第九章 并行设计

1、第9章 并行设计9.1 并行设计的基本概念(1) 并行设计的基本概念并行设计（Concurrent Design）是世界市场竞争日益激烈的产物。随着经济的蓬勃发展，客户对产品款式、品种、性能的要求越来越高，对产品质量及售后服务质量的要求也越来越严格。为了提高竞争力，现代的各类制造业必须不断缩短新产品开发周期（Time)，提高产品质量（Quality)，降低设计生产成本（Cost），改进售后服务（Service），并增强环境保护意识（Environment），只有这样才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。并行设计是充分利用现代计算机技术、现代通信技术和现代管理技术来辅助产品设计的一种现代产品开发模

2、式。它站在产品设计、制造全过程的高度，打破传统的部门分割、封闭的组织模式，强调多功能团队的协同工作，重视产品开发过程的重组和优化。并行设计又是一种集成产品开发全过程的系统化方法，它要求产品开发人员从设计一开始即考虑产品生命周期中的各种因素。它通过组建由多学科人员组成的产品开发队伍，改进产品开发流程，利用各种计算机辅助工具等手段，使产品开发的早期阶段能考虑产品生命周期中的各种因素，以提高产品设计、制造的一次成功率。可以缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本，进而达到增强企业竞争能力的目的。并行设计技术可以在一个工厂、一个企业（包括跨地区、跨行业的大型企业）及跨国公司等以通信管理方式在计算机

3、软、硬件环境下实现。其核心是在产品设计的初始阶段就考虑到产品生命周期中的各种因素，包括设计、分析、制造、装配、检验、维护、质量、成本、进度与用户需求等，强调多学科小组、各有关部门协同工作，强调对产品设计及其相关过程并行地、集成地、一体化地进行设计，使产品开发一次成功，缩短产品开发周期，提高产品质量。美国于20世纪80年代末首先在福特、通用和克莱斯勒三大汽车公司组织实施并行工程技术，取得了显著的经济效益。我国近年来在一些大型企业中也开始部分实施并行工程技术，这项技术是提高我国企业水平，参与全球化竞争的一个重要发展方向。（2） 传统设计过程与并行设计过程图9-1 传统产品开发过程传统的产品设计，是

4、按照一定的顺序进行的，它的核心思想是将产品开发过程尽可能细地划分为一系列串联的工作环节，由不同技术人员分别承担不同环节的任务，依次执行和完成。图9-1为传统的产品开发过程示意图。由图9-1可见，传统的产品开发过程划分为一系列串联环节，忽略了各个环节，特别是不相邻环节之间的交流和协调。每个阶段的技术设计人员只承担局部工作，影响了对产品开发整体过程的综合考虑。并且如果任一环节发生问题，都要向上追溯到某一环节中重新开始，从而导致设计周期冗长。图9-2 并行设计工作模式并行设计工作模式是在产品设计的同时考虑其相关过程，包括加工工艺、装配、检测、质量保证、销售、维护等。在并行设计中，产品开发过程的各阶段

5、工作交叉进行，及早发现与其相关过程不相匹配的地方，及时评估、决策，以达到缩短新产品开发周期、提高产品质量、降低生产成本的目的。并行设计的工作模式如图9-2所示，设计从一开始就考虑到产品生命周期中的各种因素，将下游设计环节的可靠性以及技术、生产条件作为设计的约束条件，以避免或减少产品开发到后期才发现设计中的问题，以至再返回到设计初期进行修改。由图9-2可见，每一个设计步骤都可以在前面的步骤完成之前就开始进行，尽管这时所得到的信息并不完备，但相互之间的设计输出与传送是持续的。设计的每一阶段完成后，就将信息输出给下一个阶段，使得设计在全过程中逐步得到完善。9.2 并行设计的关键技术9.2.1 并行设

6、计的建模与仿真并行设计与传统产品开发方式的本质区别在于它把产品开发的各个活动视为一个集成的过程，从全局优化的角度出发对该集成过程进行管理和控制，并且对已有的产品开发过程进行不断的改进与提高，这种方法被称为产品开发过程重组（Product development process re-engineering）。将产品开发过程从传统的串行产品开发流程转变成集成的、并行的产品开发过程，首先要有一套对产品开发过程进行形式化描述的建模方法。这个模型应该能描述产品开发过程的各个活动以及这些活动涉及到的产品、资源和组织情况以及它们之间的联系。设计者用这个模型来描述现行的串行产品开发过程和未来的并行产品开发过

7、程，即并行化过程重组的工作内容和目标。并行工程过程建模是并行工程实施的重要基础。(1) 复杂系统分析和建模工具一个复杂系统（如一个企业）的建模要涉及多方面的因素，如功能、信息、过程、资源和控制等，需要从不同的角度进行描述。因此复杂系统的分析和建模工具一般都用不同的视图来反映一个系统的不同侧面，而这些不同视图的集成和相互映射构成了评价和比较系统的重要标志。1）CIM-OSA建模方法CIM-OSA (Computer Integrated Manufacturing-Open System Architecture)是一种面向企业CIMS生命周期的体系结构。从结构上由两部分构成，一个是模型框架，另

8、一个是集成基础结构。前者从建模的不同层次和实施的不同阶段出发给出CIM企业参考模型的结构，以及CIMS实施的方法体系，从而对CIM企业的优化设计、建立和最佳运行提供指导与支持；后者在为CIM系统提供一组公共服务集合，实现企业信息集成、功能集成所需的基本处理和通讯功能。这组公共服务集合支持企业模型的建立、CIM企业的设计、实施、运行与扩充，为CIM体系结构的实现提供基础支撑环境。此外，CIM-OSA还定义了两个应用环境，集成的企业工程环境和集成的企业运行环境，前者支持企业的建模、分析过程，而后者支持企业模型的仿真、运行过程。2）IDEF建模方法IDEF0方法 IDEF的基本概念是在70年代提出的

9、结构化分析方法的基础上发展起来的。80年代初，美国空军在ICAM（Integrated Computer Aided Manufacturing）计划中提出了名为“IDEF”的方法（ICAM Definition Method）。其中，IDEF0是在结构化分析与设计技术SADT（Structured Analysis and Design Technique）基础上发展起来的一种对系统进行建模的语言。IDEF0方法的基本思想是结构化分析，利用它可以较为系统、直观地描述系统功能信息，同时支持自顶向下分解，从而有效地控制复杂度。除此之外，IDEF0还在结构化分析与设计技术的基础上进行了扩展，增加了

10、组织信息。IDEF1/IDEF1X方法 IDEF1方法描述了系统信息及其联系，它建立的信息模型被用作数据库设计的依据。IDEF1X是IDEF1的扩展版本， IDEF1X一方面在图形表达和模型化过程方面进行了改进，另一方面对语义进行了增强和丰富。其基本特点是包含数据的有关实体；实体之间的联系用连线表示；实体的特征用属性名表示。IDEF3方法 IDEF3是一种过程描述语言，其基本目的是提供一种结构化的方法，使某领域的专家能够表述一个特定系统或组织的操作知识，以自然的方式，直接获取关于真实世界的知识。这些知识包括参与活动的对象的知识、支持活动的对象的知识、过程或事件的时间依赖关系、因果关系等知识。I

11、DEF3通过过程的图示化表示方法和信息表述语言的结合使用，使用户集中精力来关注被描述过程的相关方面，并且提供了显示表达这一过程的内存本质和结构的能力。IDEF9方法 IDEF9是一种用于描述系统的方法，可以用于判别在业务领域对系统或过程的约束。IDEF9可用于描述系统的业务活动和策略；提供改善加工的知识；建立支持加工的信息系统。IDEF9方法通过发现、分析对过程的优化，为系统分析员/建模者提供足够的支持，以实现业务系统持续性的提高。3）UML建模方法UML语言（Unified Modeling Language）是一种书写软件的标准语言。它可以对软件系统作如图样表示、文字描述、构造框架和文档处

12、理等方面的工作。UML语言适合于各种系统的建模，从企业级信息系统到基于网络的分布式应用，甚至于嵌入式实时系统。它是一种描述性很强易学易用的语言，能表达软件设计中的各种观点，然后对系统进行规划部署。UML语言是一种概念化的语言模型，包括UML基本建模模块、模块间建立关系的规则和语言中一些公共的建模方法。4）ARIS建模方法ARIS (Architecture of Integrated Information System)是一个集成化的信息系统模型框架。ARIS以面向对象的方法描述了企业的组织视图、数据视图、过程视图和资源视图，并通过控制视图来描述组织、数据、过程和资源的四个视图之间的关系。按

13、照企业信息系统实施的生命周期，ARIS定义了需求定义、设计说明和实施描述三个层次。5）系统动态建模方法系统动态建模方法将反馈控制理论和技术用于系统的组织和管理。系统动态建模通过变量和延迟来描述系统。由于通过反馈控制理论可以对复杂系统进行动态分析，因此，通过该方法对产品开发过程建模，可以更精确地描述系统动态特性，分析系统行为。这一方法与控制理论关系密切，主要用来对过程进行动态建模和分析，目前控制理论已经相当成熟。因此，系统动态建模方法的关键在于过程模型的抽象和参数的确定。(2) 过程控制和管理工具过程控制和管理工具是在以上建模的基础上，以过程模型为核心对系统的阶段活动进行监控和管理。其主流技术是

14、新兴的工作流管理技术。一般的工作流管理包括工作流建模和运行控制两大部分。目前，市场上工作流产品十分丰富，它们在功能、规模和应用范围上也各有特色，在此介绍FileNet、JetForm、IBM和Action四个公司开发的比较有影响和代表性的工作流产品。1）FileNet公司的工作流产品VisualWorkFlo是FileNet公司集成文档管理软件系列产品中的一部分，它与集成文档管理软件中的其他产品合作，可为工作量大、性能要求高的经营过程提供全新的可扩展的过程改进方案。它允许迅速地评价和改进机构工作方式，可随时查看过程中关键的细节，实时掌握过程的运行情况，还能帮助生成日、周、月、季度和年度的工作情

15、况报告，以便改进过程模型。VisualWorkFlo还提供WEB服务，支持跨企业经营过程集成。2）JetForm公司的工作流产品InTempo是JetForm公司推出的企业工作流产品。它基于C/S方式，其客户端相互独立，适于管理型和设定型的经营过程，如合同管理、顾客问题解决、销售和预算审批、订购、消费报告、政策回顾和用户调查等。InTempo具有以下主要特点：客户端相互独立，企业可针对不同任务选择合适的客户端环境；支持各种数据和消息管理系统；自动分配活动 可自动将任务分配给相应的人员，并使用电子邮件系统传输信息，可使任务自动出现在用户的信箱中，简化了任务接受过程；版本管理 提供了对过程模型的不

16、同版本进行管理的服务；支持结构化和非结构化的数据 用户可将任何形式的文档附加在过程中传给下一个用户；时间管理 提供了不同程度的时间管理服务。用户可以在建立模型时加入时限限制，并根据用户定义的时限规定执行超时提醒、过时任务删除等操作；支持设定型的工作流 允许在工作流中加入决策型的活动。对异常活动和人员参与的活动，都将记录在案。可以处理更为复杂的工作流，为企业更快、更准确地决策提供了保证。3）IBM的工作流产品IBM MQSeries Workflow是IBM公司推出的最新工作流管理产品，是IBM商业集成软件IBMMQSeries的一部分。它将经营流程从应用逻辑中分离出来，可以帮助企业用更少的时间

17、、以更快的速度和更高的灵活性集成资源、减少消耗、消除错误、提高生产力，根据市场需要改变经营过程。它以IBMMQSeries为基础，将分布在一个异构平台内的不同活动、系统和应用程序有机地集成起来，为在Internet环境下实现电子商务提供保障。MQSeries Workflow 具有以下特点：支持异构系统 可支持25种不同操作系统。自动分配任务 可根据模型定义自动地分配任务。图形化的界面 提供了图形化编辑器，帮助用户迅速完成经营过程定义。帮助用户执行和优化过程 能够充分利用有关部门经营过程的知识，帮助用户定义、记录、测试、控制、执行和改进经营过程。4）Action 技术公司的工作流产品Actio

18、n为知识工程师提供了一套基于Web的工作流管理软件。Action Metro 4.0不仅能够管理确定的过程，而且能对经营过程中不可预见的问题、要求和机遇进行控制，还可为用户提供任务设定的管理工具。客户可用Action提供的工具，在整个企业甚至企业间建立基于Web或C/S的工作流管理环境。Action产品将Internet技术与SQL事务处理技术结合起来，并提供了内置的安全措施，即使用来管理非常复杂的、分布式的和需要不断修改的工作流，也能够保证经营过程的一致性。与传统的工作流产品相比，Action Metro更适合于基于知识的工作。它支持用户与信息之间的交互（如信息获取、用户协商、发现并解决问题

19、等），主要具有以下特点。实时提供状态信息 Metro的开放式应用结构，保证用户及时得到执行活动所需的最新的活动状态、应用数据和应用工具，并据此作出实时数据和过程状态的决策。瞬时智能地分配任务 Metro自动地将任务分类，用户可以基于Web的工具接受任务，Metro也可以通过Metro WorkLinks直接将任务送到用户的电子信箱中。功能强大的过程编辑器 Metro提供图形化的过程编辑器，用户可以方便地定义任何类型的过程模型。过程评估和改进 Metro保证对过程的每一步都进行记录、跟踪和说明。能时刻跟踪状态并收集数据，用户能够发现问题所在，并对过程模型进行改进，直到满意为止。)支持Web技术

20、Metro允许用户通过Web参与到工作流的实例运行中。9.2.2 多功能团队的协同工作(1) 集成产品开发团队传统的按功能部门划分的组织形式与并行设计的思想是相悖的。并行设计要求打破部门间的界限，组成跨部门多专业的集成产品开发团队（Integrated Product Team IPT）。集成产品开发团队是企业为了完成特定的产品开发任务而组成的多功能型团队。它包括来自市场、设计、工艺、生产技术准备、制造、采购、销售、维修、服务等各部门的人员，有时还包括顾客、供应商或协作厂的代表。总之，只要是与产品整个生命周期有关的，而且对该产品的本次设计有影响的人员都需要参加，并任命团队领导，负责整个产品开发

21、工作。采用这种团队工作方式能大大提高产品生命周期各阶段人员之间的相互信息交流和合作，在产品设计时及早考虑产品的可制造性、可装配性、可检验性等。在设计开发之前，IPT首先划分任务，任务的承担者是角色，功能部门以角色的形式完成任务。功能部门中的个人被定义成成员，每个角色可以由一个成员担任，也可以由多人完成；同样每个成员也可以承担不同的角色。IPT的结构是随时间动态变化的，它的成员、负责人和规模等内容随任务的需要可进行调整。IPT 的工作目标如下：1)提高产品质量 IPT的每个成员均对满足用户需求和质量需求作贡献。2)降低生产成本 采用集成产品开发团队能显著减少更改、错误和返工。3)缩短产品开发周期

22、 IPT并行协同工作，保证对用户需求和更改设计很快作出反应。(2) 团队工作中的冲突协调设计团队成员在同一前提条件下或同一目标要求下对某一事件作出的结论有时候不一致。由于组成集成产品开发团队各成员的专业背景不同，考察问题的出发点也不同，对同一个问题产生不同的见解是不可避免的。如质量和成本的矛盾、进度和资源的矛盾、可制造性和结构合理性的矛盾、可装配性和空间限制的矛盾等等。因此，及时发现和解决冲突是并行设计中非常重要的问题。从冲突所涉及的对象来看，冲突可分为设计冲突、资源冲突、过程冲突等三类。1) 设计冲突是产品设计中存在的相互对立、相互矛盾的关系。设计冲突分设计目标冲突和设计结果冲突两种。设计目

23、标冲突由局部目标的差异引起，表现为设计方案或设计属性无法同时满足一定的功能目标。如可装配性目标或可制造性目标等；目标冲突必然会导致结果冲突，即便在目标一致的情况下，由于问题求解方法等的不同，也会导致结果之间的冲突，或求解结果与总目标之间的冲突。2) 资源冲突是自然界和人类社会中普遍存在的一种冲突。并行设计的资源主要包括人力、物力和信息等三方面的资源，设计活动并行化后，资源规划、分配和调度机制如果跟不上，就难免会造成冲突。3) 过程冲突是产品在开发过程中时间上或信息上存在矛盾时产生的。过程冲突在时间上表现为拖延，即未按产品开发过程的计划完成任务，影响后续任务的执行；在信息上表现为信息缺乏，即一项

24、任务由于缺乏必要的从前面的任务输出的信息而无法展开执行。为了使集成产品开发团队的成员协同工作，实现全局最优的设计，就需要有解决冲突的机制。解决冲突的方法主要有消解、协商和仲裁等。消解 在问题求解阶段检测冲突，然后应用知识、工具、资源等予以解决，不能解决的则进一步采用协商的方法。协商 问题求解者对自己无法解决的冲突，与其他求解者进行协调，称为协商。协商是并行设计冲突的主要解决途径，协商的结果通常会导致折衷，团队成员互相让步，得到一个不是最优但冲突最少的解决方案。仲裁 子问题求解者对冲突无法达成一致协议，则提请更高一层的问题求解者，甚至管理者，请求仲裁。仲裁是一种具有主从关系的协商，仲裁者的意志可

25、强加于申请者。(3) 分布协同工作中的关键技术1）分布式对象技术传统的分布应用开发是通过远程过程调用（RPC）或网络应用编程接口（API）来实现的，用这些方法开发的系统的移植性、扩展性也将受到很大的限制，要在企业间有效利用面向对象技术，需要一种能够在网络层面上实现封装性、继承性和多态性的规范。这种网络级的对象技术便称之为分布式对象技术。分布式对象技术的采用，避免了系统集成实现时的许多无谓的繁杂编程。目前有两种主要的支持分布式对象技术的体系结构，一种是由对象管理组织（Object Management Group, OMG）提出的公共对象代理体系结构（Common Object Request

26、Broker Architecture），一种是由Microsoft提出的分布式通用对象模型（Distributed Common Object Model，DCOM），但是DCOM不能在UNIX平台上运行，而企业里PDM和ERP这样的一些大系统的服务端经常安装在UNIX平台上，因此CORBA由于其跨平台性而具有更广泛的应用范围。2）CORBA技术公共对象请求代理体系结构CORBA（Common Object Request Broker Architecture）是由对象管理组织OMG（Object Management Group）制定的一个面向对象的集成软件工业规范。CORBA是分布式计

27、算机技术与面向对象技术的紧密结合。CORBA通过分布式计算和面向对象技术的结合，实现了软件重用、移植和互操作。CORBA可以让系统开发人员自己选择编程语言，如C+，JAVA等，来创建一个面向对象系统。图9-3 CORBA对象管理体系结构的组成CORBA规范定义的基础是面向对象的设计思想和方法。将分布式计算同面向对象的概念相结合可以将冗余度控制在最低的程度，一个对象既能够被客户程序也能被服务器程序使用，对象实现的修改不会影响双方实现程序，这样就提高了软件的利用率。如图9-3所示，CORBA的对象管理体系结构主要由应用程序对象、公共设施、对象请求代理器和对象服务4个部分组成。对象请求代理器ORB（

28、Object Request Broker）为系统中的所有对象提供通信中枢，提供了对象间信息流动所需的通路。它能使对象在分布式环境中透明地收发请求和响应，是构造分布式对象应用系统，使应用系统在不同层次的异构环境下互相操作的基础。CORBA采用了一个代理器（ORB）来处理系统中客户机和服务器之间的信息交互。在传统的客户机/服务器模型中，客户机和服务器之间有着一一对应的关系。基于对象模型，CORBA在客户机和服务器之间插入一个ORB，由于ORB的介入，客户机和服务器之间不再一一对应。ORB将传统的客户机和服务器之间的直接通信变成了客户机和服务器分别和ORB的通信。ORB具有一定的智能，对于来自客户

29、机的服务请求，ORB将为其选择一个最合适的服务器并代为接通二者的通信。由于有了ORB，实现了客户机和服务器的分离。应用程序只要保证界面和行为语义的一致性，更换服务器或修改已有系统都不会影响已有的应用过程。从而提供了一种更灵活的，分布建立复杂系统的方法。代理器的引入带来了如下优点：CORBA客户机和服务器无须了解对方。CORBA客户机和服务器通过代理器找到对方，而不用直接知道对方。这样，只有代理器需要知道在网络中的CORBA客户机和服务器的位置和能力。而客户机和服务器它们自身是不需要含有这些信息的；CORBA 并不要求客户机和服务器之间是一对一的关系。传统的客户机服务器环境中，客户机与服务器是一

30、对一的关系。在CORBA中插入了代理器后，则既可以是多个服务器为单个客户机服务，也可以是一个服务器为多个客户机服务。如图9-4所示；CORBA客户程序可以在运行时动态寻址，与新加入的对象或服务器交互作用。传统的客户机/服务器模型中，请求的调用是预先定义的。CORBA可以在运行时动态调用对象的请求。对象服务（Object Service）为对象创建、对象访问控制、对象跟踪和对象应用等提供一套标准函数。对象服务是为方便应用程序开发人员开发对象的必要的系统的服务。对象服务使应用程序开发人员只需调用这些对象服务函数，而无需编写和调用自己私有的对象服务函数。图9-4 代理器的作用公共设施（Common

31、Facilities）为许多不同的应用程序提供一套一般用途的应用程序功能，例如，文档管理工具、数据存取工具、文件打印工具等。应用程序对象（Application Object）为最终用户提供一套完成特定任务的对象，它相应于传统的应用程序。3） Microsoft的方案（OLE、ODBC 和DLL）Microsoft没有推出基于CORBA的产品，但是它近来在windows操作平台上发展的一些相应的软件技术，例如对象链接和嵌入（Object Linking and Embedding-OLE）技术，开放式数据连接（Open Data Base Connecticity-ODBC）技术，动态数据交换

32、（Dynamic Data Exchange-DDE）技术和动态连接库（Dynamic Link Library-DLL）技术等，为windows环境下的应用软件集成提供了极为方便的手段。上述技术可大致分为三类集成：文档的集成（OLE）、数据库的集成（ODBC）和应用程序的集成（DDE、DLL）。4）WEB(HTML、XML)技术HTML协议是目前Internet交换信息的主要标准。HTML语言简单易用，它提供了一种文本结构和格式，使其能够在浏览器上呈现给访问它的用户。HTML是对ASCII文件的一种增强版本。它允许在文件中加入标签，使其可以显示各种各样的字体、图形及闪烁，还增加了结构的标记，

33、如头元素、列表和段落等，提供了超文本链接的功能。但是HTML过于简单，随着WEB文件内容的增多和形式多样化，越来越显得不适应，原因是HTML定义了唯一的文件类型，并且不能改动标记集。XML在可扩展性、结构性及可校验性三个方面都较HTML有较大的进步。HTML用来显示数据，XML则可用来描述数据对象。XML定义了一个开放式的标准，它包括三个相互联系的标准。XML（可扩展的标记语言，Extensible Markup Language）。XSL（可扩展的式样语言，Extensible Style Language）。XLL（可扩展的链接语言，Extensible Linking Language）

34、。这三个标准相辅相成，使XML语言在数据标记、显示风格和超文本链接方面功能强大，对数据交换十分便利，被称为WEB风格的EDI（电子数据交换）。5）CSCW在当今的社会生活中，绝大多数工作都是在特定的群体环境中，由群体成员互相协作、共同完成的，人们的工作方式明显地具有群体性、交互性、分布性与协作性等基本特征。随着计算机技术的发展及人们在群体工作中的实际需要，人们已不满足于简单的人机交互，而希望通过互联网促进人与人之间的交流，从而提高群体工作的效率和质量。计算机支持的协同工作（Computer-supported Cooperative Work ，CSCW）是一门研究人类群体工作的特性及计算机技

35、术对群体工作支持的方法，并将计算机科学、社会学、心理学等多个学科的成果综合起来的新兴学科。实现分布式设计的关键技术之一是对产品开发过程中存在的冲突进行管理，各个过程之间不断交换信息、协调冲突。因此，必须建立良好的通信环境和过程协调机制，以便于各过程之间及子系统之间的同步进行和协调决策。实施分布式并行设计需要多学科专家协同工作。协同工作模型是能够支持分布式并行设计的一种使能技术，它支持多用户同时工作，并提供访问共享信息的接口。通过通信网络，采用多媒体技术，实现文本、图形、语音、视频等多媒体信息进行实时交流，及时协调冲突，提高工作效率。多媒体会议系统使地理上分散的设计人员能组成多个产品开发团队，形

36、成一个虚拟的协作群，广泛地共享各种产品数据，加快产品开发的速度。概括起来,一个完整的CSCW环境应满足如下要求：支持产品设计的整个过程 分布式并行设计需要进行建模、分析和控制，CSCW能够引导设计过程高效地、协调地向前推进，对于不同设计团队在工作时出现的冲突,系统能够自动检测和协调；提供多种通信模式 为了满足分布式并行设计的需要，不同设计团队之间的产品数据通信、消息的发送等需要多种通信方式。例如在线交谈、电子邮件、电子白板、视频会议等；产品数据管理（PDM） 由于产品设计过程中的数据类型十分复杂，并且必须具备动态生成、动态修改的要求，CSCW能够支持多视图的操作；CSCW应具有一定的柔性 即具

37、有在不同状态或模式之间的转换功能，能够支持多种应用；高度的稳定性 由于CSCW是控制整个分布式并行设计过程的系统，其稳定性直接影响设计工作的正常进行，其错误可能导致整个系统的失败。按照时间和空间的概念分类，CSCW有交互合作方式和合作者的地域分布之分。具体地说，交互合作方式是指合作工作是同步的还是异步的，合作者地域分布是指合作者是远程的还是本地的，由此而将CSCW分成4类：远程同步系统 地域上分布不同的参加者可以进行实时交互协同工作，会议电视系统、远程协作系统等都是成功的远程同步系统的例子。会议电视系统是指分布于各地的会场通过通信网实现视频、语音、文字、数据和图片共享，便于人们进行问题的讨论和

38、工作的完成；远程协作系统不是以视频共享而是以活动共享为特征的，分布于各处的用户可以在各自的计算机平台上进行对相同的对象操作，从而完成一件工作。异步远程工作模式 地域上分布不同的参加者可以在不同的时间内进行信息的通信，是传统邮政信件通信方式的进一步发展，多媒体邮件系统是其发展的最高模式。在这种CSCW工作模式下，相互通信的计算机系统必须通过网络互联，不需要二者处于同样的工作环境和相同的工作状态，但通信网络必须有“存储转发”的功能。本地同步系统 处于同一区域的合作者在同一时间完成同一工作，这一点和人们日常群体工作方式最为接近，似乎不借助计算机系统人们也可以协调工作，但是事实上只有在计算机环境中才能

39、解决人们在群体工作时遇到的不易克服的问题，如怎样在会议环境下发挥每一位参加者的智能，在规定的时间内完成规定的任务，消除由于人们观点不同而引起人际之间冲突及如何克服无关话题的引入等等。本地异步系统 处于同一区域的人们在不同的时间内进行交互，主要有布告系统和留言系统等等。CSCW具有以下基本特征：信息共享 信息共享是协同工作的基本要求，只有提供方便可靠的信息采集、访问、修改和删除机制才能促进成员之间的协作活动。具体地说就是提供运行在不同操作平台上的不同应用程序对数据的存取和交换，例如对于电子邮件实现不同文档格式的转换；支持分布成员、信息资源以及当前活动信息的维护，便于人们去寻找相应的工作伙伴，利用

40、相应的资源，完成某项特定的任务；提供信息共享的不同访问方式；支持用户了解当前使用信息被其他用户同步使用时做的更改；用户间通信 CSCW系统要求运行环境为不同工作模式提供相应的通信服务；支持多媒体通信，允许进行视频、音频、图像、文字和数据的传送；支持不同形式的通信，支持不同媒体信息间的转换；群体活动管理 CSCW系统要支持多个用户协同工作，就必须提供相应的机制支持群体活动； 个体活动管理 在协调多个用户之间工作的基础上，CSCW必须能够为用户提供统一、方便和适宜的工作平台，保证用户的高效工作。目前采用较宽松的WYSIWIS（你见即我见，What You See Is What I See）机制，

41、允许参加者对同一事务的不同部分以不同形式进行观看和修改。为了安全性和其他一些社会需求，参加协调工作的用户必须能够保留一部分私有数据不为群体共享，CSCW平台能够区分公用操作数据和私有操作数据，并采取不同的使用和保护策略。 9.2.3 产品数据交换技术随着计算机技术的迅速发展，CAD、CAPP、CAM系统在过去的几十年中在各自的领域得到了广泛的应用。为了进一步提高产品设计制造的自动化程度，缩短开发周期，需要实现CAD/CAPP/CAM系统的集成。而实现CAD/CAPP/CAM系统集成的关键是CAD、CAPP、CAM系统间的产品数据交换和数据共享。因此，有必要建立一个统一的、支持不同应用系统的产品

42、信息描述和交换标准，即产品描述和交换规范。为了解决产品信息交换中存在的问题，国际标准化组织（ISO）制定了产品数据表达与交换标准STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data），在ISO中代号为ISO10303。(1) STEP的体系结构图9-5 STEP标准的体系结构如图9-5所示，STEP的体系结构可以看作三层：应用层，逻辑层和物理层。最上层是应用层，包括应用协议及对象的抽象测试集，这是面向具体应用，与应用有关的一个层次。第二层是逻辑层，包括通用集成资源和应用集成资源，通用资源模型是一个从实际应用中抽象出来，并与具体应用领域无关的产

43、品概念模型。而应用资源模型则是在此基础上对具体应用领域内有共性的部分进行了再次抽象，表达了该应用领域的产品概念模型。它们均与具体的实现无关。最底层是物理层，包含STEP数据的数据库和实际文件及其实现方法。 (2) STEP的组成结构STEP是ISO提出的产品数据表达与交换的国际标准，其目标是提供一种独立于任何特定系统且能描述产品整个生命周期中有关数据的机制。STEP标准包括六个部分的内容：描述方法、集成资源、应用协议、实现形式、一致性测试和抽象测试集。1）描述方法 集成资源和应用协议中的产品数据描述要求使用形式化的数据规范语言来保证描述的一致性、无冲突性和语义上的无二义性。这种形式化语言既具有

44、可读性，使人们能够理解其中的含义，又具有能够被计算机理解的形式化程度，有利于计算机应用程序和支撑软件的生成。因此在STEP描述方法中定义了EXPRESS规范描述语言和它的图形化表达EXPRESS-G。EXPRESS是一种形式化信息建模语言而不是一种编程语言。它是STEP系列中的一个部分内容，用以描述STEP中其他部分的信息要求，且标准化为ISO 1030311。其设计目标包括以下内容：语言不仅能够为人所理解，而且便于计算机处理；语言能够区分STEP涉及的纷呈复杂的内容；语言的重点放在实体（Entity）定义上。实体定义包括实体属性和这些属性上的约束条件；语言尽量与具体实现无关。EXPRESS语

45、言吸收了许多语言的功能和特点，并增加了一些新的功能，以便更适宜于表达信息模型。需要指出的是，EXPRESS语言不是一种程序设计语言，它不包含输入/输出、信息处理、异常处理等语言元素，它是一种具有面向对象特性的描述语言。EXPRESS通过数据和约束，清楚、简明地定义了对象，给出了一个概念模式。因此EXPRESS不仅是产品数据模型的规范语言，用来描述集成资源和应用协议，而且是整个STEP中数据模型的形式化描述工具。EXPRESS同样也适用于STEP范围以外的信息建模。2）集成资源 建立在STEP 逻辑层的概念模式称为集成产品信息模型Integrated Product Information Mo

46、del (IPIM)，又称集成资源（Integrated Resources），它是STEP 的核心。集成资源分为两大部分：集成通用资源（Integrated Generic Resources）和集成应用资源（Integrated Application Resources）。两者的区别在于它们的应用领域的不同，集成通用资源对所有的应用领域都通用，而集成应用资源的作用域相对狭窄，只描述具体应用领域所需要用到的数据。集成通用资源描述了诸如几何、材料、形状变动公差以及产品结构等数据，还能为产品数据的视觉展现来定义参数和规则。此外通用资源还定义了一个用来规定过程结构、属性和表达的模型，该模型用于构

47、造过程活动及其参数的逻辑顺序。集成应用资源是集成资源中针对特定的一些应用范围而定义的另一类资源，它是集成通用资源的细化和补充。3）应用协议 应用协议（Application ProtocolAP）是一份标准，用以说明如何用标准的STEP集成资源来解释产品数据模型环境，以满足特定领域的工业需求。也就是根据不同应用领域的实际需要，认定标准的逻辑子集，再加上必需补充的信息。作为标准，强制地要求各个应用系统在交换、传输与存储产品数据时满足应用协议的规定。一个应用协议包含如下三部分内容：由应用协议所支持的应用功能模型（应用活动模型，AAM）。AAM定义了标准的范围，并用形式化的过程描述语言IDEF0表示

48、。AAM将标识以下四种数据类型，即输入、输出、控制以及所涉及的功能/活动的方法要素。)按照某一应用视角给出的产品数据模型（应用参数模型，ARM）。ARM定义了在AAM中所给出的并以规范化方法描述的数据类型。通常用形式化信息建模语言EXPRESS-G表示。第三部分包含对特定应用中的ARM的描述（应用解释模型，AIM）。该描述是利用集成资源所预先定义的构造块，通过对集成资源的选择和约束来满足ARM所给出的信息完成的。解释模型用EXPRESS或EXPRESS-G表示。4）实现方法 描述了STEP标准的不同实现形式。实现形式是一种交换信息的方法，其信息内容应符合国际标准中定义的集成资源和应用协议。用于

49、产品数据的可供选择的实现形式有文件交换、数据库交换或直接的数据存取。文件交换实现形式定义了一套清晰的文本编码格式，可用于不同系统间交换全部或部分产品数据表示；数据库实现形式则用于各种结构的数据库（如关系型数据库或面向对象数据库）中存储模型；数据存取是为存储方式独立的应用程序提供信息的方式。各种实现形式均采用形式语言定义，以便用自动化方法开发应用软件。5）一致性测试 STEP的一致性测试方法学和框架，是STEP中的一个重要组成部分。它为实现STEP应用协议的软件产品的一致性测试提供了一般性的方法论和要求。一致性测试方法学和框架的目标保证以下三点：可重复性 任何时候实行测试结果相同。可比较性 任何

50、地点实行测试结构相同。可审查性 测试结束后，可复审记录。STEP一致性检验的基本原则和方法是为了检验支持STEP的软件的有效性。这些原则和方法描述了通用一致性准则和测试过程，同时还描述了执行这些测试的方法。每一STEP实现方法都定义了抽象测试方法。6）抽象测试集 根据每项应用协议的一致性需求与测试目标，用一种形式定义语言来定义抽象测试事例。每个测试事例提出一套用于某项专门测试目标的完整的活动说明。每种专门应用方式需要一个抽象测试方法。测试方法用于描述如何在与测试工具、过程以及所用的专门应用协议独立的情况下测试某种专门应用。9.2.4 产品数据管理(PDM)(1) PDM的定义企业信息化是将企业

51、的生产过程、物料移动、事务处理、现金流动、客户交互等业务过程数字化，通过信息系统和网络环境加工生成新的信息资源，提供给各层次的人们，以作出有利于生产要素组合优化的决策，使企业资源合理配置，适应瞬息万变的市场经济竞争环境，以达到获取最大经济效益的目的。产品数据管理（PDM，Product Data Management）技术是企业信息化的重要组成部分，PDM在提高企业效率、提高企业竞争力方面的杰出表现，使得越来越多的企业开始应用或者准备实施PDM。PDM管理从设计到加工的开发全过程的产品数据，将所有与产品相关的信息和所有与产品信息相关的过程集成到一起。它将数据库的管理能力、网络的通信能力和系统的

52、控制能力相结合，提供了产品全生命周期的信息集成化管理。PDM管理所有与产品相关的信息和过程，它包括： 与产品相关的所有信息，即描述产品的各种信息，例如部件信息、结构配置、文件、CAD图、审批信息等等； 与产品相关的所有过程，即对这些信息的定义和管理，包括信息的审批、分配以及更改等等。实施PDM可以缩短上市时间，提高设计效率，改善设计和制造的质量，更好地保证产品数据的准确性、一致性和安全性，有利于引进新的开发模式和管理产品开发过程等。(2) PDM的体系结构PDM系统是建立在关系数据库管理系统平台上的面向对象的应用系统，PDM的体系结构如图9-6所示，共有四层组成。 图9-6 PDM系统组织架构

53、1） 用户界面层用户界面层是实现PDM各种功能的手段、媒介。向用户提供交互式的图形界面，包括图视化的浏览器、各种菜单及对话框等，用于支持命令的操作与信息的输入输出。通过PDM提供的图视化用户界面，用户可以直接方便地完成管理整个系统中各种对象的操作。2）功能模块层除了系统管理外，PDM为用户提供的主要功能模块有项目管理、过程与工作流管理、文档管理、产品结构与配置管理、开放式企业编码管理、应用系统集成工具及网络与数据库接口等。3）核心模块层提供实现PDM各种功能的核心结构与框架，由于PDM系统的对象管理框架具有屏蔽异构操作系统、网络、数据库的特性，用户在应用PDM系统的各种功能时，实现了对数据库的

54、透明化操作、应用、透明化调用和过程的透明化管理等。4）系统支持层PDM以目前流行的关系数据库系统作为支持平台，通过关系数据库提供的数据操作功能支持PDM系统对象在底层数据库的管理。(3) PDM的基本功能PDM是一门管理所有与产品相关的信息及其与产品相关的过程的技术。它集数据库的数据管理能力、网络的通讯能力及过程的控制能力于一体，不仅能够实现分布环境中产品数据的统一管理，还能够很好实现对并行工程的支持。PDM的主要功能包括以下几个方面。1）项目管理 项目管理是产品数据管理系统的一个重要组成部分。项目管理的主要功能包括项目的创建、修改、查询、审批、统计等功能；项目人员组织机构定义和修改；在项目人

55、员组织结构的基础上，实现人员角色指派及其对产品数据操作权限的规定。2）文档管理 数据仓库与文档管理是PDM系统的基本功能，是PDM实现管理的基础。数据仓库与文档管理的主要功能包括文件的检入/检出（Check In/Check Out）、发布管理、属性的搜索机制、圈阅功能，动态浏览与导航机制等。PDM系统一般通过分布式的电子仓库来管理所有用户的数据和文件，利用PDM系统的电子仓库功能，用户能够依据自己的权限快速有效地访问到所需的信息，而无需了解数据的结构以及应用软件的运行路径、数据的物理位置等信息。3）产品结构与配置管理 产品结构与配置管理应该具有零部件定义、产品结构创建、产品结构维护和产品结构

56、信息报告等功能，以各种视图对企业的产品进行描述，同时能够提供有效性服务。产品结构与配置管理提供了一种组织、控制和管理数据的机制，所形成的产品结构是对产品的全面描述，是面向产品整个生命周期的。4）过程与工作流管理 PDM系统作为一种产品数据管理软件，不仅能管理所有与产品有关的静态数据，还提供了一套完整的机制来管理所有与产品数据有关的动态过程，跨越产品的设计、修改、审批，甚至生产、售后等阶段。在功能上，PDM系统对设计过程的管理体现为两个方面，第一，从产品开发项目进展的宏观方面，进行任务的定义，分解和执行，管理任务流；第二，从微观上对系统管理的对象（文档）经历的流程进行控制。5）开放式企业编码管理

57、 开放式企业编码管理支持不同企业的图纸文档、产品项目、机器设备和生产物料的编码生成，提供对编码规则的多种浏览和数据字段的合法性检查。6）应用系统集成工具 由于产品数据管理的使用对象成分复杂，涉及到各种不同的CAX系统。PDM提供的应用系统集成工具可以方便地对系统的功能进行配置和扩充，并对应用系统进行集成和封装，以满足不同层次用户的需求。7）网络与数据库接口考虑到企业中操作系统、数据库系统和网络环境各异的情况，PDM提供了多种网络与数据库接口以适应不同的操作系统与硬件平台。用户可以在合适的环境下透明地存取与访问企业共享信息。9.2.5 面向应用领域的设计评价技术（DFX）DFX是Design f

58、or X（面向生命周期各环节的设计）的缩写。其中X可以代表产品生命周期中某一环节，如装配、加工、使用、维护、回收、报废等，也可以代表产品竞争或决定产品竞争力的因素，如质量、成本、时间等。典型的DFX方法包括面向装配的设计（DFA）、面向制造的设计（DFM）、面向成本的设计（DFC），面向环保的设计（DFE）等等。(1) 面向装配的设计（DFA）在现代制造业中，装配工作量占整个产品制造工作量的2070%，装配时间占整个制造时间的4060%，提高装配效率所带来的经济效益十分显著。面向装配的设计（DFA，Design for Assembly）是在产品设计阶段考虑并解决装配过程中可能存在的问题，以确保零部件快速、高效、低成本地进行装配。改善产品装配结构的装配性能可从如下几个方面入手：1) 减少零部件数目 在满足产品功能的前提下，权衡产品零部件数目和零部件的结构复杂度对产品装配性能的影响。