（计算机应用技术专业论文）产品协同设计的任务分解、分配与管理研究.pdf

中文摘要 随着计算机网络技术的广泛应用与现代设计理论研究的不断深入，传统的基于 串行设计模式的产品设计方法越来越无法适应企业产品创新设计的需求。产品创新 设计能力是现代企业产品核心竞争力的主要体现，只有具有创新性的产品设计，才 能使企业在全球化的市场的激烈竞争中取得胜利。如何提升企业产品创新设计能 力，已经成为当今产品制造企业和研究机构广泛关注的问题。目前，将现代设计理 论与计算机网络技术相结合，基于分布异构网络环境下的协同设计得到全球产品设 计、制造、研究机构的广泛关注，成为网络化制造领域的研究热点。网络化产品协 同设计是以产品设计过程中的协同问题为研究对象，强调设计过程中设计资源的优 化配置与共享，以达到提高设计效率，缩短开发周期，提升产品竞争力的目标。 网络化产品协同设计是一种计算机支持的协同工作在现代产品设计领域的应 用模式。目前，网络化产品协同设计的研究主要集中在支持协同感知的网络化协同 设计智能技术研究，支持知识集成与管理的网络化协同设计信息模型研究，网络化 协同设计过程的建模、控制方法策略研究，基于项目管理与工作流技术的网络化协 同设计管理研究，网络化协同设计支持平台环境的研究。本文主要针对网络化产品 协同设计过程管理中的任务分解、分配问题进行研究。论文的工作主要体现在： 研究了协同设计的任务分解与耦合机制，采用按功能划分和按结构划分相结合 的方式，并根据设计组的满意度对产品的协同设计任务进行分解，利用数值设计结 构矩阵对设计任务进行建模，给出了利用图论中基于邻接矩阵的深度优先搜索算法 求得耦合任务集的方法，并通过实例进行验证。 研究了协同设计任务分配策略与任务选择匹配算法，利用经济行为中的招投标 合同网机制，建立了基于合同网的任务分配模型，以适应协同设计任务的动态分配， 同时，通过对任务分配影响因素的分析，给出了影响任务分配选择的因素。基于任 务组与设计组两方面因素的影响指数，给出了协同设计任务分配选择匹配算法。 基于上述理论研究，进行了协同设计任务分解、分配与管理系统设计，在b s 模式下，利用j a v a 、o r a c l e 开发环境，实现了系统的项目管理、人员管理、任务分 解、任务分配及数据浏览等功能，通过对各功能模块实例运行，验证了原型系统的 可行性和有效性。 关键词：协同设计；任务分解；任务分配；耦合任务集；合同网协议 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n d t h ed e e p e n i n go ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fm o d e md e s i g n ，t h et r a d i t i o n a l m e t h o do fp r o d u c td e s i g nw h i c hb a s e do ns e r i a ld e s i g np a t t e m ，m o r ea n d m o r ec a nn o tm e e tt h ed e m a n df o rp r o d u c t si n n o v a t i v ed e s i g n p r o d u c t i n n o v a t i v e d e s i g nc a p a b i l i t i e s a r et h em a i n l yr e f l e c t i o no ft h ec o r e c o m p e t i t i v eo ft h em o d e me n t e r p r i s ep r o d u c t s ，o n l yi n n o v a t i v ep r o d u c t d e s i g nc a nm a k et h ee n t e r p r i s et os u c c e e di nt h eg l o b a lm a r k e ta n df i e r c e c o m p e t i t i o n h o wt oe n h a n c et h ei n n o v a t i v ed e s i g nc a p a b i l i t yo fe n t e r p r i s e p r o d u c t sh a sb e c o m eaw i d er a n g eo fc o n c e mi nt h ep r o d u c tm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s a tp r e s e n t ，w i t ht h ec o m b i n a t i o nt h e m o d e md e s i g nt h e o r yw i t hc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h ec o l l a b o r a t i v e d e s i g nb a s e do nt h en e t w o r ke n v i r o n m e n to fd i s t r i b u t i o nh e t e r o g e n e o u st o b ee x t e n s i v ea t t e n t i o n b y a g l o b a lp r o d u c td e s i g n ，m a n u f a c t u r i n ga n d r e s e a r c hi n s t i t u t i o n s ，b e c o m ear e s e a r c hh o ti nt h ef i e l do fn e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n g n e t w o r k - b a s e dc o l l a b o r a t i v ep r o d u c td e s i g ni sb et h e s y n e r g ys t u d yi nt h ep r o d u c td e s i g np r o c e s sa sar e s e a r c ho b je c t ，e m p h a s i z e s t h eo p t i m a la l l o c a t i o na n ds h a r i n go fd e s i g nr e s o u r c e si nt h ed e s i g np r o c e s s ， i no r d e rt oa c h i e v et h eg o a lo fi m p r o v ed e s i g n e f f i c i e n c y ，s h o r t e nt h e d e v e l o p m e n tc y c l e ，a n de n h a n c et h ec o m p e t i t i v e n e s so fp r o d u c t s n e t w o r k _ b a s e dc o l l a b o r a t i v ep r o d u c td e s i g ni sa na p p l i c a t i o nm o d eo f t h ec o o p e r a t i v ew o r ko fc o m p u t e rs u p p o r t e di nt h ef i e l do fm o d e m p r o d u c t d e s i g n a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fn e t w o r k b a s e dc o l l a b o r a t i v ep r o d u c t d e s i g nf o c u s e so nt h ei n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yr e s e a r c ho fn e t w o r k b a s e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g nt os u p p o r tt h ec o l l a b o r a t i v en e t w o r k a w a r e ，t h em o d e l d e s i g n ，c o n t r o l m e t h o d sa n d s t r a t e g i e s r e s e a r c hi nt h en e t w o r k b a s e d c o l l a b o r a t i v e p r o d u c td e s i g n p r o c e s s ，m a n a g e m e n t r e s e a r c ho f n e t w o r k - b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nb a s e do np r o j e c tm a n a g ea n dw o r k f l o w t e c h n o l o g y ，a n dt h e r e s e a r c ho n s u p p o r t i n gp l a t f o r me n v i r o n m e n to f i i i n e t w o r k - b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt h e t a s kd e c o m p o s i t i o n ，d i s t r i b u t i o ni s s u e si nt h en e t w o r k b a s e dc o l l a b o r a t i v e p r o d u c td e s i g np r o c e s sm a n a g e m e n t ，t h em a i nr e s e a r c ho ft h ep a p e ri s ： r e s e a r c ho nt a s k d e c o m p o s i t i o na n dc o u p l i n gm e c h a n i s mo ft h e c o l l a b o r a t i v e d e s i g n ，u s e ac o m b i n a t i o no ff u n c t i o n a la n d s t r u c t u r a l d e c o m p o s i t i o n ，a n di na c c o r d a n c ew i t ht h ed e g r e eo fs a t i s f a c t i o no fd e s i g n t e a m ，d e c o m p o s e st a s ki nt h ec o l l a b o r a t i v ep r o d u c td e s i g n i tu s e ss t r u c t u r e m a t r i xt om o d e ld e s i g nt a s k ，p u tf o r w a r dt h ep r i n c i p l ea n da p p r o a c ht o d e d v eas e to fc o u p l e dt a s k sb y u s i n gd e p t h f i r s ts e a r c ha l g o r i t h mb a s e do n t h ea d j a c e n c ym a t r i xi nt h eg r a p h ，a n d g i v ea ne x a m p l et ov a l i d a t e s t u d y i n gt h em a t c h i n ga l g o r i t h mo ft a s kd i s t r i b u t i o ns t r a t e g ya n dt a s k s e l e c t i o no fc o d e s i g n , u s i n gt h eb i d d i n gc o n t r a c tn e tm e c h a n i s mi nt h e e c o n o m i cb e h a v i o r ，s e tu pat a s kd i s t r i b u t i o nm o d e lb a s e do nt h en e t - c o n t r a c t ，i no r d e rt oa d a p tt ot h ed y n a m i c sd i s t i l b u t i o no fc o i l a b o r a t i v e d e s i g nt a s k a tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ea f f e c tf a c t o ro f t a s kd i s t r i b u t i o n ，g i v et h ef a c t o r so fa f f e c tt h et a s kd i s t r i b u t i o ns e l e c t i o n b a s e do ni m p a c ti n d e xo ft h et w of a c t o r so ft a s kt e a ma n dt h ed e s i g nt e a m ， g i v et h em a t c h i n ga l g o r i t h mo ft a s kd i s t r i b u t i o ns e l e c t i o no fc 0 1 1 a b o r a t i v e d e s i g n b a s e do nt h ea b o v et h e o r e t i c a ls t u d y ，d e s i g nac o l l a b o r a t i v ed e s i g nt a s k d e c o m p o s i t i o n ，d i s t r i b u t i o na n dm a n a g e m e n ts y s t e m ，i nt h eb sm o d e ， u n d e r j a v a ， o r a c l e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ， i m p l e m e n tp r o je c t m a n a g e m e n t , u s e rm a n a g e m e n t , t a s kd e c o m p o s i t i o n ，t a s kd i s t r i b u t i o na n d d a t av i e w sf u n c t i o n so ft h es y s t e m ，t h ee x a m p l eo ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e s t ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o t o t y p e s y s t e m k e yw o r d s ：c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；t a s kd e c o m p o s i t i o n ；t a s kd i s t r i b u t i o n ； c o u p l i n gt a s ks e t s ；c o n t r a c tn e tp r o t o c o l i v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：委! 霸盔 日期：7 朋z5 牛 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：焉j 匀鬈5日期：川上，妒 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 人类在2 1 世纪的可持续发展从战略意义上看，将会越来越依赖于社会的整体科 技创新能力和由此派生而出的知识经济，而以信息技术为特征的全球化网络正在逐 步地改变产品制造业的生产模式、组织模式和管理模式，使世界形成一个统一的全 球市场，同时也导致了世界范围内激烈的市场竞争f l 】。在日益激烈的市场竞争环境中， 企业之间竞争在很大程度上表现为产品之间的竞争，企业如何提高开发效率、缩短 开发周期、提高产品质量、降低产品成本、优化服务，已成为企业在激烈的市场竞 争中求得生存、并得以发展的核心和亟待解决的关键问题。企业如果不能快速、高 效地开发新产品，特别是技术含量高的独占性产品，则无法在激烈的市场竞争中立 足【2 1 。 产品开发能力比较差是制约我国企业持续发展的一个主要问题。我国企业产品 开发能力除了受技术、资源、体制等多方面因素的影响外，更重要的是企业缺乏产 品设计的创新能力，而协同设计作为现代设计理论和方法研究的一个重要方向，已 成为解决产品创新设计问题的一种新型方式，但是，网络化产品协同设计在我国还 没有在企业产品设计中得到广泛应用，主要表现在以下几个方面：一是应用到产品 协同设计中的技术比较落后；二是支持产品协同设计的计算机辅助工具没有普遍推 广，只是应用于局部；三是产品协同设计技术多数停留在理论研究；四是缺乏科学 的管理。 综合以上几个方面的原因，我国企业提高重视网络化产品协同设计技术及管理 已经成为非常重要的工作。研究协同设计相关技术并应用于实践，是改善我国企业 产品开发能力差的主要途径。 1 1 2 课题研究的意义 在对现代设计技术的不断研究和实践中，人们逐渐认识到网络化产品协同设计 是实现新产品快速开发的一项关键技术，因此得到了全球产品设计、制造、研究机 构的广泛关注，成为网络化制造领域的研究热点和前沿技术，并显示出良好的发展 前景。 网络化产品协同设计的任务分解、分配与管理是协同设计的重要组成部分，也 是它的前提条件。协同设计是由多个设计者共同参与，完成一个设计任务。首先， 一】 一 产品协同设计的任务分解、分配与管理研究 应将复杂的任务分解为子任务并将其耦合，然后，将耦合任务集分配给设计者进行 协同设计。合理的任务分解与耦合，合适的分配模型与任务选择算法，不但可以在 协同设计过程中更好地适应实际工作的各种变化，而且还可以缩短产品开发周期、 降低产品成本、改善产品质量、提高开发效率。所以，研究协同设计的任务分解、 分配与管理是有很重要的科学意义和实用价值。 1 2 基于并行工程的产品设计研究 在传统的串行产品开发模式中，产品开发工作是按顺序进行的，上游的工作全 部完成之后再进行下一步工作，两个或多个工作不能同时或交叉的进行。产品开发 过程是一个静态的、顺序的和相互分离的过程，由于开发工作分别由不同的专业部 门完成，因此，开发过程是串行过程。在这种串行过程中，除了在设计后期和制造 阶段发现问题能提出工程修改外，上下游工序之间不存在经常性的信息交互。然而， 随着网络化产品复杂性的不断提高，在产品开发过程中，上下游工序之间能够及时 地进行信息交互，对设计、制造、质量等都会产生重大影响。 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 作为一项以改进产品开发过程为手段、 缩短产品开发周期为目的的新型技术，越来越受到国内外学者广泛重视【3 j 。目前人们 普遍采用的是美国防御分析研究所( i d a ) 的r l w i n n e r 在其研究报告中提出的定义， 它是以武器生产为背景，对传统的生产模式进行研究、分析，系统化地提出了并行 工程的概念，即并行工程是一种对产品及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 进行并行、一体化设计的系统化工作模式，这种工作模式力图使开发者从一开始就 考虑到产品生命周期( 从产品的概念形成到报废) 中所有因素：包括质量、成本、 进度与用户需求【4 1 。并行是指一个以上的事件在同一时刻或同一时段内发生，多个复 杂事件可以表示为空间的复杂和时间的复杂。并行工程是以信息论、控制论、人工 智能技术、分布式数据库等多学科先进技术组织成协同一致的工作模式【5 】。 并行工程的核心内容包括一下几个方面【6 ，7 】：第一，过程重构：从传统的串行产 品开发流程转变为集成的、并行的产品开发过程。并行过程不仅是活动的并发，更 主要的是下游过程在产品开发早期参与设计过程；另一方面是对已有的产品开发过 程进行不断地改进与提高，使信息流动与共享的效率更高。第二，产品开发队伍重 构：将传统串行模式下的部门制或专业组变成以产品为主线的多功能集成产品开发 团队( i n t e g r a t i o np r o d u c tt e a m ，i p t ) 。开发团队被赋予相应的职责权利，并对所开 发的产品对象负责，这样可以打破功能部门制所造成的信息流动不畅的障碍。第三， 一2 一 第一章绪论 数字化产品定义，包括数字化产品模型和产品生命周期数据管理；数字化工具定义 和信息集成，如d f a 、d f m 、c a d c a e c a p p c a m 等。 并行工程把产品开发的过程看成是一个整体、集成的过程，并从全局优化的角 度出发，对集成过程不断地进行改进。它通过并行设计、优化生产过程，减少再设 计工作量，缩短了产品设计周期和生产准备时间，提高了生产过程的效率，从而整 体地缩短产品开发周期。并行工程不仅仅把质量看成是产品度量的标准，同时也是 产品设计、制造、装配、服务等系统度量标准，即将质量融于产品设计、制造、装 配、服务的全过程，强调只有持续地提高和完善设计与制造全过程的质量，才能保 证产品整体质量。并行工程不仅仅降低产品开发周期中某一部分的消耗，而是降低 产品在整个生命周期中的消耗，包括设计、工艺、制造、装配、检验、维护等消耗。 并行工程的重要目标就是使产品开发一次性成功，缩短产品开发周期，提高产品及 其过程的质量，提高开发效率，降低产品整个生命周期的成本，从而增强企业在国 内外市场上的竞争能力。 1 3 基于协同设计的产品设计研究 协同是一个具有深刻哲学意义的概念，它强调整体的协调和协作，充分体现了 辩证法的观点。在人类的历史长河中，处处都有体现人类协同工作的情景，小到百 姓自家的房屋构建，大到万里长城的修建，在各种不同类型的工程中，无不体现了 协同的理论【8 】。1 9 8 6 年，美国科学家m a l o n e 提出了协同理论的框架，该理论综合研究 了诸如操作研究、组织理论、计算机科学、经济学、管理学、语言学、心理学等各 个学科内部或相关交叉学科中关于协同方面的思想和方法，将协同看作管理各种行 为的过程关系，例如企业资源优化与共享、生产和消费过程关系、不同人员之间的 关系、任务与子任务之间的关系等。该理论探讨了不同协同类型的相关特性，并且 提出了管理这些相关点的方法和技术。协同理论的建立，使人们对协同的认识从感 性上升到理性，形成了一门新兴的科学一协同学。 设计问题往往是一个多源的复杂的处理过程，为了实现一个网络化产品的优化 合理设计，通常要引入多种设计方法和技术来达到设计目的，而且，一个设计问题 含有多种不同的设计任务和多种数据类型。例如复杂产品的设计往往需要综合考虑 功能、结构、加工工艺、材料、外观等多方面的知识，而且还要顾及产品性能、重 量、体积、开发时间、生产成本等约束条件，各种因素相互影响制约。因此，设计 问题是一个典型的具有分布、动态特征的群体性的求解问题。在网络化产品的设计 一3 一 产品协同设计的任务分解、分配与管理研究 过程中，不仅涉及到与产品相关的各个领域的知识或专业知识，而且还涉及到对这 些多领域知识、经验、数据的综合处理和利用。设计过程的复杂性对协同式的设计 提出了最直接的需求。 由于信息网络技术的飞速发展，特别是计算机技术和通信技术的突飞猛进，协 同与设计之间的融合提供了强有力的支持。协同设计就是在这种背景下，提出的一 种产品现代设计模式。 协同设计也称计算机支持的协同设计( 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 g n ， c s c d ) ，它是计算机支持的协同工作在设计领域的应用，是对并行工程、工作流技 术、敏捷制造、产品数据管理等先进技术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，但没有一个比较明确的定义。 潘云鹤【4 】认为协同设计是为了完成一定的设计目标，由两个或两个以上设计主体 ( 或专家) ，通过一定的信息交换和相互协同机制，分别以不同的设计任务共同完 成设计目标的设计方法。 b o d k e r t 9 1 认为协同设计是一种系统化的设计方法，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、服务、计划安排等各种因素。 来可伟【1 0 】等认为协同设计是在计算机的支持下，各协同设计人员围绕一个设计 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。 马峻【1 1 】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，强调加强人人、人机、机。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。 协同设计实质上是对并行设计的进一步深入，它是指在计算机的虚拟协作环境 下，各异地不同领域、不同层次的协作人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、协作地进行设计工作，最终得到符合要求的设计结果。它 强调协同设计参与者采用群体工作方式，使不同地点的设计人员、管理人员、施工 人员等都能同步或异步的参与设计工作，从而缩短开发周期、提高设计的质量和效 率、降低产品成本、增加企业竞争能力。 1 在协同设计中，协同的含义具体体现在以下几方面【l l , 1 2 ： ( 1 ) 产品设计信息的协同 网络化产品协同设计过程中，所有设计参与者面对的是同一个产品的信息模型， 一4 一 第一章绪论 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 ) 产品设计过程的协同 协同设计过程是由一系列的设计活动组成的，将一个完整、复杂的设计任务分 解成完全独立的子任务是不现实的，所以设计参与者所承担的子任务之间存在着一 定的关联关系，它们可能是并行独立关系，也可能是前后串行依赖关系，还可能是 耦合关系，这就决定了设计活动必须按一定顺序协调一致地进行，否则可能造成协 同设计过程冲突。 ( 3 ) 设计人员之间的协同 协同设计的根本所在实际上是设计人员之间的协同活动。网络化产品设计是一 项非常复杂的工作，需要不同领域专业人员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。 ( 4 ) 设计环境的协同 由于协同设计是跨部门、跨企业的活动行为，不同部门、不同企业的设计环境 可能存在差异，有时，这种异构的设计环境随着设计的进程而变化，因此，对异构 设计环境下设计参与者之间的通信必须就设计参与者之间对知识理解与表达方式的 转换进行协调。由于不同设计参与者使用的设计工具不一定相同，如有的使用 a u t o c a d 软件，有的使用p r o e 软件，各软件设计结果显示方式不同，需要提供这 些工具的协同交互组件，所以，异构设计环境的集成是协同设计系统的一个重要内 容。 ( 5 ) 工作模式上的协同 协同设计工作模式大致可分为面对面同步交互、异步交互、分布式同步交互和 分布式异步交互四种类型。面对面同步交互是指设计参与者通过c s c d 系统在同时 间、同地点进行的工作模式，如会议室系统；异步交互是指在不同时间、同一地点 异步交互的工作模式，如合作编辑系统；分布式同步交互是指在同一时间、不同地 点的工作模式，如桌面视频会议系统、共享c a d ；分布式异步交互是指不同时间， 不同地点的工作模式，如使用的电子邮件系统。 ( 6 ) 设计人员与计算机系统的协同 计算机、网络技术的不断发展，使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，原来由设计人员完成的很大一部分工作都交给计算机系统完成。 一5 一 产品协同设计的任务分解、分配与管理研究 如何使设计人员与计算机系统更加紧密地结合，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分配任务，就需要加强对人机协同的研 究。 ( 7 ) 计算机系统之间的协同 计算机系统之间的协同主要体现在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，实现信息交 换、管理，让信息进行无缝连接和平滑处理，并为设计人员提供统一的界面，实现 系统之间切换的透明化。 2 协同设计过程相对于传统的设计过程具有以下的特点【4 , 1 3 - 1 6 ； ( 1 ) 群体性。相对于传统设计活动，协同设计具有多设计设计主体的特点，协 同设计活动要求至少两个设计专家参与设计，这些设计专家往往是相互独立的，各 自具有专业知识、经验和一定的分析解决问题的能力，最终的设计成果是群体的结 晶，体现了群体的智慧。 ( 2 ) 协同性。传统的设计活动是由单个设计主体构成，因此不存在协同的问题。 但是协同设计活动则不同，它要求多个设计主体相互协调完成设计任务，这就需要 有一种用来协同各个设计专家共同完成设计任务的管理机构，该机构至少要包括各 个设计专家的协议、通讯机构、冲突监测和仲裁机制等基本的信息交互模块。 ( 3 ) 共同性。传统的设计活动往往采用自上而下的顺序进行设计，其设计目的 明确，过程清晰，设计结果偏差较小。协同设计活动则不同，它要求多个设计主体 按一定的层次并行的进行设计活动，这就要求任务的设计目标和设计上下文必须保 持一致，即各设计专家小组要实现的设计目标是共同的，只有这样才能准确、高效 的完成设计任务。 ( 4 ) 灵活性。传统的设计活动的设计流程固定，设计主体任务明确，有的甚至 形成了标准，因此，灵活性方面的特点并不突出。而协同设计则不同，它要求参与 设计的专家是动态增加或者减少的，其设计过程是灵活多变的，而且协同设计的体 系结构也是灵活的、可变的。 ( 5 ) 异构性。协同设计是跨部门、跨企业，由于各企业、甚至各部门的工作平 台并非完全相同，因此，其工作平台具有异构性，主要体现在共享的数据源、求解 知识的表达方式以及使用的软硬件等方面。 一6 一 第一章绪论 1 4 国内外研究现状 产品协同设计是指多个设计参与者在计算机支持环境中，互相合作地完成整个 设计任务的过程，而设计任务往往比较复杂，需要进行任务分解，使设计任务简单 化，分解完成之后的子任务又要合理的分配给各参与者，使其相互合作地完成整个 设计任务。因此，对协同设计的任务分解、任务分配研究是至关重要的。近些年来 一些国内外专家学者对协同设计的任务分解、任务分配进行了一定的研究，提出了 一些相应的理论和方法。 p a h l 等【1 7 】将产品设计过程抽象化，划分为建立总功能、寻找分功能、获得功能 结构及功能评价等多个步骤，功能可以被分解为分功能，分功能又可被分解为更具 体的子功能，直至分解完毕k u s i a k 等u8 j 将设计任务与设计变量之间的关系用矩阵 的方式来表示，用通用的设计变量来代替设计任务，然后将关系密切的设计任务作 为一组，把大型复杂的决策问题分割为相对简单对立的决策问题。周锐等【1 9 】提出了 一种通过b o m 向p e t r in e t 的映射，实现产品结构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。根据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，满足了产品开发项目管理和过程管 理的需求，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；它采 用p e t r in e t 描述过程，可以通过p e t r in e t 的数值特性对转换成果进行分析和优化，可 以避免和消除冲突。孔建寿掣2 0 】根据分布式计算环境下产品并行开发的特点，对产 品开发项目过程进行了层次分解和形式化描述，通过对项目子项目的不断分解，构 成一棵具有层次结构的项目树。殷汉军等1 2 1 1 分析了大型机电产品设计任务分解原则， 讨论了一般大型机电产品设计任务分解的通用流程模型并构建了一种判断子系统相 关性大小的加权系数法。曹健等瞄】将产品设计过程定义为过程结构树，它可以进一 步分解为一组子项目，子项目由一组过程单元组成，而过程单元还可以进一步分解 为子过程单元，整个过程是一个递归过程。庞辉等 2 3 】提出了基于项目任务活动框架 的定性任务分解策略，引用软件工程中软件度量的思想，建立了任务内聚系数的计 算公式，从定量角度提出了任务粒度设计的方法，该方法可以准确评估网络环境中 复杂产品协作设计流程不同粒度的任务分解模型。t s o 等【2 4 】在任务分解过程中，应用 了规则推理和面向对象技术，并开发了原型系统，但原型系统只适用耦合度较低的 任务分解，对于高耦合度的子任务分解实现起来比较困难。 j o s e p h 等 2 5 1 根据设计需求与设计参数的对应关系，建立设计方程，求解协同设计 一7 一 产品协同设计的任务分解、分配与管理研究 任务之间的依赖关系。董明等【2 6 】利用信息论中的香农熵对信息流进行度量，建立了 一种模糊设计结构矩阵，通过分解和割裂算法对矩阵进行重构，揭示了并行设计过 程的内部结构。经过重新组织后的设计过程为并行设计的管理、控制、实施提供了 新的策略。胡长建等【2 7 j 提出了一种基于扩展有向图和设计结构矩阵进行信息建模和 重组的方法。基于上述方法，提出了从设计活动对应的扩展有向图直接到设计结构 模型映射的集成框架系统，并用实例验证了该框架的有效性。杨波等1 2 8 1 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 队内各个设计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， 缩短了开发周期，提高开发效率。周雄辉等【2 9 】采用f s d m 描述设计子任务的耦合关系， 提出了一种新的模糊排序算法用以指导设计过程的分解与重组并以注塑产品及模具 协同设计为对象进行了验证。 h s i e h 【3 0 】在多智能体系统框架基础上，对全能制造系统进行建模，提出了一种避 免死锁的任务分配和资源配置算法。刘海龙等【3 l 】针对合同网下的多智能体系统，将 子任务分配问题转化为集合覆盖问题，基于集合覆盖理论提出了一种解决子任务分 配的严格启发式搜索算法，并分析了该算法的收敛性及渐进时间复杂度。该算法具 有分布性、搜索空间缩短快的特点，适合于中小型的多a g e n t 系统的子任务分配。d e e m 等【3 2 】建立了基于a g e n t 的优先权模型，用于全能制造系统的任务分配。并把该模型应 用于一个制造系统例子得到了满意的结果。李德敏等【3 3 】在由任务确定协同集的基础 上，基于a g e n t 完成任务的开销、质量、当前负荷、时间等属性，构造决策表，生成 确定的决策规则与可能的决策规划，并给出基于粗糙集的任务分配模型与算法。 张晓光等【3 4 】提出了一种面向角色和团队的混合任务分配方式，并通过层次性策 略来约束与协调任务分配中的复杂情况，提高了工作流的适应性；在此基础上建立 了一个单列表、多视图的任务分配管理的实现机制，该方法符合企业的工作模式， 方便业务建模及实施。杨友东等【3 5 】分析了产品自顶向下协同装配设计的特点，研究 了任务规划方案，主要包括任务分组和任务组分配，根据设计组工作量可能均衡和 任务组内任务应具有较高关联耦合度两个原则，给出了分组遗传算法；根据任务组 的关键度和设计组的综合能力，提出了任务分配算法。侯亮等【3 6 j 利用模糊匹配法考 查供应商关于新产品的设计和制造能力，判断任务分解的可行性；同时引入任务间 影响度和响应度概念考查子任务间交互与影响，将任务分解为独立的子任务集合。 将供应商产品质量、成本等任务分配影响因素和供应商信息及其资源利用状况等供 应商影响因素相结合，建立设计对象分配模型，提出任务分配策略和分解原则。李 一8 一 第一章绪论 玉家等【37 】在分析任务分配问题的特殊性的基础上，建立了并行产品开发过程中任务 分配问题的数学模型，然后运用遗传学算法的思想及整合处理对数学模型进行求解， 并通过具体实例验证该方法的有效性。 从国内外研究现状来看，国外协同设计的任务分解、任务分配研究比较成熟， 有的己在实际中得到应用，并取得良好效果。国内近几年也进行了一些研究，但多 偏重于可行性分析，较多地停留在概念层次上，理论和应用研究不够深入，若要实 现真正意义上的协同设计，尚需做大量工作。 1 5 论文研究的内容与组织结构 1 5 1 论文研究的内容 本课研究的主要内容包括以下几点： ( 1 ) 协同设计的任务分解与耦合是任务分配的前提条件，合理的任务分解与 耦合有利于协同设计的任务分配顺利进行。本文研究了任务的分解与耦合策略，采 用按功能划分和按结构划分相结合的方式，并根据设计组的满意度对产品协同设计 的任务进行了分解，利用数值设计结构矩阵对设计任务进行建模，给出了利用图论 中基于邻接矩阵的深度优先搜索算法求出耦合任务集的原理与方法，并通过具体实 例验证了该方法。 ( 2 ) 应用合适的分配模型和任务选择算法，以使得合适的设计组来执行合适的 任务组，可以提高企业的效率和产品的质量。本文研究了任务的分配策略与影响任 务分配的因素，建立了基于合同网的任务分配模型，并根据影响任务分配的因素， 给出了任务选择匹配算法，保证了任务分配的局部效能较好，又能兼顾整体效能较 优。 ( 3 ) 协同设计的任务分解、分配与管理系统的设计与实现。利用j a v a 、j s p 和 w e b 等技术，结合上述研究内容，开发了协同设计的任务分解、分配与管理系统， 该系统主要包括项目管理模块、协作人员管理模块、任务分解模块、任务分配模块、 数据浏览模块等功能模块。以具体产品为应用对象，在该环境中进行协同设计的任 务分解、分配与管理，验证了该系统的可行性和所用理论的正确性。 1 5 2 论文的组织结构 本文首先扼要地介绍了课题的研究背景和阐述了论文所用到的相关理论基础。 在此基础上，研究了任务分解和耦合的方法与策略，并通过具体实例进行验证；研 究了影响任务分配的因素，建立了基于合同网的任务分配模型，并根据影响任务分 一9 一 产品协同设计的任务分解、分配与管理研究 配的因素给出了任务选择匹配算法，建立协作任务模型；最后，根据上述理论基础， 设计开发了原型系统。 本文共分为五章，主要章节为第二章、第三章、第四章，其中，第二、三章是 第四章的理论基础，第四章是对第二、三章提供理论验证。论文的具体篇章结构如 下： 第一章绪论 介绍了课题的研究背景及研究意义、国内外相关研究现状和课题的研究内容。 第二章产品协同设计的任务分解及耦合性研究 首先，研究了协同设计的任务分解与耦合策略，分析了任务分解方式，制定任 务分解原则，提出任务分解方法。其次，利用设计结构矩阵对任务进行建模。然后， 对任务划分的耦合性进行研究，给出了耦合任务集的求解方法。最后，利用具体实 例验证了理论的可行性。 第三章产品协同设计的任务分配 首先，介绍了合同网基本思想。其次，研究了影响任务分配的因素。然后，建 立基于合同网的任务分配模型，给出任务选择匹配算法。最后建立协作任务模型。 第四章协同设计的任务分解、分配与管理系统设计与实现 首先，介绍了原型系统框架结构及开发环境。其次，对数据库进行了设计。然 后，介绍了原型系统功能模块结构。最后，介绍原型系统功能模块实现及运行实例。 第五章结论与展望 对全文进行了总结，并对今后有待进一步研究的问题进行了展望。 本文的组织结构如图1 1 所示。 一1 0 第一章绪论 第一章绪论 1 课题研究背景及意义 2 基于并行工程的产晶设计研究 3 基于协同设计的安排设计研究 4 国内外研究现状 5 论文研究的内容及组织结构 第二章 产品协同设计的任务分 解及耦合性研究 1 协同设计的分解策略 2 协同设计的任务建模 3 协同设计任务划分的耦合性研究 4 任务分解实例 第三章产品协同设计的任务分 配 1 合同网基本思想 2 任务分配的问题描述及分析 3 任务分配方法 4 协作任务模型 第四章协同设计的任务分解、分配 与管理系统设计与实现 1 原型系统总体框架结构 2 数据库设计 3 原型系统开发环境 4 原型系统功能模块结构 5 原型系统主要功能模块实现界面 第