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工业设计中面向客户的远程协同产品方案评价系统的构建 田生彩 方卫宁 郭北苑 徐媛媛 北方交通大学机械与电子控制工程学院 北京 100044摘要： 利用Internet/Intranet网络平台，实现产品用户和设计人员协同完成产品外观方案设计是工业设计领域发展的一个新的概念。本文通过改进层次分析法，在结合多属性多人评价法的基础上，提出了用于面向客户的远程协同产品工业设计方案评价的方法，并在此基础上研究和开发了一个适用于工业设计的远程协同方案设计评价的原型系统。关键词：工业设计方案、协同评价、三维模型中图分类号：TH122 文献标识码：A1 引言 工业设计作为产品设计的一个特殊方面，不是简单的“技术 + 艺术”，而是工程技术知识、人机工程学、人文社科知识、艺术美学知识、市场营销知识和消费心理学等知识体系的有机结合1。这决定了工业设计评价的评价标准具有很宽的覆盖面，跨越了多个学科。同时工业设计又必须迎合客户的需求，得到客户的认可。 对企业而言，能否满足客户在多方面的要求将决定企业的市场效益。 实际的工业设计活动中，一般无法要求设计者和方案评价者具有如此全面的知识，为此一般采用设计评价再设计再评价这样循序渐进的方式，通过设计师与大量不同角度的客户之间频繁的交流沟通共同完成整个设计过程。采用这种方式建立面向客户的分布式协同设计评价系统，能使处于不同地域的设计者和客户能够进行协同的产品方案设计和评价，从而提高设计效率和用户的满意度。 本文通过改进层次分析法，在结合多属性多人评价法的基础上，提出了用于面向客户的远程协同产品工业设计方案评价的方法，并在此基础上研究和开发了一个适用于工业设计的远程协同方案设计评价的原型系统。2 基于远程协同的产品工业设计方案评价方法面向客户的远程协同产品工业设计方案评价体系是以动态客户为主导施行评价行为，评价规则的制定人员与评价实施人员相分离。它在本质上要求大量专业设计评价人员和非专业客户的共同参与，并且最终结果的确定要服从多数性原则，体现了多评价者、多学科评价的特点。为满足当今以及未来工业设计评价的新要求，本文在结合层次分析法(AHP) 1和多属性多人评价方法(EMAME) 2的基础上提出了用于面向客户的协同评价方法。2.1 方案评价中基于AHP法的评价权值的确定由于AHP法可以综合处理定性和定量问题并且适用于多学科多目标评价，在工业设计评价中得到了广泛应用，但AHP法中判断矩阵的构造是针对小范围专家评价提出的，得出的结果可能具有片面性，不能较好地体现科学性和公平性原则，因此，本文在评价指标的权值确定中对AHP法进行了改进。2.1.1 基于AHP法的初步评价权值的确定AHP法是依据分而治之的思想，把评价目标按层次进行分解，并在此基础上将所有的评价指标按照一定的规则和准则组合和排序，并通过由上至下的迭代来判定各层内元素相对于评价目标的综合权值。运用AHP法确定评价指标综合权值的过程可分为下述2个步骤:STEP1：把评价目标分解为包含目标层、准则层(又可包含若干个子准则层)和方案层的层次结构，结构图参见文献1。建立各层的判断矩阵T，其中为本层元素和相对于上一层准则重要性标度的比值，并且有；重要性标度采用Satty提出的19标度3。判断矩阵T表征了各层内元素两两之间重要性的比例关系。STEP2：从第3层起，从上至下迭代计算各层的相对权值和综合权值，具体计算参见文献1。2.1.2 对AHP法改进后的最终评价权值的确定为了消除小范围专家评价带来的片面性，本文进行了改进，采用下述方法综合多组由不同专家得出的权值，经过适当折衷使工业设计方案评价更具有说服力和代表性。STEP1：用AHP法进行次评价，结果记为矩阵,其中为第次评价结果的维权值向量，为评价指标的个数。STEP2：规定n维向量，按下式对多组权值进行聚合 即为综合后的权值向量。STEP3：按式 对进行归一化处理，所得结果即可作为最终的评价权值。2.2 基于多属性多人评价的客户评价评价指标和评价权值确定后，面向客户的协同评价过程要求大量客户的参与，客户进行的评价行为不可预知，而且客户进行评价的结果也不尽相同，这要求评价方法能够对评价行为的次数不敏感，同时评价结果应能进行合理的折衷，以体现多数性原则而不失科学性。多属性多人评价方法研究了对多个评价结果和多个评价属性进行聚合时所要满足的理性化聚合准则2，为面向客户的协同评价提供了理论依据。文献2提出并且证明了一个用于多属性多人评价的准线性权重聚合函数，见式(1)，这可以满足面向客户协同评价的要求。 (1)式中，n为聚合对象的个数；和分别为第个聚合对象的偏好值和第个聚合对象的聚合权值;，s取值参见文献2。在进行多属性多人评价时，评价步骤如下：SETP1：分别对多人对同一评价指标的偏好值进行聚合评价，此时，i为评价人数，和分别为第个评价指标的偏好值和第个评价客户的信任等级权值;STEP2：对所有评价指标聚合后的偏好值进行最终方案评价，此时，i为评价指标数，和分别为STEP1中对第个评价指标聚合后的偏好值和第个评价目标权值;2.3 面向客户的产品方案评价方法的应用根据面向客户的协同评价的目标和特点，在实际中面向客户的协同评价方案应用如下：1) 对评价目标进行层次划分，建立层次关系图，并确定评价指标权值；2) 划分角色角色是进行评价的基本身份，表示了客户的信任等级和进行评价的评价指标。客户的信任等级代表了在进行多人评价的聚合时所赋予的评价权重。角色的数据结构为struct Role int nCredit ; int nTargetNumber ，其中nCredit为信任等级，nTargetNumber为评价指标编号。3) 角色分配客户可以拥有多个评价角色，从而授权该客户可以对多个指标进行评价。客户的数据结构为 struct Client CVector< Role > Roles ; ; 其他客户信息,其中，Roles为以Role为元素的向量。4) 单个指标的多人评价对同一指标可以由多个人进行评价，并且进行评价结果的聚合，以体现多数性原则。调用函数为float ( CMap< Client * , float > * pEvaluating )，返回值即为评价结果，为式(1) 所示聚合函数的实现，CMap< Client * , float > 映射类型定义了针对单个评价指标所进行的评价行为，映射的键值为客户指针，而映射值为评价的偏好值。5) 评价方案的最终评定通过对所有评价指标进行多属性聚合，来获得最终评价结果。调用函数为float (CMap<int , float > * pEvaluatingItems )，返回值即为综合评价结果，为式(1) 所示聚合函数的实现，CMap< int , float > 映射类型定义了所有评价指标及其经过多人聚合后的偏好值，映射的键值为int类型的评价指标编号，而映射值为该评价指标经过多人聚合后的偏好值。3 面向客户的远程协同产品方案评价系统的构建3.1 系统开发目标工业产品种类繁多,设计评价涉及的领域广、知识依赖性强5，如果针对各个产品独立地开发自己的各种协同评价系统，重新构建系统的知识框架，将会耗费大量的人力和物力，延长系统的开发时间。因此利用合理的评价理论总结产品评价的共性特征，构建一些通用的协同评价应用构件,利用这些构件快速的生成自己应用系统,是协同评价应用系统构建的一种通用方法。根据工业设计及面向客户的协同评价体系的特点，工业设计中的方案设计评价系统不但应满足分布式协同工作环境的要求，而且对动态客户服务的伸缩配置提出了较高的要求，因此，面向客户的远程协同产品方案评价系统应实现的目标包括：1) 具有在Web客户端进行协同方案设计和方案评价的能力。系统面向分布式客户开放，客户进入系统的最佳方式是通过Web登陆，这种方式要求系统具有在Web客户端进行协同方案设计和方案评价的能力。同时，由于系统用户具有多样性和多变性的特点，传统客户端方式无法有效地解决这个问题，而在Web客户端方式下，可以由Web服务器端动态生成丰富的用户界面。2) 具有在Web客户端进行产品设计方案展示的能力。系统能为时空分布的客户提供三维实体远程交互展示，视频会议、电子白板、在线交谈、电子邮件等，集声音、图象、图形、文字并茂的多媒体合作界面和信息交互手段，使用户充分了解设计方案。3) 具有保证产品信息一致性的能力。产品的设计和展示模块之间不可避免的存在着信息流动，而两个模块之间的感知和交流必需以产品信息的一致性为基础。为了适应全生命周期的协同环境，系统必须具有产品信息一致性管理功能，以保证整个系统运行通畅。4) 具有动态配置系统功能以及集成异构系统的能力。协同环境本质上要求具有开放性特点，需要系统不但能够管理模块的进入和退出，还要能够对运行的模块作出动态配置。同时遗留工作模块必须具有互操作性，因此必须提供相应的功能把遗留模块无缝地集成到新系统。5) 基于Internet/Internat的网络环境。Internet/Internat层提供了协同工作系统的网络平台，采用Internet/Internat作为协作平台的优势在于日益发展的Internet/Internat用户群体提供了协同工作天然的物质基础，它的普及使得用户得到最廉价、方便、实用的网络接入。3.2 系统体系结构网络协同评价系统采用Web技术将不同区域的专业技术人员、客户和设计资源组织在一起，提供一个协同完成产品评价的网络环境，将产品评价及其相关过程延伸到客户端，以保证设计出的产品真正满足客户需要。系统的结构层次如图1所示。本文协同评价系统的网络平台构建是基于J2EE技术规范的分布式协同环境，J2EE规范提供了一个企业级的计算模型和运行环境，用于开发和部署企业级的应用程序。它通过提供企业计算环境所必需的各种服务，使得部署在J2EE平台上的多层应用可以实现高可用性、安全性、可扩展性和可靠性6。基于J2EE技术的系统，其内部各层之间松散耦合，具有很好的柔性，所以可以进行大范围内功能的伸缩，并且能够充分满足动态客户服务的要求。因此，这种平台环境可以达到协同评价系统的要求。系统中间件层提供分布式协同作业的数据通道及其数据的持久性管理，通过提供对底层网络通讯和数据库操作的封装，使底层网络通讯和数据库管理透明化，本文选用J2EE Reference作为本系统的应用程序服务器。框架层分为两层，其中过程管理、任务管理、资源管理、协同工具集、产品信息模型及其管理等几部分构成框架层的低层。任务管理负责任务的分解、子任务的粒度控制、子任务的调度等功能。过程管理提供对评价事物的建立、维护，评价版本的管理等手段。评价资源包括评价过程中占用的网络资源以及参与评价与设计的人员。产品信息模型的管理负责产品信息模型的建模、维持、信息抽象等工作，产品信息模型表达产品设计过程中使用的各种信息，它包含数据库、文件、图形、图象等多种格式的数据源。Web应用程序和数据转换集成器是框架层中的较高层，负责定义各种数据的客户端表现和数据接口转换的一致性，同时数据转换集成器还要负责与协同工具集的集成。Web客户端和协同工具集为客户和评价者提供交互手段。它处于系统的最外层，是系统管理人员、产品设计人员以及其他客户接收、处理和反馈信息的终端。 图1 协同评价系统的结构层次 图2 产品设计者和评价者之间的信息流动形式3.3 协同评价方法在系统中的实现协同设计评价系统的主要目标是在产品设计过程中及时准确地获取评价者的反馈信息，并且根据反馈信息对产品设计及时做出修改。这个过程中，产品设计者和评价者之间的信息流动形式如图2所示。产品评价所需的信息来源于产品的信息库和知识库，产品信息库是一个包含产品设计过程中使用的各种信息如文件、图形、图象等多种格式的数据库。知识库主要包含了评价指标、评价信息和评价决策的知识支持集。评价管理模块是协同评价过程的核心，主要负责评价信息的发布、产品方案评价、评价结果处理以及结果信息的反馈。面向客户的信息主要包括两个部分，一个部分是产品方案信息，它来源于产品信息库，另一部分信息是评价指标信息，来源于知识库，为客户提供方案评价指标和评价的决策支持。设计者完成的产品设计方案，经过数据转换集成器形成统一的产品信息格式，由设计管理模块进行分类和存储。评价管理模块根据客户请求提取相关产品方案信息和评价指标，并对评价结果进行处理。产品方案信息在Web应用层以三维实体远程交互展示，同时给客户提供视频会议、电子白板、在线交谈、电子邮件等多种远程交互手段，使用户充分了解设计方案。产品方案的最终评价结果由评价管理模块反馈给设计者并进行进一步方案修改。4 基于远程协同的产品方案评价系统的关键技术4.1 产品方案信息的网络表达方式面向客户的协同评价必须以远程客户获得足够丰富的产品方案信息为前提，因此网上产品方案信息表达技术对于远程评价系统至关重要。目前，随着虚拟现实技术、网络技术的发展，使客户通过因特网在Web3D技术构建的虚拟环境下获取产品的方案信息成为现实。本文采用Cult3D技术作为产品工业设计方案展示的主要方式，并通过视频会议、电子白板、在线交谈、电子邮件等多种信息交互手段，使用户充分了解设计方案。 图3 基于Cult3D产品方案设计界面图4 面向客户的远程协同产品方案评价系统进行客户评价界面Cult3D是瑞典Cycore公司的产品，它在三维产品的工业设计方案表达上具有明显的优势，由于它采用了独特的图形渲染方式，增强了绘图中透明度和反光程度的肌理质感，具有较快渲染速度和实时交互性，因此，使网络图像的品质有很大改善，而图象品质对于工业设计中产品外观的色彩、材质等美学要素的表现和评价是至关重要的。Cult3D所要求的模型文件格式与大多数工业设计软件相兼容，可直接把3DMax、Maya等3D模型直接转换为Cult3D格式；Cult3D通过内建的事件模型提供了对键盘、鼠标以及动画等事件的支持，由于采用了基于图标拖动方式的事件设置形式，展示产品交互功能的开发非常简便，进一步提高了开发效率。另外，Cult3D对三维场景模型和动画进行了优化，大幅优化了文件的压缩比，改善了网络传输性能。在Cult3D中通过继承Cult3D的Script类实现Cult3D与JavaApplet程序的交互，通过实时控制虚拟场景，在进行产品方案展示的同时甚至可以定制产品。图3为本文采用的基于Cult3D产品方案设计界面客户对产品方案的评价，必须依赖于产品方案的理解，在系统中提供基于Cult3D技术的产品方案交互展示同时还应考虑为远程客户和专业设计者之间提供信息交流的方式，作为协助客户进一步理解方案并进行正确评价必要补充。因此，在本文的产品方案评价系统中还提供了视频会议、电子白板、在线交谈、电子邮件等必要的远程信息交互协同工具。4.2 客户评价单元的动态接入和管理 客户评价单元是动态、随机加入协同评价系统的，因此应该提供一种方便的途径让客户设计者方便的进入系统。Internet上广泛使用的Web浏览器提供了通用一致的操作界面，通过客户远程登录协同系统Web服务器的方式，可以解决客户评价单元动态接入的问题。为了有效管理动态客户，约束客户单元的行为，在协同系统的框架层加入以划分信用等级为特征的客户管理和项目管理应用程序，由相应的客户管理员和项目管理员根据注册客户的资格信息协同向客户颁发信用等级证书并且指派客户行为的范围和权限。4.3 客户评价单元的协同界面 协同评价系统拥有总多的设计和评价客户，而且客户专业类型和信任等级不同，因此客户端界面必须能够根据特定客户灵活配置和生成，传统的客户端应用程序无法满足要求。针对这种要求，利用Web瘦客户端技术，可以在Web服务器端进行各种数据表示界面（产品展示、在线评价、评价表格等）的动态定制，而同时利用Web服务器的代理功能进行信息查询和信息发布。图4所示为面向客户的远程协同产品方案评价系统进行客户评价的一个界面。5 结论本文在结合层次分析法和多属性多人评价方的基础上提出了一种工业设计中面向客户的远程协同产品方案评价的方法，该方法较好体现了多评价者、多学科评价的特点，能有效解决分布式协同评价的问题，这对于有个性化要求产品的工业设计有着十分重要意义。同时本文将Internet/Intranet环境下协同工作系统的理论和方法应用于产品工业设计方案评价中，构建一个基于J2EE面向客户的远程协同产品方案评价原型系统，本文提出面向客户的远程协同产品方案评价系统可以方便地集成到基于Java技术的分布式协同产品设计环境中。参 考 文 献1 熊玉平,金国斌. 工业设计的内涵与思维方式J. 包装工程, 2002, No.4.pp 11 13.2 曾任仁，郑智龙. 用层次分析法确定工业设计评价指标、要素的权值模型研究J. 工程图学学报, 2000, No.2 .pp 96 100.3 钱颂迪等. 运筹学M. 北京：清华大学出版社，1990. pp461 466.3 叶文华,戴勇等. 基于模糊判断的产品方案综合决策方法研究J. 南京航空航天大学学报, 2002, Vol.34.No2.pp134 - 1384 黄广龙,余忠华等. 产品设计中一种理性化的多属性多人评价方法J. 工程设计, 2000, No.1.pp 19 22.5 孙雁，干静. Internet/Internat环境下面向客户的工业设计原型系统的构建J. 机械，2002，Vol.29.No2. pp 60 - 62 .6 史琦，李原等，分布式产品设计的协同工作环境J. 计算机工程与应用, 2002，No.11.pp 38 40.6