高效設計交互平臺構建及應用

摘 要：文章重點探討了實現高效研發設計交互的必要性，通過智能化設計工具搭載基于Web協同設計理念實現多系統集成的高效設計交互平臺，可解決企業諸如“信息孤島、設計不規范、手工操作繁瑣”等問題，如：將開發設計軟件與產品生命周期管理系統（PLM）、項目管理系統等集成，實現數據實時交互，確保數據準確性、減少重復工作，最終實現高效設計的目的。

關鍵詞：TFT-LCD；高效設計；交互平臺；智能化

1 高效設計交互平臺應用背景

1.1 行業發展趨勢

隨著現代制造技術的飛速發展和先進設計手段的出現，導致傳統設計方法已難以滿足時代的需求，特別是產品的設計要求不斷提高，設計對象由單機走向系統，設計要求由單目標走向多目標，設計領域由某一領域走向多個領域，產品設計方法復雜，設計需求更新加快[1]，導致整個過程由單一的設計者獨立完成勢必造成設計周期長、成本高、問題多發等問題。多學科、多系統、多領域的智能化協同設計平臺是實現高效設計的有效方式之一[2]。

高效智能化設計交互平臺使不同領域的專家共同參與產品開發設計，要求從產品的整體性質和功能出發，綜合整體與各組成要素之間的相互關系，以提高產品開發質量，縮短產品開發周期。

1.2 BOE高效研發設計的困難點

難點一：目前BOE各組織采取職級式管理，而產品開發需要跨組織協同推進，僅通過項目組推進無法有效打破職級式管理壁壘，實現高效運作，如：信息有效傳遞、任務高效執行、職責明確劃分等問題。

難點二：過多繁雜的工作捆綁著設計工程師，使其不能專注研發，如：概念設計驗證階段樣品邀請、品質送檢、實驗室測試數據；設計驗證階段樣品組裝、信賴性測試；產品驗證階段EN投產、產品Issue解決等大量溝通協調、搬運勞動等不斷重復進行。

難點三：設計交互平臺及智能化工具應用程度低，設計系統間以及設計系統與管理系統間信息完全獨立，形成企業信息孤島，導致工程師需要不斷在各個系統間進行手動維護數據，工作量大、而且錯誤頻發。

2 高效設計交互平臺介紹

在這樣的環境及背景下，我們應該考慮實現高效設計、打破企業信息孤島現象及降低產品開發成本等，而高效設計交互平臺是可以有效幫助我們解決以上問題，下面就介紹一下高效設計交互平臺的概念及構建方法。

2.1 高效設計交互平臺概念

高效設計交互平臺是由智能化設計工具搭載協同設計平臺來實現。通過智能化工具實現一部分設計過程自動化，再利用Web協同設計平臺建立統一的設計標準和管理規范，應用計算機和網絡技術形成平臺化建設。平臺是通過一定的信息交換和相互協同機制，分別以不同的設計任務共同完成該設計目標。協同設計平臺就是在計算機和網絡系統的支撐下處理上述的信息變換和相互協同機制的軟件系統。（如圖2所示）

2.2 協同設計平臺的分類

（1）在體系結構上可分為集中式、分布式、摁合式結構，在局域網范圍內，參與協同人數不是很多的情況下，采用集中式結構是合理的。

（2）協同設計系統在時間上可分為同步協同設計和異步協

同設計，為保證協同設計系統的完整性，對同步和異步都提供支持從而減少現行各專業之間（以及專業內部）由于溝通不暢或溝通不及時導致的錯、漏、碰、缺，真正實現所有設計信息元的統一性，實現一處修改其他自動修改，提升設計效率和設計質量[3]。

智能設計工具是以設計方法學為指導，以人工智能技術為實現手段。借助計算機編程技術在知識處理上的強大功能，結合設計數據和圖形處理工具，通過輸入設計目標Spec，系統自動生成設計方案或設計圖，從而實現了設計過程自動化[4]，而且還需要考慮到與各種設計軟件集成，提供統一的數據模型和數據交換接口。再提供強大的人機交互功能，使設計師對智能設計過程的干預，即人工智能融合成為可能。

綜合國內外關于智能設計的研究現狀和發展趨勢，智能設計按設計能力可以分為三個層次：常規設計、聯想設計和進化設計。文章結合最基礎的常規類智能設計進行介紹，即：設計屬性、設計進程、設計策略規劃為基礎，在智能系統推理機的作用下，調用符號模型（如規則、語義網絡、框架等）進行自動化或半自動化設計[5]。

2.3 高效設計交互平臺實現的關鍵點

高效設計交互平臺的構建包括智能化設計工具制作和協同化設計平臺搭建。協同設計平臺采用集中式或分布式結構，同步和異步協同兼容的設計平臺，實現的關鍵點包括：

關鍵點1：智能設計工具制作，首先要具備設計過程的再認識，智能設計工具的制作取決于對設計過程本身的理解，需要對設計過程的每一個細節進行邏輯劃分，通過系統編程語言描述設計的邏輯關系從而實現簡單的自動化設計[5]。

關鍵點2：設計制約關系表示，設計過程是一個非常復雜的過程，它涉及到多種不同類型知識的應用，因此，約束管理是產品開發過程中，各個子任務之間存在各種相互制約相互依賴的關系，其中包括設計規范和設計對象的基本規律、各種一致性要求、當前技術水平和資源限制以及用戶需求等構成了產品開發中的約束關系。產品開發的過程就是一個在保證各種約束滿足的條件下，進行約束求解的過程[3]。

關鍵點3：多專家系統協同技術，較復雜的設計過程一般可分解為若干個環節，每個環節對應一個專家系統，多個專家系統協同合作、信息共享，由此設計協同化平臺的搭建就實在必行。產品協同設計平臺需多個設計參與者在計算機支持環境中，互相合作地完成整個設計任務。設計任務往往比較復雜，需要進行任務分解，將子任務分配給各參與者，使設計任務簡單化，以便有序地完成整個設計任務。產品設計過程可被定義為過程結構樹，它可以進一步分解為一組子項目，子項目由一組過程單元組成，而過程單元還可以進一步分解為子過程單元，整個過程是一個遞歸過程[6]。

關鍵點4：協同設計的知識管理模型構建，由于復雜產品的研制涉及多部門、多企業，還存在異地多企業PLM系統集成以及不同版本的信息共享問題，因此協同設計環境需要集成多學科工具，包括ERP和PLM系統的異構。其創建、管理和維護工作復雜、困難，數據源和數據有效性方面都需要協同平臺提供支持[7]。

關鍵點5：除了必需的軟硬件環境外，面向產品的協同設計系統時還需滿足協同流程的特殊要求：能集成一個聯結CAD、CAE和CAPP等各種工程軟件工具的框架，為公司內部部門或多個合作公司之間提供分布式/集中式系統設計開發環境。

關鍵點6：以Web為載體的知識庫能被該系統所編譯、調用和配置，并能遠程實時利用這些軟件資源；協同流程中不同節點的異地執行可以通過在PLM基礎上擴充的PDM系統功能，針對不同客戶需求，動態地組織資源，使之能參與到特定的項目工作之中[8]。

關鍵點7：智能化人機接口，良好的人機接口對智能設計系統是十分必要的，對于復雜的設計任務以及設計過程中的某些決策活動，在設計專家的參與下，可以得到更好的設計效果，從而充分發揮人與計算機各自的長處[4]。

3 行業內成功的應用案例

在行業內應用高效設計交互平臺構建理論并實現應用的企業有很多，他們已經擁有協同設計平臺應用實際及豐富的成功經驗，下面介紹幾個典型的案例：

3.1 奇瑞汽車應用上述的基本思路構建了基于PDM協同化設計平臺，可有效的實現高效設計并取得了可觀的經濟效益

奇瑞PDM協同設計平臺共分九個階段建設，通過基礎數據及業務流程梳理，建立協同設計標準化規范，最終通過Teamcenter系統構建協同設計平臺。平臺的構建使奇瑞汽車擁有了標準的設計研發流程，問題解析DMU系統，通過協同設計平臺的搭建有效整合公司各類資源，實現高效的協同作業。（如圖3、圖4所示）

通過整個PDM系統的實施和應用，PDM對于整個公司的經濟效益顯著：（1）減少設計變更，大大降低了研發資金。從整個研發流程來看，產品數據凍結后的更改控制占總研發費用的一大部分，虛擬評審體系的建立減少的設計變更每年為公司帶來直接效益多達1.2億；（2）產品數據準確率提高15%～40%；

（3）產品數據屬性準確性提高10%～20%；（4）產品數據和BOM匹配率15%～50%；（5）提高產品數據沿用率25%～45%；（6）由于研發周期縮短、等從而降低的成本一般可達15%～22%；（7）提高標準件和通用件的重用度，降低研發成本：奇瑞50萬輛車/年，5%的通用產量，每年可節約1～1.5億人民幣。

3.2 基于Teamcenter的協同設計

各種CAD軟件設計的產品及零部件都可以統一的在Teamcenter中進行實時的管理。多CAD協同設計Teamcenter可以和各種CAD進行無縫的緊密集成，實時共享WIP數據、發布數據、Baseline。可以全方位的支持CAD的各種建模過程及自頂向下、自底向上的設計模式（如圖5所示）。在整個設計過程中，支持BOM的實時雙向同步（CAD到Teamcenter），屬性的雙向映射，并且可以全面支持CAD的關聯設計，例如柔性裝配、變型件、部件家族、Wave鏈接、大裝配等。

Teamcenter的社區協同功能可以建立一個安全且適用性強的環境，使分散在不同地點的多領域團隊能夠在整個產品生命周期中使用豐富的產品數據實時地進行合作。

在可視化數據協同的基礎上，建立虛擬團隊，使公司的內部不同部門或不同區域的員工、與它們的供應商、結盟合作伙伴及可信任的客戶在一個協同社區內進行協作，更方便地進行概念研究、計劃評審、設計評審、工程變更評審等，有助于產品的決策，減少時間和商務成本，增加了交流的機會和參與者，提高了創新能力及產品質量，使產品數據進行實時交互。

4 BOE的高效設計平臺搭建

根據奇瑞汽車和Teamcenter的案例可以看出，在行業內協同設計平臺已被廣泛關注并且有很多成功案例，BOE為適應行業的快速發展趨勢應借鑒成功經驗盡早部署屬于BOE自己的高效設計交互平臺。

4.1 BOE高效設計交互平臺現狀

為搭建BOE高效設計交互平臺，前期我們做了充分調研，調研顯示，BOE系統信息各自獨立管理、設計變更頻繁，重復手動設計工作多，導致工作量大，效率低而且錯誤頻發?，F階段問題點及對策進展：

（1）系統間信息交互不暢，即“企業信息孤島”，可以通過建立系統間信息交互平臺來解決；將設計軟件與管理系統進行數據交互，實現信息自動同步傳輸，可大幅度縮減手動重復維護數據的工作量和錯誤發生率；目前進展是：正在推進 “電路設計軟件與PLM系統數據自動交互”。

目前PLM與電路設計系統間數據管理有三方面問題：a.新物料創建時，工程師需要對物料號及其屬性在PLM系統和設計軟件中重復填寫，導致工作量大且容易出錯；b.設計軟件中Part No.信息狀態長期缺失維護，導致冗余，從而影響BOM準確性；c.設計圖紙完成后，BOM需要手動反復修改確認再導入PLM系統，工作量大且容易出錯。鑒于以上問題，提出“物料屬性交互、物料狀態交互、一鍵導入BOM”改善方案，目前正在推進中。

（2）設計變更頻繁可以通過建立協同設計平臺解決；如果能將Mask設計、Cell設計、電路設計、機光設計進行串接，利用Web協同設計理念形成集中式或分布式、異步/同步兼容的協同設計平臺，跟蹤設計進展的同時設計條件相互約束，并在限制條件下充分利用，做到無縫拼接設計，可以大幅度減少設計工作量和錯誤率，此部分需要大量基礎數據信息支持及各專業的專家共同參與檢討，涉及范圍廣，影響較大所以暫未啟動。

（3）重復手動設計工作，可以通過智能化設計工具進行解決。例如，在研發設計過程中仍需要手動進行大量繁瑣的電路PCB Layout布線，Mask制圖，Cell周邊設計等不斷的重復工作，而智能化自動化設計雖不能完全替代人工設計，卻可以實現小模塊協助設計，從而幫助工程師簡化設計工作，降低錯誤率，實現高效開發。

目前B4 Cell設計中Panel周邊設計模塊（如圖6所示）。通過Eclipse基于Java的可擴展開發平臺開發了Cell周邊智能化設計工具，工程師僅需要將產品設計規格輸入系統，系統會自動完成四個角的周邊設計工作還可以通過輸入數值按需調整設計圖紙，真正實現高效自動化設計，此功能可以大幅度減少設計工作量、設計時間以及設計錯誤發生率，其中設計效率可提升83%。

4.2 BOE高效設計交互平臺規劃

結合高效設計交互平臺搭建理論及行業成功案例，對BOE高效設計交互平臺規劃如下：

（1）礎數據交互平臺完善，對于設計相關基礎設計信息，如產品設計規格、測試數據、物料屬性、BOM信息等建立合理高效的信息交互平臺，保證多系統間信息同步并保證信息的準確性。

（2）協同設計平臺盡早搭建，首先在基礎數據交互平臺的基礎上，再完善協同設計規范及統一標準，最后實現基于Web或TC的協同設計平臺的構建，實現無縫拼接設計，減少不必要的設計變更工作，從而大幅度提升設計效率及設計準確性。

（3）利用計算機網絡技術結合設計原理，盡可能多的研發智能化設計工具，可大幅度減少設計工程師重復手動設計工作。

5 結束語

文章結合目前國內制造行業發展趨勢及目前BOE設計方面的困境介紹了高效設計交互平臺。平臺基于Web/TC的原型系統支持跨系統和網絡環境下對各設計系統間或與管理仿真系統之間方便的數據共享，還可以和各類智能化工具進行集成應用，如PLM、ERP等系統集成方案相結合，真的實現產品設計協同化、智能化，最大程度的節省開發成本、縮短開發日程、提高產品開發效率。

參考文獻

[1]劉強.面向復雜產品的協同設計研究[J].中航工業中國特種飛行器研究所，2012（11）.

[2]李光斗.中國制造的危機這次真得來[J].網易財經《亦觀察》，2015.

[3]梁江.基于CAD的協同設計平臺[J].計算機世界，2006（1）.

[4]張航，李宸衛.智能設計[D].國防科學技術大學，2013（1）.

[5]天雨.智能制造：兩化深度融合大趨勢[J].人民郵電報，2014（1）.

[6]張和明，熊光楞.Web的多學科協同設計與仿真平臺及其關鍵技術[D].清華大學，2003（8）.

[7]盧茂單，李植林.協同設計管理系統設計及實現[J].2004（2）.

[8]裴玉玲.基于可制造性的PCB協同設計[D].重慶工業職業技術學院，2010（10）.

作者簡介：張晨陽（1985，4-），男，漢族，黑龍江牡丹江人，佳木斯大學學士，主要從事制造型企業標準化管理工作。