（机械制造及其自动化专业论文）协同设计中过程管理系统的研究.pdf

中南大学硕十学位论文摘要 摘要 协同设计是指各成员在计算机的支持下，通过分工与协作共同 完成某一设计目标的设计方法，包括项目管理、资源管理、过程管 理及交流工具管理等。 本文研究的过程管理系统即是协同设计系统中的一个子模块，主 要是指协同设计过程规划和协同设计过程控制两部分，前者主要是 指任务分解与分配及任务查询等，后者主要是指对设计过程中的约 束与冲突进行管理。 过程管理系统主要是在分布式的环境下，通过与c a d 的有效集 成，针对不同类型的人赋予不同的权限，从而对协同设计过程中的 约束情况及可能产生的冲突进行管理，以满足协同设设计系统的发 展需求。本文的主要工作如下： ( i ) 研究了协同设计过程管理系统的内部体系结构及其核心技 术如约束管理、冲突管理等； ( 2 ) 提出了基于设计b o m 表进行任务分解的方法，改变了传统 的以部门为单元进行产品设计的任务组织形式； ( 3 ) 建立了层次型的产品约束信息模型，运用s q ls e r v e r 2 0 0 0 设计了系统的关系数据库如约束库、零部件信息库等； ( 4 ) 以v i s u a lc + + 为开发平台对协同设计过程管理系统进行了 设计，并较详细的介绍了其主要功能模块； ( 5 ) 实现了过程管理系统与c a d 的有效集成。 过程管理系统作为协同设计系统中的一个子模块，不仅可有效的 与整个协同设计系统集成，对其研究可利于协同设计系统更进一步 的集成与发展，同时通过接口管理技术可与c a d 进行有效的集成， 此系统的采用能在一定程度上加速产品设计进程、提高产品设计效 率。 关键词：协同设计、约束管理、关系数据库、v i s u a lc + + 中南人学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c o l l a b o r a t i v e d e s i g ni san e wt e c h n o l o g ya n dc a nf i n i s hac o m m o n w o r kb yt h ec o o p e r a t i o na n dd i v i s i o nb a s e do nc o m p u t e r t e c h n o l o g i e s ， w h i c hi n c l u d e m a n y k n o w l e d g e ，f o re x a m p l ep r o j e c tm a n a g e m e n ta n d r e s o u r c e s m a n a g e m e n t a n d p r o c e s sm a n a g e m e n ta n de x c h a n g et o o l m a n a g e m e n ta n ds oo n p r o c e s sm a n a g e m e n ts y s t e mi sas o nm o d u l eo fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n s y s t e mi nt h i st h e s i s ，w h i c hd e a lw i t ht h ep r o b l e m so f p r o c e s sp l a na n d p r o c e s sc o n t r o l ，t h ef o r m e ri sm a i n l yt a s kd e c o m p o s i t i o na n da s s i g n m e n t ， t h el a t t e ri sm a i n l yc o n s t r a i n t m a n a g e m e n ta n dc o n f l i c tm a n a g e m e n ti n t h ep r o c e s so f c o o p e r a t i v ed e s i g n p r o c e s sm a n a g e m e n t s y s t e mi si nt h ed i s t r i b u t e ds i t u a t i o na n dg i v e d i f f e r e n tr i g h tt od i f f e r e n tp e o p l e ，w h oc a nt a k et h ec h a r g eo f c o n s t r a i n t m e s s a g e sa n dc o n f l i c ti np r o c e s so f d e s i g ni no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n d o f c o o p e r a t i v ed e s i g n t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei n n e r s y s t e m s t r u c t u r ea n dt h em a i nf u n c t i o nm o d u l e i n c l u d i n g c o n s t r a i n ta n dc o n f l i c tm a n a g e m e n to fp r o c e s sm a n a g e m e n t s y s t e mi nc o o p e r a t i v ed e s i g nb a s e do nc a d i sr e s e a r c h e d ( 2 ) t h em e t h o do ft a s kd e c o m p o s i n gb a s e do nb o mo fd e s i g ni s p r o p o s e dt oc h a n g et h et r a d i t i o no r g a n i z a t i o nf o r mw h i c hd e s i g np r o d u c t a r o u n dd e p a r t m e n tt oa s s i g nt h et a s k ( 3 ) 1 1 b el a yp r o d u c tc o n s t r a i n tm e s s a g e m o d e li sb u i l ti nt h eb a s eo f t r a n s f o r m a t i o no fc o n s t r a i n ta n dr e l a t i o n sd a t a b a s ef o r e x a m p l ec o n s t r a i n t d a t a b a s ea n dp r o d u c td a t a b a s ea r eb u i l tw i t hs q ls e r v e r2 0 0 0 ( 4 ) p r o c e s sm a n a g e m e n ts y s t e misd e s i g n e dw i t hv i s u a lc + + ， w h i c hm a i nm o d u l ei sr e d u c e d ( 5 )i n t e g r a t e d c a dw i t hp r o c e s s m a n a g e m e n ts y s t e mw i t h o b j e c t a r xa n da c t i v e xt e c h n o l o g i e sa n ds oo n p r o c e s s m a n a g e m e n ts y s t e m b eu s e da ss o nm o d u l eo f c o l l a b o r a t i v ed e s i g n s y s t e m ，w h i c hn o to n l yc a nb ei n t e g r a t e dw i t h o t h e r ss y s t e m si nc o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e m ，b u ta l s oc a nb eu s e da sa s u b s y s t e mb yu s i n gm o d u l ei n t e r f a c et e c h n o l o g y ( f o re x a m p l ei nc a d s y s t e m ) i tw i l li m p r o v ee f f i c i e n c ya n dp r o c e s s e so fd e s i g nt os o m e n 中南大学硕+ 学位论文a b s t r a c t e x t e n t ，a tt h em e a n t i m ew i l lb e n e f i tt h ei n t e g r a t i o na n dd e v e l o p m e n 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 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 、c o n s t r a i n tm a n a g e m e n t 、r e l a t i o n s d a t a b a s e 、s u a lc - i - q - m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了论 文中已注明的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过 的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献，已在论文的 致谢语中作了说明。 作者签名：日期：u 匈年6 月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段 保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交 学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提 供使用。 日期：盟年土月上日 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着世界市场竞争的不断加剧，传统的设计方法已无法跟上时代的步伐，各 种先进生产技术如敏捷制造、并行工程、虚拟技术、精良生产及各种新的管理理 念如产品数据管理( p d m ) 、企业资源计划( e r p ) 、制造资源规划( m r pi i ) 等纷 纷出现，从而进一步的强调以多学科专家组成的产品开发小组为单位，把这些新 的理念、方法与传统的设计方法、技术等结合起来，最大限度地共享企业内外部 的各种资源，协同设计就是建立在这些新的理念与方法的基础之上的。 目前，协同设计越来越成为关注的焦点，而协同设计中涉及的关键技术很多， 如数据管理技术、协同工作管理技术、面向对象技术、计算机网络技术、协同过 程管理技术等，本文主要针对协同设计过程管理技术展开研究。 1 1 协同设计系统的国内外研究现状 协同设计的出现，使设计从传统的以管理驱动的组织运作模式转化为内部成 员为了一致目标而分工协作的组织运作模式，对缩短产品开发周期、降低产品成 本、提高产品质量等具有特别重要的意义。目前针对协同设计系统的研究较多， 文献【4 】中对协同设计的研究与发展现状做了较详细的说明，同时有大量的协同 设计软件包已开始出现。 首先是m i t 公司的i r e ng r i f 和d e c 公司的p a u lc a o h m a o 提出了计算机支 持的协同工作( c s c w ) 的概念【n ，至此产生了一系列协同设计( c s c d ) 产品： 德国f r a u n b o f e r 计算机图形研究所的s t o r k 提出了建立分布式产品开发环境 c o c o n u t 和协同应用s h a r e d3 dv i e w e r 【2 ： 新加坡国立大学开发了一个w p d s s 系统，以支持网络协同设计，服务器提供 c a d 几何和工程信息，客户端共享这些信息【3 】； 清华大学开发了基于c o r b a r 面向对象技术的c s c d 系统，实现跨异构平台 产品设计的整体优化、冲突协调和协同决策【4 】； 南京理工大学提出了e c w s 实现网络化协同制造，并提出了m i c r o s o f t n e t m e e t i n g 为协同支持工具分散在异地的用户提出了一个“你见即我见”的实 时协同工作环境 华南理工大学提出了基于v p j 4 l 和j a v a 的虚拟现实协同系统，可以在网上建 立虚拟环境，增强c s c d 的交互性和客户端的平台无关性【6 】 就目前来讲，国外c s c d 的研究比较成熟，有的已在实际中得到应用，并取 得了很好的成绩，国内近几年也进行了一系列的研究，但多偏重于c s c d 的可行 性分析，理论模型的建立等，若要实现真正意义上的c s c d ，仍需要做大量的工 中南大学硕七学位论文第一章绪论 作。目前研究重点仍将集中以下几个方面： 协同设计行为的研究： 从行为学、社会学、心理学等方面进行研究； 信息共享与协调机制的研究：指信息共享方法以及协同设计的方式； 协同过程方面的研究：如对冲突管理方面的研究；通过组建一种新型的 协同设计模式，研究约束求解问题等。 1 2 协同设计过程管理系统的研究现状及发展趋势 协同设计过程管理是协同设计系统的一个分模块，协同设计过程主要包括协 同设计过程规划和协同设计过程控制两部分，后者主要是指约束与冲突管理系统 【刀。在产品的协同设计过程中，通过建立一种新型的过程管理模式并通过产品数 据信息的共享及有效的交流机制，来及时解决协同设计过程中的一系列问题。 任务规划的主要目标是把任务分解成为可操作性强的任务群，近年来国内外 学者对协同设计中的任务规划问题进行了大量的研究，文献【8 】提出了一种称为 d e s i g nr o a d m a p 的建模方法，并用它建立了协同工程过程的依赖关系模型框架； 文献 9 】综合考虑设计单元、设计任务和设计资源3 个方面，提出了工程设计的 依赖量化模型；文献 1 0 提出了一套从构造到割裂数字双指标耦合任务集的系统 方法，文献 1 l 】提出了将大规模任务组实现分解的算法；文献【1 2 】对设计活动进 行排序，然后对耦合任务集中的耦合任务进行合理排序，以确定任务的执行次序 等，协同设计过程中任务的规划比较复杂。 同时协同设计过程中的约束与冲突问题也是一个相当复杂的问题，它涉及多 学科知识、多种技术，针对其研究办较多，如文献【1 3 】中以约束为基础重新定义 了协同设计过程中的主模型、客户端模型，讨论了冲突的产生与分类，建立了以 约束满足等式为核心的冲突协调机制等；文献 1 4 1 5 1 6 1 q b 是基于约束的冲突检 测研究，如提出了以人为核心的非形式化方法和以约束管理工具为核心的形式化 方法相结合的检测方法等；文献【1 7 】从并行工程和协同设计的角度出发，阐述了 产品开发过程中的变动及其管理，给出了面向并行工程的变动约束管理的方法， 以有效地支持参数与公差设计；文献 1 8 】通过扩大约束解空间来有效的避免冲 突，提出一种新的求解方法( c d s s - _ c o l l a b o r a t i v ed e s i n gs p a c e s o l v e r ) ，以 利于基于约束的冲突的解决；文献 1 9 】从信息交流的角度出发，设计了协同设计 过程中的交流工具，以通过发布信息的方式协商解决基于约束的冲突；文献 【2 0 2 1 研究了协同设计中各种冲突的含义，文献【7 】对协同设计中新产品开发影 响冲突管理的各因素加以了详细的论述，并提出了冲突管理的层次模型等。上述 这些工作对协同设计过程中约束与冲突的管理奠定了坚实的基础，但是从一定程 度上来讲仍具有一定的局限性。 2 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 目前协同设计过程管理系统的研究正处于蓬勃发展阶段，其发展趋势表现在 如下几个方面阱】【捌： 从产品设计出发，建立真正支持产品设计的系统开发过程模型和系统。 国内研究工作主要是从计算机及自动化领域出发，研究如何建立c s c w 环境，而从机械设计领域出发，对理论方法及关键技术的研究较少，这 将是今后的研究热点之一。 向标准化、规范化发展。c s c d 技术是一门新兴的学科，不仅需要统一的 术语标准，同时也需要有统一的技术标准。 应具有更好的开放性、集成性及智能性。开放性是指支持现行的各种多 媒体软硬件平台、网络平台及协议，使系统可跨异构平台运行；集成性 是指系统主要应用在c a d c a m c a e c a p p 的集成化中，应可集成多种应用 工具；智能性是指在系统中嵌入智能单元( 专家知识库) 等。 1 3 协同设计过程管理系统的软件开发工具 本文选用的这几种开发工具，其功能强大，同时v i s u a lc + + 、s q ls e r v e r 。 a d o 等都是m i c r o s o f t 公司的产品，o b j e c t a r x 的软件配置要求也只要v i s u a lc + + 与m i c r o s o f tw i n d o w s9 5 或w i n d o w sn t 4 0 以上版本环境即可，与广大用户所 用的w i n d o w s 操作系统能结合完整，从而具有更加广泛的应用前景。 1 3 1s o ls e r v e r 数据库 s q ls e r v e r 是m i c r o s o f t 的大型数据库服务器，其性能指标在各方面都有赶 超o r a c l e 数据库的趋势，虽然性能方面还不能与其媲美，但是在易用性等方面却 继承了m i c r o s o f t 的一贯风格，越来越被用户所接受，并被用户所采用。因此本 文采用s q ls e r v e 数据库作为数据库支持平台，它具有以下的一些优点 2 4 】： 完全的w e b 支持 s q ls e r v e 提供了以w e b 为基础的扩展数据库编程功能。丰富的r r 标准支 持允许使用内置的存储过程以及轻松存储和检索数据。还可以使用标准接口更新 程序，容易插入、更新和删除数据，通过w e b 轻松访问数据。 高度的可伸缩性和可靠性 由于利用了对称多处理器( s m p ) 系统，s q l 最多可以使用3 2 个处理器和 6 4 r a w 。向外扩展可以将数据库和数据负载分配给多台服务器。通过增强的故障 转移群集、日志传送和新增的备份策略，达到了很大的可用性的要求。 集成和可扩展的分析服务 利用s q ls e r v e 可以建立带有集成工具的端到端的分析解决方案，从数据创 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 造价值，同时带有交互式的调节和调试查询、从任何数据源快速移动和转化数据 以及按t r a n s a c t s q l 方式定义和使用函数等功能。 简化的管理和调节 s o ls e r v e 比o r a c l e 简单，比m y s q l 强大，全图形界面，和w i n d o w s 结合紧密， 它使数据库易于安装、使用和管理组合在一起称为“操作简单”是一个 减少成本的关键因素。m i c r o s o f t 产品具有易于使用的美誉，s o ls e r v e r 就得益 于让人感到使用起来比较容易。 1 3 2a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t s ) a d o 数据库访问技术是微软提供的基于组件的面向对象的接口，它是一个和 编程语言无关的c o m 组件系统，与o l ed b 类似，但接口更简单，具有更广泛的 特征数组和更高程度的灵活性，除了面向v c h ，还提供面向其他各种开发工具 的应用，如v b ，v j 等，a d o 在服务器应用方面非常有用。 a d o 对象结构类似于o l ed b ，是一组单一的对象属性和方法，但并不依靠对 象层次。大多数情况下，用户只需要创建并只使用需要处理的对象，便可以利用 它们执行各种各样的与数据库相关的工作。a d o 有三大对象：c o n n e c t i o n 对象用 于表示与数据库的连接，以及处理一些命令和事务，其连接的详细信息用 c o n n e c t i o n 对象的o p e n 方法的参数来表示；c o m m a n d 对象用于处理传送给数据 源的命令，主要是通过s o l 语句制定命令文本，通过c o n l n a n d 的执行来到达目的 或获得所需要的记录集；r e c o r d s e t 对象用于处理数据的表格集，包括添加、删 除、修改、更新数据【2 5 1 。 a d o 的主要特点是占用内存少、速度快且易于使用。利用a d o 连接数据库还 具有以下的优点： a d o 对象可以直接、独立的创建而不需要依据上下层次顺序产生 a d o 不仅可以访问关系数据库，还可以访问非关系信息源。 a d o 是多线程的对象，在出现大量并发请求时，也同样可以提供与远程 数据库的高效连接与访问。 a d o 支持带参数和返回值的存储过程。 1 3 3v i s u a i 斗 v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司开发的基于c c + + 的集成开发工具，它是一种 面向对象的可视化程序设计语言，面向对象程序设计思想进行编程的好处是用户 可以继承他人编写的代码，并在此基础上开发自己所需的功能【2 6 】。 在v i s u a lc + + 程序设计中，主要是通过“类”把大部分与用户界面有关的 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 w i n d o w sa p i 函数封装起来，并以k l f c 类库的方式提供给开发人员使用，这样大 大地提高了软件的重用性，节省了大量的开发工作量。利用v c + + 编程开发难度 小、开发工作量小、源代码效率高，并且v c + + 有着较强的数据处理和图形处理 功能以及很好的实时性。不仅如此，它还提供了强大的数据库访问技术，如o d b c 、 o l ed b 、a d o 等接口技术，另外也支持o l e 技术和a c t i v e x 技术，可以使开发者 利用v c + + 中提供的各种组件、控件以及第三方组件来创建自己的程序，实现应 用程序组件化，使其具有良好的可扩展性，真正实现面向对象编程。 同时其运行速度快、编程方便、扩充性和可维护性强，可以提高开发效率、缩短 开发周期，而且程序的稳定性能好，是作为软件开发的首选工具。 1 3 4o b j e c t a l 触( 本文将用到的是a u t o c a d 的二次开发工具o b j e c t a r x 。它包括一组动态链接 库( d l l ) ，这些库与a u t o c a d 在同一地址空间运行并能直接利用a u t o c a d 核心数 据结构和代码，库中包含一组通用工具，使得二次开发者可以充分利用a u t o c a d 的开放结构，直接访问a u t o c a o 数据库结构、图形系统以及c a d 几何造型核心， 以便能在运行期间实时扩展a u t o c a d 的功能，创建能全面享受a u t o c a d 固有命令 的新命令，当按需要加载应用程序时，使得应用程序能在同一水平上与w i n d o w s 系统集成，并与其它w i n d o w s 应用程序实现交互操作 2 7 1 。 o b j e c t a r x 核心库组件是a c d b 、a c e d ，另外的重要库组件为a c r x 、a c g i 、 a c g e 、a d s r x 。应用程序主体框架由5 个部分组成：入口函数a c r x e n t r y p o i n t ( ) 、 注册命令a d d c o m m a n d 0 、加载函数i n i t a p p l i c a t i o n ( ) 、消息响应函数( 自己定 义) 、卸载函数u n l o a d h p p l i c a t i o n0 。 叻j e c t a r x 提供了一组类，能够创建基于m f c 的应用程序：一个称为a d u i ， 它是一个m f c 扩展动态链接库，用于扩展某些与u i 有关的m f c 类。另一个称为 a c u i ，它是在a d u i 架构基础上建立的，提供a u t o c a d 专用的外观和特性。 1 4 本文的研究背景及主要的研究内容 产品的开发是一个复杂的过程，就整个产品而言它主要是指方案可行性论证 阶段、产品设计阶段、产品试制阶段及生产定型阶段，其设计活动越来越强调基 于知识的创新设计，传统的设计方法已不能满足这种设计趋势的要求。因此怎样 把上述情况与设计方法很好地协同起来的问题引起了大家重视，特别是随着网络 技术、信息技术、自动化技术和制造技术相互渗透和融合，人们相继提出了很多 新的理论，如并行工程、敏捷生产、虚拟设计等，而协同设计就是建立在上述问 题之上，再在上述理论成果的基础上发展起来的，目前已经成为计算机辅助设计 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 领域的研究热点和前沿技术，并显示出良好的发展前景。 产品设计内容和方式的根本变革，正有力而快速地改变着传统的工程设计方 法和设计过程的管理模式，成为产品制造单位赖以保持竞争优势、开拓设计市场 的主要技术手段。而面对不断涌现的新技术和市场竞争要求，迫切需要开发高效 能的、即能支持以往的工作又能支持现代新技术的工作平台， 协同设计系统即 在此基础上应运而生。 而大量资料表明，产品成本的绝大部分是由设计阶段决定的。目前，一方面 已采用了c a d 系列等先进技术，但由于此类技术是分别在不同时间引进的，并且 一直采用“串行设计”的传统方法，尽管已开始实施p d m c a p p c a m e r p 等技术， 可设计过程中的各种设计约束与冲突问题依旧难以顺利解决。因此本文将着重于 协同设计过程方面的研究，通过信息共享、任务分解机制，特别是针对设计中的 约束条件与设计冲突，研究协同设计的过程管理问题。 本文的主要研究内容如下： 概述协同设计的定义、特点及其协同含义；探讨协同设计的体系结构和 主要功能模块以及支持协同设计的软硬件环境；在此基础上研究和分析 协同设计的实现方式和协同设计过程管理技术的重要性。 对协同设计过程管理系统中的关键技术进行详细的研究。分析任务分解 的必要性及其分解方法、原则等，研究设计过程管理中约束与冲突的定 义、特点、产生根源、种类，并提出以产品结构树为中心建立约束网络 并进行约束满足求解的约束管理机制，从而更进一步对基于约束的冲突 预防、检测、消解技术等进行研究； 对系统进行总体需求分析，从总体上对协同设计过程管理系统进行设计 与规划，并重点对协同设计过程管理中的涉及的数据库问题进行详细的 设计与说明，包括数据库的建立、数据库逻辑结构设计、数据库表类的 分析及其构造函数的主要功能、a d o 对数据库的访问等，同时对支持协 同设计过程管理的a u t o c a d 系统进行二次开发，以与整个应用系统集成； 从产品设计过程的协同方面出发，运用应用面向对象的程序设计方法学、 产品数据管理技术及c a d 参数化设计思想，以v i s u a lc + + 6 0 和s o l s e r v e r 2 0 0 0 为开发平台，设计人机界面比较友好、直观易用的协同设计 过程管理系统。 6 中南大学硕士学位论文第二章协同设计过程管理系统中的关键技术 第二章协同设计过程管理系统中的关键技术 协同设计过程管理系统作为协同设计系统中的一个子模块，其涉及到的关键 技术较多，主要包括任务的分解、分配与查询及约束管理与冲突管理等，本章主 要从以下几个方面展开研究。 2 1 协同设计概述 2 1 1 协同设计的特点及其“协同”含义 协同设计是近年来新提出的一种产品开发模式，它强调在计算机协同工作环 境中，通过对复杂结构产品设计过程的重组、建模优化，建立产品协同设计开发 流程，并利用产品数据管理等集成工具，进行系统化的协同设计工作模式。目前 对协同设计的定义较多，在文献 2 8 】 2 9 】中都有较详细的描述，总的来讲尽管其 各种定义还不是很一致，但都是“计算机技术支持下的协同设计”，集成了现代 设计中许多新方法、技术、思想、模式，它要求不同部门之间的设计者不但要考 虑到设计本身的技术问题，而且还要考虑市场需要、用户要求、制造、装配、维 护以及环境保护问题，其涉及到销售、设计、工艺、生产、质保、供应、财务等 各个部门。协同设计既是一种现代设计技术，也是一种现代管理技术，在不同应 用领域具有不同的组成系统，其机械制造领域通常具有以下共同的特点f 蚓【3 2 】： 共享性信息的共享是协同的基础，多知识源之间的交流互补是协同 求解的本质，信息的共享主要通过各种产品数据管理来实现。 分布性一首先须是一个分布式系统，常常是客户、销售人员、采购 人员等分布在不同地方，因此它得支持各节点之问的信息传输； 异构性协同设计系统的工作平台具有异构性，主要体现在共享的数 据源、求解知识的表达方式，使用的操作系统以及硬件结构等方面； 并发性和一致性系统允许用户同时操作，需要维护数据的一致性； 面向任务的时效性一多个用户围绕一个任务来完成，而且任务完成后 协同小组就解散，再对新的任务重新组建新的协同设计； 开放性一协同的过程没有一个固定的模式，它会因为个体的不同而不 同，协同设计的结果也是一个相对的解决方案，可能因为个体的增长或 协同工具的增强而得到进一步的解决方案。 协同设计过程中根据工作并行在时间和空间上的分布，可将其分为纵向协同 和横向协同。纵向协同一般是指设计过程中不同设计阶段的并行交叉和相互补偿 监督，主要通过上游环节与下游环节有效的交流来实现；横向协同一般是指设计 过程中同一设计阶段的不同设计专业的设计活动的交叉，强调一个协同设计小组 7 中南人学硕士学位论文第二章协同设计过程管理系统中的关键技术 通过一定的规定来同步或异步地完成一个复杂的任务 4 1 。两种协同在设计过程中 的信息交互具有不同的特点：纵向协同侧重于设计活动间数据输入与输出，是一 种数据依赖关系，比如工艺设计必须在结构设计部分完成的基础上才能开展，工 艺设计的结果反过来又能影响结构设计的修改完善；横向设计主要受设计对象之 间的数据和功能约束的限制，是一种数据约束关系，比如复杂产品各个组成部件 之间的数据关联关系就是一种数据约束，当某个部件的设计数据更改后，必须对 与之相关的部件也作修改，以保证最终产品中没有数据冲突和干涉。 总的来讲，其“协同”含义具体体现在以下几个方面p 3 】： 产品设计信息的协同一一由于同一信息源在不同的设计环境中描述不尽 相同，不同的设计单元出于不同的需要，对信息的使用方式也有差别， 因此存在不同设计单元之间设计信息的规范和标准，即需要信息的协同； 设计过程的协同各个设计单元所承担的子任务间存在一些关联性， 这决定了各个设计单元的设计活动必须按一定顺序协调一致地进行； 设计工具的协同一不同设计单元根据自身拥有的设计资源所使用的 设计工具不完全一样，同一设计单元也可能使用多种设计工具，协同设 计可提供这些设计工具的管理方法； 设计环境的协同协同设计是跨部门、甚至跨企业的活动行为，不同 部门或企业的设计环境存在差异，并且这种异构的设计环境有可能随着 设计的进程是动态变化的； 网络通讯的协同异构环境下各个设计单元之间的通讯过程包含对不 同的知识理解以及表达方式之间的转换等协调工作。 2 1 2 协同设计系统的网络集成框架及其体系结构 “集成框架”是指在异构、分布式计算机环境中能使企业内各类应用系统实 现信息集成、功能集成和过程集成的软件系统【卅。协同设计系统的集成平台，须 篙旷 。，广? 、同蒹 阳毒- 爿蚓需习气盛到 一中央服务器 l 图2 - 1 分布式集成环境 实现以下三个方面的要求：从管理产品设计数据为核心向管理产品设计过程 8 中南大学硕士学位论文第二章协同设计过程管理系统中的关键技术 为核心转变；从支持串行工作向支持并行工作的转变；从孤立模式向协同模式的 转变并能方便地实现对应用工具的封装【”l 。 目前大多数协同设计系统框架的构建都采用分布式的体系结构，分布式是无 集体控制的网络结构，每一个领域的设计都没有主次之分，而且每个设计领域之 间存在一个可能的直接通信，数据与知识可以分布于各个设计主体之间。如图 2 1 所示的分布式集成环境，其上具备完整的图形设计模块和数据存储模块，还 有通信模块。其较具体的协同设计集成框架如图2 - 2 所示： 图2 - 2 协同设计系统的集成框架详图 协同设计系统的集成框架，为产品设计过程管理提供了一个统一的产品信息 源和必要的跨平台软件支撑环境，不仅可用于集成产品的数据存储与管理工作， 而且可更广泛地应用于对产品的变更控制、工作流程管理工作、产品配置管理等。 在协同设计系统中，由于企业内部与企业成员间的协作方式并不相同，对企 业内部人员而言，参与产品研发的所有人员应能在其权限允许范围内可以共享所 有相关的资料、并对其进行相应的操作如查询、编辑图纸、审阅文件等，此时可 采用c i s 结构；而对企业外部来讲，项目研发企业则可采用b i s 结构发布部分其 认为可公布的数据( 关键的数据交流可能通过专人负责分发) 。所以整个协同设 计集成系统可采用c s 和b s 并存的体系结构。 目前流行的两种计算机应用程序体系结构主要是指c s ( 客户机服务器) 体 系结构和b s ( 浏览器服务器) 体系结构，其主要区别如下表2 1 所示。 9 中南大学硕士学位论文第二二章协同设计过程管理系统中的关键技术 表2 - 1c s 与b s 体系结构的主要区别 整个协同设计系统的主要功能模块及其体系构成如下图2 3 所示，从图可知， 协同设计系统的主要功能模块有： 用户管理系统一在协同管理系统中，必须为系统管理人员提供了友好 的用户管理界面和管理功能，如定义和维护元数据、改变用户授权、管理 数据分布、管理系统备份等。 资源管理系统在协同设计系统中，由于涉及到较多的资源管理方面 的内容，所牵涉到的知识面特别广，特别复杂，如果没有专门的资源管 理模块，很多工作会无法展开，因此资源管理模块在协同设计管理系统 中依旧占很重要的位置。 项目管理系统一一项目管理主要是协助协同设计系统进行更为复杂的 一些管理功能，如关键设计路径的决定、资源的规划与管理等等。 过程管理系统过程管理模块主要为协同设计过程的管理提供保证， 它是协同设计管理系统中的关键模块之一，具有至关重要的意义。下面 将对其涉及到的关键技术进行较详细的研究。 1 0 中南人学硕士学位论文 第二章协同设计过程管理系统中的关键技术 图2 - 3 协同设计系统的体系结构 2 2 协同设计过程管理系统中的任务分解 2 2 1 任务规划及其任务分解 协同设计过程中，为了有效地组织设计与生产，必须对产品开发过程中涉及 到的众多信息和资源进行有效的组织，并使其发挥出最大效益，因而在设计的初 始阶段应对设计过程进行有效的规划，以最大限度地满足设计过程各阶段的信息 需求为准则对设计活动分解并排序，从而较简化地解决复杂的问题。 任务规划一般是指对产品协同设计过程中的各种任务进行分解、分配、监控 所执行的任务等，以简化设计活动之间的复杂联系及并整理出整个设计过程的规 律与规则。任务规划主要包括任务分解、任务分配、任务进程监控及执行等等【3 6 1 。 任务规划具有“目标管理”的特色，只关心任务完成的结果如何，任务是否按时 完成，而不关心某一任务的具体执行过程，在这种管理模式下，任务的负责人可 以将所承担的子任务进行分解，定义下一级子任务，并对下级子任务进行管理。 协同设计过程中的任务规划模型如图2 - 4 所示。 任务规划中首先是任务分解，由于任何一个产品都可以拆分成若干任务的形 式，包括设计、制造、装配等多方面问题，并且通过多方面人员、部门和企业进 中南大学硕十学位论文第二章协同设计过程管理系统中的关键技术 行协同，因此可将总的任务产品进行分解。任务分解一般是指将设计总任务分 解成相互有机联系的子任务，以确定何种人员、部门在何时开始何种工作，在产 品设计过程中，各个子任务不仅可并行地进行。 ：j 图2 - 4 协同设计过程中的任务规划模型 任务分解的主要目的是降低设计问题的复杂性，就协同设计而言，只有将整 个产品的设计过程细化到可操作的程度才可能更好的开展工作。如果任务分解决 策不当，有可能造成产品开发中的各种冲突产生，并致使其它相关联的任务无法 开始进行，因此在协同产品开发过程管理中其任务分解有着关键的作用。 2 2 2 任务分解的原则、方法及其步骤 一个产品设计对象都是由一系列零部件按照一定关系组成的，任务分解在实 际应用中就是按照一定的要求将一个总的设计任务分解成多个设计子任务，并组 成相应级别的协同小组来协作完成。 而要使复杂的设计任务转化为许多简单、基本的设计子任务，功能是进行产 品设计过程中所必须达到的最重要的特性，因此任务分解原则可认为3 7 】【3 8 l ： 如果设计过程中要求首先满足功能要求，那么应根据设计要求进行分解； 如果单个的功能元已与设计中的要求相匹配，那么功能元就可不再分解； 设计子任务的分解应遵循共性与个性相互独立的原则，将共性问题和个 性问题分别划分在不同的子任务里，以便于分治处理； 设计予任务之问的约束应当满足最小条件，以减少相互间的协调、通讯； 设计予任务的个数和层次要适中，子任务太少会使一些子任务太复杂， 子任务太多又使得协调和综合各个子任务的总体控制与管理变得复杂； 设计子任务最好是均匀分解，即分解大小、规模、难易程度要尽量均匀， 以避免某一任务执行时间过长，从而影响整个的产品设计进程。 通常来讲，产品设计中任务分解的方法较多，如按部门分解任务，即在产品 设计过程中，根据产品的特点和各部门的职责及能力，将产品设计过程中不同设 计阶段的设计任务分给不同的部门；按功能分解任务，即按照产品组合过程中多 中南大学硕士学位论文第二章协同设计过程管理系统中的关键技术 个部件所具备的功能进行划分，按结构分解任务即将一个产品分为多个部件组 成，部件又由多个零件组成，从而将任务以零部件为粒度分给相关人员；另外还 有按设计流程划分，即将根据设计产品从概念设计至详细设计等具体的流程来分 解任务等等。 在实际应用中往往采用将其中两中方法进行适当的组合后来进行进行任务 分解。任务分解较繁琐，一般可遵循一定步骤来进行： 首先根据产品的总功能要求，将整个任务按照产品结构的不同分成几个 相对独立的子任务，为其指定人员负责，组成产品级的协同任务小组。 产品级的协同任务小组人员负责人根据自己负责的子任务，根据目前资 源状况进行进一步的任务分解，一般可根据已往经验，参考各种资料来 建立分解方案，从而形成部件级的协作任务小组。 此部件级的任务小组负责人结合实际情况，决定分解的粒度，将子任务 分解逐层细化，直到分解为不用再分的项目为止。 任务分解的具体实现方法较多，如层次型分解与多级协调技术相结合的方法 3 9 1 ，此方法简单且有规律，同一层子任务之间没有直接的信息传递，而是间接地 通过上一层的任务来协调。也可采用设计结构矩阵法( d e s i g nc o n s t r u c tm a t r i x ， d x m ) 4 0 l ，通过此方法将总的任务分解、细化为可操作的基本任务，而分解粒 度则依解决问题的要求而定。 2 3 协同设计过程管理系统中的约束管理 约束的产生与产品开发过程密切相关，在产品设计的每一阶段，涉及到的各， 个部门( 包括设计、制造、工艺、装配、成本、市场、客户与协作厂商等) 都要 参与到设计过程中去，并在此基础上实现d f m 、d f r m 、d f a 、d f q 、d f r 、 d f x 等设计原理；由于协同设计过程是设计者相互协作、共同来完成设计任务 的过程，任务小组的组成成员可以根据本人所代表的部门或领域的技术条件、限 定规范提出对产品设计的意见或观点，这就产生了约束。同时由于各成员可能来 自不同的部门，技术规范有差异，使得数据表示的形式和领域知识处于异构状态， 这将导致约束表达的形式化问题。且随着产品设计的进一步展开，可能会在进行 综合评价与总结的基础上，对产品设计进行更具体、更详细的约束条件，因此设 计约束的产生与协同设计过程相同，随着产品设计过程的逐渐展开而展开。 文献 4 h 对约束作出了较具体的定义，即一般认为约束即指产品开发过程中 上中下游各个部门、各个过程、各个活动以及特定的环境资源之间相互依赖、相 互制约的错综复杂的关系。约束包括各种关系，如数值关系、规则关系和限定关 系，是一个包括设计规范、设计对象的基本规律、各种一致性要求、制造技术水 中南大学硕十学位论文第二章协同设计过程管理系统中的关键技术 平、资源环境限制、相关的官方文件以及市场客户需求的所有信息的集合。 2 3 1 约束的特点及其种类 在协同设计过程中，各协同任务小组间的约束关系往往是不确定的，且与设 计过程密切相关，由于协同设计本身的特点及约束的复杂性，从总体上讲一般具 有分布性、分层性、动态性、并行性等特点。同时根据约束在协同设计中的作 用的不同可分为如下几种约束( 如表2 - 2 所示) 4 2 - 4 3 1 ： 表2 - 2 约束种类列表 约束种类说明 工程约束 性能约束 几何约束 知识约束 用于表达协同设计中的设计过程，主要包括可制造性约束和可装配性 约束，同时也可能涉及到可维修性约束与可回