（机械电子工程专业论文）产品协同创新设计中的管理技术与系统开发.pdf

山东夫兰里圭兰竺竺苎二= 兰量竺竺型翌兰生! 塑竺兰苎查兰墨竺翌垄一_ _ _ _ _ - _ - _ - _ - _ _ - - _ - i _ h - - _ _ _ - i _ - 一一 产品协同创新设计中的管理技术与系统开发+ 摘要 现代工程设计的发展趋势是并行化、网络化、智能化，从而最终实现高度 的集成化。良好的产品数据管理作为异构环境下的一种集成框架，能集成并管 理与产品有关的所有信息，使产品数据在其生命周期内保持一致、最新和安全， 为设计人员提供一个良好的协同工作环境。产品创新设计是将设计过程中最有 创造性价值的、又最不确定的因素加以模型化、规律化的过程。如何对这一复 杂过程进行有效的管理、并针对不同的设计专家实现不同等级的技术保密，一 直是本领域涉猎不深自鲁内容。 针对上述情况，本文提出了在创新设计过程中引入产品数据管理模块的思 想，并讨论了其实现机制。文中首先论述了系统原理和体系结构，在此基础上 构建了用户管理模块、数据库管理模块，工作流程管理模块。为实现以用户身 份为约束的信息管理、工作流程和项目进展的协调控制，作者提出了基于自动 规划的用户操作序列的概念，并给出了基于分支定界法的任务到产品开发人员 分配的数学算法；以此为基础，建立了一个基于参数化设计任务的设计过程流 程模板，构建了基于p e t r i 网的创新设计的产品开发过程模型；为有效管理创 新设计过程中产生的各种产品设计方案，文中提出了一个扩展的单父单子产品 方案库及安全策略数据库的构建方法，以及功能型权限与实体型权限两种基于 用户及面向产品方案的安全策略；最后本文给出了该设计过程管理系统的功能 实现，讨论了系统的模块设簧、系统实现的软硬件环境，并给出了一个该系统 管理模块的应用实例，该模块基于c s 模式，采用服务器上的数据库作为各模 块的公共数据黑板，实现了用户权限管理、方案库管理、方案的上传下载，并 搜集设计专家的意见，及时反馈到设计系统中0 本文的创新之处在于，在分解 重构原理基础上构建的产品创新设计系统中引入了产品数据管理模块，实现了 创新设计中的协同设计及创新设计与管理的双向连通与集成广 1 本文开发的管理系统模块已经集成在山东大学c a d 省重点实验室自主开发 的c o d a r f a d 系统中，运行效果良好。 关键词：创新设计，协同设计，产品数据管理，用户管理，方案库管理，工作 流程管理 本文得到山东省科技专项厅基金资助 m a n a g e m e n tt e c h n o l o g ya n ds y s t e md e v e l o p m e n to f c o l l a b o r a t i v ep r o d u c tc r e a t i v ed e s i g n + a b s t r a c t an e wt r e n do ft h ee n g i n e e r i n gd e s i g nh a sb e e ns h o w i n gi t s e l fw h i c hi so f t e n r e f e r r e da st h ec o n c u r r e n t ，n e t w o r k i n ga n di n t e l l i g e n td e s i g nl e a d i n gt o t h ef u l l i n t e g r a t i o n p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，a sa 疔a m e w o r kt oi n t e g r a t es h a r i n gd a t a b e t w e e n i n h o m o g e n e o u sa p p l i c a t i o n s ，c a n c o m p r e h e n s i v e l ym a n a g e a l lt h e i n f o r m a t i o nr e l e v a n tt ot h ep r o d u c t ，t h u sk e e p i n gt h ed a t ac o n s i s t e n t ，u p t o d a t ea n d s a f e ，a t t h es a m et i m e p r o v i d i n g ac o n c u r r e n t a r t - t o p r o d u c tc o o p e r a t i o n e n v i r o n m e n tf o re n g i n e e r i n gt e c h n o l o g i s t s p r o c e s so fp r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g n n e e d st om o d e ja n dr u l et h em o s te r e a t i v ea n du n c e r t a i nd e s i g np r o c e s s h o wt o c e n t r e lt h ec o m p l i c a t e dd e s i g nr e s u l t se f f e c t i v l ya n dh o wt oa c h i e v et h ef u n c t i o no f r a i s i n g d i f f e r e n t r a n g e o fs e c r e c yo nt e c h n o l o g y a c c o r d i n g t od i f f e r e n t d e s i g n e x p e l si sa n a r e aw h e r el i t t l ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt o b a s e do nt h ea b e v em e n t i o n e d ，t h e t h o u g h to fi n t r o d u c i n g p d m si n t o c o n c e p t u a ld e s i g ni sp r o p o s e d f i r s tt h ef f a m e w o 心o f t h es y s t e ma n dt h es t r u c t u r eo fu s e r m a n a g e m e n tm o d u l e ，s e c u r i t ym a n a g e m e n tm o d u l ea n dw o r k f i o wm a n a g e m e n tm o d u l ea r c g i v e n i no r d e rt of u l f i lt h em a n a g e m e n tb a s e do nu s e r s i d e n t i f i c a t i o na n dt h ee f f e c t i v ec o n t r o l o f p r o d u c td e s i g np r o c e s s ，t h et e m p l a t eo f ad e s i g n f l o wb a s e do nt h ec o n c e p to f u s e r o p e r a t i o n a l s e r i a la n dt h ew o r k f l o wm o d u l eo fp r o d u c t d e v e l o p m e n tp r o c e s sb a s e d o np e t r i n e ta r e c o n s t i t u t e da n dam a t h e m a t i ca l g o r i t h mb a s e do nb r a n c ha n dd o u n dw h i c hc a nb eu s e dt o a s s i g nt a s k st op a r t i c i p a t o r se f f e c t i v e l yi nc o n c u r r e n td e s i g ne n v i o r m e n ti sp r o p o s e di no r d e rt o f u l f i lt h em a n a g e m e n to f t h es c h e m e s d e v e l o p e dd u r i n g t h ep r o d u c tc r e a t i v ed e s i g n ，a ne x t e n d e d s i n g l ef a t h e r - s i n g l ec h i l dd a t ab a s ea sw e l la st h es e c u r es t r a t e g yb a s eb a s e do nf u n c t i o n a la n d s o l i da n t h o r i t ya r eg i v e n b yu s i n gp d m sb a s e do nc sm o d ea n di n t r o d u c ed b m so n s e r v e ra s p u b l i cd a t ab l a c kb o a r d s ，i tf u l f i l s t h ef u n c t i o no fu s e r sm a n a g e m e n t , s c h e m eb a s em a n a g e m e n ta n dt h et r a n s f e r m a t i o no fs c h e m eo nw e bw h i c h1 e a d st o t h e c o n n e c t i v i t y a n d i n t e r g a t i o n o fm a n a g e m e n ta n d c o n c e p t u a ld e s i g n b y c o l l e c t i n gt h eo p i n i o no fe x p e l sw h i c hi sl a t e rf e e d b a c kt ot h ed e s i g ns y s t e m ，i t f u l f i l st h ef u n c t i o no fc o l l b r a t i v ed e s i g ni nt h ep e r i o do f p r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g n p r o c e s s t h i sm a n a g e m e n tm o d u l eh a sw o r k e dv e r yw e l li nc o - d a r f a ds y s t e m w h i c hi sd e v e l o p e db yc a dl a b k e y w o r d ：p r o d u c tc r e a t i v ed e s i g n c o i i b r a t iv ed e s i g n p r o d u c td a t am a n a g e m e n t u s e rm a n a g e m e n t s c h e m eb a s em a n a g e m e n t w o r k f l o wm a n a g e m e n t + s u p p o s e db ys c i e n c e & t e c h n o l o g yc o m m i t t e eo f s h a n g d o n gp r o v i n c e i i 生奎查兰堡主兰些兰苎二主星堡旦型翌兰生主竺竺兰彗查皇墨竺茎茎 1 绪论 在论述了课题的背景和意义的基础上，本章讨论了对产品开发过程管理的 国内外研究现状，分析了现有过程管理系统的研究内容及产品创新设计的过程 及在此过程中需管理的要素，最后明确提出了本文的主要研究内容。 1 1 课题的背景和意义 1 现代产品设计的发展趋势并行设计 随着世界经济的飞速发展和市场全球化，市场竞争日益激烈，降低产品成 本，提高产品质量，缩短产品开发周期已成为企业生存和发展的关键。作为 c i m s 新发展阶段的并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 正是解决上述问题最有 效的方法之一【1 圳。 并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程的系统方法。这 种方法要求产品开发人员在设计伊始就考虑产品整个生命周期，即从概念形成 到产品报废处理的所有因素。其宗旨是制造低成本高质量并满足用户需求的新 产品。在并行工程中，强调产品与其过程的设计集成地、并行地进行，一般称 之为并行设计( c o n c u r r e n td e s i g n ) ，其目的是能够在产品设计的最初阶段就考 虑到与最终产品有关的所有因素，以实现产品设计一次达到最优，消除在传统 的串行工程中，反复修改直至完善所造成的增加成本，延误交货期等结果1 4 “。 2 现代产品设计的核心创新设计 产品设计是并行工程的实施中最重要的环节之一【”。据统计，产品全生命 周期的成本在产品设计阶段有9 0 已经被决定，特别在概念设计阶段，有7 0 一8 0 被决定【8 0 0 1 。产品设计可分为常规设计、适应性设计及创新设计，其目的 是要创新产品，满足市场需要，而在产品概念设计阶段，对设计人员的约束相 对较少，具有较大的创新空间，因此重视概念设计也就是为产品走向市场奠定 良好的基础1 。虽然，目前基于几何( 特征) 模型的c a d 技术能够缩短设计 时间、改良已有设计、提供方便有效的制造接口，在产品的分析、计算、绘图 以及制造方面发挥了很大的作用，但是产品开发更重要的是非数据计算的、通 过思考、推理和判断来解决的创新活动，只有创新设计最能体现设计的本质特 性，真正从根本原理上进行产品革新，为社会提供种类更多、功能更丰富、价 格更经济、性能更有效的新产品，在产品的性能、质量、价格等方面产生质的 飞跃。可以说现代设计的核心就是创新设计。 3 现代产品设计的重要方式协同设计 创新设计需要根据以往的设计经验、根据新兴技术所提供的新原理、新方 法进行产品的分析、设计。这就不仅要求设计人员具有渊博的知识，而且要求 充分利用异地不同学科的人力资源、技术和先进的设备进行合作共同完成这一 过程。这就引入了创新设计的一种重要方式一异地协同设计，而目前快速发展 的i n t e r n e t 技术也为这种异地协同工作提供了可能性。就当前支持产品设计的 c a d 软件而言，大多数仅仅支持单个设计者的独自设计和人机交互，即使支持 多用户产品开发也很少考虑设计者之间的交互【l2 “】。因此有必要研究支持群体 协同设计的系统【l5 1 ，开发能够真正克服时间、空间、计算机软硬件差异等障碍 的使能技术。 4 支持现代产品设计的重要手段一产品设计过程管理 协同创新设计自动化概念强调了协同，而实现协同的基础则是对创新设计 的有效管理。在协同创新设计中会产生大量的产品相关数据，并且这些数据都 是在产品开发过程中动态形成的，当缺乏有效管理时，设计人员难以及时恰当 的得到相关数据的变化信息，就会产生冲突。为了协调创新设计中复杂的对象 之间的关系，需要提供一个能够符合产品开发的进化过程、支持产品的多视图 表达的管理模型，以控制成员的合作速度，保证设计的准确性，提高合作的效 率。因此，对协同设计过程中的各种产品信息、过程信息提供有效的综合管理 与控制手段，可以避兔设计过程中混乱与无序的发生，从而防止冲突的形成。 传统c a d 技术经过数十余年的发展，虽取得了巨大的成效，但在实际的应用 中仍存在着某些严重不足【1 6 i 。随着企业动态联盟与敏捷制造技术的研究与实 施，以实现敏捷化产品设计为目标，支持多企业协作的产品数据管理与共享， 以及企业间的信息集成，实现企业内多部门集成化、并行性、协同化的产品开 发，已成为亟待解决的技术问题 1 7 - 2 0 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 支持产品生命周期管理的使能技术p d m ( 1 ) p d m 的产生与发展 2 1 - 2 7 1 坐查查兰竺：! 兰竺鲨兰二三兰兰型型堑堡生! 竺篓堡茎查兰至釜翌垄 - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - 。一一 在2 0 世纪的6 0 、7 0 年代，企业在其设计和生产过程中开始使用c a d 、 c a m 等技术，虽然各单元的计算机辅助技术已经日益成熟，但各自动化单元 自成体系，彼此之间缺少有效的信息沟通与协调，形成所谓的“信息孤岛”。在 这种情况下，许多企业已经意识到：实现信息的有序管理将成为它们在未来的 竞争中保持领先地位的关键因素。p d m 正是在这一背景下产生的一项新的管 理思想和技术。p d m 可看作是一个企业信息的集成“框架( f r a m e w o r k ) ”，如图 1 1 所示，作为2 0 世纪末出现的技术，p d m 继承并发展了c 1 m 等技术的核心 思想，在系统工程思想的指导下，用整体优化的观念对产品设计数据和设计过 程进行描述，规范产品生命周期管理。其核心思想是设计数据的有序、设计过 程的优化和资源的共享，使所有与项目相关的人在整个信息生命周期中自由共 享与产品相关的异构数据。 p d m 技术于八十年代兴起，在九十年代得到了迅猛地发展，它的发展可以 分为配合c a d 工具的p d m 系统、专业p d m 产品和p d m 的标准化阶段三个 阶段，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。p d me n a b l e r 基于c o r b a 技术，就p d m 的系统功能、p d m 的逻辑模型和多个p d m 系统 间的互操作提出了一个标准。这一标准的制订为新一代标准化p d m 产品的发 展奠定了基础。 图1 i产品数据管理系统的集成框架 ( 2 ) p d m 软件的主要分类及供应商 目前p d m 软件主要有两大类，一类是非嵌入式的p d m 系统，如s d r c 公 司的m e t a p h a s e 等；另一类是嵌入式的p d m 系统，如s a p 目前正在开发的p l m 是嵌入到其e r p 系统之中的。表1 1 是1 9 9 9 年市场上被归类为p d m 产品。 其中，p d m 的核心软件是指先开发出p d m 完整的核心框架之后，再往应 用面开发的软件，以p d m 框架作为其主要的软件开发与维护方向；应用p d m 核心软件是由p d m 应用系统的子系统为基础而开发的软件，之后再加上p d m 系统的框架，并且以此框架与其它系统作集成，软件的重点是其应用面的范围 与功能的完整性；p d m 应用软件原则上属于p d m 的应用，但是它框架在p d m 的基本核心之上，不具有完整的p d m 核心，但在特定的应用功能上可以与其 他具有p d m 核心的软件集成而成为正式的p d m 系统。 表1 - lp d m 软件的主要分类及其供应商 公司名称简介分类产品名称 a g i l e s o f t w a r e中型制造业的形态管理p d m 核心软件 a g i l ec o n f i g u r a t o r c o r p a g i l e a d m i n i s t e r a u t o d e s k 档案、版本、流程、文件权图档管理p d m w o r k c e n t e r 限、批注等管理； 应用软件 ic a c i - f e d e m l ，f n c以形态管理为土的p d m 系 应剧p d m 核心软c g a t e 统 件 i b a r l o ww i l s o n 设变管理软件p d m 应用软件p o d i u m ll i m i t e d 1 2 2 设计过程管理的研究内容 1 2 2 1 现有设计过程管理系统的功能分析 功能模块 电子数据 处理方案 技术实现 用户 c a d 平台 产品数 据集成 模块 产品结 构编辑 工作流 程控制 数据库操作翻译器 数据库管理系统 系统管 理主控 电子仓 库 计算机操作系统 图1 - 2 产品设计过程管理系统功能结构图 山东人学硕士学位论文产品协同创新设计中的管理技术与系统开发 如图1 2 所示，一般的设计过程管理系统应具有以下功能【2 8 。2 9 1 ： 电子资料室和文档管理； 工作流或过程管理功能； 产品结构与配置管理功能； 查看和圈阅功能； 项目和生命周期管理功能； 电子协作功能； 集成工具功能 1 2 2 2 现有设计过程管理系统的技术分析”2 ( 1 ) 系统构造方法： 当前设计过程管理系统大多采用分布式的客户机, l l 务器( c l i e n t s e r v e r ) 结 构，服务器端负责公共数据的存储、多用户的同步等功能，客户端主要负责与 用户的交互、客户私有数据的管理等。系统内部的构造是层次化的，建立在操 作系统、网络环境和分布式数据库的基础上。其核心模块集中管理了所有设计 过程涉及的实体，如人员、数据、过程以及实体之间的关系等，建立在核心模 块上的是各种系统功能，如产品结构管理、集成工具、工作流管理等。 ( 2 ) 设计过程管理系统的基本特征是开放与集成： 设计过程管理系统应当是一个开放性的系统，开放主要包括数据的开放、 功能的开放和系统建模方法的开放。开放性主要表现在可移植性、可扩展性、 互操作性、可裁剪性等方面。集成是设计过程管理系统的基础功能。所谓集成 是指系统提供的一组机制，使之能够和其他软件工具和系统协调工作，可分为 三个层次：工具的集成、信息的集成和应用的集成。 ( 3 ) 数据库技术 传统的管理系统大多建立在关系数据库基础上。但是关系系统存在语义不 丰富、建模手段不足等问题。近年来有关面向对象数据库、演绎数据库、知识 数据库的研究正在不断取得突破这些都将推动设计过程管理系统的进步。 ( 4 ) 集成开发接口 企业的情况千差万别，用户的要求也多种多样的，这就要求设计过程管理 系统必须具有强大的二次开发能力，提供二次开发工具包，用户可利用这类工 具包来进行针对企业具体情况的定制工作。 1 3 产品创新设计 1 3 1 创新设计过程 面向产品创新设计的c a d 方法主要以现有的c a d 技术以及人工智能技术 为基础，以产品创新为目的，它以产品的设计要求为初始输入，产品设计方案 为最终输出，包含了概念设计方案的生成、功能单元的结构设计、产品装配设 计、详细设计、改良设计以及产品数据模型的生成等方面。机械的创造发明大 多属于机械结构方案的创新设计。从创新设计这一人类智能的最高境界出发， 澄清发现与发明的关系，抽象概括为分析与综合，可形式化的基本模式是分解 与重构【3 33 4 1 。文献【3 3 亦指出创造发明是产生物质世界不曾存在的物品，其本 质是已有物品的分解与重新组合构造。与传统的分解方法不同这里的分解和重 构是辨证的统一体，称为“分解重构”( d & r 一一d e c o m p o s i t i o na n d r e c o n s t i t u t i o n ) 。 分解：设计问题，设计需求、产品结构、设计过程和设计结果等都是可 以分解的对象。图l 一3 是设计需求和产品结构的分解情况。 需求结构 厂t 上丁 厂t 丁 功能结构子功能 子功能( 功能结构)了结构 子结构( 组件) 广广 功能特征特征1结构特征 功能功能元素l结构基元 ( 性能，行为)( 表面，约束) 图1 3 设计需求和产品结构的分解 设计过程则可按内容分成不同阶段，如： 功能设计专功能表面集专功能结构专功能零件专实体零件 重构：重构就是综合，对于创新具有分析方法不可替代的作用：在设计过程 中，方案筛选，模型统一，组合相容性和整体性检查，系统完备性检验等都需 要重构技术。 在分解重构模型中，分解的对象都需要重新综合起来。在结构设计中，各 独立单元的功能与结构，例如功能表面，功能零件，功能产品都需在分解的基 础上重新构成。根据对象的关系类型，各独立单元的功能与结构可以分层逐步 当查查兰竺兰= 兰竺笙兰二= 芏曼生! = ! 型翌鲨生主竺竺墨苎查兰至竺茎茎 一 综合。例如，功能表面一功能零件一功能产品的顺序重构。 将分解重构原理应用于机械产品结构创新设计中，对产品结构进行创成的 进化过程实际是基于功能表面的分解重构过程，在分解重构模型中，产品状态 的变化表现为产品方案的多解问题的产生。就产品级的设计自动化来说，产品 状态变化的控制问题，也就是解决好多方案设计问题，由于选择知识的缺乏， 采用动态树记录多方案及其关系，树的下一层是上一层方案的细化，补充和替 代了上层方案的部分信息，从而使功能结构不断推进。 设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解 和满足功能结构要求的工作原理求解的过程【”j ，大部分机械产品的设计是对原 有设计活动的修改，其结果就是设计过程是趋向于采用基于实例的方法1 3 “”j ， 因此，在设计阶段，系统应可以通过应用接口检索一个最合适的产品实例( 方 案) ，如果检索到完全满足要求的方案，则直接将结果传递到相应的子系统，结 束设计；否则，选择一个方案，按照设计要求，进行调整，或者更换组件，这 两者都达不到要求时再采用新设计：即在没有可重用产品模型的情况下，参考 原有的产品资源，按照设计要求，在基于约束设计的c a d 平台上构造可重用 的产品模型。在这一过程中，系统应能捕捉设计要求、设计参数，形成产品的 总体结构信息；对产品设计任务进行分解、总体控制与规划；对产品资源库进 行检索，将目标产品与源产品进行比较，形成设计方案；然后，在系统的控制 下，自底向上进行尺寸调整，形成可能的解，传递到c a d 系统并通知用户， 这种方式可以有效的实现设计资源的重用。 1 3 2 创新设计的信息要素 从上述的设计过程可以看出，在进行创新设计时需管理的产品信息有： 产品功能需求信息； 产品的文档信息：如设计任务书、设计规范、技术文件等： 设计阶段的资源信息：如计算机资源、参与人员等； 产品方案的原有实例库； 产品方案的几何模型； 通过建立上述各要素的关联与集成模型，可以有效的管理创新设计过程。 1 3 3 创新设计的过程要素 考虑到活动的目标与组织关联性，对设计过程的管理包括以下要素： f 1 ) 设计过程规划：从产品设计所需资源的全局出发，依据设计活动之间的 相互关系进行早期的计划和安排，以避免或减少设计过程中的冲突。 f 2 ) 设计过程控制：在实际的设计过程中，确定各种设计活动执行的顺序和 相互关系，以尽可能地保证设计活动与设计对象的一致性，并由此来调 度产品设计过程的活动、监控产品设计的进程。 f 3 ) 设计过程的组织协调：建立组织机制以及在组织基础上的活动协调机 制，以及组织内部的任务分配过程。 f 4 ) 设计过程组织的模块化：设计活动往往是多次重复出现的，建立一种模 块化的解决办法，并选择符合要求的过程模式，遇到重复出现的情况， 就可以按照既定的程序和步骤行动，从而简化管理过程。 1 4 课题的来源及本文的主要研究内容 统。 本课题旨在建立支持产品创新设计、协同设计的产品知识库管理技术与系 本课题理论方面的主要研究如下： 综述国内外产品数据管理的研究内容、研究现状及方法；阐述了本课题 的研究意义及目的； 在描述创新设计集成模型的基础上，提出了系统的管理模型及功能模 型，通过多种建模方法建立了系统的体系结构，提出数据存储、用户管 理、工作流程管理以及数据库构建的框架； 提出了基于自动规划技术的用户操作序列的概念，构建了基于用户一权 限的安全管理机制，及包括操作系统、用户以及数据库的安全管理的系 统安全管理框架； 阐述了创新设计中产品方案库的建立及其管理与检索机制。在建立基于 w e b 的产品数据库功能模型的基础上，提出了基于扩展的单父一单子数据 库表的系统数据库功能模型； 在了解产品与开发过程的集成机制的基础上，阐述了系统基于p e t r i 网 的工作流程管理的理论方法，并描述了其实现机制； 2 设计过程管理系统的体系结构 并行工程的实施，需要对设计过程进行有效规划。现代产品设计不但注重 设计内容，同时亦强调设计进程的科学化和模式化( 层次性、条理性和逻辑性) ， 即强调设计过程的管理f 3 8 l 。在以建立产品概念模型为目的的系统中，对产品创 新设计过程及相应的管理过程进行建模，是对设计过程进行有效管理、实现创 新设计并行化的基础，本章在构建了产品开发过程模型及信息流模型的基础上， 简要描述了基于产品信息模型的设计过程管理系统的体系结构与主要功能。 2 1 产品开发过程信息模型 为完善管理产品开发过程，产品过程信息模型内容应当是完备的，并由项 目管理方式决定p 。针对创新设计过程，本文以过程集成为中心将创新设计过 程这一多信息模型，分解为产品数据模型、资源模型、组织模型和活动模型， 它们从四个侧面反映了产品并行开发的过程信息。以活动模型为中心模型间的 关联关系为：产品的活动和组织模型必然受到产品数据模型的约束；资源的管 理是实施企业成本控制的基础，组织是资源的使用者，而资源的使用是企业活 动执行的前提。过程模型包括由活动分解形成的具有层次的并行开发活动网以 及过程执行和管理机制，它描述了活动问的从属和并行等约束关系，如图所示： 图2 - 1 产品开发过程信息模型 生查查兰竺! ：兰竺堡兰二= 兰苎坐空型翌堡生! 竺笪兰苎查兰至竺互墨一 2 1 1 产品数据模型 产品设计是一个信息密集的协作过程，在这一过程中，设计活动要处理和 产生不同的产品数据，这些数据可以分为产品定义数据、产品过程数据以及用 于产品整个生命周期的产品支持数据。产品定义数据是指描述设计对象、定义 产品的数据，在创新设计阶段是指在产生概念模型的过程中产生的产品方案的 定义文件，在本系统中是采用一种特殊的文件形式d a t 来描述的。产品过程数 据包括( 1 ) 工程变更数据：产品及其各构成要素在设计过程中会被反复修改， 其中产生的数据我们称其为工程变更数据。要有效的管理设计过程就必须记录 变更发生的时间、变更的结果和执行变更的人员等，它是追踪产品在整个生命 周期内来龙去脉的依据。创新设计的工程变更主要表现为不同阶段、版本的设 计结果的发放、审批等。( 2 ) 设计活动数据：设计过程是由一系列的活动来处 理产品数据，这些活动体现为对设计任务的计划、分配、接受以及对设计过稃 的组织与管理，这些设计活动产生的数据我们称其为设计活动数据，它通常表 现为不同内容的任务通知单等等。 2 1 2 产品开发活动模型 在信息集成基础上，并行工程更强调功能和过程的集成，如何有效的建立 产品开发过程模型是实施并行工程的关键，建模的目的是针对产品开发过程进 行仿真分析，实现企业生产的全局管理和协调，对产品开发过程建模可以解释 为对企业中产品开发过程的描述、抽象和提炼，并以此为基础完成对产品丌发过 程的规划、仿真和分析，产生适合并行工程要求的产品开发过程的组织方案，以 实现对产品开发过程的监控和管理 4 0 - 4 3 j 。 一个成熟产品的开发需经过概念设计及物理结构设计的过程【4 4 舶l ，概念设 计实质是产品功能原理的设计或产品功能实现的方案设计；物理结构设计是功 能域对物理域的映射，基于产品的概念方案，找出相应的功能实现的物理机制、 配置合适物理制造实体。为支持产品概念的有效设计，本文提出设计的基本过 程是：( 1 ) 依据用户需求确定产品总体功能；( 2 ) 对总体功能进行分解，产生 功能原理集；( 3 ) 从功能原理集出发，确定产品基于功能视图的原理模型；( 4 ) 对原理方案进行审核；经过以上几步，就完成了产品的概念设计。 产品开发活动作为在产品开发过程中的核一心，集成了资源、角色以及产品 数据，为对产品开发活动进行有效的管理，本文利用i d e f o 方法建立了基于规 则的产品开发活动模型，并给出产品创新设计的功能分解图。i d e f o 是美国联 邦信息处理标准( f i p s1 8 3 ) 的规范建模工具。它能从功能角度来描述并行产 品开发过程中所发生的各种信息交互情况，如在系统与外系统之间和各子系统 之间发生的各种信息( 文字、图形等) 的交流等。 图中符号说明如下，c 1 ：要求集；c 2 ：目标集：c 3 ：其他集； m l ：用户信息；m 2 ：系统资源信息：m 3 ：原有事例； m m 2 1 3 产品组织模型 为支持设计过程的并行性、协同性，在强调产品数据的组织和过程管理的 同时，还必须强调对设计人员的组织管理。通过合理组织多功能的产品丌发团 队，可以克服部门制管理信息层层传递的缺点，使设计后续环节的人员能够及 时参与到设计开发过程中来，从而缩短产品开发周期。因此，组织模型的建立 在企业集成建模中具有尤为重要的作用。本文建立了与产品关联的组织模型， 在此模型中，成员均归属各自的职能部门，系统可根据任务对人员的需求来指 派相应数量的人员去从事某项工作；设置不同的角色，使不同用户对信息具有 不同权限，并对特殊文档进行封锁，未经特别授权的用户不能查阅；为减少传 统产品开发过程中，设计人员把大量时间用于寻找、检索信息、等待图纸等现 象，本系统在用户身份权限的基础上，为设计人员提供了数据管理的全面工具， 生查查兰竺! 兰竺笙兰二芏苎竺望型堑竺生! 竺竺堡垒查兰墨竺茎竺一 _ _ _ _ _ _ 。- 。_ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ 。_ - 。_ 。_ _ 。_ - 。- 。- 。1 。一 将p d m 所管理的信息实体同产品事例建立关联关系，形成一个纵横交错、州 互关联的信息关系模式，并以设计人员为线索，检索相关的系统对象，对于相 关方案的设计数据及相关组织信息提供了集成的、可控制的、安全的多种访问 途径，实现了“导航浏览功能”，设计人员不需要了解到何处去获得产品数据， 一经登录即可准确的得到需要的产品信息及数据，减少了其空载时阳j 。 2 2 基于产品活动模型的信息流模型 信息建模是表示实体及实体问联系的一种程式，它兼有描述数据的内容以 及数据间联系的功能，目的是为了将所关注的客观事物抽象成形式化的描述， 以便于计算机理解和处理。要建立系统信息集成就必须明确产品信息的乇要内 容和相互关系，建立一个能够清晰反映产品及其内在的联系、面向产品的应用， 消除不一致和冗余，使各种信息实现合理共享。在创新设计阶段，信息建模的 核心是功能信息，在对关系型数据库、c s 体系结构和系统开发工具的充分了 解基础上，在标准规范的控制下，我们采用i d e f 0 方法建立了如图2 3 所示系 统信息流模型。该模型描述了产品开发过程信息在系统各功能模块件的传递过 程。图中，c 1 代表综合信息库；c 2 代表设计信息库；c 3 代表工作过程信息库。 c ir 2c 3 图2 - 3系统信息流建模 2 3 基于产品信息流模型的系统功能与体系结构 通过上述对设计过程信息建模的分析，可见，对设计过程的管理可以包括： 设计过程的规划、控制和组织协调。因此在支持创新设计的产品丌发过程管理 中，我们建立了用户管理及工作流程管理模块；同时由于设计活动是建市在信 息共享基础之上的，因此，系统设置了产品共享数据库，并通过数据库管理模 块实现了设计信息的搜集、处理及管理；为建立基于信息检索策略的产品设计 辅助系统，系统实现了在设计过程中动态记录和存储已存在的产品结构视图和 产品说明等与产品有关的信息；最终的产品设计方案等信息，用数据库进行存 储，并在系统许可的范围内进行共享，并可动态在产品方案树 ：增加新，上成的 方案1 4 舡5 3 1 。 2 3 1 功能模型 根据设计人员身份登录设计系统 里2 堡壁笪罂堡墨i i 设计人员身份验证 文档传输管理模块 设计过程管理模块 查看相关设计任务说明 查看己完成设计任务审核反馈信息 启动设计过程 设计结果存储 。r 结束设计过程 启动 怍绀9 缸i f 模块 启动打开原有方案枞5 验i ：模块 w r l 文件、d a t 文件传输 图2 - 4 系统主要模块及流程 以协同设计过程为背景，在总体设计、模块设置及主要功能设计上为满足 系统的研制要求，确立产品开发过程信息流程的体系结构具有用户管理模块、 文档管理模块、工作流程管理模块、c s 信息交互模块。在设计过程中，针对 些查查兰竺兰兰竺堡兰= 主生丝：型型堑堡生主竺兰：兰堡查三至竺翌兰- 一一 产品创新设计的特点，借助数据库技术，为实际工作提供数据交换环境，以便 于实现各过程的信息共享，并通过网上协同环境及公共数据库，在设计系统及 时获取用户及管理人员对某一方案的反馈信息，为实现设计过程集成化、智能 化提供有效的系统工具。其主要的模块及工作流程如图2 - 4 所示。 2 3 2 数据的存储 各类产品数据在基于计算机的设计环境中的主要表现形式是各种格式的计 算机文件，即文件是p d m 系统管理产品数据的基本对象。在创新设计进程中会 产生大量的产品方案及各种设计文件，作为产品开发过程中的数据资源，我们 将其存放于数据库内，并根据产生的阶段性文件的不同特点在同一数据库内划 分了不同的资源区域，以实现不同等级的共享；为方便协同设计参与人员对共 享数据的访问，本系统将数据库放置于服务器上，并采用开放的标准来向用户 提供可视化的产品信息。各种数据资源根据其在数据库中存放的逻辑位置分为 以下几个区域： ( 1 ) 库工作区设计数据的最高工作区，用于存放产品设计方案的最终版本数 据，只有企业主管或项目负责人有权访问。 ( 2 ) 用户工作区设计人员的私有工作区，存放用于修改的设计数据，在该工 作区也存放设计数据的不同版本，当设计人员完成私有任务后，其设计结果可 提交到库工作区，以继续后续工作。 ( 3 ) 公共工作区用于发布电子公告，也可用于项目小组成员实施通讯或讨论 问题，或用于设计人员和评审人员的会签工作区 在具体的实现中，我们是通过具体的产品方案的状态划分来实现资源区域 的划分的，详见第四章。对公共数据库的访问，是通过访问服务器实现的，由 服务器直接存取文件，再将结果返回给客户端。 2 3 3 用户管理 本系统采用通过用户管理机制来实现系统级以及方案级的安全管理，办即 通过建立两种对应关系：用户一权限、用户一方案来实现系统及产品方案的安 全管理与安全操作。 系统用户可以分成两类：一类是使用m d t 软件进行设计的客户及相应的 管理人员、审核人员：一类是使用w w w 浏览器的客户。对于使用m d t 软件 星三薹墨丝堡至丝垫 一 的客户其设计数据转化为关系型数据格式保存在服务器的数据管理系统中，并 通过相应的访问控制权限控制器控制其访问权限；对于消费者、供应商和其它 仅需预览功能的人员，可通过w w w 浏览器在虚拟现实环境中交互观察产品的 三维几何模型，并反馈相应的建议，从而参与产品的协同设计过程。 同时通过用户权限的划分使得具有不同权限的用户只能登陆不同的系统， 从而保证并行各单元通过网络进行交流时，信息的安全性与保密性，使信息只 能流向指定的单元，防止信息的随意拷贝、更改和分流。 2 3 4 工作流程管理 本模块定义和描述，并自主形成每个方案的产生、修改、发放和终止使用 等过程，配置了电子工作区环境，集成了各种工具，在用户之间选择传送数据 以便共享。设计启动时，向设计人员提供相关的初始数据，如产品需求分析报 告、设计任务书等，设计人员接受到这些文件后进行设计，产生的阶段性成果， 如设计数据文件名、设计者名、设计结果状态及其属性类型等向系统提交，产 品设计图可以进行预发布，将其与后续设计过程的设计人员共享，这些人员可 以对此结果进行审批或在此结果上开始其相应的过程，以实现过程的并行。设 计人员在开发过程中需保存他的开发工作时，系统将自动保存为工作版本，可 随时调用和修改，以继续后续工作；开发工作完成且不再变化时，工作版本冻 结，以防非法修改，并可将设计情况发送给其他的设计人员或更高层的设计人 员，让他们在线核对和审核设计工作，并将结果反馈至设计系统，及时交流信 息。 2 3 5 实现的机制 在工程设计领域，设计后期的详细设计阶段和装配设计阶段的p d m 技术已 较成熟，而在概念创新设计阶段的研究则相对较少。概念创新设计包括产品早 期设计阶段的草图设计、构思设计、初步的参数设计和结构设计等内容，在过 程上与详细设计具有连续性及相似性，因而我们对其管理方式的研究以详细设 计过程中的p d m 技术为基础，将其中的建模技术、真实感显示技术等针对概 念设计进行改进，建立了面向创新设计管理的理论和技术。 一 生查查兰竺：! ：兰竺笙兰二= 主璺堡型型堑垦! ! 竺笪翌茎查兰至竺茎垄 一 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - 。_ _ _ 。一 2 3 5 1 基于w 删和in t e r n e t 的协同创新设计系统的基本要求 提供三维产品概念建模空间。 采用开放标准，以支持来自产品生命周期各环节的设计人员以及供应商 和客户的参与。 参与人员之白j 的自然通信。 采用数据管理系统来管理