CAD技术的发展趋势展望

　　CAD技术的发展趋势展望

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　　一、CAD技术的发展趋势

　　CAD技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用，并已成为企业的现实生产力。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，CAD技术的发展趋势主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化四方面。

　　1．标准化 除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准构件（零部件库）、标准化方法也已成为CAD系统中的必备内容，且向着合理化工程设计的应用方向发展。

　　传统形式的手画工程图已经有了成熟的国际标准，相互都能理解。而存储在磁盘、光盘上的形形色色的CAD二进制数字记录，要想实现标准化就复杂、困难得多。从80年代中期起，ISO国际标准化组织着手酝酿制订这类标准，称作ISO10303《产品数据表达与交换标准》，简称STEP。它要涵盖所有人工设计的产品，采用统一的数字化定义方法。由于STEP标准涉及的面非常宽，众口难调，标准的制定过程十分缓慢，存在问题很多。而在我国，CAD应用工程的实施具有更加严密的组织领导体系，而且实际从事CAD应用软件开发的单位相对比较集中，起步比国外晚，不存在要与过去开发的老系统保持兼容问题。如果我国采取主动贯彻STEP积极思想的方针，不纠缠于过分繁琐的技术细节，针对我国的现实需要和技术发展前景，及早统一协调自主开发软件的数据模型，这将有助于推动国内CAD界的学术研究风气，促进CAD软件开发水平的大幅度提高。这种主动出击的策略要比单纯等待STEP标准草案一版一版更新有利得多。回顾历史，CAD和计算机图形学的国际标准制定总是滞后于市场上的工业标准。CAD产品更新频繁。谁家产品的技术思想领先，性能最好，用户最多，主导了市场，谁就是事实上的工业标准。CAD技术的发展不是一种纯学术行为，它是在高技术产品所固有的激烈市场竞争中不断向前推进，永无止境。

　　CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，为了支持异构跨平台的环境，就要求它应是一个开放的系统，这里主要是靠标准化技术来解决这个问题。 目前标准有两大类：一是公用标准，主要来自国家或国际标准制定单位；另一是市场标准，或行业标准，属私有性质。前者注重标准的开放性和所采用技术的先进性，而后者以市场为导向，注重考虑有效性和经济利益。后者容易导致垄断和无谓的标准战。通过总结这个领域几十年标准化工作的经验，不少标准化专家已认识到存在的问题，这已经成为进一步制定标准的障碍。因此提出应对传统的标准化工作进行革新。有专家建议标准革新的目标是公用标准应变成工业标准，也就是说革新后仍应以公用标准为基础，不过要从工业标准中吸收其注重经济利益和效率的优点。另外，也有人提出现在制定标准的单位很多，但是标准制定过程却没有标准，这也是标准革新过程中值得考虑的问题。这些观点对我国制定CAD标准也许有所启迪。

　　2．开放性 CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口95／98／NT和UNIX平台上，在Java LINUX平台上也有CAD产品，此外CAD系统都为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自已的CAD系统。

　　3．集成化 CAD技术的集成化体现在三个层次上：其一是广义CAD功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式成为企业一体化解决方案，推动企业信息化进程。目前创新设计能力（CAD）与现代企业管理能力（ERP、PDM）的集成，已成为企业信息化的重点；其二，是将CAD技术能采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高CAD系统的效率；其三是CAD基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。

　　国际CAD商品系统开发的另一个趋势是在全球范围内优选最成功的功能构件，进行集成。至今最成熟的几何造型平台有两家：Parasolid和ACIS；几何约束求解构件有一家，它的主要产品是2D和3D DCM。我国开发的机械CAD应用系统已经部分采用ACIS和Parasolid平台，这是合理的。但是国际上近来又有一种思潮，要求软件开发自由化，以免受制于一、二家公司垄断性产品的束缚。这就是选用Linux操作系统以及在它基础上开发各种共享软件，开放源程序。我国也在酝酿自主开发因特网、操作系统、以及各种办公的国产化系统。这时，自研制几何造型通用平台和各种功能构件也将提上议事日程，我们要及早做好准备。

　　4．智能化 设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动（包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式）往往是束手无策的。因此，智能CAD不仅仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅会产生高效的CAD系统，而且必将为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。

　　二、CAD技术研究开发热点

　　1．计算机辅助概念设计 一方面，根据有关的统计资料表明，产品工本费的70％是在产品设计阶段决定的。同时，一旦概念设计被确定下来，产品设计的60％－70％也就被确定下来。尤其需要提及的是，即使详细设计再好，也难以弥补概念设计阶段所出现的缺陷。还有产品的创新及其所具有的竞争能力基本上也是在概念设计阶段就被确定下的。故概念设计是设计过程中一个非常重要的阶段，它已成为企业竞争的一个制高点。因此计算机辅助概念设计愈来愈受到重视。但另一方面，在概念设计期间，所涉及的设计需求和约束的种种知识，往往是不精确的、近似的或未知的，也就是说复杂性很高，这给CAD技术带来很大的难度。

　　概念设计的过程主要是评价和决策的过程，它涉及到产品功能、动作和结构等因素，它对产品的价格性能、可靠性、安全性等等起决定性的影响作用。正因为应考虑的因素和目标是多方面的。因此评价和决策过程是一个很复杂的，难度很大的过程。目前计算机辅助概念设计的方法可分为两大类：即自动生成方案和交互生成方案。当然，应用时这两种方法可以混合使用。 （1）自动生成方案 目前主要采用人工智能技术。为了使计算机有效地支持概念设计活动，需要解决两大难题。即建模问题和推理问题：A．前者是对产品的功能、动作和结构诸因素之间相互影响的复杂关系进行建模或表达。例如汽锅的蒸汽阀门，基功能是防止汽锅爆炸，它的动作是当检测到一定的压力差时，它会自动打开，而其结构是所用的实际构件的布局及其连接关系，建模的结果提供推理用；B．而推理问题实际上就是生成和选择合适的方案。
建模问题主要是建模的表示法，目前已提出各种各样的表示法。如语言、几何模型、图形、对象、知识模型和图象法等等，语言表示法属于一种形式描述方法，它能保证计算机有效地进行推理，称为面向机器的表示法。而图象表示法是一种高可视化的表示法（即可视化思维模型），它侧重于提供一种有助于辅助设计人员创新工作的建模环境，称它为面向人的表示法，而上列其它表示法依次界于这两者之间。
尽管已有很多不同的建模表示法，但它们往往只支持描述概念设计的某一方面，缺少一种能描述概念设计各种因素的统一表示法，这正是下一步的目标。 推理问题的重点是在转换过程，即把用户需求映射到实现所给需求集合的一些实际的结构上。难点在于产生和选择合适的映射方法。

　　同样也有很多推理方法支持概念设计活动，如神经网络、基于实例的推理法、基于知识的推理技术、优化、价值工程和定性推理等等。但目前也只能设计一些特定领域的例子，离全面应用还有差距。但从长远来看，这方面的许多工作还应继续进行。例如知识获取是人工智能领域中一个大难题，为了解决这一问题，可以采用数据挖掘技术从已有的设计库中自动获取感兴趣的领域知识。 （2）交互技术生成方案 由于概念设计的复杂性，自动地生成合适的方案是很困难的。在自动生成和选比方案尚未成熟之前，交互技术是重要手段。在概念设计阶段可充分利用多媒体技术，如包括有效的信息搜索技术，以便在网上可查到大量对概念设计有用的设计例子。又如研究协同概念设计技术，使群体成员易于参与概念设计，并作出积极的贡献。

　　2、计算机支持的协同设计 设计工作是一个典型的群体工作。群体成员既有分工，又有合作。因此群体的工作由两个部分组成：一是个体工作，群体成员应完成的各自分工的任务；另一是协同工作，因为群体工作不可能分解为互相独立的个体工作，群体成员之间存在相互关联的问题。一般称为接口问题，接口难免会出现矛盾和冲突，如不及时发现和协调解决，就会造成返工和损失。传统的CAD系统只支持分工后各自应完成的具体任务，至于成员间接口问题，计算机不能支持，主要靠面谈或某种通讯工具进行讨论并加以解决。但这些方式很难做到及时并充分地协商和讲讨论。因而一项大的设计任务接口问题难免要出差错，这正是为什么设计工作会出现不断反复、不断修改这一过程的主要原因。

　　计算机支持的协同设计是计算机支持的协同工作（CSCW）技术在设计领域的一种应用。用于支持设计群体成员交流设计思想、讲讨论设计结果、发现成员间接口的矛盾和冲突，及时地加以协调和解决，减少以至避免设计的反复，从而进一步提高设计工作的效率和质量。

　　协同设计倍受人们的关注，已有不少原型系统，也有一些产品已在市场上出售了。已有工作中，有些属基础性工作，如建模、系统结构、适用于CSCW的支撑环境等等。但从建立实用协同设计系统的角度来说，主要面临如下三大问题：

　　（1）群体成员间多媒体信息传输 目前在局域网上通讯方法已较成熟，但在远程网上，交换数据时，异步传输，现有网络平台问题不大，但实时交换数据问题较多。首要的是传输媒体的选择问题，即基于公用网（如WWW）还是基于专用网（如语音传输可借用电话专线，又如租用ISDN总线）。目前多数研究是集中在公用网Internet和Intranet上。但商品开发上更多考虑专用线。从实用效果来说，公用网效果较差，而专用线虽然效果好些，但价格太高。

　　（2）异构平台 参与协同设计的成员是分散在各地，且设备条件多种多样。因此，实用的协同设计系统必须能在异构环境中运行，包括数据传输、工具集成，还有跨平台的交互界面，这主要依靠标准化工作来解决异构环境问题，目前普通采用的是CORBA，JAVA技术和通信领域的标准等。不过这类技术目前对CSCW的支持还有不足之处，有待增强功能。至于跨平台的交互界面的研制，虽有不少进展，但是至今尚未见到支持它的工业标准。

　　（3）人－－人交互 应该说支持设计群体人员间的人－－人交互是协同设计的核心问题之一，特别是目前自动发现矛盾和冲突，并进行自动协同和解决的技术还不成熟，因此人－－人交互的手段尢为重要。当前，最为普遍的是利用电子会议（包括白板、语音、视频等等工具）支持成员间进行讨论，它比较适用于交流设计思想，不过用它来讨论设计结果就很费劲，共同修改设计结果就更不可能了。目前讨论设计结果主要是依靠应用共享这一工具，这一工具能够达到一人对一个CAD工具进行操作，其它成员均能在自已的终端上看到操作过程和结果。这个工具也可以和电子会议系统集成，用语音等工具进行讨论，但应用共享最大的问题在于对于没有源程序的CAD工具，一个时刻只允许一个人操作，其它人希望操作必须事先申请，获准并在当前操作者退出后方可操作，故很不方便，成员间不能直接互操作，这是需要进一步解决的问题。

　　总而言之，协同设计系统的现状是局域网已达到实用阶段，在异步工作方式下，远程协同设计问题也较小，但远程实时工作方式下，特别是基于公用网，尚处实验阶段，当然整个协同设计系统离成熟阶段尚有一定距离，很多问题有待解决。

　　3、海量信息存储、管理和检索 CAD系统处理的信息愈来愈多，而且是多媒体信息。尽管磁盘容量增长速度很快，但仍远不能满足信息量快速增长的需求。海量信息的存储、管理和快速检索已成为世人瞩目的问题。这除了依靠硬件来解决问题外，DBMS是一重要技术，实践证明，传统的关系数据库管理系统EDBMS已难已适应要求而采用面向对象和关系相结合的模型可能是个过渡的解决方案。

　　4、设计法研究及其相关问题 设计工作是项复杂的且知识密集的群体活动，为了提高效率必须遵循某种正确的设计方法，虽然设计方法学的研究已有半个多世纪了，但针对CAD的设计法却是最近才有的，称为正规设计流程法，它不仅让我们知道设计是一种流程，还为开发CAD工具提供了依据，因此了解和识别设计过程的不同方面（即不同的设计活动），是开发新一代CAD系统的关键。

　　现在已出现许多设计流程法。过去常用的是自顶向下、自底向上的自然可行方法，但这种方法只适用于详细设计阶段。现在为了支持整个设计工作，设计法的研究重点应在支持概念设计方法和协同设计方法之上。例如，新的CAD系统可消除许多由于距离和时间所造成对工作方法和组织的限制，协同设计面临的不但有人－－机交互、还有人－－人交互，因而CAD的过程更复杂了，尽管人们都在期望提供一种灵活的，可移动的、安全可靠的远程协同设计环境，但如果没有正确的方法来指导，将很难达到预期的效果。

　　目前企业的组织基本上是一种很严谨的层次结构组织，在这种组织内民主有限，虽然它可防止出现人多嘴杂和无休止争论的现象，但它又束缚着人们聪明才智的充分发挥。按目前情况，采用这种组织结构是必要的。但随着工作方法和方式的改变，组织结构也可改成动态组成，只要群体成员间能相互了解，易于合作，也许这种非严谨的组织结构是可行的，可更好地发挥每个人的才干。 应该说到目前为止，设计工作还是由设计人员主宰一切，但事实上设计所牵涉的面很广，包括市场的需求，生产是否可行，价格能否接受等问题，因此在协同设计时，设计群体应包括各类人员，除有关设计人员外，还应有顾客、社会和人文科学人员、工艺人员、生产人员、管理人员等。

　　5、支持设计创新 创新是产品设计的灵魂，如何利用计算机来支持创新，这是个新的课题。目前只能提供一种启迪方法，如存入大量多媒体设计数据，并通过网络方便地供设计人员查询，从而可能引导出意想不到的富有创新的设计。又如利用CSCW工具，通过直接讨论方式来相互启发，产生新的设计思想，促进创新设计。

　　可以预见CAD技术将有新的飞跃，同时还会引起一场设计变革。

　　6、新技术在CAD中的应用 如上所述，CAD是吸收新技术最快的领域之一。下面仅以例子加以说明：

　　（1）虚拟现实与CAD集成 虚拟现实技术用于CAD，使CAD技术主要在两个方面得到提高：一是更逼真地看到正在设计的产品及其开发过程；另一方面是提高交互能力，使设计人员或群体可以直接和所设计产品交互操作。VR技术在CAD中的应用面也很广，首先可以进行各类具有沉浸感的可视化模拟，用以验证设计的正确性和可行性。譬如说可以用这种模拟技术进行设计分析，可以清楚地看到物体的变形过程和应力分布情况，效果比实物实验还要好。其次它还可以在设计阶段模拟零部件的装配过程，检查所用零部件是否合适和正确。做为副产品，它可生成加工详细时间表，装配材料详细清单等，并直接存入数据库。在概念设计阶段，它可用于方案选比。特别是利用VR的交互能力，支持概念设计中的人机工程学，检验操作时是否舒适、方便，这对摩托车、汽车、飞机等的设计特别有用，在协同设计中，利用VR技术，设计群体可直接对所设计的产品进行交互，应包括共享设计数据、讨论和互操作等。另外VR技术还可用于开发人－－人交互界面，更加逼真地感知到正在和自己交互的群体成员的存在和相互间的活动。

　　尽管VR技术在CAD中的应用前景很大，它的发展也很快，不过目前仍处实验阶段，离广泛推广应用还有一定距离。究其原因，首先是这类设备价格昂贵，其次性能也有待进一步改进。头盔和数据手套不但用起来很不方便，而且使用时间长了，就会感觉到难受。另外，VR技术应用于CAD本身也很有很多工作要做，包括VR数据的进一步处理，以便更好地把CAD技术与VR技术集成起来。

　　（2）计算机安全 现在社会的工作、学习和生活已都离不开计算机，某一行业的计算机系统遭破坏，就有可能使这个行业乃至整个社会受影响，甚至于瘫痪。工程或产品设计一样也离不开计算机，而且由于异地设计愈来愈多，对计算机的依赖性也愈来愈大。同时，它所处理的设计数据不但数量大，而且往往有一定保密性，这是市场激烈竟争所致。因此如果解决不了安全可靠问题，就难以进一步推广应用新的CAD系统。

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