（机械设计及理论专业论文）基于web服务的设计资源管理系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术、计算机技术和网络技术的飞速发展，现代制造业中产品的开发不再 只局限于企业内部环境，而是跨地域、跨企业的协同开发，从而使得设计中需要处理应 用的信息变得更加复杂多样。因此，有效的组织和管理这些设计资源是提高产品开发效 率，缩短产品开发周期，提高企业竞争力的重要支撑工具，也是解决我国制造业产品开 发过程中创新力低下，开发周期长等问题的有效方法。设计资源管理系统使用先进的知 识管理理论和信息技术，有效地组织和管理制造业中异构和分布的设计知识，提高企业 的市场竞争力。 产品知识建模是产品设计资源管理的基础，本文通过分析目前制造业产品设计特 点，对产品的设计资源组织形式进行了详细研究，采用语义对象来表达产品设计知识模 型，以产品结构树为组织核心，把产品的功能信息、装配信息及其他知识资源关联起来， 通过产品配置管理系统，对产品对象、版本及相互之间的关系进行维护和管理。 设计资源管理系统要实现企业对异构知识、分布知识的管理，通过w e b 服务技术 将企业设计资源进行封装，并在i n t e m e t i n t r a n e t 上发布，实现了企业之间跨平台、跨地 域的应用。本文通过w e b 服务描述语言w s d l 实现产品设计知识资源服务的接口描述， 并在私有u d d i 中注册以实现设计资源服务的发布与查找。 在理论研究的基础上，结合大连造船厂工具实业公司在产品设计资源管理中存在的 具体问题，开发了基于w e b 服务的设计师信息管理系统( d m i s ) ，从实际中验证理论方 法的可行性。 关键词：设计资源；语义对象：模型；w e b 服务 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nw s - b a s e dd e s i g nr e s o u r c e sm a n a g e m e n ts y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed 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 , c o m p u t e ra n di n t e m e t ，t h e d e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gp r o d u c ti sn o tl i m i t e dt ot h ei n t e r i o ro fe n t e r p r i s e sa n ym o r e ， b u tc o l l a b o r a t i v e d e s i g n i nv a l o u s r e g i o n s a n de n t e r p r i s e s 。w h i c hm a k e st h ed e s i g n i n f o r m a t i o nm o r ec o m p l e xa n dd i ve r s i f o r m t h e r e f o r eo r g a n i z i n ga n dm a n a g i n ge f f e c t i v e l y t h ed e s i g nr e s o u r c ei sa ni m p o r t a n ts u p p o r t i n gm e a n sf o re n t e r p r i s et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fp r o d u c td e v e l o p m e n t ，s h o r t e nt h e c y c l e o fp r o d u c td e v e l o p m e n ta n de n h a n c et h e c o m p e t i t i v ep o w e r , a n di s ag o o dm e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mw h i c hm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e si no u rc o u n t r ym u s tb ef a c e dw i t h ：t h ei n n o v a t i o nc a p a b i l i t yi sv e r yw e a ka n dt h e p e r i o d o fd e s i g ni s v e r yl o n g d e s i g nr e s o u r c e sm a n a g e m e n ts y s t e mu s i n g a d v a n c e d k n o w l e d g em a n a g e m e n ta n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc a no r g a n i z ea n dm a n a g eh e t e r o g e n e o u s a n dd i s t r i b u t e dk n o w l e d g ed u r i n gp r o d u c t d e s i g na n di m p r o v ee n t e r p r i s e sc o m p e t i t i o na b i l i t y t h r o u g he s t a b l i s h i n gd s i g nk n o w l e d g em a n a g es y s t e m p r o d u c tk n o w l e d g em o d e l i n gi st h eb a s eo fp r o d u c td e s i g nr e s o u r c em a n a g e m e n t t h r o u g ha n a l y z m gt h e f e a t u r eo ft h em a n u f a c t u r i n gp r o d u c td e s i g na n dr e s e a r c h i n gt h e e x i s t e n c ef o r ma n ds t a t eo fp r o d u c td e s i g nk n o w l e d g e ，t h ep r o d u c tm o d e lw i t hs e m a n t i c o b j e c ti se x p r e s s e dm t h i sp a p e r t h ep r o d u c td e f m i t i o nr e l a t e dk n o w l e d g ew h i c hi n c l u d e st h e r u c t i o ni n f o r m a t i o n ，a s s e m b l yi n f o r m a t i o na n do t h e rk n o w l e d g ei so r g a n i z e dt h r o u g ht h e p r o d u c ts t r u c t u r et r e e w i t ht h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m , t h ep r o d u c t o b j e c t s ，t h ep r o d u c tv e r s i o n sa n dr e l a t i o n sa m o n gp r o d u c t sa r em a i n t a i n e d d e s i g nr e s o u r c e sm a n a g e m e n ts y s t e ms h o u l dm a n a g eh e t e r o g e n e o u sk n o w l e d g ea n d d i s t r i b u t e dk n o w l e d g e w s ( w e bs e r v i c e s ) i sad i s t r i b n t e dc o m p n t i n gt e c h n i q u e ，w h i c hc a n p r o v i d ef u n c t i o n s n e e d e db yd e s i g nr e s o u r c e sm a n a g e m e n t t h e r e f o r ed e s i g nr e s o u r c e s m a n a g e m e ms y s t e me n c a p s u l a t e sd e s i g nk n o w l e d g ei n t ow e bs e r v i c e sa n dp u b l i s h e si n t o i n t e r n e t i n t r a n e ti no r d e rt os h a r et h ek n o w l e d g ea c r o s sp l a t f o r m sa n dr e g i o n s t h ei n t e r f a c e s d e s c r i p t i o nm e t h o db a s e do nw s d l o fw e bs e r v i c e si sd i s c u s s e df o rp r o d u c tk n o w l e d g e r e s o u r c ew h i c hc a nb ep u b l i s h e da n dr e s e a r c h e da f t e rr e g i s t e r i n gi nu d d i o nt h eb a s i so fa b o v et h e o r i e s ，d m i s ( d e s i g nm a s t e ri n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) b a s e do nw si sd e v e l o p e di no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fd e s i g nr e s o u r s em a n a g e m e n ti n d a l i a ns h i p y a r dt o o l si n d u s 廿yc o ，a n dt h et h e o r yi sp r o v e dt ob ef e a s i b l eb y i m p l e m e n t a t i o no f d m i s k e yw o r d s ：d e s i g nr e s o u r c e s ；s e m a n t i co b j e c t ；m o d e l ；w e bs e r v i c e s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 程辉：基于w e b 服务的设计资源管理系统研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 年月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 产品设计技术的发展 在产品设计领域内，随着计算机软硬件水平的发展，产品设计的自动化技术有很大 进展，尤其是c a d 技术日趋成熟，对产品的开发过程、设计方法、生产模式起到了非常 重要的促进作用。但是，目前大多数c a d 系统在很大程度上考虑的仅仅是设计本身的问 题，适用范围仍然侧重于设计的详细设计阶段，而当今的产品设计设计已远超出产品设 计本身，更多的融入企业的发展战略和企业的自身规划，因此需要包含更多的商业信息、 企业信息、市场信息、环保信息等【l j 。 研究表明，产品设计的7 0 以上的行为活动是非几何的，发生在概念设计阶段，如 需求分析、功能分解、资料搜集、方案寻求等【2 j ，而传统的c a d 以几何建模技术为核心 ( 这也是他被广泛应用于以对产品几何信息进行处理为主要任务的详细设计阶段的原 因之一) ，对概念设计和早期设计却不能提供很好的支持。概念设计阶段，在面对高度的 不确定性和含糊的概念 3 1 和大量的非几何信息时，传统的c a d 系统只能取决于设计专家 的知识和经验，取决于设计师的个人素质，而这一阶段设计r j 币6 0 7 0 的时间又花费在 了查找信息及处理信息上，这些信息很大一部分是相互独立、难以集成的，同时企业中 人员的流动与更新更造成了巨大的知识流失。因此，有必要形成完善的知识积累机制和 管理办法，以便于知识的重用、再生，p d m 的出现在一定程度上解决产品设计中的大量 工程图纸、技术文档以及c a d 文件的计算机化管理问题。 随着制造业所处市场环境、经营理念的变化，产品设计也向敏捷化、数字化、智能 化、集成化、知识化的方向发展，使得传统的c a d 、p d m 技术再不能很好的适应这种变 化，主要体现在以下几点： t 缺乏基于知识的管理与应用。现代产品复杂性、产品知识密集程度越来越高， 不再仅局限于几何数据，更多的是关于设计和设计过程的知识，包括设计原理、 设计规则、决策过程等。现有的c a d 软件还是c a m 系统都是以产品数据和产品 信息为基础的，并不是基于知识的，因而不能满足有效和快速地企业识别、获 取、储存、传递、再生产品开发的知识，进行知识管理和知识辅助设计的需求， 导致企业知识资源可重复利用率不高，继承性差，企业知识资源流失严重，制 约了企业产品创新能力和产品设计效率的提高。 缺乏对非结构数据的有效管理。p d m 技术利用数据库技术实现大量数据的存储 ，因而不能有效的管理在产品开发中形成的c a d 图形文件、b o m 表、多媒体 程辉：基于w e b 服务的设计资源管理系统研究 文件、w e b 页面等半结构和非结构数据。同时由于现有的p d m 系统与c a d 系统 之间设计文档的转化是手动地通过e r n a i l 或w w w 界面进行的，速度缓慢且很容易 产生大量的错误【5 j 。 对成功的设计实例应用不足。设计实例中的大部分经验知识积累在设计师头脑 中，随着设计师的流动，这部分经验大量流失，新设计人员无法将已有的成功 范例快速有效的应用到新产品的开发中去。 设计资源管理技术并没有得到有效应用。设计知识是一个复杂的集合，它不仅 包括设计图纸、产品结构属性等显性知识，还包括设计经验、设计过程等隐性 知识，同时设计知识的获取又是一个动态的过程，仅有图文档管理和p d m 技 术，已不能满足企业快速开发产品的功能需求。 由上可知，现代企业开始更多的依赖于对知识的有效获取、表达、转移、传递、更 新和维护，为产品设计开发提供决策、推理服务。国内外的一些研究机构正在进行相关 方面的研究，将人工智能、本体论、设计仓库、知识管理等技术应用到产品设计开发过 程中以实现设计的敏捷化、知识化和集成化。 1 1 2 产品知识管理的研究背景 现代设计技术与c a d 技术是不可分的，c a d 系统的发展和应用使传统的产品设计 方法与生产模式发生深刻的变化，产生了巨大的社会经济效益。c a d 技术经历了二维 平面图形设计，交互式图形设计、三维实体造型设计、自由曲面造型设计、参数化设计、 特征造型设计等发展过程。近年来，又出现了许多先进技术，如变量化技术、虚拟产品 建模技术等 6 】。 新的生产模式对产品开发提出了新的需求，但是目前产品开发中存在许多问题，表 现在： 1 ) 企业缺乏现代产品开发环境。以往的开发人员与生产计划管理部门是毫无关系 的，开发人员不知道零部件和产品成本、制造、质量控制等方面的信息，不能充分利用 己有的资源，他关心的只是产品的功能和性能，考虑问题的范围比较狭窄，难以快捷地 开发出低成本、高质量的产品。此外，我国许多企业目前仍采用平面图、工程图、实物 模型等方式来设计开发新产品，当需要修改时，就必须重新进行上面过程，造成时间浪 费和成本的增加。这种方式已经不适应现在的市场需要，为了使企业有更强的竞争力， 必须加快产品上市速度，实施快速响应，快速产品设计策略。实现快速响应的关键是有 效地利用产品信息资源。 2 ) 现有产品数据管理的缺陷。产品数据管理不善、难以实现系统的集成，对c a d ， 大连理工大学硕士学位论文 c a p p ，c a m 等各类软件生成的大量数据缺乏统一管理、共享性差。产品开发的大部分 信息都存放在半结构和非结构化的文档中，这些文档包括以c a d 形式存放的各种图形 文件、w o r d 文档、工程图表、数据库文件、w e b 页面等等，而这些各种格式的文档的 管理、分类存储和快速检索是现有产品数据管理系统没有很好解决的问题。此外，p d m 尚无统一标准，在与c a d ，m r p i i 软件集成上仍存在一些问题。这些都是现有p d m 系 统中的缺陷【“。 3 1 产品知识资源的管理问题。产品知识资源( 如图纸、设计经验等) 信息化程度 低，可重复利用率不高。设计师开始产品设计以前，花费了大量的时间来查找数据、检 查设计的一致性和相关信息。许多的产品设计和过程设计是相互独立的，很难彼此集成 在一起，大量的资源被浪费在从事重复性工作上。不但造成产品开发速度慢，还会形成 附加成本，甚至会可导致或加剧企业管理混乱问题。知识资源继承性差，有经验的设计 师的流动与更新，就意味着巨大的知识流失。而且，新的设计人员无法快速学到成熟的 设计知识。知识积累机制不完善，难以持续提高产品开发水平。因此，有必要形成完善 的知识积累机制和管理办法，以便于知识的再生【s 】【9 j 。 产品开发是一个多层次、多阶段、分步骤的迭代的过程，其间每一层次、阶段和步 骤需要的知识以及知识的来源都不尽相同，因此整个产品开发过程中需要的知识具有多 样性的特点；其次产品开发过程是从初始状态到目标状态不断完善的动态搜索过程，因 此产品开发过程中的知识是动态变化的。如何将这些知识采用统一的标准格式存放是企 业和研究机构面临的一个复杂问题。 因此需要构建新的设计知识库管理工具。该管理工具不仅能够表达产品开发知识， 而且能够表达产品开发过程知识，支持企业有效、快速地识别、获取、开发、分解、储 存和传递产品开发知识。 产品开发过程是一种知识密集型的活动，要求快速访问和再利用与产品开发相关的 知识，如设计原则知识、设计领域知识、专家的启发性知识等。但长期以来，人们没有 对此加以足够的重视，没有采取有效的方法管理知识，致使产品开发过程周期延长。 缺乏完善的知识管理和过程管理系统，难以实现系统的有效集成。信息不畅，成为 制约企业快速响应市场变化的瓶颈。 1 2 课题的提出 在新产品设计阶段，设计师往往要参照大量的已有的设计知识，这些设计知识不仅 包括设计参数、产品结构等结构化的信息同时还包括设计的背景知识、设计经验等非结 构化的信息，这些信息不容易表达、分解和提取，然而它又是必不可少的，否则易造成 设计师对原有设计的误解而在新设计之中产生错误。将知识引入到产品设计开发过程 程辉：基于w e b 服务的设计资源管理系统研究 中，与产品设计开发过程的结合，挖掘产品设计的隐含的知识资源，创造有利于隐性知 识传递的环境条件，实现知识共享、分发【1 。1 ，真正做到知识驱动企业运作的整个过程。 随着信息技术的迅猛发展和各种先进制造理念的产生，制造业正在迅捷地向并行 化、分布式、数字化和智能化制造方式转化。传统的小而全的企业正向分散的企业联盟 发展，因此设计、制造知识不再存在于原有的一家企业，而是由多个联盟企业分享i l ”。 这样由于应用领域不同，知识表达的方式各异【l ”，因此如何使设计知识在不同部门和不 同层次间流通、共享，是使开发人员能够快速获取和运用产品知识是实现产品敏捷开发 的重要保证。 鉴于此，本文通过对产品开发过程中所需知识的有效分类、组织、表达、提取等， 对设计知识进行有效管理，并针对产品开发中知识的特性，采用w e b 服务技术将这些 知识进行封装、发布，提出了基于w e b 服务的设计资源管理，旨在为企业间知识的共 享和传递提供一种可行和有效的应用服务。 本课题将人工智能理论、知识发现技术、数据仓库技术、基于知识的设计技术与产 品设计开发技术相结合，构建知识共享的设计师信息管理系统。通过对产品开发过程中 形成的大量设计知识资源的有效管理，将更好的解决企业设计资源的数据组织和管理问 题，提高知识资源的获取和重用能力，提高设计师的工作效率和企业核心竞争力。 本文结合国家8 6 3 计划项目“机电产品设计k b e 及设计仓库技术研 究”( 2 0 0 2 a a 4 1 1 4 1 0 ) 、辽宁重大专项“大连造船厂工具设计资源管理系统 d a c h u a n d r m s ”的研究，结合企业实际情况，对产品开发过程中设计师资源管理模 式、实现方法和关键技术等进行了深入研究，并通过实际应用系统的开发验证理论方法 的可行性。 1 3 相关研究现状 1 ) 设计资源管理方面的研究 美国n i s t 设计仓库项目构建了一种基于知识的智能设计建模系统，其中设计仓库 集成设计、工艺规划和装配过程的大量资源，提供2 d 、3 d 设计和实体模型、装配和工 艺过程规划信息，研究和开发时可以获取和共享这些实例【l 扪。欧共体资助的信息技术研 究发展战略计划( e s p r ) 2 0 5 4 4 项目x - c i t t i c 针对分布式制造资源库进行了研究， 并建立了一个服务于半导体制造业的分布式产品信息、制造资源信息库【1 4 】。动态文档 系统( a c t i v ed o c u m e n ts y s t e m ，a d s ) 是一个基于w e b 的设计知识管理系统，它可以帮 助设计者检索关键的设计信息，a d s 把设计知识按照产品功能和产品结构进行分类管 理，实现诸如k n o w - h o w 等非结构化产品知识的系统管理【16 】【1 7 】。王福军等设计资源管 大连理工大学硕士学位论文 理的概念化方法一文中构建了基于w e b 的知识资源管理系统d r m s ，其中设计仓库收集 产品的大量设计资源，并为用户提供智能搜索引擎，为新产品开发最大化重用现有设计 资源提供了一个集成的系统框架和平刨1 8 1 。 西安交通大学最早( 1 9 9 4 年) 提出并开展了基于i n t e m e t 的分布式设计资源的研究 1 9 1 并于1 9 9 7 年1 1 月发起组织了“现代设计与产品研究开发网络异地合作设计组织” c m d n e t ，目前已有包括清华大学、机械科学研究院、华中科技大学等1 1 家单位加入 此组织。 华中理工大学的高运海、李建军等针对模具设计提出了模具设计资源库管理系统的 研究和开发，该系统基于w i n d o w s 平台采用c s 结构，是模具c a d c a m 软件系统的 一个基础性辅助系统刚。 同济大学王书庆、谭利彬对基于w 曲服务的桥梁设计资源管理系统进行了研究， 指出设计资源管理是进一步改善设计方法和提高设计效率的有效手段j 。 浙江大学的谭建荣、齐峰等提出了面向d f m c 的设计资源管理思想，从设计重用 角度对设计资源管理技术进行了理论和实践的探讨田】。 清华大学控股的艾克斯特工业自动技术公司开发了基于w i n d o w s 平台c s 架构的 企业设计资源管理系统( x t _ p d m ) ，提供从设计( c a d ) 工艺( c a p p ) 生产( e 砌m r p i i ) 的数据流通渠道，可以进行图档管理、项目管理等1 2 。 2 ) 产品数据管理方面的研究 p d m 利用数据库技术实现与产品相关的大量数据的存储，管理所有与产品相关信 息( 包括电子文档、数字化文件、数据库记录等) 和所有与产品相关的过程( 包括工作 流程的定义与管理、审批，发放过程、工程更改等) 1 2 5 1 。p d m 技术为企业信息集成提供 了条件，并为产品设计提供了一个并行化的协作环境，它作为c a d 、c a e 、c a p p 的集 成平台，为c a d 、c a e 、c a p p 系统提供所需的相关图纸、资料及有关数据的管理，实 现这些独立系统之间的信息自动交换和自动传递。 p d m 在应用深度发展方面产生了产品知识管理( p r o d u c tk n o w l e d g em a n a g e m e n t ， p k m ) ，在应用广度发展方面产生了产品协同商务( c o l l a b o r a t i v ep r o d u c tc o m m e r c e ， c p c ) 2 4 】f 2 6 】。 p 砌以是由s d r c 公司首先提出的概念，是p d m 向纵深方向发展的应用分支。p k m 强调在p d m 系统中对所管理的产品信息有意识地进行分析、优化和组织，使之能够在 新的产品开发过程中得到重复利用，进而上升为企业的产品知识，形成企业的智力资产。 近年来，有关国内p d m 的研究和产品开发正在迅速发展，比较成熟的商品化p d m 系统主要包括同方p d m 、华软公司的i n t e p d m 、同创p d m s 、凯思p d m s 等。与国外 的同类产品相比，国内的p d m s 产品普遍存在功能不够完善、开放性不高等缺点。 程辉：基于w e b 服务的设计资源管理系统研究 3 ) 产品知识表达方法方面的研究 美国n i s t 设计仓库项目提出一个知识管理系统的建模框架以支持产品的建模、知 识设计的方法，将产品表达模型分成三个领域；产品的物理布局( 形状) 、产品产生的 整个效果的一种表示( x j j 能) 、产品操作的因果关系( 行为) ，这个建模语言以对象和关 系集来表达产品【1 4 1 。 本体( o n t o l o g y ) 技术也被应用到设计中【2 7 】啦8 】，用于概念设计、知识库系统管理 与组织。本体论是概念化的明确的表示和描述f 2 9 1 。在产品设计领域，应用于描述产品功 能的一般性描述信息，建立功能概念本体模型，功能层分元功能和基本功能层，实现概 念设计过程中的功能分解【3 0 】。 4 ) 产品知识管理方面的研究 德国对设计知识获取与运用的研究，尤其是在设计理论方面已成为世界发源地。提 出的设计方法学主张将专业设计人员长期的设计实践中归纳总结出来的各种方法，作为 支持工程设计流程各个环节的技术手段，贯穿到整个设计过程中，并且通过实际的再应 用加以发扬和完善。 在美国的t e a m 计划中，将知识管理工具套件作为设计领域的研究内容之一。提 出了面向2 1 世纪的敏捷制造的战略，歧实现资源共享和对市场机遇的快速反应【。 日本提出智能制造系统( i m s ) 的国际合作研究开发计划，将知识系统化列为一项 重要的研究内容，目前已开发出一个信息与知识交互协调平台m a d i a t o r 。这是一个开放 结构的信息和知识管理系统，它通过柔性技术支持产品生命周期中的复杂制造活动】。 浙江大学的祁国宁等提出了一套适应于中国企业的合理化工程理论和方法，重组企 业的设计业务流程，以适应产品快速变型设计、产品标准化、产品建模、信息集成等。 1 4 本文主要研究内容 本文综合运用语义信息技术、w e b 服务、设计信息系统等基础理论，实现了产品设 计知识建模、供应和发布、支持产品开发的知识管理过程等关键技术问题，构建设计资 源管理系统，实现了设计知识的共享、重用，提高产品开发效率。本文主要研究内容如 图1 1 所示。 在分析现有的文献和技术的基础上，提出所研究的问题： 对相关理论进行研究，建立设计资源描述模型，并构建基于w e b 服务的 设计资源管理框架，分析关键技术； 在现有技术的基础上，建立应用系统一设计师信息系统( d m i s ) ，并在 企业中应用验证： 大连理工大学硕士学位论文 最后总结全文并提出下一步的工作。 图1 1 论文结构 f i g 1 1t h ef r a m e w o r k o f t h et h e s i s 程辉：基于w e b 服务的设计资源管理系统研究 2 设计资源管理系统框架 2 1 引言 制造业产品开发是一个融会了多学科、多领域知识及个人经验、智慧的过程，在具 体的设计过程中，设计者往往要应用以往的设计知识和多年在该行业的设计经验，根据 设计任务的特点和要求，搜索和参考已经实现的同类设计，首先形成一些粗略的构思， 在此基础上逐步具体化而成为一个设计方案【3 3 1 。 随着客户需求越来越趋向于个性化，产品结构和功能趋向于多元化，产品开发所需 知识剧烈增加，而激烈市场竞争又迫使设计师们不得不缩短产品开发周期、提高开发速 度，这就使得产品设计对原有的设计知识资源的依赖程度不断增加，以原有的知识为基 础进行变形、创新，开发出新产品。在产品开发过程中需要运用大量的知识，对这些知 识的有效管理和运用，将显著提高设计效率，支持产品的敏捷开发。通过对产品开发过 程中所需知识的管理和知识共享模式的研究，构建了设计资源管理系统，为产品设计开 发提供有效的知识支持，同时为产品开发提供跨平台、跨系统、跨软件的基础支撑。 2 2 设计资源管理系统 按照g v r r t n e t g r o u p 的定义【m j ，知识管理是对企业信息资产进行标识、获取、评价、 调用和共享的提升方法和集成方法。目前有关产品开发过程管理的研究侧重于整个过程 中的事件、活动、数据和信息流，缺少基于知识特点的操作方法，而知识管理一旦独立于 业务过程，往往被看作是额外的工作负担，不易取得很好的效果【3 5 】。因此本文将产品开 发过程与知识分析、获取、表达、检索等有机结合，构建了设计资源管理系统。 设计资源管理系统以设计仓库为基础( 设计仓库还没有一个准确的定义，n i s t 以 d e s i g nr e p o s i t o r y 为名设立了研究项目。目的是建立面向设计、工艺规划和装配过程的 资源仓库，提供2 d 、3 d 设计和实体模型、装配和工艺过程规划信息，研究和开发时可 以获取和共享这些实例p 6 】) ，是设计仓库系统与设计人员进行信息交换的桥梁，它以设 计仓库理论体系为基础，将现代信息技术、设计技术及管理制造技术与管理技术等方面 有机的结合起来，全面覆盖产品形成的各个环节，通过设计资源的获取、整理、组织、 存储和重用的完善机制，统一管理企业中与产品形成过程中产生的所有结构和非结构化 的资源，使设计师在设计过程中能够迅速找到相关知识，从而提高企业的产品设计效率， 缩短产品设计周期，降低设计成本，提高设计质量和产品创新能力，提高企业的整体管 理水平：系统包括图文档管理、产品结构管理、零件库管理、设计实例库、消息管理等 产品信息集成平台，以提供方便快捷的已有的相关设计案例进行参考比较，使相关文档 大连理工大学硕士学位论文 在特定的时间发送到特定的地点和特定的人员手中，并可对已有模块进行快速配置和变 形设计等。 2 2 1 系统体系结构 在产品开发过程中，设计资源管理系统帮助产品设计发现、选择、组织和存储设计 知识，并将其应用于问题求解、决策制定等过程，在企业内实现知识共享、鼓励知识创 新、实现知识增值，改善和提高产品开发管理，增强产品敏捷开发能力。 产品开发过程是产品知识产生、获取、运用的环境，设计资源管理系统为产品开发 提供了这样一个环境，通过扩展现有工作流技术和方法，管理知识流在设计过程中的传 递、转化、积累、提交、迭代等操作，其中隐含着知识的产生和运用过程，其体系结构 如图2 1 所示。 用户表示层用于提供系统与外界交互的途径，将系统的应用逻辑与用户分离开来， 是设计资源管理系统的显现部分； 设计资源管理实现产品开发所需设计知识的管理逻辑层，它存储异质多样的设计 信息、支持设计过程信息、实现知识驱动自动化，可以对多个系统产生的信息进行 管理、控制、交叉引用、搜索【3 6 1 。本系统将其分装为w e b 服务，实现设计知识的创 建、管理、发布等操作； 数据存储层在产品全生命周期中存在各种各样的知识，这些知识都是由一定主体 提供的，并且可以被使用者应用，它不仅包括设计过程中的物质信息，如设计图纸、 技术说明书，还应包括非物质的要素，如设计经验、设计思想等。本文将设计资源 定义为产品设计过程中所需要和产生的所有信息及支持产品设计所需的其它基本信 息，包括其它领域基本知识、方法、标准等： w e b 服务这里将设计知识封装为服务，为其它应用系统、用户提供服务接口，通过 该接口，其它系统可调用设计资源管理系统中的相应资源；同时，也将其它系统的 资源存储到设计资源管理系统中，实现统一的设计知识管理。 2 2 2 系统特点 完全面向企业新产品开发和产品生命周期全过程，对整个过程产生的大量技术资料、 技术数据和工程经验进行提取和重用，有效的实现设计资源的获取、整理、组织、 存储和使用； 是基于知识的产品信息资源集成平台，通过先进的设计知识表达方法、设计资源的 获取与积累技术、动态管理架构技术、数据存储与管理技术，形成完善的知识积累 和重用机制，提高企业对产品设计资源的使用效率； 应用w e b 服务技术封装各种设计知识，构建了面向服务的企业建构，可方便对企业 程辉：基于w e b 服务的设计资源管理系统研究 内部和企业间使用各种软件所产生的数据和文档进行有效地管理，实现应用软件之 间的信息共享，建立企业全局信息集成平台。 d m i s 系统适合于我国中小型制造企业产品开发的业务流程和设计资源管理。 2 3 关键技术 图2 1 设计资源管理系统体系结构 f i 9 2 1t h ef r a m e w o r ko f d e s i g nm a s t e ri n f o r m a t i o ns y s t e m 2 3 1 设计知识应用 1 ) 设计知识创建 要实现并应用设计知识首先必须创建相应的设计知识，应用合适的表示方法将获 取的设计知识描述出来。 产品知识获取 设计工程中产生的信息具有广泛性、隐含性、多样性、复杂性等特点，且并不是所 有的信息都对未来的设计有用，因此产品知识获取子系统要从这些纷杂的信息中获取有 用知识，包括：( 1 ) 数据清理( 清除噪声或不一致数据) 、( 2 ) 数据集成( 多种数据源可 以组合在一起) 、( 3 ) 数据选择( 从数据库中检索与分析任务相关的数据) 、( 4 ) 数据变 换( 数据变换或统一成适合挖掘的形式，如通过汇总或聚集操作) 、( 5 ) 数据挖掘( 最为 关键的一步) 等。本系统根据产品知识类型、待求解问题和分层知识表达建模方法的特 征，分别采用知识发现、数据挖掘、机器学习等方法提炼、抽取、集成零部件关联知识、 大连理工大学硕士学位论文 实例、配置决策规则、任务分解知识、设计原理等，覆盖从接到客户订单到将产品提交 给用户的整个过程所涉及的知识，形成支持产品敏捷开发的动态知识资源。 产品知识表达 产品知识表达实现产品知识的分类、辨识、表达等功能。产品知识的内容非常丰富， 其涵盖的范围非常广泛，需要通过辨识来确定知识的特性及其关系，为分类提供基础。 敏捷化的产品开发要求面向整个产品开发过程对知识进行分类，以便于形成良好的组织 和存储结构，及时供应知识。 产品开发知识的内容包括语义内涵和关系两方面，现有产品知识表达方法和模型大 多侧重于其中某一方面，满足于特定产品开发的需要，而现代产品开发对知识的理解和 共享具有更高的要求，因而，产品知识表达模型必须能够清晰的表达语义内涵和关系， 为此本系统结合语义描述和面向对象技术构建了产品知识表达模型，本文第三部分将对 其进行详细描述。 2 1 设计知识管理 设计知识管理过程表现为传递、转化、积累、提交、迭代、存储等知识流操作，其 中隐含着知识的产生和运用过程。 传递是知识流程中最重要和基本的操作。知识传递的目的是支持知识接受方进 行决策、在知识接受方积累知识、实现知识转化等。 知识的转化是一种特殊的传递，是从一种表达形式转化为另一种表达形式的过 程，一般情况之下不会增加知识的内涵。知识转化可分为知识发现转换、知识处理转化、 混合转化三类。 知识的提交是将产品知识从一个设计阶段提交到相邻的设计阶段，一般不引起 知识的内涵或表达形式上的转化，只是起到知识角色转化的作用，使产品知识从一个设 计阶段的知识流程的终点转变为另一个设计阶段的知识流成的起点。 知识存储的目的在于建设并维持企业内部知识，用以提供设计师运用，降低企 业对于特定设计师的依赖性，减少设计知识随着企业人员流动而流失的风险。其方式包 括知识组织，知识更新等。 知识更新随着企业设计信息的不断增加，系统的负荷会越来越大，查询速 度效率会降低，系统性能将受到影响，因此系统应该及时、自动更新信息， 删除已经过时、冗余的信息，减轻系统负荷，使设计师可以查到、使用最 新的设计知识。 知识组织好的知识组织形式可以提供给设计师一个系统化的归类整理、索 引及搜寻路径，帮助设计师快速浏览整个知识结构，有助于企业降低对个 人专业知识的依赖。 程辉：基于w e b 服务的设计资源管理系统研究 3 ) 设计知识发布搜索 系统获取、存储、表达设计知识的最终目的都是为了发布知识，给产品开发提供大 范围的知识资源共享的环境，通过友好的知识获取界面帮助开发人员从中快速查找、获 得所需的知识。 根据产品开发过程的需要，发布的内容既有知识资源本身，如产品配置规则、实例 知识、设计原理知识等；又有各种推理程序、算法，如任务求解方法、c b r 等，因此知 识的发布是一种涵盖信息资源和计算资源的混合发布，这给知识发布的实现增加了难 度。本系统采用x m l 作为产品知识的形式化表示语言，统一组织不同的知识类型，即 合w e bs e r v i c e 技术为实现基于设计知识资源库系统、跨平台的发布提供了便利。 2 3 2 面向服务技术 随着信息技术、特别是以i n t e m e t 为核心的网络技术的发展，一个企业的产品开发不 再仅局限于企业内部，而是跨企业、跨领域的合作，因此企业就面临着跨多个操作系统、 编程语言和硬件平台合作、集成不同软件应用程序的问题，传统上，这个问题一直是一 个紧耦合问题，在大多数系统采用固定接口实现各种数据、函数的调用，但对于环境或 需要的改变，这缺乏灵活性或适用性。而w 曲服务解决了这个问题，它使用x m l 实现与 平台无关的方式来描述任何( 所有) 数据，以跨系统交换数据，因此转向了松耦合应用 程序。而且，w 曲服务可以在较抽象的层面上工作，较抽象层面可以按照需要动态地重 新评估、修改或处理数据类型1 3 7 j 。 从技术发展的趋势上看，基于x m l 和w e bs e r v i c e 技术的应用系统由于直接采用广域 网上的高层协议，避免了大量异构系统之间的不一致性带来的问题，因此非常适合未来 企业在广域网环境下的集成。采用w e bs e r v i c e 进行集成，企业只需要在内部的w e b 服务 器上部署用于集成的w e bs e r v i c e 接口，而集成的过程则是通过信息系统之间互相调用 w e bs e r v i c e 完成。这样的集成不但可以在企业内部进行，也可以在企业之间通过广域网 进行，有利于企业的信息化业务扩展。 2 3 2 1w e b 服务技术 w e b 服务是描述一些操作( 利用标准化的x m l 消息传递机制可以通过网络访问这些 操作) 的接口，它是用标准的、规范的x m l 概念描述的，这一描述囊括了与服务交互需 要的全部细节，包括消息格式( 详细描述操作) 、传输协议和位置。该接口隐藏了实现 服务的细节，允许独立于实现服务基于的硬件或软件平台和编写服务所用的编程语言使 用服务。这允许并支持基于w 曲服务的应用程序成为松散耦合、面向组件和跨技术实现。 w e b 服务履行一项特定的任务或一组任务。w 曲服务可以单独或同其它w 如服务一起用 大连理工大学硕士学位论文 于实现复杂的聚集或商业交易【3 8 。传统w e b 应用技术解决的问题是如何让人来使用w e b 应用所提供的服务，而w e bs e r v i c e s 贝1 j 要解决如何让计算机系统来使用w e b 应用所提供的 服掣3 9 1 。 w e b 服务是建立在x m l 技术的基础上的，可以用真正与平台无关的方式来描述任何 ( 所有) 数据，以跨系统交换数据，因此转向了松耦合应用程序。w e b 服务完全屏蔽了 不同软件平台的差异，无论是c o r b a 、d c o m 都可以通过这一种标准的协议进行互操 作，实现了在当前环境下最高的可集成性f 4 0 j 。 w e b 服务之所以能够发展是由于w e b 服务基于开放的标准，如m r r p 、s m t p 、f t p 和s o a p 等标准协议访问，使其具有良好的互操作性。w e b 服务将基于组件和通过i n t e m e t 方法调用相互结合，使其普遍存在。同组件相类似，w e b 服务代表一个功能性的黑匣子， 用户无需知道服务的具体实现方法就可以重用这些功能。有了通用的接口和标准使得重 用这些程序变得更容易，从而使重用这些程序所代表的任务也变得容易。 2 3 2 2w e b 服务的体系结构