机电系统虚实一体化的创新设计

    我部一直从事水利水电工程的开发与建设其中机电系统是继基础工程后的最后一道工序现代水利水电建设行业机电安装与设计要求越来越高，机电系统创新设计越来越受到重视。数字化时代的到来，科学技术的迅猛发展大大超出了人类的最初设想。而今，短短几十年时间过去，虚拟现实的内涵已扩展至"人工现实","虚拟环境(VitrualEnvironment)"、"遥现技术(Telepresence)","赛伯空间(Cyberspace)"等层面，NASA,MIT等国际著名研究机构纷纷设立虚拟现实领域的研究课题，波音、空中客车、通用、日产等国际企业界巨头也都相继开展虚拟现实技术的实际应用，虚拟现实技术己从早期的军工需要向工业、农业、水电建设业、服务业等领域全方位渗透，并逐渐成为世纪信息技术的代表。
   
    1虚拟设计与虚实一体化设计
   
    产品的T(timetomarket),Q(quality),C(cost),S(service),E(environment)是现代企业谋求产值和利润所必须解决的难题，同时也反映出企业在不同历史时期的战略调整以及在提高自身竞争力、满足顾客不同需求、实现可持续发展过程中的认识累积。现实生产中，不断涌现的CIMS,并行工程、精益生产、敏捷制造、绿色制造、虚拟企业等先进制造理念，以及从MRP到闭环MRP到MRPI直至ERP,SCM,CRM,PLM等深度和广度上不断发展完善的企业管理技术，成为改善产品TQCSE的有效手段。，然而，产品的前提是创新先进制造技术的核心是先进设计技术，英国宇航公司的研究表明产品15%的运作费用锁定了85%的直接成本;波音公司的统计结果显示产品开发成本的83%是由7%的设计成本决定。因此，现代企业应注重推行"向别人看齐"的简单的线性设计创新、"按需生产"的客户驱动的设计创新和"杀手铜"级的突破性设计创新。产品创新设计的要求使得设计人员迫切需要较之传统经验设计更为有效，能够指导其提高设计质量、减少设计时间、具有启发性和易操作的设计理论。作为研究产品设计的科学，设计理论涉及产品设计过程、设计目的、设计者、可用资源和领域知识等5个方面及其相互联系，其核心内容是设计过程。设计过程的认识发展经历了由传统串行过程到基于并行工程的产品开发过程的转变，然而，实践表明，一味强调设计行为的并行化并非总是正确。Fricke指出，随着产品开发活动并行化程度的增加，决策失误率也随之快速增加，因此，需要依靠先进的设计方法和工具解决这一矛盾。而基于虚拟样机的虚拟设计能够有效改善设计并行化程度增加所带来的问题，适应复杂产品研发的多领域特点，它不仅能够缩短设计时间、降低设计成本，更重要的是克服了传统设计方法难以避免的缺点，即对于产品的具体印象和感受必然发生于产品设计完成之后;它使得并行设计过程中设计与制造间的界限变得模糊，使制造同设计一样，成为不断创生新思想、萌发新观念的过程，从而顺应产品创新的个性化要求。事实上，经济全球化、消费结构多元化、产品功能复杂化催生了产品设计的虚拟化，其总体发展趋势呈现CAD-DMU(digitalmock-up，数字化模型)-虚拟样机及制造-虚拟企业等几个阶段，力求使产品成为多领域数字化模型的集合体，信息涵盖产品全生命周期的各个阶段。虚拟设计的具体应用体现在下述几个方面:
   
    产品需求分析的可视化，便于用户有效地参与需求分析工作，从而直观、准确的获取用户需求;
   
    *产品功能设计的数字化，包括结构创成、运动分析、受力分析、公差分析、机电藕合分析等;
    *产品任务规划的仿真化，包括NC离线编程、可装配性分析、物流离线仿真、生产线重组、虚拟企业等;
    *产品性能评估的虚拟化，包括成本核算、人体工学分析、使用性能分析、可维护性分析、可回收性分析等;
    *能够有效支持设计方式的并行化和协同化。
   

    虚实一体化设计理念的提出则是充分考虑了机电系统中存在的虚实结合问题，是对虚拟设计模式最新思想继承基础上的丰富和完善，表现为:
   
    (1)虚拟设计针对产品初步设计和详细设计阶段的应用日趋成熟，但对于产品需求分析、概念设计阶段的支持仍较为有限;因此，虚实一体化设计将应用重心前移，更着重于产品设计前期阶段的支持;
    (2)虚拟设计主要解决设计对象的数字化、设计方式的虚拟化，而对于待设计机电系统可能存在的虚实结合向题则缺乏考虑;虚实一体化设计即从待设计机电系统的虚实结合角度展开设计过程;
    (3)虚拟设计虽然将人纳人设计回路，但对于待设计机电系统中人的因素却仅从人机工程的角度加以考虑;而虚实一体化设计则将人的功能在待设计机电系统的设计过程中统一考虑，以便产生性价合理的设计方案;
    (4)虚拟设计强调多感知和沉浸，注重设计行为和设计工具的表现，但对于设计者或使用者而言，这种产品设计或使用的体验是主观的、感性的;虚实一体化设计则力求采用定性结合定量的方式评估所设计的产品;
    (5)虚实一体化设计一方面要考虑虚拟设计本身的虚实结合问题，即思维的假想性与客观性、思维方案与现实表达、虚拟样机与物理样机;另一方面要考虑待设计机电系统的虚实结合问题，从而获得优化的功能分配方案。
   
    2机电系统虚实一体化概念创新设计理论
   
    作为一种设计理念，机电系统虚实一体化概念创新设计理论应支持构建面向产品设计全过程的ICAD系统-由需求分析开始，贯通从设计思维到虚拟原型到物理样机，进而拟定设计表达上虚实结合的人、机、环境一体化设计方案。因而，这将涉及以虚实一体化理念为出发点的设计过程再认识、设计方案表达、设计系统构建等主要问题的探讨。
   
    众所周知，产品设计过程模型与产品信息模型是ICAD系统息息相关的两个方面，两者相伴生成、互为说明，产品设计过程模型指导产品信息模型的建立，而产品信息模型的不同表达方面之间所进行的一系列设计信息转化形成产品设计过程模型。经典信息论的代表人物Shannon在不考虑语义的前提下，将信息量以定量的方式定义为基于概率场的嫡量的减量，试图建立摆脱主体认知、基于事物本体的客观度量方法，然而，由于概率是客观还是主观始终存在争议，以及设计行为与主体认知的密切相关，使得设计领域应用这一度量方式尚存在问题。清华大学张伯鹏教授系统研究了制造活动(包括过程)的信息化问题，但未涉及设计领域的信息化问题。
   
    综上所述，信息是虚实设计过程和设计目标中传递意识信念的纽带、是与约束相结合实现控制并起支配性作用的能量，机电系统虚实一体化设计过程基于质、能、信息一体化的设计信息流展开虚实一体化需求分析、功构设计，获得功能解藕、信息量最小的最优设计。因此，机电系统虚实一体化概念创新设计理论所支持的ICAD系统需要解决虚实结合机电系统的设计过程信息化、虚实结合机电系统的模型信息化、虚实结合机电系统功能的信息化实现等方面问题。
   

    3机电系统虚实一体化功构设计模型
   
    功构设计，即由抽象、模糊的功能到具体、明确的结构，历来是概念设计阶段研究的焦点，设计自动化的实现很大程度上取决于功构设计自动化的实现，通行的观点是将功构设计分为功能设计和功构映射两个阶段，此类方法的缺点显而易见-功能设计乃设计过程中的高度抽象阶段，设计信息残缺、模糊，将其独立出来交由设计人员或由计算机辅助完成势必呈现人类抛弃自身所遭长的形象思维能力转而一味适应机器理的局面;此外，功构映射亦尚无良好的解决方案，从功能到结构的语义断层容易导致设计陷人无解的真空。将功能结构一体化考虑，在进行功能设计的同时引人结构，这无疑是解决问题的关键。表1基于分解重构原理说明了结构可能具有的分解粒度，通过对比重构难度以及可能具有的创新潜力，不难发现，表面具有广阔的重构空间，且有助于创新式零件及机构的产生，是功构设计信息表达的理想媒介:赋予几何、功能双重属性的表面称为功能表面，既描述产品功能，又传递结构信息，使得设计概念能够迅速过渡到设计结构、设计参数，从而有效实现功能结构一体化设计，从根本上解决设计自动化领域中棘手的功构映射问题。
   
    机电系统的设计取向是机械、电气技术结合，典型代表如新兴的汽车电子领域。美国DEC公司曾预言汽车的行业属性将从传统的"带有一些电子控制的机械装置"变为"带有一些辅助机械零件的电子装置"，甚至变为"电子类消费装置"。显然，产品功能的电气化实现这一趋势已不可避免，具体表现为:通过机械、电气技术结合的机电系统实现原本仅由机械系统完成的功能;原本由人完成的判断与操作交由机电系统完成;机电系统按照预定程序协调动作、完成任务。一上述意义的机电系统设计思想仍保留着设计改良的痕迹，缺乏源头创新能力。基于广义机电一体化思想的机电系统功构设计摒弃了系统功能局部替换的思维方式，等同机械、电气技术的地位，以统一表达的机电功构设计知识从总体上指导设计。电子、软件等设计信息的平滑引人是其中最富挑战性的环节，考虑到多数情况下机电系统电子设计并非ASIC专业设计，而较多的倾向于满足边界条件的黑箱设计，而机电系统软件设计则能够借助思想建立模块化算法，因此电子、软件等设计信息完全可以附属于功能表面或功能表面集。就机电系统作一般性分析，如图1所示，功能表面的运动参数-位移、速度、加速度等可以收集为检测信息，某些检测信息成为受控信息，针对系统内部状态和依据系统外部状态的调控可分别建立状态空间、传递函数数学模型。机电系统虚实一体化功构设计模型研究构建基于功能表面的设计信息组织及基于广义机电一体化思想的设计知识表达，确立人、机、环境大系统观下的物质形态、能量形式、信号方式等可结构化或不可结构化功构设计信息的嫡量度量。
   
    4结语
   
    机电系统虚实一体化设计的根本是质、能、信息一体化设计，其核心是功能结构一体化设计。针对水利水电工程机电系统知识集融特点的广义机电一体化设计有助于全面衡量机电器件性能、产生创新设计方案，在系统仿真、物理实现方面把握虚实一体化设计思想，能够使机电系统虚实功能分配更趋合理，而将人人设计回路的人、机、环境大系统观下的机电系统设计则是更为宽泛意义上的机电系统设计。上述各方面相辅相成，贯穿机电系统概念设计全过程。