（机械设计及理论专业论文）internet环境下产品协同设计支持方法和技术的研究.pdf

渐江大学博士学位论文 摘要 现代复杂产品是一个运用多领域知识的成果，通常涉及机电、液压、控制、信息等 领域的知识。在信息技术高度发展的今天，如何在计算机的辅助下，将多学科领域内的 设计知识有效地集成起来，是产品成功设计的关键所在。本文研究了i n t e r n e t 环境中 产品协同设计的支持技术。主要研究内容及成果涉及以下几个方面： 1 全面分析国内外协同设计、优化设计等方面的研究现状，提出了协同设计的小世 界网络模型，并利用网格服务的思想构建了具有高聚合性和短搜索路径的，开放 式的协同设计框架。在此平台上可以将异地分布的各种智力资源，如支持概念设 计、优化设计、强度分析等资源无缝连接起来。 2 优化设计系统具有实时性、计算量大等特点，不容易在i n t e r n e t 环境中实现。作 者利用分布式技术首次实现了i n t e r n e t 环境中的广义优化设计，解决了异地建模、 优化平台与优化算法集成、实时控制等关键问题。并提出了基于网格服务的协同 优化设计框架，实现了异构环境中优化任务的自动调度，提高了优化效率和优化 质量。 3 研究了协同设计环境中的产品数据关系以及广义优化设计过程中的数据流程，提 出了支持广义优化设计进程的分布式产品数据模型和数据存储方法。利用x m lw e b 服务等组件技术，开发了基于w e b 的p d m 系统，不仅实现了传统p d m 的功能，并 实现了与广义优化设计系统的有效集成。 4 ， 最届以摩托车制动器设计为例，研究了在此协同设计平台上，协作企业之闻、企 业内部以及企业与科研机构之间的协同过程，并讨论了i n t e r n e t 环境中智力资源 的建设和利用。 关键词：协同设计智力资源广义优化产品数据管理分布式建模分布式协同优化 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t d u et oi t sc o m p l e x i t y , t h ed e s i g no f am o d e mp r o d u c ti sap r o d u c t i o no f a p p l y i n gm u l t i p l ed i s c i p l i n e s i n t e l l i g e n c e ，g e n e r a l l yi n v o l v e dt h ek n o w l e d g eo fe l e c t r o m e c h a n i c ，h y d r a u m a t i c c y b e r n a t i o n a n d i n f o r m a t i o ne ta 1 w i t ht o d a y sr a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ek e yu n i tf o rt h es u c c e s s p r o d u c td e s i g ni sh o wt oe f f e c t i v e l yi n t e g r a t et h em u l t i p l ed i s c i p l i n e sk n o w l e d g eu n d e rt h ea s s i s t a n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y t h ec o l l a b o r a t i v es u p p o s e dm e t h o d sa n dt e c h n i q u e sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r , t h e i n v e s t i g a t i o n sf o c u so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h ep r o g r e s so ft h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g na n dt h eo p t i m a ld e s i g n a r ec o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z e d t h es m a l l w o r l dn e t w o r k so fc o l l a b o r a t i v ed e s i g na r ep r o p o s e d ，a n dt h e c o l l a b o r a t i v ed e s i g nf r a m e w o r ki sc o n s t r u c t e dw i t hg r i dt e c h n o l o g y t h i sf r a m e w o r kb a s e d o l ls m a l lw o r l dn e t w o r k sh a sc h a r a c t e r i s t i c so fc l u s t e r i n gc o e f f i c i e n ta n ds h o r tp a t hl e n g t h t h er e m o t ei n t e l l i g e n c er e s o u r c e sc a l lb es e a m l e s s l yi n t e g r a t e di nt h i sf r a m e w o r k ，s u c ha s c o n c e p t i o nd e s i g n ，o p t i m a ld e s i g na n dt h ea n a l y s i so f s t r u c t u r a ls t r e n g t he ta 1 ( 2 ) o p t i m a ld e s i g nh a sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s r e a lt i m ea n dm a s sc o m p u t i n g ，i ti sd i f f i c u l tf o r r e a l i z a t i o no v e ri n t e m e t w i t hc u r r e n td i s t r i b u t e do b j e c tt e c h n o l o g y , t h eg e n e r a l i z e d o p t i m i z a t i o ns y s t e mo v e ri n t e r n e ti sf i r s t l yd e v e l o p e d ，s o m ek e yp r o b l e m so ft h i ss y s t e m ， i n c l u d i n gr e m o t em o d e l i n g ，a l g o r i t h mi n t e g r a t e dw i t ho p t i m a lp l a t f o r m ，p r o c e s sc o n t r o l ， c o n c u r r e n c yc o n t r o l ，a r eo v e r c o m e t h ec o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o nb a s e do ng r i dt e c h n o l o g y i s p r o p o s e d ，t h e a u t o m a t i c s c h e d u l e ro fo p t i m a lt a s k si sr e a l i z e d ，w h i c hi m p r o v e s o p t i m i z a t i o ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t y ( 3 ) t h er e l a t i o n s h i po fp r o d u c td a t ai 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 sa n d t h ed a t af l o wo f g e n e r a l i z e do p t i m i z a t i o na r es t u d i e di nt h i sp a p e r , ap r o d u c td a t am o d e la n dd a t as t o r e m e t h o d s u p p o r t i n g c o l l a b o r a t i v ed e s i g na n dg e n e r a l i z e do p t i m i z a t i o na r ep r o p o s e d e m p l o y i n gt h ew e b s e r v i c e sc o m p o n e n tt e c h n o l o g y , aw e b - b a s e dp d ms y s t e mi sd e v e l o p e d ， w h i c hr e a l i z en o to n l yt r a d i t i o n a lp d mf u n c t i o n sb u ta l s oi n t e g r a t i o nw i t hg e n e r a l i z e d o p t i m i z a t i o ns e a m l e s s l y ( 4 ) a tl a s t , i l l u s t r a t e dw i t ht h em o t o rb r a k es y s t e md e s i g n ，t h ec o o p e r a t i v ep r o c e s si n n e r e n t e r p r i s em a da m o n gc o l l a b o r a t i v ee n t e r p r i s ea n d b e t w e e ne n t e r p r i s ea n di n s t i t u t ea r es t u d i e d t h ec o n s t r u c t i o na n da p p l y i n go f t h ei n t e l l i g e n c er e s o u r c e so v e ri n t e m e ta r ed i s c u s s e d n 浙江大学博士学位论文 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 ，i n t e l l i g e n c er e s o u r c e ，g e n e r a l i z e do p t i m i z a t i o n ，p d u c td a t a m a n a g e m e n t ，d i s t r i b u t e dm o d e l i n g , d i s t r i b u t e dc o l l a b o r a t i v eo p t i m l z a t i o n i i l 浙江大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着社会的发展，市场竞争越来越激烈，制造企业面临着十分紧迫的生存和发展问 题。激烈的市场竞争，对产品的质量、成本、研制周期等提出了更高的要求。企业逐步 认识到产品自主开发的能力是企业的核心能力，改善产品设计环节对缩短产品开发和制 造周期、提高产品质量、改善产品性能起着至关重要的作用。而计算机和信息技术的飞 速发展为提升产品设计水平创造了条件，如何利用这些先进技术来改进产品设计，提高 企业核心竞争力正是本文要研究的问题。 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。复杂产品的设计，如 飞机或汽车的设计常常被分解为小的设计问题进行解决，这不仅需要不同领域的知识和 专家经验，更重要的是要有综合和协调这些经验知识的有效机制和知识来耦合不同专家 的设计任务j 。此外在传统的c a d 中，人们多数采用串行迭代的方法，不能有效地处 理例如分布在不同地域设计者并行协同设计的问题。由于各个分布执行的设计步骤之间 的协调不够，易造成设计的缺陷或隐患，使设计方案的后期修改费用激增，开发周期加 长，成本大大增加。 目前，并行工程受到企业界的普遍重视，它强调在产品设计初期就考虑产品生命周 期的各个阶段和各种因素，由不同学科专家协同工作完成产品的设计任务m j ，这就需 要研发支持分布式协同设计的计算机辅助方法、技术和工具系统。 8 0 年代m i t 计算机系的i r e n e g r e i f 和d e c 公司的p a t t i c a s h m a n 对群体问的协作进 行了研究，并提出了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 ew o r k c s c w ) 的概念1 2 j 。协同设计( c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) 是计算机支持协同工作( c o m p e e r s u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 的一个重要领域，也是当前设计领域的一个热点。 协同设计系统向设计人员提供一个开放的分布式的协同工作环境，它强调设计者采用群 体工作方式，从而不同程度地改善传统设计中项目管理与设计之间和不同设计阶段之间 脱节，设计周期过长、设计费用高及设计质量不易保证等弊病。 浙江大学博士学位论文 1 1 1 并行工程 1 9 8 8 年，美国国防分析研究所在其r 3 3 8 报告中首次提出并行工程的定义：并行工 程是一种以集成地、并行地设计产品以及制造和支持等相关过程的系统化方法，这种方 法可以使产品开发人员从一开始就考虑到产品从概念设计到消亡的整个生命周期中的 所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户需求f 3 ，4 】。并行工程与传统生产方式的本 质区别在于它把产品开发中的各个活动作为一个集成的过程，从全局优化的角度出发， 对这些活动进行管理和控制，并且对已有的产品开发过程进行不断的改进。 并行工程主要包含以下要素1 4 , 5 ： 信息共享：并行工程小组成员能够方便地访问分布在企业内的各个部门的相关 信息，信息共享是产品开发活动并行的前提和基础。 过程重构：持续地改善产品和产品相关的过程，设计者要认真分析和彻底理解 制造和装配等相关过程，提前考虑至4 产品全生命周期内的相关因素。 决策支持：并行工程产品开发过程得以实现的前提之一是必须建立全局的决策 管理模型，保证特定的生产和销售等策略的正确性，从而满足市场各方面的需 求。 并行工程的提出受到了制造业和学术界的普遍重视。到目前为止，并行工程已从研 究和尝试逐步走向工程应用，如航空、航天、汽车、电子、机械等领域。】9 9 4 年国内 把并行工程列为8 6 3 c i m s 的重大关键项目，由清华、北航、上海交大、华工、航天部 2 0 4 所等五家单位以某导弹尾舱为对象进行了并行工程的研究。 1 1 2 协同设计 在并行工程中，产品设计开发需要分布在不同部门或场所、具有不同领域知识的专 家群组协同完成，如何实现这些时空上分布的设计人员的协调以及信息的实时交互成为 实施并行工程的一个关键问题。协同设计正是针对解决这一问题的需要而提出的，其含 义是组织多学科人员和工作小组协同完成某一共同任务。 协同设计强调设计者在适当的地点和时间内获得适当的信息。协同设计技术涉及的 领域很多，是计算机软硬件技术、行为科学、认知科学、网络通讯、分布式处理、人工 智能等多学科的综合交叉，其主要难点在于 6 , 7 , 8 , 1 1 9 1 ： 分布式产品数据管理：产品开发过程中存在复杂的数据类型，参加产品开发的 浙江大学博士学位论文 人员所处的地理位置和计算机环境也不尽相同，相关产品数据分布在不同的计 算机环境下，需要提供有效的机制，保证产品数据使用的方便性、一致性和安 全性。 任务的分解与调度：在协同设计中，项目、过程、资源和团队是一个整体。一 般需要将一个复杂的任务分解成若干粒度较小的子任务，并将这些子任务分配 到合适的设计群体，是协同设计中的一个关键问题。它主要涉及到子任务的粒 度控制、子任务的管理、子任务的分配和时间分配的平衡等问题。 多知识源的管理：由于参加协同求解的专家来自不同的领域，即使是对相同的 知识也会产生不同的描述形式。另外，不同方面对统一问题的理解也会产生一 些偏差。如何实现这些不同描述形式之间的转换，维护多知识源问的一致性， 是设计人员进行交流的基础。 冲突的协商与消解：参与协同设计的各个专家或群体之间存在各种相互制约和 相互影响的关系。且其因拥有的领域知识及对产品开发的评价标准都不尽相同， 必然导致协同设计过程中冲突的产生。这些冲突如何消解是协同设计中的一个 关键问题。 协作交流：有效的协同系统必须能够提供一组通用的协同工具，使设计者超越 时空的限制去完成产品设计任务。常用的工具包括在线交流、多媒体视频会议、 电子邮件、白板、远程应用共享等。 协同设计作为并行工程中的一项重要内容，强调设计者采用群体工作的方式，以发 挥其在各自领域专业特长和主观能动作用，其目的同样也是缩短产品的开发周期、改善 产品的质量、降低产品成本。 1 1 3 协同优化 优化设计是将机械工程设计问题转化为优化求解问题，然后选择适当的晟优方法， 利用计算机技术自动发现满足要求的可行方案群，进而从中找出能较全面地实现预期目 标的最优设计方案【9 j 。传统优化设计一般是单学科、单方面性能、单计算机串行计算的 过程，不但费时，而且难以得到综合优化解。现代工业设计的复杂化和综合化对优化提 出了更高的要求，需要实现技术性、经济性和社会性等各个方面的综合评估与优化【1 0 】。 在这样的背景下，优化模型变得日益庞大，单机优化计算变得不太现实，在实际应 用中，一般将其分解为粒度足够小、易于求解的子问题，而且子问题之间存在学科交叉。 分解的原则通常是参照现有的学科分类。因此，这样形成的多学科优化问题( m d o ， 浙江人学博士学位论文 m u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n ) 具有四个特征：学科交叉，复台多目标，大的设 计变量空间，巨大数量的设计约束1 。这类复杂系统的优化设计一般需要多学科专家的 共同参加，称为协同优化。 1 1 4 并行工程、协同设计和协同优化的异同点 由以上论述可以看出，三种技术存在相同的背景和目的以及相似的问题解决手段， 都在上世纪8 0 = 9 0 年代间提出。但其在应用范围、侧重点和任务粒度方面又有各自的特 色，如表1 1 所示。 表1 1 并行工程、协同设计和协同优化的异同点 并行工程l 协同设计i 协同优化 背景 目的 手段 应用范围 侧重点 任务粒度 激烈的市场竞争，对产品的质量、成本、研制周期等提出了更高的要求 缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本，增强企业竞争力。 任务的解耦与耦合 整个产品开发制造过程l 设计过程i 设计问题 ii 过程的集成化管理i 设计主体间的交互和协i 设计对象的建模和评价 i 调l 中的耦合和解耦 比较大f 一般i 较小 1 2 国内外相关技术研究现状与进展 1 2 1 协同设计 协同设计具有大规模协作的特性，即交互群体地域范围的分散性、环境的异构性、 业务和学科领域的广泛性、信息的多样性等。因此协同设计的研究涉及很多的方面，主 要包括系统集成与信息共享、冲突问题的协商和消解、协作交流、知识的组织与管理等 方面。不同领域内的专家对协同设计的理解不尽相同，他们从不同的角度对协同设计进 行多方面的研究。 t 2 1 1 信息共享 早期对协同设计的研究主要体现在信息共享方面，如美国s t a n f o r d 设计研究中心的 浙江大学博士学位论文 t o y e 和c u t k o s k y 等人在1 9 9 3 开发了一个支持协同设计的s h a r e 系统，帮助设计小组 收集、组织和访问设计信息【1 2 1 。1 9 9 6 年美国i l l i n o i s 大学的m c h a e l p c a s e 和s t e p h e n c y l u 等人开发了一个叫d i s c o u r s e 的模型来支持协同设计，将协同设计过程划分为三个阶 段：分析综合( a n a l y s i sa n ds y n t h e s i s ) ，信息共享( s h a r i n gi n f o r m a t i o n ) 和冲突管理 ( c o n f l i c t m a n a g e m e n t ) 【1 3 ，14 1 。美国麻省理工大学的d a v i d w a l l a c e 开发了一个基于w e b 的集成产品开发系统d o m e ( d i s t r i b u t e do b j e c t b a s e dm o d e l i n ge n v i r o n m e n t ) 通过 d o m e 提供的数据交换服务，设计人员可以利用本地或网上的资源建立集成的模型 i s ，l6 ，1 7 ，18 1 1 2 1 2 系统集成 随着对协同设计技术的深入研究，系统集成越来越受重视。德国s t u t t g a r t 大学的 a i k o f r a n k 等人在2 0 0 0 年开发了一个t o g a ( t r a n s a c t i o n o r i e n t e dg r o u pa n d c o o r d i n a t i o ns e r v i c ef o rd a t a - c e n t e r a p p l i c a t i o n s ) 系统。提出了一种分层次的基于共享数 据的协同模式，利用这个系统可以将分散的各类c a d 系统集成起来，构成一个协同设计 环境1 9 1 。文献【2 0 1 中提出了超媒体c a d 系统的解决方案。 美国s y r a c u s e 大学开发基于b r o w s e r 的t a n g o 系统2 1 1 ，现在由c o l l a w o r x 公司负 责开发，主要提供了w e bc o n f e r e n e i n g ，d i s t a n c el e a r n i n g ，o n l i n ec u s t o m e rs u p p o r t 等功能。 所有数据通过d o c u m e n to b j e c tm o d e l ( d o m ) 来处理。其他的协同工具可以通过 m i d d l e w a r e 跟t a n g o 集成在一起。 美国a r i z o n a 大学电子与计算机系h e s s a ns s a r j o u g h i a n 等人在2 0 0 0 年开发了一个 支持协同设计的d e v s 模型，利用j a v a 技术建立了一个d i s t r i b m e dc o l l a b o r a t i v en e t w o r k s y s t e m ( d c n s ) 。该系统通过提供事件服务来支持分散的客户端之间的交互操作。作者 在论文中将协同设计划分为三类：传统( c o n v e n t i o n a l ) ，同步( s y n c h r o n o u s ) 和异步 ( a s y n c h r o n o u s ) 【2 2 。 1 2 1 3 冲突协商与消解 冲突消解问题在协同设计中起着重要的作用，一方面冲突的存在必然影响设计的协 调性，导致产品的设计成本增加，开发周期延长等。另一方面冲突协商和消解的过程会 导致设计的优化。国内外的学者对协同设计中的冲突进行了多方面研究，分析了冲突产 生的原因，提出了多种冲突消解的方法。 浙江大学博士学位论文 ( 1 ) 基于冲突知识的协商 s t e p h e n p 引，h a r r i n g t o n 2 4 1 ，k a t i a l 2 5 1 ，m k l e i n p 6 ，2 7 j 分别对基于知识的冲突消解方法 进行了阐述和应用j v h a r r i n g t o n 和h s o l t a n 提出了一种基于知识的协商策略，可在 并行设计环境中解决不同专业知识主体之间的冲突为此采用了基于事例的推理技术。 k l e i nm 和y l u 综合了适合特定领域的和一般性的冲突消解策略，将冲突分层，一般 性冲突在层次的顶端，而领域性冲突在层次的底端。当系统发现冲突、先从冲突层次底 端开始寻求消解策略，若领域冲突消解策略不能奏效，再使用一般消解策略。 基于代价( w o r t h ) 的协商 gz l o t k i n 和j s r o s e n s c h e i n 提出了一个理论协商模型和协商协议1 2 ，该模型适合 于非协作领域理性( r a t i o n a l ) 主体，即使在冲突情况下，主体仍然能部分地协调它们的行 为。但模型施加的限定条件过于严格，比如主体的目标是固定不变的( f i x e dg o a l s ) 及 每一主体知道所有相关的信。息( c o m p l e t ek n o w l e d g e ) 等。这些前提条件在实际应用中很 难得到满足。后来，z l o t k i n 和r o s e n s c h e i n 对他们先前的研究成果进行了改进，提出了 一种新的协商方法，使得主体可以放宽它们的初始目标，并且可以部分地实现它们的目 标。这种方法的一个关键成份是代价的概念，用代价值定义整个或部分实现目标。 ( 3 ) 多级协商( m u l t i s t a g en e g o t i a t i o n ) 美国麻省大学的s e c o n r y 等提出一种“多级协商”协议，以协作地解决资源分配 冲突f 2 。这是一分布规划问题，主要用于对复杂通讯系统的监控。当通信系统出现线路 故障时，每个主体可以通过多级协商识别由于资源限制而无法恢复的线路情况，或者相 互协作进行分布式规划来恢复通信线路。 m k l e i n p o 】综合了适合特定领域和一般性的冲突消解策略，将冲突分层，进行消解， 若领域冲突消解策略不能有效地解决冲突，使用一般消解策略。d b a h l e r l 3 1 】提出了一个 基于经济效用的协议，在设计初始阶段允许多功能小组提出自己的最大或最小期望，采 取适当的建议和评判工具，对期望进行折衷，在设计的早期避免冲突的产生；e p o l a t l 3 2 】 建立了一个基于多a g e n t 的冲突检测和消解模型。 张友良、赵海燕等提出了一种协同决策的模型。对协同决策中的几个关键技术进行 了研究，如全局约束的提取、决策顺序的确定和个体目标相关的全局输入变量的确定 3 3 ，3 4 1 。马海波、熊光楞研究了协同设计中冲突的特点，分析了基于实例的冲突解决方法 与基于规则的冲突解决方法，提出了冲突的集成解决方案【3 5 , 3 6 。魏宝刚提出了一种面向 黑板的混合推理主体结构，其中，基于事例推理实现多主体的动态协调可用于解决由于 主体间的冲突所引起的系统控制问题 3 ”。李祥、阮雪榆等人对协同设计中冲突的特点以 及冲突的产生、冲突检测和冲突消解进行了描述p 。 6 浙江大学博士学位论文 1 2 1 4 知识的组织与管理 现代产品的设计是基于知识的设计，协同设计中也涉及到知识的管理与组织。如谢 友柏对互联网上设计知识的组织与检索进行讨论3 9 ，4 。】。乌兰木其研究了产品的并行设计 以及人工智能在协同设计中的应用1 4 ”。 美国空间和导弹中心( s p a c ea n dm i s s i l ec e n t e r ) 和美国空军技术学会( a i rf o r c e i n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y , a f i t ) 开发了一个基于知识的多a g e n t 系统框架。论文对a g e n t 知识内部交换机制( a g e n tk n o w l e d g ei n t e r c h a n g em e c h a n i s m ，a i m ) 进行了描述，a i m 包括四个部分：t h ek n o w l e d g ep a r s e r , t h em u l f i a g e n tm a r k u pl a n g u a g e ，t h ea j md o m a i n m o d e l a n dt h ea g e n t - o r i e n t e dr a n d o m - a c c e s sm e t a - s t r u c t u r e ( a r a m s ) 。其中d o m a i n m o d e l 是a i m 的核心，定义了用于分析、设计和实现多a g e n t 系统的元素【4 2 】。 1 2 1 5 基于a g e n t 的协同设计 随着i n t e m e t 的发展，现在很多的研究人员对智能的分布式的系统进行了很多的研 究。a g e n t 技术源于分布式人工智能的研究，a g e n t 技术的理论研究目前还处于发展阶 段，至今没有一个统一的定义，而且在不同的领域又被赋予不同意义 4 3 , 4 4 a 5 1 。但它的四 个基本性质还是被公认的： 自主性( a u t o n o m y ) ：a g e n t 可以不通过人的参与而自动执行，可以自动控制自己 内部的执行动作和执行状态。 社会性( s o c i a la b i l i t y ) ：a g e n t 可以象人类一样与其它a g e n t 通过一定的a g e n t 通 讯语言而相互影响。 交互性( r e a c t i v i t y ) ：a g e n t 能够感知环境的变化( 或许是图形用户界面、其它的 a g e n t 、i n t e m e t 等) 并能做出相应的反应。 对立性( p r o - a c t i v e n e s s ) ：a g e n t 不是简单对它周围环境做出响应，而且能够通过主 动的方式来显示具有目的的行为。 a g e n t 的目的就是使系统具有更高的智能程度，增强系统的灵活性、主动性和开放 性。随着人工智能和计算机技术在工程中的广泛应用，多a g e n t 系统技术对解决产品设 计、制造乃至整个生命周期内多领域间的协调合作提供了一种更好的方法。美s u s a ne l a n d e r 概括了三种协同设计的主流结构：网络结构、联邦结构和基于a g e n t 的黑板结构 【4 6 1 。 r o s e n m a n ，m i k e 开发了一个支持协同设计的面向设计的基于a g e n t 的模型c a d o m 浙江大学博士学位论文 ( c o m p o n e n ta g e n t - b a s e dd e s i g n o r i e n t e dm o d e l ) ，提出了面向设计的模型 ( d e s i g n o r i e n t e dm o d e l ，d o m ) ，包含了产品功艇、结构和管理方面的数据。功能数据包 含设计目的、函数、对象行为和设计原理：管理数据是用来维持功能数据的一致性以及 数据访问控制、权限控售4 等，其中结构数据是d o m 中的核心1 4 7 1 。 t a l u k d a r 认为任何程序、机器或者个人都可以看作是一个a g e n t ，并且认为异步团 队方式可以自动、有效地协同解决问题娜l 。 d e n t i ，e 等人在i n t e m e t 上开发了一个基于a g e n t 的协同设计框架l u c e ，支持i n t e m e t 上的各个应用程序的交互操作m l 。 c i a n c a r i n i ，p ；t o l k s d o r f , r ；v i t a l i ，f ；等人在w e b 页上开发了一个协同的多a g e n t 的参考结构p a g e s p a c e 。一般的w e b 应用缺乏相互操作的功能，p a g e s p a c e 通过协同语 言l i n d a 实现了多a g e n t 的相互操作嶂。 4 2 1 6 协同设计的特点 ( 1 ) 并行性 在大型、复杂的产品设计过程中，通常，需要按照不同任务的相关程度，将整个项 目分解成多个子项目，不同的开发小组负责不同的子项目，项目内部各自独立。这些子 项目的开发在整个项目的生命周期中可以是串行的，也可以是并行的。 ( 2 ) 分布性 在产品设计过程中，不同领域的设计专家以及相关的智力资源往往分布在不同的部 门，甚至分布在不同地域，一个成功的产品设计需要将这些领域的设计专家及其智力资 源有效地组织在一起。 ( 3 ) 交互性 设计过程的分布性，需要构造一个适当的基础通信结构，来满足成员间的沟通、协 调、协同和其他需要。这种团队成员间的交互，既可以是同步的，也可以是异步的，既 有用户之间的交互，也有用户与应用程序之间的交互。 ( 4 ) 动态性 由于多种不确定因素的存在，导致产品开发过程的进度、合作者间任务的分配和资 源的状态都会经常发生变更，这些都很正常。所以，为保证产品设计过程的顺利进行， 开发者必须时刻跟踪所有动态的信息。 浙江大学博士学位论文 1 2 2 产品数据管理 随着买方市场的出现，市场竞争愈演愈烈。科学技术的进步，缩短了产品的生命周 期，从而迫使企业不断更新产品并以最短的时间将所开发的新产品推向市场。这是企业 在市场上赖以竞争制胜的最根本的法宝，为此许多企业纷纷走向多品种小批量的生产类 型，由过去所热衷的规模经济或产量经济( e c o n o m yo f s c a l e ) ，一变而为如今的范围经 济或品种经济( e c o n o m yo f s c o p e ) 。 随着计算机辅助的信息化设计和制造技术的广泛应用和深入发展，各工程应用系统 产生了巨大的数据信息。在多数企业的这些系统都是离散的、孤立的。由于这些互不兼 容的软件产生的数据不能由一个企业级的软件系统来管理，从而无法在设计、工艺和制 造部门之间有效地实现信息的共享和传递。如何保证在正确的时间内，把正确的信息以 正确的形式传递给正确的人，完成正确的功能，已成为企业在信息化发展过程中的“瓶 颈”。目前，p d m ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 是解决这个“瓶颈”问题的最好手段 1 5 1 , 5 2 , 5 3 ，5 4 , 5 5 1 。 近几年来，p d m 是软件工业发展最快的一种技术，它的应用给制造业带来自 c a d c a m 技术应用以来最非凡的成就。据美国c i m d a t a 公司调查，全球p d m 软件和 服务市场年增长率达3 0 【56 1 。p d m 技术是在数据库基础上发展起来的一门新的数据管 理技术。致力于p d m 技术和相关计算机集成技术研究的c i m d a t a 公司的总裁e dm i l l e r 在p d mt o d a y ) ) 一文中给出了p d m 的定义：“p d m 是一门用来管理所有与产品相关 信息( 包括零件、配置、文档、c a d 文件、结构、权限信息等) 和所有与产品相关过 程( 包括过程定义和管理) 的技术”。p d m 技术所倡导的t ( t i m et om a r k e t ) 、o ( q u a l i t y ) 、 c ( c o a ) 、s ( s e r v i c e ) 目标对竞争压力日益加重的企业充满着诱惑力f 5 7 , 5 8 , 5 9 。 p d m 明确定位为面向制造企业，以产品为管理的核心，以数据、过程和资源为管 理信息的三大要素。p d m 进行信息管理的两条主线是静态的产品结构和动态的产品设 计流程，所有的信息组织和资源管理都是围绕产品设计展开。这是p d m 系统有别于其 他信息管理系统，如管理信息系统( m i s ) 、物料管理系统( m r p ) 、项目管理系统( p r o j e c t m a n a g e m e m ) 的关键所在。图1 1 为p d m 在企业内的应用。 9 浙江大学博士学位论文 图1 1p d m 在企业内的应用 1 - 2 - 2 1 产品数据管理的发展 产品数据管理技术是从c a d c a m 和工程设计领域产生出来的。自8 0 年代中期以来， 人们就已经初步认识到了产品数据管理的作用。最初，是以协调制图的存储和检索的文 件管理方式建立系统，来跟踪由c a d c a m 产生的绘图；接着，加进修订功能以便使用者 能更好地管理设计变化；其后，又增加了将图形文件与产品结构中相关信息链接起来的 能力。由于那时需求尚比较单一及片面，因此人们根据自己的理解、自身特点及所面对 的应用问题，有的强调绘图文件的管理，有的着重与m i s 软件的衔接，有的希望解决一 些工作流管理的问题，也有的急于将重要的研发数据纳入到数据库之中。 进入9 0 年代中后期，人们才逐步认识到产品数据管理的重要性。如果说当时产品数 据管理的需求及功能是一头大象的话，那么人们的对产品数据管理认识就有点儿像“盲 人摸象”，各自找到了一些各自的感觉。单从名称上就可以看出这种特点：d m ( d o c u m e n t m a n a g e m e n t ) 、e d m ( e l e c t r o n i cd o c u m e n tm a n a g e m e n t 、e n g i n e e r i n gd a t am a n a g e m e n t ) 、 i m ( i m a g em a n a g e m e n t ) 、w o r kf l o w 、c m ( c o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ) 、t d m ( t e c h n i c a l d a t am a n a g e m e n t ) 、e d l ( e n g i n e e r i n gd a t al i b ) 、t i m ( t e c h n i c a ll n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t ) 、d m c s ( d a t am a n a g e m e n tc o n t r o ls y s t e m ) 等等。 从总体上讲，p d m 技术的发展可以分为以下三个阶段：配合c a d 工具的p d m 系统、 专业p d m 产品产生和产品全寿命周期管理。 i 配合c a d i 其的p d m 系统 1 0 浙江大学博士学位论文 早期的p d m 产品诞生于2 0 世纪的8 0 年代初。在当时，c a d 已经在企业中得到了广 泛的应用，工程师们在享受c a d 带来好处的同时，也不得不将大量的时间浪费在查找设 计所需信息上，对于电子数据的存储和获取的新方法需求变得越来越迫切了。针对这种 需求，各c a d 厂家配合自己c a d 软件推出了第一代p d m 产品，这些产品的目标主要是解 决大量电子数据的存储和管理问题，提供了维护“电子绘图仓库”的功能。 第一代p d m 产品仅在一定程度上缓解了“信息孤岛”问题，仍然普遍存在系统功能 较弱、集成能力和开放程度较低等问题。 2 专监p 鳓产品 通过对早期p d m 产品功能的不断扩展，最终出现了专业化的p d m 产品，如s d r c 公 司的m e t a p h a s e 和u o s 的i m a n 等就是第二代p d m 产品的代表a 与第一代p d m 产品相比，在第二代p d m 产品中出现了许多新功能，如对产品生命周 期内各种形式的产品数据的管理能力、对产品结构与配置的管理、对电子数据的发布和 更改的控制以及基于成组技术的零件分类管理与查询等，同时软件的集成能力和开放程 度也有较大的提高。随着p d m 技术的发展，1 9 9 7 年2 月，o m g 组织公布了其p d me n a b l e r 标准草案。作为p d m 领域的第一个国际标准，本草案由许多p d m 领域的主导厂商参与制 订，如i b m 、s d r c 、p t c 等。 3 产品全寿命躅期管理 随着p d m 管理技术的发展，所管理的数据也越来越多，包括从产品需求分析、概 念设计开始，到产品淘汰报废整个生命周期内的所有数据，由此时产品数据管理也发展 为产品全生命周期管理( p r o d u c tl i f e c y c l em a n a g e m e n t ，p l m ) 。在产品全生命周期的过 程中，c a x 等先进设计和制造技术，提高了产品设计与制造的能力；通过应用o a 、 e r p 等信息化管理工具，提高企业资源配置和流程管理的能力；通过s c m 等现代信息 化沟通平台，提高企业与产业链上下游协调能力；通过c r i v i 等现代信息化服务网络体 系提高企业与用户的互动服务能力，更好地满足客户的要求。然而，以上这些产品主要 是针对产品全生命周期中某些阶段的解决方案，难以支持企业作为一个整体来提高效 率、增加创新能力和满足客户的多样化需求，而产品全生命周期管理( p l m ) 提供了强有 力的信息协同平台，将这些独立的系统结合在一起，促进了企业中