3DCADをコアとした新しい設計手法の考案と導入について




2010.8.19 新規



それでは、3DCADをベースとした新しい手法はどのように創造して行けばよいのか。

１．4つの切り口（極）
　これまで混然と語られてきた事を、判り易く整理し直さなければならない。設計・生産を取り巻く環境を分析すると、以下の4つの切り口（極）から寄せて行くことが可能である。






（１）設計知識の表現
　製品に関する情報を、どのように構築し、表現して行くのか

・物理的製品情報（立体形状と材質、加工・組立情報）
　立体形状と材質、加工・組立情報によって構成される物理的製品情報があれば製品を作ることができる。設計とは究極的にはここに至るまでの作業に過ぎないとも言える。既存の手法では、物理的製品情報を直接に表現することが不可能だった為、色々と工夫しながら2次元上でこれを表現しようとした。三面図や船のライン図などは、その苦心の成果である。3DCADでは、物理的製品情報を仮想空間上に直接に表現することが可能で、3DCADの売りの一つとして語られている。
　加工・組立情報には時系列による形状や材質の変化も含まれる

・設計要素の情報構造
　物理的製品情報は、無数の設計要素の積み重ねによって決定されてゆく。一度に一人で全ての設計要素を決定する事は不可能であり、多人数で効率良く決定作業を行えるよう、設計要素はある情報構造下に整理されなければならない。
　現在の設計手法では、設計の階層、上流から下流、基本から詳細、生産、といった上下と、船殻、艤装といった系統別の区分けが為され、それぞれが外部との繋がりや意味を持っている。これは、それぞれ特徴的で専門的な平面で設計要素を切り分けることにより、より詳細で精度の高い設計を行えるように工夫したものである。ただし現在の区分けはあくまでも既存の環境における最適解であり、今後は新しい環境における最適な区分けを模索していく必要がある。
　加工作業や組立作業と言った作業、更には設計要素の組立加工作業とも言える設計作業も含め、全てにおける作業も定義、管理されなければならないが、これも設計要素に含まれる。

・設計意図
　設計要素の決定の過程には設計のノウハウや設計の意図が含まれている。
　例えば既存の手法において、図面上の無数の線や記号が表現しているものは形状と材質の指定だけではなく、その指定に至った設計の意図も含んでいる。そして図面を読む際にこの設計意図も読み取らなければ、より高品質な設計は不可能である。これは別の設計者同士が、非同期で、図面を介して設計に関する会話を行っているようなものである。
　今後、この設計意図をどうするのかも考えて行く必要がある。一つは、これまで通り設計要素の組み合わせや表現の仕方に折り込んでいくというものである。もう一つは、設計要素を決定する際の設計意図を、設計要素の一種として明示し記録するというものである。更に第三の選択肢として、設計意図を必要としない方向に持って行くということも考えられる。これはルール等を明確に定義し、設計要素を設計階層で明確に分割し、設計意図の伝達が無くとも製品が正しく設計される、ある種の全自動設計システムを構築するというものである。

・モジュール設計
　物理的製品情報−設計要素−設計意図の中でモジュールによる分割を行うことにより、作業を容易に且つ高度にすることが可能である。もしくは予めそれを見越して設計要素等の定義を行う。
　要素空間を切り取り、切り出す事が可能なので、一部分だけを外部で設計させる、といったような用途に利用したり、個人の設計環境を変更・調整することが可能である。
　既存の手法における図面も、一種のモジュールである。


（２）個人の作業環境
　設計システムに個人がどのように参加するか。どのように接触するか。

　ある決定を行う際に、より多くの、より適した情報を参照できれば決定の精度が向上する。しかし一方で情報処理能力は制限されており、能力を超える過剰な情報を与えられると決定の効率や精度が落ちてしまう。そこで最適な情報参照環境を考慮しなければならない。
　同一システム内で複数が同時に作業を行い、且つ何らかのリンクをお互いに持っている場合、作業時間と情報交換のタイミングが悪ければ、作業効率や作業精度が落ちることになる。その為、全員が効率良く精度の高い作業を行えるような工夫が必要である。
　個人の作業環境におけるインターフェースは、人間工学に沿ったものでなければならない。作業者の効率、やる気、そういったものを維持する為の工夫が必要である。情報の与え方、ツールの使いやすさ、作業のタイミングの取り易さ、更には三次元情報をどのように扱うか。
　三次元情報を直接扱うかどうか？は大きな問題である。人間は三次元情報を直接に扱うには力不足であり、既存の手法ではツールの制限もあって一次元落として二次元形状を介して三次元情報を扱っている。3DCADの導入でツールの制限が緩和されることになるが、この時にどのようなインターフェースを介して作業を行うようにするのか、それを考えなければならない。
　モジュール設計の導入による、これまでにない新しい設計環境の構築。これまでは系統別に行ってきた設計作業を、物理空間で切り分けで行う事も可能である。


（３）集団とグループワーク
　2人以上の人間で世界を共有するには、どうすれば良いか？

　2人以上で同一製品を設計しようとすれば、グループワークを考慮しなければ、スマートに作業ができなくなる。分担、権限、責任、チェック、リソースの共有や管理。組織とワークフロー、複数並行作業管理、情報の整理とレベル分け、セキュリティ（機密）、権限管理、等…。相当に複雑な問題。
　モジュール設計による複雑さの緩和が無ければ、とても考えることすらできない。既存の手法による図面はモジュール設計の一種であり、それによってグループワークを容易にしている。
　問題の複雑さから、既存のものを基点に進めなければならないのか？

普通のサッカーは11人対11人でボール1つ
22人対22人でボール2つのサッカーは、1つの時よりも相当に複雑になる。しかし22人を11人2組に分け、それぞれで別のサッカーをさせれば、サッカー場という空間こそ共有してお互いに邪魔になるものの、複雑さは大幅に緩和される。これがグループワークにおけるモジュールの一つの考え方である。


（４）ツール（ソフト・ハード）
　設計システムの世界を、どういうツールで構築、もしくは補助してゆくか。

設計要素等の表現手段、紙、2DCAD、3DCAD、…
強度計算などの性能に関する計算
ルールや標準に基づく設計の決定自動化
人間のインターフェースの補助
NC情報作成などの物理的情報への変換計算
セキュリティ（機密、バックアップ）や権限管理、ネットワーク、サーバ
モジュール設計の実現




２．図面を中心とした既存の設計システムを、4つの極から整理する

　図面という一種のモジュールを中心とした設計システムである。その方式は長い年月をかけて調整され、バランス良くまとまっている。周辺の船の世界とも親しく、逆にそれが新しいシステムへの移行を阻む要因にすらなっている。融通性の高いシステムであるが、その融通性はシステムを構成し運用する作業者に依存したシステムであり、システムの精度を高くするには、高い技能を持った作業者でシステムを構成しなければならない。

・設計知識の表現
　形状や材質を表現した図面と、既成部品を指示した部品表などによって製品を表現している。
　図面は形状をそのまま表現したものではなくデフォルメされた部分や記号化された部分も多く含んでおり、形状のリアルな描写ではなく、記号群で形状を表現したものであると考えた方が良い。そして実際には三次元である立体形状を二次元媒体で表現する為に、表現可能な立体形状は限られ、設計制限を受けている状態にある。また二次元媒体によって三次元形状を扱って行かなければならない為に、図面の読み書き共に高い能力が要求される。
　極端な表現をすれば、記号群によって製品の形状を間接的に表現するというものである。あらゆる方向から影絵を投影して、立体像を浮かび上がらせるような感じである。構成される全ての図面を手続き通り作業する事によって、製品が出来上がっていく仕組みになっている。そして製品が出来上がるまでは立体像は決して1つに像を結ぶ事は無いものの、なるべく像がぶれないように、システムを構成する作業者が努力を怠らないようにしなければ、スムーズな立体化作業を実現できない。 　設計は詳細化の度合いに応じて何段階かに区分けされ、その区分毎に決まった種類の図面が存在している。船殻の場合では、一般配置図、基本設計図、詳細設計図、工作図などである。
　船殻と艤装、船殻内では外板と内構、艤装内では機装、船装、電装などの系統に分かれ、それぞれで並行に設計作業を進めて行くことができるようになっている。
　図面内で、個々の設計要素の表示は図面群内において基本的に１ヶ所のみであり、２ヶ所以上に同じ設計要素が表示されないようにしている。必要なものは2ヶ所以上に表示されているものもあるが、その際にはどれがオリジナルかが明示されている。それによって図面を読み取る際に不便さが出るものの、設計要素の一意性の維持を優先し、設計ミスや修正ミスを起こさないような仕組みを作っている。
　一つの製品を表現する為に複数の図面が必要であるが、其々の図面は分散非同期で存在し、お互いに関係しつつも物理的に直接拘束し合う関係にはなっていない。その為に設計作業を進めて行く内に新規作成された情報や変更された情報を正確に伝達し同期して互いに矛盾を無くす必要が出てくるが、これは各図面の作業者によって、ある決められた手順を忠実に実行することによって維持される。作業者の能力が低く作業精度が悪かったり、モラルが低くて決められた手順を守らなければ、情報の伝達や同期が正しく行われなくなり、設計ミスを生じて製品の精度を落とすことになる。またこの情報結合がルーズであるという特徴を逆手に取って決定を先延ばしにし、製造時に現場合わせなどによって最終的な形状決定を行う等の柔軟性の高い運用が可能である。
　複数の図面が分散非同期環境で並行的に作成され、またその図面を基に部品が製造されてゆくが、現場合わせを行う場合には製品の完成を持って設計も完成され、製品の完成後に製品の形状を設計図に反映するということになる。極めて柔軟なシステムであるが、こうした現場合わせを製品と図面との乖離無く行うためには、作業者に相当に高い技能が必要となる。
　ある図面が完成すると、承認手続きが行われた後に関係部署へ必要部数が出図される。この手続きを正しく踏むことにより、情報の伝達と同期が行われる仕組みになっている。 　図面完成後の変更は、改正図という差分図面で表現される（プログラムのソースパッチに似ている）。船が完成した際には、それまで出図された全ての改正図を折り込み、完成図を作る。これは完成した製品情報として、製品に付属されたり、その製品を基にした新しい製品の設計に用いられる。
　情報の一意性を守るため図面は紙媒体とその紙媒体へのサインやハンコという承認手法を用いて管理される。2DCADデータを媒体とする場合には、情報の一意性を維持する為に、図面ファイルの管理を行う為のシステムが必要となる。
　図面そのものが一つの作業単位となっている。図面を管理することで、図面作成作業の管理も同時に行われることになる。


・個人の作業環境
　個人で行う作業は基本的に図面単位となる。1つの図面の範囲は長い年月をかけてバランス良く調整されており、作業者に過度の負担を与えたり作業効率を悪くしないようになっている。また図面の管理を行う事によって、個人の作業を管理する事も可能である。
　作業に必要となる情報も図面であり、各種の必要な図面の必要な範囲を参照しながら作業を進める。参照を行う場合は参照媒体が分散非同期として存在する為、参照先の図面の作成・変更作業とは独立して作業を行う事が可能であり、作業者が作業時間の調整を取り易いものの、情報の伝達や同期が正しく行われなければ誤った情報下で作業を行い、作業のやり直しが必要となったり、誤作を招く事になってしまう。
　直接に三次元形状を扱えない為に二次元媒体を使用して三次元形状の定義を行う。その為に設計可能な形状に制限を受けるが、その反面、人間の立体把握能力が低さから二次元媒体を介した方が精度の高い設計を行えるという逆転現象が起きている。
　現在、図面は基本的に紙媒体だが、紙は印刷、複写や修正が不便であるものの、一方で書き込みが可能であったり、電子機器では使えない環境においても参照することが可能などの利点も多い。少なくとも、パソコンよりも読みやすい。


・集団とグループワーク
　図面が一つの作業単位でもあり、図面を管理することによって設計作業も管理可能である。また逆に図面管理を精密に行わなければ全体の設計作業が滞ってしまう事になる。
　設計要素の所有権や権限は、図面単位で管理されている。
　図面の作成、出図といった予め決められた手順を踏むことで、設計の階層間や異系統間での情報の伝達もしくは交換が行われる仕組みになっている。また並行作業もやり易くなっている。
　設計作業（つまりは設計の詳細化）は基本的に上流の設計要素群に新たに設計要素を加えて行く作業である。その為に上層と下層とで設計要素が重ならないように基本的にはなっているが、長い時間不用意なカスタマイズが繰り返された事によって、必ずしもそうした構造になっていない会社もある。


・ツール（ソフト・ハード）
　元々は紙と鉛筆の時代に作られたシステムである。その為に紙媒体のみでもシステムを構成可能である。
　透明な紙の使用、裏表の書き分け、インクと鉛筆の使い分け、切り貼り等、紙媒体の可能性を極限まで利用し尽くしている。
　最近では2DCADを利用する所がほとんどだが、あくまでも紙媒体の延長として使用している。そもそも2DCAD自身が紙図面のデジタル化として生まれたものである。
　船型などの複雑な曲面も、3枚以上の図面によって表現している。この設計工程は複雑で難易度も高く、またそうした制限から形状も自由度が低くなっている。更に、どれだけ時間と手間をかけても3枚の図面の1点が正確に重なる事は無く、どうしても誤差を含む。しかしこの誤差は製造過程において吸収される範囲のものであり、大きな問題にはならない。
　データベースというツールが存在していなかった為に、システム内で実行される計算は最小限に制限されている。またデータのフォーマットも必要な計算毎に決定されており、全体としての共用性が低い。



３．3DCADを中心としたシステムを、4つの極から整理する

・設計知識の表現
　データベース上のデータによって製品とその周辺情報を表現する。製品の立体形状は三次元データによって直接表現する。抽象的表現や形状の記号化は不可能ではないものの、システム全体の事を考慮すれば不可能と考えるべきである。3DCADは、計算機上の仮想空間に製品を作ることでもあり、これまでの手法では不可能だったような厳密な製品情報のチェックを事前に実行することが可能となる。特に図面のように図面毎の食い違いや存在し得ない形状が定義されることが少なくなる。
　データ構造と設計階層とを対応させておかなければ、多層間での作業が複雑になる。
　データの直接リンク、直接参照が可能であり、それによって作業者が参照図面を読み取り変換する必要が無くなり、作業時間とミスを防ぐことができる。また更新や変更を瞬時に反映可能である。逆にこれは作業者が情報群から排除されるということであり、システムとしての融通性は低くなる。
　三次元形状を直接に表現可能であるが使えるのはあくまでも近似曲面であり、その点では図面と同様に表現可能な立体形状に制限が存在する。
　人間は仮想空間上の三次元形状を直接知覚することも、また逆に直接入力することも出来ない。その為に仮想空間上の三次元形状を使いこなすには、相当な能力もしくは、適切なインターフェースが必要となる。一つは、これまで通りに二次元媒体をインターフェースとして用いるというものがある。
　計算機上のデータを中心としている為、参照可能範囲や参照可能要素の組み合わせを自由自在に定義可能である。これによってきめ細かなモジュールの定義が可能となる。 　融通性が図面を使った既存の方式よりも相当に低くなる。融通性の低さを前提とするか、融通性の高くする仕組みをつくらなければ、多人数での共同作業にはとても使えたものにならない。ただ融通性とデータの処理性とは相反するものであり、それは使う側の主義に依るべきである。
　データベースの使い方を極めなければならない。そしてそれに応じた、製品情報の表現を行わなければならない。


・個人の作業環境
　三次元形状とのインターフェース、直接三次元形状を触るのか、それとも次元を一つ落として扱うのか。次元を落とすと形状を扱いやすくなるが、それだけ形状の選択肢が狭くなる。
　モジュールによって、個人の作業環境を制限することが可能である。これによって個人が最も効率良く作業可能な状態を作り出す事ができる。
　もう一つのモジュールの使い方として、既存の手法に囚われない、新しい設計環境を構築することが可能である。例えば船殻と艤装を同時に設計して行くことや、先に重要な部分を設計した後、そこから上に向かって設計を行う、など。
　扱う情報が全てデータベース上に構築されており、様々な要素を参照しながら設計を行う事が可能である。またデータの読み書きについては、きめ細かな管理も可能である。
　図面の枠を超えて、直接個々の要素間で関係を構築可能となるが、逆に無分別に関係を結んで行けば、システムは絡まった網のようになってしまう。そこで全体を考えてシステムの再構築を行わなければならないが、そうなると個人の作業環境としては現在より設計選択肢の少ない、自由度の低い環境となる可能性が高い。


・集団とグループワーク
　権限や権利の設定が可能
　同時に、集団での作業管理が重要になる。
　個人の設計選択肢を狭めることで、集団として精度の高い設計を行う。システムが大規模に、そして複雑になって行くに従って、個人よりもシステムを優先すべきである。
　集団で作業を行うには融通性を高める仕組みが必要である。同時に多人数で並行作業がやりやすい、ストレスを感じさせない手法を考案しなければならない。もしくは融通性が無いものとして多人数で並行作業を行う為のルール作りなど。
　新しいグループ分けによる新しい設計手法が可能。例えば船殻と艤装を一緒に設計を行う、など。
　集団の意思改革が無ければ、3DCADシステムは運用できない。既存の手法と同じ意識で3DCADシステムを運用すれば、システムは破たんする。既存の手法では、システムよりも個人が優先されている部分が多かったが、3DCADでは個人よりもシステムを優先させなければならない。


・ツール（ソフト・ハード）
　データベースによる製品の表現
　三次元形状の表現と計算
　データベース上の全てのデータを利用した計算が可能となる。これによって既存の手法には存在しない、新しい計算や新しい評価が出てくる事になる。
　情報共有、アクセス制限、情報同期
　ネットワークを利用した遠隔地とのデータの共有
　セキュリティ、バックアップ





2つのシステムの間の違いと、3DCAD化における注意点

（１）基本となるデータベースの違い
　情報の間に人が入りこんだシステムと、データベースに情報を集約し情報の間から人を排除したシステム。詳細化の過程で置き換えの可能な柔軟性のあるシステムと、置き換えをするとそれよりも上層で変更ができなくなる融通性のないシステム。抽象的表現の可能なシステムと、具体的な表現のみによって表現されるシステム。
　非同期分散データベースと、同期集中データベースの違い

・データ構造の整理と簡易化の必要性、人が間に入らなくても、混乱しない仕組み。
・詳細化の過程における設計要素の置き換えの禁止。純粋な足し算による詳細化の徹底。
・これまでは間に何人もの人を挟むことにより、チェックも同時に行われていたが、それを補完する機能が必要になる。入力時の自動チェック、途中での検算、等


（２）三次元形状の取り扱い
　データベース上で近似曲面を直接保持することが可能であり、これまでのような間接的な取扱いとは違う手法が必要となる。インターフェースも。

・船型の定義手法の再考
・人に適したインターフェイス、三次元的思考まで考慮した


（３）計算範囲の飛躍的向上と、それによる新たな価値基準の創造、編成
これまで不可能だった範囲まで計算が可能になる。例えば寸法を考慮する際に、リアルタイムで重量などの評価値を表示させることも可能。
ただ、余りに個人の参照範囲を広げると効率が落ちるため、ただ広げれば良いというものではなく、全体としての効率が良くなる範囲で、再編成を行わなければならない。



以上を考えなければ、3DCADはただの補助ツールの範囲を出る事は出来ないし、以上の事を考えていくには、これまでの延長線で物事を考えていては駄目である。
どのように3DCADへアプローチするか？



（続きは状況を見据えつつ）



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