1、20世紀(jì)60年代涌現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)曾引起各國(guó)技術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界以及用戶的廣泛關(guān)注并迅速滲透至人們生活的方方面面。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)理論與技術(shù)研究的逐步深入，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用也日趨成熟，圍繞如何有效利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及如何科學(xué)的進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，成為需要著力研究的課題。 事實(shí)上，人類訴求設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)技術(shù)的歷程由來已久，終極目標(biāo)是根據(jù)設(shè)計(jì)思維行為規(guī)律實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程的自動(dòng)化，使設(shè)計(jì)人員真正從繁瑣的手工設(shè)計(jì)中解脫

2、出來，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，進(jìn)而增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在設(shè)計(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域取得了一些令人鼓舞的成就，然而現(xiàn)有成熟的VAD系統(tǒng)仍未徹底解決長(zhǎng)期困擾學(xué)術(shù)界的需求分析、概念設(shè)計(jì)、功構(gòu)映射等難題，對(duì)符合設(shè)計(jì)人員正常設(shè)計(jì)思維的Top-down設(shè)計(jì)風(fēng)范和并行設(shè)計(jì)等問題的考慮仍顯不足，因而導(dǎo)致在人機(jī)協(xié)同、創(chuàng)新能力等方面的支持依舊有限。作為一種行之有效的設(shè)計(jì)方法，虛擬設(shè)計(jì)豐富了設(shè)計(jì)行為方式，提供了嶄新的設(shè)計(jì)表達(dá)形式和設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)理論，能夠在產(chǎn)

3、品設(shè)計(jì)完成之前形成對(duì)產(chǎn)品的具體印象和感受，這些均有助于彌補(bǔ)現(xiàn)有CAD系統(tǒng)的缺陷，但從總體上講，虛擬設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)全過程、特別是對(duì)設(shè)計(jì)過程的早期階段、對(duì)待設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)可能具有的虛實(shí)結(jié)合功能以及對(duì)人在待設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)中的功能體現(xiàn)等問題缺乏考慮，產(chǎn)品設(shè)計(jì)或使用的體驗(yàn)多是主觀的、感性的。 兼及眾多先進(jìn)的設(shè)計(jì)哲理和方法，并結(jié)合對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的深刻領(lǐng)悟，基于已取得的分解重構(gòu)原理和概念產(chǎn)品生長(zhǎng)型設(shè)計(jì)過程模型等研究成果，本文從虛實(shí)一體化角度立論，提出

4、了面向機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化的虛實(shí)一體化概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)計(jì)算機(jī)描述和處理問題的特點(diǎn)，構(gòu)建了機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)一體化概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)，在此平臺(tái)下，進(jìn)行了棉花打包機(jī)、數(shù)控車削中心、車輛駕駛和腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練等虛實(shí)結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證，其中，棉花打包機(jī)和數(shù)控車削中心虛擬系統(tǒng)已得到濟(jì)南星科經(jīng)貿(mào)有限公司面向全國(guó)職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)的推廣應(yīng)用，腹腔鏡手術(shù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)已獲得國(guó)家專利并已著手開展臨床應(yīng)用。 機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)一體化概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論是對(duì)

5、虛擬設(shè)計(jì)理論的繼承和創(chuàng)新。較之虛擬設(shè)計(jì)，虛實(shí)一體化設(shè)計(jì)理念更能夠詮釋產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化全過程，虛實(shí)一體化設(shè)計(jì)理念從哲學(xué)的高度回答設(shè)計(jì)思維本身的虛實(shí)結(jié)合、人、機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)或應(yīng)用系統(tǒng)的虛實(shí)結(jié)合、設(shè)計(jì)或應(yīng)用系統(tǒng)自身功能上的虛實(shí)結(jié)合3方面問題，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論概括為設(shè)計(jì)過程的虛實(shí)一體化、產(chǎn)品信息的虛實(shí)一體化和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的虛實(shí)一體化3方面內(nèi)容。 在虛實(shí)一體化設(shè)計(jì)過程模型的研究工作中：首先提出以質(zhì)、能、信息一體化設(shè)計(jì)信息流有序流動(dòng)的觀點(diǎn)剖析虛實(shí)一體化

6、的設(shè)計(jì)過程，即認(rèn)知領(lǐng)域關(guān)于物質(zhì)的質(zhì)、能的信息化描述連同信息本身一體化為設(shè)計(jì)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)信息并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中有序流動(dòng)，從而將產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化全過程中的認(rèn)知與設(shè)計(jì)(實(shí)踐)、人、機(jī)協(xié)同決策以及設(shè)計(jì)自身的進(jìn)化等問題有機(jī)結(jié)合起來，使虛實(shí)一體化設(shè)計(jì)理念中“虛”的含義得到進(jìn)一步具體化。然后以虛實(shí)一體化設(shè)計(jì)過程的需求分析階段作為研究重點(diǎn)，從需求獲取、需求理解、協(xié)商和評(píng)判、需求管理等3個(gè)實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)展開虛實(shí)一體化需求分析的研究： (1)定義了機(jī)電系統(tǒng)需求分析

7、模型和感知思維模型，并從兩者虛實(shí)結(jié)合的意義上給出了作為機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)一體化需求分析出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)的機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)一體化需求分析模型的定義，即滿足感知思維模型與機(jī)電系統(tǒng)需求分析模型間虛實(shí)結(jié)合的需求分析模式，形成虛實(shí)結(jié)合的結(jié)構(gòu)化信息，表達(dá)具有虛實(shí)結(jié)合行為的系統(tǒng)需求。(2)提出了需求鏈概念，并詳細(xì)分析了完整產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)應(yīng)的需求鏈構(gòu)成，將需求鏈上的4類用戶抽象為3類需求源及視點(diǎn)，給出了用戶需求，包括用戶特征、需求源特征、用戶需求信息模型的BNF范式定義，

8、其中，用戶需求信息模型以視覺、聽覺、觸覺和作業(yè)需求作為用戶公共的需求定義模板，具備針對(duì)機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合行為的表達(dá)能力，使用戶驅(qū)動(dòng)的需求抽取具有良好的啟發(fā)性和發(fā)散性。 (3)提出了設(shè)計(jì)者進(jìn)行用戶需求校驗(yàn)的定性校驗(yàn)項(xiàng)，結(jié)合給出的用戶元、設(shè)備元、對(duì)象元、環(huán)境元四元組的設(shè)計(jì)需求拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義，從廣度和深度上形成設(shè)計(jì)需求拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的BNF范式定義和映射規(guī)則；采用改進(jìn)的層次分析法進(jìn)行需求可行性的定量化分析，具體包括需求的重要性排序、合理范圍劃定、效益風(fēng)

9、險(xiǎn)評(píng)估等；定義了基于分解重構(gòu)原理的設(shè)計(jì)需求進(jìn)化過程中涉及的需求分解重構(gòu)、間接遞歸、需求變更等問題的解決規(guī)則。 在虛實(shí)一體化產(chǎn)品信息模型的研究工作中：首先定義了與機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)一體化需求分析模型表述一致的機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)一體化功構(gòu)設(shè)計(jì)模型，具體分析了設(shè)計(jì)空間中概念產(chǎn)品的質(zhì)、能、信息的信息化表達(dá)形式，給出了設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)和參數(shù)等設(shè)計(jì)信息熵量度量的一般形式。然后確立了基于具有廣闊重構(gòu)空間的功能表面的功構(gòu)設(shè)計(jì)信息表達(dá)方式，功能表面具有幾何、功

10、能雙重屬性，既描述產(chǎn)品功能又傳遞結(jié)構(gòu)信息，從而使設(shè)計(jì)概念迅速過渡到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)，能夠從根本上解決設(shè)計(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域中棘手的功構(gòu)映射問題；進(jìn)一步將功能表面的功能信息擴(kuò)展至包含電氣信息，從而滿足產(chǎn)品功能電氣化實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，增強(qiáng)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的支持能力；建立了適用于基于功能表面分解重構(gòu)原理的結(jié)構(gòu)創(chuàng)成的產(chǎn)品信息模型，增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和綜合能力。最后就機(jī)、電表現(xiàn)出的認(rèn)識(shí)規(guī)律上的參照性、設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)性以及功能信息表達(dá)的一致性等提出了廣

11、義機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思想，全面分析了機(jī)、電在原理、功能設(shè)計(jì)上的相似性，給出了機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程統(tǒng)一性的初步證明，一方面使得功構(gòu)映射更加豐富，設(shè)計(jì)推理更加靈活，有助于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)多方案的產(chǎn)生，另一方面能夠針對(duì)機(jī)、電相似性的設(shè)計(jì)方案建立統(tǒng)一的物理仿真模型；詳細(xì)劃分了系統(tǒng)級(jí)、模塊級(jí)、器件級(jí)3級(jí)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)體系，基于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)體系實(shí)例的推理有助于降低設(shè)計(jì)后期的重構(gòu)難度；進(jìn)一步建立了人、機(jī)、環(huán)境大系統(tǒng)觀下，適用于概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)的廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)

12、子系統(tǒng)、傳感檢測(cè)子系統(tǒng)、信息處理與控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式功能元的知識(shí)表達(dá)，其中，廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)歸納為4類設(shè)計(jì)模式，傳感檢測(cè)子系統(tǒng)歸納為3種設(shè)計(jì)模式，人、機(jī)、環(huán)境大系統(tǒng)觀下的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了虛實(shí)一體化的設(shè)計(jì)理念，虛實(shí)結(jié)合的表達(dá)方式能夠支持具有虛實(shí)結(jié)合行為的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 在虛實(shí)一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型的研究工作中：本文虛實(shí)一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型的研究側(cè)重點(diǎn)是，在機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)一體化概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上構(gòu)建機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)一體化概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)

13、平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合功能的設(shè)計(jì)支持。 分析了機(jī)電系統(tǒng)用戶元、設(shè)備元、對(duì)象元、環(huán)境元等功能四元組中用戶元與設(shè)備元間以及設(shè)備元、對(duì)象元、環(huán)境元間虛實(shí)結(jié)合功能的設(shè)計(jì)表現(xiàn)，給出了虛實(shí)結(jié)合機(jī)電系統(tǒng)虛擬功能引入的判據(jù)；提出了用戶元與設(shè)備元間的虛實(shí)結(jié)合，即人、機(jī)功能合理分配的設(shè)計(jì)依據(jù)，將人的功能納入待設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)統(tǒng)一考慮；系統(tǒng)歸納了人機(jī)界面虛實(shí)一體化設(shè)計(jì)元素，定義了人機(jī)界面柔性化設(shè)計(jì)的基本步驟；結(jié)合上述規(guī)則，擬定了機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合功能

14、設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)要素集，采用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的定量化評(píng)價(jià)。構(gòu)建了支持虛實(shí)結(jié)合機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的機(jī)電系統(tǒng)虛實(shí)一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)平臺(tái)由DARFAD設(shè)計(jì)環(huán)境和Web設(shè)計(jì)環(huán)境組成。DARFAD設(shè)計(jì)環(huán)境采用基于接口的方法進(jìn)行復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的多領(lǐng)域建模，包括：基于Pro/Engineer ECAD的PCB設(shè)計(jì)，建立了9類電子元件定制庫，解決MCAD與ECAD間的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換；基于Matlab/Simulink的行為性能仿真，嘗試基于V