协同设计中产品设计过程管理.doc

协同设计中产品设计过程的管理 1.协同设计的产生 随着经济全球化进程的加速推进，跨行业、跨地区、跨国家的联盟型企业迅速发展，传统制造业的设计生产方式和管理模式发生了极大的改变。如何有效地提高产品设计的效率、提高产品的质量、降低产品的成本、缩短产品的上市时间，已成重要的问题。为了在激烈的市场竞争中取得好的效益，绝大多数制造生产企业引进了先进的设计理念和技术，导致了产品的生产内涵扩大化、人员构成多学科化、组织行为并行化、辅助工具多样化。上述的设计内涵的变化，使得现代产品设计过程的管理、组织与协调成为了突出的矛盾，迫切需要从各个方面加强设计子过程的协同。所以迫切要求一种新的产品开发模式，来满足现代产品设计的需求，于是协同设计技术应运而生。2. 协同设计概论2.1 协同设计的基本概念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化的目的。其研究目标是研究设计过程中各种协同活动的行为方式，从系统论和社会学的角度对协同过程进行优化，并提供支持协同设计过程的计算机支撑环境。2.2 协同设计的特点 （1）动态性：产品协同设计过程是一个具有创造性、无法预见的设计过程。在整个协同设计过程中，产品设计人员对设计资源的分配、利用率、质量的控制及设计过程的反复性等因素。因此，整个协同设计过程充满动态性。 （2）共享性：协同设计能够实现设计资源的共享，使得分布在不同空间的信息能够被设计人员共享和交流。 （3）阶段性和层次性：一般的协同设计过程大致可分为以下几个阶段：需求分析、概要设计、详细设计、产品工艺设计、投入生产、测试等阶段。在不同的设计阶段，所对应的设计重点不同。此外，协同设计过程具有层次性，设计任务一般可以逐步地从上到下分层的划分。 （4）分布性：协同设计系统通常是一个分布式系统，协同设计过程中的设计人员一般都分布在不同的空间。 （5）协作性与冲突性：产品协同设计是设计人员、管理人员和用户共同协调努力的过程。但是，由于设计人员具有不同的学科背景、领域知识，产生了对设计需求的不同理解，在协同设计过程中难免会发生设计冲突。（6）并发性和一致性：协同设计过程中分布在不同空间的设计人员有可能同时对一个任务进行设计，设计系统需要维护产品设计的一致性。除了以上论述的特点外，协同设计还具有异构性、面向任务的时效性、开放性以及多版本性。2.3 协同设计工作模式的分类按时间和空间对协同设计的工作模式分为本地同步、本地异步、异地异步和异地同步四种。2.4 协同设计系统的基本结构从计算机支持协同系统的实现方法来看，协同设计的系统结构分为集中式和分散式两种。2.5 协同设计的关键技术 2.5.1 协同设计的过程规划：设计过程规划的复杂性在于设计子任务之间的时间约束关系具有多样性，有串行关系和并行关系；在设计任务完成之前，每个子任务都有可能被修改；子任务之间大多数是相互依赖的，即一个子任务的修改可能导致其它子任务的修改。2.5.2 协同工作过程的控制：协同控制的功能在于监控、协调设计过程中的各种冲突，管理各个功能小组的活动等。它包括项目管理、版本管理、通讯、冲突解决、存储管理等几个模块。2.5.3 信息共享和交流：加强各类协同设计人员之间的信息交流，采用多种形式的媒体进行信息的表达。2.5.4 集成化成品信息模型的建立：其目的在于为产品生命周期的各个环节提供产品的全部信息，它可为设计(包括工程分析和绘图)、工艺、NC加工、装配和检验等提供共享的产品的全面描述。它不仅包括产品的几何信息，而且包括非几何信息，如公差标准、表面粗糙度等工艺信息和物性信息，它是产品生命周期中关于产品的信息交换和共享的基础。3. 协同设计中的产品设计过程的管理协同设计过程建模与传统的设计过程建模相比，又具有其独特性以及其复杂性，因此是个比较复杂和重要的问题。健全的设计过程模型，不仅要反映设计过程的静态属性，而且还要反映设计过程的动态属性，同时设计过程模型又可以为有效地解决设计过程的冲突问题提供技术支持。3.1 产品开发过程建模与协同设计 传统的产品开发过程模型分为三类：描述性的设计过程模型、规范型的设计过程模型和基于计算机的模型。而在协同式的产品开发中，需要从过程模型的表达方法、表达工具、计算机实现上进行全面研究，进而实现过程的有效管理。 过程建模的常用方法：迄今为止，已经许多过程表示方法。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： （1）关键路径法（CPM）。CPM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而一些静态特性，如活动定义、工作顺序、先后关系等。然而CPM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CPM不能很好的表达设计过程中反复的这个重要特性。（2） IDEF系列方法。这些方法从系统不同的角度对问题进行描述，IDEF0主要是描述整个系统的功能和组织，IDEF1用来建立信息模型。在这一系列的方法中，IDEF3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。IDEF3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IDEF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。（3） Petri网建模方法。Petri网是一种面向图形的建模语言，具有很强的动态分析能力。（4） 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。然而结构化分析放方法只是一种面向数据流的分析方法，而不是面向控制流。3.2 传统的设计过程建模方法的不足从设计决策实施方面。设计原理以及方法提供了对设计决策与问题求解过程的描述的手段，这些原理可分为：过程角度，决策角度以及知识角度三类。虽然基于上述的原理可以建立不同的设计过程模型，但是这些设计过程模型是建立在假设设计过程是纯技术活动的前提下，而忽略了设计过程的参与者对设计的影响。从执行设计活动方面。设计过程建模的另一方面是对设计活动的工作流的控制，设计作为在设计活动间的信息驱动过程，设计组织是一个随机设计执行网络，作为设计工作的设计任务在随机设计执行网络上的设计资源工作站之间流动，网络有设计实体组成，并以适合操作的形式表达。虽然，此方法解决了诸如多任务设计等复杂问题，但是在对于设计过程的描述，还仅仅停留在技术活动的层面上，没有考虑参与者这一设计的主导者，另外对于设计活动的操作时依据信息交换的条件，而没有依据设计者在设计中的角色。因此，在协同设计活动中的信息交换冲突的本质原因被忽视。从设计数据支持方面，从CAD到CAE领域，协同设计作为一个独立的或设计团队对设计信息进行访问，设计信息的依赖性建立在技术，科学以及多学科基础上，而数据管理建模强调如何有效地管理设计者之间的变化。3.3 协同设计过程建模由于协同设计与普通的设计相比具有其固有的本质特性，协同设计过程中复杂的活动，不仅受到技术决策的影响，而且也受到处于协同设计环境中的协同设计者之间组织交互的影响，在技术决策和组织交互中，设计信息由技术，社会，科学以及多学科的相互依赖共同驱动，冲突总是产生于这种依赖中。而传统的建模方法仅仅强调这些特性的一些方面，没有系统的分析这种依赖性之间的复杂关系。为此本文在分析现有的设计模型基础上，结合协同设计过程的特点，建立了图1协同设计过程模型。在此模型中技术决策和组织交互以及冲突管理作为协同设计过程的主要部分，通过引入角色和视图，把三个主要部分有效 的连起来。协同设计不仅仅是为开发产品而进行设计决策的过程，而且也是具有组织属性的设计过程，这种组织属性变现在设计参与者之间所存在的组织关系，反过来这种关系又影响设计参与者，设计的产品以及设计环境，上述影响在协同设计过程中通过设计信息交互的反映出来，因此，为了建立合理的协同设计体系，根据图1中描述的各部分之间的关系，可以建立面向协同设计过程模型的设计信息数据流逻辑关系（图2），为合理的规划和集成分布的设计活动提供相应的逻辑关系。图1 图2 4 协同设计过程中的冲突管理 4.1 协同设计中冲突产生的原因 协同设计中冲突产生的根源在于各协同小组设计的相对独立和相互依赖关系上，每一个协同小组都有自己独立的结构，知识库和问题求解的策略，者决定了协同小组的独立性；同时每个协同小组的资源，能力，信息是有限的，协同小组之间必须通过一定的合作和协调才能完成对整个问题的求解，即协同小组之间具有依赖性。独立性和依赖性这一对自始至终存在的矛盾必将导致冲突的产生。 4.2协同设计中冲突管理 协同设计是不同于传统的串行设计的一种先进的产品设计模式。它与并行设计一样，要求在产品设计阶段 就要考虑到产品开发后期可能出现的，会对产品质量、成本及开发时间产生影响的各种因素 。但它又有别于并行设计，要求对产品的研发设计是在计它主要表 现为在产品研发中的某项任务因缺乏必算 机支持 的环境下进行的，使各个阶段能充分地实现数据共享，最大限度地应用先进的设计手段，保证来产品设计的质量 。在协同设计中，品研发设计的各产要的信息而无法继续开展工作 。这类冲突在传统的设计工作组织形式下不会出现，但在并行设计特别是协同设计中是制约工作正常进行的主要冲突。1. 人类组织中 “冲突” 与 “冲突管理” 的概念 冲突是人与人之间交互行为的基本特征之一, 一般认为: 冲突是有相互依赖关系的人们之间的相互作用, 这些人持有不相容的目标、 目的和价值, 并且彼此认为对方潜在地妨碍这些目标的实现。显然,冲突包含三个要素: 相互作用、 相互依赖关系和不相容的目标。 冲突管理是为了实现个人或群组的目标而对冲突进行的调解、 解决活动。在社会生活中, 冲突管理的行为有多种类型。冲突人对冲突进行处理的风格有五种: 回避型, 回避当前的当事人、 事件、 处境等; 退让型, 放弃或让步; 折衷型, 各方均作出一定的让步或调整; 强制型, 一方强制满足自己的要求; 协作型, 各方协同进行问题的解决。 4.3 协同设计中冲突管理的概念及内涵 在产品的协同设计过程中, 冲突可能发生在各个设计阶段、 各个组织层次。从某种程度来讲, 产品开发的过程也就是冲突不断发生、 不断解决的过程。冲突虽然对设计过程有一定的负面影响和阻碍作用, 但也有一定的积极意义。冲突可能是一个革新性设计的开始, 冲突促使设计人员及早发现问题并解决问题, 最终实现提高产品的各项性能指标的目标, 最大程度地满足各领域专家的要求。随着冲突的不断解决, 设计中的冲突被逐步消除, 一个更完善、 更优化的设计也随之产生。冲突管理的最终目标是对冲突进行避免和解决。在协同设计中, 为了使产品开发过程顺利进行, 提高多学科专家小组协同工作的效果和效率, 以较低的成本开发出高质量的产品, 就必须有一个对冲突进行处理的系统, 以解决协同设计中出现的各种冲突问题, 协调产品开发过程。协同设计冲突管理是一门管理产品协同设计过程中的冲突和与冲突相关联的所有对象和因素的技术。它应具备协调管理、 产品开发环境支持、 冲突检测和解决等能力, 调整和管理协同产品开发活动中的各种相互依赖的关系, 协调产品开发过程, 及时发现产品开发过程中的冲突, 进而解决冲突, 为产品开发过程服务。由此可见, 协同设计中的冲突管理是为了满足产品设计中的合作性、 分布性、 交互性和协调性所提供的一系列技术保障。冲突管理并非简单地是一种对冲突的解决活动, 它同时也是一种以冲突为线索, 对协同设计过程进行全面的协调与管理的活动。 即以冲突为跟踪、考察目标, 一方面在冲突尚不存在或虽然存在但尚未暴露出来时就及时采取措施, 将冲突消灭在萌芽状态, 为产品开发人员提供一个能有效避免冲突发生的环境。另一方面在冲突暴露出来以后, 及时采取快捷、 有效的方法与技术, 根本、 彻底地消除冲突。 总之, 冲突管理既是一个消除产品开发过程中各种冲突的过程, 也是一个协调管理的过程, 协调就是对冲突的一种主动避免活动。4.4 冲突管理的关键支持技术实现冲突管理的三个关键支持技术是: 冲突避免、 冲突检测和冲突解决。 冲突避免就是在冲突发生之前针对冲突的来源和冲突发生的原因, 通过应用一定的技术手段和管理手段, 避免部分潜在的冲突发生, 提高多学科专家小组之间以及多学科专家小组内部协作的效率。冲突避免技术是针对冲突产生的根源而建立的, 通过解除冲突产生的根源而达到避免冲突的目的。冲突避免技术包括组织划分与管理、设计任务规划、领域知识共享、集中的产品数据管理、设计原理支持等。冲突是协同设计过程中的一个本质的现象, 各种冲突避免技术的采用只能在一定程度上减少和避免一定数量、一定类型的冲突,而不能完全消除冲突。因此,必须采用有效的冲突检测技术及时发现冲突,以便及早解决冲突,把冲突化解在初级阶段,避免由于冲突的存在和传播而引起的无效工作和巨大的返工量。冲突解决技术从冲突解决的形式上看, 冲突解决过程分为个人冲突解决过程和冲突协商过程两类。无论哪种冲突解决形式, 冲突的解决均需一定的理由与依据。常用的冲突解决技术与方法有: 基于规则的冲突解决、基于实例的冲突解决、基于约束的冲突解决、冲突协商支持。对于产品开发人员个人范围内的冲突,或者虽然涉及多个产品开发人员, 但可以在产品开发人员个人范围内解决的冲突,则产品开发人员可采用基于规则的冲突解决、基于实例的冲突解决或基于约束的冲突解决支持工具来独自解决冲突, 这种冲突解决过程也被称为个人冲突解决过程。而对于涉及多个产品开发人员或多个多学科小组的冲突, 若冲突无法在产品开发人员个人范围内妥善解决,而必需由多个产品开发人员共同参与解决,则需要进行冲突协商活动,各领域、各部门的专家在冲突协商支持系统的支持下通过协商来解决冲突。4.5 冲突避免技术冲突避免就是在冲突发生之前针对冲突的来源和冲突发生的原因，通过应用一定的技术手段和管理手段，避免部分潜在的冲突发生，提高多学科专家小组之间以及多学科专家小组内部协作的效率。 冲突避免技术包含组织划分与管理、设计任务规划、领域知识共享、集中的产品数据管理、设计原理支持等。4.5.1 冲突检测技术 冲突的类型包括竞争式冲突模型和合作式冲突模型。在竞争式冲突模型中，各个多学科专家小组只考虑自身的利益；在合作式冲突模式中，各个多学科专家小组协调各自的设计目标，以获得全局优化解。在协同设计中主要采用合作式的冲突模式。4.5.2 冲突解决技术 从冲突解决的形式上看，冲突解决过程分为个人冲突解决过程和冲突协商过程两类，无任哪种冲突解决形式，冲突的解决均需一定的理由与依据。常用的冲突解决技术与方法有： （1） 基于规则的冲突解决 ：在工程实践中存在着较多解决冲突的经验知识，许多经验知识表现为冲突解决规则的形式。 （2）基于实例的冲突解决：搜集工程实际中的冲突解决实例，