（机械电子工程专业论文）基于零部件接口矩阵的机电产品协同设计系统的研究与实现.pdf

摘要 面对用户需求的个性化、多样化及市场的快速多变，传统的串行设计模式已 经无法适应日益激烈的市场竞争需要，集成计算机技术、网络技术、通信技术及 多媒体技术的协同设计模式变得越来越普及。如何构建一个快速有效的协同设计 系统是一个重要的研究课题。本文从这个角度出发，研究基于零部件接口矩阵的 机电产品协同设计系统的构建，为机电企业缩短产品的研发周期，提高产品设计 效率和提高产品的研发质量提供了理论及实现基础。 论文首先提出了一种基于零部件接口矩阵的粗规划和基于d s m 的细规划相结 合的项目规划方法。给出了机电产品零部件接口的定义、分类及机械接口的描述 模型、实现方法，根据产品待规划零部件机械接口关系定义接 j 矩阵，采用接口 数量优先的原则进行变换，形成关联零部件聚集的接口矩阵，实现项目的粗规划； 根据接口关系和任务的时序约束将接口矩阵转换为d s m ( d e s i g ns t r u c t u r e m a t r i x 设计结构矩阵) ，通过路径搜索算法，将任务群分解成独立任务、解耦 任务和耦合任务，实现项目的细规划。仿真结果和案例分析表明，在零部件接口 关系较为松散时，粗规划可以把零部件集分解成规模明显减小的独立零部件子集； 在任务关系为低耦合时，细规划把任务群分解成独立、解耦和耦合三类任务子群 后任务群规模明显减小。 针对项日粗细规划后得到的一系列任务群，论文研究了面向角色和团队的设 计任务优化配置问题。提出了相应配置数学模型及通过建立相关任务模型和人力 模型来设计效率矩阵，利用基于角色的资格判定方法作为设计任务的分配资格判 断条件，分枝定界算法作为任务分配算法，团队的总效率值最大作为设计任务的 分配准则，为解决本文研究的项目任务配置问题提供了有效的理论方法。案例分 析表明该数学模型及其解法能合理有效地达到设计任务的优化配置。 以上述研究理论为基础，利用j s p 、j a v a 和w 曲等技术开发的基于零部件接 口矩阵的机电产品协同设计系统主要包括6 个模块：组织管理模块、项目管理模 块、项目规划模块、协同工具集模块、文档资源管理模块和权限控制管理模块。 最后给出了一个系统仿真案例应用，该应用说明了系统的有效性和实用性。 关键词：协同设计：零部件接口矩阵；d s m ；任务规划；分枝定界法 a b s t r a c t f a c e dw i t hn l ep c r s o n a h z e du s e rd e m a n d ，t h em p i dc h a n g e s柚dm a r k e t d i v e r s i f i c a d o n ，m e 订a 幽t i o n “s e r i a ld e s i g nm o d e li s u n a b l et ob ea d a p t e dt o i n c r e a s i n 封yf i e r c e m a r k e tc o m p e t i d o n 锄di n t e 伊a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， n e t w o r kt e c h n o l o g y ，c o m m u i l i c a l i o n st e c h n o l o g ya 1 1 dm u l d m e d i at e c h n o l o g yi n c o l l a b o r a t i o nw i t h 山ed e s i g i im o d e l i sb e c o r n i n gi n c r c a s i n g l yp o p u l 盯h o wt od e s i g l l a n db l l i l dar a p i da n de 丘e c d v ec o d e s i g ns y s t e mi sa l li m p o n a n tr e s e a r c hs u q e c t f r o m d sp e r s p e c t i v e ，t h em s s e r t ：m o nr e s e a r c h st h ed e s 远no fae l e c t r o m e c h a l l i c a l p r o d u c tc o d e s i g ns y s t e m b a s e do n c o m p o n e n t i n t e r f a c em a t d x s u p p l y i n g e l e c 仕o l e c h n i c a le n t e r p r i s e st os h o n c np r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，i m p m v ep m d u c t d e s 远ne 伍c i e n c ya n di m p r o v ep m d u c tr e s e a r c h a 1 1 dd e v e l 叩m e mq u a l i t yw i t h a c h i e v e m e n ta n d 山e o r yf o u n d a t i o n f i r s to fa l lm ed i s s e n a t i o np r e s e n t sa p r o j e c tp l a l l n i n gn l e t l l o dc o m b i i l i n gar o u g h p r o j e c tp l 卸n i n gm e t h o db a s e do nc o m p o n e n t i n t e r l a c em a t r i xw i t had e t a i l e dp r o j e c t p l a n n i n gm e m o d b a s e do nd s m t h ed i s s e r t a t i o np r e s e m st l l ed e f i n m o na l l dc a t e g o r y o fe l e c o m e c h a i l i c a lp r o d u c tc o m p o n e n ti n t e m l c ea i l d 山ed e s c r i p t i o nm o d c la n d r e a l i z a t i o nm e t h o do fm e c h a i l i c a li n t e a c ea n dd e f i i l i e sai n t e r f a c em a 岫xo nt h eb a s i s o ft h er e l a t i o n s h i p so fu n d e r p l a i l n e dp r o d u c tc o m p o n e mm e c h a i l i c a li n t e 晌c e sa n d m e nai n t e r f a c em a 砸xw i t hl i n k e dc o m p o n e n t sa s s e m b l e di ss e tu p ，u s i n gt h e p r i n c i p l e o fm e p r i o r i t y o f山e i r i n t e r f a c e s ， t oa c h i e v e m u g hp r o j e c t p l a n i l i n g ；a c c o r d i n gt o 山e i n t e d a c er e l a t i o n sa n dt i m e _ b a s e dt a s k st h ei n t e r f a c em a t r i x w i ub ec o n v e r t e di n t od s ma 1 1 dt h e nm et a s kg r o u pw i l lb ed i v i d e di n t oi n d e p e n d e n t t a s k s ，d 印e n d e n tt a s k sa n di n t e r d 印e n d e mt a s k st 0a c h i e v ed e t a i l e dp r o j e c tp l a n n i n g b yt r a i l s s e a r c ha l g o r i t t l m c a s ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a ti t b e s i t u a t i o no f l o o s ec o m p o n e n ti n b 耐k er e l a t i o n s ，r o u 曲p r o j e c tp l a n n i n gc a nb r e a k d o w n 血ec o m p o n e n ts e ti n t os u b s e t ss i g n i f i c a n t l yw i t hs m a l l e rs i z e ；l o w e rc o u p l i n g r e l a t i o n sb e 附e e n 山et a s k s ，t h ct a s kf o u pi sd i v i d e di n t oi n d e p e n d e n tt a s k s ， d e p e n d e n tt a s k sa i l di n t c r d e p e n d e n tt a s k s a n dt h es i z eo ft h et a s ks u b 乒o u p si s s i g l l 湎c a n t l ys m a n t h e n ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e sap l a i l l l i n go 埘1 1 1 i z a t i o np m b l e mf o rd e s i g nt a s k s s u p p o r d n gt e 锄s a i l di d l e sa c c o r d i n gt om et a s kg r o u p sp r o d u c e da f t e rp d o j e c t p 1 锄血n g ac o r r c s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l i sp r e s e n t e da n da ne f f i c i e n c ym a 血x i sd e s i g n e dt h m u g ht h ee s t a b n s h m e n to fr e l a t e dt a s km o d c la n dh u m a i lm o d c l ，u s i n ga a h 5 l k a o l q u a l i f i c a t i o nd e c i d i n gm e 山o db a s e do nm l ea s t h ca s s i g m e n tq u a l i f i c a t i o nj u d 百n g i n e t h o df o rd e s i 驴t a s k sa r i da nb r a i l c h b o l l i l d 出p r i t i l ma st a s ka 1 1 0 c a l i o na l g 嘶m m a i l dt l l el a r g e s to v e r a ue m c i e n c yv a 】u eo ft h et e 锄sa s d e s i g i lt a s k sa l l o c a t i o n g i l i d e l i n e s ，t oa d d r e s st h ep r o j e c tt a s kp l a n n i n gp r o b l e mw i 山a ne f f e c t i v ef r 陀t l l o d c a s e 锄a l y s i ss h o w st l l a tm em a t t l e m 撕c a lm o d e la n di t sr e s o l u d o nc a i lm a k et h e d e s i g l lt a s k sp l 籼e dr e a s o n a b l y 锄de 仃e c t i v e l y ae l e c 廿o i n c c h a i l i c a lp r o d u c tc o u a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e mb a s e do nc o m p o n e n t i n t d b c em 撕xi sd e s i g n e db a s e do n 也e p r e v i o u sm e o r e t i c a ls t u d yw i 血j s p 、j a v a 如d w 毫bt e c h n o l o 百e s ，i n c l u d i i 培s i xm a i nm o d u l e s ：o i g a l l i z a t i o nm a n a g e i i l e n tm o d u l e ， p r o j e c tm a n a g e m e n tm o d u l e ，p r o j e c tp l a i l i l i n gm o d u l e ，c o l l a b o r a t i o nt o o ls e tm o d u l e ， d o c u m e n tm a n a g e m e n tm o d u l ea n da c c e s sc o n 旺o lm a n a g e i n e n tm o d u l e s a t1 a s ta s i m u l a t i o nc a s ei ss t i l d i e dt os h o wm a tm es y s t c mi se f f e c t i v ea i l du s e f u l k e y w o r d s ：c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；c o n l p o n e n ti n t e r f 砬em a i x ；d s m ；1 t 雒kp l a n 皿峪： b 瑚c hb o u n 击n ga l g o f i t h m i 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及研究意义 1 1 1 现代生产模式的转变 随着现代市场竞争的加剧，企业之间的竞争开始转向基于时问的竞争和基于 客户需求的竞掣”。 现代生产模式已经从“大鱼吃小鱼”逐渐向“快鱼吃慢鱼”过渡，缩短产品 设计开发周期是迎接挑战的有效途径。以前，一流产品的优势平均可以保持几年， 而现在普遍的情况是只能维持几个月甚至几周 2 。产品的设计丌发周期的长短影 响着企业产品面对市场变化的反应速度，决定了企业的竞争力和所获得的利润。 据估计，如果一种生命周期为5 年的产品延迟6 个月上市，就会损失其1 3 的利 润，产品7 0 8 0 的最终成本取决于产品的设计阶段。 同时，客户对产品功能的个性化、多元化需求诈在不断加大，这势必导致产 品结构越来越复杂和对技术创新性要求的不断提高。因此，面对客户要求的提高 和市场竞争的激烈化，传统的单一企业完全依靠自身资源和技术力量及生产能力 的生产模式正在发生根本变化，发展成为在强调竞争和合作的前提下，利用现代 先进的网络技术和通讯技术，充分利用分布于不同地域，不同部门，具有不同生 产文化背景的生产力资源，达到强强联合，优势互补，缩短产品设计开发周期， 快速响应市场的变化，抢占先机，立于不败之地的目标。为此，基于网络的异地 分布式、并行、协同的产品设计开发、敏捷制造、动态联盟、网络化制造和虚拟 团队的产品开发模式应运而生，并成为当前研究的前沿和热点。而且，产品结构 的复杂化带来产品设计和研发流程的复杂化，从而产生大规模任务群，尤其是耦 合任务群。大规模任务群的产生使得组织中的开发团队的创建变得更加困难，团 队规模的扩大增加了团队成员问信息交流的难度，也降低产品开发效率，延长了 开发周期。因此，有效的设计任务分解和配置是提高产品研发效率，降低研发成 本的重要手段。 广东工业夫学工学硕士学位论文 1 1 2 并行设计理论 并行设计是并行工程的主要组成部分，以平行的、交叉的、集成的方式设计 产品并处理相关过程，要求产品设计人员在设计一开始就考虑到产品全生命周期 ( 从概念形成到产品报废) 中的所有因素，包括质量、成本、制造和使用等嘲。 过去人们主要采用串行设计模式，这是一种“抛过墙”式的产品设计方法。 设计特点是以顺序开发模式为前提，只有前一阶段完成后，下一阶段才能开始； 各阶段采用的辅助工具、系统的不同而导致阶段之间、阶段内部信息共享困难， 产生大量信息“孤岛”：设计修改频繁，设计成本高，开发周期长，不利于产品的 及时上市。并行设计是针对串行设计的固有设计模式而提出的，它以全局的思想 为指导，全面考虑产品的全生命周期中各因素的影响，及早发现问题，及时评估、 决策，以达到减少设计修改返工，缩短产品开发周期、降低设计成本、缩短产品 上市时间，提高企业的竞争能力的目标。串行设计与并行设计的模式比较如图1 1 所示【4 ： 惭甜 八八 并行设计 周期 图卜1串行设计与并行设计的模式比较 f i gl - 1t h ep a 仳e mc o m 呻r i d 蚰k 铆e 哪s e r i a id 器i 弘柚dp a 脚l e ld 商驴 雾 薷 第一章绪论 并行设计和协同设计是两个容易混淆的概念：协同设计的目的是使多个设计 人员合作高效率顺利地完成某一特定任务，而并行设计的目的是通过产品开发过 程的重组与改进来实现产品开发流程的合理化与优化保证在产品开发过程中做出 正确决策，有效减少设计修改，缩短开发周期【5 】。在网络化设计的信息环境中， 只有同时采用协同设计、并行设计等设计方法，才能灵活迅速地把跨地区跨行业 的设计资源有效地集中起来，及时推出高质量、低成本的新产品。 1 1 3 协同设计理论 协同设计也称计算机支持下的协同设计( c o m p u t e rs 叩p o r tc p e r a l i v e w o 一【o nd 档i 鲫，c s c w d ) ，它是并行工程的关键技术，其最基本含义是协同设计 工作，就是分布于同一地方或异地的某一群体中的人员，在计算机及网络的帮助 下，通过一个虚拟的工作环境，相互配合，快速高效地共同完成同一设计任务或 任务组。协同设计的思想摒弃了传统的串行设计，它强调设计者采用群体工作方 式，从而不同程度地改善了传统设计中项目管理与设计之间、不同设计阶段之间 的脱节，以及设计周期过长、设计费用高、设计质量不易保证等弊病，使不同地点 的管理人员、设计人员、施工人员以及用户都能同步或异步地参与设计工作，从 而提高设计的质量和效率【6 】。 协同设计不仅是一个知识密集型的创新过程，还是一个通信密集型的过程。 随着对协同设计理论的深入研究，胁同设计将具有更加丰富的内涵吲吲： ( 1 ) 协同设计是一个协同工作的过程，目前协同设计已经纳入到c s c w 的计 算框架之中，将协同设计视为c s c w 的重要应用领域之一。 ( 2 ) 协同设计是一个通信处理的过程，在这一过程中，通信与协调是最重要 的问题，协同设计中应遵循通信规则。 ( 3 ) 协同设计是一个知识共享和集成的过程，各个设计者必须共享数据、信 息和知识。各设计小组内部必须能共享知识和设计经验，还要能从其它小组获取 共享信息，各小组间应能相互传递对设计背景与目标的理解。 ( 4 ) 协同设计是一个管理的过程，它强调了在协同设计中的任务管理，如规 划、监控、协商、调度和决策支持。 网络经济作为一种新的经济模式越来越受到关注，协同设计以信息技术为依 托，融入各种现代企业管理理念、先进的现代设计技术和现代设计方法，带动经 广东工业大学工学硕士学位论文 济形成新的增长势头。通过建立协同工作的环境，改善人们进行信息交流的方式， 消除或减少人们在时间和空间上的相互分隔的障碍，节省工作人员的时间和精力， 提高群体工作质量和效率，从而提高企业、机关、团队、乃至整个社会的整体效 益和人类的生活质型9 1 。 1 1 4 本课题的研究意义 针对机电企业如何通过改变传统生产模式，引入并行设计和协同设计技术以 达到提高机电产品设计效率的目的问题，本课题在国家自然科学基金( 5 0 4 7 5 0 4 7 ) 、 广东省科技攻关项目( 2 0 0 4 a 1 0 4 0 5 0 0 1 ) 和广东省自然科学基金团队项目( 0 5 2 0 0 1 9 7 ) 的联合资助下，研究了机电企业如何通过项目的快速合理规划，以提高并行协同 设计效率，减少项目研发周期，提高产品设计质量，降低产品设计成本，提高企 业竞争能力和市场响应能力。 现代生产模式已经从以生产为导向转向以顾客为导向，机电产品的日趋复杂 化，企业竞争进入全方位竞争时代，要使企业立于不败之地，必须通过改变传统 生产模式，引进先进的产品设计方法来提高企业的竞争力。利用机电产品协同设 计系统快速有效地进行项目规划，对提高机电企业协同设计效率，缩短产品上市 时间，提高竞争力，具有极其重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 协同设计 自1 9 8 4 年m 的五陀ng r e i 仃和d e c 的p a u lc a s l 蛐孤于在一个专题讨论会 是正式提出来的c s c 概念以来，作为c s c w 关键技术之一的协同设计就开始 成为许多学者研究的热点，陆续出现了不少协同设计系统和软件。如美国斯坦福 大学多个研究小组联合开发的分布式胁同设计平台p c a t ，麻省理工学院的d i c e ， 美国b a t t l ep a c i f i cn o r t h w e s tl a b o r a t o r i e s c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y 联合开发的a n a r c “；美国c o c r e a t e 公司在1 9 9 9 年推出了商品化的协同设计软 件一o n e s p a c e ，该产品可以支持三维产品的协同查看和协同造型，但是不能实现 异构c a d 系统之间的协同，只能在0 n e s p a c e 提供的造型器下实现协同工作。这是 协同设计领域中少有的基本可以实用的应用软件【1 1 】；h a ow a n g 等人研究了基于 4 第一章绪论 w e b 的多用户房间设计系统1 2 】；美国斯坦福大学开发的大型智能化分布式协同设 计系统【1 3 】；史美林教授则对协同应用开发环境进行了研究，并设计了一个协同设 计原型系统( c o d e s i g n ) ：四川大学制造学院c a d c a m 研究所在殷国富教授带领下 跟踪国内外发展动态，与香港大学、西安交通大学、重庆大学合作开展了网络远 程协同设计、快速产品开发技术等方面的相应研究 1 “。 迄今为止，国内外众多学者对协同设计的关键技术和系统的实现进行了大量 研究，研究的关键技术主要围绕协同设计的体系结构、设计流程的重组、协同工 具的设计、设计任务的分解原则、协商机制、冲突及其解决方案、认知模型、安 全防范机制等。现在许多研究的重点主要集中在c a 列d f x 工具的分布集成、异 步协同设计、同步协同设计等。 a c a “d f x 工具的分布集成c a “d f x 工具的分布集成主要涉及的关键 技术包括c a x d f x 工具的集成封装方法、异构工具间数据的交换和共享方法等， c a ) 【d f x 工具的集成化屏蔽了设计软件之间的差异，使设计人员不用考虑不同平 台之间的传递设计转化问题，提高了协同设计效率及正确性。c a d c a m 系统的 网络通信功能可以实现用户点对点的协同设计功能，支持两同地或异地系统方便 地进行实时、在线的同步协同设计及设计思想交流，其缺点是如果两设计系统存 在异构性问题，则需要解决异构c a d 系统之间的几何数据交换问题。另外，在 应用上也缺少b ，s 模式下协同平台的灵活性及与c a d 平台的无关性n ”。 b 异步协同设计异步协同主要涉及低耦合或中耦合的松散协同协作， e u n i o ol 胱提出了用于协同设计的设计方案评价系统 1 6 】；a i l i l 等学者开发了一个 基于h l t e m e t 的c a d c a m 系统c y b e 疋u t ”】；战洪飞等人设计了一个异地协同设 计系统c p d s ，通过屏幕共享与远程控制技术，实现多用户问的产品实时协同设 计1 8 】；赵秀栩等学者研究了基于w 曲的协同产品开发中的基于s r l l 珀和) 。讧l 的 产品数据交换技术“9 ；江平宇等提出了一种不同于当前c a d 模式，基于“浏览 器朋务器数据库”3 层集群结构，并能顺利进化到应用服务供应a s p 环境的新 型c a d 模式2 0 1 。 c 同步协同没计同步协同设计是一种高耦合的协同工作，多名协作设计人 员可以同时通过网络共享工作空间执行设计活动，并且任何一个协作人员都可以 实时迅速地在共享空间中获得其他协作人员对设计活动的反馈信息。目前，对同 步协同设计的研究工作主要集中在以下几个方面：同步协同的二维绘图与三维建 广东工业大学工学硕士学位论文 模( 如，r g a m 等学者利用图形工作站构建一个三维虚拟环境用于三维产品协同设 计；b i d a m 等人开发了基于特征的协同建模系统w 曲s p 一2 2 1 ；周勋等研究开 发了基于c o r b a 和w 曲的协同实体造型系统w j b c o s m o s 【2 习) 、二维与三维协 同标注( 如m 等人开发了一个基于w 曲的三维协同标注系统c y b e r e w 【硎) 和 其它实时协作工具( 袁稹等人以共享的虚拟工作空间为思想指导开发了一个电子 白板作为网上协作工具矧；s h a r e d3 dv i e w e r ，可用于c a d 的三维几何图形和产 品结构的分布式协同讨论m 1 ) 。 同时，p i ) m ( 产品数据管理) 技术发展到现在已经相当成熟，各类p d m 软 件产品不断更新换代，除管理产品和工序的整个生命周期，保证能快速、高效地 部署产品信息外，也提供了良好的协同环境和不少协同工具来提高产品开发小组 的协作能力。例如比较具有代表性的p d m 软件册c 公司的w i n d c h m 产品系列 【捌，其主要组成产品有w i n d c l l i up m j e c 讧j i l k 和w i n d c m p d m i j n k 。p m i e c 血n k 主要涉及项目协同、团队管理和计划工作安排等，能够在防火墙内外安全地管理 整个团队的才智和活力，在跨企业活动中的产品信息合并方面与p r 矾g 矾e e r 和w i d d c l l i up d m 【j n k 无缝集成；p d m l i i l k 则侧重于产品和过程控制方面，它 为企业对所有形式的产品数据( 包括机械、电气和软件) 进行专业管理提供解决 方案，在产品信息的分发及跨企业协同方面与p r o ，e n g 玳e e r 和晰n d c h i p r o j e c t l j i l k 无缝集成。尽管p m j e c t ij n k 和p i ) m l j i l k 可以进行无缝集成，但把项 目和产品放置于两个独立的系统中进行管理，用户往往容易把这两个概念混淆， 项目数据与产品数据之间的共享带来频繁的数据交换，增加了操作的复杂性；同 时，当产品生命周期和工作流设定后，项目任务的规划及组织资源的规划就相对 固定下来，缺乏灵活性，任务分配通过人工实现，缺乏相应人力模型的支持，具 有很大的主观性。 现有的文献和协同系统对协同设计的研究大都是着眼于协同工具的研究、开 发及集成、协同环境的构建、数据管理，对项目规划中的任务分解的研究更偏向 于任务群的识别和耦合任务群的解耦和割裂方法等，对任务分解的过程和方法研 究较少，并没有形成较为成熟的研究体系。而目前，产品的“再设计”( r e d e s i g i l 或称变型设计) 具有一定的普遍性，机电产品的开发采用自顶向下规划 ( ，i o p d o w n ) 设计方式，产品的研发任务的产生主要来源于待开发的零部件。因 此，研究基于零部件的广义关联关系的项目规划过程和方法对协同设计理论具有 6 第一章绪论 一定的意义。 1 2 2 指派问题 设计任务的规划问题属于典型的指派问题。指派问题通过建立指派模型、资 源的效率矩阵或成本矩阵或时间矩阵等，利用相关优化算法对任务进行分配以达 到效益最大化或者成本最小化的目的，其本质是资源的优化配置问题。 对传统任务指派问题的研究已经有相当长的历史，许多学者相继提出了不少 新的模型和新的算法。从近十年的文献资料可以看出，针对指派问题的研究主要 集中在以下两个方面：( 1 ) 对传统模型的扩展，传统的指派问题模型是n 个人( 机 器或组织) 去完成n 个工作，执行者与工作之间是1 对l 的关系，而这些扩展模 型则是针对特定问题对传统模型进行扩展，如r a i n e re b u r k a r d 2 即综合介绍了双向 匹配、线性指派、瓶颈指派、多维指派、二次指派等指派问题；周泽良【2 川提出了 最短时限缺省指派问题；任东锋等人即1 提出了并行设计中任务到团队分配的分层 多目标、动态模糊随机优化数学模型；唐春霞等学者【3 1 】提出了二维瓶颈指派问题 并用动态规划算法进行求解；张新辉口2 1 则讨论了任务数多于人数的指派问题。( 2 ) 对算法的研究，传统的指派问题典型的解法是匈牙利数学家柯尼克( k o n i n g ) 提出的 匈牙利法，新算法的研究或是对匈牙利法的改进或是利用其它组合优化算法来解 决问题，如褚言正【”1 引入“c 参数选择原则”用于解决当效益矩阵的每一个行列 都存在不止一个“零”时，选择哪一个“零”才能保证找到最优解，从而完善了 匈牙利方法；s i l v 卸om a n e 3 4 1 、p e t e rh a l l n 掣3 5 【3 6 1 利用分枝定界法对模型进行求 解；李玉家等学者” 【3 8 1 利用遗传算法的思想及整合处理对模型进行求解；宿洁等 人 3 9 】则采用模拟退火算法求解多目标指派问题。 现有的文献对指派问题的研究大多着眼于对传统数学模型的扩展和对各种优 化算法的应用，或多侧重于解决某一方面的问题，而对指派问题中涉及企业运作 的具体因素和约束，如团队、角色等相关元素的考虑不多，进而对指派问题数学 模型中的效率矩阵所涉及到的人力模型、任务模型的详细研究也较少，然而，团 队和角色是现代企业主要的生产管理形式之一，多功能团队是协同设计得以实现 的基础，基于角色的权限管理能够有效地实现企业内部的权限控制，同时，人力 模型、任务模型也是影响任务指派的客观因素。因此，研究面向角色和团队的设 计任务优化配置问题和人力模型、任务模型的建立是企业实现协同设计的重要考 广东工业大学工学硕士学位论文 虑问题之一。 1 3 本课题的主要研究内容 课题研究的目的是针对网络化环境下协同设计这一新兴设计模式，研究机电 产品研发项目的如何快速有效地规划，从而提高了项目研发的并行度和协同度， 减少了企业产品的设计周期，提高了设计效率和资源的利用率。 本课题的研究内容包括如下几点： ( 1 )研究基于零部件接口矩阵的粗规划和基于d s m 的细规划相结合的项目规 划方法。 零部件接口是本论文的一个重要基础概念，本文首先将给出机电产品零部件 接口的定义，由于零部件接口种类繁多，所以本文只研究机械方面的接口，即机 械接口，并建立机械接口的描述模型其及给出实现方法，然后根据待规划零部件 的机械接口关系定义零部件接口矩阵作为实现项目粗规划的工具，该工具将采用 接口数量优先的原则的粗规划算法，形成关联零部件聚集的接口矩阵，最后在粗 规划形成的零部件聚集块的基础上进行项目细规划，根据零部件的接口关系和任 务时序约束，将零部件的局部任务d s m 转换成零部件聚集块的全局任务d s m ， 再通过d s m 的相关路径搜索算法形成一系列独立、解耦和耦合任务子群以实现 细规划。 ( 2 )针对本文研究的项目规划方法所产生的一系列任务子群，研究面向角色 和团队的设计任务优化配置问题。 文章将根据企业的实际运作因素和约束，融合角色和团队的概念，对设计任 务优化配置问题进行讨论。首先建立问题的数学模型，同时建立相关任务模型和 人力模型来设计数学模型所需的效率矩阵。面向角色和团队的设计任务优化配置 问题会出现某类任务没有相应资格的成员承担而产生无解现象，因此将引入基于 角色的资格判定方法作为设计任务的分配资格判断条件。任务分配算法将采用分 枝定界算法，算法的最优解将是使团队的总效率值最大的解，最后会考虑问题无 解现象的解决方法。 ( 3 ) 基于零部件接口矩阵的机电产品协同设计系统的研究及实现。 该系统利用j s p 、j a v a 和w 曲等技术结合前面的研究内容来开发，主要包括 组织管理模块、项目管理模块、项目规划模块、协同工具集模块、文档资源管理 模块和权限控制管理模块等6 个模块。 本文的结构如下： 第一章主要介绍课题的研究背景及研究意义、国内外相关研究现状和课题的 研究内容等。 第二章主要研究基于零部件接口矩阵和d s m 的项目任务规划方法。 第三章主要研究基于角色和团队的设计任务优化配置。 第四章主要介绍了协同设计系统的设计和开发过程及系统的仿真实例。 第五章主要对本论文进行总结和展望。 本文结构如图1 2 所示。 第一章绪论 1 课题的研究背景及研究意义 2 国内外研究现状 3 本课题的主要研究内容 第二章基于零部件接口矩阵 和d s m 的规划方法 1 零部件接口的定义、分类及 机械接口描述、实现方法 2 基于接口矩阵的粗规划 3 基于d s m 的细规戈i 4 案例 计任务优化毗置 1 o d t p s r t 的数学模犁 2 效率矩阵的建立 3 0 d t p s r t 的解法 4 案例 第四章协同设计系统开发 1 系统设计目标及总体框架设计 2 系统功能模块 3 系统仿真实协 第五幸全文总结及展望 1 全文总结 2 论文创新点 3 研究工作展望 图1 _ 2 论文结构图 f 远1 - 2t h es t m c t i l 他d i a g m m 0 fd i s s e n a 6 蛐 9 第二章基于零部件接口矩阵和d s m 的项目规划方法 本章针对分布式、网络化环境下机电产品研发项目的规划问题，提出了一种 基于零部件接口矩阵的粗规划和基于d s m 的细规划相结合的项目规划方法。首 先给出了零部件接口的定义、分类和机械接口的描述模型及实现方法，根据产品 待规划零部件的机械接口关系定义接口矩阵，采用接口数量优先的原则进行矩阵 变换，形成关联零部件聚集的接口矩阵，实现项目的粗规划，再根据接口关系和 任务的时序约束将接口矩阵转换为d s m ，通过d s m 下三角化，将任务群分解成 独立任务、解耦任务和耦合任务，实现项目的细规划。仿真结果和案例分析表明， 在零部件接口关系较为松散时，粗规划可以把零部件集分解成规模明显减小的独 立零部件子集；在任务关系为低耦合时，细规划把任务群分解成独立任务、解耦 任务和耦合任务后，使任务子群的规模明显减小。 2 1 零部件接口的定义、分类及机械接口的描述模型、实现方法 2 1 1 零部件接口定义的背景 常见的接口分为软件接口和硬件接口，软件接口指一组包含了函数型方法的 数据结构；硬件接口常见的有标准接口，标准接口是两硬件之间的联接参数已经 规范化、标准化的联接方式。如果某个产品的两零部件间的接口采用标准接口， 接口参数可以直接参照相关标准，两零部件的设计人员就不需要进行信息交流、 数据交换和讨论活动，即两零部件的设计就可以作为单独任务并行地执行，不存 在任务之间的相互耦合。比如，现在很多电脑配件之问就是采用标准接口连接， 生产鼠标或键盘的厂商可以不用考虑如何跟生产主板的厂商进行打交道，u s b 作 为一种标准接口的出现更使电脑的外置配件拥有更多的独立于主板开发空间。然 而，对于大多数机电产品来说，它们的零部件之间不一定有标准化的接口可供利 用。在这种情况下，设计者必须通过相互交流、共享设计数据和信息才能保证设 计出来的零部件能正常联接。当待规划零部件的数量庞大或零部件之间的联接关 系相当复杂或设计数据格式不相兼容时，零部件开发人员之间必须进行频繁的交 换信息，而且某一零部件的修改将会导致相关零部件的修改，从而出现恶性反复 l n 第二章基于零部件接口矩阵和d s m 的项目规划方法 循环修改，降低了项目的研发效率和延长了项目的研发周期，严重者会导致项目 失败。 因此，如果两联接零部件的接口在项目的研发开始阶段就能明确定义或描述 表达出来，那么两零部件的设计人员就可以独立完成设计任务，这样既可以减少 信息交流量，又提高了任务的并行性和设计效率。 2 1 2 零部件接口的定义及分类 定义1 两零部件间各种联接关系的总和称为零部件接口，即零部件接口是联接 关系的信息集合。因此，机电产品可以看成是由许多接口将组成产品的各要素的 输入，输出联系为一体的系统。 零部件接口描述了两零部件之间如何进行联接。关于机电产品接u 的分类有 很多提法，比如根据接口的变换和调整功能，可以将接口分为零接口、被动接口、 主动接口和智能接口；根据接口的输入输出功能，可将接口分为机械接口、物理 接口、信息接口与环境接口等。一般地，复杂机电产品的设计都涉及到机械、 控制、液压、气压、动力、光学和热学等专业领域，不同领域接口的输入输出形 式不同。因此，按照专业领域也可以把零部件间的接口分成机械接口、数字接口、 电接口、气液接口、光接口和热接口等六种基本类型。本文只讨论机械方面的接 口( 即机械接口) 的相关内容。 2 1 3 机械接口的描述模型及实现方法 1 、机械接口的描述模型 两零部件的机械接口关系只需要考虑两零部件间接触面的几何特征，因此 本文定义机械接口联接方法的描述模型如图2 1 所示： 广东二r - 业大学工学顾七学位论文 联接父类型联接千类型特征父类型 特征子类型 特征数据 图2 - 1 机械接口联接方法的五层式描述模型 h g 2 1f i v e - l a y e 巧d s c r i p 6 m o d do fm e c | h i c 址i l i t e r f h 此c 伽n e c t i 加 图2 一l 展示了机械接口联接方法的五层式描述模型，两零部件的机械接口被 第二章基于零部件接口矩阵和d s m 的i 虫目规划方法 定义为两零部件所有联接的集合，联接方法由五层式描述模型表示，其中联接父 类型层描述联接的主要方式，分别为固定联接、运动联接和传动联接；联接子类 型层描述联接的具体形式，如固定联接可以分为螺纹联接、键联接、销联接和焊 联接；特征父类型层描述了两零部件联接的具体形式为各种特征的集合，分别为 主特征、辅助特征、技术特征和材料特征；特征子类型层描述某种父特征的具体 形式，如主特征分为圆柱、圆孔等；特征数据层则描述具体特征的数据属性，如 圆柱的属性有位置、方向、长度和直径等。五层式模型描述两零部件机械接口联 接的具体方式是通过零部件几何特征的相互接触实现，一个机械接口可能由一个 或几个相同或不同的联接方式组成，是联接的信息集合。 2 、 机械接口的实现方法 分布式协同设计环境必然带来异构性问题，不同的产品设计平台之间要实现 产品信息共享，统一的产品信息表达与交换是关键。s t e p ( s t a i l d a r df b rt h e e x c h a l l g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 作为产品数据交换的i s 0 困际标准，提供了一种 不依赖于具体系统的中性机制和统一的文件格式，通过e ) 四r e s s 建模语言可以 生成容易被计算机理解和被产品设计平台直接处理的数字化信息模型。因此，可 以考虑采用基于s p 的产品信息模型实现对机械接口的联接关系的表达，即把 前面提出的机械接口联接方法的五层式描述模型中的几何特征信息采用s t e p 中 性文件实现，对于非几何特征信息如联接类型、材料特征等编写相关说明文档进 行描述。可见，一个机械接口文件可能由多个s r l l 强中性文件和非几何信息说明 文档组成。在相应零部件空问共享接口文件，两零部件设计人员通过自行丌发或 设计平台自带的s 撙输入处理器把该s 1 e p 中性文件引入各自设计平台并参考 非几何信息说明文档完成各自设计任务。 下面给出了接口类和联接类的定义函数： l 、接口类定义 c l a s sp a r t s h l t e 渤c e f c h a r i n t e 妇e d ：接口d u s tc o i l n c c t i o n s ： 联接列表 ) 2 、联接类定义 c l a s sp a n s c o n n e c d o n f = ，。：，。堑! ；些尘兰三主譬老主竺鎏三 c h a rc o 皿e c d o r 皿； 联接d c h a rp a r e n t c o n d ； ，联接父类型d c