隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展，先進(jìn)產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，各種新思想和新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。自20世紀(jì)70年代以來，CAx技術(shù)在制造企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，使企業(yè)擺脫了傳統(tǒng)的工作方式，設(shè)計(jì)開發(fā)能力得到了極大的提高；20世紀(jì)80年代初，以信息集成為核心的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)開始受到普遍重視并得到廣泛實(shí)施，在CIMS技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，設(shè)計(jì)技術(shù)開始從局部應(yīng)用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用，即將原有的CAx/DFx等技術(shù)集成起來解決問題；20世紀(jì)80年代末，以過程集成為核心的并行工程(Concurrent Engineering，CE)理念的提出使設(shè)計(jì)信息化水平得到了進(jìn)一步的提高，出現(xiàn)了PDM思想，用來對設(shè)計(jì)技術(shù)過程集成和管理；進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著理論研究的不斷深入以及各種支撐技術(shù)的不斷完善，許多新的思想和概念陸續(xù)被提出，典型的如虛擬制造(Virtual Manufacturing，VM)、敏捷制造(Agile Manufacturing，AM)、虛擬企業(yè)(Virtual EntERPrise，VE)，設(shè)計(jì)方法中更加強(qiáng)調(diào)協(xié)同設(shè)計(jì)(Collaboration Design)、協(xié)同仿真(Collaboration Simulation)以及基于PLM的設(shè)計(jì)信息集成。

    21世紀(jì)初，隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展和社會對產(chǎn)品功能需求的不斷提高，各種產(chǎn)品日趨復(fù)雜化。尤其是航天器、飛機(jī)、車輛、艦船、復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品等典型的復(fù)雜產(chǎn)品，是多個(gè)子系統(tǒng)通過復(fù)雜的耦合關(guān)系集成的產(chǎn)物。如航空飛行器，在設(shè)計(jì)過程中需要用到機(jī)械、電子、液壓、控制等多學(xué)科、多領(lǐng)域知識，如果要進(jìn)一步細(xì)分，就會涉及到更多的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品除了滿足單領(lǐng)域所需求的各種功能要求外，更要求其必須滿足系統(tǒng)耦合后全系統(tǒng)的行為要求。能否滿足這些行為要求往往將直接決定所設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品能否成功。復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性與整體性，出現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同仿真與協(xié)同優(yōu)化(Collaboration Optimization)，而且仿真優(yōu)化也越來越成為復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)必不可缺少的手段。

以單領(lǐng)域?yàn)楹诵牡莫?dú)立應(yīng)用階段

    自20世紀(jì)50年代開始，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)輔助工具開始出現(xiàn)并逐步應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，典型的如各種CAD、CAE、CAPP、CAM等工具。這些工具的應(yīng)用表明制造業(yè)已經(jīng)開始利用現(xiàn)代信息技術(shù)來改進(jìn)傳統(tǒng)的產(chǎn)品制造過程，標(biāo)志著產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息化的開始。然而，在經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展之后，人們發(fā)現(xiàn)，由于各種計(jì)算機(jī)輔助工具只注重于解決本領(lǐng)域的問題，忽視了彼此之間的聯(lián)系，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程和制造過程中出現(xiàn)了大量的信息孤島，嚴(yán)重阻礙了信息化的進(jìn)一步發(fā)展。

    因此，企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)過程中大量采用了計(jì)算機(jī)輔助工具，并注重各個(gè)系統(tǒng)間信息集成的實(shí)現(xiàn)，使得企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)能力得以極大的提高，市場競爭能力也隨之增強(qiáng)。然而，由于產(chǎn)品開發(fā)仍然采用傳統(tǒng)的串行開發(fā)模式，致使設(shè)計(jì)的早期階段不能很好地考慮產(chǎn)品生命周期中的各種因素，不可避免地造成較多設(shè)計(jì)返工，這促使企業(yè)在實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部信息集成之后，開始逐漸關(guān)注過程集成的問題，并由此發(fā)展出并行設(shè)計(jì)理念。

以過程為核心的集成應(yīng)用階段

    并行設(shè)計(jì)是對傳統(tǒng)的串行產(chǎn)品開發(fā)方式的一種根本性改進(jìn)。并行設(shè)計(jì)的核心是過程集成。1986年，美國國防部先進(jìn)計(jì)劃局DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)制定了一項(xiàng)為期5年的并行工程啟動(dòng)計(jì)劃DICE(DARPA Initiative in Concurrent Engineering)。統(tǒng)化方法是并行設(shè)計(jì)的核心。系統(tǒng)工程的方法強(qiáng)調(diào)時(shí)、空兩方面的整體性，而并行設(shè)計(jì)更側(cè)重于時(shí)間上的協(xié)同。從內(nèi)涵上看，并行設(shè)計(jì)將一系列在時(shí)間上分散的但彼此之間相互作用的過程基于時(shí)間軸看作一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)，進(jìn)而采用系統(tǒng)工程的思想對這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體分析與優(yōu)化。圖1顯示了串行產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程與并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程在信息流動(dòng)關(guān)系上和上市時(shí)間上的區(qū)別。這一階段，出現(xiàn)了大量DFx(Design For X)技術(shù)，如DFM-面向制造的設(shè)計(jì)、DFA-面向裝配的設(shè)計(jì)、DFC-面向成本的設(shè)計(jì)等，并以PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)為集成平臺，將這些應(yīng)用系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，同時(shí)，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程及組織形式加以改進(jìn)，以便在設(shè)計(jì)早期盡可能做出正確決策。

    圖1 典型的并行開發(fā)過程的比較

以互操作為核心的協(xié)同應(yīng)用階段

    傳統(tǒng)新產(chǎn)品的開發(fā)通常要經(jīng)過設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、工業(yè)性試驗(yàn)、改進(jìn)定型和批量生產(chǎn)幾個(gè)階段。由于技術(shù)的限制，在設(shè)計(jì)階段獲取的產(chǎn)品的各類相關(guān)信息極為有限，設(shè)計(jì)人員對詳細(xì)設(shè)計(jì)方案的仿真和評估也很有限，很難保證設(shè)計(jì)中沒有差錯(cuò)。由于產(chǎn)品的復(fù)雜程度加大，很少有人能夠在開始階段全面細(xì)致地了解整個(gè)系統(tǒng)。對于那些成本很高的產(chǎn)品，一旦出現(xiàn)難以彌補(bǔ)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，就會造成極大的損失。為了減少這種風(fēng)險(xiǎn)，通常需要建立一個(gè)等同于真實(shí)產(chǎn)品的物理樣機(jī)，以獲得產(chǎn)品的機(jī)械、物理、外觀以及可制造性、可裝配性等的全面信息反饋，從而更好地消除設(shè)計(jì)階段難以發(fā)現(xiàn)的重大設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。但是復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的物理樣機(jī)通常造價(jià)昂貴，而且耗時(shí)長久。在迭代的設(shè)計(jì)過程中，一旦設(shè)計(jì)方案有重大修改，就需要重新建立物理樣機(jī)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本的增加和設(shè)計(jì)周期延長。為了解決這些問題，出現(xiàn)了以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬樣機(jī)技術(shù)。

    虛擬樣機(jī)是由分布的、不同工具開發(fā)的、甚至異構(gòu)的子模型組成的模型聯(lián)合體，主要包括：產(chǎn)品的CAD模型、產(chǎn)品的外觀表示模型、產(chǎn)品的功能和性能仿真模型、產(chǎn)品的各種分析模型（可制造性、可裝配性等）、產(chǎn)品的使用和維護(hù)模型以及環(huán)境模型等。借助虛擬樣機(jī)，設(shè)計(jì)人員可以通過成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，模擬在真實(shí)環(huán)境下產(chǎn)品的各種運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并能根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。

    虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，這些數(shù)字模型即虛擬樣機(jī)(Virtual Prototype，VP)能從視覺、聽覺、觸覺及功能、性能和行為上模擬真實(shí)產(chǎn)品。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于虛擬樣機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，是一門基于先進(jìn)建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)，它不僅包括構(gòu)造虛擬樣機(jī)的過程，還包括將虛擬樣機(jī)放到綜合虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真分析的活動(dòng)。虛擬樣機(jī)技術(shù)本質(zhì)上屬于一種基于并行工程理念的設(shè)計(jì)開發(fā)方式，為并行工程理念的實(shí)現(xiàn)提供了一條可行的實(shí)現(xiàn)途徑。與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的觀點(diǎn)、涉及產(chǎn)品全生命周期、支持對產(chǎn)品的全方位測試、分析與評估、強(qiáng)調(diào)不同領(lǐng)域的虛擬化的協(xié)同設(shè)計(jì)。

以一體化為核心的多領(lǐng)域并行協(xié)同應(yīng)用階段

    由于復(fù)雜產(chǎn)品對象本身十分復(fù)雜，工程設(shè)計(jì)人員必須使用仿真工具對產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，形成基于仿真的優(yōu)化過程。復(fù)雜產(chǎn)品高性能仿真往往涉及多個(gè)領(lǐng)域，需要不同的仿真軟件，而基于仿真的優(yōu)化也需要專業(yè)的優(yōu)化軟件。為了使優(yōu)化過程能夠自動(dòng)進(jìn)行，不同的科學(xué)家、工程師、計(jì)算專家需要協(xié)同工作。

    由于航空航天領(lǐng)域的產(chǎn)品相對更加復(fù)雜一些，對成本和性能的要求都很高，因此，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)最早是在航空航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。MDO技術(shù)誕生后，在世界上尤其是美國得到了飛速的發(fā)展。目前國際上普遍認(rèn)可MDO算法的主要有：多學(xué)科可行方法(MDF)、一致性優(yōu)化方法(AAO)、單學(xué)科可行方法(IDF)、并行子空間優(yōu)化算法(CSSO)、協(xié)同優(yōu)化算法(CO)和兩級集成系統(tǒng)綜合方法(BLISS)。根據(jù)這5種算法結(jié)構(gòu)的不同，分為單級優(yōu)化算法和多級優(yōu)化算法兩類。其中MDF、IDF、AAO屬于單級優(yōu)化算法，CSSO、CO、BLISS屬于多級優(yōu)化算法。

    隨著MDO技術(shù)在工程設(shè)計(jì)界的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多支持MDO技術(shù)的應(yīng)用軟件和工具。NASA Langley Research Center提出了針對MDO軟件工具的框架要求，符合這些框架要求的主要有以下的軟件工具：iSIGHT，ModelCenter，DAKOTA(Design Analysis Kit for OpTimizAtion)等。

    協(xié)同是現(xiàn)代復(fù)雜裝備研發(fā)發(fā)展的必然要求，系統(tǒng)能否發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)是由系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)或組分的協(xié)同作用決定的，協(xié)同得好，系統(tǒng)的整體性功能就好。協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化與試驗(yàn)是復(fù)雜裝備研發(fā)創(chuàng)新不可缺少的重要方法，也是提升產(chǎn)品知識含量的有效手段。協(xié)同設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)、協(xié)同仿真是提升、協(xié)同優(yōu)化是目標(biāo)、協(xié)同試驗(yàn)是驗(yàn)證。如圖2所示復(fù)雜裝備多領(lǐng)域融合協(xié)同創(chuàng)新研發(fā)的體系結(jié)構(gòu)圖。其中，PLM為產(chǎn)品生命周期管理，SDM為仿真數(shù)據(jù)管理，ODM為優(yōu)化數(shù)據(jù)管理，TDM為試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理。

    圖2 復(fù)雜裝備多領(lǐng)域融合協(xié)同創(chuàng)新研發(fā)的體系結(jié)構(gòu)

結(jié)論

    從設(shè)計(jì)過程的發(fā)展歷程來看，CAx獨(dú)立應(yīng)用階段注重設(shè)計(jì)工具的實(shí)施，并行工程階段注重CAx/DFx工具之間的協(xié)同，局部協(xié)同階段強(qiáng)調(diào)多領(lǐng)域工具并行協(xié)同，全局協(xié)同階段強(qiáng)調(diào)多領(lǐng)域工具實(shí)時(shí)并行協(xié)同，重視設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化與試驗(yàn)一體化技術(shù)的應(yīng)用。

    雖然復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同仿真優(yōu)化領(lǐng)域尚不十分成熟，沒有建立起完整的科學(xué)理論和應(yīng)用體系。但是，目前在國外有許多學(xué)者紛紛將注意力投入這一領(lǐng)域，并取得一定的進(jìn)展，我相信未來協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同仿真、協(xié)同優(yōu)化、協(xié)同試驗(yàn)必將是復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)的不可缺少的手段。

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本文標(biāo)題：復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展

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