（机械设计及理论专业论文）产品协同设计过程中关键技术的研究与实现.pdf

摘要 论文题目：产品协同设计过程中关键技术的研究与实现 学科名称：机械设计及理论 论文作者：呈篮签名至垫。签名j 惚、， 答辩时间：2 0 0 5 年孝月 摘要 立 复癯 签名趣签名老必 本文以产品协同设计为研究对象，从工程设计的实际出发，以计算机技术、网 络技术和数据库技术为实现工具，从产品协同设计的技术和组织的特性入手，对产 品协同设计中设计信息表达与交互、设计任务与设计知识的冲突消解、协同设计参 与者之间的设计博弈以及多任务多层次设计优化问题进行了深入的理论分析和方法 研究 产品协同设计中设计参与者之间的信息交互是实现协同设计的基本前提，基 于协同设计环境的存在异构性的问题，提出了建立产品设计信息的本体，通过一 阶逻辑和描述逻辑对产品本体进行互补描述，并且针对不同的设计本体提出了本 体的影射算法，提出了基于产品本体模型设计产品数据模型的方法。 根据协同设计过程所具有协同性。提出了基于协同设计过程模型的数据流逻辑 关系模型，在此基础上分析了协同设计中冲突产生的原因针对设计任务具有的时 序逻辑关系，提出了基于p e t r i 网的设计任务协调机制，通过引入粗糙集理论建立 了基于距离公式和决策空间的设计知识冲突消解算法，并提出了面向协同设计冲突 消解的技术框架。 产品协同设计中各个协同设计参与者在针对各自的设计问题进行设计过程体 现了一种设计博奔。本文引入博弈论的理论描述了协同设计参与者之间的协同设计 关系，建立了基于博弈协议的协同设计模型提出了协同设计中应用博弈论求解的 技术框架以及基于博弈论的简约、建模和求解的协同设计求解方法，并通过测量系 统中的工件拖动机构与测量仪器驱动部分的协同设计问题验证其可行性。 针对在解决复杂设计问题中的分解策略，本文结合多学科设计优化方法，提出 多层次设计优化的方法，通过比较协同子空间优化、协同优化以及b i l s s 法提出 了面对不同设计情况下所采取的策略同时根据在设计初期存在的设计变量不确定 西安理工大学博士学位论文 性现象，提出了采用区间表达设计变量不确定性的方法，并提出了考虑不确定性的 多层次设计优化算法，实例证明是可行的。 根据科研谖题，紧密结合上述提出的理论和方法，采用设计需求分解、c o r b a 技术、p r o l o g 技术、x m l 技术以及数据库等关键技术，建立了面向测量系统协同设 计的原型系统，并通过所开发的原型系统完成了测量系统相关部分的协同设计任务， 说明了系统的实用性。 最后对全文进行了总结，指出了进一步的研究问题。 本文提出的相关理论和方法，为进一步完善产品协同设计理论和促进协同设计 技术的推广应用奠定了定的基础。 关键词：协同设计；本体论；冲突消解；博弈论；多层次设计优化 本论文得到了山西省自然科学基金项目的资助( 项目编号：2 0 0 1 1 0 5 6 ) a b s t r a c t r e s e a r c ha n dr e a i j z a o no fk e yt e c h n o l o g i e s i np r o d u c tc o i j 。a b o r 鲴v ed e s i g n c a n d i d a t e ：丛卫盟 s i g n a t u r e s u p e r v i s o r ：丛坠醚q 盟鱼2 2 匣q s i g n a t u r e匝垆 s i g n a t u r e 乒成 a bs t r a c t 1 1 l et h e s i si sc e n t e r e do nt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g no ft h ep r o d u c t s b e g i n sw i t ht h e t y p i c a lf e a t u r e so fi t st e c h n o l o g ya n do r g a n i z a t i o n ，g i v e st h ef u r t h e rs t u d yo nt h e i n f o r m a t i o ne x p r e s s i o na n di n t e r a c t i o n s ，c o n f l i c tm s o h t i o nb e t w e e nd e s i g nt a s ka n dd e s i g n k n o w l e d g e ，d e s i g ng a m e sb e t w e e nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n e r , a n dt h eo p t i m i z a t i o nb e t w e e n m u l t i - t a s ka n dm u l t i - d e s i g n ，w h i c hh a sb e e nf u l f i l l e dw i t ht h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r , i n t e m e ta n dd a t a b a s ea c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n i t i st h eb a s i cp r e c o n d i t i o nt h a tt h ei n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o ne f f e c t i v e l yc a r r i e do u t b e t w e e nd i f f e r e n tc o l l a b o r a t i v ed e s i g n e r sf o rt h ei m p l e m e n t i n go fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ， a n dj u s tb a s e do nt h ei n h o m o g e n e o u se n v i r o n m e n to fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，t h eo n t o l o g y o fp r o d u c td e s i g ni n f o r m a t i o ni sp r e s e n t e d ，t h ea l g o r i t h mo fo n t o l o g i c a lm a p p i n gi sp u t f o r w a r df u rd i f f e r e n td e s i g no n t o l o g yb yu s i n gf i r s to r d e rl o g i ca n dd e s c r i p t i o nl o g i c s ， a n dt h ea p p r o a c ht ot h ed e s i g no ft h ep r o d u c tm o d e ld a t ai si l l u s t r a t e dt o o t h ep r o c e s sm o d e la n dd a t af l o wl o g i c a lr e l a t i o nm o d e lo fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni s c o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c st h a tt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g nr e f l e c t s t h e r e a s o nw h yc o n f l i c t so c c u r r e di np r o c e s so fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sa n a l y z e d ，h a r m o n i o u s m e c h a n i s mb e t w e e nd e s i g nt a s kb a s e do np e t r in e ti sf o r m e d ，a n dr o u g hs e ti si n t r o d u c e dt o c o n s t i t u t ea na l g o r i t h mf u rc o n f l i c tr e s o l u t i o n sf r o mt h ea n g l eo fd e s i g nk n o w l e d g n f i n a l l y , t h et e c h n o l o g i c a lf t a l t l eo fc o n f l i c tr e s o l u t i o n st oc o i l a b o r a t i v ed e s i g ni sm o d e l e d n e p r o c e s st h a te a c hc o l l a b o r a t i v ed e s i g n e rs o l v e st h e i rr e s p e c t i v ed e s i g np r o b l e m si s c o n s i d e r e da sak i n do fd e s i g ng a m e ，a n dg a m et h e o r yi si n t r o d u c e dt od e s c r i b et h e r e l a t i o n s h i pw i t hc o l l a b o r a t i v ed e s i g n e r s n em o d e lo fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni ss e tu p w h i c h i sb a s e d t h r e ek i n d so fp r o t o c o l ( c o o p e r a t i v e ，n o n - c o o p e r a t i v ea n dl e a d e r f o l l o w e r ) n e s o l u t i o nt or a t i o n a lr e s p o n s es e ti sd i s c u s s e dw i t ha p p r o x i m a t er e s p o n s es u r f a c em e t h o d a n dt h ee x a m p l eo fd r a w - m a c h i n ea n dd r i v e - m a c h i n eo fm e a s u r es y s t e mi sp u tf o r w a r dt o p r o v et h em e t h o dm e n t i o n e da b o v e c o l l a b o r a t i v ed e s i g n e rm a yb ec o n f r o n t e dw i t ht h em u l t i l e v e ld e s i g no p t i m i z a t i o ni n 西安理工大学博士学位论文 t h ep r o c e s so fs o l v i n gc o m p l e xd e s i g np r o b l e m s a f t e rc o m p a r i n gw i t ht h r e em e t h o d st h a t a r ec o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o n ( c 0 ) ，c o n c u r r e n ts u b s p a c eo p t i m i z a t i o n ( c s s o ) a n d b i - l e v e li n t e g r a t e ds y s t e ms y n t h e s i s0 3 l i s s ) ，t h es t r a t e g yi ss u m m a r i z e da c c o r d i n gt o d i f f e r e n td e s i g nc o n d i t i o n a tt h es a m et i m e ，u n c e r t a i n t yt r a n s m i tm o d e li sp r e s e n t e di n t e r m so ft h eu n c e r t a i n t yo fd e s i g nv a r i a b l e s s o l u t i o nt ou n c e r t a i n t yb a s e do i lm u l t i l e v e l d e s i g no p t i m i z a t i o ni sw o r k e do u t a i lt h e s ea l ef e a s i b l e w i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h et h e o r ya n dp r a c t i c e ，p r o t o t y p es y s t e mo fc o l l a b o r a t i v e d e s i g nf o rt h em e a s u r ei se x p l o i t e d ；s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h e d e c o m p o s i n gd e s i g nr e q u i r e m e n t ，c o r b at e c h n o l o g y ，p r o l o gt e c h n o l o g y ，x m l t e c h n o l o g ya n dd a t a b a s e st e c h n o l o g y t h ep r o t o t y p es y s t e mo fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni s e x p l o i t e dt of u l f i l lt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g nt a s ko fm e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hf u r t h e r p r o v et h ep r a c t i c a b i l i t yo fi t t h el a s tp a r to ft h et h e s i si st h ec o n c l u s i o no fr e s e a r c ha n da n t i c i p a t i o no fs o m ef u t u r e w o r kn e e d e d t h e s er e l e v a n t t h e o r i e sa n dm e t h o d sp r e s e n t e di n t h i st h e s i sw i l l p e r f e c t t h e c o l l a b o r a t i v ed e s i g na n da c _ 魍l e r a t ei m p l e m e n to f e o u a b o r a t i v ed e s i g nt os o m ee x t e n t k e y w o r d ：c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；o n t o l o g y ；c o n f l i c tr e s o l u t i o n ；g a m et h e o r y ； m u l t i l e v e ld e s i g no p t i m i z a t i o n 独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重中明：本人所呈交的学 位沦文是我个人任导师指导f 进行的研究1 = 作及取得的成果尽我所知+ 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果与我 一同工作的同志对本文所论述的丁作的f 肼贡献均已住沦文f - 作r 明确的 晚明并已致谢。 本论文及其相关资料替有不灾之处，由本人承担一切棚火贡任 论文作者签名：二啦伟w 月占u ，三 保护知识产权申明 本人完今r 解西安理_ t 大学有父保护知识产仪的规定即：研究生住 校攻i 卖学似期问所取得的所仃研究成果的知泌产权属西安理工人学所有 本人保证：发表或使用弓本论文牛n 炎的成果时并张单佾仍然为西安理工大 学，无论何时何地，末经学校许可，决不转移或扩散j 之丰h 关的任何技术 或成果学校有权保留本人所提交论文的原t ：或复印件允曲：论丈被查阔 或借阅；学校可以公布本沦文的全部或部分内容，可以采川影印、缩印或 其他手段复制保存本论文， ( 加密学位论文解密之前后以上申明两样适用) 一 论文作者签名：猃导l j 币签名：，重f 主篮跏银坳口，上 第一章绪论 1 绪论 1 1 引言 计算机软硬件技术和网络技术的迅速发展，以及市场竞争的日趋激 烈，使得传统的设计方法受到了巨大的挑战，随着各种先进制造技术和 设计方法的产生，基于现代制造哲理的设计内涵发生了变化，其所包含 的功能和范围在不断延伸，产生了如下几个方面的变化 1 】【2 】1 3 】： ( 1 ) 内涵扩大化。不但包括传统的产品设计，还包括了产品设计过程 中的工艺规程设计、工艺装备准备、结构分析等过程的面向整个产品生 命周期的设计： ( 2 ) 人员构成多学科化。伴随着产品设计内涵的扩大，参与产品设计 的人员构成也日趋多学科化。不仅有产品设计人员，还有工艺设计人员、 工程分析人员、市场销售人员以及客户等等。各种成员之间的学科专业 具有多样性，面向产品设计的各个不同侧面，从不同的角度对产品设计 进行评价和完善； ( 3 ) 组织行为并行化。为了加快产品开发的速度，要求设计过程尽量 并行进行，通过组织协同设计团队进行设计活动。一方面协同设计团队 通过以面向产品生命周期的设计达到缩短产品开发过程的目的；另一方 面，协同设计团队之问通过任务分配、冲突协调等机制，使设计任务能 够并发地进行，从而大大地缩短了设计进程； ( 4 ) 地点分布化。设计过程复杂程度不断提高、多种成员参与设计的 现实不可避免地导致了设计人员的地点趋于分布化，网络技术 ( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 的飞速发展更加加速了这一趋势。通过网络可以为分布 在各地的设计人员提供一个虚拟的设计环境，在这个环境中设计人员地 点的分布对于设计任务来说是透明的： 西妄理工大学博士学住论文 f 5 ) 辅助工具多样化。设计过程多元化使得设计人员使用的计算机辅 助工具也向多样化发展，不仅有传统设计所使用的c a d 系统，还有诸如 c a p p 、c a e 、c a m 等c a x 工具以及进行产品数据管理的p d m 等。 上述设计内涵的变化，使得现代产品设计过程的管理、组织与协调 成为突出的矛盾，迫切需要从各个方面加强设计子过程的协同。因此， 作为敏捷制造、并行工程、网络化制造的基本支持技术，协同设计已经 成为制造业信息化领域中的研究热点和前沿技术。 1 2 协同设计技术的研究及应用现状 协同设计是计算机支持的协同工作与先进制造技术相结合对产品设 计过程进行有效支持豹研究领域，它包含了行为学、社会学、技术等多 方面的研究问题。近些年，发达国家纷纷制订了基于网络的先进制造技 术发展战略，旨在建立共享、集成、协作的产品开发模式，进一步缩短 产品开发周期，提高产品质量，从而在激烈的市场竞争中获胜。例如， 美国提出敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 战略，旨在利用信息高速公路 及动态联盟的组织形式，将分散的企业有效地组织起来，加速新产品的 设计开发和制造；日本提出智能制造系统i m s ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 研究计划，目标是开发出能使人和智能设备都不受生产操作和 国界限制、彼此合作的高技术生产系统：德国提出生产2 0 0 0 ( p r o d u c t i o n 2 0 0 0 ) 战略计划，研究重点包括利用信息和通讯技术，促使制造业的现 代化、全球化和企业之间的协同，并大力开展相关的标准化问题研究。 在这些先进制造技术发展战略中，产品协同设计作为一种重要的支持技 术，已经引起各国研究机构和企业界的广泛重视。 从总体上看，对协同设计的研究可以分成三个部分1 4 l ：协同设计的支 持环境，协同设计过程中的智能技术以及协同设计实施理论与技术。这 三个部分相辅相成一方面对协同设计实施理论与技术的研究能够为支 三个部分相辅相成一方面对协同设计实施理论与技术的研究能够为支 第一章绪论 持环境的开发提供指导，另一方面协同设计实施理论与技术的研究需要 通过支持环境来实现，同时协同设计实施理论和技术的研究需要智能技 术的支持。 1 2 1 协同设计的计算机支持环境 协同设计是实现并行工程的有利手段，也是实现并行工程的关键。 开发支持协同设计过程的计算机环境目前在国外是一个研究热点。美国 西弗吉尼亚大学并行工程研究中心的d i c e 计划开发了一个支持环境， 重点研究支持分布式协同设计的计算机技术和信息管理方法；美国斯坦 福大学的p a c t 系统是由该大学的知识系统实验室、设计研究中心、计 算机科学系及l o c k h e e d 信息与计算科学中心联合开发的支持并行工程中 的协同工作的计算机环境，其核心思想是通过不同的知识转换器支持分 散的成员之间的协同工作；d i d e 是法国国家科学研究中心复杂系统诊断 实验室开发的用于机械协同设计的环境。其它的协同设计系统还有a c e ， i c m ，d o m e ，n c l b u i l d e r 等；但这些系统在实现从数据到信息的多层次 协同方面还有待进一步完善的地方。 目前国内也开始对协同设计支持环境的研究。吴柞宝和吴澄对基于 过程管理系统的异地协同设计与制造集成机制进行研究，突出了可行的 企业间的快速产品与过程实现( r p p r ) 技术的体系结构【1 2 】。宛西原和刘飞 等对基于客户的大规模定制产品的协同设计进行了研究，提出了面向在 客户参与机制下大规模定制产品协同设计的系统模型、设计原则和相关 技术【1 3 l ；李伯虎等对复杂产品协同制造支撵环境技术进行研究，开发了多 学科复杂产品虚拟样机工程支撑平台【1 4 】；杨海成等对协同设计环境进行 了广泛的研究，提出了相关的支持这种体系结构的工作流过程模型及其 描述方法i l5 j ；范玉顺在网络化制造的内涵与关键技术问题以文中对网络 化制造系统的层次和主要功能进行阐述，给出的网络化制造系统的结构 3 西安理工大学博士学位论文 1 2 2 协同设计的智能技术 1 代理和多代理系统 代理可以是一段计算机程序( 软件代理) ，也可以是人( 专家代理) 。在 多代理系统( m a s ) 中，代理的自感知能力是通过消息驱动的，每发生一 个事件都会产生一定的消息，经过代理消息处理产生相应的动作。严隽 琪等在基于多智能主体的异地设计制造系统以文中作者提出一种实现系 统集成的机制多智能主体框架结构【。 2 黑板结构 黑板结构是一种系统组织方式，其核心主要由以下四部分组成；黑 板、知识源制模块、接口【1 8 】。在一般的黑板系统中，通常包括两类黑 板：领域黑板与动态调度黑板，其中领域黑板里存放领域模型、部分解 和执行的对象j 动态凋度黑板里存放系统执行过程中的有关信息。 黑板结构是一种通用的适用于大的解空间和复杂问题的求解模型。 k w o n g l l 8 】将黑板技术与知识推理技术结合，用于注塑模的过程设计；刘 振凯【1 9 】在研究智能c a d 时，采用黑板结构实现对基于规则的知识源、神 经网络知识源和过程知识源的组织和推理调度。 3 知识推理 从推理方法上分类，知识推理可分为规则推理( r u l e b a s e dr e a s o n i n g r b r ) 、事例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n gc b r ) 、模型推理( m o d e l - b a s e d r e a s o n i n gm b r ) 1 2 0 1 。 1 2 3 协同设计实施的理论与技术 协同设计实施理论与技术包括的内容比较广泛，根据本文的研究内 容，主要介绍协同设计的过程建模、产品模型、约束求解和冲突消解等 第一章绪论 领域的研究现状。 1 过程建模 为了组织实施协同设计，首先需要对协同设计过程进行规划、管理 和控制。对整个过程建立模型，是对过程进行管理的前提条件。过程模 型包括以下内容：产品开发的过程描述；过程内部相互关系和过程间的 协作；过程内部的工作流程以及执行步骤：完成每个过程所使用的工具。 从模型的形式上看，这些产品开发过程的建模方法可以分成三类： 第一类为基于语言的方法；第二类为基于图形的方法，其中包括了有向 图、网络计划、1 1 3 e f o i 虱以及p e t r i 网等方法【2 2 】；第三类为基于知识的方法。 协同设计的过程建模的另一个重点是任务规划，任务规划包括任务分解 和任务调度。任务分解就是按照一定的要求将一个任务分解成多个子任 务，并确定各子任务间的关系，任务调度的目标是在合适的时间内，将 子任务分配给合适的协同小组f 2 3 】。 2 产品建模 产品建模是指按一定形式组织的关于产品信息的数据结构，是协同 设计的基础和核心。在协同设计环境下，为了满足设计各阶段对产品数 据模型的不同需求，在产品建模的过程中引入视图的概念，建立一个多 视图的产品模型。s h a h 2 5 】通过特征映射实现c a d c a m 的视图转换； h o f f r n a n n a l 2 6 】通过建立主模型来维护多视图的一致性，为分布式协同建立 基础。黄双喜和范玉顺对基于约束的分布式产品特征设计系统进行了研 究，提出了一个采用特征和约束来建立产品模型，并通过特征算法来控制 和协调分布式产品设计活动的分布式产品设计系统【引。目前，多视图理论 的研究主要集中在多视图一致性的维护和视图转换，这也是多视图研究 的难点。 3 约束求解 产品开发过程中，各子任务之间都存在着各种相互制约、相互依赖 的关系，这些关系可以通过约束来表达。产品开发过程是个在保证各 5 西安理工大学博士学位论文 种约束满足的条件下，为实现某个指标而对所有变量进行赋值的过程， 因此产品设计过程也是一个约束求解过程。而对于协同设计过程中的约 束求解研究，黄双喜和范玉顺对基于约束的分布式产品特征设计系统进 行了研究，提出了一个采用特征和约束来建立产品模型，并通过特征算法 来控制和协调分布式产品设计活动的分布式产品设计系统【2 7 】；罗亚波和 肖田元从工作流的角度建立了面向协同设计过程的关联关系的资源调度 策略1 28 1 。 5 冲突消解 由于协同设计是由多个协同设计者参与到一个项目的设计过程中， 各协同设计参与者之间存在着大量相互制约、相互影响的关系，同时又 由于它们对产品开发的考虑角度、评价标准、领域知识不尽相同，这些 因素必然导致协同设计过程中冲突的产生。因此，协同设计的过程也是 一个冲突产生和消解的过程。在冲突消解方面主要有两种方法，一种是 将冲突消解的知识抽取出来，形成专门的冲突处理系统，另种方法是 采用协商的方法。第一种方法以k l e i n i z 9 j 3 1 1 代表。陈纯和张申生等对面向 大批量定制产品协同设计系统进行了研究，提出了面向大批量定制产品 的协同设计系统，重点解决实时同步过程中的网络带宽问题、数据一致 性问题、系统流量控制问题【3 2 1 。 1 2 4 存在的问题以及本研究的切入点 综合目前的研究现状，可以得出如下结论：作为先进制造的支撑技 术，产品协同设计已经成为产品设计领域的研究热点。 从总体上讲，对于协同设计的研究，国内外都做了大量的工作，尤 其在国外一些著名的大学( 如美国的哈佛大学等) 以及一些知名的公司 ( 如i b m 公司等) 开发出用于实践的协同设计系统，但是，由于协同设 计是一个复杂的系统工程，既包括了技术层面的知识，又包含了组织层 6 第一章绪论 面的知识，要建立和开发一种无信息障碍的理想协同设计环境，还有许 多技术需要研究和进一步完善，尤其是在异构信息集成、设计过程中的 知识以及任务冲突、协同设计的组织特性以及设计过程中的优化技术等 方面。 本文基于上述研究现状，根据所承担的研究课题，设计开发某产品 加工误差的测量系统，针对其结构的复杂性以及所涉及的知识，除了有 关机械设计知识，还包含测量知识以及计算机数据处理知识，因此，以 此作为本文研究理论和方法的实验对象。 首先是在分析协同设计研究现状以及存在的问题，接着根据存在的 问题，选择产品信息集成的本体论方法、协同设计过程中基于时序关系 的设计任务和设计知识的冲突消解、协同设计组织特性的博弈论以及多 层次设计优化问题作为的本研究的切入点，最后结合科研课题测量系统 的设计，开发基于上述研究点的测量系统协同设计原型系统，对本研究 的理论和方法进行验证。 1 3 协同设计概论 1 3 1 协同设计的基本概念 协同设计的英文提法为c o l l a b o r a t i v ed e s i g n 或c o o p e r a t i v ed e s i g n 。 它是计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i r ew o r k c s c w ) 在设计领域的应用，是对并行工程、敏捷制造等先进制造模式在 设计领域的进一步深化。协同设计的概念在以往的研究中有所涉及 i l l l 2 1 1 3 3 1 ，但没有一个比较明确的定义。 r o s e m a n l 3 4 定义协同设计为在计算机的支持下，各成员围绕一个设 计项目，承担相应的部分设计任务，并行交互地进行设计工作，最终得 到符合要求的设计结果的设计方法。 7 西安理工大学博士学位论文 b o d k e r 【3 5 】认为协同设计是一种系统化的方法，它要求设计者从一开 始就考虑到用户需求、概念直到质量、价格、计划安排等各种因素。协 同工作的目标就是要缩短开发周期，改善产品质量，降低产品成本，增 强竞争能力。 在本文中，对协同设计作以下定义： 定义：协同设计是一种设计理念，指多个协同设计参与者在计算机支 持环境中，互相合作地完成整个设计项目的过程。它以产品设计过程中 协同问题为研究对象，强调加强人一人、人一机、机一机之间的协同工 作，通过自组织的协同活动达到总体目标优化的目的。其研究目标是研 究设计过程中各种协同活动的行为方式，从系统论和社会学的角度对协 同过程进行优化，并提供支持协同设计过程的计算机支撑环境。 协同设计实质上是对并行设计概念的进一步深入，协同设计更注重 为协同设计团队小组提供多种信息交流方式和设计过程监控，强调设计 决策过程是一个动态的群体协同行为，注重研究设计活动的动态特性。 相对来说以往的并行设计更强调的是设计过程信息反馈，具体体现则是 各种d f x 工具的应用。 1 3 2 协同设计的基本特点 协同设计涉及到设计过程、设计人员、计算机协同等设计实体，各 设计实体之间的相互关系具体可体现在以下几点： ( 1 ) 产品过程的协同。产品过程一般可以分为设计、制造、销售等阶 段，由于各阶段所关心的目标各有侧重，处理的方法和手段也不完全一 致。为了在总体目标上达到最优，需要对产品过程的各个阶段进行协调。 采用的方法则是各个部门之间进行协商，以产品的t q c 为目标，寻求撮 佳解决方案。 ( 2 ) 设计人员之间的协同。设计人员之间的协同活动实际上是协同设 8 第一章绪论 计的根本所在。一般来说，产品设计是一项非常复杂的工作，需要各方 面的通力协作和共同努力，才能较好地达到设计目的，设计过程中产生 的矛盾和冲突最终也都需要通过设计人员之间进行协商和讨论才能解 决。 一 ( 3 ) 设计人员与计算机系统的协同。由于计算机的功能不断增强，辅 助设计工具的性能也在不断提高，有很大一部分原来由设计人员完成的 工作都由计算机系统完成。到目前为止，计算机所能完成的工作还只能 是辅助性的，设计问题中的绝太部分创造性工作都必须由设计人员才能 完成。如何使计算机系统与设计人员更加紧密地结合，充分发挥人机一 体化的优势，合理地在设计人员与计算机系统之间进行平衡的任务分配， 就需要加强对人机协同的研究。 ( 4 ) 计算机系统之间的协同。计算机系统之间的协同包括各种计算机 辅助系统之间的信息交换、信息管理以及互操作性，在由多个计算机系 统所构成的分布式异构环境中，实现信息的无缝连接和平滑处理，并为 设计人员提供统一的界面和实现系统之间切换的透明化。 1 3 3 协同设计的分类 1 不同交互形式的协同设计模式 支持工作组成员之间的交互是协同设计必不可少的功能，而任何一 种形式的信息交换总是涉及到时间和空间两个因素，所以交互形式大致 分为同步交互系统和异步交互系统。 ( 1 ) 同步交互系统。同步交互系统借助于双工或半双工的通信机制为 用户提供实时的信息交换。如会议室系统( m e e t i n gr o o ms y s t e m ) 是面对面 系统的典型应用，桌面视频会议( d e s k t o pv i d e oc o n f e r e n c e ) 是分布式同步 交互系统，对于此类系统而言，电子会议f r e l ep r e s e n c e ) 和电子工作( t e l e w o r k i n g ) 是两个基本的功能。同步协同设计是一种紧密耦合的协同工作， 9 西安理工大学博士学位论文 多个协作者在相同的时间内，通过共享工作空间进行设计活动，并且任 何一个协作者都可以迅速地从其他协作者处得到反馈信息。 f 2 ) 异步交互系统。电子邮件系统为用户提供分布式的异步交互， g c s ( g r o u pc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ，组通信服务) 也是一种基于存储转发方 式的数据通信服务，因而以此为基础的会议室系统、合作编辑系统属于 面对面的异步交互系统。由于异步协同设计通常不能指望迅速地从其他 协作者处得到反馈信息，因此异步协同设计除必须具有紧密集成的 c a d d f x 工具之外，还需要解决共享数据管理、协作信息管理、协作过 程中的数据流和工作流管理等问题。 2 不同深度的协同设计模式 按照协同过程中对产品信息需求深度的不同，可以将产品协同设计 活动中的信息交互分为互联型的协同设计、互换型的协同设计和互操作 型的协同设计。 ( 1 ) 互联型的协同设计。互联型的协同设计是协同设计交互程度晟低 的一种，指在协同网络环境下，通过相关的协同设计主页依据一定的检 索规则对企业资源进行查询、浏览的过程。通过互联操作，可以实现不 同企业和不同设计人员之间的产品资源和信息资源的共享和使用。 ( 2 ) 互换型的协同设计。互换型的协同设计是指查询到的产品或零部 件不能满足当前设计任务的需要时，需将该零部件下载到本地机器，经 过修改和变型使之满足设计要求( 有修改权限) 或通过与相关部件的设计 生产厂家联系，由该厂家对零部件进行重新设计，将修改后的结果放入 零件库中使之成为可重用资源，供设计人员将其下载用于设计。互换型 的协同设计在产品资源共享和使用的基础上，提供了对产品数据模型进 行变型与修改的能力。 ( 3 ) 互操作型的协同设计。互操作型的协同设计是在协同设计网络环 境下信息交互的最高层次，指不同用户借助计算机技术及网络环境，对 在服务器上的同一产品或零部件的图形实时进行修改和操作的过程。与 i o 第一章绪论 前两种设计过程相比，互操作型的协同设计强调在共享、使用、修改基 础上的实时操作性。互操作型的协同设计可以直接满足并行工程的需要。 这三种类型间的关系是一种包含关系，互换型的协同设计包含了互 联型的协同设计，互操作型的协同设计包容了互换型的协同设计。 表1 1 三种协同设计顿式的比较 互联型的协同设计互换型的协同设计互操作型的协同设计 通过企业相关的主页将霉部件下载到本地机器、不同的设计参与者通过网络 定义查询产品和资源修改后的结果存入零件库中对产品或零部件进行实时协 使之成为可重用的资源同设计 用途实现产品资源的共享实现产品资源的重用满足分布式协同设计的需要 关键基于般的w e b 技术采用s t e p 标准，x m 0 技术等 代理技术、c o r b a 技术、信息 技术 集成技术等 现状 已实现基本实现正在进行 1 3 4 协同设计的关键技术 1 协同设计过程规划 设计过程规划的复杂性在于：设计子任务之间的时间约束关系具有 多样性，有串行关系和并行关系；在设计任务完成之前，每个子任务都 可能被修改：子任务之间大多数是互相依赖的，即一个子任务的修改可 能导致其它予任务的修改【3 6 】【3 7 】。 对于协同设计规划过程来说，协同设计者完成的每一项基本工作用 “任务( t a s k ) ”来定义和调度，任务可以是设计者自己创建的，也可以是 上级下达的或者是来自其他合作者的协作任务。用户在接受一个任务后， 就成为完成此任务的负责人。根据任务的级别、紧迫性、创建时间和调 度原则等知识，生成任务完成计划，存放于饪务队列中。 2 协同工作过程控制 协同控制的功能在于监控、协调设计过程中的各种冲突，管理各个 功能小组( 或单个设计人员) 的活动等。它包括项目管理、版本管理、通讯、 西安理工大学博士学位论文 冲突解决、存储管理等几个模块。事实上，用户是通过协同控制程序与 数据库打交道的，常规的数据管理仍由数据库管理系统完成。它包括以 下几个模块： ( 1 ) 项目管理模块。对整个协同设计过程加以监控，将发生的设计冲 突提交给冲突解决模块，在各个子任务完成后负责对它们进行一定的整 理和综合，形成总的设计方案。 ( 2 ) 版本管理模块。记录设计过程中的数据更改原因和版本号。由于 一个满意的设计是经过多次反复的，因此这一功能模块是工程设计过程 特有的。 ( 3 ) 通讯模块。是协同控制模块能否发挥功能的重要保证。协同设计 中设计者只有理解到其他设计者确定某一相关设计参数的过程和原因， 才能进行相应的协调。 ( 4 ) 冲突解决模块。是整个系统的核心，是系统智能化的具体体现。 在设计过程中冲突的存在是客观的，因此，如何避免冲突、识别冲突、 解决冲突将关系到设计方案的优劣满意与否，而冲突解决模块将完成这 些功能。 ( 5 ) 存储管理模块。负责数据的存储、访问及修改等操作，它仅仅完 成非常规的数据管理功能，而常规的数据管理功能还是由当前成熟的数 据库管理系统来完成。 3 信息共享和交流 加强各类协同设计人员之间的信息交流，采用多种形式的媒体进信 息表达。广泛采用诸如电子邮件、视频、音频、黑板、白板、w y s i w i s 等方式，在各类人员之间建立一个多媒体的协同工作环境。 4 集成化产品信息模型的建立 建立集成的产品信息模型的目的在于为产品生命周期的各个环节提 供产品的全部信息，它可为设计( 包括工程分析和绘图1 、工艺、n c 加工、 装配和检验等提供共享的产品的全面描述。它不仅包括产品的几何信息， 1 2 第一章绪论 而且包括非几何信息，如制造特征、材料特征、公差标准、表面粗糙度 标准等工艺信息和物性信息，它是产品生命周期中关于产品的信息交换 和共享的基础。 1 3 5 协同设计系统的基本结构 从计算机支持协同系统的实现方法来看，协同设计的系统结构分为 集中式( c e n t r a l i z e d ) 和分散式( d e c e n t r a l i z e d ) 两种。 1 集中式结构 集中式结构也称为递阶式结构形式，这种结构的优点是：控制递阶、 信息递阶、功能递阶，系统总体与局部控制性能较高，便于实现全局协 调运行；经济性好，系统开放、维护、更新方便，便于组成规模优化的 分级、分布式网络。这种结构的缺点是：受协调器的性能、工作状况、 通讯带宽的限制，并且各予系统之间的协作完全依赖协调器进行，自主 性较差。 2 分散式结构 分散式结构是基于对等( p e e r , t o p e e r ) 模型的，其中每个模块都运行一 个代理，其内部结构包括网络接口、通讯接口、内部知识库、任务模块、 协调模块等。为实现系统的目标，可以将具有不同知识、目标和能力的 多个代理组织到一个统一的系统中，通过各代理的工作和代理之间的交 互来完成。代理之间的交互是通过通讯实现的，每个代理都是以同等地 位被组织到系统中，运行在各自的机器上完成其特定功能。 集中式结构和分布式结构各有其优缺点，一种较好的方法是将这两 者结合起来，引入一个集中式的协同服务器及一些分布式的代理。协同 服务器是整个支撑系统的中心，它将负责数据传输与存储、会话管理、 事件通知、访问控制、并发控制等。与完全意义上的集中式结构不同处 在于，上述功能并不完全由协同服务器完成，一部分功能将由代理完成。 1 3 西安理工大学博士学位论文 各代理实际将作为相应用户界面应用程序的本地存储结构。应用程序可 以将它生成的数据通过通道“存储”到代理中，而本地代理也可以把从 代理及协同服务器得到的数据主动地发送给相应的应用程序，并由应用 程序显示给设计者。 1 3 6 协同设计的实现方法 对于产品开发而言，存在着人员组织视图、产品模型视图和开发过 程模型