产品设计过程中非模型信息管理方法与管理系统

梁中凯，李 贵，刘耀东

（1. 武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉430081；2. 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北武汉430081）

根据《中国制造2025》要求，制造业需实现数字化、网络化、智能化，而实现这一目标的前提是必须具有处理大量信息、不完整信息与错误信息的能力［1］。任何产品都始于设计，包括方案设计、总体设计、零件设计、改进设计以及审核校验等。产品设计期间会产生大量的信息，包括模型信息和非模型信息。非模型信息来源复杂，类型与产生时间无规律可循，如设计人员在产品设计各个环节都可能产生一些新的设计灵感、思路或联想到某些经验，这些信息存在于设计人员的大脑，具有极其重要的价值。已有研究发现，大部分设计灵感、思路来自于设计人员长期的信息积累［2］，另外，信息也是企业培养新型人才的重要培训资源。然而在实际生产中，大多数企业并没有一种合适的方法和管理体系供设计人员实时记录和管理信息。

随着产品设计过程中信息化程度的不断提高，信息管理受到了越来越多学者的关注。叶晓峰等［3］建立了能够管理标准件模型信息的标准件知识数据库。孙兆洋等［4］提出了设计思考过程模型，以记录产品设计意图。李英杰等［5］建立了模具设计知识管理系统的运行模型，该模型侧重于客户与设计人员之间的信息交互。徐江等［6］提出了多维设计认知模型，用于处理非结构化数据。王勇等［7］开发了面向模具企业的PDM（product data management，产品数据管理）系统，该系统已成为模型数据的重要管理系统。张应中等［8］提出了语义表达模型，该模型在一定程度上能充分记录和管理产品的非模型数据信息。肖小亭等［9］开发了大型注塑模设计知识管理系统软件，该软件提供了大型注塑模产品的信息管理方法。Wu等［10］提出了基于本体标注的仿真数据管理方法，该方法适用于产品设计过程中各类文件的管理。另外，针对产品设计过程中的非模型信息，目前的主要研究方法有语意差异法（semantic differential method）［11］、情感设计（emotional design）［12］、感性工学（kansei engineering）［13］等。

上述文献中的管理方法和管理系统在一定程度上能够管理产品的某一部分信息，但大多数方法并没有被机械行业普遍接纳和采用。究其原因，还是这些方法的功能不够完善，且操作流程过于复杂，没有充分考虑到实际应用背景。在实际生产中，对于不同产品的设计人员而言，他们需要的信息是不一样的。因此，在管理产品的数据信息时，既要使信息分类，方便不同设计人员处理各自所需信息，又不能使各部分信息完全孤立，形成信息孤岛。本文在已有研究的基础上，充分考虑设计人员与产品信息之间的紧密联系，并赋予设计人员在信息管理中的基础性作用，提出了一种面向设计人员的即时非模型信息管理方法，该方法是采用多样化信息载体直观反映模型信息与非模型信息，具有极好的通用性，充分体现设计过程中以人为本的设计思维［14］。

1 产品的非模型信息分析

在产品设计周期内，信息表现为语言、文字、数字、图像和符号等形式，它具有依附性和价值相对性。按设计流程、设计人员以及数据类型将信息划分为不同类型，可充分体现信息的这两大特性。按设计流程分，可将信息分为各个设计流程的阶段信息；按数据类型分，可将信息分为模型信息与非模型信息，其中非模型信息既包括设计人员对产品的感性认知，又包括难以进行参数化表达的几何信息。非模型信息与设计人员直接相关，受到个人能力以及所处环境等条件的影响，是设计过程中最为活跃的因素，其管理是信息管理过程中的难点。图1列举了产品的部分非模型信息。

图1 产品非模型信息Fig. 1 Non-model information of product

产品的信息模型可理解为信息的可视化描述，要求对产品的各类数据信息进行结构化处理，并在逻辑上使它们成为一个有机的整体［15］。图2展示了信息模型的一种组成结构。在该信息模型中，设计人员处于核心地位，他们是非模型信息的直接来源。对于一个大型产品而言，其设计过程中的信息众多，模型信息可以从几何模型（实物模型或CAD（computer aided design，计算机辅助设计）模型）中直接得到，但非模型信息例如设计思想或历史数据等仅从几何角度很难直接获取。获取非模型信息最好的方法是将设计思想等非模型信息与几何模型同时保存在一处，在获取几何模型的同时也能得到对应的非模型信息，实现产品信息在不同设计人员之间的高效流通与共享。

图2 产品信息模型组成结构Fig. 2 Composition structure of product information model

2 面向设计人员的信息管理方法

图3是面向设计人员的信息数据管理流程，产品的模型信息和非模型信息来源于产品的各个设计阶段，其中模型信息多以概念草图、三视图、效果图和样机模型等方式呈现［16］，是设计人员内心思想的体现。从另一个角度而言，也可认为模型信息是证明非模型信息现实存在的依据，因此在记录产品信息时，需实现模型信息与非模型信息的同时记录。在实际工作中，产品设计与信息管理往往同时进行，为此信息管理系统必须与产品设计过程集成。综上所述，信息管理系统必须满足以下条件：

1）产品设计过程与信息管理系统集成。对于有价值的信息，设计人员能对它进行即时记录和管理，而不是在设计过程结束后或中断设计过程进行信息记录。

2）面向设计人员，使他们能管理产品全生命域信息。信息管理系统可以生成单独的信息数据库，只保存某一位设计人员需要的信息，也可以将所有信息保存到一份信息数据库中，作为产品的全生命域信息数据库。

3）多样化载体体现信息之间的关系。目前大多数信息管理系统采用单一的信息载体来表达产品信息，这既加大了信息清晰表达的难度，又降低了信息的处理效率。

4）系统操作简单，易于信息增加、删减和修改。现有的信息管理专业化软件一般不易操作且对使用者提出了较高的专业素质要求。因此，有必要解决这一问题，以减少信息管理所耗时间。

图3 面向设计人员的信息数据管理流程Fig. 3 Information data management process for designers

3 集成信息管理系统构建

目前大部分设计工作都借助NX 等三维设计软件完成，因此信息管理与设计过程的集成即是信息管理与此类软件的集成。大部分软件都能提供二次开发功能，方便用户进行个性化功能定制。本文以NX作为产品设计平台，演示信息管理系统的构建。

3.1 信息管理系统构架

本信息管理系统以设计人员为核心，其构架形式为事件驱动型，即当设计人员有信息记录需求时，通过相应操作进行信息的增加、删减、修改等处理。信息管理系统架构如图4所示。

图4 信息管理系统构架Fig. 4 Architecture of information management system

在该信息管理系统中，当设计人员启动信息管理工具后，可以新增信息，也可查看信息，系统根据设计人员的输入信息自动响应，进入信息记录界面或信息显示界面。当设计人员输入信息后，信息能自动保存至Excel；当用户选择信息编号后，系统能自动从数据库中读取信息，并显示到操作界面，整个操作流程简单而方便。

3.2 信息管理系统关键技术

3.2.1 多样化信息载体与操作流程

常见的信息载体主要有文字（包括数字）和图片：文字既能描述模型信息又能描述非模型信息，但记录速度与获取速度较慢；图片能直观地表达信息，且表达上存在着不确定性，在产品设计过程中，图片的这种不确定性有利有弊，例如在产品的创新性设计中，不确定性可以刺激设计人员，使他们从中提炼出其他类型的形态元素，从而获得多种类型的设计方案［17］。已有学者指出，人接收到的信息有80% 来自于视觉，而图片能极大地加快视觉信息处理效率。因此采用文字与图片相结合的方式来记录信息，更能满足实际需求。

图5 为信息管理系统的操作流程。在NX 中进入信息管理系统，输入用户名与操作日期后，信息管理系统根据产品模型编号自动关联与之对应的信息数据库；然后，用户可选择3种操作角色：查阅、增加新信息、修改已有信息。每种操作角色可对数据库进行不同的操作。

图5 信息管理系统操作流程Fig. 5 Operation flow of information management system

3.2.2 信息管理数据库

采用Excel 记录数据信息，并对Excel 进行个性化设计，使它适合存放文字信息和图片信息。在设计人员记录设计信息时，Excel能自动生成新的工作页，且每个工作页都包含个性化的控件与格式，此过程通过VBA（visual basic for application）宏语言实现。图6为信息数据库的内部结构及相应功能。如图所示：将Excel 首页作为目录页，用于信息的汇总显示，记录的信息主要包括设计人员与日期、文件信息、信息统计和文字信息汇总；将后续页面作为工作页，用于记录单条信息的详细内容，主要包括文字信息和图片信息。

图6 信息数据库内部结构与相应功能Fig. 6 Internal structure and corresponding functions of information database

4 汽车梁模具设计实例

以某汽车梁模具设计过程中的非模型信息管理为例，来验证所提出的管理方法和管理系统的可行性。汽车梁模具的全设计生命周期大致可分为4个阶段：设计、铸造、加工、调试。图7所示为该模具设计过程的信息管理，如前文所述，非模型信息极为抽象，管理时需要和模型信息同时管理，如此才能使非模型信息更容易理解，因此图7包含了设计模型等模型信息。将每位设计人员生成的模型信息和非模型信息汇总，组成一份信息数据子库，设计时一部分信息会作为其他设计人员的设计依据或参考依据，因此在权限允许的情况下，设计人员可随时查阅相关的设计信息。所有数据子库可集成为企业大数据信息库，反馈于下一次的产品设计，具有极高的价值。

图8为该汽车梁模具设计过程的信息记录页，详细显示了2条信息，每条信息包括文字与图片，文字内容按设计人员的输入，既包含模型信息又包含非模型信息。

5 结 论

为解决产品设计过程中的信息管理问题，提出了一种面向设计人员的信息即时记录与管理方法，其创新与实用之处为：

1）面向设计人员。提出的管理方法面向设计人员，使设计人员可以根据自己的需要记录信息，打破了传统意义上的信息管理界定，提高了信息管理的灵活性，体现了设计过程中以人为本的理念。

图7 某汽车梁模具设计过程的信息管理Fig. 7 Information management in the die design process of an automotive beam

图8 某汽车梁模具设计过程的信息记录Fig. 8 Information record in the die design process of an automotive beam

2）信息管理兼容于产品设计过程。设计人员可直接在产品设计软件（例如NX）上记录或查看产品信息，不需要中断设计过程，实现了产品设计与信息管理的一体化。

3）信息记录方式多样，操作过程简单。采用多样化的信息载体，使设计人员更好地表达心中所想，提高了信息表达的准确性和信息的处理效率，进而增强了信息共享能力。

此外，所提出的信息管理方法还具有极大的成长空间，可将所有设计人员记录的信息汇总，形成企业大数据信息库，运用现有的大数据分析理论，可以极大地提升企业的产品开发能力。开发管理系统中信息记录单网络共享功能，还可解决异地产品设计中的数据管理难题；开发信息记录的前端操作软件，则能使该管理系统的信息记录功能扩展到任意领域，为产品设计生态领域中的信息管理提供了一种全新的工具。