设计行为意义上的数字化设计系统特性评价

摘 要：从设计行为的角度分析数字化设计系统的优劣，进而论证数字化设计系统的演化特性.建立了包括设计行为链在内的相关概念体系，提出了设计行为量等计算方法.采用不同产品信息建模原理和软件架构技术构建不同数字化设计系统，完成相同产品设计任务的设计行为对比试验.通过试验数据的定量研究，验证了基于设计行为试验和分析对产品数字化设计系统优劣进行判别的可行性，分析了不同建模原理和技术对此类软件系统的影响.

关键词：软件架构；设计行为；行为量计算；产品数字化设计系统；一元四体模型

中图分类号：TP391.9文献标识码：A

Characteristic Evaluation of the Sense of Design

Behavior for Digital Design System

LIU Zi-jian,DONG Si-ke,WANG Ping，LV Cheng



(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China)

Abstract:

From the view of design behavior，the merits of digital design system were analyzed，and then the evolution of digital design system was demonstrated.The related concepts about design behavior chain were established, and the computing method of design behavior quantity was proposed. Two digital design systems built by different product information modeling principles and software architecture technology were carried out to take behavior comparison experiment to complete the same product design task. Through quantitative analysis of the experimental data, the feasibility of discriminating the advantages and disadvantages of digital design system based on design behavioral experiments and important effect of such software system caused by different model principles and techniques were verified.

Key words:software architecture;design behavior; calculation of conduct; digital product design system;A Model with Four Bodies(AMFB) product model

数字化设计系统在现代制造业中占有越来越重要的地位，然而，对其进行系统意义上的理论研究和技术改进仍处于局部领域和浅层次阶段.深入研究产品数字化设计系统的发展规律，探讨如何改进建模原理和软件架构技术，仍然是这一研究领域的当务之急.在产品设计过程中，人的行为起到至关重要的作用，尤其是在交互式技术高度发展的今天.从设计行为的微观角度，研究采用不同建模原理和技术的数字化设计系统的特性，将有助于形成这一研究领域解决某些问题的新方法.

目前，已有学者将设计行为研究应用到建筑及心理学等领域.王宇从行为的角度建立人的心理需求空间［1］.许峰等从心理行为因素方面研究通过心理、行为等因素创造人性化步行空间的原则［2］.在数字化设计领域，有学者从宏观角度对产品数字化设计系统的演化特性进行了研究.Moonsoo Shin等提出用一种制造系统的自演化结构，改善系统对复杂产品设计需求的适应性［3］.刘子建等［4］从系统科学的角度，运用耗散结构、信息熵理论，采用定性与定量相结合的方法，通过改变产品信息模型原理和软件架构技术，对数字化设计系统的时间和空间信息差进行了比较分析.以上论述表明设计行为在某些领域的应用取得了一定的效果.然而，这些学者并没有从系统与人的作用关系的微观角度对设计行为进行研究，他们难以准确把握数字化设计系统的演化特性，不能为产品建模理论和技术的研究提供充分的支持.

本文建立了包括设计行为链在内的相关概念体系，提出了设计行为量等计算方法.采用不同产品信息建模原理和软件架构技术构建不同的数字化设计系统，通过设计相同的产品，计算设计行为量，进行对比试验和定量分析，验证了基于设计行为试验和分析对产品数字化设计系统优劣进行判别方法的可行性，以及不同建模原理和技术对此类软件系统的重要影响.

1 产品数字化设计流程与设计行为

1.1 产品数字化设计流程

产品全生命周期数字化设计流程中的设计行为，可以分为确定基本方针、前期调查、可行性研究、销售调查、设计展开（包括概念设计、功能原理设计、结构设计、零件设计、零部件分析设计、制造工艺设计、装配设计）、产品仿真、生产计划、设备及市场准备、生产和销售、产品维修回收等多个行为阶段［5-6］.为了使论述更集中，本文将产品数字化设计流程简分为设计、分析、制造、装配4个阶段进行讨论.

1.2 设计行为分类与研究内容

产品设计行为可以分为查询资料、设计计算、建立模型或绘制图形等3个基本类型.

我们将上述3类设计行为和动作称为设计行为节点，每个节点都与设计内容、行为频次和时间相关，如图1所示.

由于设计行为是以设计心理活动为主导的有组织的思维活动和设计动作的集合，所以本文所指的“设计行为”包含了“动作刺激”和具体的“设计动作”两个部分，并且认为前者是后者的动因，后者是前者的表象，它们具有内在的一致性.产品数字化设计过程与软件系统的功能、设计者对系统的操作密切相关，下面同时提到设计行为和动作就是考虑了人机之间这种密切的交互关系.

1.3 相关概念体系

为了深入研究，建立相关概念如下.

1.3.1 设计行为链

设计行为链（Design Behavior Chain，DBC）：为了完成某一设计流程规定的目标而必须采用的动态有序的设计行为序列，称之为该设计流程对应的设计行为链.在产品设计的全过程中，可以存在一条或多条设计行为链.

1.3.2 设计行为片段

设计行为片段（Design Behavior Segment，DBS)：为了完成某一设计内容而必须做出的判断、对策，以及必须采用的设计行为的集合，称之为该设计内容对应的设计行为片段.设计行为链通常包含有多个设计行为片段，每一个片段可以完成确定的设计内容，获得具体的设计结果.

1.3.3 设计行为动因

设计行为动因（Design Behavior Reason，DBR）：为了确定设计行为实施步骤而做出的满足设计需求的判断和对策，称之为设计行为动因.设计行为动因通常包含对完成设计内容必需的行为序列的组织，以及若干具体的设计动作.DBR与设计者的经验及其对设计流程的把握相关，通常在一个DBS下有一个或者多个DBR.

1.3.4 设计行为节点

设计行为节点(Design Behavior Node，DBN）：设计者在消除设计信息不确定性时所接受的刺激和采取的设计动作称之为设计行为节点.一个设计行为节点可以输出确定的设计参数或某种设计结果，也可以是不直接产生结果的过渡性的设计动作.设计行为节点是研究设计行为与数字化设计软件系统关系的基本元素.DBR的具体内容需要 DBN来完成，一个DBR下可以包含多个DBN.

1.3.5 设计行为量

设计行为量（Design Behavior Value，DBV）：设计者在完成每一个DBR的内容时，其对应的DBN所耗费时间及动作频度的累加值，称之为该DBR包含的设计行为量.由定义可知，DBV包括两种量，一种是时间量Si，单位为s；一种是频度量Pi，单位为次.为了研究方便，可以将时间量、频度量分别进行无量纲化处理，具体方法见后面的讨论.

综合上述，我们定义了与产品设计过程相关的关于设计行为及其关系描述的概念体系，其相互关系是设计行为节点组成设计行为动因，设计行为动因组成设计行为片段，设计行为片段构成与产品数字化设计流程相对应的设计行为链，如图2所示.

2 设计行为的测量与计算

2.1 行为测量方法

行为测量是对行为的直接观察.研究者必须经常决定是否记录在规定时段内行为发生的次数(频度)，行为在刺激给出多久以后发生(反应时间)，或者行为持续多久(持续时间)［7］.

数字化设计环境下设计行为的测量方法主要有显式测量和隐式测量两种.显式测量的内容包括设计者具体操作（或动作）的时间及频率.各DBR的行为量可以通过显式测量法获得.隐式测量是对人的内心活动、感受、状况等的了解，通常采用访谈和问卷调查等方式进行，在实际研究中隐式测量与显式测量的结果常常是相关的.本文暂不讨论DBR行为量中与隐式测量相关的部分.

由前述的定义和图2可知，设计行为动因与节点之间有逻辑上的因果关系，如果将DBR视为自变量，DBN视为因变量的关系，则这种关系可以表述为：

yDBN=f(xDBR).

2.2 设计行为量的计算

依据文献［8］提出的重要度计算方法，可以确定每一DBN的权系数.然后，对查询、计算、建模3类设计行为和动作所用的时间、频度进行加权求和，得到该DBN所对应的DBR的行为量，再对同一DBS的各DBR进行加权求和，求得该DBS包含的行为量.以此类推，可以获得该设计行为链（DBC）的行为量，直至求得该产品总体设计行为量.

在灰色系统理论中，当指标具有不同的量纲时，为了消除不同指标量纲所带来的不可公度性，保证分析解集的科学、可靠，需要对各指标进行无量纲化处理［9］.设有两种量si，pi均为效益型指标，其对应的无量纲化处理方法如下.

效益型指标：

在本文对权系数的研究中，权系数分为3种类型，第1种为定值权系数，包括3种类型的行为节点权系数以及2种类型行为量权系数.第2种为DBR权系数，是比较复杂的一种，在本文中，将设计者进行设计时考虑的先后顺序作为考虑的主要依据，最后通过式(2)获得DBR权系数.最后一种为人为权系数，即不通过公式，只通过人为确定的方式获得行为量，在本文中表现为DBC权系数，将其值定为1.

4 数字化设计系统优劣判别模型

设分别使用数字化设计系统A，B进行产品P设计时计算获得的总行为量为CVAPH(0,0)，CVBPH(0,0)，用A,B系统分别设计产品P，所发生的全部行为量的差值为ΔCVA,B，并且

ΔCVA,B=CVAPH(0,0)－CVBPH(0,0).（11）

我们称式（11）为设计行为量判别模型，可以根据ΔCVA,B判定两个不同数字化设计系统在设计行为量意义上的优劣性.当ΔCVA,B>0时，表示完成同一设计任务时，使用系统A要比使用系统B的行为量大，B系统优于A系统.当ΔCVA,B<0时，表示完成同一设计任务时，使用系统A要比使用系统B的行为量小，A系统优于B系统.

如果设计行为测试足够准确，式（11）可以作为数字化系统交互式设计性能的判别模型.另一方面，如果用式（11）判别的数字化设计系统采用了不同的产品信息建模原理和软件架构技术，则可以基于此对产品信息模型和软件技术进行间接的定量评价，从而将式（11）用于研究建模原理和相关技术.当然，ΔCVA,B侧重从行为量方面反映软件系统和模型的特性，必须综合应用隐式测量和分析等方法才能对建模和软件技术做出更为客观的评价.

5 实例分析

下面以某汽车变速器中间轴为设计实例进行验证分析,同样的设计任务在两个不同的数字化设计系统中进行.系统A由异构环境下多个CAx系统组成，系统B是采用“一元四体”模型原理和技术的AMFSDI系统［10-11］.

5.1 用系统A设计中间轴

系统A采用传统的设计流程，通过在多个异构系统间进行功能调用的方法完成设计任务，其设计行为链如图3所示.

5.2 用系统B设计中间轴

系统B采用如下设计流程：

1）在系统中根据产品名称和代号检索数据库中有无类似产品，如果有类似产品，则根据设计需要修改案例，进而得到结果并保存；如果没有类似案例，则对产品进行全新设计.2）模型基本体的设计，即建立零件的几何拓扑关系，模型的基本体可以在AMFSDI系统中建立，也可以从外部的模型资源中获得，即利用系统的数据交换模块导入其他CAD系统的模型文件.3）建立模型的检索体，动态地为模型配置设计、分析、制造和装配阶段的独立单元信息.4）在为模型配置完备独立单元信息基础上，利用控制体集成外部分析资源的功能，对产品进行性能分析，得到分析结果.如果结果不合理，则返回到基本体和检索体设计阶段，修改相关的参数，重新进行性能分析；反之，则进行下一步工作.5）确定工艺方案，在数据库中检索有无类似产品的工艺方案，如有类似方案，对原有方案进行相应修改，得到新方案；如果没有类似方案，则针对该产品制定新的工艺方案，最后保存在系统数据库中.

系统B的设计行为链如图4所示.

最终获得B系统下设计中间轴的设计行为量为0.40.

5.3 系统优劣判定

在获得2种系统设计中间轴设计行为量的基础上，将所得结果代入式（11）可计算出结果如下：

可以得知,当完成同一中间轴零件设计任务时，使用系统A要比使用系统B的行为量大，系统B要比A系统优越.根据2种系统最终设计行为总量来看，使用传统的异构设计系统在设计过程中需要查询资料过多，且目标不是很明确，造成时间和频度上都比使用AMFSDI系统要多26%，从设计行为定量分析的角度证明了“一元四体”建模原理和技术的优越性.

6 结 论

本文提出了DBC，DBS，DBR，DBN等组成的设计行为概念体系和设计行为量定义方法，分析了它们之间的关系.通过G1法确定了设计行为各类权重，建立了设计行为量计算方法和矩阵描述方法，为进行定量研究打下了基础.最后，以某汽车变速器中间轴为例，通过引入支持“一元四体”模型的新型软件平台和传统设计系统进行设计实例试验和对比分析，验证了本文研究方法的正确性，以及基于此对数字化设计系统、产品建模技术等的优劣进行评价的可行性. 

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