机床工业设计模糊评价系统的构造研究及实现

1、 JOURNAL OF COMPUTER-AIDEDDESIGN& COMPUTER GRAPHICS1999年第3期No.31999机床工业设计模糊评价系统的构造研究及实现蔡鸿明陆长德何卫平杨海成摘要应用专家系统、模糊数学等方法，构造了一种充分融合工业设计知识的设计评价系统，在实践上为机床等产品造型设计评价的系统化，智能化，设计与评价的并行化提供了有益的参考.关键词工业设计，专家系统，模糊理论中图法分类号TP302A STUDY OF MACHINE TOOLS INDUSTRY DESIGNEDFUZZY EVALUATING SYSTEMCAI Hong-Ming LU Chan

2、g-De HE Wei-Ping YANG HaiCheng(Institute of Industrial Design, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072Abstract Using Expert System and Fuzzy theory,an evaluation system for design is proposed based on the industrial design knowledge.In practice,this system is helpful for the design e

3、valuation of machine tools in the systematic,intelligent way and with concurrent processing.Key wordsindustrial design, expert system，fuzzy theory1引言作为一门新兴交叉学科，工业设计理念的现实意义在于改变传统设计中的纯物质功能思想，从人性化设计观念角度展开设计思考，将产品功能与符合产品目的的形式美协调统一，更好地满足现代人需求多层次发展的趋势. 然而与数学、物理等学科相比，横跨社会学、心理学、管理学、美学等多学科的工业设计（ID ）学科更具不确定、模

4、糊的特点，工程人员掌握、应用均不容易，这使得ID 技术的应用效果与范围均受到了很大制约.在产品设计评价方面，目前人们虽然使计算机介入处理过程，希望通过计算机工具规范、推广普遍的ID 知识，以帮助改善产品设计的综合质量，增强产品竞争力，克服传统专家人工评判方式工作量大、花费高等弱点. 但现实中计算机的作用目前仍停留在统计、汇总等数据处理程度，更为普遍的工业设计知识并没有真正融贯到系统中，实际的评判主要工作仍由专家人工完成，评价结果受经验和直觉影响，不够准确、客观.针对产品评价问题的不确定、模糊特点，文献1，2曾提出了一些有价值的建模思路，但距离在计算机系统中的量化表示及软件系统实现仍有相当差距.

5、 考虑到专家系统（ES ）可将领域知识与具体处理过程分离，能方便地使用不确定推理、模糊处理等方法的优点. 为建立能真正克服人的感受模糊、不确定所带来的难以客观、公正评价等缺点的计算机评价系统，本文从ID 知识分类分析、形式美学原则的量化着手，将以人为本的人性化设计思想、ID 领域知识通过模糊理论、专家系统等工具融汇贯通到评价系统的计算机实现中，建立了一种充分融合工业设计知识的模糊评价系统. 这在实现机床产品造型系统的实时评价及设计反馈、系统环境配置的优化设计，以及ID 知识应用及推广上具有重要的现实意义.2系统评价准则的工业设计分析产品设计以满足人的需要为出发点. 于是，从人的需求层次系统着眼

6、，机床评价系统准则可相应划分为3层.(1宜人性评价的实现对于这类与生理特性息息相关的需求，最重要的就是将机床看作人体肢体的延长. 从而得到有关机床宜人性的评价准则，在系统中体现为人机交互的方便、高效.考虑在机床设计中，目前与人直接发生关系的零部件，如显示器、手柄、仪表等，大多已按符合人体测量学、人体结构学、生理学和生物力学以及工程学要求的人机工程学准则，实现了标准化和系列化，机床整体尺寸变化对这些零部件的尺寸选择变化不大. 宜人性要求主要集中在其相互位置上，高效与方便与否和各零部件的单项操作时间及组合后的操作时间关系较大. 因而，系统对机床人机功能性评价，不应停滞在单个零部件的设计及位置是否达

7、到了最佳位置程度，而要考虑和人直接发生关系的所有零部件的位置是否协调统一，综合效果是否达到了最佳状况以及系统整体效率是否最高.(2审美功能评价的实现审美需求、认知需求等属于人的更高层次的需求范围，产品设计外形美观、色泽光亮等的完成，就是为了满足使人赏心悦目这类心理性需求. 在机床设计评价中引入形式美学普遍原则，通过建立各美学原则的模糊量化模型，将工业设计美学标准贯穿于设计全过程，利用设计风格等进行约束，对设计进行导向，是审美功能层次评价的关键和意义所在.结合机床产品计算机辅助工业设计（CAID ）特点，这里列出了有关产品形式美的形态、色彩等审美因素评价的几组标准（括号内为考虑该标准的工业设计美

8、学原则来源）：形态方面：安定性（安定与轻巧）对称性（对称与均衡）节奏轻快感（节奏与韵律）比例协调感（比例与尺度）色彩方面：对比感（对比与调和）对称感（对称与均衡）稳定性（安定与轻巧）重点突出感（主从与重点）(3环境系统关系的评价构造环境对设计产品的影响包含微观和宏观个层. 微观环境是产品的实际使用环境，主要是光环境、声环境、振动环境、热环境以及人机系统安全性问题. 系统主要划分安全性、宜人性2层，在满足系统安全性程度上进一步进行环境宜人性评价. 构造相应的安全环境数据库、宜人环境数据库以组织评价知识，便成为这一层次评价的主要工作. 宏观层次指从大的方面看产品所处的特定时空，如社会状态、社会特点

9、、社会意识等对产品的影响，体现在产品评价中主要为时代性、合理性（设计的产品生产性与企业拥有物质条件与工作条件的相适程度）、经济性等. 相对而言，微观环境对产品的影响是显性的，而宏观层次是隐性的. 由于宏观层次太过复杂，出于简化起见，系统主要考虑产品实际的环境，即产品与人的操作环境的关系. 宏观层次主要通过一些设计约束体现到系统中.由于宜人性评价、具体环境系统的评价准则已较为成熟，人体测量学、环境数据均容易获得. 针对国内机床产品CAID 的应用实际，系统在这些方面的处理主要是相关数据的建库管理及查询. 对于涉及社会、文化、心理等方面的审美需求评价层次，长期以来，连“形态美观”、“比例协调”等笼

10、统的自然语言在计算机系统的评价实现都颇为困难，更谈不上更深入的应用分析. 建立融贯ID 知识的系统，关键是体现审美需求的美学原则的定量化评价.3综合评价方法的实现3.1评价模型的知识分类表示和多级评价抽象而言，人们对问题的解决不过是应用知识进行处理的过程. 然而从知识工程观念出发，好的方法应是恰当的知识表示和方便的知识处理的统一. 考虑到评价过程是复杂的、步骤繁多而层次相异，很难用计算机建立统一的评价数学模型. 为此，从机床形态设计的特点出发，要用计算机进行综合评价，宜采用多级分类-综合评价方式，结合定性和定量方法，应用多级评价模型进行评价.由于评价描述的内容有模糊的、感性的部分，也有易量化、

11、便于计算机表示的部分，因此评价处理的方式也因评价项目不同而相异. 此外，评价知识的表示绝非一种形式所能包括完全，评价知识模型宜采用分类-综合的方法参照目前通用的造型评价标准，首先得到包括整体效果、人机、色彩、形态、外露配套件、装饰、经济性等一级评价子因素；然后根据各评价子因素的不同性质，对子因素进行分类. 将对机床造型设计有重要影响、可以建立起数学模型的一些美学法则及人机工程学规则划分为一类，用计算机自动实现评价. 而其它无法建立数学模型的些美学法则及人机工程学规则划为另一类，以在线帮助的形式将这些法则适时地显示给设计者，由设计者参照它对目前的造型设计方案作出补充评价.在根据情况对评价子因素进

12、一步细分得出结果后，再从底向上逐层综合. 这样的多级评价处理，不仅具有较好的层次性，更可以适应美学知识等模糊性的特点而分别采用较为灵活、独立的方法.参考多级模糊评价模型文献2，首先得到包括整体效果、人机、色彩、形态、外露配套件、装饰、经济性等一级评价子因素，记作：X =X 1，X 2，X i ，X n . 然后对一级评价子因素再进行细分. 如形态美学评价的二级评价子因素可分为安定性、对称性、节奏轻快感、比例协调感，分别来自于安定与轻巧、对称与均衡、节奏与韵律、比例与尺度等美学原则. 记作：X i =X i 1，X i 2 ，. ，X is .得到单因素模糊评价结果后(对X ij (j=1，2，

13、s 单因素的模糊量化评价将在后面阐述 ，便可对X i 进行一级综合评价. 假若形态美学评价的评价集为Y 4=y 1，y 2，y s ，单因素评价矩阵为R 4，X 4的各因素权重分配A 4为a 1， a 2，则第一级评价结果B =A. R=b 1，b 2，b m 将每个X i 看作一个元素，则第一级评价结果B 可作为这一级评价的评价矩阵R 的R i ：R =R 1，R 2，, R m T =B 1，B 2，B m T假若各评价子因素权重分配为A =A i (i=1，2，s ，则机床二级评价结果为：B =A . R .实际应用中评价模型并不完全是严格的二级(层 结构，而是更高级或是多级的混合. 例

14、如二级评价因素形态的安定性就可进一步细分为视觉安定性、几何安定性等三级评价子因素；色彩对比性评价也可细分为色相对比评价、纯度对比评价等三级子因素. 而像形态的整体节奏感二级评价子因素则很难继续划分.3.2美学原则的单因素模糊评价的实现美学原则的模糊量化模型是美学原则的模糊评价的实现及应用的基础，在文献1中已建立了包括形态安定与轻巧、对称与均衡、节奏与韵律等的较初步模型，为完整起见，系统把模型由形体扩展到色彩，建立了包括形、色的模型. 下面简要阐述色彩的色相对比感模糊量化模型.应用包括模式识别、轮廓提取等图象处理技术，可从用计算机表现机床效果的渲染图中得到机床产品的特征数据. 这主要有色彩RGB

15、 、色块面积、轮廓线，定位尺寸和几何尺寸等. 经过一些诸如频谱分析、直方图统计的简单预处理后，这些数据便可应用到美学因素评价中.色彩的对比感有对比与调和两方面，对比强时体会为强烈的色彩刺激感觉，色彩的调和指色彩对比较弱时产生的柔和感觉. 从色彩配置的基本知识，可以建立以色相三原色（考虑以机床的油漆配色作为主要应用范围，这里指颜料三原色即红、黄、蓝）为基础的“色相环”.如图1，考虑两色相在色相环上的角度差：越大，色彩对比性越强；越小，色彩调和感越强. 引入两色相在色相环上的角度差=|1-2|，0，即可作为色彩的色相“对比与调和”模糊评价的考察因素. 图1两色相在色相环上的角度差对论域R ，U ，

16、V ，U =1，2，n ，V =（v 1, v 2,v 3, v 4, v 5）. v 1对比感强烈; v 2对比感较强烈; v 3对比感一般；v 4对比感较不强烈或较调和，v 5对比感不强或调和感较强.构造对V 中v 1, v 2, v 3, v 4, v 5的判断，即模糊隶属函数E 1，E 2，E 3，E 4，E 5如下：E 1=exp-k 1（-）2，E 2=exp-k 2（-2/3）2，E 3=exp-k 3（-/2）2，E 4=exp-k 4（-/3）2，E 5=exp-(）5x 2.k 1，k 2，k 3，k 4，k 5等为因子，数值可通过一些约束关系得出，在这里值分别为31.6，

17、15.8，15.8，15.8，31.6.由模糊值映射，f ：U F (V ，f （）=（E 1，E 2，E 3，E 4，E 5）F (V 即可得出模糊评价结果.4系统结构及软件实现4.1评价系统的层次结构将系统分为面向用户的用户层、系统内部的处理层和知识库层将，可方便地实现处理过程与知识构成的分离，也使系统具有清晰、完整的结构. 图2为评价系统构造层次示意图.计算机辅助设计与图形学学报990324 图2评价系统构造层次示意图 用户层：处于系统的较高层，直接面向用户，实现机床产品的宜人性评价（人机 评价），属于审美范畴的视觉稳定性、造型比例协调等评价. 知识层：处于系统的最内层，将ID理论知识及

18、从专家提供的经验知识整理组织后 建库保存，可方便地进行扩充、具有充分的灵活性.是评价系统的基石. 处理层：处于系统的中间，是连接用户层和知识层的桥梁，调用知识库实现系统 评价，完成程序的调度等工作，是实现系统评价实时反馈和智能化的关键. 4.2评价系统工作原理 (1）接口程序（内部接口） 通过图象处理技术，包括模式识别、轮廓提取等，从机床渲染图中得到机床产品 的特征数据，包括色彩RGB、轮廓线，几何尺寸等，经过一些预处理后，这些数据便 用到评价中.评价系统通过内部接口可与其它设计程序一起构成机床的整体造型设计系 统，从而实现实时评价导向，迅速帮助设计等. （2）人机交互界面（用户接口） 完成系

19、统与用户的对话交互.由于考虑设计师主动性的发挥，系统尚未实现智能化. 人机交互界面在尽量宜人的情况下，给予了用户相当大的选择余地. （3）主处理程序 包括综合效果评价控制调度程序和处理机以及各子评价模块的处理程序等. （4）知识库 人机评价数据库：机床部件人机工程学评价知识（仪表、显示与控制组合设计 等）. 美学评价知识库：语意风格描述词汇库等. 环境评价库：光环境、声环境、振动环境、热环境以及人机系统安全性评价知识. 评价系统模块关系示意图如图3所示. file:/F|/qikan_htm抽取_2000before/kjqk(200810/jsjfzsjytxxxb/jsjf99/jsjf9

20、903/990324.htm（第 68 页）2009-12-31 23:32:48 计算机辅助设计与图形学学报990324 图3评价系统模块关系示意图 5结论 本文通过模糊数学等处理方法，以专家系统原理为骨架，提出了一种机床产品的 工业设计原理评价系统.这种评价系统构造方法已经应用到国家“九五”攻关项目“典 型数控机床计算机辅助工业设计系统”的评价子模块中，它对机床设计师起到了参考 引导作用，可缩短机床的设计加工时间，提高设计质量.另外，本评价系统中建立的美 学模糊量化评价模型.系统骨架，可以为下一步研制建立智能评价系统提供非常有价值 的参考. 本文得到国家重点科技项目（攻关）计划(No.96

21、-A01-01-01-2和国家自然科学基金 (No.69573025资助. 作者简介:蔡鸿明，男，1975年7月生，博士研究生，主要研究方向为计算机辅助造型 设计、技术美学模型研究、现代先进制造技术等. 作者单位:西北工业大学工业设计研究所西安710072 参考文献 1Yu Jian-Feng, He Wei-Ping, Yang Hai-Cheng. A study of fuzzy evaluation in the model industry designing for machine tools.In:Proceedings of ChinaGraph'96 Workshop

22、,1996.393-398 (余剑峰,何卫平,杨海成.机床形态工业设计的模糊评价方法研究.见：ChinaGraph'96 会 议论文集,1996.393-398 2Li Yu. The synthesized evaluation of product design by the using of fuzzy theory. Journal of Engineering Graph.1997,(1:98-105 (李煜.用模糊数学方法对产品设计进行综合评价.工程图学学报，1997，(1:98-105 3Zhu Jing， et al. Fuzzy Controlling and Application. Beijing:Mechanical Industry Press,1995 file:/F|/qikan_htm抽取_2000before/kjqk(200810/jsjfzsjytxxxb/jsjf99/jsjf9903/990324.htm（第 78 页）20