不直接產生結果的過渡性的設計動作.設計行為節點是研究設計行為與數字化設計軟件系統關系的基本元素.DBR的具體內容需要 DBN來完成，一個DBR下可以包含多個DBN.

1.3.5 設計行為量

設計行為量（Design Behavior Value，DBV）：設計者在完成每一個DBR的內容時，其對應的DBN所耗費時間及動作頻度的累加值，稱之為該DBR包含的設計行為量.由定義可知，DBV包括兩種量，一種是時間量Si，單位為s；一種是頻度量Pi，單位為次.為了研究方便，可以將時間量、頻度量分別進行無量綱化處理，具體方法見后面的討論.

綜合上述，我們定義了與產品設計過程相關的關于設計行為及其關系描述的概念體系，其相互關系是設計行為節點組成設計行為動因，設計行為動因組成設計行為片段，設計行為片段構成與產品數字化設計流程相對應的設計行為鏈，如圖2所示.

2 設計行為的測量與計算

2.1 行為測量方法

行為測量是對行為的直接觀察.研究者必須經常決定是否記錄在規定時段內行為發生的次數(頻度)，行為在刺激給出多久以后發生(反應時間)，或者行為持續多久(持續時間)［7］.

數字化設計環境下設計行為的測量方法主要有顯式測量和隱式測量兩種.顯式測量的內容包括設計者具體操作（或動作）的時間及頻率.各DBR的行為量可以通過顯式測量法獲得.隱式測量是對人的內心活動、感受、狀況等的了解，通常采用訪談和問卷調查等方式進行，在實際研究中隱式測量與顯式測量的結果常常是相關的.本文暫不討論DBR行為量中與隱式測量相關的部分.

由前述的定義和圖2可知，設計行為動因與節點之間有邏輯上的因果關系，如果將DBR視為自變量，DBN視為因變量的關系，則這種關系可以表述為：

yDBN=f(xDBR).

2.2 設計行為量的計算

依據文獻［8］提出的重要度計算方法，可以確定每一DBN的權系數.然后，對查詢、計算、建模3類設計行為和動作所用的時間、頻度進行加權求和，得到該DBN所對應的DBR的行為量，再對同一DBS的各DBR進行加權求和，求得該DBS包含的行為量.以此類推，可以獲得該設計行為鏈（DBC）的行為量，直至求得該產品總體設計行為量.

在灰色系統理論中，當指標具有不同的量綱時，為了消除不同指標量綱所帶來的不可公度性，保證分析解集的科學、可靠，需要對各指標進行無量綱化處理［9］.設有兩種量si，pi均為效益型指標，其對應的無量綱化處理方法如下.

效益型指標：

在本文對權系數的研究中，權系數分為3種類型，第1種為定值權系數，包括3種類型的行為節點權系數以及2種類型行為量權系數.第2種為DBR權系數，是比較復雜的一種，在本文中，將設計者進行設計時考慮的先后順序作為考慮的主要依據，最后通過式(2)獲得DBR權系數.最后一種為人為權系數，即不通過公式，只通過人為確定的方式獲得行為量，在本文中表現為DBC權系數，將其值定為1.

4 數字化設計系統優劣判別模型

設分別使用數字化設計系統A，B進行產品P設計時計算獲得的總行為量為CVAPH(0，0)，CVBPH(0，0)，用A，B系統分別設計產品P，所發生的全部行為量的差值為ΔCVA，B，并且

ΔCVA，B=CVAPH(0，0)－CVBPH(0，0).（11）

我們稱式（11）為設計行為量判別模型，可以根據ΔCVA，B判定兩個不同數字化設計系統在設計行為量意義上的優劣性.當ΔCVA，B>0時，表示完成同一設計任務時，使用系統A要比使用系統B的行為量大，B系統優于A系統.當ΔCVA，B<0時，表示完成同一設計任務時，使用系統A要比使用系統B的行為量小，A系統優于B系統.

如果設計行為測試足夠準確，式（11）可以作為數字化系統交互式設計性能的判別模型.另一方面，如果用式（11）判別的數字化設計系統采用了不同的產品信息建模原理和軟件架構技術，則可以基于此對產品信息模型和軟件技術進行間接的定量評價，從而將式（11）用于研究建模原理和相關技術.當然，ΔCVA，B側重從行為量方面反映軟件系統和模型的特性，必須綜合應用隱式測量和分析等方法才能對建模和軟件技術做出更為客觀的評價.

5 實例分析

下面以某汽車變速器中間軸為設計實例進行驗證分析，同樣的設計任務在兩個不同的數字化設計系統中進行.系統A由異構環境下多個CAx系統組成，系統B是采用“一元四體”模型原理和技術的AMFSDI系統［10-11］.

5.1 用系統A設計中間軸

系統A采用傳統的設計流程，通過在多個異構系統間進行功能調用的方法完成設計任務，其設計行為鏈如圖3所示.

5.2 用系統B設計中間軸

系統B采用如下設計流程：

1）在系統中根據產品名稱和代號檢索數據庫中有無類似產品，如果有類似產品，則根據設計需要修改案例，進而得到結果并保存；如果沒有類似案例，則對產品進行全新設計.2）模型基本體的設計，即建立零件的幾何拓撲關系，模型的基本體可以在AMFSDI系統中建立，也可以從外部的模型資源中獲得，即利用系統的數據交換模塊導入其他CAD系統的模型文件.3）建立模型的檢索體，動態地為模型配置設計、分析、制造和裝配階段的獨立單元信息.4）在為模型配置完備獨立單元信息基礎上，利用控制體集成外部分析資源的功能，對產品進行性能分析，得到分析結果.如果結果不合理，則返回到基本體和檢索體設計階段，修改相關的參數，重新進行性能分析；反之，則進行下一步工作.5）確定工藝方案，在數據庫中檢索有無類似產品的工藝方案，如有類似方案，對原有方案進行相應修改，得到新方案；如果沒有類似方案，則針對該產品制定新的工藝方案，最后保存在系統數據庫中.

系統B的設計行為鏈如圖4所示.

最終獲得B系統下設計中間軸的設計行為量為0.40.

5.3 系統優劣判定

在獲得2種系統設計中間軸設計行為量的基礎上，將所得結果代入式（11）可計算出結果如下：

可以得知，當完成同一中間軸零件設計任務時，使用系統A要比使用系統B的行為量大，系統B要比A系統優越.根據2種系統最終設計行為總量來看，使用傳統的異構設計系統在設計過程中需要查詢資料過多，且目標不是很明確，造成時間和頻度上都比使用AMFSDI系統要多26%，從設計行為定量分析的角度證明了“一元四體”建模原理和技術的優越性.

6 結 論

本文提出了DBC，DBS，DBR，DBN等組成的設計行為概念體系和設計行為量定義方法，分析了它們之間的關系.通過G1法確定了設計行為各類權重，建立了設計行為量計算方法和矩陣描述方法，為進行定量研究打下了基礎.最后，以某汽車變速器中間軸為例，通過引入支持“一元四體”模型的新型軟件平臺和傳統設計系統進行設計實例試驗和對比分析，驗證了本文研究方法的正確性，以及基于此對數字化設計系統、產品建模技術等的優劣進行評價的可行性. 

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