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网络环境下基于o s o w 的协同设计管理系统的研究 摘要 现代产品设计的复杂性和时效性要求设计过程管理向更高层 次转移，能够支持多领域专家异地群组协同设计，以缩短产品开 发时问，提高产品质量和效率，从而增加企业的市场竞争力。针 对这种需求，本文在阐述了计算机支持的协同工作( c s c w ) 在设 计领域中的特殊应用一计算机支持的协同设计( c s c d ) 的现有发 展和缺陷后，提出了一种具有创新性的产品协同设计管理系统的 理论模型。分析了其组成和关键技术，并重点在q f d 方案决策、 项目管理与p d m 、协同工具与信息共享平台的建立、系统安全策 略以及冲突的产生与消解等方面作了具体的探讨。通过设计与管 理的结合，可为参与产品生产和设计的人员提供高层次跨领域的 协同设计过程管理支持，为产品的需求分析、最佳方案决策、设 计周期的缩短、质量和效率的提高等方面提供有效的支持。我们 根据上述所研究的技术和理论开发了一个实际的例子一机械产品 设计过程管理系统。 本文主要在以下几个方面进行了研究和探讨： 提出了协同设计管理系统的理论模型、总体框架以及系统结 构。详细地分析了系统所需的技术支持和所要实现的功能模块， 并在总体框架的基础上重点探讨了几个重要组成部分的实现方法 以及所需的关键技术和理论基础。 在方案决策方面重点探讨了智能化的方案决策方法，提出了 一种以q f d 为理论基础，基于质量屋的智能化方案决策系统的模 型和关键技术。通过在实际开发的例子中集成q f d c a p t u r e 的方 法，探索性地实现智能化方案决策的功能。 重点介绍了系统管理模块中的两个重要组成部分产品数据管 理和项目管理在系统中的作用。提出了理论模型和功能实现，并 对主要功能作以具体地阐述。 分析了协同交流的分类，指出了协同交流模块的组成和关键 技术。详细阐述了信息共享技术的发展与应用，并提出了信息共 享平台建立的组织结构和关键技术。在具体应用中，我们将 n e t m e e t i n g 集成到了系统中，提出了用n e t m e e t i n g 进行协同设计 的方法，实现协同交流和信息共享的功能。 介绍了现今比较常用的网络安全防护技术，并对几个主要技 术进行了对比性的阐述，进而提出了对系统安全进行逐层防护的 结构模型。在实际应用中，我们使用了“用户名一密码”机制来 进行安全与权利认证。冲突是协同工作系统的必然产物，文中对 冲突的产生和检测方法作了详细的分析和阐述，并给出了具体的 冲突消解方法。 关键词：协同设计，c s c w ，过程管理，信息共享，冲突， 网络安全 l i t h er e s e a r c ho fc 0 0 p e r a t i v e d e s i g n m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do n c s c wi nt h ew e b a b s t r a c t t h e c o m p l e x i t y a n de f f e c t i v e n e s so fm o d e r n p r o d u c td e s i g n d e m a n d sd e s i g np r o c e s sc o n t r o lt oc h a n g et oa d v a n c e dl e v e l a n di t n e e d s s u p p o r t a l l o c h t h o n o u sc l u s t e r c o o p e r a t i o nd e s i g n o fm a n y e x p e r t s i nd i f f e r e n tf i e l d st os h o r t e n d e v e l o pt i m e ，r a i s ep r o d u c t q u a l i t y a n d e f f i c i e n c y a n di n c r e a s em a r k e t c 0 m d e t i t i v e n e s so f c o m p a n i e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e sak i n do fs p e c i a l a p p l i c a t i o no f c s c wi nd e s i g nf i e l d - - c s c d ，t h e ng i v e so n em o d e lf o r t h e o r yo f p r o d u c tc o o p e r a t i o nm a n a g es y s t e ma n da s s a y si t sc o n s t i t u t i o na n d p a c i n gt e c h n o l o g y t h ef o l l o w i n gp a r t sa r ee m p h a s e s ：q f dp r o j e c t d e c i s i o n ，p r o j e c tm a n a g i n g a n d p d m ，t h ee s t a b l i s h m e n to f c o o p e r a t i o nt o o l sa n di n f o r m a t i o ns h a r i n gs t a g e ，s y s t e ms a f ep r o je c t a n dc o n f l i c tt r e a t i o na n d s l a c k i n g i t o f f e r se f f e c t i v e s u p p o r t f o r p r o d u c t i v ed e m a n da n a l y s i s ，o p t i m u mp r o j e c td e c i s i o n ，s h o r t e n i n go f d e s i g np e r i o d ，i m p r o v e m e n to fq u a l i t ya n de f f i c i e n c y a n dt h ep a p e r g i v e sa ne x a m p l e - - m e c h a n i c a lp r o d u c td e s i g nm a n a g e m e n ts y s t e m t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r em a i n l ys t u d i e da n dd i s c u s s e d ： i t g i v e s o n e t h e o r y m o d e lo f c o o p e r a t i o n d e s i g nm a n a g e m e n t s y s t e m ，m a s s i n gf r a m e w o r ka n ds y s t e mc o n s t r u c t i o n a n di ta n a l y s e s n e e d e d t e c h n o l o g yb a c k i n g a n df u n c t i o nm o d u l ea n d a p p r o a c h e s f u l f i l l m e t h o d ，p a c i n gt e c h n o l o g y a n d t h e o r y b a s e m e n to fs o m e i m p o r t a n tc o n s t i t u t ep a r t s i np a r to fp r o j e c td e c i s i o n ，i n t e l l e c tp r o j e c td e c i s i o nm e t h o d sa r e g i v e na n di t i n t r o d u c e so n em o d e la n dp a c i n gt e c h n o l o g yb a s e do n h o u s eo fq u a l i t y t h r o u g ht h e a p p l i c a t i o n o fq f d c a p t u r et ot h e e x a m p l e ，t h ep a p e rc o m p l e t e sp i l o ts t u d y o fi n t e l l e c t p r o j e c t d e c i s i o n i t m a i n l yi n t r o d u c e st w oi m p o r t a n tp a r t so fs y s t e mm a n a g e m e n t m o d u l e ：p r o d u c td a t am a n a g e m e n ta n dp r o j e c tm a n a g e m e n t a n di t g i v e st h e o r ym o d e la n df u n c t i o nr e a l i z a t i o n t h ep a p e re x p o u n d st h ec a t e g o r yo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i o na n d 1 1 1 c o n s t i t u t i o na n d p a c i n gt e c h n o l o g yo fm o d u l e t h e ni ti n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o ns h a r i n gt e c h n o l o g ya n d g i v e s c o n s t r u c t i o na n d p a c i n gt e c h n o l o g y o fi n f o r m a t i o n s h a r i n g l e v e l i no n ee x a m p l e ，w ea d dn e t m e e t i n gt ot h es y s t e ma n dg i v et h e m e t h o do f c o o p e r a t i v ed e s i g n u s e d n e t m e e t i n g t o c o m p l e t e c o o p e r a t i v ec o m m u n i o n a n di n f o r m a t i o ns h a r i n g i ta l s oi n t r o d u c e sc o m m o nn e t w o r ks a f et e c h n o l o g ya n dg i v e so n e m o d e lt o p r o t e c ts y s t e ms a f e t y w eu s e c u s t o m e r p a s s w o r d m e c h a n i s mt o i d e n t i f ys a f e t ya n da u t h o r i t y t h ep a p e r i n t r o d u c e s p r o d u c t i o na n dd e t e c t i o no f c o n n i c ti nd e t a i l s k e y w o r d s ：c o o p e r a t i o nd e s i g n ，c s c w ，p r o c e s sm a n a g e m e n t ， i n f o r m a t i o ns h a r i n g ，n e t w o r ks a f e t y 1 1 引言 第一章绪论 当今世界，市场竞争不断加剧，企业的生存压力越来越大。对于制造 型企业来说，产品的复杂程度越来越大，甚至是跨领域、跨学科的综合产 物，所以如何加速研制客户需要的新产品、如何缩短设计周期、如何提高 产品质量、降低成本以及如何友好地与其它企业协同合作等等一系列问题 成为急待解决的难题，针对这些方面的研究也成为研究领域里的热点与难 点。 c a d 技术的迅速发展对推动生产力的发展起到了十分重要的作用。但 传统c a d 技术也存在严重的不足：首先，就这些软件系统的固有本质特征 而言，它们是以单一设计者为中心开发出来的，即仅支持：“人一机”交互， 远未实现设计者之间的交互。其次，这些软件系统是以“自动化孤岛”形 式运作，仅能做到设计数据的部分共享，难以在异构环境中实现信息交流， 设计信息共享性差。第三，目前c a d 系统及其分析工具仅能把设计者的注 意力集中在设计阶段的单一专业或单一任务上。此外，传统的产品开发技 术不能在设计的早期就周全地考虑产品生命周期中的各个因素，致使设计 频繁更改，因而开发周期长、成本增加，用户需求难以满足。 近年来，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 dc o o p e r a t i v e w o r k ，c s c w ) 环境、网络技术、虚拟现实技术、多媒体技术以及并行工程、 过程管理的概念等的迅速发展，为异地协同产品设计开发与管理奠定了基 础。在传统c a d 中，人们多采用串行迭代的方法，由于设计各个环节相对 独立，易造成设计的缺陷与隐患，使后期设计方案的修改费用激增，开发 周期加长，成本大大增加。如果说7 0 年代c a d 技术是以绘图为主，8 0 年 代是以支持基于特征和实体的三维模型为代表，那么9 0 年代c a d 正在朝 着集成化和并行设计方向发展。目前，随着c a d 系统的广泛使用与c s c w 领域研究的迅速进展，同时，并行工程和过程管理等新理念的深入研究， 人们正在力求将c a d 与c s c w 等多种技术相结合，开发出各种形式的 c s c d 系统，以便在进行设计的过程中充分发挥不同领域的知识和专家的经 验，协同高效地工作，从而产生出高质量的设计结果，特别是有过程管理 的支持为企业生产出适应市场需求的高质量产品开辟了新的篇章。 1 2 计算机支持的协同工作( c s c w ) 概述 1 1 2 1 c s c w 的定义及发展背景 c s c w 是一门新兴的交叉学科，是多学科发展的综合产物。c s c w 是 一个利用计算机技术、多媒体技术、分布处理技术以及人机接口技术，将 时间上分离、空间上分布而工作上又相互依赖的多个协作成员及其活动有 机地组织起来，以共同完成某一项任务的新型分布式计算机系统。地域分 散的一个群体借助计算机及其网络技术，共同协调与协作来完成一项任务。 它包括协同工作系统的建设、群体工作方式研究和支持群体工作的相关技 术研究、应用系统的开发等部分。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离的障碍， 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、团体、乃至整个社会的整体效益和人类的生活质量。 计算机技术的发展把人类社会带入了信息化时代，c s c w 的形成和发 展则是信息化进程发展的必然产物。 首先，人类社会是一个紧密协作的群体。人类社会是一个群体社会， 特别是在当今信息化社会中，更能够体现出人们的活动方式具有群体性、 交互性、分布性和协作性的特点。c s c w 技术和系统的发展正是适应了信 息社会中人们工作方式的上述特点，因此被认为是未来社会中广泛采用的 技术。 其次，计算机技术推动社会的信息化，计算机技术的发展给人类生活 带来了巨大的变化，计算机的应用领域已经从科学计算领域发展到社会生 活的各个方面，把人们带入了信息时代。计算机处理的信息已不仅仅是大 型的科学计算，还包括人们熟悉的各种数据以及文字、图形、图像、音频 和视频等多媒体信息。这些发展使得计算机深入到了人们生活的方方面面， 使人类进入了信息时代。 第三，计算机网络是c s c w 的基础。计算机网络指地域上分散的具有 独立自治功能的计算机系统通过通信设施互连的集合体，完成信息交换、 资源共享、分布式计算等功能，高速、远程通信网络技术缩小了时空的限 制。计算机互连、互操作和协同工作构成的网络计算和协同计算是实现 c s c w 的基础，迅速发展的i n t e r n e t 已使人们初步感受到了全球范围“协同 工作”得以实现的可能。 第四，系统工程需要c s c w 的支持。c s c w 的发展将为系统工程提供 一整套的方法和技术支持。系统工程广泛渗透到社会生活的各个领域。它 将包括设计、建立、管理这些系统工程的所有各个方面。所有的系统工程 都由其隶属的互相联系或互相依存的群体事物所构成，具有集合性、层次 性、交互性、目的性、协同性等特征。信息是群体事物相互之间的纽带。 这正是c s c w 的应用领域，也是协同概念在信息化时代的新发展。 2 1 2 2 c s c w 的现状、发展趋势以及应用领域 c s c w 研究涵盖了在复杂的组织结构内使用计算机和信息技术支持群 体工作的所有范畴，其研究范围是广义的协同工作和广义的计算机支持。 目前c s c w 研究难处于继续发展的阶段。 最近几年随着计算机技术、多媒体技术及计算机网络的不断改进，使 得计算机支持的协同工作环境更加完善，研究人员至今已开发出许多实验 系统和商业软件。当前，国内的研究才刚刚起步，研究的思路一般是基于 i p 网络的多媒体支持系统，可以在网络环境下实现跨网段的远程视频和音 频信息的交互的多媒体协同工作系统。另外国内已经开通了许多远程医疗 系统和远程教育系统，它们大多是基于在宽带网上运行的视频会议系统， 这些系统在应用中已获得了显著的社会效益和经济效益。 已有的c s c w 系统都是以某种协作模型为基础，在c s c w 系统实现的 理论与方法方面，研究人员已经建立了多种模裂和方法。比较有影响的协 作模型有：对话模型、会议模型、过程模型、活动模型以及分层抽象模型。 另外，计算机信息系统方面的人员也在努力创建一种环境和工具，用以支 持人们之间的合作，这就产生了一类新的系统形式，被称之为群件，它是 用于为群组工作提供支持的一种计算机软件或硬件。群件的出现，使得自 动化办公进入了新的天地。 过去的十几年是c s c w 这新兴学科形成和发展时期。i n t e r n c t 飞速 发展使得在全球范围内开展各种协同工作成为可能，例如电子商务、远程 医疗与教学、远程协同设计等。如今，知识经济和数字化浪潮给协同科学 与c s c w 带来了新的机遇和挑战，c s c w 将更加迅速地发展成熟为应用科 学，而且将进一步影响人们的工作方式和生活方式，这就要求我们深入地 研究：协作模型、工作流管理、共享媒体空间、新型群组通信支持、异构 资源集成、协同系统安全、多维接口、虚拟协作环境、协同应用开发、协 同心理问题和法律环境等问题。 从c s c w 及其相关领域研究来看。其进一步发展方向为：从认知科学 的高度建立真正合适的协作支持理论、技术和方法；研究更加开放性、集 成型、智能化的c s c w 系统；总结现有c s c w 系统开发的经验和教训，探 索完接的c s c w 系统开发方法论。 c s c w 的研究范围是广义的“协同工作”，研究手段是广义的“计算机 支持”。因此c s c w 的应用领域相当宽广，凡是在计算机网络环境下，涉及 信息共享和群体协同工作的领域都可属于c s c w 的范畴。它的主要应用领 域包括：工业应用、协同计算辅助设计、办公自动化( o a ) 和管理信息系 统( m i s ) 的新发展、医疗领域、远程教育、合作科学研究、军事领域、电 子商务以及各级政府部门的协调和决策支持等。可以说c s c w 技术已经渗 入到人类社会生活的方方面面。 1 3 计算机支持的协同设计( c s c d ) 概述 1 3 1 c s c d 的定义 设计过程是一个多源的复杂处理过程，为了实现优化的创新设计，设 计人员通常要引入多种设计方法，运用多种设计数据和知识来达到设计的 目的。因此设计问题是一个典型的具有分布、动态特征的群体求解问题。 c s c d 是c s c w 在工程设计领域的具体化，是c s c w 在设计方面的具 体应用。对于c s c d ，从不同的角度，有不同的定义。从任务实施的角度， 我们认为c s c d 是指由一组称之为设计专家组成的设计小组，通过协同任 务来实现或完成一个设计目标或项目；从系统组成的角度，我们认为c s c d 系统是根据c s c w 理论而建立的一种面向协同设计的计算机工作系统，它 一般是由应用子系统、信息共享平台、协同工作平台、协作管理平台和网 络传输平台五部分组成；从系统实现的角度，我们认为c s c d 系统是指在 计算机网络支持的环境下，由多个成员协同工作完成一项共同的设计任务 的计算机支持协同工作系统。 1 3 2c s c d 的研究现状与存在的问题 近年来，c s c d 的研究十分流行，已成为工程产品设计领域的一个热 点。c s c d 要求设计人员跨职能地组织成工作组，以群体方式进行设计，及 时交换各自的意见，减少设计的反复，使设计更合理，更能满足市场的需 求，并尽快地投放到市场。这种设计方式对形势的变化反应快，工作效率 高，更具有创造性，能迅速发挥群体的综合才能。而且协同设计对降低成 本、提高质量及缩短开发周期有明显的作用，对增加企业竞争力具有战略 性意义，因此引起学术界及企业界的广泛重视，并得到了迅速的发展。 9 0 年代末，基于i n t e r n c t 环境协同设计系统的研究，主要是基于文档 信息共享的方式来进行，优点是能够在异构、动态环境和更大的范围内建 立协同设计，难点是无法实现方便和实时的信息交互，特别是实时的多媒 体交互，桌面会议系统可以用来建立实时的计算机协同设计环境，但是一 般只支持“点对点”或“一点对多点”的多媒体交互，并且缺少专门的设 计专业信息与工具的支持。 c s c w 技术的不断成熟必然带动了c s c d 领域的飞速发展。c s c d 系 统已经在生产生活中取得了惊人的成绩，但其应用与研究还不完善，主要 表现为： 1 基于c s c w 技术，特别是实时多媒体通信和各种辅助支持工具( 例 4 如c h a t 、电子白板、应用程序共享等) 的协同设计系统较多的考虑了支持 实时协同设计的能力，但缺乏对共享信息( 特别是动态的工程设计信息) 的充分利用。 2 在实时协同设计方面，只见到基于共享工作空间的系统，但这种系 统的设计功能有限，无法替代现有的设计系统软件，所以应该在传统的c a d 系统的基础上建立协同式实时设计方面的应用系统。 3 在系统实现中，缺乏系统化分析、决策、设计、集成和评估的方法 和工具。 4 目前见到的系统比较单一，仅仅是围绕一个设计活动而展开的应用 系统，缺乏对多层次、多群体设计环境的支持，而且缺乏其他学科知识领 域的共同支持，对产品设计前后的管理薄弱。 1 4 论文的提出与工作内容 本文正是基于目前c s c d 系统的这些缺陷和企业生产的实际需要，尤 其是现有系统“重设计轻管理”的现象十分明显，对产品设计生产前的需 求分析、最优的方案决策以及设计中任务的分配与管理等方面都显得过于 薄弱。因此，针对于此我们提出了基于c s c w 的产品协同设计管理系统这 个研究方向。研究其基本理论与模型，将并行工程、过程管理等新的理念 与c s c d 系统有机的结合，对产品设计前后的整个生命周期都给予有效的 管理与支持。 作者的工作内容主要包括：建立了产品协同设计管理系统的模型；用 q f d 的方法建立智能化的方案决策模型；产品数据管理( p d m ) 与项目管 理在c s c d 中的应用；协同工具与信息共享平台在c s c d 中的应用；提出 以“用户名一密码”为机制的安全策略以及系统冲突的产生与消解。 在深入探讨了以上理论与技术的基础上，我们尝试的开发了一个具体 的实例，一个基于机械产品的协同设计过程管理系统平台，将所研究的理 论尽量应用于实际，也作为在这个新的领域里的一个积极的探索。由于时 间和经验有限，所做的工作主要还是在理论研究的层面上，所开发的系统 平台仅是初步的尝试还需要不断的完善才能真正地应用于实际的产品的生 产设计中去。 第二章产品协同设计管理系统模型的建立 2 1 协同设计管理系统的提出与实现目标 2 1 1 何为协同设计管理系统 协同设计管理系统是一个基于互联网、具有高扩展性和灵活性的应用 软件，它为新产品的开发提供了一个协同工作的环境，使制造商有效组织 设计团队，高效开发新产品，并能够在整个组织和贸易社区中与其产品开 发伙伴实施一个紧密整合的和基于信息的连接。 它同时还是一个可供所有参与方被授权人员访问的安全的信息文件 共享资源库，也是一套传输、查找、检索和显示所有类型信息的工具，同 时也能为企业管理人员提供智能化的决策、监控和分析的方法。设计管理 系统具备精确传递大型复杂文件( 如图纸、任务书等) 的能力，用户之间 有能够共享项目、设计及数据的能力，拥有为修改文件而下载并在修改之 后上传该文件能力( 可暂时禁止其他用户使用正在修改的文件，直到先前 的用户完成修改并上传该文件为止) 。此外，它除了能够进行项目追溯、报 告异常事件以提醒注意外，系统还应能自动进行任务分解、方案决策以及 冲突消解，并且能自动递交文件给指定的人员进行评审和批准以及监控该 过程的当前状态( 例如谁已经批准该文件，谁已经收到该通知但尚未批准 等等) 。 这一创新系统主要用于满足产品开发制造型企业的需求。在具体应用 中，产品服务于企业内部人员( 设计师、管理、制造及工程人员) 和外部 参与者( 供应商以及合同制造承包商) 的协同工作( 数据共享、设计及协 调) 。它能够为企业提供一套完整的工具，用于新产品从可行性分析到实际 开发完成全生命周期内所有问题的解决。 2 1 2 为什么需要协同设计管理系统 随着企业竞争的日趋激烈，创新产品的开发成为企业生存的重要问题。 首先，由于产品的复杂程度越来越大。很难由某个人或小组单独开发完成， 有时更需要不同知识领域的专家共同协作开发才能完成。再有，为满足企 业提高产品的开发效率，缩短开发时间的需求，原来的串行设计方法已经 不再适应生产力的需要，并行工程的理念和并行技术不断应用于产品的设 计与开发。协同设计管理系统正是在这样的背景下产生的。 传统的协同设计系统仅仅局限于产品设计阶段的研究，努力为用户提 6 供设计所需的协同工具与信息共享。然而，设计阶段仅仅是产品开发的一 个阶段，并不是产品的全生命周期。尤其在产品开发的初始阶段，传统的 协同设计系统没有提供需求分析和方案决策的功能，使许多产品在设计结 束投放市场后才发现并不满足用户需求，浪费了大量的人力、物力和市场 机会。在设计的过程中，传统的协同设计系统的管理功能不够强大，对设 计阶段没有进行有效的管理与监控，智能化程度也不高，管理人员没有参 与到设计进程之中或很难发现问题。协同设计管理系统考虑到产品开发全 生命周期的各个阶段，在传统系统的基础上增强了管理功能，提高了智能 化程度。 制造型企业范围内的协同工作包括企业在产品设计、伙伴关系管理， 甚至原材料采购及产品销售等业务的整个过程，涉及企业内部与对外的合 作及统筹工作，涵盖供应环节内的企业员工、商业合作伙伴以及用户。为 了实现将企业生产相关的设计工作以及管理工作等任务在不同对象、不同 地点、不同时间进行统一管理，现阶段制造类型的企业无论从应对国际竞 争的角度来看，还是从提高管理水平的利益出发，均十分需要应用具备协 同设计管理功能的软件工具，以加快产品开发、加强资料共享程度以及降 低设计成本等，进而增加生产效益。只有企业范围内的所有生产要素以及 包括用户在内的所有企业相关人员能够不论时间、地点，而可以在一个公 用的平台上协同工作，让与产品开发相关的设计、管理、生产、项目等和 谐通畅，才能够确保整个业务流的高效无误。 2 1 3 协同设计管理系统的实现目标 本文所研究的系统是基于c s c w 环境，致力于协助企业客户提高效率， 让身处不同地方的企业客户、设计师、工程师及行政管理人员都可以通过 互联网一起工作，这就是协同设计管理系统努力实现的核心问题。具体功 能特性体现在： 项目的启动点就是从市场需求入手的，针对市场需求制定设计方案： 通过智能化的方案决策方法，选择最优的设计方案； 良好的管理模块，对设计过程中的项目、数据、信息、进程、人员、 文档等诸多方面进行有效管理与监控； - 有效的多种类型的协同交流工具以及友好的信息共享平台的建立； 对协同过程中所产生的冲突进行有效的检测与消解； 保证系统具有良好的安全保障体系 2 2 协同设计环境下产品的设计开发流程 2 2 1 多层次多群体协同设计的工作模式 首先，产品设计人员合作具有明显的层次性，我们可以通过参加协同 设计成员的社会组织结构建立一个多层次的工作模型，如图2 1 所示。 图2 1 协作成员组织结构 f i g 2 1o r g a n i z a t i o nc o n s t r u c t i o no fc o l l a b o r a t o r 位于不同层次的成员对不同的任务“扮演”不同的角色，即由决策层 建立要进行工程或者一个合同的任务目标，通知控制层进行组织和安排； 控制层根据目标的具体情况首先安排外调小组进行市场需求调查，然后根 据总体任务、需求分析情况以及现有的设计人员等状况将任务切割、将执 行层的设计工程师分组、为个设计小组指派子任务、分配资源、设定小组 设计人员的角色，然后还要对各子任务的实旌过程进行监督；执行层的设 计人员在各自组长的组织和管理下具体地承担一个子任务的设计。 按照参加协同设计成员的社会组织结构可以有效地划分协同设计的层 次性，但是无法明确地描述由不同的人员完成不同的工作的情况，为了描 述协同设计任务中子任务的情况，我们可以通过任务模型，即任务分解和 子任务的实旖活动来建立一个多群组的工作模型，如图2 - 2 所示 图2 2 多群组协同设计结构 由上层群组的用户将任务分解为若干子任务，由下层设计小组承担。 在小组内部，由组长负责协调和控制本组协同设计活动的进程：在小组之 间可以通过同步或异步的交流工具进行交流；而主任工程师可以通过实时 监控系统来实时的( 对于简单的单成员设计活动) 和准实时的( 对于复杂 的多个成员参加的协同设计活动) 方式来查看设计活动执行的结果，并可 通过工具发出指导信息。 这样，我们就可以建立一个比较完善的多层次、多群体协同工作模型， 如图2 3 所示。 图2 3 多层次多群体协同设计系统的工作模型 f i g 2 - 3m u l t i - h i er a r c h ya n dm u l t i - g r o u pc o o p e r a t i v e d e s i g ns y s t e mw o r km o d e l 由此模型可以发现，首先对于某一项具体的设计任务，从发起到最终 完成，可以按照工作流的思想分阶段进行，总体来说c s c d 系统需要以工 作流的模式来进行调度，分阶段同步，而在某一阶段内部，可以按照子任 务的具体情况以同步或异步的方式协同工作。 其次，在各层之间的用户属于不同的用户群组，各群组之间的信息交 互主要通过异步的手段( 如e m a i l 、电子公告等) 进行：在同一层内的用 户，也可以根据任务的大小和复杂程度组织成为不同的工作小组，每个小 组由组长负责与上一层进行联系，小组内的任务可以根据具体需要进行同 步的协作或异步的协作。 9 最后，同步协同工作主要应用于执行层的同一个小组的成员之间( 群 组内) 完成一项予任务，通过c s c d 提供的透明式实时协同工作环境，在 小组长的管理之下实时地协同设计某一项子任务；异步协同工作主要应用 于总体流程( 群组间) 以及各个用户之间其它信息的交流。 因此，在系统中首先需要有一个先进的计算机网络平台，为实现各种 应用提供先进的信息传输通道：其次，系统中需要一个完善的资源共享和 管理系统一一包括数据资源和人力资源的管理；第三，系统中需要有一个 方便的协同工作环境，为实施协同工作提供方便的交互手段和工具，使他 们及时了解其他人的各种情况，以便于协同进行工作；第四，面向c a d ， 系统还需要为设计人员提供方便和高性能的辅助设计系统，针对不同的设 计，还需要不同的设计工具和方法：最后，系统还需要一个协作管理平台， 能够方便的控制、指挥和协调任务的进展情况。 2 2 2 产品协同设计开发的工作流程 大型复杂的产品是由多个部件所组成，每一个部件又由许多个零件所 构成。这样一个产品设计是采用逐步展开、逐步细化的方法，每一个部件 或零件均由一个设计小组专门负责设计完成，这样并行的设计方法显著的 提高了开发效率，缩短了设计时间。将一个复杂的问题分成多个较为简单、 较为容易解决的子问题，也使得大型复杂产品设计出错的概率大大降低， 提高了企业的市场竞争力。产品设计的展开过程如图2 - 4 所示。 圈2 4 产品设计的展开过程 f i g 2 4e v o l u t i o np r o c e s so fp r o d u c td e s i g n 通过协同设计管理系统进行产品开发设计的工作流程如图2 5 所示。 从市场需求开始入手，最终到产品设计任务完成t 设计小组解体的设计全 周期，中间过程由许多不同技术实现的功能模块对设计活动进行有效的支 持。 1 0 困2 5 产品开发设计的工作流程 f i g 2 - 5w o r kf l o wo f p r o d u c td e v c l o f l m c n ta n dd e s i g n 2 3 协同设计管理系统的系统结构与总体框架 2 3 1 协同设计管理系统的系统结构 协同设计管理系统的系统结构采用分布式客户机，服务器( c s ) 的系 统结构。客户机服务器模式有跨平台、低成本、维护与升级方便、具有良 好的开放性与可扩充性等优点。在计算机网络环境的支持下，c s c d 系统由 系统服务器为多个群组的成员提供实施协同设计活动的服务。系统结构如 图2 6 所示。 图2 6 客户机服务器模式结构示意图 f i g 2 6c i l e n t s e r v e rs t r u c t u r e c s c d 的系统服务器可以分为两类：即网络信息服务器和协同工作服 务器。网络信息服务器为用户提供信息查询和资源共享服务；协同工作服 务器为实施协同设计活动的各个设计人员提供充分的信息交流及共享支 持。每个成员通过c s c d 系统的客户端来参加协同设计活动。c s c d 系统的 客户端为协同设计活动中不同角色的用户提供统一的用户界面 系统根据具体功能，将用户划分为三类：即负责任务安排的管理者用 户，负责在高层监控和指导设计活动的监控者用户，以及负责实施设计任 务的设计者用户。用户均使用c s c d 客户端参与协同设计活动。 2 3 2 系统的总统框架 一个协同设计管理系统的构建需要在单机c a d 系统的基础上考虑基 于网络的设计所带来的多主机通信、设计信息网上传输安全性、多用户系 统中的设计过程管理、项目管理、产品数据管理、人员管理、资源管理、 权限管理、行为协调问题，以及在协同设计模式下的工作方式、设计组织 形式等多方面问题的变化。本文针对上述问题进行归纳、总结，提出如图 2 7 所示的协同设计管理系统的总体框架。 2 4 开发实例 通过对协同设计管理系统的分析与研究，我们尝试性地开发了一个具 体的应用实例一一机械产品协同设计过程管理系统软件。如图2 8 所示。 在本文以后几章有关协同设计管理系统中具体功能模块的探讨中，均以这 个具体的开发实例作为解释说明。本软件面向机械产品的设计开发，将协 同设计管理研究的新技术和新理念尽量转化为实际的应用。它为机械产品 1 2 国 的设计人员提供了一个良好的交互平台和资源共享平台，为管理人员监控 设计过程，管理和规划项目任务提供了有力的支持。 产品协同设计管理系统 上上0上 产品设计规划管理模块 协作模块安全模块 llll 用户需求分析 过程管理 协同交流工具 权限赋予 最佳方案决策 p d m信息共享平台 身份认证 项目任务分解 项目管理 冲突检测消解 访问控制 防火墙 设计小组组建资源管理 密码加密 盟员管理 图2 7 协同设计管理系统总体框架 f i g 2 7 g e n e r a lfr a m eo fc o o p e r a t i v ed e s i g nm a n a g e m e n ts y s t e m 图2 8 产品开发实例 f i g 2 - 8e x a m p l eo fp r o d u c td e v e l o p m e n t 第三章q f d 方案决策理论模型的建立与实现 在协同设计环境下，由于产品的设计是由多个工作小组共同参与完成， 不可避免地会产生多种设计方案，如何从众多方案中选出最优解就要通过 一个决策支持系统来完成。决策支持是协同设计管理系统中不可缺少的组 成部分。 3 1 质量功能配置( o f d ) 质量功能配鬓( q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ，q f d ) 于7 0 年代初起源 于日本三菱重工的神户造船厂成功地应用于船舶设计与制造中。由于q f d 方法有助于企业提高产品质量、缩短产品开发周期、减低产品成本、增加 顾客满意程度，从而提高企业在市场上的竞争能力。因此，二十多年来， q f d 的应用范围和领域不断扩大，现在已成功地应用于汽车、电子仪器、 服装、集成电路、建筑设备和软件开发等诸多领域里。 对于企业来说。质量的定义已经发生了根本性的转变，即从“满足设 计需求”转变为“满足顾客需求”。q f d 最为显著的特点就是要求企业不断 地倾听顾客的意见和需求，然后通过合适的方法和措施在开发的产品中体 现这些需求。因此，q f d 是一种用户驱动的产品开发方法，它在实现用户 需求的过程中，帮助产品开发的各个部门制订出各自的相关技术要求和措 施，并使各职能部门能协调地工作。q f d 的目的是使产品以最快的速度、 最低的成本和最优的质量占领市场。 一般认为，q f d 是从质量保证的角度出发，通过一定的市场调查方法 获取用户需求，并采用矩阵图解法将用户的需求分解到产品开发的各个过 程和职能部门中去，通过协调各部门的工作以保证最终的产品质量，使得 设计和制造能真正地满足用户的需求。 3 2 质量功能配置( q f d ) 的基本阶段 q f d 是一种面向用户需求的产品开发思想和方法论，它采用系统化、 规范化的方法调查和分析用户需求，并将其转换成为产品特征、零部件特 征、工艺特征、质量与生产计划等技术信息。q f d 代表了从被动的、反应 式的传统产品开发模式一“设计一试验一调整”到一种主动的、预防式 的现代产品开发模式的转变。它将注意力集中于规划和问题的预防上，而 不仅仅集中于问题的解决上。 1 4 一般来说，q f d 包括两个基本过程，用户需求的提取过程和用户需求 的瀑布式分解过程。用户需求的提取主要是通过各种市场调查方法和各种 渠道收集原始的用户需求信息，然后进行分类和整理，并用加权来表示用 户需求的相对重要度。用户需求的提取是q f d 过程中最为关键也是最为困 难的一步，它直接关系到q f d 方法成功与否。 用户需求的瀑布式分解过程采用矩阵( 也称为质量屋) 的形式，将用 户需求逐步展开，分级地转换为产品规划、零部件配置、工艺规划和生产 规划四个阶段。它将用户需求分层地转化成产品技术特征、零部件特征、 工艺操作和生产要求等一系列能测量的、可操作的事件、活动或指标。在 展开过程中，上一步的输出就是下一步的输入，构成瀑布式分解过程。q f d 从用户需求开始，经过四个阶段即四步分解，用四个矩阵，得出产品的工 艺和质量控制参数，如图3 1 所示 图3 1q f d 的瀑布式分解过程 f i g 3 1q f d w a t e r f a l ld e c o m p o s t i o np r o c e s s 这四个阶段是： ( 1 ) 产品规划阶段：通过产品规划矩阵( 也称质量屋) ，将用户需求 转换为技术需求( 最终产品特征) ，并根据用户竞争性评估( 从用户的角度 对市场上同类产品进行的评估，通过市场调查得到) 和技术竞争性评估( 从 技术的角度对市场上同类产品的评估，通过实验或其它途径得到) 结果确 定各个技术需求的目标值。 ( 2 ) 零件配置阶段：利用前一阶段定义的技术需求，从多个设计方案 中选择一个最佳的方案，并通过零件配置矩阵将其转换为关键的零件特征。 ( 3 ) 工艺规划阶段：通过工艺规划矩阵。确定为保证实现关键的产品 特征和零件特征所必须保证的关键工艺参数 ( 4 ) 工艺质量控制规划阶段：通过工艺质量控制矩阵将关键的零件 特征和工艺参数转换为具体的质量控制方法。 i5 3 3 基于质量屋( h 0 0 ) 的0 f d 方案决策理论 3 3 1 质量屋( h 0 0 ) 的基本结构 美国学者j r h a u s e r 与d c l a u s i n g 于19 8 8 年提出的质量屋( h o u s eo f q u a l i t y ，h o q ) 则是实现q f d 这种思想和方法论的种有效工具，它提供 了一种将用户需求转换成产品和零部件特征，并分解到制造过程的框架和 结构，如图3 2 所示。 以产品规划质量屋为例，图中： ) j l f i