（机械制造及其自动化专业论文）协同设计中的冲突检测与消解技术研究.pdf

武汉理一【大学硕士学位论文 摘要 协同设计是多个设计小组通过分工与协作共同完成一个产品开发项目的过 程。这些小组分布在不同的地域和知识领域，他们之间存在着大量相互制约、 相互影响的关系，而且他们对产品开发的考虑角度、评价标准以及知识领域等 不尽相同；同时，设计对象或属性之间也存在着各种相互依赖的关系。因此， 在协同设计过程中难免发生冲突。 冲突问题存协同设计过程中起着重要的作用，一方面冲突的存在必然造成 设计的不协调，甚至搁浅；另一方面，冲突是一个良好或革新设计的开始，随 着冲突的不断解决，一仑更优的设计也随之产生。因此，对协同设计j 中突处理 问题的研究具有非常重要和积极的意义。 本文对冲突处理中的检测与消解技术进行了研究，主要工作如下： ( 1 ) 针对协同设计过程中产生的设计冲突，提出了基于关系数据库的冲突检 测技术，以及基于该技术的应用系统的结构和实现方法。 ( 2 ) 提出了种建立层次化的产品对象约束信息模型的方法，并研究了运 用x m l 和关系数据库表达该模型的方法。 ( 3 ) 在基于事例推理的冲突消解技术的基础上，针对其推理策略问题，提出 了基于粗糙集的冲突消解事例推理策略。该策略是通过运用粗糙集的相关理论 和方法，对事例知识库进行处理，从而获取事例各特征属性的权重以及事例库 的索引。 ( 4 ) 研究了基于粗糙集的事例知识库处理的过程、方法以及相关算法。并通 过一个实例的应用分析，说明了该策略的有效性。 层次化的产品对象一约束信息模型可以有效表达产品对象与设计约束信息及 其关系，研究用x m l 和关系数据库表达该模型，用于构建w e b 工程数据库以 适应分布式协同设计网络环境下的信息共享和交互的需要以及实现冲突检测。 基于粗糙集的冲突消解事例策略的运用，克服了传统策略中存在的不足，即需 要依靠专家的领域知识和经验人工确定权重及指定索引，并由此引起的较难有 效保证推理结果的最大相关性的问题。 关键词：协同设计；冲突检测；冲突消解；关系数据库；粗糙集 武汉理上大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 ed e s i g n ( c s c d ) i st h ep r o c e s st h a tm a n y d e s i g ng r o u p sc o m p l e t e o n e p r o d u c td e v e l o p m e n tp r o j e c t d i v i s i b l y a n d c o l l a b o r a t i v e l y am a s so fi n t e r a c t i v e l yr e s t r i c t i n ga n di n f l u e n c i n gr e l a t i o n s a r e e x i s t e db e t w e e nt h e s eg r o u p s ，w h i c ha r ed i s t r i b u t e di nd i f f e r e n td i s t r i c ta n dk i n g d o m o fk n o w l e d g ea n dt h e i rt h i n k i n gv i e w p o i n t ，r e v i e ws t a n d a r da n d k n o w l e d g e b a c k g r o u n da r ed i f f e r e n t ；s i m u l t a n e o u s l y , v a r i o u si n t e r d e p e n d e n t l yr e l a t i o n sa r ea l s o e x i s t e db e t w e e na n di nd e s i g no b j e c t sa n di t sa t t r i b u t e s t h e r e f o r e ，t h eo c c u l t e n c eo f c o n f l i c t si su n a v o i d a b l ei nt h ep r o c e s so f c s c d c o n f l i c t sa r ev e r yi m p o r t a n ti nc s c d o nt h eo n eh a n d ，t h ee x i s t e n c eo f c o n f l i c t sm u s tr e s u l t sn o n c o o r d i n a t i o no ft h ep r o d u c td e v e l o p m e n tp l a n ，e v e n s h e l v i n g ；o nt h eo t h e rh a n d ，c o n f l i c t sa r et h eb e g i n n i n go fag o o da n di n n o v a t o r y d e s i g n w i t ht h ec o n t i n u o u ss e t t l e m e n to fc o n f l i c t s ，am o r es o u n dd e s i g nw i l lp r o d u c e t h u s ，t h er e s e a r c ho nt e c h n o l o g i e so fc o n f l i c tp r o c e s s i n gh a sav e r ys i g n i f i c a n ta n d a c t i v em e a n i n gi nc s c d r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo fc o n f l i c td e t e c t i o na n ds o l u t i o ni nt h ek i n g d o mo f c o n f l i c tp r o c e s s i n gi si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a i m i n gf o rt h ed e s i g nc o n f l i c t sw h i c ha r eg e n e r a t e di nt h ep r o c e s so fc s c d ， t h et e c h n o l o g yo fr d b ( r e l a t i o nd a t a b a s e ) 一b a s e dc o n f l i c td e t e c t i o ni sp r e s e n t e d ，a l s o i n c l u d i n gt h ea r c h i t e c t u r eo fa p p l i c a t i o ns y s t e ma n di t si m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s b a s e do nt h i st e c h n o l o g y ( 2 ) t h em e t h o d so fm o d e l i n gh i e r a r c h i c a lp r o d u c to b j e c t - c o n s t r a i n ti n f o r m a t i o n a n de x p r e s s i n gt h i sm o d e lb ya p p l y i n gx m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) a n d r d ba r es t u d i e d ( 3 ) o nt h eb a s i so ft e c h n o l o g yo fc b r ( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ) 一b a s e dc o n f l i c t s o l u t i o n ，ar o u g hs e t - b a s e dc o n f l i c ts o l u t i o nc a s er e a s o n i n gs t r a t e g yi sp r e s e n t e df o r t h ep r o b l e mo fc a s er e a s o n i n gs t r a t e g y t h es t r a t e g yc a ng e tt l l ew e i g h to fe a c h f e a t u r ea t t r i b u t eo f t h ec a s ea n dt h ei n d e xo f c a s eb a s e ，b ya p p l y i n gt h er e l a t i v et h e o r y a n dm e t h o d so fr o u g hs e tt op r o c e s st h ec a s ek n o w l e d g eb a s e i i 武汉理l 大学硕士学位论文 ( 4 ) t h ep r o c e s s ，m e t h o d sa n dr e l a t i v ea l g o r i t h mo ft h er o u g hs e t - b a s e dc a s e k n o w l e d g eb a s ep r o c e s s i n ga r es t u d i e d f u r t h e r m o r e ，t h ea v a i l a b i l i t yo f t h es t r a t e g yi s d e m o n s t r a t e db ya n a l y z i n ga na p p l i c a t i o ni l l u s t r a t i o n t h ei n f o r m a t i o no f p r o d u c to b j e c ta n dd e s i g nc o n s t r a i n ta n dt h er e l a t i o nb e t w e e n t h e mc a nb ee f f e c t i v e l ye x p r e s s e di nt h eh i e r a r c h i c a lp r o d u c to b j e c t c o n s t r a i n t i n f o r m a t i o nm o d e l r e s e a r c ho nt h em e t h o d so fe x p r e s s i n gt h em o d e lb ya p p l y i n g x m la n dr d bi st oc o n s t r u c tt h ew e be n g i n e e r i n gd a t a b a s e ，f o ra c c o m m o d a t i n g r e q u i r e m e n t so fi n f o r m a t i o ns h a r i n ga n di n t e r a c t i o ni nd i s t r i b u t e dc s c dn e t w o r k e n v i r o n m e n ta n da c h i e v i n gc o n f l i c td e t e c t i o n w h i l ea p p l y i n gt h et r a d i t i o n a lc a s e r e t r i e v a ls t r a t e g y , t h e r ea r es o m ed e f i c i e n c i e s ，w h i c hc a u s et h ep r o b l e mo fw h a ti s d i f f i c u l tt oe f f e c t i v e l yi n s u r et h em a x i m a r ns i m i l a r i t yo ft h er e t r i e v a lr e s u l t ，b e c a u s e t h ed e c i s i o no fw e i g h ta n di n d e xd e p e n do ne x p e r t s y i e l dk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c e t h ea p p l i c a t i o no fr o u g hs e t b a s e dc o n f l i c ts o l u t i o nc a s er e a s o n i n gs t r a t e g yc a nb e s o l v e dt h i sp r o b l e m k e yw o r d s ：c s c d ，c o n f l i c td e t e c t i o n ，c o n f l i c ts o l u t i o n ，r d b ，r o u g hs e t i l l 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或箕它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所徽的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 麟飙剑二堂 关于论文使用授权豹说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 印：学校有权保留避交论文的复印舞。允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文静垒邮内窑，可以来用影印、翁申或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密盾应遵守此规定) 研究生签名：抛辱导师签名 注：请将此声明装订在论文的目录翦。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 人类设计活动的产生和发展经历了三个阶段，分别是早期的手工设计阶段、 单用户的计算机辅助设计( c a d ) 阶段和计算机支持的协同设计( c o m p e e r s u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，c s c d ) 阶段。从早期的手工绘图到各种c a d 技 术的广泛应用是设计手段的一个巨大飞跃，2 0 世纪7 0 年代出现并得到广泛应用 的c a d 绘图技术，使产品设计人员从浩瀚的巨大的“图板”工作中解放出来： 随着2 0 世纪8 0 年代以支持特征和实体的三维造型c a d 技术的兴起，产品设计 正变得越来越方便和快捷。 进入2 0 世纪9 0 年代之后，世界制造业竞争的焦点已经变为如何抓住市场 机遇，迅速组织全国乃至全球范围的创造力资源，快速开发新产品，并有效调 动生产系统，将产品推向市场。产品开发手段的创新已成为企业赢得竞争的有 力手段，表现在以下五个方面【l j ：首先，现代产品的复杂性使产品开发需要多人 的协作和参与：其次，对产品功能的提高需要创新的开发方法和手段，需要开 发者靠智慧和知识去创造；第三，产品和产品开发的社会性要求人们能在全球 范围内组织和利用资源，快速推出新产品；第四，产品及其应用过程中产生的 经济社会效益，使人们不仅要考虑产品开发的投入，更要考虑产品运行和管理 过程中的各种支出，关心产品全寿命周期的支出和效益；第五，随着经济全球 化进程的加速，企业内外环境发生了深刻的变化，跨行业、跨地区、跨国家的 协作和联盟企j l k 及虚拟组织迅速发展，计算机和信息技术的广泛渗透己使产品 开发手段的组织管理模式发生了革命性的变革。而现有的支持单用户的c a d 系 统已经不能满足设计者之间的这种日益加深的通过系统进行信息交互和共享的 需要，出现了对支持多用户协同工作的c a d 系统的需求、研究和发展，即协同 设计系统或者分布式c a d 系统。 协同设计是现代集成制造系统技术研究的一个重要领域，也是实施敏捷制 造、智能制造、虚拟制造、网络化制造等各种先进制造模式的一项重要支撑技 术。它支持分布于不同地理位置上的产品开发小组及成员在计算机和信息网络 环境下，通过协同设计的各应用系统和工具，进行实时的“所见即所得”的产 武汉理【：大学硕士学位论文 晶玎发信息的交互和共亨，以达到共同完成产品丌发任务的目的f 2 l 。掳、同设计这 设计理念的出现，反映了国际、国内问的技术合作与交流的f = 1 趋广泛、以及 产品开发过程中的分工与协作日趋细化的市场与技术需要，使产品开发活动从 传统的以单一或者少数成员的管理为驱动的串行组织运作模式转化为现代的以 多个成员为达到一致日标而分工协作为驱动的并行组织运作模式。协同设计技 术将计算机技术、多媒体技术和网络通信技术与先进制造技术相结合，支持时 问上分离、空间上分布、工作上互相依赖的协作成员协同工作，使工作群体成 员在异地分布的刚络共享环境下协同工作、交互协商、分工合作，并行协作开 发同一产品，共同完成设计任务，从而最大限度地缩短产品的开发周期。体现 了信息时代工作方式的群体性、交互性、分布性和协调性的客观需求，是国内 外计算机工程应用研究中最为活跃的前沿方向之一。 协同设训最为强调和体现的就是分工和协作。分工，为不同领域、不同风 格的设计人员提供了更专业化的设计空问；协作，则在一定程度上提高了设计 的并行度口j 。但这种设计方法也带来了新的问题：由于进行协同工作的各主体既 存在。定程度的自主性又必须相互协作，致使协同产晶开发过程中存在着不可 避免的冲突现象。协同设计强调设计者采用群体工作方式，以改善传统设计中 项目管理与设训之间、不同设计阶段之间的脱节、以及设计周期过长、设计费 用高、设计质量刁i 易保证等弊病。协同设计的重要性在于使不同地点的管理人 员、设计人员、工艺人员以及用户等都能同步或异步的参与设计工作，从而提 高设计的质量和效率。由于协同设计不仅需要不同领域的各主体的知识和经验， 更重要的是要有综合和协调这些知识和经验的有效机制，来耦合不同主体的开 发任务。同时，协同设计是多功能主体参与到一个项目的开发过程中，各主体 之间存在着大量相互制约、相互影响的关系，而且他们对产品开发的考虑角度、 评价标准、拥有的领域知识不尽相同，这些因素必然导致协同设计过程中的冲 突的产生。因此，冲突的处理也成为协同设计中一个至关重要的支撑技术。研 究冲突问题，对于进一步完善协同设计技术的研究和发挥协同设计应用系统的 功能，都有着重要的学术价值、经济价值和社会价值。 1 2 论文的研究背景 1 ，2 1 论文的课题来源 2 武汉理工大学硕十学位论文 本论文研究工作的开展，得到了以下项目的支持： ( 1 ) 国家自然科学基金项日“网络环境下的数字制造关键技术及理论” m 0 ：e 0 5 5 0 3 3 5 0 2 0 ) 。 ( 2 ) 武汉市科技攻关项目“支持企业应用集成的协同软件关键技术及其 应用”m o ：2 0 0 6 1 0 0 2 0 8 2 ) 。 ( 3 1 武汉市重点科技攻关项目“汽车行业制造资源a s p 服务关键技术 研究”( n o ：2 0 0 5 5 1 0 2 0 2 1 ) 。 1 2 2 论文的研究目的与意义 协同设计的冲突可能发生在从概念设计、方案设计到详细设计、生产过程 设计等各个阶段1 4 l 。因此，设计的发展过程也就是冲突的不断发生和解决的过程。 冲突对于设计过程有着一定的负面影响和阻碍作用，但同时也有着积极意义的 一面。一方面冲突的存在势必造成设计的不协调，甚至搁浅，冲突的产生会增 加设计成本等；另一方面，冲突是一个良好或革新的设计的开始，冲突的产生 促使设计人员及早发现问题并解决问题，最终实现提高产品的各项性能指标的 目标，最大限度地满足各领域专家的要求。随着冲突的不断解决，一个完善的、 更优的设计也随之产生【5 1 。因此从某种意义上来讲，协同设计的过程就是一个冲 突不断产生和得到消懈的过程，冲突是协同设计的本质现象。由于协同设计过 程中的冲突的不可避免性，因此对冲突检测与消解技术的研究，是协同设计科 学领域中一个不i j - 回避和至关重要的内容。 当前，在一系列国家和地方高新技术研究和发展计划的支持下，我国在协 同设计技术的理论研究、系统开发和应用等方面都已经取得了积极和重要的进 展。首先，北京清软英泰信息技术有限公司、北京北航海尔软件有限公司等八 家单位利用原有的二维、三维c a d 系统产品，开发支持协同的设计系统，并将 c a d 与p d m p l m ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t p r o d u c tl i r e c y c l em a n a g e m e n t ) 系统 集成，完成了能支持协同设计的通用软件产品：其次，多项支持协同设计的创 新技术取得突破，系统得到丌发，如协同设计中的零部件供应商管理系统技术、 面向人批量定制的产品协同设计系统技术、网络化产品协同设计支持系统、基 于w e b 的协同装配系统、复杂产品协同制造支撑环境技术等方面都已取得较大 成绩【”。 由于冲突问题的复杂性和处理的困难性，对于协同设计的其他基础技术的 武汉理1 。大学硕+ 学位论文 研究而言，我国在协同设计冲突处理技术的研究方面相对滞后。从目前我国协 同设计领域的科学工作者在国内外发表的相关论文来看，在冲突处理领域所作 的研究r 作并不多，已成为协同设计的重要瓶颈问题之一。本论文在国内外研 究的基础上和相关课题的支持下，着重研究了协同设计冲突处理中的检测和消 解技术，试图提出一些积极和有意义的思考，并做出有益的尝试。协同设计系 统中的冲突处理的作用主要体现在以下几个方面【6 】： ( 1 ) 冲突解决促进了协同设计组织机构的变革。时间、质量、成本之间的冲 突导致了协同设计团队的出现，在协同产品开发过程中，冲突的出现与解决预 示着组织机构的调整与变化。 ( 2 ) 冲突处理促进了技术的创新。不断创新的设计思想与设计手段，就是为 了解决业已存在的各种冲突，不断的开发出满足顾客需求的产品。如d f c ( d e s i g n f o rc o s t ) 关系。 ( 3 ) 冲突的解决又可导致新冲突的出现。旧的冲突的解决在一定程度上为新 的冲突的出现创造了条件。但是，新出现的冲突决不是旧的冲突的简单重复， 而是更高层次上的对事物本质加深认识的必然结果。协同设计中，冲突问题的 不断解决，意味着产品丌发过程的不断完善、技术的不断创新，以及认识能力 的一i 断提高。 1 2 3 协同设计中的冲突处理 为使产品开发过程顺利进行，提高多功能小组协同工作的效果和效率，体 现团队工作的价值，以较低的成本生产出高质量的产品，从而协同设计的效益 得以充分体现，必须有一种对冲突进行处理的系统，来解决协同设计环境下出 现的各种冲突问题，协调产品开发过程。协同设计中的冲突处理主要包括冲突 避免、冲突检测和冲突消解三个方面的关键技术。它们同协同设计系统之间的 关系如下图1 1 所示h i 。 冲突处理的三项关键技术在工作时协同作用，能够使协同设计过程中的冲 突最大可能地得到处理。冲突避免技术是针对冲突产生的根源而建立的，采用 相应的技术手段和管理手段束避免部分潜在的冲突发生。冲突避免技术包括组 织划分与管理、设计任务规划、领域知识共享、集中的产品数据管理和设计原 理支持等；如前而所述，冲突是协同设计过程中的一个本质的现象。各种冲突 避免技术及手段的采用，只能在一定程度上减少和避免一定数量、一定类型的 4 武汉理i i 大学硕士学位论文 冲突，少和避免一定数量、一定类型的冲突，而不能完全消除冲突。为了能及 早地发现冲突，尽可能地把冲突解决在初级阶段，避免由于冲突的传播而引起 图1 - 1 冲突避免、冲突检测、冲突消解技术与协同设计系统的关系 的无效工作及巨大的返工量，影响设计效率，就必须在冲突已经潜在地存在但 还没有进一步传播时，采用有效的技术手段及时发现这些冲突，并相应做出正 确的处理，这就是冲突检测技术。冲突检测方法可分为领域无关方法和领域相 关方法，两者区别在于是否利用了领域的知识来判定冲突是否存在。常用的方 法有基于p e t r i 网的冲突检测方法、基于真值的冲突检测方法和不可满足约束集 检测方法等，这些方法都是领域无关的；当系统检测到冲突发生时，就必须依 据所产生冲突的特征、形式和内容，为协同产品开发人员提供相应的对策和建 议以解决冲突，这就是冲突消解。对于产品开发人员个人范围内的冲突，或者 虽然涉及多个产品开发人员，但可以在产品开发人员个人范围内解决的冲突， 可采用基于规则的冲突解决、基于实例的冲突解决或基于约束的冲突解决工具 来独自解决。对于涉及多个产品开发人员或多个学科小组的冲突，则需要各领 域、各部门的专家在冲突协商支持系统的支持下通过协商和仲裁来解决。 1 2 4 协同设计冲突检测与消解技术的研究现状 在产品协同设计过程中，各设计小组或领域专家对产品设计的考虑、评价 标准和知识背景各不相同，且不同设计对象之间或设计对象的不同属性之间存 在大量相互依赖关系，在设计过程中难免发生冲突。冲突的检测和消解可以帮 助设计人员及时发现并消解冲突，从而尽可能减少不必要的设计返工，提高设 计质量和效率。因此，如何检测和消解冲突是协同设计研究的一个关键和瓶颈 5 武汉理工大学硕士学位论文 问题，引起了国内外学者的关注。 在冲突检测方面，困内外主要对基于约束满足的冲突检测技术开展了相关 研究，研究的核心内容是约束网络模型的建模方法以及约束满足问题的求解算 法。约束是协调来自产品全生命周期中的各种要求、关系和规范的有效手段f 8 1 ， 产品的全部约束形成约束网络，通过对约束网络进行处理与计算，可发现某一 变量的取值对其它变量的影响，以此就可判断设计中是否存在冲突。美国西弗 吉尼亚大学、北卡罗莱纳大学、我国清华大学等许多单位对约束的应用进行了 研究9 “1 2 j 。此外，因外，1 ：发的d a i s i e 、n e x t - c u t 、g a l i l e 0 3 等支持并 行工程的环境中包含了进行约束建模和约束满足检查的工具1 9 1 。文献 1 3 提出了 分布式约束网络及其算法；文献 1 4 提出了- 4 0 0 变粒度约束网络模型，研究了变 粒度约束网络中的映射规则，以及变粒度约束网络的性质和特点，最后介绍了 变粒度约束网络模型的应用情况；文献【1 5 1 提出了- - g e 分布式约束网络模型和基 于该模型的协同设计方法。浚方法利用a g e n t 分布式地表达设计中的各种约束关 系，通过a g e n t 之间的动态协作实现约束网络的一致性维护、实时监测和协商消 解设计冲突；文献【1 6 】建立了约束网络的数学模型，并利用该模型收集分属于不 同学科的约束条件，并在设计其间监控这些约束关系，从而可以进行冲突检测； 文献 1 7 通过收集产品各领域的指标约束与关系约束来构建基于约束网络的产 品参数协调模型，采用区间描述设计变量的不确定性信息，并将区间算法与基 因算法相结合实现了一致性模型求解框架，使用该方法能够检测潜在冲突。关 于约束满足问题的求解算法，文献【1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 1 分别应用w i l t z 算法、区间 传播算法、定量化约束求解方法和遗传算法来求解协同设计中的约束满足问题， 能够有效的检测冲突；文献 2 2 ，2 3 1 研究了基于p e t r i 网的冲突检测技术。 在冲突消解方面，国内外对基于知识以及基于人类冲突消解规则开展了广 泛的研究。主要有基于规则推l 里( r u l e b a s e dr e a s o n i n g ，r b r l 、基于事例推理 ( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 、基于集成、基于多a g e n t 和基于协商和仲裁的冲 突消解技术。文献 2 4 ，2 51 在冲突消解策略中将冲突分层，提出一般性冲突在层 次的顶端，而领域性冲突在层次的底端，当发现冲突存在时，先从冲突层次底 端开始寻求消解知识的策略，如果不能有效解决冲突，则使用一般消解知识和 策略：文献 2 6 1 研究了基于知识的冲突消解方法；文献 2 7 1 提出了基于事例推理 的冲突消解系统，并对系统中的冲突检测、冲突消解作了详细的说明：文献 2 8 1 提出了基于集成的协同设计冲突消解模型，并对模型中的冲突检测、冲突归档、 6 武汉理l ：人学硕士学位论文 冲突消解作了详细的说明；文献【2 9 】建立了一个基于多a g e n t 的冲突检测和消解 的模型；文献 3 0 1 采用协商方法解决协同设计中因目标差异而产生的冲突，给出 了协同设计冲突起凶的数学描述，研究了基于对策论的目标冲突协商方法，建 立了协同设计冲突协商模型，并给出该模型的n a s h 协商解和基于满意度的解： 文献f 3 l 例。对协同设计中采用单一的冲突消解方法难以消解复杂多样的冲突的 问题，采用多种冲突消解方法集成的方式消解冲突，提出了协同设计中冲突消 解过程模型，对该集成冲突消解过程中的重要环节一一冲突仲裁问题进行了描 述。采用模糊评价法作为协同设计过程中冲突仲裁问题的求解方法，并给出该 算法的具体实现过程和冲突仲裁流程。建立了基于模糊评价方法的冲突仲裁系 统的体系结构，详细介绍了该结构的主要功能模块，并对原型系统进行了开发。 1 3 论文的主要研究内容 本文丰要对协同设计冲突处理问题中的检测与消解技术进行了研究。针对 设计冲突，提出了一种基于关系数据库的冲突检测技术；同时，在基于事例推 理的冲突消解技术的基础上，针对其推理策略问题，研究了一种基于粗糙集的 事例推理策略。 在基于关系数据库的冲突检测技术中，为了表达设计对象和设计约束信息 以及它们之间的关系，研究了建立层次化的产品对象一约束信息模型的方法，以 及通过x m l 和关系数据库表述该模型的方法，用于协同设计网络环境下w e b 工程数据库的构建、信息共享以及冲突检测的实现；研究了基于关系数掘库的 冲突检测系统的软件结构，以及该结构部分模块的代码实现问题。 在基于粗糙集的冲突消解事例推理技术中，研究了粗糙集理论在事例推理 中的应用问题，即通过粗糙集的相关基本原理和方法，判断冲突消解事例对象 各特征属性的权重，以及确立事例知识库的索引；研究了确定权重索引的粗糙 集算法以及事例相似度的比较方法，并给出了一个具体实例的运算分析过程。 7 武汉理 ：大学硕士学位论文 第2 章协同设计冲突检测与消解的基本理论 2 1 协同设计中的冲突分析 2 1 1 冲突的含义及产生原因 设计是- t o 复杂的创造性的活动，它是一种多目标、无明确操作算子的高 级思维活动，无法用传统的人工智能领域里的问题求解模型来描述【3 。在协同 设计环境下，由于设计任务、设计活动的复杂性，各设计小组或领域专家对设 计任务的知识都局限于自己的知识领域内，对他方的目标及领域知识不完全了 解。在不完全的领域知识的情况下，单方无法完成整个设计任务。为了完成最 终的设计，各方必须通过相互协作。在这种情况下，参与设计的各方之间不可 避免地存在冲突。这里，“冲突”是指在多个相互关联的对象之间存在的一种不 一致、不和谐或不稳定的状态【3 3 l 。这些对象包括设计对象、设计意图、产品开 发过程、产品丌发人员、多学科专家小组等多种具有一定的信息结构及相关属 性的信息实体或功能实体。 冲突问题在协同设计过程中起着重要的作用，它的存在有利有弊，一方面 冲突的存在势必造成设计的不协调，甚至搁浅，导致设计成本增加等；另一方 面，冲突是一个良好或革新的设计的开始，冲突的产生促使设计人员及早发现 问题并解决问题，最终实现提高产品各项性能指标的目的，最大限度地满足各 领域专家的要求。随着冲突的不断解决，一个更优的设计也随之产生。 冲突可能来自概念设计、方案设计、详细设计和生产过程设计等涉及协同 产品开发活动的各个阶段。协同设计的过程也是冲突不断产生和得到解决的过 程。以下的几个因素可能导致协同设计过程中出现冲突 3 2 , 3 4 , 3 5 ： ( 1 1 由于各领域专家的设计目标和设计评价的标准不同，在设计过程中经常 会做出不同的设计选择。 f 2 ) 由于缺乏一个共同的知识表达方法和一致的设计对象模型，在缺少相关 信息支持的情况下，各领域的设计人员在进行局部设计时，往往从自己的领域 出发做出最佳的、合理的方案。但当这些局部设计集成为一个总体设计方案时， 就会出现相互矛盾、互不协调的情况。 8 武汉理工人学硕士学位论文 ( 3 ) 在协同设计过程中，设计者常常需要借助于其他各方的设计信息。由于 相关设计i 作尚未完成或者设计信息不全，设计人员就需对其他各方的设计做 出一定的假设，以完成自己的设计。若这种假设出现偏差甚至错误，就会暴露 出相互矛盾、何不协调的问题。 ( 4 ) 上游设计人员做出的设计也可能不符合下游设计人员、工艺人员或其他 参与人员的评价和要求。 ( 5 ) 产品丌发过程重构是协同设计的一个核心技术，协同产品开发过程模型 是协同设计哲理的种具体实现。但是，随着产品开发过程的进行，由于各种 资源及条件的改变，当产品开发过程模型已无法如实反映实际的产品开发过程 时，它就会严重影响、阻碍当前实际的设计过程。为保证产品开发过程的顺利、 协调地进行，就必须及时调整产品开发过程模型。 ( 6 ) 涉及协同产品丌发活动的资源缺乏或者资源规划调度不合理等等。 2 1 2 冲突的特点 协同设计冲突产生的根源在于协同小组的相对独立和相互依赖关系上。每 个协同小组都有自己独立的结构、不同的技术信仰和问题求解策略，但每个协 同小组的资源、能力、信息都是有限的，协同小组之间必须通过一定的合作和 协调才能完成对整个问题的求解，由此产生了相互依赖。协同小组之间相互制 约、相互依赖的关系主要通过约束来表达，当约束遭到破坏时就产生了冲突。 经过对协同设计过程中出现冲突的研究和分析，发现协同设计过程中的冲 突具有必发性、多样性、关系性和积极性的特点 3 6 , 3 7 ： ( 1 ) 冲突的必发性。目前虽然很多研究人员一直致力于研究协同设计过程冲 突的避免技术，但是出于参加协同设计的各领域专家出发点不同和领域知识的 局限，冲突只能在一定程度上避免，完全不发生冲突是不可能的。 ( 2 ) 冲突的多样性。产品设计任务的多样性，决定了协同设计过程中冲突的 多样性。包括设计意图冲突、共享资源冲突、零部件尺寸冲突、加工工艺冲突 等冲突。 ( 3 ) 冲突的关系性。设计冲突之间存在着复杂的关系，在解决某些冲突的同 时，有可能引发其它种类的冲突，这增加了冲突消解的难度。 ( 4 ) 冲突的积极性。冲突的消解预示着人类对客观规律的认识又更加深入了 一步，具有积极的一面。随着冲突的不断产生和得到消解，一个更优的设计也 9 武汉理i ：大学硕士学位论文 2 1 3 冲突的分类 根据不同的分类依据，有不同的冲突分类。按照当前的研究，有以下三种 分类方法和结果。 依据冲突涉及的对象和产生的原因，可以将冲突分为设计冲突、过程冲突 和资源冲突p 驯： ( 1 ) 设计冲突。设计冲突表现为产品协同设计过程中产生的，设计方案或设 计属性之间相互对立和矛盾的一种关系。由于违反了功能约束、制造约束和装 配约束等约束关系，使得设计方案或设计属性之间发生了冲突。又可以将设计 冲突划分为设计方案冲突、数据冲突和知识冲突三种类型。设计方案冲突是出 于采用了不同的设计方案引起的冲突；数据冲突是由于数据的不一致或不f 确 而引起的冲突；知识冲突主要是由于各决策单元采用各自局部的决策知识进行 决策造成的。 ( 2 1 过程冲突。过程冲突表现为产品开发过程之间在信息上或时间上存在的 矛盾。过程冲突在信息上表现为缺乏信息，即某项任务由于缺乏前面任务输出 的信息无法丌始执行。过程冲突在时间上表现为超期冲突，即按照规定时间内 需要完成的任务没有完成，导致下游任务无法按期开始执行。 ( 3 ) 资源冲突。资源冲突表现为资源的缺乏引发的矛盾。在分布式协同设计 环境中，协同设计小组的开发人员在为完成自己的开发任务时可能对有限的资 源提出需求和竞争，这将导致资源冲突。资源冲突会影响产品开发的顺利进行。 可以通过合理分配任务和资源等避免资源冲突的产生。 依据协同的紧密程度进行划分，可以将冲突分为强冲突和弱冲突 3 9 ，4 0 1 ： ( 1 1 强冲突。强协同往往对应的是强冲突。如果协同主体对同客体进行协 同操作，这一协作之间就是强协同。根据自适应原则，这些协同主体之问应该 具有较强的同步性和实时性。为了解决其中的冲突，如：因为网络速度原因， 强协同无法实现实时的时候，就应该为这种协同规定更严格的限制条件，如只 允许单一主体对客体进行操作，其意义在于让协同主体互斥地访问这一协同客 体，直到网络资源的限制被解除。另外，如果在强协同过程中，因为网络通信 的原因，使协同无法继续进行，则必须强制或通过协商使部分协同主体退出协 同小组。这就像个多人游戏，当一个游戏者因网络故障无法继续时，游戏控 1 0 武汉理r 人学硕士学位论文 制者必须将其丌除，或让其自动退出。 强协同的理想形式就像一个无空削和时 间差异的工作室，协同主体之间可以自出分享信息、协同设计的踟调工作灵活 而又方便。 ( 2 ) 弱冲突。相对于强协同而苦，弱协同的紧密程度降低，这首先是由协同 客体的紧密程度降低引起的；另外，则是因为外部因素( 如网络资源) 引发的 协同度降低。在弱协同的设计环境下，其内在的冲突也是相对较弱的，可以称 之为弱协同对应的弱冲突。弱协同的极限情况就是不存在协同单用户的设计。 根据冲突暴露的明显程度，可以将冲突分为显式冲突和隐式冲突i4 1 i ： ( 1 1 尼式冲突。显式冲突是指明显暴露出来能立刻被人所发现的冲突。 ( 2 ) 隐式冲突。隐式冲突是指已经存在产品设计对象中，但目前尚未暴露出 来，随着丌发过程的推进j ”为人们所发现的冲突。隐式冲突随着开发过程的推 移而明显暴露，就转化为显式冲突。 2 2 协同设计中的约束分析 2 2 1 约束的含义 在协同设计过程中，由于设计主体的分布性、层次性以及设计任务本身的 分工和分解等因素，所以一般采用跨地域跨领域跨部门的多学科开发小组一起 协同工作，把产品设计过程的下游阶段提前考虑，以提高产品开发的质量和效 率，快速响应市场的需要。同时，在协同设计过程中，由于任务小组的相对独 立和相互依赖，每个任务小组都有自己独立的结构、不同的技术思路和问题求 解策略，但每个任务小组的资源、信息和能力都是有限的，必须通过与其他小 组的相互合作和协调才能完成整个产品丌发任务。并且任务本身也涉及到一系 列的领域知识。以上这些原因导致在协同设计过程中存在着大量相互制约、相 互依赖的关系，包括设计规范、设计对象的基本规律，各种一致性要求、技术 水平和资源的限制以及用户需求等。这些相互制约、相互依赖的关系被称为约 束1 2 。当约束遭到破坏的时候，就产生了冲突。冲突实质上就是协同设计过程 中违反约束的状态。 约束是协同产品开发中广泛存在的一种知识形式。在协同产品设计过程中， 如果能同时满足这些约束需求，以便产品开发后期的各种矛盾能提早解决，可 武汉理工大学硕士学位论文 以避免大量的修改和返工，节省人力、物力和财力，并缩短产品的_ 丌发周期。 这便是协同设计中的冲突检测和消解。约束的引入导致设计信息的有效连接， 反映了设计参数之间相互制约和相互依赖的关系，体现了产品的内在特征以及 产品信息中的工程语义。约束的引入也导致了产品设计过程的重组，可以进行 信息的预发布，从而提高了产品设计过程的并行度，约束体现了设计过程中下 游阶段对上游阶段的约束关系，使得复杂产品的设计及工程的协同设计得以顺 利进行。 设计约束的描述和建立可分为两个层次：对象层和属性层。对象层描述对 象间的约束关系，属性层描述对象内部属性之间的约束关系。这种分层描述对 约束空间作合理的分割，从而使推理尽量在空间进行，以提高效率。建立约束模 型后，通过规则和方法，导出设计变量的因果关系图，进行变量灵敏度分析，提 供对目标方案修改的建议。根据用户的意愿，规划设计行为，完成相关设计过 程。设计过程中的约束反映了设计规范、设计对象的基本规律、各种一致性要 求、当前技术水平和资源限制以及顾客需求等。在分层次表达的约束模型中， 有以下j 个概念l 叫： ( 1 ) 约束。约束是构成分层约束模型的基本元素之一，约束作用于对象中的 参数。因此，对象、参数和约束是三个基本要素。参数既可以是对象中的属性， 也可以独立存在，约束作用在参数上的，而且一个参数可能受到多个约束的限 制。约束的存在是以对象存在为前提的，约束可分为静态约束和动态约束。静 态约束在产品设计过程中自始至终存在，而动态约束的存在具有某种先决条件。 ( 2 ) 约束集。在产品开发中，包含不同的领域与学科，这就导致不同领域模 型的存在。领域模型的所有约束可以被视为一个约束集，每一个约束集可以根 据特征间的关联程度划分为若干个子约束集。约束集之间的约束被称作约束桥。 ( 3 ) 约束层。产品丌发是一个复杂的过程，包括：需求分析一概念设计一详 细设计一生产一装配一检验一销售等。产品在不同的设计阶段具有不同的抽象 层次，对模型的描述也不尽相同，相对应的约束也就具有不同的层次描述。 通过建立分层约束关系，可以将抽象的难以控制的约束转换成具体的可控 制的约束。这样，就可以通过控制低层的约束关系实现对上层抽象约束关系的 有效控制。反之，上层的约束关系也为下层约束关系的建立提供了可靠的依据。 另一个重要的意义是在发现与协调冲突的过程