1.3 計算機輔助設計的發展趨勢與熱點

1.3.1 CAD技術的發展趨勢

CAD技術作為成熟的普及技術已在企業中廣泛應用，并已成為企業的現實生產力。圍繞企業創新設計能力的提高和網絡計算環境的普及，CAD技術的發展趨勢主要圍繞在標準化、開放化、集成化、智能化四方面。

1．標準化

隨著CAD技術的發展，工業標準化問題日益顯示出它的重要性。目前國際CAD行業已制定了一系列相關標準：①面向圖形設備的標準計算機圖形接口（CGI）; ②計算機圖形元文件（CGM）; ③面向圖形應用軟件的圖形核心系統（GKS）和程序員層次交互式圖形系統（PHIGS）; ④面向圖形應用系統中工程和產品數據模型及其文件格式的標準初始化圖形交換規范（IGES）和產品模型數據交換規范（STEP）等。這些標準規范了CAD技術的應用和發展。隨著技術的進步，還會陸續推出相關的標準。

2．開放化

CAD系統目前廣泛建立在開放式操作系統平臺上，在iOS系統平臺上也有CAD產品。此外，CAD系統都為最終用戶提供二次開發環境，甚至這類環境可開發其內核源碼，使用戶可定制自己的CAD系統。

3．集成化

CAD技術的集成化體現在三個層次上：其一是廣義CAD功能，CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP經過多種集成形式成為企業一體化解決方案，推動企業信息化進程。目前創新設計能力（CAD）與現代企業管理能力（ERP、PDM）的集成，已成為企業信息化的重點。其二，是將CAD技術能采用的算法，甚至功能模塊或系統，做成專用芯片，以提高CAD系統的效率。其三是CAD基于網絡計算環境實現異地、異構系統在企業間的集成。應運而生的虛擬設計、虛擬制造、虛擬企業就是該集成層次上的應用。

國際CAD商品系統開發的另一個趨勢是在全球范圍內優選最成功的功能構件，進行集成。至今最成熟的幾何造型平臺有兩家，即Parasolid和ACIS；幾何約束求解構件平臺有一家，它的主要產品是2D和3D DCM。我國開發的機械CAD應用系統已經部分采用ACIS和Parasolid平臺，這是合理的。但是國際上近來又有一種思潮，要求軟件開發自由化，以免受制于一兩家公司壟斷性產品的束縛，即選用Linux操作系統以及在它基礎上開發各種共享軟件，開放源程序。我國也在醞釀自主開發因特網、操作系統以及各種辦公的國產化系統。這時，自主研制幾何造型通用平臺和各種功能構件也將被提上議事日程，我們要及早做好準備。

4．智能化

設計是一個含有高度智能的人類創造性活動領域，智能CAD是CAD發展的必然方向。從人類認識和思維的模型來看，現有的人工智能技術對模擬人類的思維活動（包括形象思維、抽象思維和創造性思維等多種形式）往往是束手無策的。因此，智能CAD不僅僅是簡單地將現有的智能技術與CAD技術相結合，更要深入研究人類設計的思維模型，并用信息技術來表達和模擬它。這樣不僅會產生高效的CAD系統，而且必將為人工智能領域提供新的理論和方法。CAD的這個發展趨勢，將對信息科學的發展產生深刻的影響。

1.3.2 CAD技術研究開發熱點

1．計算機輔助概念設計

一方面，根據有關的統計資料表明，產品工本費的70%是在產品設計階段決定的。同時，一旦概念設計被確定下來，產品設計的60%～70%也就被確定下來了。尤其需要提及的是，即使詳細設計再好，也難以彌補概念設計階段所出現的缺陷。還有產品的創新及其所具有的競爭能力基本上也是在概念設計階段就被確定好的。故概念設計是設計過程中一個非常重要的階段，它已成為企業競爭的一個制高點。因此，計算機輔助概念設計愈來愈受到重視。但另一方面，在概念設計期間，所涉及的設計需求和約束的種種知識，往往是不精確的、近似的或未知的，也就是說復雜性很高，這給CAD技術帶來很大的難度。

概念設計的過程主要是評價和決策的過程，它涉及產品功能、動作和結構等因素，它對產品的價格性能、可靠性、安全性等起決定性的影響作用。正因為應考慮的因素和目標是多方面的，所以評價和決策過程是一個很復雜的、難度很大的過程。目前計算機輔助概念設計的方法可分為兩大類，即自動生成方案和交互生成方案，當然，應用時這兩種方法可以混合使用。

（1）自動生成方案。目前主要采用人工智能技術。為了使計算機有效地支持概念設計活動，需要解決兩大難題，即建模問題和推理問題。①建模問題是對產品的功能、動作和結構諸因素之間相互影響的復雜關系進行建?；虮磉_。例如汽鍋的蒸汽閥門，其功能是防止汽鍋爆炸，它的動作是當檢測到一定的壓力差時，它會自動打開，而其結構是所用的實際構件的布局及其連接關系，建模的結果提供推理用。②推理問題實際上就是生成和選擇合適的方案。

建模問題主要是建模的表示法，目前已提出各種各樣的表示法，如語言、幾何模型、圖形、對象、知識模型和圖像等表示法。語言表示法屬于一種形式描述方法，它能保證計算機有效地進行推理，稱為面向機器的表示法。而圖像表示法是一種高可視化的表示法（即可視化思維模型），它側重于提供一種有助于輔助設計人員創新工作的建模環境，稱為面向人的表示法，而上述其他表示法依次界于這兩者之間。

盡管已有很多不同的建模表示法，但它們往往只支持描述概念設計的某一方面，缺少一種能描述概念設計各種因素的統一表示法，這正是CAD技術研究開發者們下一步的目標。

推理問題的重點是在轉換過程，即把用戶需求映射到實現所給需求集合的一些實際的結構上；其難點在于產生和選擇合適的映射方法。

同樣也有很多推理方法支持概念設計活動，如神經網絡、基于實例的推理法、基于知識的推理技術、優化、價值工程和定性推理等。但目前也只能設計一些特定領域的例子，離全面應用還有差距。但從長遠來看，這方面的許多工作還應繼續進行。例如知識獲取是人工智能領域中一個大難題，為了解決這一問題，可以采用數據挖掘技術從已有的設計庫中自動獲取感興趣的領域知識。

（2）交互生成方案。由于概念設計的復雜性，自動地生成合適的方案是很困難的。在自動生成和選比方案尚未成熟之前，交互技術是重要手段。在概念設計階段可充分利用多媒體技術，如包括有效的信息搜索技術，以便在網上可查到大量對概念設計有用的設計例子。又如研究協同概念設計技術，使群體成員易于參與概念設計，并做出積極的貢獻。

2．計算機支持的協同設計

設計工作是一個典型的群體工作。群體成員既有分工，又有合作。因此群體的工作由兩個部分組成：一是個體工作，即群體成員應完成的各自分工的任務；另一是協同工作，因為群體工作不可能分解為互相獨立的個體工作。群體成員之間存在相互關聯的問題，一般稱為接口問題，接口難免會出現矛盾和沖突，如不及時發現和協調解決，就會造成返工和損失。傳統的CAD系統只支持分工后各自應完成的具體任務，至于成員間接口問題，計算機不能支持，主要靠面談或某種通信工具進行討論并加以解決。但這些方式很難做到及時并充分地協商和討論。因而一項大的設計任務接口問題難免要出差錯，這正是為什么設計工作會出現不斷反復、不斷修改這一過程的主要原因。

計算機支持的協同設計是計算機支持的協同工作（ComputerSupportedCooperative Work, CSCW）技術在設計領域的一種應用，用于支持設計群體成員交流設計思想、討論設計結果、發現成員間接口的矛盾和沖突，及時地加以協調和解決，減少以至避免設計的反復，從而進一步提高設計工作的效率和質量。

協同設計倍受人們的關注，已有不少原型系統，也有一些產品已在市場上出售。已有工作中，有些屬于基礎性工作，如建模、系統結構、適用于CSCW的支撐環境等。但從建立實用協同設計系統的角度來說，主要面臨如下三大問題：

（1）群體成員間多媒體信息傳輸。目前在局域網上通信方法已較成熟，但在遠程網上，交換數據時實行異步傳輸，現有網絡平臺問題不大，但實時交換數據問題較多，首要的問題是傳輸媒體的選擇問題，即基于公用網（如WWW）還是基于專用網（如語音傳輸可借用電話專線，又如租用ISDN總線）。目前多數研究集中在公用網Internet和Intranet上，但商品開發上更多考慮專用線。從實用效果來說，公用網效果較差，而專用線雖然效果好些，但價格太高。

（2）異構平臺。參與協同設計的成員是分散在各地，且設備條件多種多樣。因此，實用的協同設計系統必須能在異構環境中運行，包括數據傳輸、工具集成，還有跨平臺的交互界面，這主要依靠標準化工作來解決異構環境問題，目前普通采用的是CORBA（Common Object Request Broker Architecture，公共對象請求代理體系結構）、JAVA技術和通信領域的標準等。不過，這類技術目前對CSCW的支持還有不足之處，有待增強功能。至于跨平臺的交互界面的研制，雖有不少進展，但是至今尚未見到支持它的工業標準。

（3）人-人交互。應該說支持設計群體人員間的人-人交互是協同設計的核心問題之一，特別是目前自動發現矛盾和沖突，并進行自動協同和解決的技術還不成熟，因此人-人交互的手段尤其重要。當前，最為普遍的是利用電子會議（包括白板、語音、視頻等工具）支持成員間進行討論，它比較適用于交流設計思想，不過用它來討論設計結果就很費勁，共同修改設計結果就更不可能了。目前討論設計結果主要是依靠應用共享這一工具，這一工具能夠達到一人對一個CAD工具進行操作，其他成員均能在各自的終端上看到操作過程和結果。這個工具也可以和電子會議系統集成，用語音等工具進行討論。但應用共享最大的問題在于對于沒有源程序的CAD工具，一個時刻只允許一個人操作，其他人希望操作必須事先申請，獲準并在當前操作者退出后方可操作，故很不方便，成員間不能直接互操作，這是需要進一步解決的問題。

總而言之，協同設計系統的現狀是局域網已達到實用階段，在異步工作方式下，遠程協同設計問題也較小，但在遠程實時工作方式下，特別是基于公用網，尚處試驗階段。當然整個協同設計系統離成熟階段尚有一定距離，很多問題有待解決。

3．海量信息存儲、管理和快速檢索

CAD系統處理的信息愈來愈多，而且是多媒體信息。盡管磁盤容量增長速度很快，但仍遠不能滿足信息量快速增長的需求。海量信息的存儲、管理和快速檢索已成為世人矚目的問題。這除了依靠硬件來解決問題外，數據庫管理系統（Database ManagementSystem, DBMS）是一重要技術，實踐證明，傳統的關系數據庫管理系統（Relation Database ManagementSystem, RDBMS）已難以適應要求，而采用面向對象和關系相結合的模型可能是個過渡的解決方案。

4．設計法研究及其相關問題

設計工作是項復雜的且知識密集的群體活動，為了提高效率必須遵循某種正確的設計方法。雖然設計方法學的研究已持續半個多世紀了，但針對CAD的設計法卻是最近才有的，稱為正規設計流程法，它不僅讓我們知道設計是一種流程，還為開發CAD工具提供了依據，因此了解和識別設計過程的不同方面（即不同的設計活動），是開發新一代CAD系統的關鍵。

現在已出現許多設計流程法。過去常用的是自頂向下、自底向上的自然可行方法，但這種方法只適用于詳細設計階段。現在為了支持整個設計工作，設計法的研究重點應在支持概念設計方法和協同設計方法之上。例如，新的CAD系統可消除許多由于距離和時間所造成的對工作方法和組織的限制，協同設計面臨的不但有人-機交互，還有人-人交互，因而CAD的過程更復雜了。盡管人們都在期望提供一種靈活的、可移動的、安全可靠的遠程協同設計環境，但如果沒有正確的方法來指導，將很難達到預期的效果。

目前企業的組織基本上是一種很嚴謹的層次結構組織，在這種組織內民主有限，雖然它可防止出現人多嘴雜和無休止爭論的現象，但它又束縛著人們聰明才智的充分發揮。按目前情況，采用這種組織結構是必要的。但隨著工作方法和方式的改變，組織結構也可改成動態組成，只要群體成員間能相互了解，易于合作，也許這種非嚴謹的組織結構是可行的，可更好地發揮每個人的才干。

應該說到目前為止，設計工作還是由設計人員主宰一切，但事實上設計所牽涉的面很廣，包括市場的需求，生產是否可行，價格能否接受等問題，因此在協同設計時，設計群體應包括各類人員，除有關設計人員外，還應有顧客、社會和人文科學人員、工藝人員、生產人員、管理人員等。

5．支持設計創新

創新是產品設計的靈魂，如何利用計算機來支持創新，這是個新的課題。目前計算機只能提供一些啟迪方法：如存入大量多媒體設計數據，并通過網絡方便地供設計人員查詢，從而可能引導出意想不到的富有創新的設計；又如利用CSCW工具，通過直接討論方式來相互啟發，產生新的設計思想，促進創新設計。可以預見CAD技術將有新的飛躍，同時還會引起一場設計變革。

6．新技術在CAD中的應用

如上所述，CAD是吸收新技術最快的領域之一。下面僅以例子加以說明：

（1）虛擬現實與CAD集成。虛擬現實技術（VR）用于CAD，使CAD技術主要在兩個方面得到提高：一是令設計群體更逼真地看到正在設計的產品及其開發過程；另一方面是提高交互能力，使設計群體可以直接和所設計產品交互操作。VR技術在CAD中的應用面也很廣，首先可以進行各類具有沉浸感的可視化模擬，用以驗證設計的正確性和可行性。譬如說可以用這種模擬技術進行設計分析，可以清楚地看到物體的變形過程和應力分布情況，效果比實物試驗還要好。其次它還可以在設計階段模擬零部件的裝配過程，檢查所用零部件是否合適和正確。作為副產品，它可生成加工詳細時間表、裝配材料詳細清單等，并直接存入數據庫。在概念設計階段，它可用于方案選比。特別是利用VR的交互能力，支持概念設計中的人機工程學，檢驗操作時是否舒適、方便，這對摩托車、汽車、飛機等的設計特別有用；在協同設計中，利用VR技術，設計群體可直接對所設計的產品進行交互，應包括共享設計數據、討論和互操作等。另外VR技術還可用于開發人-人交互界面，更加逼真地感知到正在和自己交互的群體成員的存在和相互間的活動。

盡管VR技術在CAD中的應用前景很大，它的發展也很快，不過目前仍處試驗階段，離廣泛推廣應用還有一定距離。究其原因，首先是這類設備價格昂貴，其次是其性能也有待進一步提高。目前VR技術中的頭盔和數據手套使用起來很不方便，而且使用時間長了，會使用戶感覺到難受。另外，VR技術應用于CAD本身也有很多工作要做，包括VR數據的進一步處理，以便更好地把CAD技術與VR技術集成起來。

（2）計算機安全?，F在社會的工作、學習和生活已都離不開計算機，某一行業的計算機系統遭破壞，就有可能使這個行業乃至整個社會受影響，甚至于癱瘓。工程或產品設計一樣也離不開計算機，而且由于異地設計愈來愈多，對計算機的依賴性也愈來愈大。同時，它所處理的設計數據不但數量大，而且往往有一定保密性，這是市場激烈競爭所致。因此如果解決不了計算機安全問題，就難以進一步推廣應用新的CAD系統。