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基于按需服务机制的产品开发协同服务平台研究*国家自然科学基金(No. 70501036)资助项目, Foundation item: Project supported by the National Science Foundation of China, (No. 70501036) 作者简介：张晓冬（1972-），女，河北唐山人，重庆大学机械工程学院工业工程系博士，副教授，主要从事制造系统工程、工作组织、系统仿真、设计过程管理等研究。E-mail：。 张晓冬 杨育 李国龙（重庆大学机械工程学院 重庆 400030）摘要 针对网络化产品开发协同需求和协同方式的多样性和动态性问题，提出了基于按需服务机制的协同服务平台研究。首先建立了一个包含消息层、数据层和应用层的协同层次模型，描述了协同方式的多样性，讨论了各层次的应用范围和实现技术；其次，基于层次模型提出了服务平台的集成服务构架，详细讨论了基于代理的服务提供机制、自组织的项目管理机制和多层次冲突协调支持方法。最后开发了一个网络化协同服务平台实现了所提出的按需服务机制。实例研究表明，基于按需服务机制的协同服务平台较好地解决了协同需求和协同方式的多样性和动态性问题，可使中小企业动态、低成本地获取多样化的协同支持服务。关键词 协同产品开发； 按需服务平台； 协同层次模型中图分类号：TB4721 前言为提高新产品的创新性、缩短设计周期并最终赢得市场，越来越多的新技术、新工具和新理念被运用到产品开发过程中。其中，网络化协同产品开发已成为企业提高其产品竞争力的有效途径。面对协同产品开发日益多样化的协同需求，近年来软件市场上涌现了众多的协同产品设计平台与支持系统，如IBM、UGS等公司提供的面向产品生命周期管理的解决方案Smarteam、Teamcenter 等产品，为产品开发团队提供了企业协同、工程协同、制造协同、项目协同、可视化协同等大型协同平台12；ANSYS等工程分析供应商提供了各种协同分析平台，如基于Workbench的协同仿真环境等，使企业顺利实现CAD/CAE的协同3；EAI、NexPrise等公司提供的复杂产品开发的协同工作环境eVis、ipTeam等45。此外，大量的网络化会议系统、设计项目管理系统、产品数据管理系统、CSCW (Computer Supported Cooperative Work) 协同工作环境、以及网络化协同设计服务平台的快速发展，也为企业实现产品开发的协同提供了多样化的支持并得到了广泛的应用67。网络化协同产品开发的另一个特征是协同需求和协同方式的动态性。随着协同需求的变化，协同产品开发必须采取动态的组织方式和动态的协同方式。例如在某些开发项目中只需要借助于简单的网络会议系统进行协同，而某些项目却需要分布式协同仿真等高层次的协同支持环境8。协同产品开发需求和协同方式的多样性与动态性特点，为中小企业的协同开发过程带来了许多困难，如表1所示。表1 多样性与动态性为中小企业实现协同开发所带来的主要困难困难原因经费紧张a. 协同项目对协同方式的动态需求，导致要不停追加协同工具和平台的投资b. 协同的层次越高，所需要的协同工具和平台的价格越高、投资越高技术受限a. 产品开发团队对于IT技术和协同技术的缺乏使得产品开发难以及时采用最新的协同方式b. 产品开发部门在异构系统集成、数据库互联、协同系统的建设等方面缺乏必要的技术和人力资源，管理薄弱a. 开发团队缺乏统一的网络化项目组织和管理环境，导致组织过程效率低下b. 协作伙伴缺乏必需的协同工具和协同环境，导致在产品开发过程中不得不采取低层次协同为解决上述问题，本文提出了基于按需服务机制的协同服务平台研究，旨在通过专业化的按需服务模式使广大中小企业动态、低成本地获取多样化的协同支持服务。论文首先建立了一个包含消息层、数据层和应用层的协同层次模型，用于描述协同需求和协同方式的多样性；其次，论文基于层次模型提出了服务平台的集成服务构架，详细讨论了基于代理的服务提供机制、自组织的项目管理机制和多层次冲突协调支持方法。最后给出了一个具体的服务平台运行实例。2 网络化产品开发的协同层次模型图1 网络化产品开发协同层次模型根据协同产品开发的需求和深度的不同，将协同方式划分为消息层协同、数据层协同以及应用层协同，从而建立了一个协同方式的层次化模型，如图1所示。图中的纵向表示协同深度，从消息层到应用层协同深度不断增加；横向表示每一层协同需求的复杂程度，从左至右逐渐增加。协同的深度越大，需求越复杂，协同实现的难度和投资就越大，而协同的效率也越高。下面对每一层的内容与实现技术进行具体分析。2.1 消息层协同消息层协同是指在协同产品开发团队中，各成员之间的协同通过消息和文件交换的方式来实现。比较典型的方式是通过电子邮件、语音、视频会议、协同团队内部开发的网络协同工作环境或外购的远程网络协同工作环境进行。消息层协同的内容包括设计需求的远程协同交流、设计专家的远程技术支持、设计事务远程办公等。由于Intranet和Internet的普及应用，这种协同方式实现成本和维护成本低，无需对现有系统进行改变，开发人员容易接受，因此适合于协同设计初级阶段采用。目前的一些消息层远程协同工具软件包括PC Anywhere、Netmeeting等。2.2 数据层协同消息层协同只提供给设计人员一种网络沟通方式，解决异地协同工作的沟通问题。数据层协同则是实现产品开发各个协作单元之间对共享产品数据的共同创建、修改、评价，并在协同的过程中快速准确地获取分布的产品信息。为实现数据层协同，首先必须实现产品数据在网络环境下的共享与交换。例如，设计成员不需要安装其他成员的CAD系统，直接通过IE浏览器就可以对共享的产品数据进行浏览、测量、转换与分析。其次，数据层的协同还要基于统一的共享产品数据库，从而保证产品信息的一致性。然而，不同企业成员之间的产品数据库通常是异构的，这时则需要基于XML和组件技术开发相应的集成接口、购置外置的数据协作环境或租赁ASP数据服务平台来实现不同复杂程度上的数据层协同9。2.3 应用层协同在应用层协同中，应用系统不仅共享数据，还可以共享操作服务，即数据和业务过程的共享。由于应用层协同能够更高程度地共享数据、知识、软件、硬件等资源，因此可以获得更大的效益10。应用协同的主要应用范围可分为前端和后端两个方面：企业-客户协同、企业-供应商协同，其中供应商又分为产品开发供应商（设计外包）和制造供应商（制造外包）。其中企业-客户协同是指客户通过共享部分产品开发应用模块来参与设计过程；企业供应商的设计协同是指产品开发团队通过共享先进的设计、分析、测试、项目管理等应用软件来实现设计协同；企业-供应商的制造协同是指供应链上各方通过应用程序共享实现远程制造仿真及生产过程远程决策等。应用层协同的实现可分为两个步骤。首先，数据层集成是应用层协同的基础，必须在系统之间建立共享信息模型与语义标准，保证数据协同的一致性和同步性；其次，需要对应用系统升级成为一个连接到WEB上的分布式应用系统，从而支持操作功能的共享，如Workbench、eVis、ipTeam、Autovue for Java等应用系统。3 基于层次模型的协同支持服务平台协同层次模型系统地描述了协同需求与协同方式的多样性。以此为基础，本文提出了一种支持多样化和动态化协同需求的按需服务机制，并根据这一机制开发了一个产品开发协同服务平台。下面将重点阐述该服务平台基于协同层次模型的集成服务构架和按需服务机制。3.1 平台的集成服务构架根据所提出的协同层次模型，首先对平台所提供的服务进行了规划，将平台用户可使用的协同服务从协同深度上划分为消息层服务、数据层服务和应用层服务三大类，从协同内容上划分为技术服务和管理服务两大类，从而形成了一个集成的服务构架，如图2所示。图2 平台的集成服务构架图2中的技术服务是指对协同设计任务的技术支持服务，如产品数据的集成以及协同设计环境等；管理服务是对网络化产品开发过程管理的支持服务，如协同数据、开发组织和开发项目的管理。产品开发的各项协同任务直接通过获取技术服务完成，管理服务则为技术服务提供所需的产品数据、组织信息和流程信息，同时在技术服务中所产生的新的共享产品数据和任务状态的变更也通过管理服务来进行管理。因此，技术服务和管理服务必须有机集成，才能保证产品数据的一致性和协同过程的有序进行。为提高平台的专业性并降低系统实现的复杂性，本平台所提供的管理服务只负责对协同任务以及相关的共享产品数据进行管理，而不负责管理由各成员独立完成的本地设计任务和本地产品数据。对于需要共享的产品数据，在协同项目的定义阶段由各成员上传到服务平台的网络数据库中，项目的进行过程中通过平台的统一管理实现数据的共享并保持一致性，协同项目结束后再根据联盟的约定由平台数据库下载到各成员的本地PDM系统中。在集成服务构架下，服务池中的各类服务应尽量丰富，从而满足不同用户的多样化需求。为此，平台一方面应用XML标准和大量公共组件来提高灵活性和可扩充性；一方面采用网络服务技术集成与开发了丰富的协同支持工具与模块，如表所示。表2 平台所集成与开发的协同支持工具与模块服务功能协同支持工具与模块协同产品数据浏览3DView，PTC-Viewer，Cult3D协同产品数据分析3DView，Autovue Professional协同产品数据转换Transmagic，CADLook协同产品数据管理组织数据管理、项目数据管理、任务数据管理、共享数据管理、设计文件管理远程协同设计环境Autovue for Java应用软件远程共享工具Citrix，VNC Server/Viewer项目与工作流管理联盟组建、计划制定、任务分配、任务确认、任务查询、任务变更、冲突协调远程协同会议系统CQEI网络会议系统，PC AnywhereBBS讨论区技术交流、热点论坛、论坛展区、建议区、资料共享区、用户管理特殊需求服务需求分析、项目规划、数据准备、服务推荐、过程评价、定制服务3.2 基于代理的自组织按需服务机制面对动态的协同需求，服务平台要解决的一个关键问题是服务的适应性和灵活性。为此，平台采取的是一种ASP(Application Service Provider，应用服务供应商)按需服务(Service on Demand)机制11。在ASP发展的初期，其应用的重点在于为用户提供基于网络的标准应用软件租赁。然而，为不断适应用户个性化的需求，如何提供多样化的服务已成为当前ASP模式要解决的关键问题。为此，产生了按需服务这一新的ASP服务形式。根据按需服务的思想，服务平台建立了内容丰富的协同支持服务池，提供给用户全方位的协同服务和丰富的协同软件工具。服务池中的各项服务相对独立，用户在使用的过程中各取所需。然而，协同产品开发通常是一个较为长期的项目，用户使用平台的过程也较为复杂。单纯的按需服务方式会使用户在使用平台的过程中感到无从下手，也为协同设计项目的管理和组织带来了困难1213。为解决这一问题，本服务平台在普通按需服务方式的基础上，采用了一种基于代理的自组织按需服务机制，如图3所示。图3 基于代理的自组织按需服务机制基于代理的自组织按需服务机制由基于代理的服务提供机制、自组织与自控制项目管理机制以及团队冲突协调机制组成，下面分别进行阐述。(1) 基于代理的服务提供机制 本平台所引入的代理包括咨询服务代理和平台服务代理两大类。咨询服务代理指平台的开发商或由开发商指定的技术机构，为企业用户提供各种技术和管理咨询服务，如协同项目的规划、协同层次与影响因素分析、协同服务的选择、协同数据的准备及整理等。平台服务代理是在平台内部开发的一系列代理程序。企业用户在使用平台的过程中，代理程序运行在平台的后台，可根据用户定义的任务内容为用户提供在线引导服务，如提示服务池中各种服务的技术特点与使用说明、监控并报告任务的执行状态、推荐合理的协同工具等。在技术服务代理和平台服务代理的协助下，用户可以有的放矢地使用适合自身项目特点的协同服务。(2) 自组织与自控制的项目管理机制 项目管理服务是指通过服务平台对协同设计项目进行组织和管理，以避免各成员在协同过程中各自为政的局面14。然而，协同设计项目的动态性和设计任务的并行性，使得项目管理无法预定义通用的项目计划，并且在项目计划阶段无法给出清晰的任务先后顺序和任务的确切执行时间。为此，本平台提出了一种自组织和自控制的项目管理机制，通过由开发团队自主地定制个性化的团队组织和项目计划，并根据权限自主地管理与控制整个协同设计项目，从而使协同产品开发协调有序进行。具体的项目管理的自组织与自控制机制如图4所示，粗箭头和细箭头分别表示盟主与团队成员的工作流程。该机制为开发团队的盟主和成员定义了不同的工作内容、工作流程和工作权限。盟主负责项目计划制定、任务分工以及项目执行过程的监控、管理和调整。团队成员在项目计划的指导下协同工作，自主地提交任务状态、最新的产品数据和设计变更，并根据权限及时获取项目的进展情况和共享产品数据。当各成员在协作过程中发生异常情况，如需要添加新的协作任务或修改已分配任务的内容，则可申请任务的变更。任务变更需要由盟主组织各成员进行确认，然后由盟主对项目流程进行动态地调整。这一机制一方面避免了任务流程的动态性带来的困难，另一方面可以保证项目进程中各方成员协调一致地开展工作。为解决任务执行顺序和执行时间无法预先确定的问题，在任务关系的处理方面，协同任务之间并不给出严格的时间顺序约束，而是采用了数据关系约束的方案。该方案为每一项协作任务定义执行该任务所需的产品数据，当某一项任务预定义的数据条件满足后即可由相关成员自主执行，从而较大地降低了任务定义和管理的难度，并可保证项目数据与产品数据的动态一致性。一个任务的输出数据可能是另一个任务的输入数据，从而建立起任务之间的数据联系和约束。这种基于数据约束关系的自主执行机制的优点在于项目管理直观、简便易行、柔性较高，项目数据与产品数据可以有效集成；缺点是对用户的组织协作能力、主动性和自觉性的要求较高，当协同项目复杂度提高时，自主执行机制会出现一定的难度。图4 项目管理的自组织与自控制机制(3) 多层次冲突协调支持机制 在项目进行过程中，在设计团队中会不可避免地发生设计冲突，服务平台必须能够支持对冲突的管理与协调。为此，根据冲突的类型建立了多层次的冲突协调支持机制。首先，在项目管理环境中设置了任务状态的变更功能，由盟主来动态协调在组织分工、设计进度等项目管理方面出现的冲突；其次，平台提供了一个网络化协同会议环境，通过视频会议、文档白板、图像说明、动态演示等方式对设计结构、设计方案等大的设计冲突由盟主组织会议进行协调；第三，通过产品数据远程同步协同环境，团队成员可以对具体的设计细节冲突进行实时分析和交流，得到一个冲突最少的解决方案；第四，平台还为团队成员提供了BBS讨论区，以支持非正式的冲突协商，如对可能发生的冲突问题进行预测与讨论。通过上述各项按需服务机制的构建，本服务平台与现有的ASP服务平台相比具有以下特点：(1) 通过在协同层次和协同内容上的集成服务构架，可以满足企业多层次和多样化的协同需求，并可以不断补充最新的、专业化的协同工具和平台，保证协同工具的适用性与先进性。(2) 通过基于代理的服务提供机制、自组织与自控制项目管理机制与多层次冲突协调机制，既避免了用户在选用服务时的盲目性，又提高了协同设计项目组织的灵活性。(3) ASP的网络服务模式可为企业节省大量协同及集成软件工具与平台的投资，使广大中小型制造企业动态、低成本地获取协同支持服务。4 运行实例下面通过运行实例说明基于按需服务机制的服务平台在中小企业协同产品开发中的应用。某割草机制造公司的某些部件由于采用了新的造型，因此需要对这些部件的关键受力零件进行CAE工程分析。然而该公司本身不具备CAE分析的技术人员和软件系统。为此，该公司与某新产品开发研究所联合进行该新产品的开发。首先由制造公司作为盟主，在服务平台上注册了一个设计联盟 “割草机部分零件协同开发团队”，定义了该设计项目的基本信息，制定了项目计划并进行了任务分工。项目定义完成后，制造公司与研究所分别根据任务分工上传需要共享的产品数据，并应用自身的CAD/CAE系统和本服务平台的技术服务进行产品开发。开发过程中盟主与成员均可实时查看当前的项目及任务信息，从而及时发现问题或开始新的任务，如图5所示。图5 任务信息的实时查询图6（a）为割草机手柄设计中，研究所使用服务平台的数据转换服务将制造公司设计的CAD三维模型转换为CAE分析软件接受的格式。由于在转换过程中出现了数据失真的情况，因此继续使用平台提供的修补服务进行数据修复，如图6（b）所示。图6 手柄3D数据的修补服务(a) 转换后发生数据失真的CAD模型(b) 修补后的CAD模型与修补报告由于CAD、CAE双方还需要就某些关键设计问题进行同步沟通，因此该项目还需要使用平台的应用层协同服务功能。如图7所示，CAD、CAE工程师在服务平台提供的远程同步协同设计环境Autovue for Java中进行实时协作。基于网络数据库Oracle，手柄的CAD模型、CAD/CAE转换修补报告、CAE模型、CAE分析报告、CAD/CAE协同分析报告等共享产品数据由平台进行统一存储与管理。当项目完成后，这些由平台托管的产品数据由设计团队导入到各自的产品数据管理（PDM）系统中。由于该项目结合了各设计团队CAD造型和CAE分析的专业优势，并通过服务平台快速获取了数据转换、修补和协同服务，因此节约了购置数据转换、修补和协同设计工具的投资，显著缩短了产品的开发周期。图7 远程协同设计环境服务5 结论随着网络化产品开发的迅速发展和广泛应用，企业所采取的协同开发方式呈现明显的多样性和动态性。这种多样性和动态性为中小企业选择恰当的协同方式带来了困难。为此，本文提出了基于按需服务机制的协同服务平台研究，给出了集成服务构架和一系列的服务机制，较好地解决了多样性和动态性问题。平台的应用实践表明，按需服务能提供给用户更大的自主性和灵活性，可使中小企业动态、低成本地获取多样化的协同支持服务，是当前ASP发展的一个重要方向。然而，本平台所提出的自组织与自控制的技术服务和管理服务策略，适合于中小企业较小规模的协同开发项目；如果项目的任务关系、产品数据、团队组织复杂，则不宜采用这种按需服务机制的公共服务平台。今后的工作将进一步丰富和完善集成服务框架的内容，提高设计资源的实时在线服务能力和服务效率，使服务平台具有更大的适用性和实用性。此外，安全性问题和平台的经营机制也是今后进一步解决的主要问题，包括如何让企业放心地将共享数据由平台进行托管，如何界定开发团队与服务平台各方的法律义务和责任，如何进一步降低协同实现的难度和风险，如何对企业用户收取服务费用等。参考文献1 /cn/industry/plm/smarteam/index.shtml 2 /products/teamcenter/index.aspx3 /cae/awe.php4 /index.htm5 /products/appsdirectory.dir/irix/products/v/779714.html6 E. 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