技術(shù)的發(fā)展趨勢展望
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一、CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢 
CAD技術(shù)作為成熟的普及技術(shù)已在企業(yè)中廣泛應(yīng)用，并已成為企業(yè)的現(xiàn)實生產(chǎn)力。圍繞企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計能力的提高和網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境的普及，CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢主要圍繞在標準化、開放式、集成化、智能化四方面。
1．標準化 除了CAD支撐軟件逐步實現(xiàn)ISO標準和工業(yè)標準外，面向應(yīng)用的標準構(gòu)件（零部件庫）、標準化方法也已成為CAD系統(tǒng)中的必備內(nèi)容，且向著合理化工程設(shè)計的應(yīng)用方向發(fā)展。
傳統(tǒng)形式的手畫工程圖已經(jīng)有了成熟的國際標準，相互都能理解。而存儲在磁盤、光盤上的形形色色的CAD二進制數(shù)字記錄，要想實現(xiàn)標準化就復(fù)雜、困難得多。從80年代中期起，ISO國際標準化組織著手醞釀制訂這類標準，稱作ISO10303《產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達與交換標準》，簡稱STEP。它要涵蓋所有人工設(shè)計的產(chǎn)品，采用統(tǒng)一的數(shù)字化定義方法。由于STEP標準涉及的面非常寬，眾口難調(diào)，標準的制定過程十分緩慢，存在問題很多。而在我國，CAD應(yīng)用工程的實施具有更加嚴密的組織領(lǐng)導(dǎo)體系，而且實際從事CAD應(yīng)用軟件開發(fā)的單位相對比較集中，起步比國外晚，不存在要與過去開發(fā)的老系統(tǒng)保持兼容問題。如果我國采取主動貫徹STEP積極思想的方針，不糾纏于過分繁瑣的技術(shù)細節(jié)，針對我國的現(xiàn)實需要和技術(shù)發(fā)展前景，及早統(tǒng)一協(xié)調(diào)自主開發(fā)軟件的數(shù)據(jù)模型，這將有助于推動國內(nèi)CAD界的學(xué)術(shù)研究風(fēng)氣，促進CAD軟件開發(fā)水平的大幅度提高。這種主動出擊的策略要比單純等待STEP標準草案一版一版更新有利得多?；仡櫄v史，CAD和計算機圖形學(xué)的國際標準制定總是滯后于市場上的工業(yè)標準。CAD產(chǎn)品更新頻繁。誰家產(chǎn)品的技術(shù)思想領(lǐng)先，性能最好，用戶最多，主導(dǎo)了市場，誰就是事實上的工業(yè)標準。CAD技術(shù)的發(fā)展不是一種純學(xué)術(shù)行為，它是在高技術(shù)產(chǎn)品所固有的激烈市場競爭中不斷向前推進，永無止境。
CAD軟件一般應(yīng)集成在一個異構(gòu)的工作平臺之上，為了支持異構(gòu)跨平臺的環(huán)境，就要求它應(yīng)是一個開放的系統(tǒng)，這里主要是靠標準化技術(shù)來解決這個問題。 目前標準有兩大類：一是公用標準，主要來自國家或國際標準制定單位；另一是市場標準，或行業(yè)標準，屬私有性質(zhì)。前者注重標準的開放性和所采用技術(shù)的先進性，而后者以市場為導(dǎo)向，注重考慮有效性和經(jīng)濟利益。后者容易導(dǎo)致壟斷和無謂的標準戰(zhàn)。通過總結(jié)這個領(lǐng)域幾十年標準化工作的經(jīng)驗，不少標準化專家已認識到存在的問題，這已經(jīng)成為進一步制定標準的障礙。因此提出應(yīng)對傳統(tǒng)的標準化工作進行革新。有專家建議標準革新的目標是公用標準應(yīng)變成工業(yè)標準，也就是說革新后仍應(yīng)以公用標準為基礎(chǔ)，不過要從工業(yè)標準中吸收其注重經(jīng)濟利益和效率的優(yōu)點。另外，也有人提出現(xiàn)在制定標準的單位很多，但是標準制定過程卻沒有標準，這也是標準革新過程中值得考慮的問題。這些觀點對我國制定CAD標準也許有所啟迪。
2．開放性 CAD系統(tǒng)目前廣泛建立在開放式操作系統(tǒng)窗口95／98／NT和UNIX平臺上，在Java LINUX平臺上也有CAD產(chǎn)品，此外CAD系統(tǒng)都為最終用戶提供二次開發(fā)環(huán)境，甚至這類環(huán)境可開發(fā)其內(nèi)核源碼，使用戶可定制自已的CAD系統(tǒng)。
3．集成化 CAD技術(shù)的集成化體現(xiàn)在三個層次上：其一是廣義CAD功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP經(jīng)過多種集成形式成為企業(yè)一體化解決方案，推動企業(yè)信息化進程。目前創(chuàng)新設(shè)計能力（CAD）與現(xiàn)代企業(yè)管理能力（ERP、PDM）的集成，已成為企業(yè)信息化的重點；其二，是將CAD技術(shù)能采用的算法，甚至功能模塊或系統(tǒng)，做成專用芯片，以提高CAD系統(tǒng)的效率；其三是CAD基于網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境實現(xiàn)異地、異構(gòu)系統(tǒng)在企業(yè)間的集成。應(yīng)運而生的虛擬設(shè)計、虛擬制造、虛擬企業(yè)就是該集成層次上的應(yīng)用。
國際CAD商品系統(tǒng)開發(fā)的另一個趨勢是在全球范圍內(nèi)優(yōu)選最成功的功能構(gòu)件，進行集成。至今最成熟的幾何造型平臺有兩家：Parasolid和ACIS；幾何約束求解構(gòu)件有一家，它的主要產(chǎn)品是2D和3D DCM。我國開發(fā)的機械CAD應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)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(fā)自由化，以免受制于一、二家公司壟斷性產(chǎn)品的束縛。這就是選用Linux操作系統(tǒng)以及在它基礎(chǔ)上開發(fā)各種共享軟件，開放源程序。我國也在醞釀自主開發(fā)因特網(wǎng)、操作系統(tǒng)、以及各種辦公的國產(chǎn)化系統(tǒng)。這時，自研制幾何造型通用平臺和各種功能構(gòu)件也將提上議事日程，我們要及早做好準備。
4．智能化 設(shè)計是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動領(lǐng)域，智能CAD是CAD發(fā)展的必然方向。從人類認識和思維的模型來看，現(xiàn)有的人工智能技術(shù)對模擬人類的思維活動（包括形象思維、抽象思維和創(chuàng)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(xiàn)有的智能技術(shù)與CAD技術(shù)相結(jié)合，更要深入研究人類設(shè)計的思維模型，并用信息技術(shù)來表達和模擬它。這樣不僅會產(chǎn)生高效的CAD系統(tǒng)，而且必將為人工智能領(lǐng)域提供新的理論和方法。CAD的這個發(fā)展趨勢，將對信息科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。
二、CAD技術(shù)研究開發(fā)熱點
1．計算機輔助概念設(shè)計 一方面，根據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計資料表明，產(chǎn)品工本費的70％是在產(chǎn)品設(shè)計階段決定的。同時，一旦概念設(shè)計被確定下來，產(chǎn)品設(shè)計的60％－70％也就被確定下來。尤其需要提及的是，即使詳細設(shè)計再好，也難以彌補概念設(shè)計階段所出現(xiàn)的缺陷。還有產(chǎn)品的創(chuàng)新及其所具有的競爭能力基本上也是在概念設(shè)計階段就被確定下的。故概念設(shè)計是設(shè)計過程中一個非常重要的階段，它已成為企業(yè)競爭的一個制高點。因此計算機輔助概念設(shè)計愈來愈受到重視。但另一方面，在概念設(shè)計期間，所涉及的設(shè)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(fù)雜性很高，這給CAD技術(shù)帶來很大的難度。
概念設(shè)計的過程主要是評價和決策的過程，它涉及到產(chǎn)品功能、動作和結(jié)構(gòu)等因素，它對產(chǎn)品的價格性能、可靠性、安全性等等起決定性的影響作用。正因為應(yīng)考慮的因素和目標是多方面的。因此評價和決策過程是一個很復(fù)雜的，難度很大的過程。目前計算機輔助概念設(shè)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(dāng)然，應(yīng)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(shù)。為了使計算機有效地支持概念設(shè)計活動，需要解決兩大難題。即建模問題和推理問題：A．前者是對產(chǎn)品的功能、動作和結(jié)構(gòu)諸因素之間相互影響的復(fù)雜關(guān)系進行建?；虮磉_。例如汽鍋的蒸汽閥門，基功能是防止汽鍋爆炸，它的動作是當(dāng)檢測到一定的壓力差時，它會自動打開，而其結(jié)構(gòu)是所用的實際構(gòu)件的布局及其連接關(guān)系，建模的結(jié)果提供推理用；B．而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、知識模型和圖象法等等，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。而圖象表示法是一種高可視化的表示法（即可視化思維模型），它側(cè)重于提供一種有助于輔助設(shè)計人員創(chuàng)新工作的建模環(huán)境，稱它為面向人的表示法，而上列其它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(shè)計的某一方面，缺少一種能描述概念設(shè)計各種因素的統(tǒng)一表示法，這正是下一步的目標。 推理問題的重點是在轉(zhuǎn)換過程，即把用戶需求映射到實現(xiàn)所給需求集合的一些實際的結(jié)構(gòu)上。難點在于產(chǎn)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(shè)計活動，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于實例的推理法、基于知識的推理技術(shù)、優(yōu)化、價值工程和定性推理等等。但目前也只能設(shè)計一些特定領(lǐng)域的例子，離全面應(yīng)用還有差距。但從長遠來看，這方面的許多工作還應(yīng)繼續(xù)進行。例如知識獲取是人工智能領(lǐng)域中一個大難題，為了解決這一問題，可以采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從已有的設(shè)計庫中自動獲取感興趣的領(lǐng)域知識。 （2）交互技術(shù)生成方案 由于概念設(shè)計的復(fù)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(shù)是重要手段。在概念設(shè)計階段可充分利用多媒體技術(shù)，如包括有效的信息搜索技術(shù)，以便在網(wǎng)上可查到大量對概念設(shè)計有用的設(shè)計例子。又如研究協(xié)同概念設(shè)計技術(shù)，使群體成員易于參與概念設(shè)計，并作出積極的貢獻。
2、計算機支持的協(xié)同設(shè)計 設(shè)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，群體成員應(yīng)完成的各自分工的任務(wù)；另一是協(xié)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(guān)聯(lián)的問題。一般稱為接口問題，接口難免會出現(xiàn)矛盾和沖突，如不及時發(fā)現(xiàn)和協(xié)調(diào)解決，就會造成返工和損失。傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)只支持分工后各自應(yīng)完成的具體任務(wù)，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訊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(xié)商和講討論。因而一項大的設(shè)計任務(wù)接口問題難免要出差錯，這正是為什么設(shè)計工作會出現(xiàn)不斷反復(fù)、不斷修改這一過程的主要原因。
計算機支持的協(xié)同設(shè)計是計算機支持的協(xié)同工作（CSCW）技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域的一種應(yīng)用。用于支持設(shè)計群體成員交流設(shè)計思想、講討論設(shè)計結(jié)果、發(fā)現(xiàn)成員間接口的矛盾和沖突，及時地加以協(xié)調(diào)和解決，減少以至避免設(shè)計的反復(fù)，從而進一步提高設(shè)計工作的效率和質(zhì)量。
協(xié)同設(shè)計倍受人們的關(guān)注，已有不少原型系統(tǒng)，也有一些產(chǎn)品已在市場上出售了。已有工作中，有些屬基礎(chǔ)性工作，如建模、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、適用于CSCW的支撐環(huán)境等等。但從建立實用協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)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(wǎng)上通訊方法已較成熟，但在遠程網(wǎng)上，交換數(shù)據(jù)時，異步傳輸，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平臺問題不大，但實時交換數(shù)據(jù)問題較多。首要的是傳輸媒體的選擇問題，即基于公用網(wǎng)（如WWW）還是基于專用網(wǎng)（如語音傳輸可借用電話專線，又如租用ISDN總線）。目前多數(shù)研究是集中在公用網(wǎng)Internet和Intranet上。但商品開發(fā)上更多考慮專用線。從實用效果來說，公用網(wǎng)效果較差，而專用線雖然效果好些，但價格太高。
（2）異構(gòu)平臺 參與協(xié)同設(shè)計的成員是分散在各地，且設(shè)備條件多種多樣。因此，實用的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)必須能在異構(gòu)環(huán)境中運行，包括數(shù)據(jù)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(gòu)環(huán)境問題，目前普通采用的是CORBA，JAVA技術(shù)和通信領(lǐng)域的標準等。不過這類技術(shù)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(yè)標準。
（3）人－－人交互 應(yīng)該說支持設(shè)計群體人員間的人－－人交互是協(xié)同設(shè)計的核心問題之一，特別是目前自動發(fā)現(xiàn)矛盾和沖突，并進行自動協(xié)同和解決的技術(shù)還不成熟，因此人－－人交互的手段尢為重要。當(dāng)前，最為普遍的是利用電子會議（包括白板、語音、視頻等等工具）支持成員間進行討論，它比較適用于交流設(shè)計思想，不過用它來討論設(shè)計結(jié)果就很費勁，共同修改設(shè)計結(jié)果就更不可能了。目前討論設(shè)計結(jié)果主要是依靠應(yīng)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，其它成員均能在自已的終端上看到操作過程和結(jié)果。這個工具也可以和電子會議系統(tǒng)集成，用語音等工具進行討論，但應(yīng)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，其它人希望操作必須事先申請，獲準并在當(dāng)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(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的現(xiàn)狀是局域網(wǎng)已達到實用階段，在異步工作方式下，遠程協(xié)同設(shè)計問題也較小，但遠程實時工作方式下，特別是基于公用網(wǎng)，尚處實驗階段，當(dāng)然整個協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)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、管理和檢索 CAD系統(tǒng)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，DBMS是一重要技術(shù)，實踐證明，傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)EDBMS已難已適應(yīng)要求而采用面向?qū)ο蠛完P(guān)系相結(jié)合的模型可能是個過渡的解決方案。
4、設(shè)計法研究及其相關(guān)問題 設(shè)計工作是項復(fù)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(shè)計方法，雖然設(shè)計方法學(xué)的研究已有半個多世紀了，但針對CAD的設(shè)計法卻是最近才有的，稱為正規(guī)設(shè)計流程法，它不僅讓我們知道設(shè)計是一種流程，還為開發(fā)CAD工具提供了依據(jù)，因此了解和識別設(shè)計過程的不同方面（即不同的設(shè)計活動），是開發(fā)新一代CAD系統(tǒng)的關(guān)鍵。
現(xiàn)在已出現(xiàn)許多設(shè)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(shè)計階段?，F(xiàn)在為了支持整個設(shè)計工作，設(shè)計法的研究重點應(yīng)在支持概念設(shè)計方法和協(xié)同設(shè)計方法之上。例如，新的CAD系統(tǒng)可消除許多由于距離和時間所造成對工作方法和組織的限制，協(xié)同設(shè)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(fù)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(xié)同設(shè)計環(huán)境，但如果沒有正確的方法來指導(dǎo)，將很難達到預(yù)期的效果。
目前企業(yè)的組織基本上是一種很嚴謹?shù)膶哟谓Y(jié)構(gòu)組織，在這種組織內(nèi)民主有限，雖然它可防止出現(xiàn)人多嘴雜和無休止爭論的現(xiàn)象，但它又束縛著人們聰明才智的充分發(fā)揮。按目前情況，采用這種組織結(jié)構(gòu)是必要的。但隨著工作方法和方式的改變，組織結(jié)構(gòu)也可改成動態(tài)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?shù)慕M織結(jié)構(gòu)是可行的，可更好地發(fā)揮每個人的才干。 應(yīng)該說到目前為止，設(shè)計工作還是由設(shè)計人員主宰一切，但事實上設(shè)計所牽涉的面很廣，包括市場的需求，生產(chǎn)是否可行，價格能否接受等問題，因此在協(xié)同設(shè)計時，設(shè)計群體應(yīng)包括各類人員，除有關(guān)設(shè)計人員外，還應(yīng)有顧客、社會和人文科學(xué)人員、工藝人員、生產(chǎn)人員、管理人員等。
5、支持設(shè)計創(chuàng)新 創(chuàng)新是產(chǎn)品設(shè)計的靈魂，如何利用計算機來支持創(chuàng)新，這是個新的課題。目前只能提供一種啟迪方法，如存入大量多媒體設(shè)計數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)方便地供設(shè)計人員查詢，從而可能引導(dǎo)出意想不到的富有創(chuàng)新的設(shè)計。又如利用CSCW工具，通過直接討論方式來相互啟發(fā)，產(chǎn)生新的設(shè)計思想，促進創(chuàng)新設(shè)計。
可以預(yù)見CAD技術(shù)將有新的飛躍，同時還會引起一場設(shè)計變革。
6、新技術(shù)在CAD中的應(yīng)用 如上所述，CAD是吸收新技術(shù)最快的領(lǐng)域之一。下面僅以例子加以說明：
（1）虛擬現(xiàn)實與CAD集成 虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于CAD，使CAD技術(shù)主要在兩個方面得到提高：一是更逼真地看到正在設(shè)計的產(chǎn)品及其開發(fā)過程；另一方面是提高交互能力，使設(shè)計人員或群體可以直接和所設(shè)計產(chǎn)品交互操作。VR技術(shù)在CAD中的應(yīng)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(shè)計的正確性和可行性。譬如說可以用這種模擬技術(shù)進行設(shè)計分析，可以清楚地看到物體的變形過程和應(yīng)力分布情況，效果比實物實驗還要好。其次它還可以在設(shè)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。做為副產(chǎn)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(shù)據(jù)庫。在概念設(shè)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(shè)計中的人機工程學(xué)，檢驗操作時是否舒適、方便，這對摩托車、汽車、飛機等的設(shè)計特別有用，在協(xié)同設(shè)計中，利用VR技術(shù)，設(shè)計群體可直接對所設(shè)計的產(chǎn)品進行交互，應(yīng)包括共享設(shè)計數(shù)據(jù)、討論和互操作等。另外VR技術(shù)還可用于開發(fā)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(shù)在CAD中的應(yīng)用前景很大，它的發(fā)展也很快，不過目前仍處實驗階段，離廣泛推廣應(yīng)用還有一定距離。究其原因，首先是這類設(shè)備價格昂貴，其次性能也有待進一步改進。頭盔和數(shù)據(jù)手套不但用起來很不方便，而且使用時間長了，就會感覺到難受。另外，VR技術(shù)應(yīng)用于CAD本身也很有很多工作要做，包括VR數(shù)據(jù)的進一步處理，以便更好地把CAD技術(shù)與VR技術(shù)集成起來。
（2）計算機安全 現(xiàn)在社會的工作、學(xué)習(xí)和生活已都離不開計算機，某一行業(yè)的計算機系統(tǒng)遭破壞，就有可能使這個行業(yè)乃至整個社會受影響，甚至于癱瘓。工程或產(chǎn)品設(shè)計一樣也離不開計算機，而且由于異地設(shè)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(shè)計數(shù)據(jù)不但數(shù)量大，而且往往有一定保密性，這是市場激烈竟爭所致。因此如果解決不了安全可靠問題，就難以進一步推廣應(yīng)用新的CAD系統(tǒng)。