（机械设计及理论专业论文）基于pdm的协同设计环境的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 p d 是集数据管理和过程管理于一体的技术，应用p d m 技术构建支持企业协同产品 设计的s f 台具有深刻的研究和广泛的实践基础。目前，p d m 一般的通用功能只提供对协同 设计中全局信息的管理，而缺乏对设计者本地资源的管理支持。将本地的数据以产品为 中心管理起来，为设计者提供独立工作和基于p d m 联机协作的灵活的工作方式，形成全 面的支持设计协同的工作环境，具有重要的现实意义。 本文对本地化的产品数据管理、基于p d m 协同设计的工作模式与系统结构及在此结 构环境下进行设计协同的若干关键技术进行了研字0 主要包括以下内容： ( _ ) 协同设计环境中本地产品数据的管理。将p d m 的管理扩展到本地，开发了本地产 品数据管理模块本地工作区( l w s ) ，并将其嵌入到c a x 应用软件中，使得用户可以方便的 组织和管理本地资源，在应用软件中便捷地访问l w s 中的数据：另外，l w s 和p d m 具有一 致的数据模型，二者之间可以方便地交换数据。 应用本地工作区的协同设计环境的工作模式和系统总体结构。根据协同设计的特 点，总结出横向协同和纵向协同两种协同模式，并由此提出基于p d m 系统的协同工作模 式；在：亡作模式之上构造了设计系统的体系结构。 济同设计中几个关键技术的研究。采用事件消息的方法，以其作为协同感知技术 的基础；基于产品结构进行设计任务分解，使用设计结构矩阵表达设计任务的关系，通 过操作矩阵进行设计任务重组；研究了协同设计中的版本管理模型。 最后，结合科研实践的需要，完成了本地工作区和p d m 协同工作区的设计开发，构 建了基于p d m 的协同设计环境。、 关键词：产品数据管理，翅凰设计，协同工作模式 - - 一一 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p d mi sat e c h n o l o g yw h i c hi n t e g r a t e sd a t am a n a g e m e n t a n dp r o c e s s m a n a g e m e n t i t h a s p r o f o u n dr e s e a r c hb a s ea n d e x t e n s i v ep r a c t i c eb a s et h a tp d mi su s e dt ob u i l dp l a t f o r m s u p p o r t i n ge n t e r p r i s e c o l l a b o r a t i v e d e s i g n t i l ln o w ，e n t e r p r i s e p d mo n l y p r o v i d e s m a n a g e m e n tt og l o b a l i n f o r m a t i o nb u th a st h el a c ko fm a n a g e m e n tt o d e s i g n e r s l o c a l r e s o u r c e s t oh a v et h el o c a ld a t am a n a g e di n v o l v e do np r o d u c tw i l lp r o v i d e dd e s i g n e r sa f l e x i b l ew o r kf a s h i o nw i t hw h i c hd e s i g n e r sc a nw o r ki n d e p e n d e n t l yo rw o r kc o o p e r a t i v e l y b a s e do np d m ，w h i c hi so f i m p o r t a n c ew i 血r e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e i nt h i st h e s i s ，w es t u d i e dt h el o c a l i z e dm a n a g e m e n to f l o c a lp r o d u c td a t a 、w o r km o d ea n d s y s t e ma r c h i t e c t u r eo fp d m b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g na n ds o m ek e yt e c h n i q u e su n d e rt h i s e n v i r o n m e n t t h em a i nc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n g ： f i j s t l y ，t h em a n a g e m e n t o f l o c a lp r o d u c td a t ai ss t u d i e d t h ed a t am a n a g e m e n to f p d m i se x t e n d e dt ol o c a la n dw eh a v ed e v e l o p e dt h el o c a lp r o d u c td a t am a n a g e m e n tm o d u l en a m e d l o c a lb r k s p a c e ( l w s ) t h r o u g he m b e d i n gl w si n t oc a x a p p l i c a t o ns o f t w a r e s ，u s e r sc a n o r g a n i z ea n dm a n a g ep e r s o n a lr e s o u r c e sc o n v e n i e n t l ya n d a c c e s sd a t am a n a g e db yl w sw i t 1 i n c l i e n ta p p l i c a t i o n s f u r t h e rm o r e ，l w sa n dp d mh a sc o n s i s t e n td a t am o d e l ，w h i c hm a k e si t c o n v e n i e n tt oe x c h a n g ed a t ab e t w e e nt h e m s e c o n d l y ，w ei n v e s t i g a t e dt h ec o l l a b o r a t i v ew o r km o d ea n ds y s t e mt o t a la r c h i t e c t u r ew i t h t h ea p p l i c a t i o no f l w s a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r so fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，w es u m m a r i z e d t w oc o o p e r a t i v em o d ea st r a n s v e r s ec o l l a b o r a t i o na n d1 e n g t h w a y sc o l l a b o r a t i o n ，a n dp u t f o r w o r dac o l l a b o r a t i v ew o r km o d eb a s e do np d m t h e s y s t e ma r c h i t e c t u r eo fd e s i g ns y s t e m i sa l s op r o v i d e d a c c o r d i n g t ot h ew o r km o d e t h i r d l y ，s o m ek e yt e c h n o l o g i e so fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sr e s e a r c h e d ，w ed e c o m p o s e d e s i g n t a s k sb a s e do n p r o d u c t s t x u c t u r e ，u s ed e s i g ns t r u c t u r em a t r i xt oe x p r e s st h er e l a t i o n s h i p o ft a s k sa n d r e o r g a n i z et a s k sb yc a l c u l a t i n gt h em a t r i x e v e n tm e s s a g ei su s e di nc o o p e r a t i v e w o r kt o n o t i f ye a c ho t h e ri n aw o r k g r o u p w ea l s os t u d i e dt h e o b j e c tv e r s i o nm o d e lo f c o l l a b o r a t i v ed e s i g n f i n a l l y ，w i t hs t u d y i n go f t h e s ea s p e c t sa n dc o m b i n gt h en e e d o f r e a l i t y ，w eh a v ed e s i g n e d a n dd e v e l o p e dl o c a lw o r k s p a c ea n dc o o p e r a t i v ew o r k s p a c eo f p d m t h u s ，w eb u i l tt h e c o o p e r a t i v ee n v i r o n m e n tb a s e do np d m m o d e k e y w o r d s ：p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，c o o p e r a t i v ew o r k u 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着世界市场的形成与发展，世界范围内的市场竞争变得越来越激烈。竞争有力地 推动了社会进步，但也给企业造成了严酷的生存环境。全球性的竞争要求生产者对市场 变化作出迅速准确的反应，以最短的时间开发并生产出高质量、低成本的产品，并提供 良好的服务。各国制造业纷纷采用各种新思想、新方法、新技术来改进自己的产品开发 模式，从二十世纪七十年代的计算机集成制造哲理、八十年代的并行工程理论，到九十 年代的智能制造，直到现在的敏捷制造和全球制造。虽然采用的手段和方式不同，但它 们都有一个共同的目的，即快速、高质量、低成本的生产出令客户满意的产品。 产品开发是制造业中最为重要的部分，特别是产品开发的早期阶段更是起着决定性 的作用。尽管许多企业已通过柔性制造和信息集成等技术改善了生产条件，获得了显著 的经济效益，但这些高新技术的应用远没有达至0 人们所期望的目标。对产品的开发成 本一周期的统计分析显示u ”，产品开发的早期阶段决定了产品开发成本的8 3 以上，而 这一阶段所花费的费用仅占产品开发成本的7 以下，如图所示。结果表明，改进产品 的开发过程比改进产品的生产过程获得效益更为显著。因此，对产品开发技术支持和环 境的研究具有十分重要的意义。复杂产品的开发过程涉及到多个学科的人员，成功的产 品是群体劳动的结果。为了使群体参与的产品开发过程更加高效，需对开发中的资源、 开发的过程进行有效的控制和协调，并为群体提供相应的支撑环境。 产品生俞周捅 图1 1 产品开发成本一周期的统计 产晶数据管理( p d m ) 是作为管理产品开发中所有与产品相关的信息和所有与产品 相关的过程的技术出现的，其文档管理、电子仓库管理、产品结构管理、项目管理、系 统集成管理及工作流与工程变更管理等功能，为实现在分布式环境中群体活动的信息交 换与共享，对设计过程进行动态调整和监控，支持多功能设计队伍的协同工作提供了基 华中科技大学硕士学位论文 础。按照世界三大信息咨询公司之一c i m d a t a 公司总裁e d m i l l e r 的观点【2 ，p d m 系 统不再是一个单一的应用技术，而是将企业过程、数据和应用联系在一起的“信息基础 设施”。本文以p d m 为基础，对p d m 的协同设计功能进行了扩展，研究了基于p d m 协同设计中的若干关键技术。 1 1 协同设计综述 1 1 1 协同设计的概念和特点 现代产品设计是面向市场、面向用户的设计，企业的t q c s e ( t i m e 、q u a l i t y 、c o s t 、 s e r v i c e 、e n v i r o n m e n t ) 是衡量设计成功与否的标准。在争取用户满意的竞争中，现代设 计要求对产品进行全生命周期设计。面对越来越复杂的设计对象，单个人和企业已不能 胜任，需要多个专家和企业组成多功能设计小组，以一种协同的方式来进行产品的设计。 协同设计( c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) 是指在计算机的支持下，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 o 协同设计强调采用群体工作方式，从而不同程度地改善传统设计中项目管理 与设计之间、设计与生产之间的脱节，以及设计周期过长、设计费用高、设计质量不易 保证等缺点。 协同设计的过程具有以下特点： ( 1 ) 分布性：参加协同设计的人员可能属于同一个企业，也可能属于不同的企业；同 一企业内部不同的部门又在不同的地点，所以协同设计须在计算机网络的支持下分布进 行，这是协同设计的基本特点。 ( 2 ) 交互性：在协同设计中人员之间经常进行交互，交互方式可能是实时的，如协同 造型、协同标注；也可能是异步的，如文档的设计变更流程。开发人员须根据需要采用 不同的交互方式。 ( 3 ) 动态性：在整个协同设计过程中，产品开发的速度，工作人员的任务安排，设备 状况等都在发生变化。为了使协同设计能够顺利进行，产品开发人员需要方便地获取各 方面的动态信息。 ( 4 ) 协作性与冲突性：由于设计任务之间的存在相互制约的关系，为了使设计的过程 和结果一致，各个子任务之间须进行密切的协作。另外，由于协同的过程是群体参与的 过程，不同的人会有不同的意见，合作过程中的冲突不可避免，因而须进行冲突消解。 ( 5 ) 活动的多样性：协同设计中的活动是多种多样的，除了方案设计、详细设计、产 品造型、零件工艺、数控编程等设计活动外，还有促进设计整体顺利进行的项目管理、 任务规划、冲突消解等活动。协同设计就是这些活动组成的有机整体。 除了上述特点外，协同设计还有产品开发人员使用的计算机软硬件的异构性、产品 华中科技大学硕士学位论文 数据的复杂性等特点。对协同设计特点的分析有助于为建立合理的协同设计环境体系结 构提供参考。下表对单机c a d 系统和协同设计系统作了一个比较 表1 1 单机c a d 系统和协同设计系统比较 比较条目单机c a d 系统协同设计系统 作业方式单人独立作业群体共同作业 系统结构单机独立应用基于网络的分布式系统 设计过程或进程设计者自由操作需要有效的规划和协同控制 设计交互人机交互人人、人机交互 数据存储和访问本机任意存储和访问基于版本多级存储和授权访问 包含关系自包含结构上由各种应用集成而成 1 1 2 协同设计中的关键技术 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 效支持的研究领域，不仅需要不同领域的知识和经验，还要有综合协调这些知识、经验 的有效机制，来耦合不同的设计任务。一般认为，协同工作的基本要素为协作、信任、 交流、折衷、一致、不断提高、协调f 1 3 】。为体现这七个基本要素，实现协n t 作，必须 解决好以下关键技术： ( 1 ) 产品建模 产品模型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，产品模型的建立一个逐步完善的过程，是多功能设计小组共同 作用的结果。为了满足设计各阶段对产品数据模型的不同需求，需要建立一个多视图的 产品模型。 ( 2 ) 工作流管理 工作流管理的目的是规划、调度和控制产品开发的工作流，以保证把正确的信息和 资源，在正确的时刻，以正确的方式送给正确的小组或小组成员，同时保证产品开发过 程收敛于顾客需求。 ( 3 ) 约束管理 产品开发过程中，各个子任务之间存在各种相互制约相互依赖的关系，其中包括设 计规范和设计对象的基本规律、各种一致性要求、当前技术水平和资源限制以及用户需 求等构成了产品开发中的约束关系。产品开发的过程就是一个在保证各种约束满足的条 件下，进行约束求解的过程。 ( 4 ) 冲突消解 _-_-_一 3 华中科技大学硕士学位论文 协同设计是设计小组之间相互合作、相互影响和制约的过程，设计小组对产品开发 的考虑角度、评价标准和领域知识不尽相同，必然导致协同设计过程中冲突的发生。可 以说，协同设计的过程就是冲突的产生和消解的过程。充分合理地解决设计中的冲突能 最大限度地满足各领域专家的要求，使最终产品的综合性能达到最佳。 ( 5 ) 历史管理 历史管理的目的是记录开发过程进行到一定阶段时的过程特征并在特定工具的支 持下将它们用于将来的开发过程。 上面的几项技术是协同设计系统实现所需的宏观技术，协同小组的成员在此宏观框 架下进行设计数据的交流和过程控制。产品设计过程各阶段不同分工的设计人员在进行 设计协同的间隙，大量的设计操作和数据处理都是在设计者本地完成的，只有当设计者 将自己的设计成果提交或从该框架下载数据时，才同框架发生关系。在这样的协同模式 中，设计者的工作实际上游离于协同设计环境之外，只是为了协同才去进行与协同有关 的操作。因此，有必要提供一个透明的紧凑的协同设计环境，使得设计者的设计行为时 时处于该环境的管理和控制之下。为了实现这样的协同设计环境，须对设计者本地的产 品数据管理以及本地产品数据管理与协同框架的数据交互进行研究和开发，这也是本文 研究的重点所在。 1 1 3 计算机支持的协同设计环境 协同设计依作用于产品开发过程的阶段和跨度，可分为两个层次【l8 】：第一层次为 同一设计内容之间的协同，如协同造型、协同标注；第二层次则涉及更大部分或整个群 体间的协同问题，如集成团队的协同产品开发、工程更改。所谓群体的协同是指产品生 命周期各阶段的人员组成的多学科产品开发团队之间的并发与协调。不管是第一层次还 是第二层次，协同设计的基本特点都是多人在共同目标下的合作，当设计过程在时间或 空间上都不同时，设计者之间的协作将面临很大的困难。计算机网络技术、数据库技术 和信息技术为解决这些问题提供了有效的支持。 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 r p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 于1 9 8 4 年在一个专题研讨会上由m i t 的i r e n eg r i e f 和d e c 的p a u lc a s h m a n 首次提出，它又被 称为组件、计算机支持合作、小组决策支持系统等【3 】。史美林认为它是指地域分散的一 个群体借助计算机及网络技术，共同协调与协作来完成一项任务，其目标是设计各种各 样的协同工作的应用系统【1 ”。它包括协同工作系统的建设、群体工作方式的研究和支持 群体工作的相关技术的研究、应用系统的开发等部分。c s c w 的实质就是在分布式环境 下，利用计算机支持用户之间的交互，而不是传统的用户与计算机之间的交互。目前 c s c w 较多应用于视频会议系统和编辑协作系统，还有一些政府和公司资助的远程教学 和医疗系统等，相比之下，面向先进制造的c s c w 协同工作环境的研究较少。这是因 华中科技大学硕士学位论文 为c s c w 侧重于为协同设计提供访问共享对象和交流设计思想的工具支持，而没有提 供关于协调和控制整个产品设计过程中的资源和任务的机制，也就是说，c s c w 提供的 只是协同设计环境中的辅助工具集【l “。 为了更有效地支持设计协同，除了对c s c w 的研究外，还必须将各种自动化的辅 助设计系统和管理系统有机地集成起来，构成全面的协同设计环境。各种c a x 系统( x 可以代表生命周期中的各种因素，如设计、分析、工艺、制造、装配、拆卸、检测等) 在过去的几十年中在各自领域得到了广泛的应用，但这些系统是从生产过程的不同侧面 分别发展起来的，各自的信息处理都存在着特殊性，它们实际上只是独立的自动化孤岛。 为了实现不同人员之间的协同设计，需要实现集成的c a x 系统，以实现异构数据源和 分布式环境下的数据互操作和数据共享。此外，各种管理工具如m r p i i 、o a 、e r p 也 要集成到产品开发过程中，使得分布在企业各个地方、各个应用中使用的所有产品数据 得以高度集成、共享、协调，所有产品研发过程得以高度优化或重组仁孤。这就要求有一 个支持群体协同设计的开放式软硬件平台，它能有机集成各种计算机辅助工具，柔性地 支持各种设计过程，充分发挥自动化工具的优势，从而构造支持群体协同工作的计算机 环境。p d m 集数据管理能力、网络通信能力和过程控制能力于一体，提供了产品全生 命周期的信息管理能力，为企业提供了产品设计与制造的协同工作环境，是当前最适合 于作为信息集成和设计协同的框架和平台。 1 2 p d m 技术概述 产品数据管理技术p d m 是二十世纪八十年代初期才发展起来的一门新兴数据管理 技术，是一门管理与产品相关的所有数据以及这些数据的处理流程的技术。p d m 能够 提供一种结构化方法，有效地、有规则地存取、集成、管理、控制产品数据和数据的使 用流程。 1 2 1 p d m 的基本功能 ( 1 ) j z 程图档管理：包括图档信息定义与编辑、图档入库与出库、图档浏览、图档批 注，支持数据库中图档文件的c h e c ki n c h e c ko u t 功能，保证文件的完整性和一致性。 ( 2 ) 产品配置与变更管理：产品结构定义与编辑、产品结构多视图管理、产品结构查 询与浏览，提供快速访问和修改b o m 表的方法，能根据不同需求生成产品结构信息的 不同视图。 ( 3 ) i e 作流程管理：工作流程编辑、工作流程管理，根据实例化的流程建立有关人员 的任务列表，伴随工作流程的进展情况，向有关人员提供过程信息和执行任务的指令。 ( 4 ) 项目团队管理：提供机构、角色、用户的定义和修改，分配对象操作权限和系统 一_ 一 5 华中科技大学硕士学位论文 操作权限。 ( 5 1 集成工具：将外部应用系统封装或集成到p d m 系统中，提供应用系统与p d m 之间的双向数据交换。 1 2 2p d m 的系统结构 我们结合i n t e p l m 阐述p d m 的系统结构和功能。i n t e p l m 是华中科技大学企业信 息化支撑软件工程研究中心开发的产品数据管理软件，该软件采用三层体系结构，使用 完全基于组件的开发机制，可根据需要搭建不同级别的企业级应用，具有较好的灵活性 和系统开放性【4 】d 系统的体系结构如图1 2 所示： ( a x 软竹、办公r l 功化较竹、c l o 一1 、s 勰、生产管趟软竹 j 娃m j i t 鬈j 、谶 图1 2i n t e p l m 体系结构 应用工具客户端层：客户界面提供了友好的人机交互功能，应用工具通过接口 与p d m 集成，产生的设计信息在应用工具和p d m 之间交流。 接口、应用、基础服务层：提供了p d m 的核心数据服务，基础服务组件用于构 建p d m 实施的基础环境，应用层组件封装了产品数据管理和过程管理的逻辑，接口层 用于系统的输入输出。 异构环境处理层。屏蔽了底层软硬件细节，为上层组件提供了统一的数据访问 接口，使系统具有一定的独立性。 数据层：支持目前流行的商业数据库系统，提供p d m 底层的数据管理基本功能 如存取、删除、修改等。 p d m 对异构软硬件平台的支持和集成的数据管理9 9 力是其能够区别于其它系统成 为协同设计系统平台的重要特征。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3 基于p d m 的协同设计框架 要实施协同产品开发，必须做到【3 6 】【4 6 】： 过程重组：把传统的串行产品开发过程转变成集成的、并行的产品开发过程。 队伍重构：将传统的部门制或专业组变成以产品为中心的多功能集成开发团队。 数字化产品定义和c a x d f x 工具的应用：提高数据共享和交流的水平，应用工具 提高设计过程的效率。 协同工作支持环境：支持集成产品开发团队协同工作的网络与多媒体通信环境等。 框架平台是实现上述四个方面的重要支撑环境，是支持协同设计的重要保证。p d m 是目前较为适用的集成框架平台，这是因为： 首先，p d m 可以实现广义产品数据的分布式管理，为用户的查询和共享提供了极大 的方便。 其次，可以在计算机环境中组织集成产品开发团队，规定其任务和权限。 再次，能够方便地实现对应用工具的封装，并能进一步实现接口集成和紧密集成。 最后，可以提供过程的管理和监控，为并行工程中的协同工作与过程集成提供必要 的支持。 下图说明了p d m 作为协同设计框架平台的作用。 荸c ，秤曲& l j渊魄器 ) l 瑚椠艟椒架 1 3 国内外研究现状 图1 3p d m 作为协同设计的框架平台 国内外自九十年代以来对协同设计进行了大量的研究，开发协同设计支持环境是目 前国外的研究热点之一1 2 】。国内同济大学和香港理工大学合作进行了分散式网络生产系 统( d i s p e r s e d n e t w o r kp r o d u c t i o ns y s t e m ，d n p s ) 的研究，利用i n t e m e t 实现了设备、 华中科技大学硕士学位论文 产品信息的发布、文件传输等功能【”】。美国通用电气的计算机辅助制造c a m n e t 系统， 通过i n t e m e t 提供多种制造支持服务，如产品设计的可制造性，加工过程的仿真及产品 的试验等，使得集成企业的成员能够快速连接和共享制造信息。西弗吉尼亚大学并行工 程研究中心开展的d i c e 计划开发了一个支持环境【l 引，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，其中包括了通信、过程管理、黑板、电子记事本的子系统， 并采用了产品、过程、数据的集成数据模型。 这些研究和实践都只涉及了协同设计的某几个方面，应用范围较窄，要建立支持全 企业甚至跨企业的协同设计环境，必须有一个公共的支持协同设计数据存储、共享和数 据过程管理与监控的平台。二十世纪八十年代以来，产品数据管理从开始的工程图档管 理逐渐扩展，迅速成为一门管理与产品相关的信息与过程的技术。随着p d m 在企业的 广泛实施和应用，使用p d m 技术管理产品数据和设计过程，构建部门协同或企业协同 的集成环境成为实施并行协同设计的理想途径。 w i n d c h i l l 是p t c 的一套集成应用软件，用来管理产品和工序的整个生命周期。它 充分利用了i n t e m e t 和相关的信息技术，为系统提供了一种应用软件基础，从而保证能 快速、高效地部署产品信息应用软件。通过使用w e b ，w i n d c l m l 能从各种来源收集信息， 并能把信息融入产品的一种完整表示中，使设计者、客户能快速地访问到庞大的产品资 料库。w i n d e h i l l 建立了一个跨企业的合作环境，用于重要产品和过程信息的共享和可视 化，而：不管这些信息由什么样的源系统创建而成。对于并不熟悉c a d 系统的采购人员， 可以使用w 曲浏览器来访问、查看和标记模型，向工程师提供更准确和及时的咨询响 应。该软件可以建立一种通用的产品表示，这一表示由各种材料清单( b o m ) 和有效规 范组成。它使所有职能部门都可使用单一产品信息源，从而确保了在他们需要时，能获 得所需的信息。在整个产品制造过程中，产品生命周期事件会自动触发与产品有关的信 息的互换，并且它还能保证相关系统的同步。 美国p t c 公司的p r o h n t r a l i n k 是一个工作组级的产品数据管理系统【2 9 1 ，是为了满足 并行工程开发环境信息管理的需要而开发的。该系统采用面向对象的技术和 c l i e n t s e r v e r 体系结构，基于o r a c l e 关系数据库系统，以项目管理的方式将产品数据、 设计活动、人员组织和应用工具统一组织和管理起来，采用接口与p r o e 紧密集成，采 用封装的方式与其他文件系统、c a d 系统集成。根据产品数据共享的级别，它将数据 区域分为公共存储区( c o m m o n s p a c e ) 和个人工作l 又( w o r k s p a e e ) ，公共存储区用来组织存 储整个产品开发过程中的所有信息，是所有产品信息交换的中心；个人工作存储区帮助 用户管理与其它用户之间的信息交流，它不但管理个人的设计更改，允许用户独立地工 作，而且可与公用存储区交换信息。这种实时的信息互通和交换，使得用户更迅速地从 产品概念设计发展到设计方案的完成。由于属于同一家公司，p r o m t r a l i n k 和p r o e 能够 紧密集成，即一方的设计修改能够同步更新到另一方；但是与其他c a x 系统只能封装 集成的不足使得应用p r o i n t r a l j n k 进行的协同设计只能局限在设计领域，不能用作产品 华中科技大学硕士学位论文 全生命周期的协同设计。 1 4 课题来源、目的和意义 并行协同的产品开发方法，面向产品生命周期改进产品的开发流程，组建多学科的 产品开发队伍，利用各种设计工具进行协同工作，使企业从整体上缩短设计开发周期、 提高产品质量、降低总体成本，充分发挥群体工作的整体效益i l ”。该方法强调在信息集 成基础上集成产品开发过程，解决设计、制造与管理中各种自动化信息孤岛的集成，以 过程为核心，注重知识、协作和人的有效参与，最终实现产品开发全生命周期的过程管 理和控制。 实施并行协同的产品开发方式，需要一个支持设计协同的软件平台环境。p d m 集 成并管理与产品有关的信息、过程和人与组织，以产品全生命周期为中心进行产品建模， 其范围包括资源配置、生产制造、计划调度、采购销售、市场开发等各方面。p d m 能 够实现在分布式环境中群体活动的信息交换与共享并对设计过程进行动态调整和监控， 支持多功能团队的协同工作，以及在统一信息平台下实现不同历史时期和不同的需求发 展起来的独立信息系统c a x 、e r p 的集成。因此，可以p d m 作为设计协同的平台。 在协同设计过程中，设计群体的公共信息和过程需要集中管理起来，p d m 为这些 信息和过程的管理提供了通用的功能，国外主要的p d m 产品如w l n d c h j l l 、i m a n 、 m e t a p h a s e 等以及国内华中科技大学的i n t e p d m 、清华大学的g hp d m s 等都为企业级 产品数据管理提供了充分的功能。由于协同设计分工的不同，各个设计者对数据处理的 方式和数据需求不一样，设计者关心的是如何获得任务通知、如何获得设计相关资料以 及设计完成后的结果如何提交，还有属于设计者个人的资料和中间结果的管理等，将这 些管理和操作交给p d m ，必将增加系统管理的复杂性，同时，设计者为完成自己的工 作而频繁地p d m 服务器交互也是不必要的。因此，如果能将p d m 对企业产品数据的 管理延伸到设计者本地，对本地的产品数据进行以产品为中心的管理，提供本地产品数 据管理与p d m 互操作的机制，使得设计者能以一致的方式访问本地资源和p d m 公共 资源，形成全面的透明的支持设计协同的环境，将大大提高设计者设计操作的方便性和 设计团队整体的协作水平与效率。 由p d m 和本地化的产品数据管理形成的协同设计环境，一则能使设计者本地产生 的大量设计数据、本地引用的各种参考资料和其它相关资料被有效管理起来；其二将本 地数据管理模块和c a x 应用工具紧密集成起来，能使应用工具从纯粹的单机应用软件 平滑地过渡到协同产品开发环境中来，从而使得所有的计算机辅助工具成为整个协同设 计环境的有机组成部分；第三通过提供与p d m 联机协作的操作方法，设计者可自由选 择在此环境下的工作方式，比如可以脱离整体设计环境进行独立工作，或以p d m 作为 交互与控制的平台，进行协同产品设计，如提交、下载、检出、检入数据或检查协同小 华中科技大学硕士学位论文 组相关设计人员提交的设计修改等。这样，使得设计者无论是在本地设计还是与p d m 交互都处在协同设计环境的管理和控制之中，协同设计的参与者得以在此环境中进行透 明的协作，从而充分发挥群体工作的整体效益，极大地提高企业的产品开发水平。 1 5 所作工作和内容安排 针对基于p d m 构建协同设计环境的要求，提出了产品数据管理本地化的思想，将 p d m 对企业产品数据的管理延伸到了设计者本地。深入研究了基于p d m 的协同设计环 境的模型和其中的部分关键技术。 1 研究内容 ( 1 ) 结合p d m 系统，深入研究了本地化环境下的工作模式和系统数据交换关系，由 此构建了协同系统的框架模型。 ( 3 ) 对协同设计环境下基于消息的协同感知技术、对象版本的管理与冲突消解技术、 任务分解与重组技术进行了深入的研究。 ( 2 ) 设计并实现了p d m 的本地产品数据管理模块本地工作区( l o c a lw o r k s p a c e ， l w s ) 、协同工作区并与i n t e c a d 2 0 0 0 、u g i i 集成起来，构建了集成协同设计环境。 2 研究基础 ( 1 ) 具有优秀的产品数据管理系统i n t e p l m l 0 。i n t e p l m 是武汉天喻公司针对企业产 品数据和产品开发过程以及企业信息化建设的实际需求开发的企业级产品数据管理系 统，其整体技术和实用性居于国内领先地位。其用户与权限管理、文档管理、产品结构 管理、流程管理、邮件管理、数据仓管理、对象版本管理等，为构建基于p d m 的协同 设计环境提供了良好的基础。 ( 2 ) 华中科技大学c a d 中心在企业信息化支撑软件技术的研究和开发上投入了大量 的精力，积累了丰硕的研究和实践成果。作者在参与研究和开发中，获得了宝贵的理论 和实践知识，尤其是对产品数据管理进行了较多的研究。 一_-_-_-一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 基于p d m 的协同设计系统的结构 p d m 在企业产品数据和设计过程管理的规范化和标准化中起n t 重要的作用，但 是，目前对p d m 系统的应用主要是将其作为企业系统集成的框架、信息和过程集成的 平台，较好地应用了p d m 的基本功能，而对基于p d m 系统的协同设计功能的研究尤 其是作为协同设计主体的设计者本地的产品数据管理研究不足。不但企业共享的数据需 要管理起来，分散在各个设计节点上的设计进行中的数据也需要有效的管理，以提高设 计协同的效率。本章提出了产品数据管理本地化的思想，将对企业产品数据的管理延伸 到本地，并将二者有机地集成起来，在分析了基于p d m 进行协同设计的工作模式之后， 形成了应用本地产品数据管理模块的协同设计系统的体系结构。 2 2 产品数据管理的本地化 产品数据管理系统的实施，使企业能够实现产品数据的集中、有序管理，规范文档、 零部件的生成、审批、发布流程。企业设计人员、管理人员等以p d m 作为工作交流的 平台在流程引擎驱动下进行协同工作，使设计数据从无序变成有序，完成产品设计或工 程变更工作。然而，p d m 的这些通用功能还不足以为设计者提供全面的协同设计环境。 在目前基于p d m 的协同设计中，设计数据的处理、状态转换均在p d m 的控制下， 处于p d m 管理的数据库中，这就使得大量的设计过程数据即临时性的数据也被保存在 p d m 数据库中。而实际上，设计过程中的临时性数据完全可以保存在用户本机上，p d m 所要管理的只是具有阶段性界限的设计成果，即p d m 中的对象版本( o b j e c t v e r s i o n ) 。对 单个设计者来说，在应用c a x 工具进行数据处理时，会产生大量的临时文件，同时为 了设计的需要，还得从p d m 中下载设计模板、参考资料、历史数据等，尽管可以按文 件夹分类方式管理本地的设计资料，但以文件整体为单位的管理显然无法与p d m 以元 数据( 元数据是指设计文档的描述信息，如名字、设计者、审核者、材料、重量等) 为依 据的管理相比，为此，设计者需要花费大量的时间来分类、查找这些文件。因此，需要 对本地资源进行有效地管理。 在基于p d m 的协同设计系统中，数据管理是基础，设计协同是目的。本地化的产 品数据管理既要有效解决本地产品数据的管理，也要考虑设计协同的问题，即通过p d m 的数据交互。由于管理的对象的范围和性质不同，本地化产品数据管理模块不必实现 p d m 的所有功能，而只须有文档管理、产品结构管理、对象类型管理和面向协作的功 能如消息管理。本地数据管理模块将数据对象保存在本地数据库中，通过数据交换接口 华中科技大学硕士学位论文 与p d m 进行对象交换。为了保证数据交换的准确性和可靠性，本地须采用与p d m 中 一致的数据管理模型，从而使数据交换的接口尽量少且接口定义明确。对本地由各种应 用系统产生的设计数据、文件，通过统一的集成接口进行分析，根据文件中的标题栏信 息和明细表信息生成抽象的数据对象，如文档对象、零部件对象，并维护产品结构关系、 零部件文档的引用关系及文档文件的映射关系。以产品为中心组织本地数据，使得本 地数据得到有序的管理，设计者可以迅速获取所需的资料，从而提高个人设计的效率。 由于本地数据管理与p d m 使用同一种数据模型，设计者得以以一致的方式处理本地和 p d m 中的数据，使得设计者始终处于协同设计环境中，因而有助于设计过程整体效率 的提高。 为有效管理本地资源，作为p d m 在本地的延伸，作者开发了本地产品数据管理模 块本地：亡作区( l o c a lw o r k s p a c e ，l w s ) 。l w s 实现了以产品结构为核心的文档管理、 临时对象版本管理以及消息管理等，通过登陆验证后，联机操作以实现与p d m 的数据 交互。下图是l w s 的功能模型。 图2 1 本地工作区功能模型 2 3 基于p d m 进行协同工作的模式 产品协同设计是设计目标、设计者、设计对象以及资源相互作用的过程，其间涉及 产品数据的管理、信息的流动、设计任务的管理和用户角色管理等。基于p d m 的协同 设计系统中，p d m 系统起着规划、控制全局的作用，p d m 中的文档管理、产品结构管 理、用户机构管理、权限服务、通讯服务等是工作组进行协同工作的基础。本地工作区 以产品为中心管理设计者个人的数据，将p d m 对产品数据管理的功能扩展到本地，并 以p d m 为中心进行公共数据的共享和交流。基于“扩展”的p d m 的特点，我们定义 了工作组协同的协同工作模式：以p d m 作为协同数据管理和过程管理的平台，通过本 地工作区在用户本地设计，在解决设计冲突的过程中，共同完成协同设计任务。 协同工作中，根据工作并行在时间和空间上的分布，我们将其分为纵向协同和横向 协同。纵向协同是指设计过程中不同设计阶段的并行交叉和相互补偿监督，横向协同是 指设计过程中同一设计阶段的不同设计专业的设计活动的交叉。纵向协同和横向协同在 华中科技大学硕士学位论文 设计过程中信息交互具有不同的特点：纵向协同侧重设计活动间的数据输入与输出，是 一种数据依赖关系，比如工艺设计必须在结构设计部分完成的基础上才能开展，工艺设 计的结果反过来又影响结构设计的修改完善：横向协同主要受设计对象之间的数据和功 能约束的限制，是一种数据约束关系，比如复杂产品各个组成部件之间的数据关联关系 就是一种数据约束，当某个部件的设计数据更改后，必须对与之相关的部件也作修改， 以保证最终产品中没有数据冲突和干涉。 时 阳 掰 廊 膨 嫡 秘力挣彬 窄州 图2 2 协同模式分类 本文论述的协同设计是纵向协同和横向系统的综合体，符合工程设计的实际情况。 根据产品结构树中各个零部件之间的约束关系，进行横向的协同；设计开发的人员由设 计各阶段的人员组成，如市场、设计、工艺、制造等，多学科人员组成的设计团队进行 纵向的协同。协同工作组的成员以p d m 为中心，应用本地工作区进行数据交换与合作。 在系统的具体实现中，本地工作区因为以产品为中心集中管理了协同设计成员本机 的数据，与p d m 具有统一的数据模型，具有与后台p d m 交互的功能，支持应用本地 工作区的用户之间直接的消息交流，从而成为本系统中特色鲜明的部分。使用p d m l w s 进行协同工作，需主要完成三个工作：基于产品结构树的任务分解，集成产品开发团队 的定义及授权，协同设计及工作组成员的协商。 任务分解：构造产品结构树，按照产品结构树进行任务分解与组合，以得到设计任 务及任务之间