（机械电子工程专业论文）支持协同设计的审图系统研究与开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 设计有着悠久的历史，工业产品的设计一直都是制造业的重要问题。 人类一直都在追求设计理论和手段的创新。随着计算机技术和网络技术的 发展，协同设计正在由理论研究向实现技术和系统开发方向发展。在制造 业信息化进程中，企业对协同设计提出了较高的要求。审图是设计过程中 的一个重要环节，是保证设计有效和正确的重要手段，支持协同设计的审 图系统是协同设计系统的重要功能模块。由于协同设计系统改变了人们传 统的设计方式和手段，因此，在协同设计环境下，传统的审图方式已经不 再适用。本文在深入分析了协同设计及其系统的基础之上，研究了支持协 同设计的审图机制，并对支持协同设计的审图系统进行了设计和开发。 本文主要内容包括： ( 1 ) 在企业调研的基础上，通过对设计和协同设计的分析，给出了协 同设计的特点和工作模式，并对协同设计的产品模型和过程模型进行了讨 论。 ( 2 ) 在分析协同设计特点和工作模式的基础上，从企业闯、企业内部 和软件系统结构三个层面对协同设计系统的体系结构进行了分析和研究， 提出了一种基于数据操作安全的协同设计系统体系结构，并分析了协同设 计系统的功能需求和应具备的功能模块。 ( 3 ) 分析了审图过程中的审批角色、审批对象、审图结果、审批安全 和审批流程控制等问题，提出审图的基本模型和支持协同设计的审图系统 的模型。进一步研究了协同设计环境下的审图机制，确定了审图系统的功 能并提出了实现方案。 ( 4 ) 基于以上分析，完成了支持协同设计的审图系统的设计并在b s 模式下开发实现了该系统。 最后，对本文的研究内容进行了总结，并展望了进一步的研究工作。 关键词：协同设计；设计过程；审图：审图系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h e r ei sa l o n gh i s t o r yt od e s i g n ，a n dp r o d u c td e s i g na l w a y si sak e yp o i n t t om a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h eh u m a na l w a y sp u r s u et oi n n o v a t et h et h e o r i e s a n dm e t h o d so fd e s i g n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d n e t w o r kt e c h n o l o g y , c o m p u t e r s u p p o r t e d c o l l a b o r a t i v e d e s i g n ( c s c d ) i s d e v e l o p i n g f r o m t h e o r y r e s e a r c ht or e a l i z a b l e t e c h n o l o g i c s a n d s y s t e m d e v e l o p m e n t e n t e r p r i s e sp u tf o r w a r dt h eh i g h e rd e m a n d st oc s c d w i t ht h e d e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n d r a w i n gi n s p e c t i n g i sa ni m p o r t a n t p a r to f d e s i g np r o c e s s ，a n di ti sat y p eo f i m p o r t a n t m e t h o dt oe n s u r et h ed e s i g n 毪v a l i da n dc 0 1 t e c t ，t o o d r a w i n gi n s p e c t i n gs y s t e m ( d i s ) s u p p o r t e dc s c d i s a n i m p o r t a n t m o d u l eo f c o m p u t e rs u p p o r t e d c o l l a b o r a t i v e d e s i g n s y s t e r n ( c s c d s ) ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fi n s p e c t i n gd r a w i n g i s n tf i tt ot h e n e wd e m a n d sn ol o n g e rb e c a u s ec s c d sc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lm e t h o d so f d e s i g n t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h ed r a w i n gi n s p e c t i n gm e c h a n i s ms u p p o r t e d c s c da n dd e v e l o p sd i ss u p p o r t e dc s c db a s e do na n a l y z i n gt h ec s c da n d c s c d s t h em a i nc o n t e n t so f t h i s p a p e r i n c l u d e 。： ( 1 ) p u tf o r w a r d t h ec h a r a c t e r sa n d w o r k i n gp a r e r no f c s c d ，d i s c u s s e d t h e p r o d u c tm o d e la n dp r o c e s sm o d e lo fc s c dt h r o u 曲a n a l y z i n gd e s i g na n d c s c db a s e do ni n v e s t i g a t i n gm a n y e n t e r p r i s e sd e e p l y ( 2 ) a n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt h ea r c h i t e c t u r eo fc s c d sf r o mt h r e es i d e s w h i c h i n c l u d i n ge n t e r p r i s e si n t e r i o r , e n t e r p r i s ea n de n t e r p r i s ea n d s o f ts t r u c t u r e b a s e do na n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r sa n dw o r k i n gp a t t e mo fc s c d ，a n dp u t f o r w a r dat y p eo fa r c h i t e c t u r eo fc s c d sb a s e do nt h ed a t a o p e r a t i o ns e c u r i t y i na d d i t i o n ，a n a l y z e dt h ef u n c t i o nd e m a n d sa n df u n c t i o nm o d e lo fc s c d s ( 3 ) a n a l y z e dt h er o l e s ，o b j e c t s ，r e s u l t s ，s e c u r i t ya n dp r o c e s sc o n t r o la b o u t d r a w i n gi n s p e c t i n g ，a n dp u t f o r w a r dt h eb a s i cm o d e la n dt h e o r ym o d e lo f d r a w i n gi n s p e c t i n gs u p p o r t e dc s c d r e s e a r c h e df l l l t h e r t h em e c h a n i s mo f d r a w i n gi n s p e c t i n gb a s e do nc s c da n dp u tf o r w a r dt h e f f m c t i o nt h a td i s s h o u l d p o s s e s s a n dr e a l i z a b l em e t h o d s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 ( 4 ) a c c o m p l i s h e d t h ed e s i g nt od i sa n dd e v e l o p e dt h ed i sb a s e do nb s m o d e a tl a s t ，w es u m m a r i z e dt h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e ra n de x p e c t e d t h er e s e a r c hw o r kw es h o u l dd of u r t h e r k e yw o r d s ：c o l l a b o r a t i v ed e s i g n , d e s i g np r o c e s s ，d r a w i n g i n s p e c t i n g ， d r a w i n gi n s p e c t i n gs y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 追求产品的完美设计一直是人类的梦想，随着人类社会的发展，产品设 计手段日益先进，特别是计算机技术的发展对设计理论和设计手段都是一次 革命。随着社会信息化进程的深入，通信技术、计算机技术和网络技术相融 合，产生了新的研究领域一计算机支持的协同工作( c o m p u t e r s u p p o r t e d c o i l a b o r a t i r ew o r k ：c s c w ) 。计算机支持的协同设计( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ：c s c d ) 是协同工作的重要分支，也是当前学术界研 究的热点。审图是设计过程中的重要环节，本文主要研究协同设计及系统和 支持协同设计的审图机制、审图系统的设计和实现等方面的问题。 1 ，1 基本概念和国内外的研究现状 协同设计是c s c w 在设计中的应用【2 】，由于协同设计能极大地缩短 产品设计与开发周期、降低成本、提高产品的市场竞争力，进而提高企 业的竞争力，因此受到学术界和企业的重视，也是国内外的研究热点。 目前协同设计系统的开发主要处于原型系统开发阶段，文献 3 开发了一 个基于w e b 的异地协同设计制造系统e c w s ，该系统以支持异地实时协同 设计制造为目标；文献 4 开发了一个可以实现实时协同的原型系统 c o d e s i g n ，该系统以完成信息的方便采集和表示、支持信息交流和共享 为基本要求；文献 5 开发了个基于复制式应用程序共享技术的协同式 计算机辅助系统c o o p c a d ，该系统的两大模块为网络信息服务和协同工作 服务，其中信息服务为网上用户提供信息查询和资源共享服务，协同工 作服务为群组间提供异步协同手段和为群组内提供实时协作手段；文献 6 开发了一个支持设计的c s c w 系统，该系统提供支持计算机辅助设计 和计算机辅助软件工程的协同工具：文献 7 开发了个基于w e b 的协同 设计原型系统，该系统主要通过对设计过程中的数据进行管理，以支持 身处异地的人员之间有效地进行数据获取和交换以及信息交流。集成化、 网络化和智能化是现代c a d 技术所追求的功能目标，以c a d 系统为基础 开发协同设计系统也是协同设计系统开发的一个方向【8 】，我们提出了一个 协同设计系统体系结构，并正在开发原型系统【9 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 协同设计的工作模式、概念等问题是协同设计的基本问题，文献 “ 对协同设计工作模式的概念、原则和研究内容进行了研究；文献 1 2 从产品设计方法、设计过程中对产品信息需求深度和协同范围( 企业内、 企业与用户、) 等方面对协同设计模式进行了分类分析；文献 1 3 提出了基于中介代理的联邦式协同机制和基于约束松弛的协同递归式设 计模式。文献 1 4 讨论了协同产品开发环境中特征的定义、分类及关系， 并给出了产品定义模型；文献 1 5 对审图过程中的通信及会议系统进行 了研究。 在整个协同设计过程中，审图作为重要、独立的一个环节历来都受 到各个企业的重视。当前国内外也对审图做了一些研究，但都是解决审 图过程中的某些局部问题，如图纸的圈阅和批注技术【1 6 l ，审图过程中审 批人员和设计人员就某个问题的实时讨论技术等【1 7 1 ，并没有考虑整个协 同设计系统和审图之间的关系，只是孤立地解决某些技术，没有将审图 作为设计过程中的一个重要环节从整体上来考虑问题。因此，现有的研 究成果距离具有真正实用价值还有一定差距，不能正式用在企业的设计 过程中，还不能全面支持协同设计。 1 2 支持协同设计的审图研究意义 协同设计是计算机支持的协同工作的一个典型应用，它是指在计算 机的支持下，各个成员围绕一个项目进行设计，各自承担相应的部分设 计任务和并行交互地进行设计工作，最终得到符合要求的设计结果的设 计方法。协同设计是面向任务的，最终的目的是需要通过分工与协作来 高质量地完成设计目标。 协同设计必须面向整个设计过程，必须保证整个设计过程中各种设 计角色都能方便地参与协同工作。从当前企业调研可知，一个完整的设 计过程一般包括概念设计、结构设计、详细设计、审图、工艺和制造等， 审图作为设计过程中的重要环节，是保证设计正确的重要手段，是设计 成功的重要保障，历来都受到各个企业的重视。一张图纸如果没有经过 审批，在企业中是不允许进行后续的相关工作流程的，如工艺、制造等。 同样，审图过程也需要经过几个环节。从企业调研知道，一般有校核、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 标准化、审核和批准等四个阶段，各个阶段都有严格的流程控制，如校 核和标准化两个阶段最先进行，并且可以交叉，而审核必须在校核和标 准化通过之后，批准是最后一个环节，并且必须在审核通过之后才能进 行，各个审批环节的参与角色都不一样，在整个审批过程中他们的相关 权限也不一样。 从调研可知，当前企业的审图都是基于白图审批，即设计人员在完 成设计后，将图纸打印成白图，然后交给相关审批人员进行审批，如果 该设计有什么问题，则审批人员直接在图纸上进行圈阅或批注以表达审 批意见并签字，然后再返回给设计人员进行修改。当所有审批流程通过 后，将图纸晒成蓝图以作为正式的图纸存档和转给下游人员，如工艺、 制造等。在这种传统的工作方式下，审图人员需要在设计图纸全部完成 以后才能开始进行审批工作，当某张图纸出现设计问题时，很可能涉及 到很多张图纸都需要修改，这样就会出现返工量大、审批周期长等问题， 从而影响了整个设计进度，造成物质资源和人力资源的极大浪费。另外， 当前c a d 技术逐渐在企业中得到推广和应用，绝大部分企业基本上甩掉 了图板，但审图工作却仍旧没有实现电子化，审批人员仍旧需要打印出 白图进行审批，这也严重影响了企业信息化的进程。 协同设计作为一种全新的设计方式，其工作需要在计算机及其网络 支持下完成。当前企业信息化是企业的迫切需求，协同设计系统在企业 中的应用是企业信息化的重要内容。审图作为协同设计过程中的一个重 要环节，必须脱离传统的自图审图模式，必须建立一个符合协同设计要 求的审图系统，从而来支持整个协同设计过程。 根据以上分析，建立支持协同设计的审图系统很有必要，其意义可 以简单归纳如下： ( 1 ) 可以方便地通过网络快速获取被审批的图纸，另外，审批工作 并不要求所有图纸设计完成之后才能进行，这样减少了由于设计失误或 错误所产生的影响，并提高了工作效率。 ( 2 ) 可以方便地让各个身处异地的角色参与审图工作，并利用计算 机系统方便地管理审批结果。 ( 3 ) 不必将图纸打印出来进行审图工作，从而大大节约设计成本和 工作时间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 4 ) 设计图纸和审批结果都保存在网络服务器上，只有有权限的相 关人员才能对这些资源通过网络进行有限操作，如浏览、下载或审批等， 从而保证了数据的操作安全。 ( 5 ) 结合计算机绘图和产品数据管理，支持协同设计系统，全面推 进制造业设计数字化，提高企业的竞争力。 为了全面支持审图过程，支持协同设计的审图系统必须解决诸多问 题，包括在协同设计环境下审图流程的柔性控制、审图人员的工作方式、 审图人员的权限控制、待审批图纸的方便获取和审批结果的管理，审图 意见的表达方式等问题，其最终目的要实现方便、快捷、高效、安全和 经济地进行审图工作。 从以上分析可以知道，企业对支持协同设计的审图系统有迫切的需 求，研究和开发支持协同设计的审图系统有着重要意义。 1 3 本文的选题和主要工作 当前，协同设计是国内外研究的热点，本文的研究内容属于国家8 6 3 计划项目“基于知识的异地协同设计技术研究”( 课题编号： 2 0 0 2 a a 4 1 1 2 1 0 ，起始时间为2 0 0 2 9 2 0 0 4 9 ) 。该项目在对协同设计理论 研究的基础之上，开发一个基于知识的协同设计平台原型。审图是设计过 程中的一个重要环节，审图系统是该协同设计系统的重要功能模块。 本文主要工作如下： ( 1 ) 研究协同设计的特点和工作模式 研究协同设计的特点和工作模式，分析协同设计过程，在此基础之上确 定协同设计的工作模式、过程模型、产品模型等。 ( 2 ) 研究协同设计系统 根据协同设计的特点和工作模式，研究协同设计系统的功能和体系结 构，确定相应的实现方案和实现技术。 ( 3 ) 研究审图机制和审图系统的功能 研究审图过程中的角色、对象、结果、流程和使用工具等，建立基本审 图模型和支持协同设计的审图系统模型，在此基础之上，研究支持协同设计 的审图系统的结构和功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 4 ) 设计和实现审图系统 根据审图系统的结构和功能分析完成审图系统的系统设计和编程实现。 具体内容包括系统的体系结构搭建、系统数据库设计、确定开发环境和各个 功能模块的实现方法等。 l _ 4 本章小结 本章介绍了协同设计的基本概念和国内外的研究现状，讨论了支持协同 设计的审图系统的研究意义，并提出全文要开展的主要工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章协同设计及系统研究 计算机支持的协同设计是协同工作的典型应用，协同设计与传统的设计 在概念和手段上都有很大的不同，网络环境下的协同设计系统是连接不同地 方、不同角色进行协同工作的纽带。本章讨论设计和协同设计的概念，深入 分析协同设计的特点和工作模式，讨论协同设计的产品模型和过程模型，并 提出协同设计系统的体系结构、功能需求和功能模块。 2 。1 协同设计的概念 2 1 1 设计的定义 由于设计本身的复杂性，统一设计的定义是有困难的，所以关于设计的 定义也是多种多样的【”l ，比如： 设计科学名词术语汇集对设计的定义是：一种作业，把所确定的 设计任务书在一个设计过程中转化为技术系统的具体的描述； 国际工业协会对工业产品的设计定义是：以决定工业产品理想目标为 目的的创造活动： i s o9 0 0 0 对设计的定义是：将要求转换为产品、过程或体系的规定的 特性或规范的一组过程。 文献1 9 对设计的定义是：建立具有一定使用功能的人造物的描述过 程。 从上面给出的定义可知，设计是一个人类进行思维活动的过程，设计的 主体是人，设计的对象是产品。从企业调研可知，现代工业设计必须满足一 定的使用标准、资源限制，并以一定技术实现。设计过程自身受到了时间、 人类的能力、费用( 造价) 等因素制约。具体来说，就是面对一个设计要求 设计者搜集、调动一定的知识( 如常识、专业知识、设计方法学知识、标准 化知识等) ，运用一定的工具( 如计算机辅助绘图工具、静力学分析工具、预 算分析工具等) ，通过概念设计、结构设计、详细设计等设计阶段的循环反复 求精来实现设计任务。 基于以上分析，可以看到设计过程中涉及到设计人员，设计对象和设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 结果等概念，设计是一个复杂的人类活动，设计结果是人类智慧的结晶，人 类一直在追求产品的完美设计以及设计理论和手段的不断创新。 2 ，1 2 计算机支持的协同工作 “协同”是一个具有深刻哲学意义的概念，它强调整体的协调和协作。 人类从远古开始就存在协同。人类社会是一个群体社会，人们在这个社会群 体中相互影响，并且在社会分工日益细化的今天，人类社会已经成为一个互 相依存的紧密群体。为了完成一项共同的工作，人们必须进行协作。揭示协 同的本质，创造环境和条件，促成事物向“和谐”、“协同”方向转化，使之 有效地为人类服务，是各个学科在研究“协同”时的共同目标，因此也就构 成了一门专门的科学，我们把它称为“协同科学”【2 】。 计算机支持的协同工作的概念早在1 9 8 4 年由c r e i f 和c a s h m a n 提出【l 】， 目的是利用多媒体技术和通信技术建立一个协同工作环境，在此环境中人们 可以相互合作，共同工作于一个产品或一个项目，以高效率地完成工作目标。 学术界关于c s c w 的定义先后有不同的理解【”】，例如： d r o s e n b e r ga n dc h u t c h i s o n 曾说：“c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v e w o r k ( c s c w ) i s 。舾i t s n a m ei n d i c a t e s ，c o n c e r n e d 研t l lt h ew a y si nw h i c h p e o p l e w o r kt o g e t h e ra n dw i t ht h ew a y si nw h i c hc o m p u t e rs y s t e m sc a nb ed e s i g n e dt o s u p p o r tt h ec o l l a b o r a f i v ea s p e c t so f w o r k ”( 可以简单直译为：就如其字面含 义所示，计算机支持的协同工作( c s c w ) 关注的是人们一起共同工作的方 法以及如何将计算机系统设计成能够在该方式下支持工作的协作) 。这一定义 强调共同工作的方式( 即群体工作方式) 和如何利用计算机系统支持这种工 作方式的实现。 g r e i f 在介绍c s c w 的一个重要文集中曾定义c s c w 为“一个关于计算 机在群体工作( g r o u p w o r k ) 中的角色的独特的研究领域”。强调了“群体” 是分析c s c w 的核心，计算机是实现工具。 e l l s 等指出：“c s c wl o o k sa th o wg r o u p sw o r ka n ds e e k st od i s c o v e rh o w t e c h n o l o g y ( e s p e c i a l l yc o m p u t e r s ) c a nh e l p t h e mw o r k ”( 可以简单直译为： c s c w 关注群体工作方式并寻求相关技术特别是计算机技术怎样帮助他们工 作) 。该定义强调了对群组工作方式和技术支持的问题。 b a n n o n 和s c h m i d t 在1 9 8 9 年提出：“c s c w 应致力于研究协同工作的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 本质和特征，并以此为基础来设计出具有足够的计算机技术支持的协同工作 的信息系统”。该定义强调c s c w 系统应该是在对协同工作的本质和特征认 识的基础上建立起来的协同系统。也就是说，首先应对协同工作进行深入全 面的理论分析，对协同工作的本质和特征全面深入的认识( 从不同的学科) ， 其次是开发软件系统来支持这种工作方式。 有许多研究c s c w 的人员简单地用术语“群件”来称呼这一领域。这 主要是那些研究支持群体工作软件的人提出来的。这一称呼反映了c s c w 在 技术实现上的特点，即采用“群件”集成的方式来实现c s c w 系统。群件可 以被看作是帮助分布异地的一组人一起协同工作的程序( 软件) 。 1 9 9 1 年，g r e e n b e r g 将c s c w 定义为“a s c i e n t i f i cd i s c i p l i n et h a t m o t i v a t e s a n dv a l i d a t e sg r o u p w a r ed e s i g n ，而将g r o u p w a r e 定义为 p r o d u c t ss p e c i f i c a l l y d e s i g n e dt oa s s i s tg r o u p sp e o p l ew o r k i n gt o g e t h e r ，强调群件是产品，c s c w 是 研究设计、验证及实现群件的科学方法和技术。从实现技术的角度，进一步 强调了群件的性质和重要性。 c s c w 是门研究人类群体工作的特征及计算机技术对群体工作支持 的方法，并将计算机科学、社会学、管理科学、心理学等多个学科的成果综 合起来的新兴学科。c s c w 致力于研究协同工作的本质和特征，并以此为基 础设计出各种计算机技术支持的信息系统。c s c w 最本质的特征是支持一组 用户协同工作口1 。 从上述各种对c s c w 的定义和认识，我们认为可以从以下两点来认识 c s c w 这个概念： c s c w 强调群体工作方式； c s c w 强调实现群体工作方式的支持技术。 在当今的社会生活中，绝大多数工作都是在特定的群体环境中由群体成 员互相协作、共同完成的。这里实现群体工作方式的支持技术是指在计算机 技术支持( c o m p u t e rs u p p o r t e d ：c s ) 的环境下，特别是在计算机网络和多 媒体环境下的实现技术。 由于人们的工作方式明显地具有群体性、交互性、分布性与协作性等基 本特征，因此c s c w 是一个多学科交叉的研究领域，不仅涉及计算机网络与 通信技术、多媒体技术等计算机技术，还涉及到社会学、心理学、管理科学 等领域。可以认为，c s c w 涉及的主要成分应当包括技术成分和人文成分两 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 个层面 2 】0 确切地说，这些技术包括： ( 1 ) 技术成分 通信系统，如电话、电子邮件、桌面视频会议系统等： 共享工作空间设施： 共享信息设施( 用以存储、存取、安排和管理参与协同主体的共享信 息) ； 共享活动支持设旅，这类活动如决策、指挥、教学、设计等： ( 2 ) 人文成分 人的个性方面，如人们喜欢如何工作和通信、人的服饰习惯如何等； 组织方面，包括工作组的大小、组织的管理及变化等； 小组工作设计方面( 如协同工作的分析、设计c s c w 的解决方案等) ； 小组工作的动态性质方面； 2 1 3 协同设计 计算机支持的协同设计( c s c d ) 是c s c w 的一个典型应用。协同设计 是当前业界研究是热点，有关协同设计的概念也很多。 文件 1 l e e 指出协同设计的概念有如下表述： ( 1 ) 为了完成一定的设计目标，由两个或两个以上设计主体( 或专家) ， 通过一定的信息交换和相互协同机制，分别以不同的设计任务共同完成这一 设计目标。 ( 2 ) 协同设计是指在计算机的支持下，地域分散的一个群体的各成员围 绕一个设计项目，承担相应的部分设计任务，并行交互地进行设计工作，最终 得到符合要求的设计结果的设计方法。 ( 3 ) 协同设计是各成员在计算机的支持下，围绕一个共同的项目，承担 相应部分的设计任务，并行交互地进行设计工作，最终得到符合要求的设计 结果的设计方法。 以上定义都强调群体工作方式。各成员并行交互工作这一工作方式表明 设计过程中群体之间任务的密切关联。 文献【2 指出协同设计是将c a d 与c s c w 技术相结合，具有分布式的信 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 息集成、过程集成和组织集成的特征，以“产品”为核心和目标，组织多学 科和不同技术的人员进行分布式协同设计工作的一种工作模式。 文献 2 1 将协同设计的实现分为基于图形共享的方法和基于会话的方法。 ( 1 ) 在基于共享图形的方法中，设计过程可视为作用于不同模型上的综 合、分析、评价的一个递归过程。设计活动以共享图形环境为中心，基于共 享图形设计的模型由设计的结构模型、功能模型和行为模型构成，每一模型 又由图形模型和符号模型两部分组成。图形模型在设计的探讨、编辑、记录、 解释和理解过程中起主要作用；符号模型主要用于设计的理论和评价过程。 ( 2 ) 基于会话的方法将设计师之间的交互看成会话过程，某一设计师的 承诺作为选择项供其他设计师评阅和修正。 综上论述，c s c d 是c s c w 在产品开发中的应用，强调的是在设计活动 中的群体工作方式，关心的是群体设计活动的特征及实现技术。因此我们认 为可以从以下几点来认识c s c d 这个概念： c s c d 强调以产品开发为目的的群体工作方式； c s c d 强调基于计算机和通讯的支持技术。 由于c s c d 是c s c w 在产品开发领域的应用，因此从宏观上讲，c s c d 关心的重点是： c s c d 的本质和特征： c s c d 需要c s c w 提供哪些支持技术。 c s c d 是c s c w 的概念和技术在产品开发过程中的有效应用。不同的应 用系统对c s c w 的支持技术要求不一样或侧重点不一样，因此应根据c s c d 的特征，确定需要哪些支持技术。如c a d 系统是开展设计的最基本工具， 随着c a d 系统的广泛使用，人们正在寻求将c a d 技术与c s c w 技术结合 起来，以开发计算机支持的协同设计系统 1 0 1 。这里强调以c a d 为基础开发 协同设计系统。 c s c d 应致力于研究协同设计的本质和特征。并以此为基础，结合c s c w 的支持技术，确定协同设计需要的技术。c s c d 系统应该是在对协同设计的 本质和特征认识的基础上建立起来的协同系统。也就是说，首先应对协同设 计进行深入全面的理论分析，对协同设计的本质和特征全面深入的认识( 从 不同的学科) ，其次是开发计算机系统来支持这种工作方式。 由此可见，c s c d 强调群体的工作方式，以产品为核心，以计算机及其 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 网络和c a d 技术为支持工具，设计过程中多种角色参与，其目的是为了通 过身处异地的多主体的协同工作来设计出符合要求的产品。 因此，协同设计是全新的设计过程，协同设计系统是一个多学科交叉的 复杂系统。 2 2 协同设计的工作模式 ( 1 ) 协同设计的工作模式 一般来说，根据不同的信息交流形式，可以把协同设计的工作模式分为 以下三类【2 ： 松耦合协同：在这种协同工作方式下，一个阶段的输出是在无任何限 制的情况下作为下一阶段的输入，一般仅要求协同支持系统提供数据传输功 能，这是一种弱协同方式。 中等耦合协同：这是一种集成的工作方式，一般提供共享数据库和数 据库转换功能。这种方式下，不仅可以满足数据共享的需要，而且可以实现 各子系统运行时的数据交换功能。但这种方式不支持设计者之间的干预和对 某一个设计问题的讨论。但在现代设计中，存在大量的讨论和相互干预，所 以中等耦合也不能完全满足现代设计协同工作的需要。 紧耦合协同：这是一种支持所有参与设计的人员共同进行项目设计的 工作环境，除具备共享数据库和网络数据传输功能外，还具有项目计划、项 目监控、工作流管理的功能，并可以提供共享图板以及会议系统等协同工具， 系统要有较快的响应速度和较快的交流。从紧耦合的概念来看，比较符合现 代设计的实际要求。 此外，按照设计群体和合作时间或合作空间又可以将协同工作模式分为 四类：同步方式、异步方式、分布同步方式和分布异步方式。其中同步方式 是指多个设计人员同时参加到一个协同工作环境进行工作，如电子白板和会 议系统；分布同步方式是指在共享数据的前提下，多个分布在异地的设计者 同时进行不同子系统的工作；分布异步指分布在异她的设计者可以独立地、 不同时地完成工作。以上四类协同方式在复杂的产品设计的协同工作中都可 以得到不同程度的体现，可能要根据具体设计任务而定。 ( 2 ) 协同设计的组织结构和管理机制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 组织结构 人员组织机构扁平化，即减少多余的中间环节，这样有利于根据实际对 结构进行重组，实现系统的敏捷性。 设计项目组 2 2 】 面向市场需求的产品，企业通过计算机网络将产品生命周期各个方面的 专家，甚至包括用户都集中在一个工作环境中，形成专门的工作小组，共同 工作。这样减少了企业冗员和管理层次，优化了劳动组合，最大限度的发挥 了人的作用。 动态联盟【2 3 】 动态联盟是当一个新的市场机遇来临时，某个企业迅速抓住这个机遇， 以它为盟主，通过网络寻找合作伙伴，组成临时的、跨企业的动态组织，完 成设计任务。 2 3 协同设计的特点 协同设计强调的是群体工作方式，是基于分解与分工、分解与组合的方 法完成产品的开发设计。在研究协同设计过程中，很多学者对协同设计的特 点进行了研究 2 - 2 7 。通过广泛的企业调研并对协同设计作了大量研究之后， 我们认为协同设计有如下特征。 ( 1 ) 分工 由于协同设计面临的任务复杂，涉及的知识和技术面广，从而导致该任 务不可能由某一个人完成，需要不同的人员组成项目团队共同合作来完成。 这一特征可以从两方面理解，一方面是来自不同部门、不同学科的人员之间 的分工，如设计部门、工艺部门和制造部门等。另一方面是来自同一部门、 同一学科人员之间的分工。如就设计人员而言，他们可能来自同一个企业， 也可能来自不同的企业，每一个人在同一个项目中承担一部分设计任务。在 项目团队之下，又分任务小组，如果需要任务小组又分成更小的任务小组。 即一个项目团队由几个任务小组组成，一个任务小组又可能由几个更小的任 务小组组成。 ( 2 ) 分解 分解的目的是将一个复杂的任务分解成几个较简单的子任务，每一个任 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 务小组承担一个或几个子任务。可以从不同的角度对任务进行分解，如按功 能、结构等。分解和分工相辅相成，两者是一个有机的整体。有分工必有分 解，分解又是分工的前提。 ( 3 ) 组合 协同设计最终的目的是要设计出符合要求的高质量的产品，该产品具有 一定的功能，是一个有机的整体。由于任务的分解和分工，不同的设计主体 一般处在不同的地方完成不同的任务，因此，如何有效地将已完成的“分散” 的子任务组合为个整体也成为协同设计需要考虑的重点问题。组合必须通 过克服一系列冲突，并最终从整体上来保证设计结果的一致性和正确性。 ( 4 ) 安全与保密 设计图纸等技术资料是企业最保密、最有价值的资源，各个企业都采取 各种措施保证这些技术资料不被非法外泄。在协同设计中这一问题更为突出。 因为项目团队是根据项目而组建的，项目成员来自于不同的企业和部门，随 着项且的结束，该项目团队解散。项目团队的成员之间既是合作者也是竞争 对手，因此技术资源的安全和保密在协同设计过程中就被摆在了很突出、很 重要的位置。 ( 5 ) 版本管理 文档的版本管理是协同工作中的一项重要内容。由于设计过程是一个不 断反复的过程，任何被正式提交的设计结果( 在协同设计过程中，设计结果 不仅仅指图纸，还包括各种说明文档) 都可以被修改，修改一次就会产生新 的版本，因此对协同设计而言，方便、有效的版本管理就显得非常重要。版 本不仅仅记录了设计过程中设计思路、设计结果的变化情况，也保证了设计 过程的可追朔性。 ( 6 ) 协同设计的多主体性 由于分工的存在，因此参与协同设计的人员众多，而且在整个设计过程 中作为不同的角色参与设计任务的完成( 本文中将所有参与协同设计的人员 都称为设计主体) 。在协同设计过程中，参与协同工作的除了设计企业的各级 设计人员外，还包括了客户、销售人员、采购人员、供应商和制造商等，如 何让所有的协同主体都能有效、方便地参与工作是协同设计系统必须重点考 虑的问题。 ( 7 ) 设计主体的分布性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 协同设计的多主体性经常导致有多个分布异地的企业共同参与一个设 计，同时，客户、销售人员、采购人员、供应商等更是分布在不同的地方。 个协同设计系统应该考虑到如何将这些分布的主体连接在一起协同工作。 ( 8 ) 设计主体的屡次性 由于产品在结构上的层次性，使得设计主体也呈现出明显的层次性。在 一个项目团队中，有项目总体负责人，在各个任务小组又有相应的子任务负 责人，每一个组内又有数个成员，因此，不同的设计人员由于“任务分工” 的不同也产生了不同的层次。协同主体的层次结构对应于产品分解后的层次 结构，各成员之间也有严格的隶属关系。 2 4 协同设计的过程模型 协同设计必须支持整个设计过程，因此研究设计过程本身就变得非常重 要。结合本项目的研究，在广泛调研的基础之上，我们对设计过程也进行了 深入的研究。 设计是一个特征变换的过程 2 8 ，设计过程模型是对设计过程进行规 划、监控和管理的基础 2 9 3 3 。协同设计过程模型应该反映协同设计过程的 本质特征 3 4 。由于协同设计系统要支持整个设计过程，因此协同设计过程 模型应对协同设计系统功能的设置起到指导作用。由于协同设计的本质是群 体工作方式，因此我们主要从工作方式的角度研究设计过程，建立设计过程 模型。这一模型揭示了设计过程的主要工作环节，根据工作环节的需求，确 定协同设计系统的功能，满足支持整个设计过程的要求。从群体工作方式的 角度将设计过程模型分为宏观模型和微观模型，并用这些模型指导协同设计 系统功能的确定。 宏观模型着眼于全局，用来表现整个设计活动的总体面貌和组织结构。 在对设计过程理论分析和对企业实际调研的基础上，我们提出的宏观模型如 图2 1 所示 3 5 】。 微观模型侧重于从具体、直观的工作环节描述设计过程，具有指导实际 设计工作开展的优势。在对设计过程理论分析和对企业实际调研的基础上， 我们提出的微观模型如图2 2 所示p “。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 总任务 = = 工= 项目团队 方案设计ii 明确目标 接口关系 子任务 项目团队 方案设计ff 明确目标 产 n 口 设 计 接口关系 工 艺 设 计 设 计 评 宙 使 用 反 馈 图2 1 基于工作方式的设计过程宏观模型图2 - 2 基于工作方式的设计过程微观模型 2 5 协同设计的产品模型 ( 1 ) 产品数据的内容 在设计过程中，我们要用到很多资料，也要产生很多资料，如各种设计 手册、说明文档、绘制的图纸等。在协同设计过程中，我们统一将所有的资 料都称为数据，这些数据从各个方面表达了该产品。因此，我们也将这些数 据称为产品数据。在设计过程中有许多各种各样的数据，可以将这些数据简 单分为静态数据和动态数据。静态数据指设计之前产生的数据，如需求分析、 设计说明书等，动态数据指在设计过程中产生的数据，如设计图纸、更改说 明书、审图意见书、用户反馈意见、用户手册等。通过对企业的广泛调研和 对协同设计的研究，我们可以将这些数据做如下的分类，详细情况如表2 - i 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 表2 1 协同设计过程中的数据类型 文本文件图形文件表格文件媒体文件参数约束( 知识) 以文字描述描述产品及主要是为了可能是音为了在设计为了描述设 为主的各种其零部件的描述某些需频、视频或中表达设计计约束，需 文件，如产二维、三维要用表格来动画文件，约束，需要要用到数学 品说明书、图，这些图清楚表达的如某些会议一些相关参表达式或语 设计任务由各类c a d各种数据如记录、客户数，这些参意表达式。 书、性能参软件生成，b o m 等。服务、使用数主要是尺数学表达式 数、设计说是需要管理说明等文寸参数。主要用定义 明书等。的主要文件。的参数和运 档。算符号来表 达。 下面简单解释表2 1 中的各类文件： 文本文件：该类文件包括设计开发计划书、设计开发任务书、设计文 件清单、产品测试书、试制总结、试产总结报告、产品说明书、新产品鉴定 报告、设计开发信息联络单、更改通知书、技术问题处理通知单、企业标准、 企业产品标准代号、企业组织机构代码、产品标准化审察报告等。这些文件 一般为w o r d 、w p s 等文本格式。 图形文件：该类文件包括总装配图、产品外形图、零部件图等，对现 代设计而言，这些图形文件包括二维平面图和三维图。 表格文件：这里的表格文件指各类本身意义上的需要用表格来表达的 文件，如b o m 、各种清单等，这些表一般都是e x c e l 格式。 参数：在设计过程中，有很多设计约束。为了表达这些约束，需要用 参数来表达，这些参数主要用在表达接口尺寸，即建立关系式时使用。这些 参数也就是变量，