面对日益激烈的市场竞争，企业对自身产品的TQC指标提出了更为苛刻的要求：即在更短的开发周期内，以更低的成本，制造出质量更好的产品。由于70%以上的产品成本是在设计阶段确定的，因此通过改进传统的产品设计方式，对缩短产品的开发周期、提高质量及降低成本会起到很大的作用。并行工程是集成地、并行地设计产品及相关过程的系统化方法。对于产品的设计，它特别强调在设计阶段就应该全面地考虑产品生命周期内各个阶段对产品的设计需求，从而使产品在设计阶段便具有良好的可制造性、可装配性、可维护性及回收再利用等方面的特性。
基于约束的设计方法已广泛地应用于人工智能领域。在并行工程中应用该方法，可为解决面向产品生命周期的并行设计问题提供理论与实践的可能性。
1 基于约束的产品设计原理
大多数产品生命周期内的信息是以其最终必须满足的需求形式出现的，基于约束的产品设计方法将它们在形式上表达成约束。例如从制造的角度来看，细长孔由于受工艺水平的限制，其深度是有要求的。这个要求可看作是一个约束；又如手柄的尺寸大小受用户使用是否方便要求的限制，这个限制也是约束。约束的类型是多种多样的。任何基于约束的设计问题都会受到来自产品生命周期内各个阶段的不同类型约束的制约。所以在面向产品生命周期的约束设计方法中，是利用约束来表达产品开发下游阶段乃至生命周期内的多种因素的。
基于约束的设计实质是多个约束条件裁剪设计空间，在不破坏约束的情况下，可优化求解设计空间的问题，如图1.1所示。设计小组由来自覆盖产品开发全过程中不同领域的工程师组成，由他们共同确定产品的设计需求，即产品设计的约束条件。
在基于约束的设计方法中，产品设计过程主要分为两大步骤：(1)建立设计问题的信息模型一约束网络；(2)智能的设计决策一建立搜索算法。
1.1 建立设计问题的信息模型一约束网络
面向产品生命周期设计中的首要问题是在产品设计初期如何全面、有效而且清晰地表达产品生命周期内的信息，即建立设计问题的信息模型。约束设计中的信息模型表现为约束网络。约束网络由三个基本要素组成，即实体、变量和约束。实体表示设计中的设计对象，如孔、箱体、轴等。变量(又称参数)表示设计对象即实体的属性，如实体“孔”的“半径”和“孔深”等。此外，变量还具有继承性。约束则表示变量之间的关系或限定，如尺寸约束、装配约束等。它具有多种类型，如规则、几何功能、范围限定等。约束网络中每个实体都具有若干变量，变量与变量之间通过一定的约束关系有机地联系起来。因此任何一个设计问题都可以表达为一个由若干相互关联的实体、变量和约束组成的约束网络，如图1.2所示。虚线方框表示一个约束块，亦由实体、变量和约束组成。由于在覆盖产品生命周期中某一领域(如制造或装配等)均有其自身所关心的实体和变量，即该领域对这些实体和变量施加一定的约束，因此一个约束块表示在产品或零件设计中某一特定领域所涉及的范围，其中规定包括的所有实体、变量和约束，这样便于对约束网络中各领域的管理。由于各领域约束块之间有重叠的部分，即部分共同的实体和变量，所以在确定这些变量值时，涉及多个领域的约束，产生了领域间冲突和协调的问题。
为正确且完整地表达约束网络，基于“O-O”的方法变量与约束的定义如下：
1.2 智能的设计决策一建立搜索算法
约束网络建立之后，表明设计中各个设计对象及其之间的关系已被确定，下面的工作便是对该信息模型进行实例化，即对一个设计问题的优化求解过程。
基于约束的产品设计方法对一个设计问题求解过程是利用搜索算法在满足约束的条件下确定约束网络中所有变量的优化解。广义的变量求解优化公式为：
其中f(v1，v2…)为目标函数；
c(v1，v2…)为约束函数；
ρ为对应约束函数的权重，即Constraint定义中的importance；
n为该变量所受约束条件的数目；
vl，v2…为与v相关的其它变量。
首先确定相关变量的值，该值沿约束网络扩展搜索，检查是否破坏约束条件并确定其它变量的值；若有约束条件不满足，则需重新赋值或改变搜索方向，直至满足相关约束，并确定变量值。当上式中n大于等于2，说明在确定该变量值时，有两个以上的领域约束知识将参与决策，这时便出现领域的冲突，周此采取定义约束的权重，适当放松某些约束，强调主要领域的约束，以谋求变量的最佳折衷值。
多学科设计小组是并行工程思想中一个很重要的概念，而且它可以提供产品生命周期内最全面的信息。但它存在着下列问题：对设计小组的管理很困难，内部协调和操作的费用昂贵，设计小组很难在知识上既要保持完整性又要保持先进性。因此采用计算机辅助优化设计工具就成为必然的趋势，由素质良好的设计人员组成的设计小组定期收集各个领域的产品设计知识，以可操作的形式存入计算机，通过实用有效的算法对各领域专家的知识在解决设计问题时进行决策。nextpage
1.3 应用实例
为便于更好地理解设计问题的约束网络，现以一简单零件的详细设计为例说明。零件如图1.3所示。该零件可看作由两个实体组成：一个板块(block)和四个孔(holes)。板块具有变量长(L)、宽(W)和高(H)；孔具有变量孔径(d)、深度(D)及孔间位置关系W1和L1。图1.4为零件设计的约束网络示意图。
首先，零件的尺寸是根据该零件的功能要求设计得到的，因此约束网络中的所有变量受到功能设计要求的约束；然后考虑可制造性及可装配性。如变量L、L1和d依功能设计会得到相应的取值范围。从制造的角度来看，由于材料强度的限制，孔与板块边缘间的距离有一定的要求(制造约束1)：(L—L1)/2—d应大于某一值。变量L、Ll和d的值，在满足功能设计约束的情况下，还需满足这一制造约束。同理对于W、W1和d也有此类要求(制造约束2)。由于是通孔，H＝D。当确定d及其公差时，除了考虑制造约束1和制造约束2之外，还应考虑刀具约束(孔径不能小于某一值一所能提供钻头的最小直径)、机床约束(所能提供机床能否达到要求的精度)、夹具约束(加工孔时装夹的合理性)及装配约束(与配合零件的合理性)等。因此在确定一个变量值时，需同时考虑下游阶段的多个约束条件，保证产品或零件设计完成之后，具有较好的可制造性和可装配性。
2 并行设计智能框架工具CIDAT
基于约束的产品设计方法在理论上支持并行工程中面向产品生命周期的设计过程。在此理论基础上，目前正在开发一个并行工程环境下智能的产品设计计算机辅助工具CIDAT(ConcurrentIntel-ligentDesignAssistanceTool)。它将扩展一般意义上的CAD软件工具，在设计阶段考虑产品开发下游阶段，如制造、装配等方面对设计的需求，并支持某一类较为复杂的机械产品的设计过程。其系统结构主要由用户界面、问题表达、推理机和知识库四大模块组成，如图2.1所示。
设计人员通过用户界面的文本编辑器与图形编辑器，用约束设计的方法可以进行对设计问题的抽象表达，然后对问题做求解的运算和推理，即帮助完成产品的优化设计过程。
知识库可以随时为从事设计活动的设计人员提供意见和建议。其中又分为专家知识库、事例库和文献库。专家知识库是把产品生命周期内各领域专家在多年从事产品设计过程中积累的关于表达和解决问题的窍门以知识的形式存在数据库中。事例库中存放以前各类产品设计的文档，设计者可以从已有的设计中提取能够借鉴的地方，不必再做与以前重复的工作。文献库保存有关的设计理论与方法以及反应本领域发展成果和动态的专利、论文、会议录或设计报告等文献资料。其目的在于使设计人员的知识永远处于先进的地位，同时还可使新手在短时间内进入研究课题。知识库的建立涉及各种知识、事例及文献的表达形式以及在数据库的存放形式，并可与其它各模块交互使用。
问题表达模块是系统的关键组成部分，它体现了并行工程环境下面向产品生命周期设计的待点，能够同时表达产品下游多个因素的设计需求，体现了产品并行设计的特点，实质上是关于如何建立产品及其设计过程信息模型的问题。问题表达模块又分为两个子模块：变量与约束模块和约束管理模块。对问题的表达，采用约束设计的原理以及STEP标准，结合面向对象技术，将问题抽象为若干设计的对象，即实体；每个实体具有一个或多个属性即变量；变量间的关系，即为约束。由相互关联和相互制约的变量和约束构成一约束网络，再由设计人员把来自产品生命周期内不同领域工程师的设计需求表达成若干相互关联和相互制约的约束块。这些约束块的组合便是在概念设计阶段考虑设计下游多种因素的设计问题的体现。设计问题中的所有变量和约束通过用户界面放在变量与约束块中。对变量与约束块进行的修改、添加，协调各领域产品开发工程师的设计需求以及从知识库中提取知识等操作皆由约束管理块来完成。
推理机模块的核心是如何在约束网络中搜索到满足所有相关约束的变量值，如设计产品中零件的优化尺寸、位置要求和公差等；其中涉及搜索算法和推理规则的建立。在变量值确定过程中或之后，通过金银花系统的LONICERA_MDA_ICADE_API应用集成平台可以调用应用软件，如CAD/CAM系统可帮助完成产品设计的二维绘图及三维造型，设计分析软件可帮助优化求解。同时可通过用户界面随时将设计的中间或最终结果告知用户。
该CIDAT系统的上层由通信和项目协调管理系统IOC3—WPM管理、协调问题表达模块和推理机模块。下层有产品数据管理系统BEE_DAE，保证并行设计智能框架工具CIDAT与其它应用软件间数据的交换。
3 结束语
基于约束的产品设计方法使产品在设计阶段充分考虑产品开发下游阶段，如制造、装配等对设计的需求，为实现设计面向产品生命周期提供了理论与实践的基础。
基于约束的并行的产品设计方法中，在设计初期对产品生命周期内的设计需求进行有效地建模是该方法的关键。其次是对设计问题所建立的信息模型一约束网络进行搜索求解，得到满足产品设计下游阶段若干约束条件的优化设计结果。本文提出的并行设计智能框架工具CIDAT支持某一类机械产品，如较为复杂的旋转体或壳体类零件的设计过程。该系统正在开发之中，目前已完成概念设计。
