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作者:陳友凡(2001-05-01);推薦:徐業良(2001-05-02)

機械設計e-Advisor的架構

1. 機械設計e-Advisor的概念

知識大致可以分為兩種形式,一是可以用文字、圖形等描述的知識,在本研究建立的「知識服務供給者(Knowledge Service Provider, KSP)」之中,這類知識展現的格式,顯然就是各種文件,在此我們稱作「知識文件」。另一類知識則是比較無法描述的,如過去的經驗,要在特定的問題發生或處在一特定的情境之下時,才會從過去的經驗中搜尋類似的問題和情境及其解決的方式。在KSP中這一類知識的保存或呈現,如研究進行的方法,實驗執行的方法,產品開發的步驟等等,需要靠以“執行程序”或“思考程序”為主軸的導引性網頁的建置,也就是此處所謂“e-Advisor”

整個工程設計的程序事實上是一個資訊需求密集的過程,如圖1所示,在Crabtree等人的研究中[Crabtree, et. al, 1995],一個設計工程師在設計的過程中花費在規劃工作、取得資訊、協商需求、支援/諮詢等資訊擷取的工作約佔了全部工作時間的48%,而實際用於決問題的時間則只佔了約29%的時間。因此若能利用資訊技術來減少此類工作所佔的時間,將可使設計者能有更多的時間來進行思考或解決問題的工作。

1. 設計工程師在設計過程各工作類型中所花費時間比例[Crabtree, et. al, 1995]

由於網際網路所能帶來的如多點協同設計或網路線上協助等優點,網路上的設計系統近來也是發展的焦點之一。如Caldwell等人所建構的“WebCADET”設計決策輔助系統[Caldwell, 2000],便是將之前的經驗盡可能以模糊邏輯規則的形式加以記錄,如“若A大於某個值且B小於某一值則C必須減小或增加”等,使用者僅需接受引導輸入目前的設計和設計目標,程式便會依據現有模糊規則提供其所知最好的建議。Arnold等人所發展的“Internet Broker for Engineering Service (IBES)”[Arnold, 1999],則是利用使用者建立欲設計元件的STEP格式CAD檔案內所包含的設計資訊,利用外掛的CAD/CAE程式自動分析並根據資料庫中的標準元件資料,輸出最合適的結果,甚至可直接透過網路進行元件的採購。Seifert等人發展的“Engineer’s Tool Box, ETB”[Seifert, 2000],利用JAVA程式語言不受平台限制且具有較一般CGI程式(以perl語言或ASP為代表)更強大的繪圖運算資料保全設計彈性等特點,將許多工程上常用到的計算或模擬功能,放置在網頁上供人利用。

以上這些研究都是為了特定目的專門發展之系統,本研究則在KSP上規劃建立以機械設計程序為主軸的e-Advisor,在KSP儲存、管理各類知識及經驗的同時,引導使用者在機械設計的各個程序中,獲取相關設計程序、方法、工具等知識,以及過去相關案例之設計經驗,並提供線上的工程計算輔助和相關廠商、資源等整理或連結。

如圖2所示,本研究KSP中機械設計e-Advisor的引導介面,以知識文件的分類與連結、相關設計資源的整理與連結、以及線上工程計算輔助程式等三種形式來建構。使用者進入機械設計e-Advisor的首頁後,呈現的是對各設計階段的解釋及進入任一個設計階段的連結,若使用者無法決定,則可利用一線上程式依據各階段的特色詢問使用者是否完成該項工作,再將使用者導向其尚未完成之設計階段的網頁。在每個階段的網頁中依序列出這個設計階段的所有步驟,連結至各個步驟後便呈現在該步驟中所會應用到的步驟說明、知識文件、機械設計資源、線上導引程式等連結,並在最後建立有繼續至下一步驟或階段的連結,使用者亦可選擇離開這個設計程序,或將目前的前度以cookie的方式記錄在電腦內供下次進入時繼續這個設計程序。以下則細部討論機械設計e-Advisor之機械設計程序與內容之規劃。

2. 機械設計e-Advisor之功能架構圖

2. e-Advisor中的設計輔助資源

在機械設計e-Advisor的建構中,我們利用Ullman所提出的機械設計程序[Ullman, 1992]來定義工程師在設計程序中的需求,藉以架構機械設計e-Advisor的設計導引介面。如圖3所示,機械設計的程序可區分為四個階段,分別為定義設計需求、概念設計、設計體現、及細部設計,每個階段的目的、工作分別簡述如下。

3. 機械設計的三個主要程序

(1)決定產品規格(Specification Development / planning)

在設計的第一個階段,在組成設計的團隊後的第一個工作便是分析產品所要解決的問題以及產品的設計計劃。在過程中設計團隊工作主要是了解設計所要解決的問題以及設計計劃的規劃,最後並決定出產品的規格以做為日後設計的基準。

(2)概念設計(Conceptual Design)

設計者在概念設計階段一開始要將設計要解決的問題細分為許多的子問題,而設計的工作便成為針對各個子問題找出合適合的設計概念,最後再將各個概念加以結合,並評估是否能達到設計目的。

(3)產品設計(Product Design)

在最後的設計階段,設計者將會在所有合適的設計概念中找出最好的設計,並詳細訂定其空間配置、尺寸等,並製作原型進行測試,將此設計具體實現。

了解機械設計各階段的工作,並配合KSP現有或可能建構之知識文件、設計資源、及導引程式,表1將機械設計e-Advisor在各設計階段所提供的設計輔助資源具體列出。知識文件類每個項目均包含有二種形態,一種是設計理論或工具的介紹,另一種則是此設計理論或工具的實際應用記錄。

1. 各設計階所需設計協助項目表

設計

階段

設計

協助

決定產品規格

概念設計

產品設計

知識

文件

設計需求定義

專利分析

問卷調查與分析

產品規格設定

產品計劃

概念設計

創意方法

模糊邏輯

類神經網路

設計評估

機械元件

電子與感測元件

自動控制

網路技術應用

結構設計

機構設計

幾何模型建構

最佳化設計

原型製作與測試

設計文件製作

設計

資源

專利查詢

國家標準查詢

 

元件型錄

元件廠商

軟體廠商

代工製作廠商

原料提供廠商

導引

程式

設計團隊成員分析

 

元件設計與選用

在「定義設計需求」階段中,知識文件協助項目包含有“設計需求定義”來說明此一階段的概念及一些常用的手法,另外“專利分析”、“問卷調查與分析”等類型的文件用以協助使用者進行設計資訊的收集及分析,“產品規格設定”文件引導使用者建立產品的規格,最後“產品計劃”文件則可以協助使用者提出產品的整體規劃。

在設計資源方面主要是針對設計資訊的查詢為主,“專利查詢”、“國家標準查詢”中,主要包含有線上的搜尋引擎連結以及有提供查詢服務的單位之連絡方式等。在這個階段的輔助程式部份引用Stanford大學於“Team based design development with corporate partners”課程中應用的“Team Role”程式。這個程式將會利用一系列的問題來求出受試者的心理素質,並找出在機械設計過程中受試者適合扮演的角色。

在「概念設計」階段中,在知識文件的部份包含有“概念設計”的文件,提供基本的法則及範例讓設計者參考。為了增加設計者提出設計概念的多樣性,此階段包含有“創意方法”、“模糊邏輯”、“類神經網路理論”等項目。而各子系統的概念評估則利用“設計評估”類型的文件來進行協助。

在「產品設計」階段,知識文件協助項目包括“機械元件”、“電子與感測元件”、“電自動控制”、“網路技術應用”、“結構設計”、“機構設計”、“機何模型建構”、“最佳化設計”、“設計文件製作”等基本設計相關知識文件,以及線上的“元件設計與選用”引導程式,設計資源則提供“元件型錄”、“元件廠商”、“軟體廠商”等採購上的支援。最後在原型製作上,e-Advisor提供“原型製作與測試”知識文件輔助,及“原料提供廠商”、“代工製作廠商”等設計資源。

e-Advisor的最後的網頁架構如圖3所示。

3. 機械設計e-Advisor的網頁架構圖

Reference

Arnold, James Andrew; et. al., “An approach for the interoperation of web-distributed applications with a design model,” Automation in construction, v8 3, p291-303, 1999.

Caldwell, Nicholas H.M.; et. al., “Web-based Knowledge Management for Distributed Design,” IEEE Intelligent Systems, v15 3, p 40-47, 2000.

Crabtree, Robert A., Fox, M.S., Baid, N.K., “Towards an Understanding of Collaborative Design Activities,” submitted to special issue of the journal Research in Design Engineering, 1995.

Ullman, David G., The Mechanical Design Process, McGraw-Hill, 1992.

Mott, Robert L., Machine Elements in Mechanical Design, 2nd ed., Merrill Inc., 1992.

Seifert, M.; et. al., “Developing and Distributing Network Based Engineering Solutions,” Advances in Engineering Software, v31 7, p 453-465 , 2000.