（信息与通信工程专业论文）产品信息共享的相关基本理论与关键技术研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 网络技术的发展给制造业带来了深刻的革命，使网络化制造这一先进的制 造模式得到了迅猛的发展。网络化制造强调企业各部门之间的协作和产品开发 全生命周期内的信息共享，并以此达到缩短产品开发周期、降低产品开发成本、 提高产品开发质量和增强企业市场竞争力的目的。由于产品信息具有分布性、 动态性和异构性等显著特征，使得产品信息在统一、透明、无缝和高效共享方 面面临着难题。与此同时，由于产品信息的共享与交换通过i n t e r n e t 来实现，而 i n t e m e t 是一个开放的网络，任何人、任何组织都可以自由加入，因此产品信息 在共享过程中的安全也面临着严重的威胁。本文以解决上述问题为目标，依托 国家自然科学基金等项目，按照“研究相关理论、突破关键技术和解决实际问 题”的技术路线，对产品信息共享的相关理论和关键技术进行了深入研究，主 要工作如下： ( 1 ) 首先研究了产品信息共享的概念模型、控制模型、共享层次和产品信 息库的构建理论以及产品信息共享的服务质量衡量指标。然后研究了产品信息 建模的基本理论和相关关键技术，提出了一个基于s t e p ( s t a n d a r df o rt h e e x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 的通用产品建模框架( g e n e r i cp r o d u c tm o d e l l i n g f r a m e w o r k , g p m f ) 。该框架可以为不同类型的产品提供一种通用、标准、中性 的机制对产品开发过程的不同阶段的产品信息进行建模，使得不同的应用系统 或程序可以对同一信息模型根据自身需求进行存取，是实现产品开发全生命周 期内的产品信息共享的基础。 ( 2 ) 基于g p m f 框架，以注塑产品为例，建立了产品开发全生命周期内所 有产品信息的集成数据模型，并根据一定的映射规则，将这些产品信息模型映 射到数据库中，开发了一个关系型的产品信息数据库，实现了产品信息数据的 统一存取与管理。以产品信息数据库为核心，设计开发了一个集中式产品信息 共享原型系统，使得用户可以通过i n t e m e t i n t r a n e t 方便的对产品信息数据库的 信息进行访问、搜索、编辑、修改和管理，从而实现了产品信息的共享。 ( 3 ) 在分析了制造网格( m a n u f a c t u r i n gg r i d ，m g r i d ) 的内涵与基本理论的 基础上，创建了包含分布式信息聚合层、网络层、协议层、信息管理层、网格 武汉理工大学博士学位论文 服务中间件层、网格应用层、网格门户在内的侧重于产品信息共享的七层m g r i d 体系结构。基于m g n d 体系，设计了一个分布式产品信息共享原型系统，该系 统能提供一个高效的、动态的、安全的信息共享平台，实现不同地域、不同格 式、不同内容的产品信息的无缝共享与交换。为了提高系统的性能，还研究了 基于工作流的网格服务集成技术和分布式信息并行查询技术。 ( 4 ) 在分析了产品信息安全共享所面临的问题的基础上，对保证产品信息 安全共享的相关关键技术进行了研究，提出了一个产品信息共享的信息安全体 系，该体系可以控制用户的登录操作、对登录产品信息共享系统的用户进行身 份验证、根据用户所分配的权限严格控制用户的访问操作、对共享的产品信息 的版权进行保护、并且对用户对产品信息数据库的操作进行安全审计。基于该 信息安全体系和集中式产品信息共享原型系统，设计了一个产品信息安全共享 原型系统。分别对原型系统的体系结构、逻辑结构和功能模块进行了设计，并 给出了典型模块的运行实例，验证了系统的可行性。 关键词：产品信息共享；协同产品开发；产品信息建模；s t e p ；制造网格； 信息安全；删l 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r k i n gt e c h n o l o g yh a sb r o u g h tp r o f o u n d r e v o l u t i o nt ot h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n dh a sg r e a t l ya d v a n c e dt h ed e v e l o p m e n t o fn e t w o r k i n gm a n u f a c t u r i n g i no r d e rt os h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ， r e d u c et h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc o s t ，i m p r o v et h ep r o d u c td e v e l o p m e n tq u a l i t y , a n d e n h a n c e dt h e c o m p e t i t i v e n e s s o ft h e m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e ，n e t w o r k i n g m a n u f a c t u r i n ge m p h a s i z e s t h ec o l l a b o r a t i o na n di n f o r m a t i o ns h a r i n gb e t w e e n d e p a r t m e n t sd u r i n gt h ew h o l el i f e c y c l eo ft h ep r o d u c td e v e l o p m e n t h o w e v e r , d u et o t h el e a , s o nt h a tp r o d u c ti n f o r m a t i o ni sc h a r a c t e r i z e db yd i s t r i b u t i o n ，d y n a m i c ，a n d h e t e r o g e n e i t ye t c ，i ti sv e r yd i f f i c u l t yt oi m p l e m e n t t h eu n i f o r m , t r a n s p a r e n t ，s e a m l e s s , a n de f f e c t i v ei n f o r m a t i o ns h a r i n g m o r e o v e r , b e c a u s et h ep r o d u c ti n f o r m a t i o ni s s h a r e dv i at h ei n t e m e tw h i c hi sa no p e nn e t w o r k , a n y o n eo ra n yo r g a n i z a t i o nc a l l f r e e l yp l u gi n ，s o t h a t ，t h es e c u r i t yo ft h e s h a r e dp r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n gi s s u f f e r e ds e r i o u st h r e a t e n a i m i n gt oa d d r e s st h ep r o b l e m sd e s c r i b e da b o v e ，s p o n s o r e d b yt h ek e yp r o j e c t so fn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a , g u i d e db y t h er e s e a r c h p h i l o s o p h yo f “s t u d yr e l e v a n tt h e o r i e s ，s t r i v ef o rc r i t i c a lt e c h n o l o g i c a lb r e a k t h r o u g h s ， a n ds o l v et h ep r a c t i c a lp r o b l e m s ”，廿1 i st h e s i sf o c u s e st h er e s e a r c ho i lt h er e l a t i v e t h e o r i e sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fp r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n g t h em a i nc o n t r i b u t i o n s o f t h et h e s i sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( 1 ) f i r s t l y ，t h ec o n c e p t i o nm o d e l ，c o n t r o lm o d e l ，s h a r i n gl e v e l o fp r o d u c t i n f o r m a t i o ns h a r i n g ，t h ee s t a b l i s h m e n tt h e o r yo fp r o d u c ti n f o r m a t i o nl i b r a r y ，a n dt h e a s s e s s m e n tp a r a m e t e r so fq o sf o rp r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n g ，a l es t u d i e d t h e n ， t h r o u g h t h er e s e a r c ho nt h eb a s i ct h e o r i e sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fp r o d u c t i n f o r m a t i o nm o d e l l i n g ，as t e p - b a s e dp r o d u c tm o d e l l i n gf r a m e w o r k ( g p m f ) i s p r o p o s e d 1 f 1 圮p r o p o s e dg p m ff r a m e w o r kc a np r o v i d e sag e n e t i c ，s t a n d a r d ，a n d n e u r a lm e c h a n i s mf o rm o d e l l i n gd i f f e r e n tt y l ) e so fp r o d u c t sd u r i n gt h ew h o l e l i f e c y c l eo ft h ep r o d u c td e v e l o p m e n t a l lt h ep r o d u c ti n f o r m a t i o ni se n c a p s u l a t e di n t h ep r o d u c tm o d e l ，w h i c hc a l lb ea c c e s s e da n dm a n i p u l a t e db yd i f f e r e n to p e r a t i o n s y s t e ma n da p p l i c a t i o np r o g r a m s t h e r e f o r e ，t h ep r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n gd u r i n g t h ew h o l el i f e c y c l ec a nb ea c h i e y e d 1 武汉理工大学博士学位论文 ( 2 ) b a s e do nt h eg p m ff r a m e w o r k ，t a k i n gi n j e c t i o nm o u l d i n gp r o d u c t sa sa l l e x a m p l e ，t h ei n t e g r a t e dp r o d u c td a t am o d e li se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt oc e r t a i n m a p p i n gm e c h a n i s m s ，t h ep r o d u c tm o d e li sm a p p e dt oar e l a t i o n a lp r o d u c td a t a b a s e t h e m f o l e ，t h ep r o d u c td a t ac a l lb eu n i f o r m l ys t o r e da n dm a n a g e db yt h ed a t a b a s e t a k i n gt h ep r o d u c td a t a b a s ea st h ec o l e ，ac e n t r a l i z e dp r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n g p r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e d t h r o u g ht h es y s t e m ，u s e rc a na c c e s s ，s e a r c h , e d i ta n d m a n a g et h ei n f o r m a t i o ns t o r e di nt h ep r o d u c td a t a b a s ev i at h ei n t e m e t i n t r a n e t c o n s e q u e n t l y , t h ep r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n gi si m p l e m e n t e d ( 3 ) t h r o u g h t h er e s e a r c ho nt h ec o n n o t a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so f m a n u f a c t u r i n gg r i d ( m e - r i d ) ，a nm g r i ds y s t e m w h i c hf o c u s e so np r o d u c t i n f o r m a t i o ns h a r i n gi sp r o p o s e d t h es y s t e ma r c h i t e c h l r ec o n s i s t so fad i s t r i b u t e d i n f o r m a t i o na g g r e g a t i o nl a y e r , an e t w o r ki n f r a s t r u c t u r el a y e r , ap r o t o c o ll a y e r , a n i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tl a y e r , ag r i ds e r v i c em i d d l e w a r el a y e r , ag r i da p p l i c a t i o n l a y e r , a n dag r i dp o r t a l b a s e do nt h em g r i d ，ad i s t r i b u t e dp r o d u c ti n f o r m a t i o n s h a r i n gp r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e d t h es y s t e mc a np r o v i d e sa l le f f i c i e n t , d y n a m i c ， t r a n s p a r e n ta n ds e c u l ei n f o r m a t i o ns h a r i n gp l a t f o r mf o rs e a m l e s ss h a r i l l go ft h e d i s t r i b u t e d ，h e t e r o g e n e o u sp r o d u c ti n f o r m a t i o n i no r d e rt o f u r t h e ri m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h ed e v e l o p e ds y s t e m ，t h ew o r k f l o wt e c h n o l o g ya n dt h ec o n c u r r e n t l y d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o nq u e r yp r o c e s sa l ea l s oi n v e s t i g a t e d ( 4 ) b ya n a l y z i n gt h ee x i s t i n gp r o b l e m so fs e c u r ep r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n g , t h er e l a t e dk e yt e c h n o l o g i e st oe n s u r et h es e c u r i t yo fp r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n ga r e i n v e s t i g a t e d t h e n , a ni n f o r m a t i o ns e c u r i t y a r c h i t e c t u r ef o rp r o d u c ti n f o r m a t i o n s h a r i n gi sp r o p o s e d o nt h eo n eh a n d ，t h el o g i n , a u t h e n t i c a t i o n , a c c e 鹃o p e r a t i o no f u ! ；e r sc a nb em o n i t o r e d ，t h ec o p y r i g h to ft h ep r o d u c ti n f o r m a t i o nc a nb ep r o t e c t e d ， a n dt h ea c t i v i t yo fu s e r sc 觚b ea u d i t e d 鲢w e l l b a s e do nt h ep r o p o s e di n f o r m a t i o n s e c u r i t ya r c h i t e c t u r ef o rp r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n ga n dt h ec e n t r a l i z e dp r o d u c t i n f o r m a t i o ns h a r i n gp r o t o t y p es y s t e m ，as e c u r ep r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n gp r o t o t y p e s y s t e mi sd e v e l o p e d t h ea r c h i t e c t u r e ，l o g i c a ls t r u c t u r ea n de a c hf u n c t i o nm o d u l ea l e d e s c r i b e d t h er u n n i n gi n t e r f a c e so ft y p i c a lm o d u l e sa g ed e m o n s t r a t e dt ov 耐匆t h e f e a s i b i l i t yo ft h ed e v e l o p e ds y s t e m k e y w o r d s ：p r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n g ；c o l l a b o r a t i v ep r o d u c td e v e l o p m e n t ；p r o d u c t i n f o r m a t i o nm o d e l l i n g ；s t e p ；m a n u f a c t u r i n gg r i d ；i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ； x m l i v 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文字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 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：近日期：兰坐彦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：匾导师签名： 武汉理工大学博士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 本学位论文的研究主要得到如下项目的资助： ( 1 ) 国家自然科学基金重大国际合作与交流项目( 5 0 6 2 0 1 3 0 4 4 1 ) ：以网 络为基础的数字制造环境的新理论和新技术研究。 ( 2 ) 国家自然科学基金重点项目( 5 0 3 3 5 0 2 0 ) ：网络环境下的数字制造理 论与关键技术。 ( 3 ) 新西兰国际合作重点项目( p r o j 1 3 5 4 6 i i o f u o a ) ：e n a b l i n g t e c h n o l o g yf o rr a p i dd e v e l o p m e n to fh i g hv a l u e a d d e dc u s t o m i z e dp r o d u c t s 1 1 2 研究目的与意义 2 1 世纪信息技术的最大进步是i n t e m e t 及其相关技术的发展和成熟。随着 i n t e m e t 迅速壮大和普及，网络应用的领域越来越广，正对社会的进步和经济的 变革产生深远的影响。i n t e m e t 技术对制造业的巨大影响，在于它促成了生产方 式的巨大变革。为了迎接挑战，当前许多发达国家的学术界和企业界提出了许 多新的产品开发策略、生产模式和先进制造技术。例如，计算机集成制造系统 ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c f l v s ) 、网络化制造( n e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n g ，n m ) 、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 ) 、智能制造 ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g ，i m ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g , a m ) 、虚拟 制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 、绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ，g m ) 、数 字制造( d i g i t a lm a n u f a c t m i n g ，d m ) ，等。尽管上述新理论和新模式涉及的范围 和考虑问题的角度不同，但它们有一个共同点，即都强调产品开发全生命周期 内的产品信息共享。 在现代制造模式下，产品信息具有以下几个显著的特征： ( 1 ) 分布性 在市场全球化的趋势下，许多企业将生产场地、生产设施和相关的生产活 武汉理工大学博士学位论文 动分布在全球的不同地方，使得相关的产品信息广泛分布于全球范围内，这些 产品信息属于不同的部门，存在于不同的管理域中。所以，分布性是产品信息 的一个重要特征。 ( 2 ) 动态性 在产品的开发过程中，由于信息资源可以自由地、动态地被增加、修改或 者删除，同时可能由于网络、信息管理设备的故障，造成某一时刻某些信息不 能被使用，因此，产品信息具有动态性。 ( 3 ) 异构性 不同制造企业之间，甚至同一制造企业内部由于不同部门需求不同，其软 硬件环境可能会不同，因此企业应用系统一般都是运行在由不同硬件平台、操 作系统和异构数据库管理系统组成的异构环境下。产品开发过程中产生的数据 除结构化数据外，还有图形、文字、表格、三维模型等非结构化数据。所以， 产品信息的结构、格式、内容具有异构性。 所以，现代制造企业对产品信息共享提出了新的要求： ( 1 ) 集成化 产品的设计、生产过程已成为了一个多学科、多部门、多系统间的协同合 作过程，建立统一的面向产品全生命周期的产品信息模型，实现设计、制造、 装配、营销、服务等环节的高度信息集成与共享，已成为企业产品信息共享的 基本要求。 ( 2 ) 标准化 通常产品信息是由不同应用领域的应用软件或同一应用领域的不同应用软 件产生的，只有遵循统一的国际标准才能实现共享和交换。国内外产品信息共 享技术研究与实践表明：利用s t e p 标准实现产品数据的共享和交换和利用x m l 标准实现产品文档信息的共享和交换是十分科学和可行的方案。 ( 3 ) 网络化 随着i n t e m e t i n t r a n e t 的发展，网络已成为企业信息集成的基础，企业动态 联盟、电子商务、网络销售、网络采购、网上服务等新的营销、管理和服务方 式正日益兴起，将使企业通过i n t e r n e t 直接面对合作伙伴、供销商甚至最终用户， 通过开放产品数据平台实现与外部环境的数据共享和交流，因而必须提供一种 标准的、与平台无关的访问产品数据的方法。 ( 4 ) 实时性 2 武汉理工大学博士学位论文 现代产品的制造是一个企业各个不同部门的成员共同协作的结果，各部门 之间的产品开发活动联系紧密，一个部门的某个成员对产品信息所做的修改可 能会直接影响本部门其他成员或者其他部门成员的生产活动，如果产品信息不 能实时共享，则会造成大量的重复工作，从而延长了产品的开发周期，增加了 产品的开发成本。因此，必须保证产品信息能够实时、高效地共享。 ( 5 ) 安全性 产品信息在共享的过程中必须保证其安全访问、安全传输、安全使用，否 则，会直接影响产品的开发活动能否顺利、正确、如期完成。另外，为了维护 企业的利益，在产品信息通过网络进行共享的过程中，必须保证共享的产品信 息的版权。 综上所述，研究如何实现产品信息共享的集成化、标准化、网络化、实时 性、安全性对于制造企业充分利用和调度企业的各种信息资源，加强企业成员 之间的协作，进而提高企业的生产效率、缩短产品的开发周期、降低产品的开 发成本、提高产品开发质量、增强企业竞争力有着重要的意义。 1 1 3 研究目标 针对产品信息的特征和现代制造企业对产品信息共享的要求，本论文的研 究目标是： ( 1 ) 提出一个标准的、通用的、中性的产品信息建模框架，可以为不同类 型的产品在产品开发的不同阶段的所有信息进行建模，使得企业不同部门、不 同领域的成员都可以对同一产品信息模型根据自己的需要进行操作和存取，以 实现产品开发全生命周期内的信息共享。 ( 2 ) 以产品信息模型为基础，开发一个产品信息数据库对所有的产品信息 进行存储和管理；以产品数据库为核心，研究设计一个集中式产品信息共享原 型系统，使得用户既可以通过i n t e m e t i n t r a n e t 输入新的产品信息，也可对产品 数据库里的信息进行访问、编辑、修改、删除等操作；并通过实例验证系统的 可用性。 ( 3 ) 构建一个侧重产品信息共享的m g d d 体系结构；基于m g r i d ，研究设 计一个分布式产品信息共享原型系统，使得分布在不同地域、不同结构、不同 格式、不同内容的产品信息可以高效、动态、便利地进行共享和交换；并以实 例验证系统的可行性和优点。 武汉理工大学博士学位论文 ( 4 ) 研究设计一个产品信息安全共享原型系统，保证产品信息共享的安全 性，使得产品信息在共享和交换的过程中，不被非法用户拦截、窃取、篡改、 复制。并以典型实例的界面验证系统的可行性。 1 2 相关领域的国内外研究现状 1 2 1 产品建模的国内外研究现状 近年来，产品模型及相关建模技术的研究一直十分活跃，国外许多专家和 学者对产品模型进行了研究，分别从不同角度对产品进行了定义，国际标准化 组织还制定了产品模型数据交换标准一s t e p 。s t e p 标准是一个非常庞大复杂 的标准，迄今为止，还有许多内容尚待完善，它的目标是提供一个不依赖于任 何具体系统的中性机制，以描述贯穿整个产品生命周期内的产品数据，并在不 同的系统间进行数据交换时保持数据的一致性【l 】。 在国内，开展这方面研究的有：清华大学国家c i m s 工程技术研究中心、浙 江大学c a d & c o 国家重点试验室、华中科技大学机械科学与工程学院、武汉 理工大学数字制造湖北省重点实验室、北京航空航天大学7 2 0 所及上海交通大 学计算机系等单位。 产品建模的研究经历了如下几个阶段：产品几何模型建模、基于特征的产 品建模、基于特定域知识的产品建模、集成产品建模以及基于s t e p 的产品建模。 ( 1 ) 产品几何模型的研究 经过二十多年的探索，产品几何建模技术己经更加实用和成熟。每一种几 何建模技术都获得了长足的发展，也都有其长处和不足。如线框模型简便实用， 但不含面的信息，存在二义问题；曲面模型可以构造复杂的几何形状，但不提 供曲面之间的相关信息；实体造型具有完整的几何和拓扑信息，但不能表示非 流形物体，几何覆盖域小【2 叫。因此，只有各种几何模型结合，才能各取所长， 相得益彰。目前几何建模技术正致力于改进数据结构，各种几何模型的集成与 相互转换的研究。 ( 2 ) 基于特征的产品建模研究 8 0 年代后期出现了集几何信息与非几何信息于一体的基于特征的产品信息 模型。特征模型是几何模型的一大进步，不仅可以表示零件的几何特征，还包 含一些工艺信息，如粗糙度、几何形位公差、加工方法等，比纯几何建模提供 4 武汉理工大学博士学位论文 较多的语义描述，能够捕捉更多的设计者的意图，可作为表达制造信息如工艺、 刀具、材料和装配等要求的基体，成为c a d c a m 集成的基础【7 - 1 0 。许多专家和 学者对特征进行了研究，分别从不同的角度对特征进行了定义： p r a t t 的定义。特征是一个零件的表面上有意义的区域，共分为六类特征： 通道特征、凹陷特征、凸起特征、过渡特征、域特征、变形特征。这种特征的 定义和分类方法主要是基于形状，后来被s t e p 标准采用( 1 j j 。 s h a h 的定义。特征是产品信息传递的载体，它能帮助设计、制造或其它工 程任务之间的通讯与交流。他把产品信息分为五类特征：形状特征、精度特征、 技术特征、材料特征和装配特征。 g a r d a n 的定义。特征是零件描述或零件之间关系的有关信息集。 t o r b e n 的定义。特征是零件的形状或其它属性的信息集。 周生祥，顾新建等【1 2 1 4 】将基因工程思想用于自上而下的机械产品结构设计， 将特征看作是产品结构信息的d n a ，提出了基于基因工程思想的产品结构设计 模型，解决了产品信息表达组织及规划问题，把自上而下的设计过程和自下而 上的装配过程有机的结合起来，能很好地支持产品零部件结构变异。 李书田等【1 5 l 在对特征分类基础上，研究了基本形状特征之间的空间关系和 拼装所遵循的规律，提出了基于特征关系矩阵及其有向无环图的描述方法，建 立具有动态性和层次性的产品特征的数据模型，使产品模型具有更好的可描述 性和可操作性。 从上述定义和研究可以看出，这些特征主要是基于零件进行描述的，所以 特征建模仍然是低层次的，缺乏高层次的抽象信息如产品及部件信息，不支持 早期的概念设计。而且，每一预定义特征都含有局域的、个别的制造活动信息， 产品的信息关联性差，而这种应用专一性是基于特征设计的弱点。模型虽然提 供了粗糙度、尺寸公差等信息，但缺乏与几何体、形状特征等之间的必然联系。 同时还存在信息不完全、特征定义一致性差，导致特征识别难等问题，对产品 生命周期的各个环节缺乏统一的描述。许多研究人员试图拓展特征概念，在特 征原有的性质和属性上增加一些语义性、变动性、置换性和遗传性等新描述， 形成复合特征，如广义特征等，来适应早期设计对象的抽象性、模糊性和继承 性，以支持更广泛的设计过程。但是，这种方法只能很有限地扩大产品模型适 用范围，因为早期设计的大部分信息与几何形状、特征无关f l6 ，1 7 1 。 ( 3 ) 基于特定域知识的产品建模 武汉理工大学博士学位论文 基于特定域知识的产品模型是依据产品形成过程对产品信息需求，对产品 对象进行抽象并结合c a x 技术原理形成的产品模型。这种产品模型的主要特点 是利用人工智能技术将专家设计经验和产品设计过程的环境知识相结合，提高 了企业中各种技术上、管理上和制造过程的效率并改善其工作的质量，取得令 人满意的效果。 z h o n g 等人【1 8 l 研究了基于知识的产品建模方法在并行产品开发过程中的应 用，提出了一个基于知识的过程建模框架。另外，域知识也被用到了产品开发 全生命周期的建模里。c r o s n i e r 和r h a r m a o u i1 1 9 j 开发了一个基于知识的 c a d c a m 系统来建模产品和产品设计过程，开发者的意图被转化为以参数化表 示的设计操作。在当前智能设计的基础上，z h a o 等人【2 0 】提出了一种在将冲压产 品和级进模冲压过程集成在一起的方法，以提高冲压产品的开发能力。为了使 产品开发者能在产品的创新性和艺术性方面做出更多的努力，s u n 等人【2 l 】提出将 基于知识的工程学( k n o w l e d g e - b a s e de n g i n e e r i n g ，k b e ) 用于产品的开发， 提 出了一种基于知识域的产品信息结构模型。 虽然基于特定知识域的产品建模方法与前面两种方法相比具有许多独特的 优点，但是这种建模方法缺乏产品开发过程的集成信息，容易形成产品信息“孤 岛 ，另外，在知识处理领域尚存在许多有待解决的问题，例如知识的正确性验 证、不完整知识的处理、知识表示内部冲突的处理以及新的特征知识的加入等。 ( 4 ) 集成产品建模 集成化产品模型是在9 0 年代后期提出的，它推广了特征含义，通过广义特 征概念包含了产品生命周期内各种特征信息，解决了c a d c a p p c a m 集成化中 数据共享和一致性、产品信息不完全等问题。存在的主要问题是仍然以特征为 中心，看问题不自然，缺乏面向对象的优秀思想，建立的模型缺乏层次性，特 征类之间的关系不明确。 集成化的产品模型具有共享性、一致性等特点，成为了产品建模领域研究 的热点，涌现了许多较为典型的产品模型和产品建模方法。 基于产品物理本质的元建模技术。由t o m i y a m a 和y o s h i k a w a 等人 2 2 , 2 3 1 提出，他们认为各种应用模型之所以难以沟通，根本原因在于不同的应用领域 所涉及的知识域不同，现有的模型没有建立这些知识域之间的联系，因而无法 进行信息的重用和共享。他们把产品中那些反映物理本质的信息如质量、速度 和力等属性作为信息元，用符号来描述不同抽象程度、不同粒度、不同近似度 6 武汉理工大学博士学位论文 以及不同对应关系上的各信息元之间的物理学依赖关系，用由这些信息元及其 依赖关系构成的元模型来建立起知识域之间的联系，而后通过定性推理就可以 从元模型中导出各应用分析模型，而各应用模型的变化也能通过元模型传播到 其它应用模型中去。建立基于物理本质的元模型需要开发人员对产品的各种物 理规律有清楚的了解，这在产品开发过程的初始阶段是十分困难的。 多视图特征基中间模型。由t e r e s a 等人 2 4 1 提出，该模型的主要特点是基 于特征的集成建模方法，建立零件模型的统一的、多视图表示，称为中间模型， 通过特征识别、特征匹配，产生领域相关的特征基模型，实现c a d 与后续工程 应用的集成。 基于需求的产品功能模型。由b a x t e r 2 5 】等人提出的基于需求的产品功能 模型有两条主线：一条是描述产品的功能，以需求为驱动，以功能满足需求， 并利用功能分解来深化产品设计；另一条是描述产品结构，产品由什么零部件 构成，这些零部件又由什么子零部件构成。这两条主线之间的联系反映了“某 个功能由什么结构实现 。这个模型虽然比以往的产品模型多了功能描述，但是 它并没有描述零部件的装配关系及运动关系等，难以满足产品设计开发全过程 的需求。 基于s t e p 的产品建模方法和模型。由g u 和k m a c h n a 设计开发的基于 s t e p 的通用产品建模系统( g e n e r i cp r o d u c tm o d e l l i n g ，g p m ) ，该系统利用集成 的s t e p 制造资源、完备的产品信息结构和标准的数据格式，支持并行环境下制 造活动的集成1 2 6 1 。 c a d 和产品主模型。c h r i s t o p h 和r o b e r t 2 7 提出了一个产品主模型框架， 用于连接c a d 系统和下游应用系统，维护了模型信息之间的关联，采用联动协 议，实现c a d 模型和下游领域模型信息的一致性保证。 基于产品定义单元( p r o d u c td e f i n i t i o nu n i t ，p d u ) 和元建模的产品模型。 由清华大学国家c i m s 中心仿真与虚拟制造研究所提出 2 8 j 。基于虚拟制造对产 品建模的要求，采用特征、零件和装配三个层次的产品定义单元构造产品设计 模型，基于s u m m 元建模技术实现模型之间的互操作，虚拟制造各种应用模型 可以由此设计模型衍生而来，较好地解决了现有产品模型语义信息缺乏的问题， 并具有良好的致性、可扩充性和可重用性。 o e t t e r 等人1 2 9 】讨论了集成产品模型的优点，根据造船工业的需求和特点，提 出了一个包含造船生命周期产品信息的产品模型。 7 武汉理工大学博士学位论文 l i n 等人【3 0 j 提出了一个集成产品模型框架，该框架基于w ，e b 服务，能够灵 活地集成协同产品开发不同阶段的异构制造系统。由于该建模框架利用s t e p 标 准和x m l 来表示和交换信息，所以具有很好的开放性和扩展性。另外，通过使 用一种面向服务的多粒度的架构，集成产品建模信息还具有很高的可重用性。 c h i n 等人1 3 l 】提出了一种基于s t e p 的多角度集成产品模型的表示方法。这 种方法包括了集成产品模型的体系结构和信息需求，还包括了一个多角度模型 操作的映射机制来实现并行环境中的产品开发。他们还开发了一种基于s t e p a p 2 1 4 的集成产品模型的原型，用来支持并行产品开发。这个原型里包括了几 何模型、特征模型、产品定义模型和集成核心模型等。 g u 等人【3 2 l 提出了一个支持c a d 和c a m 集成的信息模型，该模型包括一个 全局信息模型和局部信息模型，全局信息模型被用来为所有的局部信息模型共 享，它的结构按照s t e p 实体定义，可以从全局信息模型中检索必要的信息。 s h a h 等人p 3 】提出通过中性文件来实现集成产品模型交换，并认为s t e p 可 以实现c a d c a m 间数据交换，他们为此做了一个原型系统m d i 。 吴晓丹等人【3 4 l 针对并行工程和智能制造的信息需求，在特征技术的研究基 础上，提出了融多元化特征造型和特征映射为一体的新型集成化产品信息建模 机制，创建了四个层次的集成产品模型结构，满足了集成制造系统的信息需求。 杨世锡等人 3 5 】针对并行工程需求，对特征的定义进行了扩展，提出了广义 特征的概念，基于广义特征和s t e p 标准建立了零件信息模型。该模型分四个层 次定义和描述零件信息，分别为零件层、广义特征层、特征层和几何拓扑层， 为c a d 的后续过程，如工艺设计、可制造性评价提供了丰富的零件信息，便于 实现c a d 与后续过程的并行。 ( 5 ) 基于s t e p 的产品建模 s t e p 是国际标准化组织制订的一个产