【工业软件】从几何约束引擎谈工业软件关键技术发展.docx

【工业软件】从几何约束引擎谈工业软件关键技术发展 研发设计类工业软件是工业软件中的皇冠，是产品研制能力和效率提升的关键所在，也是当前我国工业软件的短板和瓶颈。工业APP是工业软件在工业互联网环境下的新形态，其发展无法回避工业软件本身的核心关键技术问题。本文拟从CAD软件底层核心支撑之一——几何约束引擎谈谈工业软件关键技术的发展。 一、几何约束求解引擎的应用场景与发展需求 几何约束求解引擎是公认的CAD参数化设计的关键核心技术，是CAD的关键基础组件，技术难度大，可靠性要求极高，目前被国外垄断。 20世纪90年代至2006年，英国剑桥大学Owen教授创办D-Cubed公司开发约束求解器DCM，长期占据求解器70%市场。DCM市场并不大，截至2018年销售额不过3000万美元，但其在产业发展中属于“卡脖子”工程。为了在竞争中保持优势地位，西门子公司于2006年全资收购了D-Cubed，引发业内震动，许多著名CAD厂商如Autodesk公司为了不受制于人，纷纷宣布自行开发几何约束求解器，以确保技术安全。几何约束求解器的重要性由此可见一斑。 几何约束求解引擎，广泛应用在草图轮廓表达、零件建模参数表达、装配约束以及碰撞检查等场景中，为快速确定设计意图表达、检查干涉、模拟运动提供了强有力的支持，可帮助最终用户提高生产效率。在计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工程（CAE）以及建筑、工程和施工（Architecture, Engineering Construction，AEC）等应用领域，约束求解引擎都是最基础的核心组件。 例如，CAD领域的2D草图绘制、偏移轮廓操作、装配约束、参数布线和3D零件形状修改、碰撞/间隙计算、运动模拟、高质量的工程图纸和技术插图等场景；CAM领域的模具装配约束、2D刀具路径生成、CAM碰撞和间隙计算等场景；CAE领域需要的参数化3D零件和装配体修改；AEC领域的参数化楼层平面图的2D草图、参数化组件和管道/电缆网络配置、AEC项目干涉分析、高质量AEC图纸（HLM）等场景，都需要约束求解器支持。 当前，企业为应对定制化的需求，对基础组件的约束求解引擎的需求量越来越大，开发国产自主的约束求解引擎不仅可以为国产CAD提供性价比高的解决方案，更可精准地响应国内的需求，助力企业创新。 二、约束求解技术的发展 1. 几何约束求解引擎的发展 自1960年初MIT的Sutherland提出CAD的概念后，随着计算机技术的飞速发展，作为替代手工绘图的计算机辅助绘图技术，CAD伴随着汽车、航天和航空行业的发展而迅速成长，广泛应用于机械、电子、轻纺产品、建筑、管道铺设等领域，并延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域，产生了巨大的经济及社会效益。CAD技术在机械制造行业的应用最早，也最为广泛，采用CAD技术进行产品设计，不但可以使设计人员“甩掉图板”，更重要的是为设计人员在设计阶段提供一种更柔性、更智能化的设计方法，然而传统的CAD技术并不能够做到这一点。 从人工智能的角度来看，设计问题本质上是一个约束满足问题（Constraint Satisfaction Problem，CSP），即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得满足设计要求的设计对象的细节。设计过程是一个循环反复、不断渐进的过程，在传统CAD系统的设计环境中，几乎所有的设计问题都是由人类设计者解出的，而系统只是接受问题的解，CAD系统提供的更多是一种虚拟的可视化效果。 基于约束的新一代CAD哲理来源于当代设计理论、方法和模型研究的最新成果，始于Sutherland提出的第一个基于约束的交互式设计系统Sketchpad，这也是日后基于约束满足的CAD方法的先驱。 20世纪70年代末至80年代初，MIT的V.C.Lin、D.C.Gossard和R.A.Light提出了基于变量和数值求解的CAD系统。1988年，美国参数技术公司PTC首先推出参数化CAD系统Pro Engineer，这是一次重要的技术革命，使得参数化技术成为CAD业界的标准。由于参数化设计的某些限制，美国SDRC公司又开发出了VGX技术。VGX是Variational Geometry Extended（超变量化几何）的缩写，是变量化技术发展的一个里程碑。它的思想最早体现在SDRC公司的软件产品I-DEAS第一版的变量化构图中。VGX技术为CAD软件带来了空前的易用性，设计人员可以非常直观地、实时地进行产品三维几何模型的操作和修改，而且只需在一个主模型中就可以动态地捕捉设计、分析和制造的意图并一气呵成地进行操作。VGX技术极大地改进了交互操作的直观性及可靠性，从而使CAD软件更加易于使用，富有效率。 参数化和变量化设计的CAD系统的核心技术是几何约束的管理和求解技术