基于知识的数控机床ICAID系统的构建

赵江洪, 曾 栋, 张 军, 王 巍

(湖南大学 设计艺术学院, 湖南 长沙, 410082)

摘要: 将设计知识和用户知识的提取过程作为获取工业设计知识的方法, 并以知识为基础构建数控机床ICAID系统中的知识系统; 通过口语分析实验和意象尺度实验, 得出工业设计师与工程师的设计思维差异以及构建ICAID系统所需的系统知识, 即: 关于组织、 管理的系统知识与工业设计领域求解问题的系统知识; 分析设计师与工程师对数控机床造型设计的认知过程, 得出自上而下和自下而上2种不同的认知方式, 提出对应的意象尺度图与草图器2种知识推理机制; 结合设计经验知识与构建ICAID系统所需知识的类型和应用模式, 研究ICAID系统的构建方式, 提出一个能为用户解决数控机床工业设计领域问题的知识系统模型。
关键词: ICAID系统; 数控机床; 工业设计; 系统知识; 知识系统
中图分类号:TP391; TH122; TH166 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)03-0458-07

Construction of knowledge-based ICAID system
for numerical control machine tool

ZHAO Jiang-hong, ZENG Dong, ZHANG Jun, WANG Wei

(School of Design, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: The acquisition of knowledge about design and user in terms of industrial design is related to the knowledge-based framework of ICAID for numerical control machine tool. The experiments with the techniques of protocol analysis and image scale analysis were carried out to study the thinking difference between industrial designer and engineer, and to obtain the system knowledge about the construction of system, such as, the system knowledge about managing knowledge and about resolving question in the field of industrial design. Studying the cognitive process of designing and knowledge of design, the 2 different cognitive ways, i.e. top-to-bottom and bottom-to-up processes were obtained, which were correspondently expressed by the map of image scale and the sketch machine. Based on the experiments and cases study, the types of knowledge-based system with a practical framework and a schema of knowledge system were proposed. A knowledge-based system model of ICAID for numerical control machine tool and the ICAID system were built.
Key words: ICAID system; numerical control machine tool; industrial design; system knowledge; knowledge-based system 

ICAID是基于Internet的计算机辅助工业设计的简称, 是指在网络环境和计算机辅助工业设计系统的支持下, 进行工业设计领域的创造性活动^{[1, 2]} 。 通过研究设计思维来建立工业设计的思维模型, 在设计过程中利用知识和获取新知识, 实现计算机辅助工业设计已成为该领域新的研究热点^{[3, 4]} 。 以数控机床为工业设计研究对象, 通过引入基于知识的设计理念和技术, 研究在网络环境下建立一个工业设计师和机床工程师共同参与, 由知识驱动的计算机辅助数控机床工业设计系统^[3-5] 。 基于知识作问题求解的智能化计算机平台称为知识系统^[6] , 开发知识系统的任务主要集中在获取知识、 构建系统和维护知识库3个阶段^[7] 。 在此, 作者主要对获取知识和构建系统2个方面进行研究。

1 ICAID系统中的知识

ICAID系统是以知识为基础构建的, 对知识源的知识进行提取并进行相应处理是建立知识系统的基础。 系统辅助工业设计的基本实现形式是提供如图1所示的系统知识框架, 系统用户借助系统能够完成数控机床的工业设计活动。

图 1   系统知识框架
Fig. 1   System knowledge framework  

在系统知识框架中, 首先涉及的知识有2个主要知识源, 即工业设计师(设计知识)和工程师(用户知识)。

在系统构建前期, 提炼设计知识是解决问题的关键。 工业设计师具有专业的产品造型能力和审美能力, 还具备对设计可行性等机床造型造成影响的因素进行处理的能力。 从工业设计领域知识的角度分析, 影响设计的主要知识因素包括: 功能、 结构、 工艺、 形态、 色彩、 环境、 成本以及人机工程等领域知识。 工业设计的知识包括设计师在头脑中内在的和隐含的经验和感觉, 以及通过视觉化等手段外化并表现出来的技能和技巧, 可以理解为内隐性知识和外显性知识2种形式^[3] 。 内隐性知识表现为直觉性、 形象性; 外显性知识表现为分析性、 逻辑性。 设计知识在设计活动中, 表现在对问题的定义、 创意的评价和解决问题的方案上^[8] 。 工业设计师所具有的设计知识是含义模糊的, 是单凭经验得到的规则和不确切的标准^[9] 。

工程师作为另一个知识源在ICAID系统中扮演3种角色: 问题的提出者;系统的使用者;最终设计方案的获得者。 工程师具备机床类型、 结构和工艺分析的能力, 表示运用各种符号及抽象概念来表达问题中的各种关系的知识, 以及解决方案的可能范围的知识。 在工程师对工业设计方案进行评价时, 工程师同样具有对造型方案的评价能力。 所以, 可以归纳出, 工程师的作用主要是2种,即机床结构知识的运用和工程师自身的造型评价。

在ICAID概念中, 根据范围和领域把知识分为设计知识和用户知识。 设计知识包含设计经验、 设计价值、 背景知识和专家洞察力, 是一种领域性知识。 用户知识指与终端用户的理解、 操作、 使用方式有关的知识, 是一种特例性知识。 设计知识和用户知识与产品的开发周期相联系, 形成知识周期, 如图2所示。

图 2   设计知识和用户知识系统周期
Fig. 2   System cycle of design knowledge
and user knowledge  

如图1所示, 对知识的理解目的就是为了提取构建系统所需要的知识, 即系统知识。 系统知识就是在系统中对工程师的用户知识和工业设计师的设计知识起指导作用的知识, 也可以说是关于知识的知识, 关于思想的思想。 ICAID系统涉及工业设计和工程设计相关领域的知识集成, 需要研究工业设计师和工程师的知道什么和不知道什么的相关知识。 其中, 研究以下3类系统知识成为构建系统的关键, 即:工业设计师与工程师的设计思维差异, 设计系统的组织管理知识和工业设计领域求解问题的知识。

ICAID系统的知识处理机制是基于WEB的设计过程和建立在浏览器/服务器(B/S)标准架构上的机制,即用户可以通过客户端浏览器访问ICAID服务器,并基于ICAID服务器通过系统内嵌的Netmeeting控件实现与另一客户端的音频传输,共享桌面和数字白板等协同工作功能。 它的系统数据库包含大量的设计数据,如: 渲染图片文件、 工程文件(SolidWorks文件)、 三视图文件(AutoCAD 文件)和动态eDrawing等。

2 系统知识的获取和应用

2.1 实验方法

口语分析法实验也称为“有声思维”实验, 是一种通过分析被试的口语报告获取被试认知活动信息的一种方法。 从研究方法看, 口语分析法基于3种理论: 一是认知过程本身是可以意识到并用语言表达出来; 二是完成某项任务过程可以被表示为一系列的认知过程的结合; 三是整个任务完成的时间等于单独认知过程时间的和[10, 11]。
2.2 实验时间和地点

时间为2002年12月23-27日, 地点是湖南大学设计艺术学院。
2.3 实验对象

5名具有3年以上数控机床设计经验的工程师, 5名具有数控机床设计经验的工业设计硕士研究生。
2.4 实验任务与条件

实验任务:

a. 完成XH-786立式数控加工中心外观造型设计, 提交外观造型及3组配色方案(不涉及机床结构布局的修改);

b. 实时口语报告设计思维过程;

c. 当任务完成后, 针对设计中的一些问题完成相关问卷, 作为追述口语报告。

实验条件:

a. 机床图片资料(印刷品、 电子文档);

b. 机床结构工程图(AutoCAD 文件);

c. 机床结构三维模型(SolidWorks文件);

d. 实验过程全程录像。
2.5 实验分析和知识研究

实验分析围绕3个问题进行,即: 工业设计师与工程师的设计思维差异, 设计系统的组织管理知识和工业设计领域求解问题的相关知识。

表1所示为工业设计师与工程师的设计思维差异。 在造型构思方法、 设计过程等方面, 工业设计师和工程师的设计思维差异主要表现为对形象思维和逻辑思维的内在知识系统和表达技能的差异。 同时, 工程师虽然对自己的造型设计缺乏足够的知识和技能, 但是对自身具备的造型评价能力和工业设计整体工艺性、 合理性的能力表现突出。 这说明只要ICAID系统能提供足够的知识辅助和支持, 工程师可以独立完成数控机床工业设计活动。

表 1   工业设计师与工程师的设计思维差异
Table 1   Design thinking difference between
industrial designer and engineer

基于实验结果分析, 在ICAID系统中所需的系统知识可以分为以下2类:

第1类是关于组织和管理的系统知识。 ICAID系统是一个较庞大的知识系统, 包含的知识复杂且多样化。 组织和管理这些知识的系统知识的作用是为了使这些知识能在系统运行时发挥作用, 实现工业设计师和工程师的设计思维交叉。 在ICAID系统中, 这一类型的知识主要包括: ICAID系统的总体规划, 不同模块在系统中的组织, 系统的关键设计过程, 系统的更新与维护手段等。 ICAID系统的知识规划模型如图3所示。 数控机床的性质决定其造型与色彩,力求形式简化, 一般采用3套以下色彩配色。 但目前国际上也有向个性化和情趣化方面发展的趋势, 以摆脱机器的冷漠感。 在机床使用者的用户知识(或称特例知识)方面, 由于数控机床是小批量订单生产, 每款产品的用户范围相对固定且数量比较少。 因此,更要求设计人员了解特定用户群的用户知识。 这种用户知识不同于设计知识范畴中的人机工程知识, 后者是规范性的、 原理性的、 普遍性的知识。 某个设计对象的用户知识往往可能会与普遍性的知识不同甚至相反, 这正是特例性知识与领域性知识的区别。

图 3   ICAID系统的知识规划模型
Fig. 3   ICAID knowledge programming model

第2类是工业设计领域求解问题的相关知识。 运用工业设计领域的知识解决问题是ICAID系统问题求解的惟一手段。

通过大量的实际案例设计,从影响数控机床造型的设计元素着手,进行关于数控机床工业设计知识的知识提取,以阐述机床造型设计的知识和构建系统所需的系统知识。

a. 数控机床结构与造型的映射关系。 在数控机床ICAID系统中,根据数控机床的典型结构, 将数控机床分为数控车床、 立式加工中心、 卧式加工中心、 立式车床以及龙门式加工中心5类。 数控机床的内部结构和运动方式是其外观造型的决定因素, 不同的机床类型必然有其区别于其他类型显著的外观特征。 结合实验研究结果, 发现从机床的三视图进行设计可以得到能够较好反映机床内部结构特点和整体造型风格的外观设计效果, 从而建立机床结构与外观之间的对应或映射关系, 使在造型设计中完全形象思维创造的过程具有逻辑规律。 从侧视和顶视轮廓对机床结构特点进行分析, 并研究其造型变化规律。 从侧视轮廓进行设计的数控机床, 操作者主要观察面为前视方向, 因此,其造型变化主要反映在前视方向, 如卧式车床和小型立式加工中心的造型设计。 从俯视轮廓进行设计的机床造型,由于操作者通常观察面为前视和右视, 这决定了这2个面上门窗等附件造型变化较大, 如卧式加工中心、 立式车床及部分立式加工中心的造型设计。 数控机床结构与造型的映射技术在ICAID系统构建中通过开发的草图器实现。

b. 造型与人的生理和心理的关系。 数控机床作为大型机械产品, 与人的关系不仅是生理上的, 同时也是心理上的。 以2种不同机床侧面轮廓的设计为例, 由于侧面轮廓中折点的位置不同, 给人的视觉感受完全不同。 图4(a)所示的机床给人的感觉是造型质量小, 但同时具有尖锐的危险感, 而图4(b)所示的机床给人的感觉是踏实而稳重, 但机床的质量略显大。

机床的复杂操作过程决定了人机工程设计问题的难度, 要获取其设计知识,必须对人体尺度和操作姿势进行分析, 并采取机床使用过程的工作分析等人机工程学方法, 结合相关的国家标准, 对机床设计中与人关系最密切的机床尺度、 控制面板和把手的高度等提供参考依据。 图5所示为机床设计中人的尺度分析方法图例。

(a) 危险感; (b) 厚重感
图 4   机床形态给人的感觉
Fig. 4   Feels of forms of machine tool

图 5   机床设计中人的尺度分析
Fig. 5   Analyse of human scale in machine
tool design

3 ICAID系统的构建

基于以上实验研究, 通过对工业设计知识的理解, 提炼出相应的系统知识, 并以此为基础对ICAID系统进行构建规划, 其功能模块模型如图6 所示。

图 6   ICAID系统的功能模块模型
Fig. 6   ICAID function module model  

系统由知识陈述部分和产品设计部分组成。 其中,产品设计部分是整个系统的核心, 承担系统的最基本功能——辅助造型方案设计。 其功能模块的划分与实际设计过程即组织、 管理知识的系统知识相对应, 可以完成从概念形成、 方案检索、 方案提取、 方案描述、 方案评价到方案优化的工业设计过程。

ICAID系统的作用是通过使用过程逐渐提升用户的设计水平, 并由新手逐渐成为专家。 因此,ICAID系统为用户设计过程提供有力的知识支撑, 这种支撑主要由知识陈述部分完成。 知识陈述部分是ICAID系统的重要组成部分, 包含数控机床造型设计领域的主要设计知识和一部分用户知识。 这些知识采取规则型描述方式和实例型描述方式, 实现隐含和经验的工业设计知识的提取和表达。

在ICAID系统的规划与建立过程中, 始终以设计者的设计认知过程作为出发点。 系统构建与设计认知的关系如图7所示。 系统构建将内隐的设计经验、 设计知识外化为案例库、 草图器和配色器等外在表征形式即不同的功能模块, 同时,系统构建的方式又与设计师通过造型特征信息获得造型认知的方式相一致。

图 7   ICAID系统的系统构建与设计认知的关系
Fig. 7   Relation between system constructing
of ICAID and design cognitive

ICAID系统的设计过程模型如图8所示。 其中,阶段1和阶段3都为系统信息推理机制, 阶段1为整体方案设计推理机制, 阶段3为优化设计推理机制; 阶段2为系统和用户共同进行的评价系统。 每个阶段之间都会由系统得出解决方案, 且每次方案的获得都可以回馈到前面的阶段重新进行处理。 设计过程模型反映出组织、 管理知识的系统知识, 即把工业设计的领域知识通过一个过程进行表征。 其中, 阶段1根据人脑对知觉信息2种不同的认知过程(即自下而上的认知与自上而下的认知)[11], 提出2种对应的推理机制(即草图器与意象尺度图),对机床造型进行概念设计。

图 8   ICAID系统的设计过程模型
Fig. 8   ICAID design process model  

a. 自下而上的知识推理。 从组成机床的结构特征出发对其进行造型设计, 这是设计手段之一。 基于数控机床从结构到造型的映射关系, 对数控车床和小型加工中心等侧面轮廓较为明显的机床, 采取从侧面轮廓入手的方法进行研究。 针对这一类侧面轮廓, 已开发出一个草图器原型, 使其成为表现设计创意和获取工程师设计概念的一种描述手段, 系统通过匹配方式从大量实例设计图库中获得设计方案。 在ICAID系统中, 自下而上的知识推理可以这样描述: 首先,对形体结构与造型的组成部件进行有层次的分析; 然后,得出其规律, 表现于草图器中, 使用户在系统中使用草图器进行方案设计, 提交设计方案数据,系统运算得到匹配方案。

b. 自上而下的知识推理。 自上而下的认知过程由概念引导对刺激进行信息加工, 也称为概念驱动加工[12]。 系统采用意象尺度图方法[13], 构建出用工业设计概念驱动的设计方案推理机制。 以2000个机床造型设计实例方案为样本进行意象尺度实验, 建立基于案例的机床工业设计知识表达形式, 如图9所示。

图 9   意向尺度图图例
Fig. 9   Illustration of image scale

意象是色彩、 造型、 材质等多种因素的综合心理表现, 也是概念设计的一种表现手段[15]。 运用意象尺度法, 工程师可以通过语义概念, 在尺度图中获取造型设计方案, 这种方式具有明确的概念驱动意义。 意象尺度图在系统中的作用实质是对机床造型认知进行自上而下的推理, 利用用户已有的造型评价能力, 即对产品意象的审美能力进行设计引导, 再由系统从设计实例库中检索得到与意象概念相近的设计方案。

通过以上2种不同的推理机制,用户得到的匹配方案在系统中的表现形式为相应的渲染图片文件、 工程文件(SolidWorks文件) 、 三视图文件(AutoCAD 文件)和动态eDrawing文件, 以及其中的工程文件(SolidWorks文件)与现有的CAD/CAM商用软件提供STP软件格式接口。

在设计过程模型中, 阶段2为知识评价系统的外在表现。 在ICAID系统中内含3个审美评价的主体: 用户、 工业设计师、 系统。 用户的审美即基于问题提出的知识评价, 设计师的审美即基于问题求解的知识评价, 系统的审美即基于求解过程中的知识评价, 三者关系如图10所示。

在图10中, 评价系统是一个人—机—人交互系统。 用户和设计师的审美是交互过程中“人”的审美, 系统审美在交互过程中表现为“机”, 是系统的审美。 3种不同主体的审美都是基于对机床造型的审美, 它们之间又互相影响。 其中系统的审美是独立于其他审美主体的, 由于系统给出的造型评价是工业设计师在构建系统时给出的,其内容和设计师的审美内容相一致。 但当用户使用系统时, 用户所面对的审美主体是系统而不是设计师。

图 10   ICAID系统知识评价模型
Fig. 10   ICAID knowledge evaluating model

4 结 论

从设计心理研究和工程师在设计中需要的知识出发, 把原本属于“黑箱”的设计思维、 方法和过程进行明朗化和简化。 在构建工业设计知识系统时, 首先解决的是将不确切的知识转化成明朗的知识, 即理解这些知识并提炼出构建系统所需的系统知识, 然后将这些知识通过计算机技术处理表现于系统中。 基于ICAID的数控机床辅助设计系统是一个含有丰富知识内容的系统, 具有解决工业设计应用领域中求解问题的能力。 ICAID系统现已在互联网上运行, 为工程师提供机床造型设计辅助。

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收稿日期:2004 -11 -03

基金项目:国家“十五”科技攻关计划项目(2001BA203B13-03)

作者简介:赵江洪(1954-),男,湖南长沙人,教授,博士生导师,从事工业设计和人机工程学研究

论文联系人: 赵江洪,男,教授; 电话:0731-8822418(O); E-mail: zhaoma@public.cs.hn.cn