（机械工程专业论文）基于语义的产业链网络化协同设计模式及关键技术研究.pdf

s e m a n t i c b a s e dm o d e lo fn e t w o r k e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g na n di t sk e yt e c h n o l o g y i ni n d u s t r yc h a i n at h e s i ss u b m i t t e dt oc h o n g q i n gu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h e d e g r e eo f d o c t o ro fe n g i n e e r i n g b y t a n gh u a m a o s u p e r v i s e db yp r o f g u og a n g m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n go fc h o n g q i n g u n i v e r s i t y , c h o n g q i n g ，c h i n a s e p t e m b e r 2 0 1 0 中文摘要 摘要 产业链传统产品设计模式中供应商只是试制阶段才参与产品开发，影响了主 机厂对市场的快速响应以及零部件的设计质量和制造成本。因此，主机将自己承 担的零部件设计任务交给供应商进行同步开发，减少试制返工，降低制造成本， 缩短开发周期。基于i n t e m e t 构建计算机支持的网络化协同设计模式、工具、方法 以及平台是产业链开展网络化协同设计的迫切需求。由于传统w e b 缺乏语义，现 有的网络化协同设计模式通过h t m l 文档描述设计资源、设计需求、产品模型、 设计任务等，很难被主机厂、供应商以及计算机系统所共同理解，容易产生歧义。 同时w e b 上的信息不被计算机所理解，很难提高协同设计的智能化和自动化水平。 针对以上问题，提出了基于语义的网络化协同设计模式，构建了基于语义使能技 术的网络化协同设计系统模型，并对基于语义的产品功能模型、共享产品及零部 件信息模型以及协同设计项目任务模型等关键技术进行了深入研究。论文的主要 研究内容如下： 提出了一种基于语义的网络化协同设计模式。采用语义元数据来描述网络 化协同设计的过程、任务、标准、接口以及产品信息等，使设计信息交互以及协 同设计过程具有明确定义的语义，使人和机器都能共同理解，减少歧义。构建了 基于语义使能技术的网络化协同设计系统模型，其体系结构主要由六层组成，分 别为：基础数据支撑层、传统业务支撑层、设计资源语义描述层、网络化协同设 计本体层、基于语义的协同设计服务层以及基于语义的协同设计应用层。 提出了一种基于语义的产品功能形式化描述模型。使产品功能模型的描述 有一个统一的标准并且能够准确表达设计者的意图，让网络化协同设计的主机企 业、供应商以及计算机都能共同理解。构建了产品功能本体，定义了产品功能、 功能行为、功能流以及产品功能特征属性的语义元数据描述模型。 提出了一种基于语义的共享产品及零部件信息形式化描述模型。从产品功 能、产品性能、产品结构、设计知识、特征属性以及协同管理信息等方面对产品 及零部件信息进行语义描述。定义了产品本体的概念以及描述产品及零部件信息 的语义元数据。 提出了一种基于语义的协同设计项目任务形式化描述模型。从项目任务特 征属性以及项目任务与设计资源、任务方法、设计对象、企业部门及供应商之间 的关系两个方面来描述项目任务。定义了描述项目任务的语义元数据，将任务之 间以及任务与其他信息之间的关系明确化、显示化和形式化，使计算机能自动参 与协同设计项目计划的执行和过程监控。 重庆大学博士学位论文 构建了基于语义的网络化协同设计平台。平台采用j a v a 2 的e j b 技术， w e b l o g i c 中间件、o r a c l e 数据库以及三层体系结构实现。采用o w l 作为本体描述 语言构建产品功能本体、产品本体以及项目任务本体，通过本体对产品数据库、 设计资源库、知识经验库、项目任务库等进行语义标注。采用s p a r q l 本体查询 语言，使用p e l l e t 推理机来实现基于语义的查询和推理。 关键词：网络化协同设计，语义w e b ，描述逻辑，o w l 英文摘要 a bs t r a c t t r a d i t i o n a lp r o d u c td e s i g no fi n d u s t r yc h a i nh a sa f f e c t e dt h eh o s te n t e r p r i s e sr a p i d r e s p o n s et om a r k e t s ，q u a l i t i e so fc o m p o n e n t sd e s i g na n dc o s t so fm a n u f a c t u r eb e c a u s e t h a tt h es u p p l i e r sw e r ea l l o w e dt o p a r t i c i p a t e i n p r o d u c td e v e l o p m e n to n l y a t t r i a l - m a n u f a c t u r es t a g e t h eh o s te n t e r p r i s e sg i v et h es u p p l i e r sp a r t sd e s i g nt a s ko f t h e m s e l v e sf o rs y n c h r o n i z ed e v e l o p m e n t , r e d u c i n gt r i a lr e w o r k ，l o w e rm a n u f a c t u r i n g c o s t sa n ds h o r t e rd e v e l o p m e n tc y c l e t oc o n s t r u c tt h em o d e s ，m e t h o d s ，t o o l sa n d p l a t f o r m so fn e t w o r k e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nb a s e do ni n t e m e ti st h eu r g e n tn e e d so f i n d u s t r yc h a i n t h em e a n i n g so fd e s i g nr e s o u r c e ，d e s i g nr e q u i r e m e n t ，p r o d u c tm o d e l a n dd e s i g nt a s kw h i c hd e s c r i b e db yh t m la r ea m b i g u o u sa n dd i f f i c u l tt om a k eh o s t e n t e r p r i s e s ，s u p p l i e r sa n dc o m p u t e rs y s t e m su n d e r s t a n dm u t u a l l yd u et o t h el a c ko f s e m a n t i c so ft r a d i t i o n a lw e b a tt h es a m et i m e ，t h ei n f o r m a t i o no nt h ew e bc a n n o tb e u n d e r s t o o db yc o m p u t e r s ，i ti sh a r dt oe n h a n c et h ei n t e l l i g e n c ea n da u t o m a t i o nl e v e lo f c o l l a b o r a t i v ed e s i g n i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，as e m a n t i c - b a s e dm o d eo f n e t w o r k e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sp r o p o s e d a n dt h es e m a n t i c b a s e dp r o d u c tf u n c t i o n a l m o d e l s h a r i n gp r o d u c t & p a r t sm o d e la n dc o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o j e c tt a s kw e r e s t u d i e dd e e p l y t h em a i nr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w s ： as e m a n t i c b a s e dm o d e lo fn e t w o r k e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nw a sp r o p o s e d t h e p r o c e s s ，t a s k ，s t a n d a r d ，i n t e r f a c ea n dp r o d u c to ft h en e t w o r k e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n w e r ed e s c r i b e d 、析t hs e m a n t i cm e t a d a t aw h i c hc a nm a k et h ed e s i g ni n f o r m a t i o n e x c h a n g e da n dc o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o c e s sh a sac l e a r l yd e f i n e ds e m a n t i c sa n dc a nb e u n d e r s t o o dc l e a r l yb yp e o p l ea n dm a c h i n e s as e m a n t i c - b a s e ds y s t e mo fn e t w o r k e d c o l l a b o r a t i v e d e s i g n w a sc o n s t r u c t e d t h ea r c h i t e c t u r eo ft h e s y s t e m i s m a i n l y c o m p o s e do fs i xl a y e r s ：b a s i cd a t as u p p o r t i n gl a y e r , t h et r a d i t i o n a lb u s i n e s ss u p p o r t i n g l a y e r , d e s i g nr e s o u r c e s s e m a n t i cd e s c r i p t i o nl a y e r , n e t w o r k e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n o n t o l o g yl a y e r , s e m a n t i c - - b a s e ds e r v i c el a y e ra n ds e m a n t i c - b a s e da p p l i c a t i o nl a y e r as e m a n t i c - b a s e df o r m a ld e s c r i p t i o nm o d e lo fp r o d u c tf u n c t i o nw a sp r o p o s e d i no r d e rt o u n i f yt h ed e s c r i p t i o no ft h em o d e la n dt om a k es u r eh o s te n t e r p r i s e s ， s u p p l i e r sa n dc o m p u t e r su n d e r s t a n d i n gt h ed e s i g n e r si n t e n t s ，ap r o d u c tf u n c t i o n o n t o l o g yw a sc o n s t r u c t e d a n dt h es e m a n t i cm e t a d a t ad e s c r i p t i o nm o d e lo fp r o d u c t f u n c t i o n ，f u n c t i o nb e h a v i o r , f u n c t i o nf l o wa n df u n c t i o n a la t t r i b u t ew e r ed e f i n e d as e m a n t i c b a s e df o r m a ld e s c r i p t i o nm o d e lo fs h a r i n gp r o d u c t & p a r t sw a s i i i 重庆大学博士学位论文 p r o p o s e d t h ep r o d u c ta n dp a r t sw e r ed e s c r i b e d 、析ls e m a n t i cb a s eo np r o d u c tf u n c t i o n , p r o d u c tp e r f o r m a n c e ，p r o d u c ts t r u c t u r e ，d e s i g nk n o w l e d g e ，p r o d u c tp r o p e r t y , e ta 1 t h e p r o d u c to n t o l o g ya n ds e m a n t i cm e t a d a t ao fp r o d u c t & p a r tw e r ed e f i n e d as e m a n t i c b a s e df o r m a ld e s c r i p t 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 np r o j e c tt a s k w a sp r o p o s e d t h ep r o j e c tt a s kw a sd e s c r i b e d 、析t l lt h ec h a r a c t e r i s t i ca t t r i b u t eo ft h et a s k a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et a s ka n dr e s o u r c e s ，m e t h o d s ，d e s i g no b j e c t s ，e n t e r p r i s e d e p a r t m e n t sa n ds u p p l i e r s t h es e m a n t i cm e t a d a t ao f t h ep r o j e c tt a s kw e r ed e f i n e d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt a s k sa n dc o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o nw e r ed e s c r i b e de x p l i c i t l y , c l e a r l y a n df o r m a l i z e d a n dc o m p u t e r sc o u l da u t o m a t i c a l l yp a r t i c i p a t ei n t h ei m p l e m e n t a t i o no f c o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o je c ta n dp r o c e s sm o n i t o r i n g an e t w o r k e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g np l a t f o r mb a s e do ns e m a n t i cw a se s t a b l i s h e d w h i c ha d o p t st h r e e - l a y e rs y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h et e c h n o l o g yo fe j bo fj a v a 2 ， w e b l o g i cm i d d l e w a r ea n do r a c l ed a t a b a s e t h eo w l w a su s e da s t h ed e s c r i p t i o n l a n g u a g et oc o n s t r u c tt h ef u n c t i o no n t o l o g y , p r o d u c to n t o l o g ya n dp r o j e c tt a s ko n t o l o g y t h ep r o d u c td a t a b a s e ，d e s i g nr e s o u r c er e p o s i t o r y , k n o w l e d g e & e x p e r i e n c eb a s ea n d p r o j e c tt a s kd a t a b a s ew e r ea n n o t a t e dw i t l lt h eo n t o l o g y t h es p a r q lq u e r yl a n g u a g e a n dt h ep e l l e ti n f e r e n c ee n g i n ew e r eu s e df o rq u e r ya n dr e a s o n i n gb a s e do ns e m a n t i c k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，s e m a n t i cw e b ，d e s c r i p t i o nl o g i c ，o w l i v 目录 目录 中文摘要i 英文摘要i i i l 绪论1 1 1 论文的选题背景l 1 2 国内外研究现状及存在的问题2 1 2 1 网络化协同设计模式研究现状3 1 2 2 网络化协同设计关键技术研究4 1 2 3 基于i n t e m e t 的网络支撑环境7 1 2 4 网络化协同设计系统存在的不足1 l 1 3 论文研究目的、意义及内容1 2 1 3 1 论文研究的目的1 2 1 3 2 论文研究的意义1 2 1 3 3 论文研究的主要内容1 3 1 4 论文的主要创新1 4 2 基于语义的产业链网络化协同设计模式及使能技术1 5 2 1 产业链网络化协同设计业务模式1 5 2 1 1 产业链网络化协同设计的模式1 5 2 1 2 产业链网络化协同设计的特征1 6 2 2 基于语义的网络化协同设计模式1 8 2 2 1 基于语义的网络化协同设计模式1 8 2 2 2 基于语义的网络化协同设计系统1 9 2 3 基于语义w e b 的使能技术2 0 2 3 1 基于语义的元数据描述模型2 0 3 3 2 协同设计信息的语义标注2 3 2 3 3 基于描述逻辑的语义及推理2 5 2 4 小结2 8 3 基于语义的产品功能形式化描述模型3 1 3 1 产品功能模型及形式化建模需求31 3 1 1 协同设计产品功能建模需求3 1 3 1 2 产品功能的形式建模需求3 2 3 2 基于语义的产品功能形式化描述方法3 3 v 重庆大学博士学位论文 3 2 1 产品功能本体的定义。3 3 3 2 2 产品功能本体语义元数据的定义3 4 3 2 3 基丁二语义的产品功能描述实例4 0 3 3 基于功能语义的产品配置实例4 1 3 4 小结4 4 4 基于语义的共享产品及零部件信息形式化描述模型4 7 4 1 共享产品及零部件信息建模需求4 7 4 2 基于本体的共享产品及零部件信息模型4 8 4 3 基于语义的产品及零部件信息元数据定义。5 0 4 3 1 产品及零部件特征属性的定义5 0 4 3 2 产品及零部件信息间关系的定义5 4 4 4 基于语义的共享产品及零部件信息模型应用实例5 5 4 5 小结5 8 5 基于语义的协同设计项目任务形式化描述模型5 9 5 1 网络化协同设计项目任务5 9 5 1 1 网络化协同设计项目任务概念5 9 5 1 2 网络化协同设计项目任务规划6 3 5 2 基于语义的项目任务描述模型6 6 5 2 1 基于项目任务本体的任务描述模型6 6 5 2 2 基于语义的项目任务描述元数据定义6 7 5 3 基于语义的项目任务描述模型应用实例6 9 5 4 小结7 3 6 基于语义的网络化协同设计平台及应用7 5 6 1 协同平台的设计与实现7 5 6 2 协同平台的应用及效果7 9 6 3 小结8 9 7 结论及展望9 l 致谢9 3 参考文献9 5 附录：九攻读博士学位期间发表的论文目录1 0 1 & 攻读博士学位期间参加的主要科研项目1 0 1 1 绪论 1 绪论 1 1 论文的选题背景 汽车、摩托车等制造企业是典型的多品种、大批量制造企业，产品结构复杂、 零部件多，一辆轿车有上万个零部件，一辆摩托车也有上千个零部件，在汽车和 摩托车产品中约有8 0 的零部件是供应商制造和提供，主机厂自己生产约2 0 零 部件，所有零部件最后由主机厂进行总装生产，再投放市场销售。因此，在汽车、 摩托车产品的设计制造过程中，主机厂和众多供应商围绕产品的设计制造就构成 了一个设计制造业务关联的产业链( 如图1 1 所示) 。 图1 1 汽车、摩托车产业的构成 f i g1 1s t r u c t u r eo f a u t o m o b i l e & m o t o r c y c l ei n d u s t r yc h a i n 自底 向上 需要 协同 的有 零部 件功 能、 性能 、尺 寸、 装配 关系 、质 量等 设计 活动 产业链传统产品设计模式是：由主机厂( 整车厂) 根据市场需求完成产品策 划、概念设计、详细设计，将零部件制造任务分配给供应商；由供应商进行工艺、 工装设计、零部件试制、提供样件；主机厂进行装配、试验评价，然后返回给供 应商进行修改；供应商修改完后重新试制，再次提交，直至样件合格；主机厂与 供应商进行同步生产，供应商生产零部件，主机厂进行装配、销售服务。传统产 品设计主要存在以下问题：1 ) 在产品设计阶段主机厂包揽了全部零部件设计，负 担重、周期长，影响新车开发效率和快速上市；2 ) 设计手段和技术标准未统一， 零部件与整车设计数据格式不统一，性能、装配结构匹配困难，影响整车设计质 量的提高；3 ) 主机厂零部件设计与工艺、工装、试制的技术冲突主要靠人工方式 顶f要同肯日务设资、客求源商活6自向需协的项任、计源顾需资和务i， 重庆大学博十学位论文 进行协商，协同困难，样车和零部件试制返工多，整车及零部件开发成本高。 在激烈的市场竞争中，由于竞争的加剧，产品更新换代快，质量要求更高， 成本要求更低。传统产品设计方式，影响了主机厂对市场的快速响应以及进行一 步降低成本的要求。因此，主机厂必须将自己承担的零部件设计任务交给供应商 进行同步开发，才能减少零部件设计负担、零部件试制返工，降低制造成本，缩 短开发周期。随着设计数字化技术、网络技术的发展，采用基于互联网的数字化 协同设计工具来使主机厂与零部件供应商间的异地网络化协同设计成为现实。目 前的设计工具( 如：c a d 、c a e 、p d m 等) 还不具备支持异地网络化协同设计的 能力。因此基于i n t e m e t 构建产业链协同设计的模式、方法、工具以及平台是实现 产业链协同设计迫切需求。w e b 以其开放性、易用性、友好性成为人们构建互联 网应用信息系统的主要技术之一。但是传统w e b 缺乏语义信息，通过w e b 方式以 自然语言表述的设计资源、设计需求、产品模型、任务说明等设计信息很难被主 机厂与供应商所共同理解，容易产生歧义。同时w e b 上的信息不容易被计算机所 理解，很难提高协同设计的智能化和自动化水平。基于语义的网络化协同设计模 式及关键技术研究，符合产业链网络化协同设计实际需求，同时也能解决传统w e b 所不能解决的问题。 本论文研究选题一是来自重庆汽车、摩托车行业开展网络化协同设计的实际 需求，二是在论文研究过程中得到了重庆市科技攻关计划重大项目( 项目编号 2 0 0 6 a a 2 0 0 9 ) 摩托车数字化协同设计应用工程。科技部“十一五 科技支撑计划 课题( 课题编号2 0 0 6 b a f 0 1 a 4 1 ) “面向摩托车零部件、五金、灯具产业集聚区域 的制造业信息化服务平台开发与应用 的支持。同时，还得到了国家8 6 3 计划目 标导向课题( 项目编号2 0 0 7 a a 0 4 2 1 8 1 ) “面向典型离散制造行业的快速响应客户 的产品开发平台 的支持，使得本论文研究既有理论研究意义，又有产业链关联 企业间实际应用价值。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 协同设计( c o l l a b o r a t i v ed e s i g n 或c o o p e r a t i v ed e s i g n ) ，是计算机支持的协同 工作c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) 的概念和技术在产品开发过程 中的有效应用，是c a d 技术发展到一定高度后与c s c w 技术相结合的产物，也 是对并行工程、敏捷制造等先进制造模式在设计领域的进一步深化【1 1 1 2 儿3 。因此协 同设计又称为计算机支持的协同设计c s c d ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v e d e s i g n ) 。r o s e m a n t 4 】认为，协同设计是在计算机的支持下，各成员围绕一个共同的 设计项目，承担相应的部分设计任务，并行、协同、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。b o d k e r 【5 】认为，协同设计是一种系统化的 2 1 绪论 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、计划安 排等各种因素。协同设计的目标就是要缩短开发周期，改善产品质量，降低产品 成本，增强竞争能力。网络化协同设计是在网络化环境下，将多个具有不同知识 背景的协作者在时间上分离、空间上分布、计算机支持的协同工作环境中围绕共 同的产品设计任务进行协同工作、交互协商、分工合作、并行协作地参与产品的 设计、工艺规划与生产装配过程等。 1 2 1 网络化协同设计模式研究现状 所谓模式，就是解决某一类问题的方法论。模式是一种指导，在一个良好的 指导下，有助于完成任务，有助于作出一个优良的设计方案，达到事半功倍的效 果。在网络化协同设计模式方面的研究主要有两种：( 1 ) 分布式协同设计；( 2 ) 基于 a g e n t 的协同设计；( 3 ) 基于w e b 的协同设计。 分布式协同设计系统的研究主要是采用分布式结构利用分布式组件构建面向 对象的分布式信息共享框架。其分布性与协同设计地理分散性形成自然映射。目 前分布式组件主要有微软的d c o m c o m + 、o m g 组织的c o r b a 规范标准、s u n 的r m i e j b 标准等，重点在于如何划分和开发各种功能组件，减少各功能的耦合 程度，以及实现异种组件系统的互联等。m i t 的p a h n g 6 】等研究开发了基于分布式 对象的建模与评价框架d o m e ( d i s t r i b u t e do b j e c t b a s e dm o d e l i n ga n de v a l u a t i o n ) ， d o m e 采用分布式对象对产品设计过程进行建模，利用c o r b a 的事件服务和事 务服务进行通信。张和明1 7 1 等研究了虚拟样机多学科协同设计与仿真平台的分布式 计算模型及其协同运行管理、协同产品开发资源库管理、分布数据的协同交互管 理与系统实现技术，基于c o m d c o m 的建模与仿真工具协同、支持仿真联邦管 理的数据库设计和c o r b a 的应用实现技术，开发了原型系统。梁允荣【8 j 等为了实 现分布式协同设计，在对现有的协同模式进行分析的基础上，提出了一种基于j 2 e e 和工程数据库的计算机支持的协同工作( c s c w ) 系统的实现结构，采用a p p l e t 遵循 c o r b a 协议与i - d e a s 的通讯，验证了分布式同步协同模式。 a g e n t 是由m i n s k y 在1 9 8 6 年出版的思维的社会中提出来的。他认为社会 中的某些个体经过协商之后要求得问题的解，这些个体就是a g e n t 9 1 。s h o h a r n 1 0 】 把a g e n t 定义为任何具有信念、能力、选择等精神状态的软、硬组件。之后a g e n t 得到了飞速发展1 1 】【1 2 】【1 3 】。胡晓兵等针对机械产品分布式异构环境下的协同设计 的特点，提出应用m u l t ia g e n t 原理在机械产品异地协同设计过程中的协同设计单 元构造、异构设计环境集成的方法。周盛【l5 】等通过分析模具异地设计与制造的特 点以及多a g e n t 系统的特性，提出了一种基于多a g e n t 的模具协同设计与制造系统 框架。樊江l l6 j 等通过分析航空发动机外部管路设计过程，建立支持外部管路设计 的多a g e n t 协同设计系统框架。但目前基于多a g e n t 的协同设计系统尚缺乏有效的 重庆大学博十学位论文 开发理论和方法的指导，同时构建的系统灵活性、自适应能力不足尚难达到协同 设计的实用化要求。 最近十几年，基于w e b 的框架已被广泛应用于协同产品设计系统。将w e b 技 术、产品设计技术及其它相关技术结合，使协同设计人员通过w e b 方式共享数据、 信息、任务和知识，实现产品数据管理和项目管理。美国伯克利加州大学的集成 制造实验室开展了一个名为c y b e r c u t 的研究项目，建立了一个基于w e b 的设计和 制造系统【1 7 】。r o y t l 8 】等提出了一种建立开放式设计环境的方法，建立了以w 曲页 面共享产品设计，以v r m l 格式共享几何数据模型，以及共享数据库等多服务结 构。战洪飞 1 9 1 等提出一种基于w 曲的虚拟协作设计平台的构建方法，采用j a v a 语言，通过屏幕共享与远程控制技术，实现多用户间的产品实时协同设计。李玉良【2 0 1 等采用w e b 技术以及当前流行的三维设计软件p r o e n g i n e e r , 对设计人员( 包括客 户) 在虚拟企业环境下进行产品异地实时设计和装配作了探讨，提出一个软件框架 模型，并初步规划了协同设计的过程。于蒙1 2 1 】等在港品设计领域中建立了基于w e b 的计算机支持的协同设计的框架，并利用互连网实现协同设计。潘吟飞1 2 2 1 等构架 了一种以w e b 服务为基础的图形计算机辅助设计协同设计框架模型，给出了一种 基于优先权控制的分层式协同设计过程模型。 1 2 2 网络化协同设计关键技术研究 产品功能建模 在功能建模方面，国内外许多专家学者进行了比较深入的研究。m i l e s l 2 3 j 使用 动词和名词对的表示方法来描述功能；r o d e n a c k e r 【2 4 j 将功能定义为能量、物料和信 息的输入输出关系；p a h l 和b e t i z 2 5j 将功能用系统的观点来描述，提出了以能量、 物质、信息等物理量为输入和输出，以物理量的变换为定义的功能模型；h i r t z ，j 【2 6 】 等人的研究为描述功能及功能的能量流、物料流和信息流提供了标准类型词汇集 f u n c t i o nb a s i s ；k i t a m u r a 2 7 1 等建立了基于本体的功能描述框架。谢清【2 8 1 等提出了 基于事物特性表的产品需求信息元方法，构造了面向配置设计的功构模型，仅从 语法层面而不是从语义层面来解决系统之间的信息交互。郝泳涮2 9 】等通过对产品 特征的基因编码来描述产品功能，缺乏对产品功能行为及设计意图的描述。张立【3 叫 等提出了一种基于本体的多智能体协作功能建模框架，但未对功能及相关概念进 行形式化定义和描述。 产品信息模型 在网络化制造环境下，产品的协同设计往往是由多学科开发工作组共同完成 了，网络化协同设计也是多学科协同设计，需要多学科设计者之间实现产品信息 的交流、共享和协调，因此构建支持多学科协同设计的产品信息模型是实施网络 化协同设计的基础。目前常用的模型包括几何模型和特征模型。k i m 3 l 】等开发了一 4 1 绪论 套将来自不同c a d 系统的s t e p 模型转化为基于w e b 的产品数据管理模型。曾鹏 飞【3 2 】等提出了一种基于3 d 格式共享模型的协同过程交互控制技术。陈继忠【3 3 1 等 构建了面向协同设计的产品结构与配置管理系统( c p s c m ) 的四层体系结构，实现了 产品结构维护、版本管理、产品配置管理、物资清单( b o m ) 多视图管理、产品数 据共享接口等系统功能。几何模型主要描述和表示了产品低层的几何结构信息( 几 何结构、拓扑关系、尺寸和装配等信息) ，即表示了产品设计的结果信息，而未考 虑产生该结果的思维和推理决策等语义信息( 如目的、功能、行为、技术原理等) 。 特征模型以面向应用的特征单元来构造产品，包括几何、拓扑、尺寸、公差、加 工、装配、材料等与产品设计和制造活动相关的各类信息，这使得设计者可以用 含有工程语义的元素来表达产品，但特征模型主要是面向设计与制造的集成，最 适合于c a d c a m c a p p 系统的集成。特征模型的语义信息主要表达了制造所需 的信息，同几何模型一样，也没有表达设计思维的高层语义信息。 设计过程建模 由于产品开发中的需求分析、概念设计、结构设计、详细设计等各子过程或 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，必须对相关的设计过程进行合理规划。因此协同设计过程建模是协同设计 实施的重要基础。目前已有许多过程表示方法，不同的建模方法针对设计过程的 不同方面，表达设计过程中的不同信息，各有其优缺点。主要的设计过程建模方 法如下【3 4 1 ： 1 ) 关键路径法( c p m ) c p m 是系统工程学科中的重要方法之一，它可以说明 设计过程中的一些静态特性，如活动定义、工作顺序、先后关系等，也可用来进 行项目计划和项目费用的评估。然而c p m 建立过程模型时，只能描述发生一次的 活动，而将反复进行的活动视为另外一个新的活动，也就是说c p m 不能很好地表 达设计过程中“反复 这个重要特性。另外，c p m 建立协同设计过程模型时，不 能表达过程管理和产品开发之间的关系，并且没有有效的分析工具对设计过程的 动态特性进行分析。 2 ) 设计结构矩阵( d s m ) d s m 使用矩阵来表述一个过程，行和列代表子任 务。g a b a l a 等人指出，d s m 方法优于传统的建模方法【3 】，主要原因是，d s m 提 供更紧凑的表示方法，克服了模型大小的限制。它可以通过执行相关的矩阵操作 来优化设计过程，可以描述和分析活动的迭代性。但d s m 不能清楚的表达设计活 动之间的依赖关系。 3 ) 结构化分析方法该方法具有一套分层的数据流图，一本数据词典，一组 加工逻辑说明和其他的补充材料。然而结构化分析方法只是一种面向数据流的分 析方法，而不是面向控制流。 重庆大学博十学位论文 4 ) i d e f 系列方法这些方法从系统不同的角度对问题进行描述，i d e f 0 主 要是描述整个系统的功能和组织，i d e f l 用来建立信息模型，i d e f l x 用来建立数 据模型等。在这一系列方法中，i d e f 3 可以用来建立设计过程模型，它的核心是描 述实际系统在做什么。i d e f 3 方法提供了一种机制去捕捉项目活动之间的约束， 可以对系统的行为模型进行描述。但是i d e f 系列建模方法是静态的，无法建立可 执行的过程模型，不支持过程的分析与改进。 5 ) p e t a l 网建模方法p e t r i 网是一种面向图形的建模语言，具有很强的动态分 析能力。p e t r i 网自7 0 年代提出以后，发展快速，现在已经有多种p e t f i 网形式， 如时间p e t r i 网、有色p e t r i 网、模糊p e t r i 网、面向对象的p e t r i 网。p e 仃i 网主要 应用于计算机系统设计，通讯协议制定，m i s 系统，工作流，设计过程建模等。 网络化协同设计任务规划 网络协同设计任务规划，是在网络环境中对产品协同设计及其相关过程中的 各种任务进行分解、重组、解耦、调度、执行与监控，从而深刻地揭示设计活动 之间的复杂联系及整个设计过程的本质规律，给出一个指导协同设计优化运行的 策略【3 5 1 。在任务规划方面，国内外专家学者进行了大量研究。d a n 3 6 】利用基于公理 化设计的设计矩阵来描述子任务与任务