多学科协同设计过程优化设计研究硕士学位论文.doc

第1章 绪论多学科协同设计过程优化设计研究硕士学位论文第1章 绪论1.1 课题来源课题来源于：(1) 国家863计划“面向共享知识驱动的产品协同设计关键技术研究”(no. 2009aa04z167)；(2) 国家自然科学基金项目“复杂机械产品混合模型中尺寸约束与传递方法研究”(no. 50975183)。1.2 课题研究的背景与意义 “协同”是协调两个或两个以上不同资源或个体，协同一致地完成某一目标的过程或能力。从概念可看出，协同并不是新生事物，其随人类社会出现而出现，随人类社会发展而发展。基本理论最早可追溯到上世纪60年代德国斯图加特大学理论物理学hermann haken于1977年发表的一篇名为snynergetic-an introduction1,2的文章。当技术逐渐成为人们日常生活和商业活动的主要核心时，人们就迫切需要技术能够提供更多的东西。现今基于网络的“协同”与以前物理领域的“协同”并非同一概念。作为一个新的软件热点，“协同”概念有着更深刻的含义：其不仅包括人与人之间的协作，还包括不同应用系统之间、不同数据源之间、不同设备之间、不同应用程序之间、人与机器之间、科技与传统方法之间等全方位的协同。1984年massachusetts institute of technology的irene grief和dec的paul cashman两位学者在描述如何运用计算机实现交叉学科中，人们共同工作的研究课题时，首次提出计算机支持的交叉学科协同工作(computer supported cooperative work, cscw)3 。cscw覆盖的范围十分广泛，包括：工作流管理系统4、多媒体计算机会议5、协同编译和多学科协同设计(multi-disciplinary collaborative design，mcd)6等。自90年代初，国内外学者对多学科协同设计展开相关的理论研究7-11，迄今为止已经成为发达资本主义国家工业界认可的崭新研究领域，受到企业和学术界的广泛关注与大力支持。随着复杂机械产品设计需求的增多、计算机网络技术的进步和人工智能(artificial intelligence, ai)12的发展，诸如：航天器、飞机、汽车、舰船、导弹等复杂产品形成一个集多学科知识理论于一体的综合体，其中每个学科都需要专门的领域专家进行设计研究。由于学科与学科间存在复杂的耦合关系，在设计过程中，学科间必须及时交换设计信息，数据参数等，才能有效调整各自的参数与设计变量，使学科的综合指标和产品的整体性能达到最优。多学科设计优化(multidisciplinary design optimization mdo) 13技术的出现使我们获得全局最优解成为可能。mdo技术不仅能很大程度提高产品设计的整体性能，还能缩短产品设计周期。因此，对mdo技术开展研究讨论具有很重大的意义。在产品设计过程中，由于存在大量节点耦合与数据异构的情况，人员进行过程管理与数据管理会存在很大难度。因此，复杂产品设计不光要对协同进行设计，还要对优化进行设计。在取得大量mcd 14-20和mdo算法框架后，研究并解决多学科协同设计优化方面的相关课题得到学术界高度重视应综合的对产品设计过程和数据源进行优化处理，使整体设计过程能根据实际情况做出相应调整，使参与协同设计的各学科能在一定程度上实现关键数据的无损交流。此外，多学科协同设计过程应以数据为核心，而不是协同工具。通过对设计过程和相关数据的优化，使各学科彼此间在某一时间段实现并联、获取、查询、保存对方给出的数据源，并能随时了解对方设计任务的进度并执行本学科的设计流程。综上，对多学科协同设计过程和期间产生的数据进行优化并对应开发出多学科协同设计过程管理系统(multi-disciplinary collaborative design management system, mcdms是一项具有重要理论基础和广泛应用前景的研究课题。1.3 国内外现状及总体发展趋势1.3.1 国外研究现状美籍波兰人j.sobieszczanski-sobieski最初提出多学科优化设计的思想，随后在美国航空航天部门兴起。1991年初，美国航空航天研究院(aiaa)管理多学科设计优化的委员会就优化研究现状和多学科优化设计进行研究并发表了白皮书。同一年，德国成立了国际结构优化设计协会(isso)，该部门是对大型复杂产品系统进行优化设计研究。协会于1993年更名为国际机构及多学科设计优化协会(issmo)。1994年，aiaa、nasa和issmo三个部门联合在美国佛罗里达召开第一次正式会议。该会议的召开标志多学科优化设计思想已渗透到现代产品设计的各个领域。此后，每两年对mdo进行一次专题性研究讨论，总结现今mdo的研究内容、发展方向和应用背景。1991年到1999年间，世界著名的航空航天类杂志journal of aircraft对在航空航天领域运用mdo思想的研究成果出版了相关专刊。而同一时期，其它许多国家也致力于发展mdo的相关技术。mdo的原理、方法和优化算法等研究已成为一个整体。随着计算机及网络技术的迅猛发展，集成结果已逐渐发展成熟并应用于市场。波音公司、福特、美国国家航空宇航局、通用等世界著名公司开始将mdo技术运用在各类产品设计开发中，并在保持多个学科间平衡、缩短产品设计周期、降低生产成本、提高产品质量等方面取得很好的效果。目前，mdo技术逐步克服了产品开发设计过程中各学科自成体系、相互干扰、缺乏沟通等众多不足之处，现已成为美国、英国、日本等发达国家工业界一个极具活力的研究领域，受到企业、工厂、研究人员和学术界的广泛关注。现今，业内已能实现对部分学科的优化设计并开发出诸如：isight、model center等多学科优化的商业软件。其它国家，如：欧盟的mob项目、俄罗斯的ioso技术也取得了相当好的研究成果。日本、韩国等国家纷纷成立研究中心和相关专业机构针对mdo进行研究，并已应用于各自的工业部门21-23。1.3.2 国内研究现状从20世纪90年代中期至今，国内mdo的研究工作从学习国外到吸取经验再到实际应用，已取得了一定进展。国内很多高校开展了对mdo技术的理论研究，将其应用到一些简单的系统设计中。mdo也引起了工业界特别是航空航天领域的重视，在“第三界军工产品多学科设计优化技术研讨会”和“2004赛特达科技有限公司技术大会”中，展现了大量国内开展mdo的案例，如：南京航空航天大学采用结构有限元参数化建模和结构优化方法对飞机连接翼结构质量与外形参数的关系进行了研究，其中运用了实验设计方法和响应面模型来获得外形参数与其结构质量之间的关系；北京航天航空大学开展了液体火箭发动机多学科设计优化、涡轮叶片综合设计优化系统等项目的研究，实现了复杂系统的集成与优化；北京工业大学在结构的mdo和工程数值模拟优化方法等方面作了很多工作；大连铁道学院使用isight软件平台开展了现代铁路机车车辆产品的设计优化研究；西安电子科技大学对电子装备中的结构位移场、电磁场和温度场的多场祸合问题进行了mdo研究；国防科技大学的课题组在导弹、高超声速飞行器、飞机、卫星的多学科设计优化中做了大量的工作，在mdo的基础理论以及mdo在飞行器设计和卫星设计中的运用展开了深入研究，取得了大量有价值的成果，并在基于商业软件的二次开发方面形成了一套独立的方法24-31。随着生产水平和经验技术的不断提升，国内越来越重视mdo技术在实际生产设计中的运用。1.3.3 总体发展趋势 mdo设计思想的前提是在产品设计中，利用已有的先进技术。因此，支持mdo的系统平台需要完成的首要任务是集成各种已有的设计分析工具。由于不同软件的数据格式各不相同，需要进行数据方面的转换。目前的解决方法有：采用xml文档结合dtd规范或xml schema、cybercad提供的造型器、中间件技术、step 数据到vrml转换等，这些方法是通过构造目标格式标识，建立一种基于数据源的统一文档格式，从而实现不同数据源数据共享的目的。尽管这些方法在一定程度上消除了各学科间数据结构不同的问题，但对各学科数据关联和语义异构问题并没有提供更为有利的支持，直接导致不同软件下的数据优化问题难以解决。随着mcd算法和mdo方法在mcdms系统的深入研究与应用，如：单级优化算法、协作优化算法、序列优化算法、并行子空间优化算法、多层递阶优化算法、耦合系统中参数的映射方法、基于灵敏度分析的多学科设计优化方法等32-34，多学科协同设计过程的数据优化问题变得愈发明显。对复杂产品设计过程中产生的数据，以往通常采用标准co算法进行优化，但随着其广泛使用，计算方面的各种问题慢慢突显，而围绕标准co算法改进的一系列算法逐渐出现，但仍存在一些不足，因此，应对标准co算法进行深入的研究与讨论。在mcdms系统开发方面，目前国内外已有基于isight的mcdms商业软件，但在优化管理方面还存在很多局限性。因此，开发一个能够动态的对设计过程进行管理并能很好的解决数据优化问题的多学科协同设计过程管理系统势在必行。1.4 本文的主要研究工作本文的主要研究工作是在多学科协同设计过程中，探索与解决过程设计优化与数据优化管理的问题。研究了该课题涉及的一些关键性技术，提出理论基础与相关模型，运用这些方法实现多学科协同设计过程管理系统的设计与开发。本文涉及的研究工作包括：过程优化技术理论的提出；数据优化改进算法的研究；搭建多学科协同设计过程管理系统的总体框架；。具体如下：(1) 对wpr技术进行研究，通过对其方法的提出与改进，针对机械产品设计过程耦合节点的情况，运用协商技术，进行优化处理。最后根据网上开源代码，设计出一款可视化图形建模软件，两者结合，实现对产品设计过程优化的目的。(2) 通过对协同优化算法的介绍与机械产品设计中增广乘子概念的研究，对现今应用比较广泛的标准co算法计算方面的不足，通过在系统级上加入增广乘子，对标准co算法进行改进。由于该算法是基于标准co算法提出，因此继承标准co算法的优点。通过计算得知，其结果优于标准co算法的结果，从而为数据优化提供一种更精良的方法。 (3)从优化管理、数据流向和模块实现等方面介绍了mcdms系统设计。本系统是立足于减速器产品设计过程，将部分agent驱动、过程流优化、数据优化、协同空间等技术应用其中，进行多学科协同设计过程优化设计的研究。通过具体产品设计的验证性应用，一定程度上说明了现阶段研究成果的可实用性和有效性。1.5 本文的总体结构本文对基于多agent技术的mcdms总体框架、基于wpr的改进过程方法研究、基于标准co算法改进的算法研究以及mcdms系统实现等方面进行了描述。具体结构如下： 图1.1 本文总体结构图第一章为绪论部分，介绍了课题来源、课题研究的背景和意义、国内外发展现状、总体发展趋势及本文的主要研究工作。第二章介绍了mcdms系统总体框架，通过对agent技术介绍，提出一个基于多agent技术的mcdms系统工作模型。其中包括：agent的项目管理、agent的过程管理、agent的协同空间、agent的优化管理、agent的人员管理等主要功能模块。从多学科协同设计技术的角度，为mcdms系统在多学科动态过程建模、协同并行设计、任务数据发布、流程监控机制、过程及数据优化管理、三维模型浏览及人员权限管理等方面提供了有效的方法。第三章对优化管理智能体中的过程优化部分，提出基于wpr的改进过程方法。通过对该方法的描述，为用户端过程管理智能体中的过程设计优化提供了理论基础。该方法可使用户端及系统平台更加容易的对设计过程进行操作及监控，可化简操作步骤，使过程流局部明了。最后，通过给出一款开源过程流可视化图形软件，方便用户端对过程流进行操作。第四章介绍了多学科协同设计过程中的一种优化算法。通过对现有方法的研究，在原有标准co算法基础上，通过改进，提出一种基于增广乘子法的协同优化算法。该算法能克服标准co算法计算方面的一些不足，实现对协同设计过程中产生的数据进行优化的目的，并取得了较好的效果。第五章是基于前几章的研究和成果，主要从优化管理和数据流向两方面介绍mcdms系统的设计和其功能模块的实现。通过具体操作描述了在设计和实现过程中所应用到的技术，并依据减速器的协同设计流程，验证本文与系统开发的合理性和有效性。最后，总结全文的研究工作成果并展望今后需要进一步完善和深化的工作任务。80第2章 基于多agent技术的mcdms总体框架第2章 基于多agent技术的mcdms系统总体框架2.1 引言一个完整的系统，其中包含很多条主线，数据是其中很重要的一条，它可以当成设计任务的节点，也可作为数据优化的来源。自20世纪90年代，随着计算机网络技术发展，操作系统的不足日益增多，如：过程流设计复杂、操作异地分布、全局数据异构、数据优化困难等问题愈发的明显。随着机械产品设计日益多元化与复杂化，导致多学科协同设计环境下设计过程的繁琐与各类数据量的迅速激增。学术界和工业界对此展开激烈的讨论，认为智能化的过程流管理与数据共享、使用和优化将会成为未来多学科协同设计研究的主要内容与工作方向。将分布式的项目管理、过程管理、协同管理、优化管理、人员调度、网络工程管理、动态联盟及并行工程等技术相结合，可为企业提供一个异地、异步的产品协同设计优化于一体的系统平台。该系统平台能在规定的生产周期内突破地域与时间上的限制，使用户完成过程建模优化，交流协同设计中产生的相关数据，提高企业快速响应的能力，完成产品的设计目的。在此，提出多智能体(multi-agent system, mas)作为实现上述要求的关键技术，其最早来自于人工智能35。mas具有很好的灵活性，有分布式自主决策，强调各个agent之间的相互协作36,37，可有效解决地域间差异的限制。mas作为一个计算机程序单元的模型及实体，可有效解决时间上的限制。在系统重构方面，mas的很多特性，如：可扩展性、动态性、适应性等38-40，可为模块化的系统架构提供更有效的解决方案。另一方面，mas能在一定程度上满足部分智能数据的采集与建立数据共享区。本章首先研究基于mas的多学科协同设计过程管理系统的总体框架，为后面章节的多学科协同设计过程优化与数据优化提供框架与理论支持。2.2 基于多agent技术的mcdms系统的体系结构mcdms系统体系的目的是实现多学科协同优化设计，由协同工作中多个地区上分布、行为上自治的信息节点构成，分为：分布式项目管理、动态过程建模、协同空间、优化管理、人员管理、数据处理等方面。mas具有自主响应与协同工作的功能，在mcdms系统体系结构中，各信息节点包含相应的智能模块。基于mas的mcdms系统的体系结构为浏览器/服务器(browser/server, b/s)架构，主要可分为四层，如图2.1所示。图2.1 mcdms体系结构(1) 用户端口层一个项目或工程的完成，需要很多人员角色，为了便于管理，可分成多个角色同时进行。mcdms系统在分布式协同设计中也需要多个角色(系统管理员组、设计人员组、专家组等)共同进行完成任务。因此，多角色的权限分配成为一个重要问题。由于用户端口智能体能按预先设定的系统权限分配策略并根据当前用户角色的注册信息，采用严格的权限访问和身份验证机制来实现用户与系统间的交互平台，因此，可很好的解决权限分配问题。(2) 功能模块层此模块层是mcdms系统性能评判的实体，提供mcdms系统最主要的功能模块和开发环境。每一个功能模块对应一个指定的功能智能体，如：系统项目管理智能体、过程管理智能体、协同空间智能体、优化管理智能体、系统人员管理智能体。这些地理上分布不同、时间上分隔不同的功能智能体在协同策略中都按系统特定的交互操作运行，通过同步或异步协作方式，完成用户端口层发出的各种操作指令，实现系统的相关功能。(3) 系统通信层此模块层提供mcdms系统各实体间的交互通信机制。利用此模块层，各角色可达到相互通信的目的。该功能是基于tcp/ip通讯协议，由系统通信智能体根据系统发出的各类消息请求的特征，解析出消息请求的内容，利用点对点(peer-to-peer,p2p)技术，使处于不同地理环境下的各实体和各角色间能建立有效的连接，保持系统在协同设计方面的高效性与同步性。(4) 系统数据底层此模块层是mcdms系统处理数据的关键。由系统数据管理智能体对各功能模块产生的数据源开辟出一个存储数据的空间。通过触发数据接收响应机制，对系统底层数据进行管理和协调，使来自不同地域与不同时间产生的数据源能保存在统一的数据库环境中。可方便各角色与各功能模块间的协调使用与传递，达到维护数据一致性与协调性的目的。2.3 基于多agent技术构建mcdms系统平台2.3.1 多agent技术构建mcdms系统平台的工作模型构建mcdms系统工作平台，首先，用户需通过系统统一指定的资源定位符(uniform resource locator, url)向系统发出访问请求，系统权限分配用户端口智能体根据系统内部数据库的注册人员信息并结合权限分配策略，解析请求的信息，同时，系统通过建立oracle9i数据库与系统权限分配用户端口智能体进行连接，将获取的关键信息内部发送至系统oracle9i数据库进行信息数据的匹配，直到系统权限分配用户端口智能体发出确认信息y，启动agent功能模块。否则，发出确认信息n，放弃访问并退出系统。接收确认信息y后，触发各功能智能体。项目管理智能体在项目立项、项目修改与项目审批等过程后，向过程管理智能体发送接收请求信息，将生成的主要信息保存至系统oracle9i数据库。过程管理智能体在接收项目管理智能体发出的信息后，将项目任务分解成若干个子任务，根据需要按系统协同策略建立项目的相关过程流模型，之后，进入优化管理智能体，对生成的过程流模型进行优化处理。在项目管理智能体发送信息后，将生成的过程流信息提交至系统oracle9i数据库保存。同时，触发协同空间智能体和通信智能体。协同空间智能体解析收到的信息，判断需要操作的对象，分时段发送信息采集指令至数据管理智能体后，根据权限分配用户端口智能体把需要进行优化的数据发送至优化管理智能体，数据优化结束，将数据返回数据管理智能体并保存至系统 oracle9i数据库。操作期间，过程管理智能体会对项目进行即时监控，让用户端能对整个设计进程有更加直观的了解。至此，过程流结束、任务完成、项目完成、产品设计完成，生成产品设计报告，退出系统。多agent技术构建mcdms系统平台的工作模型，如图2.2所示。图2.2 mcdms平台的工作模型2.3.2 基于agent技术的项目管理项目管理智能体由操作指令与搜索指令组成，实现对系统项目过程的管理，是mcdms系统功能智能体模块运作的起点，是整个任务流程的开端。分布式web用户端对系统发出各类响应请求，增加了项目管理智能体在设计上的复杂性41。从项目初始建立到整个项目的完成，项目管理智能体跟踪并记录各个活动agent的业务操作，完成业务要求，生成业务日记。构建项目管理智能体结构，如图2.3所示。图2.3 项目管理智能体结构项目管理智能体操作指令包括：项目立项、项目修改、更改请求、更改审批、更改状态。搜索指令包括：项目查询与文件索引。项目管理智能体请求响应机制：用户端a通过用户端口智能体验证，进入系统平台，系统后台自动开启操作指令与搜索指令，等待请求消息。用户端a进入项目立项节点，触发操作指令，对项目进行立项。智能体记录立项内容，建立agent操作日记。完成任务后，智能体把相关信息保存至系统oracle9i数据库。用户端b进入系统平台，触发更改审批操作指令，项目管理智能体提交项目立项的名称、内容、最早开始时间(early start, es)、最早结束时间(early finish, ef)、最迟开始时间(late start, ls)、最迟结束时间(late finish, lf)、总时差(total float, tf)等项目信息至用户端b，用户端b接收上述发送请求并进行操作。项目管理智能体解析用户端b提交的信息，自动变更数据库中保存的项目状态，如：发起、开始、进行中、完成。项目管理智能体发出项目修改请求，用户端a响应该请求并通过web浏览器发送更改请求，通过系统平台确认，最终保存至oracle9i数据库。通过系统搜索指令，web用户端a、b能够查询已保存在数据库中的信息，并输出匹配表至用户端a、b的web浏览器。至此，项目管理智能体完成基本功能。2.3.3 基于agent技术的过程管理过程管理智能体由过程建模、监控管理与过程流查看组成。过程建模包括可视化流程图、任务分配图及gantt图。监控管理实现对项目及任务整体进度的监控。过程流查看提供用户端对建立好的过程流模型进行查看功能。该智能体能够提供用户过程流搭建、任务分配、进度跟踪、进度查询等功能。通过记录当前任务进度和相关数据的变化，能够自动给出最优设计过程调整方案，最终生成系统操作日记并保存至系统oracle9i数据库中。其基本功能如图2.4所示。图2.4 过程管理智能体基本功能(1) 过程建模：项目管理智能体完成任务后，用户端a进入过程管理智能体对项目整体过程进行建模并保存至系统oracle9i数据库。用户端b进入系统平台后，优化管理智能体对过程流进行优化。用户端a在接收优化后的过程流可视化模型后，对任务进行分解，生成任务分配图与gantt图，将结果保存至系统oracle9i数据库。(2) 监控管理：系统采用时间节点，根据任务分配中的es、ef、ls、lf、tf设定节点的初始点与终结点。mcdms在预设时间内进行过程流时间节点监控，根据本地时间自动标记已完成的过程流节点，同步更新过程流监控图形化样式并呈现至web用户端浏览器，同时记录完成节点id并更新(update)系统oracle9i数据库的节点id状态值，实现图形化样式呈现与数据库信息同步的目的。(3) 过程流查看：根据产生的可视化过程流、任务分配图及gantt图，web用户端访问保存在系统数据库中的信息，即时查看所需信息，根据可视化监控图形，掌控任务及项目的完成进度，根据需求进行相关任务的修改。2.3.4 基于agent技术的协同空间随着机械产品设计日益复杂化，产品设计过程已不是单一串行模式和单一学科模式。多学科并行设计成为当下主要设计模式。协同空间智能体在众多功能智能体模块中占有重要地位，提供多角色间协同批注的在线平台，由基本操作指令与智能协商评估策略共同组成。实现产品的并行设计，提高设计效率。构建协同空间智能体工作机理，如图2.5所示。图2.5 协同空间智能体工作机理基本操作：系统平台启动后，协同空间智能体自动启动，等待用户端响应请求。系统管理员通过系统平台提交需要的工程软件文档，协同空间智能体收到请求建立操作日记，并根据工程软件文档进行分类，存入系统oracle9i数据库。协同空间智能体调出相应的专家数据库和在线专家名单，匹配合适的专家人员，进行在线批注。协同空间智能体会自动发送工程软件文档至专家组，发送在线批注消息请求。专家接受请求后，通过web用户端和系统oracle9i数据库获取文档，进行web在线协同批注与相关操作。协同空间智能体即时记录该过程并把结果保存至系统oracle9i数据库。任务完成后，系统平台自动发送反馈请求至设计人员，设计人员接收任务消息，对工程软件文档进行修改。通过协同空间智能体，系统平台对协同批注流程进行不断的循环(y/n操作控制)操作，根据智能协商评估策略，判断终止节点的位置，将优化的工程软件文档交至系统管理人员审批并存入系统oracle9i数据库保存。智能协商评估策略：mcdms系统具有分布式、异步性协同环境，在此引发关于智能协商评估策略的优化思考42,43。智能协商评估策略是协同空间智能体的重要智能模块，策略机制如下所示：(1) mcdms构建协商评估函数：式中：为分布式协同环境下专家的个体，满足映射关系；g为枚举类型变量，满足gu；u=mcdms预设代数集；n为专家成员个数。(2) 计算一组专家的协商评估函数值，即计算专家组根据协商评估函数所得到的真实值。建立z1、z2坐标系，如图2.6所示，圆点代表其真实值，m0为mcdms预设协商评估的函数值。(3) mcdms预设协商评估函数值误差范围k1k2，设协商评估函数计算得到的真实值是，并满足|m0|=。(4) 若k1k2，则智能协商评估策略的返回值为y，协商结束；否则，智能协商评估策略的返回值为n，专家提交批注完成的信息给设计人员，等待下一轮协商进行。协商评估函数策略机制，如图2.7所示。 图2.6协商评估预设值m0与真实值(黑圆点)关系 图2.7协商评估函数策略机制2.3.5 基于agent技术的优化管理优化成为产品设计高效的重要解决方法。因此，优化管理智能体在系统平台中占有一个很重要地位。其包括设计过程优化与设计数据结果优化。设计过程优化可使管理人员能更明确的了解产品设计过程，数据结果优化可使设计人员对任务数据进行更好操作。优化管理智能体工作机理，如图2.8所示。图2.8 优化管理智能体工作机理过程优化：用户端按传统方法建立过程模型，往往出现复杂、重复及耦合的情况，加大用户端对整个设计过程的管理难度，因此，一套针对过程设计模型优化的方法至关重要。优化管理智能体随系统启动自动启动，等待请求。管理人员针对过程进行建模，优化管理智能体调出过程优化软件，管理人员使用该软件对已设计的过程模型进行优化，并将结果保存至系统oracle9i数据库。数据优化：设计人员为提高效率，任务完成后对所得数据进行全部或局部优化。优化管理智能体包括数据优化部分，在系统oracle9i数据库中，储存很多常用的数学模型，用户端只需选择相应的数学模型进行操作。在系统后台，优化管理智能体对已选数学模型进行分级处理，形成系统级与学科级并生成结果数据保存至系统oracle9i数据库。用户端只需在前台输入相应的结果数据，优化管理智能体进入系统优化平台对该数据进行优化处理，解析出最优结果并显示至前台web用户端，同时生成结果表单并保存至系统oracle9i数据库。数据优化机理，如图2.9所示。图2.9数据优化机理2.3.6 基于agent技术的人员管理人员管理智能体功能包括：角色注册请求、人员信息查看、发送会话id(session id)、记录访问时间、存储多角色信息与组间关系信息。其不仅能组织管理用户组、项目组员，同时，会配合系统权限分配端口智能体验证机制，使系统管理员对已注册的其他管理员、设计人员和专家人员进行在线审核，实现新用户权限的授权功能。同时可管理用户端人员的基本信息。人员管理智能体由分类匹配策略与关系映射表两部分组成，其工作机制，如图2.10所示。图2.10人员管理智能体的工作机理分类匹配策略：使web用户端能自动匹配相应的用户组人员。其分类匹配策略，如图2.11所示。图2.11分类匹配策略(1) mcdms会构建web用户端的信息属性集及映射关系集：u=, |ti, f(x)函数有且只有不同的唯一解，i整数集；t为web客户端的属性值。u:ur, r表示实数集。(2) 各个工作组通过系统平台来发出匹配缺省信息属性集的请求，其中u，等待响应，满足，r。(3) web客户端通过系统平台接收响应，发送响应信息的属性值，满足关系，r。(4) 自顶向下匹配，若=，则返回值为1，进行插入操作，匹配成功；否则，匹配失败。关系映射表：系统平台提供会话id与工作组的关系映射= | tu, 为分布式协同环境下专家个体，i整数集。2.4 mcdms系统各agent间的协同关系通过对各agent的详细描述，构建的mcdms系统中各agent的协同优化关系，如图2.12所示。图2.12说明多agent技术在mcdms系统中产品协同设计优化的网络关系。系统数据流随产品协同设计流程产生。根据各agent触发策略的阐述，通过系统项目管理智能体、系统过程管理智能体、系统协同空间智能体、系统优化管理智能体、系统通信智能体，将设计流程中的数据流存至系统oracle9i数据库。用户端通过系统数据库操作实现对项目与任务监控、过程流优化、数据流优化、数据上传下载、任务反馈等相关功能，使用户端更好的对产品设计进行管理。特别地，由于系统项目管理智能体能提供整个项目的运作时间表，包括：es、ef、ls、lf、tf等，因此，可实现不同时段用户端的同步操作。 图2.12 mcdms系统中各agent间的协同优化关系2.5 本章小结本章中，首先介绍agent技术，通过搭建多agent技术的mcdms系统总体框架对基于agent的项目管理、基于agent的过程管理、基于agent的协同空间、基于agent的优化管理、基于agent的人员管理进行描述，为mcdms系统在多学科动态过程建模、协同并行设计、任务数据发布、流程监控机制、过程及数据优化管理、三维模型浏览、人员权限管理等方面提供了有效的解决方案，为后面章节的进一步分析mcdms系统的过程流程优化及任务数据优化研究提供框架及理论支持，为第五章以多agent技术构建mcdms系统各模块提供了建设性意见。第3章 基于wpr的改进过程方法研究第3章 基于wpr的改进过程方法研究3.1 引言人们提出bpr(business process re-engineering)概念以减少企业生产成本并增加产品利润。bpr主要通过检测与分析组织成员间的工作流和过程流44,45来寻找设计瓶颈。re-engineering指对业务流程的基本组织进行重新考虑与再设计，改善某些重要的性能指标，如：成本、质量、服务与速度等46。通过多次模拟执行与分析业务流程以保证最优的工作流过程47。但bpr只限于分析与局部优化两方面，甚至某些bpr软件工具只有分析方法却没有提出优化方法，造成许多设计上的不便。随着计算机与网络技术的广泛应用，企业面临很多问题，如：安全性、稳定性与协调性等。解决这些问题，要考虑组织与部门间的关系，研究使用技术与数据共享方法(协调性方面)。设计的工作管理系统48应尽量满足上述需求，用户应根据需要定义工作流，但定义的工作流会存在许多不如意的地方，因此，必须提出一套优化方法对其进行改善。已发现的一些工作流特征可通过bpr方法进行优化49，因此，工作流管理系统应开发出支持bpr的工作流技术50，即优化工具。清华大学谢玉凤与杨光信等人提出工作流优化的概念(wpr)51，该方法基于条件有向图52，虽然可对工作流进行改善，但对耦合情况没有进行过多的研究。进入二十一世纪，随着科学技术的迅猛发展，人们对产品的要求日益增多。机械产品设计变得日益复杂化，其设计流程日趋多元化与结构化。对于如何提高产品设计效率变得尤为重要。只有对设计过程进行合理优化才能提高设计效率，已存在的优化方法有很多，本文意在对wpr方法进行改进。通过对wpr技术中几种属性节点进行研究，对机械产品设计过程的多元化与设计过程中耦合节点的普遍化，在原有理论基础上，提出一套对耦合节点的优化方法。该方法对整个设计流程进行任务分解，找到具有某些特征的属性节点进行过程优化。针对节点间带有耦合的情况，通过内部协商，能基本达到解耦的目的，可优化整个设计过程，提高设计效率。3.2 wpr的概念工作流过程优化(wpr)概念是一套符合工作流过程的优化方法，能提高工作流效率，对一些工作节点提供协同工具，使企业的协同工作更加完善。工作流模型是将工作流w51形式化为一个三元组 ，是实际业务过程的数学描述：(1) n为工作流名称；(2) a为从业务过程中抽象出来的所有活动构成的集合；(3) f为的一个子集，描述w中各活动间数据流动关系与控制流动关系。对于c中的每一个元素c，其是一个二元组，其中c为一个布尔表达式，e为多个命名表达式构成的集合。c是描述条件得以满足时，激活后续环节，将数据对象进行传递。w实际是一个有向图，图中各节点表示工作流各活动的步骤，与常规有向图相比，区别在于：与每一有向边对应分别有一个逻辑表达式与一个命名表达式的集合。在此使用条件化有向边来表示活动间的控制关系与数据流动关系。a中每一个元素c都表示一个活动, 其可通过一个九元组表示53,54, 其中：n为活动名称；t为活动类型；s为活动开始条件；e为活动终止条件；r为参与活动的所有用户集合；l为前驱活动(i)与处理数据方法(m)组成的集合；o为活动处理的数据对象；p为r中用户访问o中域的方式；k为后继活动(j)、激发条件(c)与调用函数(f)组成的集合。条件有向图通过使用有向有限图描述工作流的过程。节点表示工作流过程的实际或抽象活动，边表示下一个活动节点，层次方法是直接在图上定义工作流过程。每一个边，只将数据对象传递给下一个活动，由数据对象来激发此活动。3.3 ipr的概念及应用3.3.1 ipr的概念此方法基于wrp技术提出，同样定义如下概念：定义1：协商节点 如果有两个节点处理相同的数据对象且对其有相同的操作权限，可互相传送数据对象进行通信，所传送的数据对象是由相同的属性构成，则称这两个节点为协商节点。a节点与b节点为协商节点的充分必要条件：1) and;2) and;3) ,，可以得出为的逆变化;4) ,，可以得出为的逆变化。定义2：相似节点 如果两个节点有相同的用户集合且处理相同的数据对象，对于相同的数据对象域有相同的权限，且对相同的前驱节点与后继节点有相同的处理方式，则称这两个节点为相似节点。a节点与b节点为相似节点的充分必要条件：1) and and and ;2) ,and ;3) ,and,.定义3：独立节点 如果一个节点的触发条件不依赖其父节点的执行结果，且处理的数据对象不被父节点所改变，则称此类节点为独立于父节点的节点。a节点独立于b节点的充分必要条件：1) and ;2) ;3) .通过对wpr方法的研究发现：该方法可对协商、相似、独立节点进行简单的优化。针对机械产品设计，在此提出ipr(improve process re-engineering)方法。该方法基于wpr方法提出，用于机械产品设计过程优化。通过对整体过程分析、节点属性归纳、结合协商技术，综合的对设计过程进行操作，达到最终优化的目的。3.3.2 ipr原理介绍ipr的原理如下：1） 数列=,表示一个设计流程，表示流程的各个节点。2) 如果找到个协商节点，其前继节点为，其后继节点为，可将这n个协商节点合并成一个节点并为其提供某种协商技术，该协商技术已在2.3.4介绍。3) 对于合并后的相似节点，会出现重复的边，可将其中多余的边删除。4) 一个设计流程，首先需对其中直接耦合的节点进行优化，依次找出协商节点、相似节点与独立节点。优化过程中，根据实际情况调整各节点的位置，最终达到优化的目的。3.3.3 ipr的优化方法介绍3.3.3.1 非耦合节点的优化方法1) 协商节点：按照2.3.4提供的协商方法直接让节点进行协商，将外部活动改为内部活动。如果找到个协商节点，其前继节点为，其后继节点为，如图3.1所示。通过协商方法将其合并成一个新的节点，如图3.2所示。 图3.1 多个协商节点示意图 图3.2 优化后示意图将多个非独立节点(其依赖于前面执行的结果)合并为一个整体节点，为确保用户意图不变，合并节点后必须遵守下面两条规定：(1) 如果一个节点的前继节点原属于，设定为协商活动的初始者。(2) 如果是在节点处结束整个协商活动，只需触发所能触发的节点。第(1)条为保证优化前后发起协商的群组一致。第(2)条为保证协商后，优化前后触发的活动相同。如果使用的管理系统不支持一个节点有多个用户共同操作，我们可参考georg提出的方法，其主要是将多媒体会议系统技术嵌入管理系统中。2) 合并相似节点跟合并独立节点类似。从商业角度看，每一个部门或组织所负责的任务通常是固定不变的。根据相似节点的定义知道：相似节点属于同一部门或组织，因此，实行的任务在很大程度上是相同的。为使系统能更清楚组织与部门间的关系，将相似节点统一合并，通过bpr工具对优化后的流程进行策略方面的相关优化。应注意：图3.3中在合并活动与活动后，出现两个重复的边与。将其中一个边删除并不会影响结果。在做合并优化时，不应让各个节点的判断语句过于庞大，优化的目的是为简化设计流程，而不是使其变得更加复杂。优化后示意图，如图3.4所示。 图3.3 相似节点示意图 图3.4 优化后示意图3) 用户定义过程流，如图3.5所示。等价活动类别个数为4(, ,)。如果节点独立于节点，但受节点的执行结果影响，可将设计过程进行重组，如图3.6所示。节点与节点是并行执行，节点在节点后执行，这里等价活动类别个数为4 (,)。当活动由触发，其执行时间会有所改变，但整个系统的执行时间认为是不变的。如果图3.6中节点独立于节点与节点，可将设计过程重组，如图3.7所示。节点、节点与节点并行执行，其等价活动类别个数为3(,)，整个系统的执行时间得到提升。 图3.5 用户定义过程流 图3.6 优化1 图3.7 优化2必须保证在节点、节点与节点完全执行后， 再执行节点。需要注意的是：在图3.6中，如果节点发出一个异常处理，需判断节点是否已执行完毕。如果执行完毕，需将其复原，再执行异常处理。此做法是保证优化后流程的处理结果与原来的结果是相同的。4) 用户自定义设计过程中，会存在冗余的活动节点，应将其从设计过程中移除以减少执行时间。移除对系统不起任何影响的活动节点，能达到非常明显的效果。类似编译优化中移除冗余赋值语句，可减少执行时间。不同应用中会有不同的定义，在此，介绍两种常见的冗余活动节点。(1) 只有输出边没有输入边的节点。此类节点如果不是初始节点，那么其永远不会被激发，这种节点就是冗余节点。a为冗余节点的充分必要条件： a.l=;a. t! = initial.(2) 重复工作的节点。如果一个节点一定能到达一个与其相似的节点，且在到达这个节点前，其所处理的数据对象全不会被改变，由相似节点定义，这两个节点能处理相同的数据对象且有相同的修改权限，因其所处理的数据在后面的节点处会重复执行一次，此节点在整个活动中是多余的。a为b的重复工作节点的充分必要条件：similar(a,b) = true and gothrough(a,b)= true;value(a.o)= value(b.o);a.r= b.r.函数similar (a,b)判断a,b是否为相似节点。函数gothrough(a,b)判断a是否一定可到达b。函数value(a.o)表示活动a开始时，数据对象o中每一个属性的值。以上三个函数都能很容易实现，这里不再详细说明。这两种活动节点都可直接从设计过程中移除，却不会改变其执行结果。要判断一个节点对设计过程是否多余，可根据其是否会被触发(第一类节点)，也可通过其处理的任务是否存在意义(第二类节点)来判定能否移除。移除多余元素时，应注意是否会影响后面数据。5) 为方便管理与简化设计模型，可加入一些控制节点来实现。加入新节点时，应注意：不要增加系统负担，延长处理时间。用户定义过程流，如图3.8所示。图3.8 用户定义过程流a节点前可加入控制节点的充分必要条件：,a.l;b.k;c.kvalue=value.图3.8中，节点与节点有相同的子节点(节点、节点与节点)，节点只被节点触发。对于节点，可加入一个新的控制节点。对节点、可各加入控制节点、，结果如图3.9所示。根据定义，、与为相似节点并可合并成一个新的控制节点，将多余边去除，结果如图3.10所示。节点由系统感知与执行，起控制作用，因此，加入此节点不会增加整个系统的负载与延长执行时间。 图3.9 优化1 图3.10 优化2当需要改变分支条件时，只需在节点处进行修改。这不仅能简化设计过程，还能使整个过程的关系更加清晰。3.3.3.2 耦合节点的优化方法随着机械产品技术的迅猛发展，设计过程变得越来越复杂，节点耦合情况越来越多，因此，需要提供一种技术，对耦合节点进行操作，达到优化目的。而耦合节点存在的方式多种多样，在此只提出几种常见情形进行优化操作，优化方法如下：(1) 如果存在节点a与节点b，节点b在节点a执行后进行且节点a的执行结果直接作用于节点b，当节点b不满足某些条件时，需返回节点a对其进行重新操作，则节点a与节点b称为直接耦合的两个节点。用户定义过程流，如图3.11所示。可应用2.3.4的协商技术对其直接进行协商处理，使外部的耦合节点变成内部可相互操作的节点，节点a与b成为一个新节点ab，如图3.12所示。 图3.11 用户定义过程流 图3.12 优化1 (2) 如果节点a与节点b为相似节点，且同时受其父节点的结果影响，节点a与其父节点属于直接耦合的节点，则节点a、节点b与其父节点称为相似节点情况下的耦合节点。用户定义过程流，如图3.13所示。首先，按相似节点的定义对相似节点d、e进行合并，形成新的节点de，如图3.14所示。然后按(1)中的方法对耦合节点进行直接操作，形成新的节点ade，结果如图3.15所示。 图3.