（机械电子工程专业论文）面向异地协同设计的产品数据管理系统研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘簧 制造业面临的新形势是知识、技术和产晶的更新周期越来越短，产品性能、 知识会量不断提赢，客户对产菇质量的要求越来越严格，全球化的产黯协同设 诗、翻造与竞争瓣豢激蠹。竞争貔焦熹交兔慧徉 2 差_ 最块靛速度嚣发窭邂爱萋、 低成本的产品推向市场，因为信息社会的迅速变化意味麓任何企业都不可能预 见朱来。因此企舭必须能快逮的掌握用户霈求、调整市场策略，尽快地生产出 满足羯声要求豹糕。这藏要求金韭必须器硪能豹缩短黛产周期、减少凝产晶 开发成本、提商聚产效率。 闻时，随着众业发展的需凝，其设计、生产与销售部门可能在相隔较远的 地域，有的甚至楚在不同的国家，异地之湖的协作不可避免，所以，髯地的设 毒 奄潮逢之耀豹锈露残舞摆在筏鼗纯金鼗瓣籍懿一令熏婺涟嚣。 针对我国众业目前设计现状及发展趋势与现有协同设计系统的不飕，充分 借黢已有研究成果，对适于企北内和企业问协同设计的、开放的、基乎p d m 系 统豹模型逶簿了深入磺巍，取褥了一些残浆，癌续鲡下； 分析了我国黼肉企业在僚怠化进行方舔酌基本现状以及罾内乡 程这个领域 的研究情况；研究了企业进行舁地协同设计的必要性及黔地协同设计的工作模 式砖特点，针对努地捞同设计的技术难点谶行深入分析； 辩企盈进行髯施诱霹设谤瓣器要豹关键技术( 魏：纛掇专蠲嚣技术籁产蘸数 据管理技术) 进彳亍了深入的探讨；依据异地协同对网络系统的基本要求及我国国 内现有状况，利用v p n 技术从硬件的角度构造异地协删设计系统时络模型，分 耩探讨这一稠终模鍪酶拯癸缀擒，特轰及安全翘嚣； 以武汉理王丈学企业信息化研究所开发成果天工产蕊数据管理系统( p d m ) 为平台，重点研究在p d m 集成环境下实现异地协同设计的方法。选撵适当的系 统秀发环境及弼络信息交互横式，提出基予产品数据管邂豹异地协同设计系统 的稳粱、结梅模式，详绥分耩系统煞功靛黉求秘实现途强。 关键诱：舅缝巍弱设谤菇数摆蓉璎攫攘专惩掰 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c 专 t h es i t u a t i o nn o w a d a y sf a c i n gt om a n u f a c t u r i n gi st h eu p d a t eo fk n o w l e d g e ， t e c h n o l o g ya n dp r o d u c ti sb e c o m i n gs h o r t e ra n ds h o r t e r , b u tt h ep r o d u c tc a p a b i l i t y a n dk n o w l e d g ec o n t a i n i n gi si n c r e a s i n ga n dt h er e q u i r e m e n tw h i c hc l i e n t sw a n t e df o r p r o d u c tq u a l i t y i sm o r ea n dm o l - es e r i o u s t h ep r o d u c tc o l l a b o r a t i v e d e s i g n , m a n u f a c t u r ea n dc o m p e t i t i o nb e c o m em o r ea n dm o l ec o m p e t i t i v ei nt h ew o r l dw i d c 啦c o m p e t i t i o nf o c u so i lh o w t od e v e l o p 城辫q u a l i t yw i t hl o wc o s tp r o d u c ti nt h e f a s t e s ts p e e db e f o r ee n t e r i n gt h em a r k e t b e c a u s er a p i dr e q u i r e m e n tc h a n g i n go ft h e i n f o r m a t i o ns o c i e t ym e a n st h a tt h e r ei sa n ye n t e r p r i s et h a t p r e d i c tt h ef u t u r e s o e n t e r p r i s e sn e e dt ok n o w t h er e q u i r e m e n to f c l i e n t si n 痢钟t oa d j l 斌m a r k e ts t r a t e g y 舔s 0 0 1 1 豁p o s s i b l e 静p r o d u c et h ep r o d ma c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fc l i e n t s 1 1 e n t e r p r i s en e e d sas h o r t e rt i m eo fp r o d u c tu p d a t i n g , d e c r e a s et h ec o s to fn e w p r o d u c tr e s e a r c h i n g , i n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c yo f m a n u f a c t u r i n g m e a n w h i l e , w i t ht h ed e v e l o p i n go fe n t e r p r i s e - i t sd e s i g r 妇g , m a n u f a c t u r i n g a n ds a l e sd e p a r t m e n tm a yb es e p a r a t e di nd i f f e r e n ta r e a , e v e ns o m e t i m e si nd i f f e r e n t c o t m t r i e s , a n dt h ec o l l a b o r a t i v eb e t w e e nd i f f e r e n tu s e r $ c a nn o tb ei g n o r e d s o ，h o w t ob u i l dac o l l a b o r a t i v ew o r k i n gs y s t e mf o rd e s i g na n dm a n u f a c t u r eb c t w c e l ld i f f e r e n t d e p a r t m e n t si nal o n gd i s t a n c ei sav e r yi m p o r t s ,s u b j e c tt ot h em o d e me n t e r p r i s e p o i n t e dt ot h es ) n t c sa n dd e v e l o p i n gt r e n do f0 1 1 1 c o u n t r y se n t e r p r i s ee s p e c i a l l y t h ew e a k n e s so fc u r r e n t l ye x i s t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e m , a n df u l l yr e f e r r e dt h e e x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t , ld i ds o m er e s e a r c ho nt h em o d e lw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h e c o l l a b o r a t i v ed e s i g nb e t w e e ne n t e r p r i s e s , o p e n l y , b a s e d0 1 1p d ms y s t e m , r e a c h e d s o m ef r u i tw h i c hc a nb ec o n c l u d e db y ： a n a l y z e dt h ea c t u a l i t yo ft h ei n f o r m a t i o ns y s t e mf o re n t e r p r i s e si n0 1 1 1 c o u n t r y a n dt h ef o r e i g nc o u n t r i e s 。r e s e a r c h e da n dd e e p l y 勰a | y z e dt h en e c e s s i t y , t e c h n i c a l d i f f i c u l t ya n dt h ew o r k i n gm o d ea n dt r a i to fc o l l a b o r a t i v ed e s i g nb e t w e e nd i f f e r e n t a r e a s d i s c u s s e dt h ek e yt e c h n o l o g yo fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ( s u c ha sv i r t u a lp r i v a t e n e t w o r k , p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fn e t w o r k s y s t e mf o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g na n dt h es i t u a t i o no f0 1 1 1 c o u n t r y , u s e dt h ev p nt o d e s i g nt h en e t w o r km o d e lf r o mt h ea n g l eo fh a r d w a r ec o n d i t i o n , a n da n a l y z e dt h e - 葳汉瑗工大学硕士学位论文 t o p o l o g ys m z c t l u 世，t r a i t , a n ds e c u r i t ya f f a i r so f t h i sm o d e l b a s e do nt h et i a n g o n gp d ms y s t e mw h i c hd e v e l o p e db ym e c h a n i c a l 惫 e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gd e p a r t m e n to fw u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , r e s e a r c h e d t h em e t h o do fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni np d m i n t e 掣锄e de n v i r o n m e n t c h o s e nt h e a p p r o p r i a t es y s t e md e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ta n dt h en e t w o r ki n f o r m a t i o ni n t e r c o u r s e 毪k i d e a p p r o a c h e dt h ef r o m e w o r ls t r u c t u r em o d e , a n df u l l ya n a l y z e dt h es y s t e m f u n c t i o na n dt h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d 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 , p d m , v p n h 卜 愆页若属实请申请人及导翔强叁爿警。 独创性声明 本入势缓，蘑至交鹣论文是我令入雀喾嚣籀嚣下避行豹磷究忑 作及取褥的研究成果。据我所知。除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包宙其他人已缀发表或撰写过的研究成聚， 也不包含为获得武汉攥王大学或其留教育机构的学位或证书两使 建过豹耪辩。与我一弱点终豹羁恚慰零蘩究繇徽豹任薅贡歉稳爨 在论文申作了明确静说裙并表示了谢滋。 掰究生签名： 关干论文使用授权的说明 本人突垒了解武汉瑷王大学有荧探窘、使惩学缀论文豹觏定， 帮；学校鸯稷缳露送交论文静复窜韩，允诲论文被套胬霸偌阕； 学校可以公布论文的龛部内容，可以采用影印、缩印或其他麓制 手段保存论文 ( 保密的论文在瓣密聪应遵守瑟规定) 研究生笺名：釜堡警筛签名： ，c 注：请将此声明装订程学位论文的目录前。 期勰毒+ i t ，骖 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 制造业是现代国家经济和综合国力的基础。“，是一个国家经济发展的 重要支柱，是国民收入的重要来源。现代社会的大部分物质财富都是由制造 业创造出来的，西方发达国家所走过的工业现代化历程充分证明了这一点。近 年来，信息技术的飞速发展，促使统一的全球市场的形成，结果导致了激烈的 市场竞争。主要表现在客户需求不断变化、产品生命周期越来越短、产品更新 换代越来越快、产品质量更高、价格越来越便宜、技术含量越来越高、服务越 来越好这几个方面。特别是中国在加入了w t o 以后，所面临的挑战将更加激烈。 当今的市场竞争激烈、变化迅速。制造企业为了在竞争中求生存，必须尽力缩 短产品开发周期和提高产品质量，以优良的性能价格比参与竞争。如何使中国 的制造业提升一个档次，制造业的信息化是必然的出路，也是必须的出路。 制造业信息化是用信息技术改造传统产业和实现信息化带动工业化的突破 口。制造业信息化将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合， 带动产品设计方法和工具的创新、企业管理模式的创新、企业间协作关系的创 新，实现产品设计制造和企业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装 备的数字化、咨询服务的网络化，从而全面提升我国制造业的竞争力。通过集 成创新，在我国形成一批有影响的、效益好的数字化企业，提高整体的综合竞 争力。 目前，c a d 、a 垣、c a m 软件系统和各种数控加工硬件设备已经被大量引 入国内企业，但由于这些系统间的信息交流非常复杂，不容易集成，所以很多 系统仍是独立的运行，效率很低。虽然少数企业通过c i m st 程将这些“自动化 孤岛”初步集成起来，但这种企业内的集成还不能充分利用社会上企业间的技 术和设备优势，发挥各自局部特长，对整体项目提供有力的支持。另外，一些 大集团企业或跨国公司的子公司遍布各地，靠传统的信息交流方式已经跟不上 信息社会的发展。异地协同的产品设计和制造、产品全生命周期管理，一直是 制造企业不断追求的目标和适应日新月异时常竞争的有效手段，更是国内企业 武汉理工大学硕士学位论文 赶超国际先进制造技术的一项关键技术。 我国的制造业信息化只有基于c a d c a m 技术、并借助h l t c i n e 以曲锄c t 把 制造商、供应商、合作伙伴和客户都带入产品开发过程，通过他们之间的协同 工作，充分利用各种社会资源，协同进行产品的开发和制造，提高产品质量， 降低成本，缩短产品交货期，才能够大幅度的加强我国的企业竞争力。 1 2 国内外研究现状 在我国虽然目前企业的状况比二+ 年前有了很大的改善，车间、处室配备 了电脑，资料保存、信息表达基本上用计算机来实现，但是计算机之间是孤立、 互不相联的，工作形式仍是串行的。信息传递由人工完成，仍然通过送交、签 收、存档等过程实现，存在效率低、错误率高，并且占用大量的保存空间，不 易查阅等问题，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 在新产品开发方面，传统的串行设计方式效率低、周期长。 对于新产品开发，一般是由总工程师办公室下达开发任务，开发中心按照 任务的要求成立课题小组，课题小组负责人负责产品调研、产品参数确定、开 发工作分配，产品图纸资料的完成、汇总等工作。在产品开发初期方案确定阶 段，要召开数次方案现场评审，评审人员一般由各任务部门组成，主要对方案 的实现给予确认( 包括加工、装配等) ；在设计过程中，设计人员集中在同一办公 区域，设计资料的查询由人工来完成：初步的图纸资料设计完成，先进行标准核 定，然后送交工艺会签、车间技术组会签、定额成本核算等，再由设计人员根 据会签情况进行更改，确定无误后进行描晒、图纸工艺下发等工作。 图纸、工艺文件的传递是串行的，一个部门进行中，另一部门只能等待。 这种单行的结构形式带来的是效率低，产品设计周期长，己经越来越不能适应 社会发展的要求。 ( 2 ) 图档管理方面，占用过多人力物力，查询不便。 一般来说，存档资料( 包括产品底图) 是由专门的档案室来归档，由档案处保 管，有关人员可以持有改版通知单修改底图( 图纸、工艺) ，而其他人员一律不准 查看和不允许外借。产品底图和蓝图按机型和纸型分类、每一产品存放于专用 柜、架、排架等内，以平放为主。产品底图和蓝图分类按国家标准执行。这种 人工的产品数据管理模式有如下不足： 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 占用空间大一个企业经过多年的研究开发，产品种类己经很多，单位 往往要用很大空间存放资料，并且需要更多专门人员进行管理，浪费了大量人 力、财力，增加了产品成本 2 ) 资料查询极不方便。企业中的图档资料依靠纸质媒体保存、采用人工管 理的模式，给产品开发人员带来了查询时间长，设计效率低，重复设计不容易 被发现等困难，特别是夹具、模具再利用率低，造成了极大的设计浪费。 3 ) 电子图档管理混乱。在电子图纸的管理中，由于只能用文件名作为图纸 的唯一标识，造成图纸区分比较困难，无法建立项目、相关图纸、其它技术资 料或零部件之间的相互关系，无法实现对产品图纸等资料的现代化管理。 而对于生产用图则保存在各部门库房( 一般和工具放在一起) ，设计人员持有 改版通知单并有车问技术员签字才能改图。图纸存放中，常常几张叠放在一起 甚至堆放，不利于工作人员查找。在使用中，图纸破损、工艺图纸分离、沾满 油污等现象也时有发生。因此，这种保存方式使图纸等资料查找困难，修改极 不方便，并且破损图纸需要重晒，造成不必要的浪费。 ( 3 ) 生产管理方面，信息传递方式落后，浪费严重。 生产调度部门给生产执行部门下达每月的生产任务，指导生产的进行。信 息的下发主要是通过下单子，生产执行部门签收。这种指导方式不利于生产管 理、资料查找和任务更改：不利于产品零件的管理，容易造成零件多投或少投， 多投致使有些零件大量库存，造成生产浪费，少投则零件短缺，影响生产进度。 虽然现在国内外已经有很多科研单位或企业团体已经对异地协同设计方面 进行了研究，并且取得了一系列的成果，但是在实际应用方面仍不尽如人意。 联系我国国内企业的现状，并以之作为依据，研究适合国内企业现状的异地协 同设计系统是企业所迫切需要的。 目前，国外的研究方向多通过对w e b 体系结构的扩展来增强对协同工作的 支持功能。 美国斯坦福大学开发的s h a r e 项目，有a p a rs i s l o 资助，支持异地小组 在i n t e r n e t 网上进行同步的协同设计项目的重点是软件代理的知识表达、传递 或获取的方法，以及不同领域的人员间冲突产生的本质和冲突消解的机理。 伯克莱大学的r e u l e a u x 系统，支持w e b 环境下的c a d ，c a p p ，c a m 人员 异步协同工作的无缝集成，但仅支持预定义的一个二维产品模型的设计制造过 程，应用范围小。 武汉理工大学硕士学位论文 t e x a s 大学开发的基于c s c w 的集合造型，模拟，查询及设计原型系统 s h a s t r a 。s h a s t r a 研究计划的目标是提供基础的集合数据结构和算法，该算法支 持分布式构造和合成环境的修改，提供有效的物体属性的查询，协同交互，基 于冲突检测的快速运算和用于有效动态模拟的可视化信息以及实时场景显示 南澳大利皿大学先进制造研究中心的k i l o 和l i 开发了协同c a d c a m 系统 一r o c s d c a m ，利用现有的商品化c 觥a m 软件提供的a p i 开发接口，将 传统的单机、单用户系统扩展为支持协同工作的多点应用程序。 德国f r a u n h o f e r 计算机图形研究所( i g d ) 开发出共享三维视图软件( s h a r e d 3 dv i e w e r ) ，该软件能够在工业产品开发阶段，支持基于特征设计的网络协同。 它基于s t e p 标准，独立于c a d 系统，提供复杂c a d 模型的视图共享。 美国s p e c t r a 图形公司( s p e c t r o g r a p h i c ) 推出的一个面向工作组的c s c d 工具 系统t e a m s o l u t i o n s ，包括同步协作支持互具t e a mc o n f e r e n c e 和异步协作支持 工具t e a me x c h a n g e 。 i o w a 大学i n t e m e t 实验室的k a n g 和c _ r r a d y 提出一个基于w w w 的协同设 计系统总体结构c y b e rv i e w ，它采用v r m l 浏览器，实现分布设计小组的协同 浏览，缺点是系统只实现协同浏览，不能进行协同造型等进一步功能。 网络环境下的群组通讯系统也是协同工作的重要环节。目前的研究有面向 小组成员会话服务的协同工作系统，如：p 鲫o m i d i a 和w c e e c ；面向共享空间 的协同应用系统，如：b s c w 、口d d c s c w 、m u s h r o o m 等。德国信息技术研究 中心提出了一个多层次、多用途的协同应用框架w e bs k e l e t o n 。该框架提供了网 络环境下应用各个层次、各个环节对机遇网络的系统工作进行了研究。但是， 应用的对象只限于孤立的开发小组之间或个人与个人之间 国内在相关领域的研究十分活跃，并取得了初步进展。在8 6 3 ，c 1 m s 重大 攻关项目“面向c i m s 并行工程集成框架关键技术”和“航天并行工程”中，均 开展了对并行工程协同工作模式及支持环境的研究；南京理工大学、中国科学院 计算所等单位，基于c s c w 技术开展了关于计算机支持的协同设计中关键技术 的研究；位于西安交大的国家教委“现代设计与制造网上合作研究中心”在网上 资源共享以及网上协同产品创新开发方面开展了大量的研究工作。主要研究成 果有： 中国科学院计算技术研究所c a d 开放实验室的郭玉钗，林守勋对c s c d 的 基本概念，内容等进行了探讨，开发了一个基于多层c l i e n t s e r v e r 结构的、支持 武汉理工大学硕士学位论文 群体协同工作的通用白板工具w b t o o l 和协同图形编辑系统c o d r a w s ，以及一 个对象图协同设计系统c o d d s o 。c o d r a w s 和w b t o o l 突出了协作能力，但是 图形应用功能比起c a d 系统有很大差距，而且与目前流行c a d 系统图形数据 库格式不兼容。 浙江大学国家c a d 与c g 重点实验室和人工智能研究所研究和开发了一个 电子白板系统，并准备以此电子白板为基础对协同图形c a d 系统进行研究和开 发。该电子白板系统图形应用功能比c a d 系统差得多，而且与目前流行c a d 系统图形数据库格式不兼容l 6 jl y j 。 随着网络技术的快速发展和计算机的普及，基于网络的各种先进制造技术 迅速发展，作为先进制造的支撑技术，网络化产品协同设计已经成为产品设计 领域的研究热点。但是网络化协同设计的研究还不够深入，缺乏系统的理论体 系和支持工具，研究成果与实际需求尚有一定的差距，许多异地协同设计系统 仍然主要基于文本和二维图形，设计结果不能形象直观的实时显示出来，语言、 文化、传统习俗、经验、设计工具和环境等因素的差异而引起的信息交流中的 误解，己经成为目前协同设计过程中遇到的主要问题。如何充分利用现有的技 术，特别是计算机技术、多媒体技术、网络与通信技术、分布式处理技术等， 建立一个多模式协同工作环境，能真正和我国企业的现实情况结合起来，并且 与协同工具集成，实现真正意义上的网络协同工作、协同设计等仍是殛待解决 的问题。 1 3 课题的研究意义 制造业面临的新形势是知识、技术、产品的更新周期越来越短，产品性能、 知识含量不断提高，客户对产品质量的要求越来越严格，全球化的产品协同设 计、制造与竞争日益激烈。竞争的焦点变为怎样以最快的速度开发出高质量、 低成本的产品推向市场，因为信息社会的迅速变化意味着任何企业都不可能预 见未来。因此企业必须能快速的掌握用户需求、调整市场策略，尽快地生产出 满足用户要求的产品。这就要求企业必须尽可能的缩短生产周期、减少新产品 开发成本、提高生产效率。 传统的串行设计己远远不能适应快速变化的市场需求，各企业都在寻求新 的设计理论和方法。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 ) 应运而生，企业实行 武汉理工大学硕士学位论文 并行工程时，要求设计、制造各个过程的多项任务同时进行、交叉进行，减少 设计过程的多次反复。并行工程的协同效应使得各部门协调工作，能够对众多 方案进行及时准确的评价，以达到最优方案。计算机支持的协同工作( c o m p u t e r s u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k , c s c w ) 能使在不同的计算机上的用户分工协作、共 同高效的完成一个复杂的问题。于是，协同设计( c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) 便成为实 施并行工程的重要方法之一，也是今后发展的必然趋势 随着企业发展的需要，其设计、生产与销售部门可能在相隔较远的地域， 有的甚至是在不同的国家，异地之间的协作不可避免，所以，异地的设计与制 造之间的协同成为摆在现代化企业面前的一个重要问题。目前，企业大多是仅 仅停留在利用电子邮件等初级的手段进行异地的交流，显然这远远不能满足设 计人员之间的设计协同要求，也不能满足现代化市场竞争的需求，对于现代化 企业而言重要的是更深入、更完善的协同实现技术。 因此，机械产品的异地协同设计是产品并行工程的内在要求，是设计理论 自身发展的趋势，也是市场经济发展的需要。以往机械设计都是基于微机平台 或工作站的系统下，利用辅助绘图软件迸行图形的绘制或资料的查询，虽然可 以短期内提高一定的效率，但却不适合异地协同设计的需要。目前一般的c i m s 协同和并行工程系统考虑的是企业内部设计资源、制造资源和管理等其它资源 的共享和集成，为了缩短企业内部的设计生产周期，改善企业经营管理，对于 异地协同实现考虑较少，而且大部分工作是在局域网环境下的，不适合在i n t e m e t 网络下应用。所以，对于在i n t e m e t 环境下研究异地协同设计的实现是十分必要 和迫切的“ 1 4 本文的主要工作内容 针对协同设计实现研究中的主要问题和我国企业目前设计现状及发展趋 势，充分借鉴已有研究成果和c s c w 的研究成果，提出了一种适于企业内和企 业间协同设计的、开放的、基于p d m 系统的模型。该模型特点是：结合我国企 业设计现状，充分利用p d m 对协同设计的管理功能，以实用为目的，为提高企 业设计水平、加快信息化步伐、增强市场竞争力提供理论和实践支持。 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 研究企业进行异地协同设计的必要性及异地协同设计的工作模式与 武汉理工大学硕士学位论文 特点，针对异地协同设计的技术难点进行深入分析； ( 2 ) 根据异地协同对网络系统的基本要求及我国国内现有状况，基于v p n 技术从硬件的角度构造异地协同设计系统网络模型，并分析探讨这一网络模型 的拓扑结构，特点及安全问题； ( 3 )以武汉理工大学企业信息化研究所开发成果天工产品数据管理系统 ( p d m ) 提供为平台，重点研究在p d m 集成环境下实现异地协同设计的方法 选择适当的系统开发环境及网络信息交互模式，提出基于产品数据管理的异地 协同设计系统的构架、结构模式，详细分析系统的功能要求和实现途径。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章异地协同设计的工作模式和特点 2 1 现代产品设计的方法和理论 现代产品设计是在传统产品设计方法与理论的基础上，融合产品设计理论、 人工智能、信息技术、计算机技术、知识工程和管理科学等领域发展而成的。 提的较多的有创新设计、生命周期设计、有限元设计，虚拟设计、优化设计、 稳健设计、并行设计、智能设计、机电一体化设计等。 图2 1 所示为现代产品设计的一般过程，从图中可以看出，现代产品设计是 产品全生命周期的设计，需要考虑的是产品全生命周期的所有要素，是一个跨 领域、跨学科的夫系统工程。 镒求孵确认 技术町绳附乳| 菰 矛晒统一设想的产氆 经济，技术分析 设想的优选乖i 确认 缋橱的优选车确认 村拳- 的优选和确队 力i i 1 ：过张的傀选幕j 瓣认 图2 1 现代产品设计的一般过程 现代产品设计的关键是在产品设计理论和科学原理的基础上，合理运用现 代信息，网络、计算机、人工智能和现代管理等最新技术，建设安全可靠的信 息、数据和知识资源，建立可行的知识获取和运用的方法与工具，充分发挥人 的创造性与能动性，实现快速、高效的产品设计分工、协调与合作。具体表现 为以下三个方面： ( 1 ) 设计原理、准则建立和设计知识资源的建设。 由于市场需求的多样性，产品设计越来越呈现出大系统工程的特征。不同 学科不同应用领域的知识，设计者是不可能完全掌握的，而产品设计又要求综 8 - 武汉理工大学硕士学位论文 合性、跨领域、跨学科的知识。所以，设计知识、设计原理、准则的系统化与 标准化是现代产品设计所需解决的关键问题之一，也是知识获取与运用的基础。 安全、可靠的设计知识资源建设是现代产品设计的基础。知识资源建设最 主要的工作就是对设计知识的标准化、规范化和系统化。由于现代产品设计中 知识的运用要跨领域、跨学科、跨平台，所以知识的描述，与外部的接口都应 该尽量标准化、规范化，以便于不同设计平台、不同应用领域可以实现对知识 资源的理解和运用。 ( 2 ) 设计过程的分工与协作。 现代产品设计越来越体现出大系统工程的特点。产品越来越复杂，需要融 合多种技术，产品设计涉及知识的领域越来越广，以及知识与技术的快速发展 都要求产品设计的分工与协作。随着制造业的全球化和用户需求的多样化，激 烈的竞争、迅速变化的市场和技术使一个研究机构、一个企业不可能完全承担 所有的业务，不可能在各方面都达到最优。只有通过专业化分工与协作，才能 获得最佳效益。在产品设计方面的分工与协作，包括整机中零部件、配套件的 分工设计，产品设计不同阶段( 如结构设计、性能分析) 的分工与合作等。网 络技术、c a d 技术、p d m 技术等的发展都为这种分工与合作的实现提供了条件 ( 3 ) 人的创造性、能动性问题。 人始终是产品设计的执行者，人的创造性和能动性问题将是现代产品设计 要研究和关注的一个重要问题，只有充分发挥人的创造性和能动性，才能更有 利于产品的创新和新产品的设计。而人的能动性和创造性关键还在于拥有雄厚、 广博的知识基础上的拓新精神。 2 2 计算机支持协同工作和协同设计 2 2 - 1 计算机支持协同工作 计算机支持的协同工作的概念早在1 9 8 4 年由c r e i f 和c a s h m a a 提出，它指 的是这样的计算机系统，它支持一组设计人员参加一个共同的任务，并提供他 们访问共享环境的接口。多个设计人员为了完成一项共同任务而组成一个工作 群体，c s c w 为这个群体提供协同支持。有专家预言：“现代的计算机支持的协 同工作c s c w 被普遍认为是下一个世纪的人类工作方式”。协同的概念发展到 武汉理工大学硕士学位论文 “c s c w ”是人类社会进入信息时代的必然产物，它是在现代社会中，以人们协 同工作方式为背景。计算机和通信技术的发展和融合为基础，以具有广泛应用 领域为前提条件发展而自然形成的“”。 一般意义上的协同工作对计算机协同支持系统的要求如下： ( 1 ) 支持多用户。支持多用户同时或先后的访问，能够处理多用户不同时、 不同目的的访问。 ( 2 ) 良好的交互性。提供用户间进行信息交互的手段，包括同步或异步的 交互。 ( 3 ) 支持分布式的访问。考虑到协同人员在地域及时间上的分散性，协同 系统应能够支持分布式的操作。 ( 4 ) 信息保密与信息共享。协同工作中的信息包括公有信息和私有信息， 对这两种信息的处理应有不同的机制。 ( 5 ) 协同控制。为保证结果的正确性，需要对用户的行为进行协调控制； ( 6 ) 开放性。协同系统应该是可以扩充的，以适合潜在的需要。 建立起能够满足这些要求的计算机协同工作支持系统将带来人们协作方式 的变革，提高人们协同工作的整体效率。计算机协同工作应用系统的发展和推 广，将会改善人们交流信息、进行协作的方式。计算机技术的发展，必然走向 计算机协同工作的方向。 2 2 2 计算机支持协同设计 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 d c o l l a b o r a t i v ed e s i g n , c s c d ) 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l 1 4 jl i s ) 1 6 j 协同设计是先进制造技术中并行工程运行模式的核心。传统设计是串行迭 武汉理工大学硕士学位论文 代的模式，即瀑布式的设计方法，就是说产品寿命周期各过程顺序执行，在使 用阶段发现问题后，在前面各阶段中找原因加以解决并行工程则是在产品设计 阶段尽早考虑产品寿命周期中各种因素的影响，全面评价产品设计，以达到设 计中的最优化，最大限度消除隐患，因此涉及产品整个生命周期的各个不同 部门的专家必须协同工作。在产品的设计阶段，不仅设计专家要进行讨论，协 调产品的设计任务，而且工艺、制造、质量的后续部门也要参与产品设计工作， 对产品设计方案提出修改意见。 协同设计也是敏捷制造，动态联盟的重要方法和手段。当今，世界市场日 趋多交，产品生命周期短、更新换代快、品种增加、批量减少，顾客对产品的 交货期、价格和质量的要求越来越高，企业往往依靠独特性技术构成的新产品 以赢得市场份额，获取高额利润。在这种情况下，如何敏捷地提供可利用的知 识和技术，快速开发新产品，重组资源，组织生产，满足用户的“个性化产品”， 就成为企业能否赢得竞争、不断发展的关键。敏捷制造认为，以信息技术为基 础，在全球一体化或地区一体化的金融环境和政治环境中，通过临时联合那些 能适应环境变化的企业，组成动态联盟，共同承担风险，分担义务，共享成果， 才能迅速开发新产品，响应市场需求“”。 目前常见的协同设计方式有横向协同和纵向协同两种 ( 1 ) 横向协同。横向协同充分体现了敏捷制造原理下的企业间动态联盟。 它适应了现代企业向专业化方向发展的趋势，即越来越多地制造企业从“大而 全”或“小而全”的模式中走出来，专注于自己的核心能力和核心产品。面向 市场机遇，和具有其他专业技术的企业合作，从而拥有企业、资金、成本、速 度等综合优势，形成“团队化”的竞争方式”1 ( 2 ) 纵向协同。纵向设计体现了并行工程的原理。这种工作模式使得开 发者从一开始就考虑到产品生命周期中的所有因素，尽可能保证产品设计、工 艺设计、制造的一次成功，从而缩短产品开发周期，提高质量和降低成本。根 据并行工程原理，通过计算机网络将产品寿命周期各个方面的专家，甚至包括 潜在的用户都集中在一个工作环境下，协同工作。 横向和纵向的协同设计在具体设计过程中没有严格区分，常常是相互交织 在一起，即动态设计联盟采用并行的设计过程，在并行的设计工程中，设计团 队人员是企业内外专业人员的组合。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 协同设计的工作模式和特点 2 3 1 协同设计的工作模式 一般而言，参与异地协同设计与制造的企业都有一定富余能力向外界提供， 也就是说他们都有部分资源经常需要通过网络与外界发生交换 表2 1 所示为i n t e m e t i n t r a n e = t 环境下的异地协同设计与制造系统的3 种层 次，从表中可以看出异地协同设计与制造系统的不同层次的基本特点。 表2 1 异地协同设计与制造系统的层次 通过网络与其他 网络资源计划系c a d c a m 系统 层次对网络的要求 企业的联系程度 统 的网络操作功能 低级较少低 ? 无无 中级一般一般有 一般 高级频繁高有强 实现异地协同设计与制造系统所采用的技术手段和方法在很大程度上受到 任务关联度的影响。通常将任务分为低耦合、中耦合和高耦合三种类型，表2 2 列出了不同类型任务的一些特点和对异地协同设计与制造系统的要求。 表2 2 任务类型 对网络 软件系统 信息交换信息交换时冲突识别、 任务类型交换方式速度要支持分布 量间解决手段 求 式设计 任务开始前人工提出交 低耦合少无低无 或之后换信息 任务开始前 人工使用商有( 人工参 中耦合 由 后及任务进 一般 需要 用软件 与) 行中 自动识别、有( 全自 高耦合多任务进行中高必需 转换信息动) 实现异地协同设计与制造系统需要许多相关技术的支持。从应用的角度看， 武汉理工大学硕士学位论文 可将其分为三大类型：计算机网络系统、支持并行工程的分布式c a d c a m 系 统，以及支持“动态联盟”组建、管理的虚拟企业管理系统。异地协同设计与 制造系统的关键技术包括：异地智力、物质资源建模与管理；异地分布式作业 调度模型；任务冲突解决；支持异地协同设计的三维可视环境的建立；异地产 品模型数据的动态实时转换、传输；产品模型数据的异地修改；异地过程监控 模型；基于网络的异地协同工作机制；异地设计与制造的产品模型数据管理系 统；安全防范机制。 进行协同工作的人们，具有分布性，交互性和多样性的特点。协同问题从 空间上看可以分为同地和异地，从时间上看可以分为同步和异步，因此以时间 和空间的概念界定，可以分为如表2 - 3 所示的四种模式。 表2 3 协同工作模式 本地 ? 异地 本地同步模式异地同步模式 同步 ( 室内会议)( 系统设计) 本地异步模式异地异步模式 异步 ( 流水作业)( 电子邮件) ，( 1 ) 本地异步模式。在同一地点但不同分工进行同一任务的合作方式，属 于本地异步模式的范畴，如流水作业等。支持此种协同工作方式的系统有共享 文件( s h a r e df i l e s ) ，t e a mr o o m s 等系统。这类系统由于用户的地理位置不具 有分散性，同时用户对它们的访问也是异步的，因此不需要对数据的实时传递。 它关注的重点更多的在于如何保证“长事务”处理中数据的一致性与用户之间 的互相感知。考虑共享文件的情形注意这里的文件共享不同于传统的文件服 务器中的文件共享。在此种系统中，通常某一份文档是综合多个不同的作者的 劳动成果而成的。常用的办法就是每个用户独立地( 异步，不同时) 完成文档 的一部分，然后在各作者之问进行校阅、批注、审定，最后定稿。因此系统所 应解决的问题是如何方便作者之间的信息交流，包括他们各自完成的文档部分、 对其他部分的批注、说明等，同时要对文档内容进行并发控制( 如不允许多个 人同时修改文档的同一部分，这是一种典型的长事务) 。除了这些长事务处理中 的并发控制与通知之外，这些系统一般都提供有数据保存功能( 使用文件系统 或某种类型的数据库) 。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 异地异步模式。在不同时间且不同地点进行同一任务的合作方式，属 于异地异步模式的范畴，这类系统比较丰富，如b b s 、电子邮件，协同写作、 协同设计、工作流、协同w w w 等等。目前的b b s 系统实际上给用户提供的是 一种文本信息的管理服务。这些文本信息被分成不同的类别( 讨论区) 。用户将 信息发送到b b s 服务器，b b s 服务器再将这些信息以适当的方式让有关的用户 了解到这些信息的存在，并进而决定如何对这些信息进行处理，如转发、回复 等。电子邮件系统的功能从数据管理的角度来看则更为简单。整个邮件系统所 做的实际上是根据预定义的方式( 指定的接收者、转发路径等) 对邮件数据进 行存储转发。当然这种系统有个严重的不足是目的机收到邮件之后它无法主 动地将这一信息告诉有关的用户，而只能是由系统在某些时机( 如用户登录或 根据某些定时机制) 去检查邮箱看是否有邮件到达。协同写作和设计中最重要 的功能也是给各参加者提供一个虚拟的电子白板。此白板的功能同桌面会议系 统中自板的功能是类似的，所不同的只是白板上所承载数据的组织方式以及产 生这些信息的手段而已。但对这些信息所需的控制机制( 如数据的分发传送、 并发控制、访问控制等) 都是相同的