（检测技术与自动化装置专业论文）面向机床产品协同设计的任务规划系统研究.pdf

摘要 市场经济的不断完善以及网络技术的飞速发展与广泛应用，极大地冲击了当前机床产 品的设计与制造模式，为了满足当前市场的需求，弥补机床产品设计的市场响应能力的不 足，缩短机床协同产品的设计周期，提出了面向机床产品协同设计的任务规划系统研究。 本文在分析网络化环境下协同设计系统特点的基础上，针对机床产品协同设计的需求 提出了协同任务规划系统的体系结构和功能模块，结合面向对象的分析技术，利用统一建 模语言( u n i f o mm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 对系统的主要功能模块进行了相关的建模； 接着，对原型系统的第一层数据流图进行了设计，根据数据流图和具体要求对系统的网络 数据库进行了概念设计与逻辑结构设计，并提出了系统数据库的物理实现方式。 任务规划是本系统的核心功能所在，同时也是整个协同设计过程能否顺利进行的前提 条件。首先对机床产品设计的项目进行任务分解，然后通过对分解后的子任务根据其关联 关系进行数字设计结构矩阵( n u m e r i c a ld e s i 皿s n l l c t l 鹏ma _ t r i x ，n d s m ) 建模，并利用 分簇算法对该子任务模型进行任务重组，最后通过任务分配算法对重组后的组合任务进行 最优化的分配。 本文以规范化的软件编制和建模方法为支撑，选用支挣j 2 e e ( j a v a2p 1 a t f o m e n t e 印r i s ee d i t i o n ) 开发了网络化环境下机床产品协同设计任务规划系统，具体选择 f t d k 5 6 1 6 雕刻机作为应用实例，结合协同项目管理和协同人员管理等功能介绍了整个系 统的实现过程，对系统所用理论和关键技术进行了验证。 基于网络技术的机床产品任务规划系统能够满足机床产品在网络化环境下的协同设 计需求，并能降低产品设计的成本，缩短产品设计周期，提高企业的经济效益，为机床行 业的异地协同设计和任务规划等提供了相关的技术支持。 关键字：网络化环境，协同设计，任务规划，n d s m ，任务重组， r e s e a r c ho nt h et a s kp l a n n i n gs y s t e mi nt h ec o o p e r a t i v ed e s i g no f t h em a c h i n et 0 0 ip r o d u c tt n em a c n l n et 0 0 id r o d u c t a b s t r a c t t h ec o n s t a n ti m p r o v 锄e n to fm 打k e te c o n o m y w i mt h ef h s td e v e l o p m e n ta n dw i d e s p r e a d 印p l i c a t i o n so fn e 铆o r kt e c l l i l o l o g y ，h a s 伊e a t l yi m p a c t e do nt h ec 硼r e i l td e s i 弘a n dm 籼f a c t u 】旧 m o d eo fm a c h i n et o o lp r o d u c t ，i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc u r r e n tm a r l ( e t i m d r o v et h e m 破e tr e s p o n s eo fm a c h i n et o o lp r o d u c td e s i p 皿i n g ，a n ds h o r t e nt h ed e s i 2 皿c i r c l eo fc s c d ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) m a c h i n et o o lp r o d u c t ，t h er e s e a r c ho nt h et a s k p l 锄_ 1 1 i n gs y s t e mi nt h ec o o p e r a t i v ed e s i g no f t 1 1 em a c h i n et o o lp r o d u c tw a u sp u tf o 刑a r d b a s e do nt h ea n a l v s i so fc h 孤a c t 耐s t i c so fc s c ds y s t e l ni nt h en e t w o r ke n v 拍m n e n t s t 1 1 e s 仃1 l c t u r ea n d 矗m c t i o nm o d u l eo ft h et 峪kp l 砌i n gs y s t e mw e r ep r d v i d e da c c o r d i n gt o l e r c q u i r 锄e n t so fm a c h i n et o o lp r o d u c ti nc s c d ， c o m b i n e dw i t ht h et e c l l l l o l o g o f 0 i b i e c t o r i e n t e da i l a l y s i s ，a i l du t i l i z i i l gu m l t 0m o d e lt l l em a i n 矗m c t i o n so ft h es y s t e m ：i n a d d i t i o n ，也ed a t an o w o ft h ep r o t o t y p es y s t 锄w e r ed e s i 印e d ，a n dt h ec o n c 印td e s i 萨锄dl o 百c 咖c l u r ed e s i 目皿o fn e t w o r kd a t a b a s ew e r ep r o v i d e dv i an l ea n a l y s i so fd a t af l o wa n d r c l q u i r e m e n t so fs y s t a n ，a n dt h ea p p l i c a t i o nm e t l l o do fd a t a b a s ea sw e u t h et a s kp l a l l n i n gi st 1 1 ek e yo fw h o l es y s t e m ，a n di ti sa l s o 也ep r e r e q u i s i t ew h e t h e rt h e c o u a b o r a t i v ed e s i 霉皿c o u l da c h i e v e i nt h i ss e c t i o n ，t h i st h e s i s 丘r s t l yp r o v i d e dt h ed e c o m p o s i n g m e t h o do fm a c h i n et 0 0 1p r o d u c tp r o i e c t ( t a s k ) o fi nc s c d ，a i l dt h e nu t i l i z e dn d s mf n m n e r i c a l d e s i g ns t n l c t u r em 撕x ) m o d e l i n g t oa r r a i l g e 廿l o s ed e c o m p o s e ds u bt a s k sw i t hc o r r e s p o n d i n g r e l a t i o nw e i 曲t s ，锄dt or e g r o u ps u bt a s k si i ln d s mm o d e lu s i n gc l u s t e 血ga l g o r i m m ，a tl a s t ， t h et 嬲kd i s t r i b u t i n ga l g o r i t h mw a sp r o v i d e dt od i 嘶b u t et h o s er e 毋o u p e da s s e l n b l e ds u bt a s k s t oa p p r o p r i a t ed e s i g nu n i t so rp e r s o n s t h em a c h i n et o o l sp r o d u c tt a s kp l a n n i n gs y s t e mu n d e rn e t w o r ke n v i r o i l i i l e n tw a sb a s e do nm e c a l l o n i c a lp r o 伊锄m i n gm e m o da i l dp 血c i p l eo fs y s t e mm o d e l i n g ，t a ：b n gj 2 e e 弱t h en e t w o r k d e v e l o p m e n tt e c l m o l o g y t h ef t d k 5 616s c u l p t u r em a c h i n ew a ss e l e c t e d 懿t h ea p p l i c a t i v e e x 锄p l e ，锄dt l l er e a l i z a t i o no fw h o l es y s t 锄w a sa p p r o v e d ，w h i c h 硫e 鼯a t e dw i t h c t i o n m o d e lo fc o n a b o r a t i v ep r o j e c tm a n a g e i i l e n ta n dc o n a b o r a t i v ep e r s o nm a n a g e m e n t ，a n da l lt h e s e t h e o r i e sa n dk e vt e c h o l o g i e si nt h i st h e s i sw e r ei d e n t i c a l l yv 耐f i e d b a s i n go nt h en e 俩o r kt e c l l l l o l o g y ，n l em a c h i n et o o l sp r o d u c tt a s kp l 锄1 i n gs y s t e mc a nm e e t m er e q u i r e m e n t so fc o u a b o r a t i v ed e s i g 皿s y s t e mw i t hn e 铆o r ke n v i r o m e n tv e r yw e u ，a n di tc a n l o w e rt h ec o s to fd e s i 霉皿，s h o r t e nt h ep 甜o do fp r o d u c td e s i 擘皿，a n da l s oe r l l l a n c et h ee c o n o m i c b e n e f i t so ft h ee n t e r p d s e s m e a n w h i l e ，w i t l la b o v er e s e a r c h e s ，i tw i l lp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r t f o rc o l l a b o r a t i v ed e s i 皿a n dt a s kp l a n n i n go f t l l em a c h i n et o o li n d u s t r y k e yw d r d s ：n e 觚o r ke n v 的m n e n t ，c s c d ，1 b kp l 锄n i l l g ，n d s m ，协kr e g r o u p 学位论文原创性声明 本人郑重声瞬：所量交酶学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其铯个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究徽 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声甥的法律结果由本人承掇。 学位论文作者( 本人签名) ： 洚莎月，阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保窝、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向翻家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；霹家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采焉影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 。 ， 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密耐。 ( 请在以上方框内打“ ) 翥警翟嘉 案炎蓁耋；，职茎乡冕盎 指导教舜( 本人签名) ： 召髟艚年5 胃f 归 致谢 在本文完成之际，特别感谢我的导师刘英教授。 本文的研究工作和论文撰写是在刘老师悉心指导下完成的，所取得的研究成果凝聚着 刘老师大量的心血和汗水。在我短短三年的生求学生涯中，导师严谨求实的治学态度、敏 锐深邃的洞察力，高度的责任心和敬业精神，虚怀若谷的胸襟和平易近人的工作方式，使 我受益匪浅，终生难忘。感谢导师在我学习生活当中，给予的教诲和帮助，使我顺利的完 成学业。在此，谨向导师致以衷心的感谢和崇高的敬意。在今后的人生路途中，我将牢记 恩师的教诲，勤奋工作，勇敢面对一切挑战，积极乐观地生活。 感谢自动化教研室组各位老师对我的帮助和指导。 感谢师兄李海滨、杨雷、师姐赵元新、张磊、师弟李杰和许杰以及师妹陈利娇和费叶 琦在课题的研究过程中给予的帮助，感谢各位同届好友在三年的求学生活中给予的关心和 支持。他们的友情是无可替代的。 还要感谢我的父母，兄弟以及亲人，给予我无尽的关爱和帮助，他们是我生命中的精 神支柱和力量源泉。我所取得的所有成绩都与他们的关心、支持密不可分的。感谢所有给 予我关心和帮助的人，在此向你们表达我深深的谢意。 作者：蔡杨炜 2 0 0 8 年6 月于南京林业大学 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 世纪以来，随着人类工业文明的不断进步，人类在电子计算机技术、生物工程、新 材料、新能源等高新技术领域取得了一系列的重大突破和进展，并随着这些信息技术、材 料技术、新能源技术等新技术与制造技术的相互交叉、渗透、融合，使得2 1 世纪全球进 入知识经济和网络经济时代并得到迅猛发展，随着全球信息网络的建立和完善，国际竞争 和协作氛围的进一步形成和发展，制造企业在世界范围内的重组和集成进一步加速，制造 业全球化必然是2 1 世纪的一个重要发展趋势，这将促使先进制造技术得到更快的发展。 作为新世纪的时代特征，数字化、网络化和信息化加速了这个世纪变革的步伐。精密化、 集成化、智能化、全球化、网络化、虚拟化、标准化和绿色化是未来制造技术的主要发展 方向【1 1 。 从某种意义上来讲，制造业的水平反映了一个国家的经济实力、科技水平、生活水平 甚至综合国力。同样，我国的现代制造业也面临着全球性的竞争，传统意义上的制造业模 式已经不适应网络经济时代的发展，如何在新的环境下实现国家、企业的竞争优势成为亟 待解决的问题。 从2 0 世纪9 0 年代开始，为了缩短新产品开发周期( n m e ) 、提高产品质量( q u a l i m 、 降低设计生产成本( c o s t ) 、加强售后服务( s e i c e ) 和环境保护( e n v 而m n e n t ) ，即围绕t q c s e 提出了并行工程和敏捷制造等先进的设计制造思想。协同工程【2 】要求有效地支持跨时间、 跨地域、跨学科的多功能小组的协同工作，实现不同领域的知识共享和设计思想交流。与 并行工程相比，协同工程更加突出人的作用，强调相关活动的多学科人员( 包括概念设计、 详细设计、制造、销售、管理、维护甚至最终用户) 的协同工作，以团队工作方式开发产 品，利用集体的智慧，发挥强大的创造力。 机床作为机械加工的重要工具，广泛地应用于国民经济各个生产领域。机床的设计制 造涉及到产品设计、工艺分析以及机械加工等。对于机床产品设计而言，由于其本身是以 一组任务的串行、并发和交叉耦合方式进行的，设计过程复杂，因此必须对机床产品协同 设计过程进行有效的任务规划和控制。即使在有了很好的子任务分解方案前提下而没有很 好的对子任务之间的协调，同样机床产品的生命周期得不到预期的缩短，质量得不到预期 的提高，同样，相应的经济效益也得不到保证，因此，如何对任务进行合理的调度是一个 重要环节。机床产品协同设计任务规划就是把对子任务的最佳合理的算法调度应用于一个 机床产品的协同设计过程，因此本课题从任务规划入手，对任务分解、任务重组和任务分 配的方法进行研究，拟重点研究机床产品开发任务分解模式及流程、实现方法以及其相应 子任务的合理调度等问题。 1 1 1 计算机支持的协同工作( c s c w ) “计算机支持的协作工作 一词最早是1 9 8 4 年由美国m i t 的h e i l e g r i e f 和d e c 的 p 肌1 c 懿l 皿一列【4 儿5 j 这两位研究人员提出来的，用于描述他们正在组织研究的如何借助于 计算机支持来自不同学科的人们协同工作的课题，并缩写为c s c w 。c s c w 继承发展了 并行工程的基本思想，并借助于迅速发展的计算机和网络技术，构成了“计算机支持下的 协同工作”。其定义可为：一种支持人们在共享环境下完成同一件工作的计算机系统。具 体地说就是利用多媒体和计算机通讯技术建立一个协同工作的环境，该环境具有集成一体 化的多媒体模式操作系统平台，以及适合于计算机支持的系统工作的管理、使用和创作的 各种工具。在此环境中各个协同单元可以相互合作，共同工作于一个项目、一个研究领域、 或求解一个问题。 c s c w 的研究内容包括协同工作系统的建设、协同工作方式研究和支持协同工作的 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，改善人们信息交流的 方式，消除或减少人们在时间和空间上相互分隔的障碍，节省工作人员的时间和精力，提 高群体工作的质量和效率，从而提高企业、机关、团体乃至整个社会的整体效益，如共享 文件系统提供的资源共享能力，电子邮件和多媒体会议系统提供的人与人之间的通信支持 功能，工作流和决策支持系统的组织管理功能。一个企业如能有效地利用这些基本工具， 构造其企业内部协同管理信息系统，必将提高企业的管理水平和效益。 c s c w 是一个多学科交叉的研究领域，不仅需要计算机网络与通信、多媒体等计算 机技术的支持，还需要管理科学、社会学、心理学、组织理论等领域学者共同协作。c s c w 将计算机、网络诵信、多媒体以及各种社会科学紧密地结合了起来，向人们提供一种全新 的工作环境和交流方式。c s c w 的显著特点【6 j 在于：它是面向任务的，而不是面向问题的； 它是支持群体组织的，而不是支持个人的。群体的复杂性、群体任务的复杂性、所应用的 高新技术及三者之间的关系造成了c s c w 系统的复杂性。 c s c w 在功能上具有如下特点【7 】( 1 ) 多主体性，是指系统工作由两个或两个以上协 同单元参与，而这些协同单元通常是相互独立的，各自具有领域知识、经验以及一定的问 题求解能力。( 2 ) 协同性，具有一种协同各个单元以完成共同工作目标的机构，这一机 构则包括各协同单元间的通讯协议、通讯结构、冲突检测和仲裁机制。( 3 ) 共同性，各 协同单元小组要实现的任务目标是共同的，而且他们所在的工作环境也是一致的。 ( 4 ) 灵活性，指参与工作的协同单元和专业领域的数目，是动态地增加或减少，而且协同系统 的体系机构也是灵活可变的。 凡是具有协同工作( 广义的) 特征的、可采用计算机及网络为技术支持手段的领域都 属于c s c w 的研究范围；凡是在计算机及网络环境下，涉及信息共享和群体协同工作的 应用领域都有c s c w 的用武之地【引。因此，c s c w 在广阔的领域得到应用：如军事应用； 办公自动化( o a ) 和管理信息系统( m i s ) 的新发展；医疗应用；远程教育；合作科学 研究；商业、贸易、金融的应用；各级政府部门的协调和决策支持；工业应用等。而c s c w 在制造企业中的应用主要有：企业流程改造；电子会议、异地合作设计等。 1 1 2 计算机支持的协同设计( c s c d ) 计算机支持下的协同设计”( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i 鲈，c s c d 【9 1 ) 是 c s c w 在设计领域的一个重要应用，也是c a d 技术进一步发展的结果。它是指在计算机 2 的支持下，各异地协作成员围绕一个共同的项目，承担相应部分的设计任务，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一种设计方法。它强调设计者采用群体工 作方式，使不同地点的管理人员、设计人员、施工人员以及用户等都能同步或异步的参与 设计工作，从而提高设计的质量和效率。一组协作成员之间的协同通常是通过交互完成的， 根据交互双方的空间位置和应答方式，协同设计的工作方式可分为面对面交互、异步交互、 同步分布式交互及异步分布式交互四类。 协同的含义具体体现在以下几个方面： 1 ) 产品设计信息的协同 产品设计中，所有设计者面对的是同一产品的信息模型。由于同一信息源在不同的设 计环境中描述不尽相同，不同的智能元出于不同的需要，对信息的使用方式也有差别，因 此，存在不同设计者之间信息的协同。 2 ) 过程的协同 将一个完整的、复杂的任务分解成完全独立的子任务是不现实的，也是不必要的事情。 设计者所承担的子任务间存在的关联性决定了设计活动必须按一定顺序协调一致地进行。 3 ) 工具的协同 不同协同单元所使用的设计工具不完全一样，同一协同单元内部也可能使用多种设计 工具，协同设计应提供这些设计工具的管理方法。 4 ) 环境的协同 协同设计是跨部门，甚至跨企业的活动行为，不同部门，不同企业的设计环境存在差 异，并且这种异构的设计环境随着设计的进程是动态的，所以，异构设计环境的集成是协 同设计系统的另一重要内容。 5 ) 通信的协同 异构环境下设计者的通信，是包含知识处理机制的通信，通讯过程的系统包含对不同 的知识理解以及表达方式之间的转换等协调工作。 协同设计涉及的领域同样很广泛，也同样是计算机软硬件技术、行为科学、认知科学、 网络通信、分布式处理、人工智能等多学科的综合交叉。 归纳起来，组建计算机支持下的协同设计系统有以下五个要剧1 0 】： 1 建立能支持协同设计的计算机协同工作环境。 2 建立基于协同理论的产品集成设计团队，即协同单元。 3 对结构产品的设计过程进行重组，建立产品协同设计开发流程。 4 通过对复杂结构产品的建模，优化产品设计过程与质量。 5 利用p d m 、c a d c a m c a p p 以及a g e n t 虚拟设计等集成技术与工具，提高设计质 量与速度。 1 2 国内外c s c d 研究现状 1 2 1 协同设计支持环境的研究现状 为了建立共享、集成、协作的产品开发模式，并进一步缩短产品开发周期，提高产品 3 质量，近些年来，一些发达国家纷纷制定了基于网络的先进制造技术战略，以立足于竞争 激烈的制造业市场中。例如，美国提出敏捷制造( a g i l em 枷f a c 嘶n g ) u l j 战略，旨在利用 信息高速公路及动态联盟的组织形式，将分散的企业有效的组织起来，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 i l r i n gs y s t e m ) 的研究计划， 目标是实现当前生产技术的标准化，开发出能使人和设备都不受生产操作和国界限制、彼 此合作的高新技术生产系统。在这些先进制造技术发展战略中，网络化的产品协同作为一 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，关于协同设计的方面研 究也逐渐已经成为各国先进制造发展战略重大研究计划中的重要织成部分。 为了实施先进制造发展战略，各国也纷纷启动了若干研究项目，并均把协同设计作为 其重要的研究内容，下面列举一些具有代表性的研究项目： 波音公司研制的波音7 7 7 客机就是以网络技术协调分散在世界各地的分支机构和日本 三菱等进行c s c d 与制造的，世界各地的波音公司同时可在计算机屏幕上对3 0 0 多万个零 件的三维模型观察、修改【1 3 1 ；u l t e ac o m m 是生产电子产品的虚拟公司，它依靠网络技术 组织设计、生产，动态地适应不同产品开发、改进、制造及销售的需要，c s c d 与现代制造 技术相结合可保证接到订单后2 4 小时内供货【1 4 】；s t a n d f o r d 与l 0 0 l d l e e d 、e i t 、h p 等合作研 究的p a c t 项目着重研究大规模、分布式并行工程系统，此项目较为系统地研究了分布式 c s c d 的问题：i o w a 大学工业工程系建立了一个h l t e m e t 实验室，其主要研究项目包含如 何利用w w w 技术建立基于客户服务器形式的c s c d 模型【l6 】；德国f r a u i l l l o f e r 计算机图形 研究所的s t o r k 和j a s n o c h 提出分布式产品开发环境c o c o u n t 和协同应用s h a r e d 3 d e w e 一1 7 】； 英国b m i l i l e l 大学交互设计研究中心开发了三维原型系统c 0 1 1 i d e 【1 8 】；c o c r e a t e 公司推出了 c s c d 软件o n es p a c e ，可以实现协同查看和协同造型【1 w ；澳大利亚悉尼大学的m i k e r o s e m a l l 和f u j u nw h g 提出了c a d o m 模型，研究了c s c d 中的重要使能技术信息集成， 实现了功能、管理和结构数据的集成【2 0 1 ；新加坡国立大学的q i a n g l 等开发了一个w p d s s 系 统，它支持基于c a d 的网络协同设计，服务器提供c a d 几何和工程信息，客户端共享这 些信息，为了利用商用c a d 软件进行实时协同设计，设计了一个j a v a c o d e d 软件界面， 并提出了一个新的方法以减少信息传输时间，对操作过程实时监控，保持协同修改过程中 数据的一致性【2 1 1 等。 近几年，国内在相关领域的研究十分活跃，也取得了初步进展。如：清华大学的c i m s 工程研究中心建立了面行c i m s 的并行工程集成框架，使用c o r b a 技术实现了复杂计算环境下的数据 共享和通训2 2 j ；南京理工大学提出了e c w s 实现网络化c s c d 制造，并提出了以m i c r o s o r n e t i i l e e t i n g 为协同支持工具为分散在异地的用户提供一个“你见即我见”的实时协同工作 环境【2 3 】；华南理工大学提出了基于v 蹦l 和j a v a 的虚拟现实协同系统，可以在网上建立虚 拟环境，增强c s c d 的交互性和客户端的平台无关性【2 4 】；四川大学建立了一种基于多a g e n t 技术的c s c d 模型，通过a g e n t 之间信息交换，以达到协同工作的目的【2 5 1 。 但从总体上看，国内在协同设计支持环境的开发与应用方面相对于欧美工业发达国家 来说还有不少差距。制造领域至今还没有一个可以商业化的协同设计环境，软件开发商也 在开发基于w 曲的设计系统和协同设计支持系统方面积极开展工作，并已推出了一批新 4 的商用软件。在这些新软件中，一类是对其原有的c a d 系统进行扩展，增加基于w e b 的功能，另一类是重新开发的网络化协同设计支持环境。前者由于是在原有系统的基础上 增加了w 曲的“外壳，在支持真正的异地异构环境下的设计方面还存在许多问题；后者 主要目标是提供协同交流环境，而普遍缺乏常用c a d 系统的设计和信息集成的功能。 1 2 2 协同设计中任务规划的研究 在协同设计支持环境下，由于网络上多功能协同小组工作和设计风格的差异，因而在 产品开发阶段经常出现任务设计的重叠和冲突现象。因此，实施协同设计之前必须首先对 该协同设计过程进行规划、管理和控制。国内外对协同设计过程的建模已经有了不少研究。 如t s o 等1 2 6 j 将规则推理和面向对象技术应用到任务分解过程中，并开发了原型系统 a c s s s ，但a c s s s 只适用于关系比较简单的任务分解，对于高耦合度的子任务分解实现 起来则比较困难；b e l t l l e t e 等【27 j 提出一种在资源约束下的动态调度方法，采用每隔一个较 短时间就进行一次调度的方法，但没有给出如何确定调度时间间隔的方法；杨波等【2 8 】提 出了在产品开发过程中任务分解的原则，给出了任务到团队及基于均衡适度原则的任务 到团队内各个参与人员分配的数学模型，该模型有效地支持了并行工程中的资源配置，缩 短了产品开发时间。 周锐等拉卅提出了一种通过b o m 向p e t r in c t 的映射，实现产品结构视图向过程视图的 转化方法。通过这种方式将b o m 中的各元素按照子任务的方式进行分解。以任务分解结 果和制造资源库提供的信息为依据，对分解的任务进行分配。该方法对b o m 中的所有元 素进行遍历，保证了任务分解的完整性。该方法采用p e t r i n e t 描述过程，可以通过p e t r in e t 的数值特性对转换结果进行分析和优化，避免和消解冲突。 另外，由于产品开发各子过程或子任务存在复杂的信息交互和相互依赖、相互制约的 关系，为了有效地组织协同设计，必须对整个设计过程进行合理规划【3 0 】，也就是在具体 的协同设计之前，以最大限度地满足设计过程各阶段活动的信息需求为准则对设计活动的 排序，对耦合任务集中的耦合任务进行合理排序，以确定耦合集中任务的初始执行次序。 近年来，国外学者对协同设计的任务规划进行了大量的研究并提出了多种任务分解方 法：如运用有向图( d i r e c t e dd i a 蓼a m ，d d ) p l j 来描述设计活动间的依赖关系，提出了设计过 程重组的方法；又提出了一种称为d e i 印r o a d m a p 【3 2 】的建模方法，并用它建立了协同工程 过程的依赖关系模型框架；又如根据设计需求与设计参数的映射关系【3 3 1 ，建立设计方程， 求解协同设计任务之间的依赖关系等等，以上的一些任务规划的算法调度在实际的应用中 对缩短产品开发周期，降低产品成本等方面都起到了积极的作用。 目前，技术相对于落后的国内的部分企业，尽管从形式上采用了协同设计这一概念， 但在对子任务的任务规划中还存在着不少问题。如协同设计过程中由于没有较好的调度算 法，反而造成了设计冲突，使得产品的生产周期没有得到有效的缩短，甚至得不偿失；又 如没有足够的硬件设备的支持，难以实现异地协同设计，从而很难把各个企业有效的结合 起来来提高共同的经济利益。同样的，尽管国内对于协同设计的任务规划这一领域只是初 步认识，实效性、性能及稳定性方面与国外技术还有差距，但在适应企业需求、价格及技 术支持等方面已经具有了一定的优势：国内开发的任务规划系统具有了任务调度的基本功 5 能，相对国外的任务规划系统价格低廉，其管理模式更加符合国内企业的实际情况，并且 能结合企业实际提供深入、全面的技术支持和服务。因此，在国内任务规划系统市场上占 有了一定的市场份额，特别是我国中小企业的最佳选择。但总的来说，协同设计任务规划 系统在我国的应用仅仅是开始探索，其应用的深度和广度都有待提高，任务规划系统的实 施经验也有待在实践中进一步总结。相信随着国内协同设计任务规划系统生产厂家的不断 努力，国产协同设计任务规划系统产品会有更加美好的发展前景。 1 3 网络化环境下协同任务规划系统关键技术的研究 网络环境下的协同任务规划系统其主要技术难点在于： ( 1 ) 系统的网络体系结构 由于协同设计系统的柔性较高，对实际的求解任务的个体所处环境的依赖性强，因此 目前还无法提供一个通用的、高效的网络模型，只能针对具体的应用背景进行分析和设计。 另外，w 曲技术的优越性和动态协同联盟企业的需求使得支持网络化制造的协同制造系 统必须采用w 曲技术。动态协同环境下的产品开发要求对分布在不同地域、不同部门的 数据进行统一管理。为此，相应的c s c d 系统应建立在基于w 曲的b s 或c s 体系结构 之上，实现w 曲技术与传统c s c d 技术的融合。 ( 2 ) 数据库开发技术 数据库是借助于计算机保存和管理大量复杂的数据和信息的软件工具。由于企业级协 同设计系统庞大的数据量、高的性能要求，因此底层数据库几乎无一例外都集中在o r a c l e 、 d b 2 、s y b a s e 、i n f o m i x 和s q ls e r v e 等大型数据库上。这些数据库管理系统在对大型数 据库以及分布式应用和并行计算等方面都提供了强有力的支持。提高数据库的查询、获取、 加工处理性能，提供必要的安全检测与机制认证工作，是建立良好可靠的系统平台的基础。 传统的管理系统大多建立在关系数据库基础上，但是关系数据库存在语义不丰富、建模手 段不足等问题。为了解决这些问题，近几年来有关面向对象数据库、演绎数据库、知识数 据库的研究不断取得突破，从而将推动网络坏境下协同设计的发展进步。 ( 3 ) 分布式技术 多层次分布式应用模型是指根据功能把应用逻辑分成多个层次，每个层次支持响应的 服务器和组件，组件在分布式服务器的组件容器中运行，容器间通过相关的协议进行通讯， 实现组件间的相互调用。j 2 e e ( j a v a 2p l a t f o me n t e 印r i s e se d i t i o n ) 是美国s u n 公司在 1 9 9 9 年提出的，旨在提供一个企业级分布系统的应用开发环境。j 2 e e 平台由一整套服务 ( s e i c e s ) 、应用程序接口( a p i s ) 和协议构成，提供了一个多层次的分布式应用模型和 一系列开发技术规范，它对开发基于w 曲的多层、分布式应用提供了功能支持。 ( 4 ) 多知识库的统一 由于参加协同求解的协同单元或专家来自不同的领域，即使是对相同知识也会产生不 同的描述形式。另外，不同方面对同一问题的理解也会产生一些偏差。如何实现这些不同 的描述形式之间的转换，维护多知识源间的一致性，是个协同单元之间进行交流的基础。 ( 5 ) 任务的分解和调度 6 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最适宜协同 单元上求解，是协同求解的一个关键问题。它主要涉及到子任务分解、子任务的建模与分 配以及任务人员的分配等问题。 ( 6 ) 协同单元的控制 当协同单元具有较强的自治能力时，它们为了各自的利益，会为占有有限的资源而互 相竞争。此外，不同的节点具有不同的资源访问权限，如何在分布式系统中控制各个协同 单元节点的资源使用情况是协同求解的又一个重要研究内容。 ( 7 ) 协作交流 有效的协同系统必须能提供一组通用的协同工具，使协同者超越时空的限制去完成协 同任务。常用的工具包括在线交流、视频会议、电子邮件、b b s 、远程应用共享、远程控 制等。 1 4 我国机床制造业面临的问题 要提高我国机床制造业的设计制造能力，就必须采用先进的设计制造技术，即结合现 代信息技术，用数字化设计制造技术改造传统的机床研制方式，实现设计制造的数字化、 网络化、全球化，使我国的机床研制水平逐步与国际接轨。在我国当今的机床制造业中， 许多机床生产企业虽然在其设计阶段都采用了数字化产品开发技术，如c a d 、c a e 、 c a p p 、c a m 等系统，但由于缺乏灵活的信息交流，使得c a d 、c a e 、c a p p 、c a m 、 n c 等系统成为各自独立的“自动化孤岛，【洲。在机床设计过程中没有进行全生命周期的 考虑，缺乏有效的协同产品开发模式，不能从制定方案开始就融入各方面的正确意见，容 易造成产品开发的反复，延长了开发周期。目前的c a d c a e c a m 集成仅仅是以数据文 件的方式实现设计结果的交流，并行性差。 因此，为了提高企业对市场的响应能力，对与机床产品的设计，须采用网络化制造模 式，走多企业合作的道路，充分利用各个企业的各自优势资源，实现产品开发设计的资源 和经验共享。我们可以看到，异地协同设计、制造、管理、工作是未来机床制造业发展的 必然趋势，而机床产品设计中采用各个项关企业协同工作方式是必然的选择。 1 5 论文的主要研究内容及组织方式 1 5 1 论文的主要研究内容 由于机床产品协同设计过程中，是由多学科知识形成面向任务的群组工作方式，其设 计过程是由大量设计决策活动组成的，为了保证设计过程中所有设计决策活动的有序进 行，实现协同设计环境中信息的交换和共享，最终使设计结果收敛于期望的目标解，对机 床产品协同设计过程进行有效的规划和控制是至关重要。因此本课题从任务规划入手，对 机床产品协同设计任务分解和规划的原理与方法进行研究，提出了机床产品协同开发任务 分解模式以及子任务的建模，并用优化算法对分解后的子任务进行合理的调度。 7 在上述研究的基础上，以机床产品为工程应用的研究对象，研究建立一个面向机床产 品的协同设计任务规划的原型系统，并在该系统进行机床产品的协同设计，验证了该原型 系统的有效性。 1 5 2 论文的组织结构 全文共分七章，论文的组织结构如图1 1 所示，各章主要内容如下。 第一章首先通过协同设计的相关概念、特点的介绍，论述了现有协同设计以及任务规 划方面的研究与应用现状，并提出了网络化制造环境下协同设计关键技术的研究，最后分 析了我国当前机床制造业存在的问题，并简述了论文主要研究内容的组织结构： 第二章作为系统实现的框架，根据网络化制造模式的特点，分析了网络化环境下协同 任务规划系统的功能需求，给出了系统的逻辑物理体系结构并划分功能模块，分析了系 统功能模块间的关系，建立了网络化制造环境下协同任务规划系统的实体类模型和接口类 模型； 第三章作为系统实现的数据基础，首先是对系统网络数据库的数据需求进行了分析， 然后按照数据库设计流程分别进行了系统数据的概念设计( e r 图设计) 、逻辑设计( 关 系模式转换及规范化) 和物理设计( 存储结构及存取方法，表的实现) ； 第四章是本文研究的重点，也是网络化制造环境下的协同任务规划系统的核心所在。 首先对协同设计中任务分解的主要方法进行了相关研究，列举任务分解的主要类型及方 式，并利用n d s m 对设计的任务进行了建模，提出一种基于n d s m 的任务重组的分簇算 法及其相应的评价体系，在此基础上，建立了任务的分配算法，并结合机床产品实例演示 系统的算法实现过程，验证了规划算法的可行性； 厂 第一章绪论 i 第二章体系结构第三章网络数据库设计 图1 1 论文组织结构 第五章是对原型系统的介绍。对系统开发的技术支持和功能结构进行了阐述，并结合 机床产品开发项目实例，对项目启动实施完成等过程进行演示，并对任务分解模式、任务 建模、任务的重组以及任务的分配进行了重点说明； 第六章归纳了课题取得的研究成果，并对系统存在的不足以及需要改进的功能进行了 总结。 1 6 本章小结 本章首先对机床产品协同设计的研究背景进行分析，包括网络化制造、计算机支持的 协同工作、计算机支持的协同产品设计。然后对协同设计支持环境和任务规划的国内外研 究状况进行了探讨，并简单介绍了网络环境下协同任务规划系统的关键技术的研究以及现 阶段国内机床制造业面临的问题，最后介绍了论文的主要研究内容和论文的组织结构。 9 第二章面向机床产品协同任务规划的体系结构 随着互联网、多媒体技术的快速发展，以及网络所提供的服务越来越多样化，使的网 络会议、虚拟现实等技术可以真正地应用于机床产品设计生产过程，从而使构造基于w e b 的机床产品协同设计平台成为可能。本章在对网络化环境下协同设计支持环境进行研究的 基础上，结合机床工业的特点，提出网络环境下面向机床产品协同任务规划的体系结构， 开发适应机床产品需要的、能够有效解决协同设计中合理任务规划的协同产品开发平台。 2 1 网络化制造环境下协同任务规划系统的特点 网络化制造环境下的制造企业强调的是灵活、机动以及更好的敏捷性。要求每个协同 单元或协同企业发挥自身优势。 因此，网络化制造环境下任务规划系统应具有以下特点： ( 1 ) 支持异构集成。保护已有的投资，支持分布、异构环境下不同软硬件平台、不 同网络和数据库，以及不同应用系统数据集成之上的过程集成和过程优化。考虑不同标准 和规范间的互换性和互操作性，注重系统的开放性、可重用性、可扩充性以及应用的透明 性。 ( 2 ) 信息资源的高效集成。支持企业中组织和人的集成，支持多用户的交互操作， 支持信息集成、功能集成和过程集成。支持用户收集和管理数据，能够很好的提供查询和 导航机制。 ( 3 ) 安全性和可靠性。任务规划系统所涉及的范围本身就要求有很高的安全性，如 果面向网络应用，更需要提高其安全可靠性。能够进行动态的用户管理和网络安全保障， 对动态联盟中的临时用户的权限进行管理和网络安全保障。 ( 4 ) 灵活可扩充的系统应用。在系统中应该融入面向对象、面向组件的设计思想和 开发技术。面向对象和面向组件的思想使得整个系统灵活易于配置、易于扩展