（机械制造及其自动化专业论文）基于网络环境的协同设计方法和技术及实验研究.pdf

重庆大学簿士学位论文陈小安基于孵络环境的协同设计方法和技术及宴验研究 摘要 f 近几年来，网络计算方面发展最引人感兴趣的研究领域之一是把网络作 为产品设计与制造的强有力的支捧环境。计算机支持协同工作( c s c w ) 环境，互 联网( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 技术、虚拟现实技术以及并行工程的概念等的出现。 为发展适应“全球制造”的产品设计制造技术一基于网络技术的异地协同设计 与制造技术奠定了基础。基于网络环境的异地协同设计利用网络技术、通讯技 术、计算机技术、多媒体技术及人机接口技术，将时间上分离、空间上分布而 在产品开发工作中又相互联系的设计团队、设计任务、设计过程有机地集成， 实现高效、高质量、低成本产品开发。产品协同设计豹方式体现信息时代人们 工作的群体性、分布性、交互性及协同性的特征。 在国家自然科学基金项目( 编号5 9 8 7 5 0 8 7 ) 资助下。该论文提出了“基 于网络环境( i n t e r n e 仉n t r a n e t ) 的协同设计方法和技术及实验研究”的课题。 在综合了国际国内有关研究的基础上j 该论文对有关协同设计的方法，协同设 计的主虽磁过程建夔堇查和錾堡銮迭技本，协同设计实用系统及实验等方面 进行了深入系统的研究。论文完成的主要研究工作有以下几部分： ( 研究主题发展水平综述j 回顾了设计技术及计算机辅助技术的发展概况。 归纳了2 l 世纪对计算机辅助技术提出的全新的要求和发展的趋势。对协同设 计技术及相关研究领域的现状、发展水平进行了综述。 基于圆垡珏缝的协同设计方法研究。( 首先描述了网络技术支持的“共享环 境”、“共同任务”及“协同工作”为最关键内容的基于网络环境的协同设计的 基本概念；讨论了基于网络环境的协同设计的技术和经济目标，基于网络环境 的蜘同设计的原理。从协同设计运作的时间和空间特性，提出并论证了基于网 络环境的协同设计的4 种工作模式，其核心是设计任务系列在时间上串行，并 行和交叉耦合的调度，在空间上对分布设计资源的优化配置利用。从产品开发 的过程的复杂性。详细地讨论了协同设计的组织与再组织的分析方法。分析了 协同设计的团队成员及任务关系，协同设计的知识，信息的传输和交换。根据 系统工程的观点，对协同设计的协调原理进行了分析，建立了产品的协同设计 的协调过程的模型。建立了协同设计系统的框架模型，并讨论了协同设计系统 的功能结构参考模型和协同设计的实施层次厂丫 协同设计产品开发过程建模及数据交换接口研究。擞照工程设计的观点， 创建了基于网络环境的协同设计的产品开发工作模型。并用产品主模型技术， 建立了一种四层结构的基于网络环境的协同设计的主模型。在此基础上，分析 了产品主模型的功能和特点，讨论了产品协同开发主模型的参数化特征建模， 进行了主模型的参数化特征建模协同设计实验。对基于网络环境的协同设计的 数据交换技术进行了研究。研究出基于s t e p 标准c a x 数据交换接口的实旌 重庆大学博士学位论文陈小安摘要 过程和方法，讨论了具体步骤。按照所设计的实施过程和方法进行了初步实验 验证r 一一， 多自主体协同设计系统模型研究。做现代产品的开发是典型的具有分布和 动态特征的群体求解问题的观点，把具有专门领域知识的产品开发设计专家组 并配以适当的工具视为一个产品开发自主体，建立了基于网络环境多自主体协 同设计系统模型。讨论了多自主体系统与复杂产品开发的关系，寻找出一种能 在松散耦合的系统( 子系统) 之间进行协同，协调的方法和技术。研究了基于 网络环境的多自主体协同设计系统，以及与其控制结构相适应的组织结构，重 点讨论了“设计开发单元”的概念及其组成的系统技术，对协同设计系统的多 自主体的单元进行了设计。列举了设计项目组织与实施的实例，、一 协同设计实用系统研究和实验。r 在前面研究讨论的基础上，重点对基于同 络环境的协同设计实用系统和协同设计实验进行了研究。按照t c p i p 网络协 议构造了具有视频音频多媒体会议功能的，基于异构网络的协同设计实用系 统，并对该系统的配置，特点和功能进行了讨论。开发了能封装大型应用软件 和多媒体工具的具有多用户界面的协同设计的群件。对协同设计实验进行了讨 论。详细地讨论了整个协同设计实验的步骤和实验过程，并给出了一个实例。， ? 扩l 关键词：协同设计。远程，异地设计v 共享环境设计方漤博士论文 q - 、 重庆大学博士学位论文陈小安基于网络环境的协同设计方法和技术及实验研究 a b s t ra c t o n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n td e v e l o p m e n t si nn e t w o r kc o m p u t i n go v e rp a s t y e a r sh a sb e e nt h eg r o w t h o fi n t e r e s ti n u s i n g t h ei n t e r n e ta sa p o w e r f u l c o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n tf o r p r o d u c td e s i g n t os t u d ys y s t e m a t i c a l l y i s s u e s r e l a t e dt h em e t h o da n d t e c h n o l o g y o fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ns u p p o r t e db yn e t w o r k s t e c h n o l o g y , t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e dt h es u b j e c t “r e s e a r c ho nt h em e t h o d o l o g y , t e c h n o l o g y a n de x p e r i m e n to fi n t e r n e t i n t r a n e tb a s e dc o l l a b o r a t i v e d e s i g n ”， s p o n s o r e db y t h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n s f c n o 5 9 8 7 5 0 8 7 ) i nt h ed i s s e r t a t i o n t h em a j o rw o r ka n dt a s k sa r ed e s c r i b e da s f 0 i l c i w s ： 1 s u m m a r yo f c u r r e n tl i t e r a t u r er e l a t e dt h i ss u b j e c t t h ed i s s e r t a t i o nr e v i e w e dt h e d e v e l o p m e n tp r o g r e s so f d e s i g nt e c h n o l o g ya n d s u m m e du ps o m en e w r e q u i r e m e n t sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fc o m p u t e r a i d e d d e s i g n ( c a d ) i n2 1c e n t u r y s u m m a r i z e d t h ec u r r e n ts t a t eo ft h ea r ti n i n t e r n e 仉n t r a n e t - b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ( a b b r c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) 2 r e s e a r c ho nt h em e t h o d o l o g yo f c o l l a b o r a t i v e d e s i g n f i r s t l y ，t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e dt h a t “s h a r e dw o r k s p a c e 。c o m m o nt a s ka n d c o o p e r a t i v ew o r k ”s u p p o r t e db yn e t w o r kt e c h n o l o 斟a r et h ek e yp o i n t so ft h e b a s i cc o n c e p to fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；d i s c u s s e dt h et e c h n i c a lg o a l sa n dt h e b u s i n e s s 窘o a l so f t h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g na n di t sr a t i o n a l e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt o t h ew o r kt i m ea n ds r l a c ee h a r a c t e r i s t i co fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n s ，p r o p o s e dt h e4 w e r km o d ea b o u tc o l l a b o r a t i v ed e s i g n i t sk e r n e ii st h a tad e s i g nt a s ki s 儡r r i e d s e q u e n t i a l l y , c o n c u r r e n t l ya n da l t e r n a t e l yo u ti n t h et i m e 。d i s t r i b u t e d d e s i g n r e s o u r c e sa r eo p t i m a l l y d i s p o s e di nt h es p a c e b a s e d o nt h e c o m p l e x i t y o fp r o d u c t d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，d i s c u s s e di nd e t a i l st h eo r g a n i z a t i o na n dr e - o r g a n i z a t i o no f c o l l a b o r a t i v ed e s i g n t h i r d l y , a n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n d e s i g nt e a m sm e m b e r s ，b e t w e e nd e s i g nt a s k si nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；t r a n s f e ra n d e x c h a n g eo fk n o w l e d g ea n di n f o r m a t i o ni nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n w i t hs y s t e m e n g i n e e r i n gt h e o r y 。p r e s e n t e d ac o o r d i n a t i o nm e c h a n i s ma b o u tc o l l a b o r a t i v e d e s i g na n ds e tu pt h em o d e lo fc o o r d i n a t ep r o c e s si np r o d u c t sc o l l a b o r a t i v e d e v e l o p m e n t f t n a l me s t a b l i s h e da f r a m e w o r ko fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e ma n d d i s c u s s e di t sf u n e d o n a lc o n s t r u c t i o na n dl e v e l sf o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g nc a r r i e do u t i na d d i t i o n ，b r i e f l yi n t r o d u c e dt e c h n o l o g i e ss 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 3 s t u d ym o d e lo fp r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s a n di n t e r f a c eo fd a t a e x c h a n g ei nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n 重庆大学博士学位论文陈小安摘要( 英) v i e w p o i n tf r o me n g i n e e r i n gd e s i g n ，t h ed i s s e r t a t i o nf o u n d e dw e t k i n gm o d e l o fp r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s si nc o l l a b o r a t i v e d e s i g n w i t ht e c h n o l o g yo f p r o d u c tm a s t e rm o d e l ，c o n s t r u c t e da k i n do f4 - l a y e ra r c h i t e c t u r ep r o d u c tm a s t e r m o d e lf o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g n a n a l y z e di t sf u n c t i o na n df e a t u r e s , d e v e l o p e dt h e p a r a m e t e r - f e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g y f o rc o l l a b o r a t i v e d e s i g n ，m a d e a n e x p e r i m e n t o f p a r a m e t e r f e a t u r em o d e l i n gi nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ( p r o t o t y p e s y s t e m ) o fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n s t u d i e dt h em e t h o da n di m p l e m e n tp r o c e s sf o r i n t e r f a c eo fd a t ae x c h a n g eb a s e do ns t e pi nc o l l a b o r a t i v ed e s i g ne n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt o t h em e t h o da n dp r o c e s s ，v e r i f i e dp r e l i m i n a r i l yt h ep r o g r a mf o r i n t e r f a c eo fd a t ae x c h a n g eb a s e do ns t e pi nw o r k s t a t i o n sa n dc a ds o f t w a r e p l 以 4 c o n s t r u c t e dam o d e lo f m u l t i a g e n ts y s t e m f o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g n w i t h c o n f i g u r i n g ad e s i g n a g e n tb ye x p e r t s t e a mh a dd o m a i ns p e c i f i c k n o w l e d g e a n d a p p r o p r i a t e t o o l su s e di nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，t h ed i s s e r t a t i o ns e t u pt h e m o d e lo fm u l t i a g e n ts y s t e mf o rc o l l a b o r a t i v e d e s i g n d i s c u s s e d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nm u l t i a g e n t s y s t e m a n dc o m p l e xp r o d u c td e v e l o p m e n t , p r o p o s e d t h em e t h o da n d t e c h n o l o g y o f c o o p e r a t i o n ，c o o r d i n a t eu s e d i nt h el o o s e c o u p l i n gs y s t e m ( s u b s y s t e m ) s t u d i e d t h e o r g a n i z a t i o nc o n s t r u c t i o n o ft h i s s y s t e mc o r r e s p o n d i n gt o i t so o n t r o lm e c h a n i s m d i s c u s s e dw i t he m p h 勰i st h e c o n c e p to f “d e s i g nd e v e l o p i n gu n i t a n dt e c h n o l o g yf o r m e das y s t e m ；m a d ea d e s i g nf o rm u l t i a g e n tu n i to f c o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e m ，s t u d i e dt h eo r g a n i z i n g a n d c a n y i n go u t o fd e s i g np r o j e c ti nm u l t i a g e n ts y s t e mf o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g n a n dg i v ea l le x a m p l e 5 r e s e a r c ho nt h e p r o t o t y p es y s t e m o fc o l l a b o r a t i v e d e s i g n a n di t s a p p l i c a t i o n s b a s e do na b o v er e s e a r c ha n dd i s c u s s i o n ，t h ed i s s e r t a t i o n c o n f i g u r e d a p r o t o t y p es y s t e m ，w h i c h i s p r o v i d e d w i t hm u l t i m e d i af u n c t i o n i n c l u d i n g v i d e o a u d i ot o o l ，f o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g nw i t ht c p f l bd i s c u s s e dt h ec o n f i g u r a t i o n ， f e a t u r e sa n df u n e d o no ft h ep r o t o t y p es y s t e m d e v e l o p e dab a s e do ni n t e r n e t i n t r a n e tg r o u p w a r es y s t e mw i t hm u l t i u s e ri n t e r f a c et h a tc a np a c k a g el a r g e - s e a l e a p p l i c a t i o n s o f t w a r ea n dam u l t i - m e d i at o o lf o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g n 。d i s c u s s e di n d e t a i l st h ee x p e r i m e n t a lp r o o e s sa n di t ss t e p sf o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，f i n a l l yg a v e a n e x a m p l e k e y w o r m ：c o l l a b o r a t i v e d e s i g n ，s h a r e de n v i r o n m e n t , d i s t r i b u t e d m u l t i l o c a t i o nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ， m e t h o d o l o g y o f d e s i g n ，d i s s e r t a t i o nf o r d o c t o r a ld e 矿e e 重庆大学博士学位论文陈小安 基于网络环境的协同设计方法和技术及实验研究 1 1 引言 第一章绪论 本学位论文所讨论的主题涉及到有关现代设计方法和技术研究领域的前沿 问题，在进入本文主体内容之前，将首先讨论研究主题的背景，然后说明本文 选题的依据，课题的来源及其研究的意义，最后介绍本文的主要研究内容。 1 2 研究主题的背景，选题依据、来源和意义 1 2 1 研究主题的背景 进入九十年代后期以来，经济信息化和信息革命正伴随着信息技术手段的 不断改进和完善而发展，以物质为基础的工业经济转变为以知识为基础的知识 经济正成为世界经济发展的大趋势。在这个大趋势中知识扮演着一个核心作 用，它完全不同于农业革命和工业革命赖以存在的基本生产资料即土地和工 厂。这种根本性的变革导致传统的经济学的许多原理和规律己经不适合于知识 经济时代。知识影响着经济各行业，促使着人们探索新的生产模式和技术。先 进的设计方法和技术仍然是工程科学技术研究领域中的热点之一。 现代设计方法和制造技术围绕着从原材料到产品然后到商品的各环节的全 部活动，也就是给原材料以附加值，形成产品，为人们所用再成为商品。从传 统的观点，产品是制造系统中的物质流，信息流，能源流和资金流综合结果。 如果从更深层次思考这一问题，我们可以说：物质的生产过程完全就是知识和 智力的物化过程t 产品就是人类的知识的物化。我们知道，在现代产品的生产 成本中物质资源所占份额愈来愈低，其附加值也愈来愈少。而产品的价值愈来 愈多地取决于它们所含知识和信息4 量”的多少。傻、大、黑、粗”的产品 正在失去市场。而外观精美、价格适中、优质好用的产品不仅深受消费者的喜 爱且利润丰厚。因此，经济竞争的实质就是知识的竟争。 现代设计方法是基于知识利用的设计方法，它强调知识在产品开发过程中 以及在经营和服务中的作用。现代经济是以知识为基础的。知识是丰富并可发 展和共享的，知识对物质生产过程及产品竞争力有着关键的作用，因而，必须 研究在产品开发过程中知识的产生、获取、复制、重组、传输及使用的特点及 规律。经合组织( o m c d ) 把a 类迄今创造的所有知识分为四大形态，即4 个w ： 事实知( k n o w - - w h a t ) ，原理知识( k n o h 删h y ) ，技能知识( k n o w - - h o w ) 和 人力知识( k n a w _ - w h o ) 。我国学者在此基础上增加了2 个w ：k n o w _ w h e r e 和k n o w - - w h e n ，笔者认为可以称其为“时空”知识。又按能否通过社会逻辑 工具得到清楚表达、明确分类来把知识分为归类型知识( 也称为显性知识) 和 重庆大学博士学位论文陈小安第一章绪论 沉默型知识( 也称为隐性知识) 。前者可以存在社会各种媒体之中，因此，可 以被掌握了相应工具的人( 组织) 通过社会性手段掌握，而后者则存在于人的 头脑中，主要靠实践获得。所谓现代设计技术的发展趋势就是利用现代科学技 术实现多学科专家组对其集体的知识和技能的捕获而不论这些知识和技能是 存在在于数据库中，印在纸上还是存在于专家们的脑海里一然后将这些知识和 技能融入产品开发过程中所需要的环节以能够帮助实现创新设计。所以。2 1 世纪的设计是基于知识的设计。 基于网络环境的协同设计技术是适合知识经济时代的产品开发技术。该技 术通过攘合产品开发的任务逻辑和组织逻辑，把知识“5 个w ”融入产品开发 过程中，最优地实现“什么人在什么时间应该做什么以及如何去做”，完成产 品的高效、高质量、低成本开发，增强企业在全球市场中的竞争能力。 1 2 2 选题依据、来源和意义 本论文选题的依据是： 设计是学科的前沿研究领域之一，尤其是即将到来的2 1 世纪，计算 机技术，网络化等技术将继续对产品新设计理论和制造模式产生全面 而深刻的影响。 设计是产品创新，转化科技成果，确定产品的功能和成本关键环节。 设计是企业获得竞争力的一个关键因素。以知识创新的反馈循环来对 企业面对的新经济环境作出有预见性的反应，从而使制造企业在全球 竞争中立于不败之地。 企业的组织结构将是多样化的。非金字塔式结构企业是将来的典型模 式。企业将可以按业务流程和价值重构进行临时的，虚拟的联合，扩 张。基于网络环境的协同设计就能适应企业组织的重组。 网络化为企业奠定了信息化的基础，只有信息技术才能使身处各地， 不同领域的专家实现相互协作，完成产品的设计制造和销售。基于 网络环境的协同设计，可以有效地把设计专家，制造专家，管理专家 联系为一个整体，还能把设计与制造。销售。售后服务，市场预测等 联系起来。 国家自然科学基金会把“基于网络技术( i n t e r n e t 、i n t r a n e t ) 的设计 与制造”列入1 9 9 8 年度项目指南( 机械工程学科) 中鼓励研究领域。 国家高技术研究发展计划自动化领域( c i w s 主题) 1 9 9 8 年度指南中 在“设计自动化”专题中增加了“基于i n t e r n e t i n t r a n e t 产品设计 自动化关键技术”的研究内容。 国家自然科学基金会于1 9 9 9 年5 月在北京召开了二十一世纪核心科 学问题论坛，其中“2 1 世纪制造科学”论坛建议把网络化设计与制 2 重庆大学博士学位论文陈小安 第一章绪论 造等研究主题列入国家自然科学基金“十五”优先资助领域。 本文课题来源于国家自然科学基金项目”基于嗣络环境在异构条件下多点 合作设计的关键技术研究( 项目编号5 9 8 7 5 0 8 7 ) 本文课题的意义在于瞄准国际相关学科研究的前沿，研究有关适合知识经 济时代的新设计方法网络环境下产品协同设计的方法以及与之相适应技 术，并促进基于网络技术( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 的异地协同设计与制造自动化 等新技术的发展和应用。 基于网络环境( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 的协同设计在本文以下章节称为“基 于网络环境的协同设计”，或简称为“协同设计”。 1 3 本文的主要内容 本文的具体研究内容安排如下： 第一章绪论。本章首先讨论研究主题的背景，然后说明研究课题选题的 依据，课题的来源及其研究的意义，最后介绍本文的主要研究内容。 第二章相关主题文献综述。首先，本章回顾了设计技术及发展过程，总 结了设计技术的特征。其次，简述了计算机辅助技术的辅助发展概况，归纳了 2 1 世纪对计算机辅助技术提出的全新的要求和发展的趋势。最后，综述了基 于网络环境的协同设计技术研究的现状，列出了在相关研究领域国内外近期有 代表性的工作。 第三章协同设计方法的研究。首先，本章描述了网络技术支持的“共享 环境”、“共同任务”及“协同工作。为最关键内容的基于网络环境的协同设计 的基本概念。讨论了基于网络环境的协同设计的技术和经济目标、基于网络环 境的协同设计的原理。第二，从协同设计运作的时闯和空间特性，研究了基于 网络环境的协同设计的4 种工作模式。其核心是设计任务系列串行。并行和交 叉耦合( 时间) 的调度，分布资源的优化配置( 空间) 利用。从产品开发过程 的复杂性，详细地讨论了协同设计的组织与再组织的分析方法。第三，分析了 协同设计的团队成员及任务关系，协同设计的知识，信息的传输和交换。根据 系统工程的观点，对协同设计的协调原理进行了分析，建立了产品的协同设计 的协调过程的模型。第四，建立了协同设计系统的框架模型，并讨论了协同设 计系统的功能结构参考模型和协同设计的实施层次。此外。对基于网络环境的 协同设计系统的若干支撑技术进行了简单的介绍。 第四章协同设计产品开发过程建模及数据交换接口研究。本章第一部分 按照工程设计的观点讨论了基于网络环境的协同设计的产品开发工作模型。第 二部分讨论了基于网络环境的协同设计的主模型。建立了一种四层结构的主模 型，在此基础上，分析了产品主模型的功能和特点。第三部分讨论了产品协同 开发主模型的参数化特征建模，并在基于网络环境的协同设计实验系统中进行 3 重庆大学博士学位论文陈小安 第一章绪论 了主模型的参数化特征建模在协同设计实验。第四部分对基于网络环境的协同 设计的数据交换进行了研究。研究了基于s t e p 标准c a x 数据交换接口的实 施过程和方法及具体步骤。最后一部分按照所设计的s t e p 标准c a x 数据交 换接口的实施过程和方法。并进行了实验验证。 第五章多自主体协同设计系统研究。从现代产品的开发是典型的具有分 布和动态特征的群体求解问题的观点，本章建立了基于网络环境多自主体协同 设计系统模型，包括以下内容：首先。介绍了多自主体系统的概念。把具有专 门领域知识的产品开发设计专家组并配以适当的工具视为一个产品开发自主 体，因此，多自主体系统的思想非常适合协同工作的情形。其次，讨论了m a s 与复杂产品开发的关系。寻找一种能在松散耦合的系统( 子系统) 之间进行协 同，协调的方法和技术，是解决随着系统复杂程度的增加。其系统的集成，集 中管理和集中控制难题的方法。在这里我们主要讨论了产品设计开发系统中的 子系统及其之间的控制关系。然后，研究了基于网络环境的多自主体协同设计 系统。本文讨论的基于网络环境的多自主体协同设计系统的控制结构是一种混 合控制模式，它综合了递阶控制和分散控制两者的优点。研究了与多自主体协 同设计系统的控制结构相适应的组织结构。本文对协同设计系统的多自主体的 单元进行了设计。第四，讨论了多自主体协同设计系统设计项目组织与实施。 重点讨论了“设计开发单元”的概念及其组成的系统技术。还列举了多自主体 协同设计系统设计项目组织的实例。最后，对多自主体协同设计系统进行了扩 展，讨论了多自主体协同设计与制造系统。 第六章协同设计实用系统研究和实验。在前面章节研究讨论的基础上。 本章重点对基于网络环境的协同设计实用系统和协同设计实验进行了研究。按 照t c p i p 网络协议构造了一个具有视频音频多媒体会议功能的，基于异构网 络的协同设计实用系统，并对该系统的配置，特点和功能进行了讨论。开发了 能封装大型应用软件i - d e a s 和多媒体工具s u n f o r u m 的协同设计的群件系统的 多用户界面。本章的第二部分对协同设计实验进行了讨论。基于协同设计群件 模型系统环境的协同设计实验是研究的重点，文中较详细地讨论了整个协同设 计实验的步骤和实验过程，并给出了一个实例。 第七章总结。本章给出了作者对本课题研究的创新点和成果总结。 4 重庆大学博士学位论文陈小安基于嘲络环境的协同设计方法和技术及实验研究 第二章设计技术发展趋势及协同设计产生的基础 2 1 引言 现代通讯、电子计算机及信息技术为主导的现代技术迅速发展，以“时阅 驱动”为重要特征的市场竞争加剧，传统的制造业正在发生极其深刻和重大的 转变。到目前为止，人类社会的制造模式发展大约经历了四个阶段：第一阶段 手工制造；第二阶段机械化制造；第三阶段自动化制造，又可分 为：单机自动化和生产线自动化；第四阶段信息化制造，目前正处在这第 四阶段中。该阶段的制造技术己成为制造行业中的一个普遍关注的热门话题。 尽管制造技术不及某些尖端技术那样发展迅猛，但制造业是国民经济、国防和 整个工业的基石，制造技术是制造业的技术支柱，工业化国家的物质财富中 7 0 8 0 来于制造业。因此，有关二十一世纪制造模式和制造企业的发展战 略自然成为探索的焦点n4 5 】。 随着科技发展和社会环境因素的变化，世界制造业已进入了一个巨大变革 的时期。其主要特点有： 制造业的产品结构，生产模式和生产过程发生了剧烈的变化。 相对稳定的市场已变成动态多变的市场。 产品的创新、质量、价格、交货期及服务已成为制造企业竞争力的五 个决定性因素。 传统的劳动方式、管理方法、组织结构及决策准则都经历着新变革。 生产能力( 包括资本、信息、技术等) 在世界范围内迅速提高和扩散 已形成全球性的激烈竞争格局。 为了适应这些变革，现代制造系统的范畴也相应扩展，它包括从产品开发， 计划管理到生产过程，也涉及到市场、经营、服务等多个方面，因而必然会从 多个角度提出现代制造模式的概念、原理和方法。目前具有代表意义的主要制 造模式有：计算机集成制造( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g , c i m ) ， 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g c e ) ，敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g , a m ) ，拟实制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gv m ) ，分布式协同设计和制造 ( d i s t r i b u t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g , d c d m ) 和全球制造 等。 这些制造模式及其系统虽然在形式上是多种多样的但它们的总目标几乎 是一致的，即都是要在面临全球竞争的环境下，通过不断变化，快速响应，加 强产品整个生命周期内的质量服务来提高制造企业的竟争能力并赢得市场 新的制造理念的出现，给制造企业带来了深刻的变化。其中，最为重要的 是为企业的业务流程重组及价值链重组提供了更为丰富的选择。把企业建立在 重庆大学博士学位论文陈小安第- - 章设计技术发展趋势及协同设计产生的基础 因特网( i n t e r n e t ) 上，即信息高速公路上，就能获得许多全新的概念：首先是 全新的企业概念，即虚拟企业或虚拟公司一以产品为纽带，以竞争实力和信誉 为依据合作组成动态公司，这种虚拟公司把制造企业从传统的金字塔式的固定 的组织结构形式发展为多元神经网络式的多维动态组织结构形式；其次由全新 的企业概念又产生了全新的组织管理概念，以及全新的生产和产品开发概念 等。从另一方面讲，据国外资料分析协l ，自从1 9 世纪7 0 年代到2 0 世纪的9 0 年代这1 2 0 多年里。制造过程的效率提高了2 0 0 0 ，生产管理的效率提高了 8 0 - 1 2 0 ，而产品设计的效率仅提高了2 0 左右。因此。产品的设计效率已成 为缩短产品开发周期的制约因素之一。 计算机辅助技术作为企业产品开发的重要工具，必须适应这种全新的企业 概念，提高设计效率。但传统的计算机辅助技术包括c a d c a m 等等产品开发技 术已不能适应现代的“全球市场”和由此产生的“全球制造”的趋势。因为， 几乎任何两个不同的应用软件都不可能直接交换和共享设计数据等信息。有国 外资料指出 6 】，在企业中每天大约有1 3 到1 4 的设计，管理工程技术人员并 不是专心于自己的本职工作，而是在开会，讨论，等待或处理各种信息。 近年来，计算机支持协同工作( c o m p u t e r s u p p o r t e dc o o p e r a t i o nw o r k ， c s c w ) 环境，因特网( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 技术、虚拟现实技术、多媒体技术以 及并行工程的概念等的发展，为开发适应“全球制造”的产品设计开发技术一 基于网络环境的协同设计技术莫定了基础。 2 2 设计技术概述 2 2 1 设计技术发展阶段 设计是人类为了实现预定日标而进行的思维过程，表述过程及实施过程的 基本活动。人们根据生产和生活的各种需要。通过这种基本活动把需要的设想 变为现实。迄今为止，人类所创造的精神文明和物质财富均与广义设计紧密相 关。可以说，设计几乎和人类同时诞生，但人类意识到用科学技术指导设计过 程则是从十五世纪后半叶开始。而在十七世纪牛顿发现物理学三大定律后才真 正实现这种指导。可以说，科学技术的发展，设计才完成从直觉一经验一现代 设计的演进设计方法的发展可以根据其特征分为五个阶段，如表2 1 所示 以上五个阶段的划分是以设计整体特征为着眼点的。各个阶段之间实际上 存在着一定程度的交错和重叠而作为设计者所采用的设计方法和设计技巧仍 然与其个人的知识，经验。直觉及其灵感有关。 表2 1 还说明，科学技术的发展有力地促进了设计理论，设计方法和设计 技术的形成，发展和完善，以及促进了设计效率的提高，尤其是近年来的设计 方法的快速演迸。另一方面，设计也从个体工匠进化成多学科专家的集体行为。 6 重庆大学博士学位论文陈小安第二章设计技术发展趋势及协同设计产生的基础 表2 1设计方法的发展五个阶段 时间阶陂设计方法圳蹴盖设计方澍新l 自然观e 的启示工匠个体劳动( 智力) ： 十盂b 战蝽i j 暾升直观感觉a 佯域 简单力学女畦r簿蝴 - t 哼州觊经验没汁 简单办学原理和雒n 赙原设计音个人才能和经硷自弹工 - 叶呐世纪中理蛏l 姘峡比具向件兢机械发展 寸咦牲髭一半经验堡计 机诫私仂学中分离形成有韧步哂划嘲理沧j 卜世纪 c l j 蚶r 触i 的学件悬计桂初 鲔妇织的开蝌刮l f 匕工 术的基础理屯对设计的认住许麴盼恢椰刈 考现 识开始u 介橐荆戈共巨成的产品图纸和手册中的经硷 教培 ：卜世纪中一现槲( ”随着数学方法控制氆色等设计z 具苹抵a 馘技柑帔 j p 世纪年f t 未科釉钹展现糟电蝴陆材矗鼢姘啦术的完善； 运渐形成嗣荦体系计算枷l 抽埘i 术的产生和城曩 ，卜世纪8 0 年代末硬代i 耕( 2 )科算机科攀与技术。德电子设计憾岛他声瑶模型戴字化 理在拭杞通讯 主术& 擅自挂术 晰戒搠匕虚i 洲匕知识 与设计拉术的融夸 惆分粕b 2 2 2 设计技术的特征 设计就是创新 分析是认识世界的过程，而设计是改造世界的过程。设计是人类创造性的 劳动，设计的本质是创新川。在这里我们需要把产品的复制设计摔除在外，仿 制或测绘已有的产品不属于产品创新范畴【。l ，虽然仿制和测绘本身可能同样需 要克服许多困难，但是在产品中并没有物化了的新知识。同时，对这一问题， 要从开放的环境中来认识，填补国内空白是封闭的观念。设计创新可以分为两 类：从无到有的发明，原理性的改变，产品具有完全创新的功能；融入重要的 新技术，在前一类创新基础上的改进，产品竞争力有重要提高。 新产品并不都是完全新的，也就是说。即使是具有完全创新功能的产品一 定含有以前创造的知识。但新产品必有新功能，新外观等创新成分。这些新成 分对产品性能，价格进而对其竞争力影响的大小决定了它的“新”的程度例。 随着科学技术的飞速发展和人类创造的知识的“爆炸”，产品更新换代速度加 快，设计者越来越不可能依赖经验进行设计了，而不得不更多地去学习和获取 有关设计任务的新知识。 设计居于产品创新的上游，确定产品的功能和成本 设计是建立产品开发技术系统的重要环节，它确定了产品的功能，可制造 7 重庆大学博士学位论文陈小安第二章设计技术发展趋势及协同设计产生的基础 性，适应性和经济性，设计的意图与产品开发