（机械制造及其自动化专业论文）基于网络的产品协同设计系统若干关键技术研究.pdf

全文摘要 摘要 论文围绕基于网络的产品协同设计系统的关键技术展开，内容包括协同设计 任务规划、协同设计中的知识工程、c s c w 协作模型和工具集成、基于组件a g e n t 的协同设计和冲压产品协同设计制造原型系统。全文由七章组成。 第一章对网络化制造基本内涵及其相关研究内容作了介绍，论述了协同设计 的背景、基本概念和国内外研究现状，指出了当前该领域研究存在的问题，介绍 了本论文的选题背景、课题来源、主要研究内容及总体结构。 第二章建立了网络协同设计任务规划模型；阐述了任务分解规则及操作；提 出了符号设计结构矩阵的概念，根据设计结构矩阵元素的类型，对d s m 进行了 分类；论述了任务重组的一般过程；提出了扩展有向图的建模方法，并将其与符 号设计结构矩阵结合，提出了一种新的协同设计任务重组方法；在此基础上，针 对耦合任务集，提出了一种新的解耦算法：论述了协同设计的任务调度与分配、 任务监控等规划过程。以冲压模具协同设计开发为例对整个任务规划过程进行了 验证。 第三章对协同设计中所涉及的知识进行了分类；论述了基于知识的协作过程 建模；论述了领域知识获取过程；引入设计事务概念和聚类算法，对协同设计中 k n o w - h o w 知识的获取模型进行了研究；提出了一种广义框架规则知识表示模式 的巴科斯范式；运用知识应用单元概念，建立了知识运用的形式化模型；最后讨 论了协同设计中的知识交换和共享。 第四章对常见的c s c w 协作模型进行了分析，建立了相应的u m l 模型；基 于扩展活动理论，论述了产品浏览与批注模型和网络会议模型。针对众多c s c w 工具的特点，提出了一种基于层次的c s c w 工具集成框架，并给出了相应的形 式化模型。 第五章在现有a g e n t 模型的基础上，对适合协同设计的、基于多层有限状态 机的组件a g e n t 理论模型进行了研究；论述了基于特征的产品参数化模型，在此 基础上，针对协同设计的特点，通过对产品模型建立过程中的需求分析，讨论了 面向协同设计的产品数据模型建立方法。最后，提出了将组件a g e n t 理论模型和 产品模型结合的产品组件a g e n t 模型框架，并详细论述了实现过程中的几个关键 问题：环境模型建立、策略集组织、基于分布式组件技术的软件重用和程序与数 据的封装。 第六章介绍了示范企业冲压产品生产工作流程，建立冲压产品协同开发的 总体解决方案；针对冲压产品的生产特点和企业的实际情况，提出了冲压产品协 同设计制造原型系统过程模型、体系结构和数据与信息流程；给出了动态项目 浙江大学博士学位论文 组组建、产品模型浏览与批注、知识应用、产品数据远程更改及冲压模拟应用场 景。 第七章总结了全文的研究工作，展望了今后需要进一步完善和深化的工作。 关键词网络协同设计过程建模任务规划解耦知识工程c s c w 工具集成 组件a g e n t 全文摘要 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni s m a i n l yc o n c e r n e dw i t h s e v e r a l k e yi s s u e s f o rn e t - h a s e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e m ，w h i c hi n c l u d et a s kp l a n n i n g ，c s c wc o o r d i n a t i o nt h e o r y , c s c wt o o l s i n t e g r a t i o n ，k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ，m u l t i c o m p o n e n ta g e n t a n d c o l l a b o r a t i v ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gs y s t e mp r o t o t y p ef o rs t a m p i n gp r o d u c t s e v e n c h a p t e r sa r ei n c l u d e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h e b a c k g r o u n d a n df u n d a m e n t a l c o n c e p t s o fc o i l a b o r a t i v e d e s i g n a r e e x p o u n d e df i r s t l yi nc h a p t e r1 a s t a t e - o f - t h e a r tr e v i e wo f e x i s t i n gr e s e a r c h ，p r o j e c t s a n da p p l i c a t i o n si nt h ed o m a i no fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sp r e s e n t e d 1 1 1 eb a c k g r o u n d o fp m i e c ta n dt h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m r n a r i z e da f t e rs o m e p r o b l e m sn e e d i n g t ob es o l v e da n df u t u r et r e n d sa r ed e s c r i b e d t o p l a nr a t i o n a l l y t a s kf o rc o l l a b o r a f i v e d e s i g na n d t os h o r t e n p r o d u c t d e v e l o p m e n tc y c l e ，a na l g o r i t h mt od e c o u p l et h ec o u p l e dt a s k s e ti s p r o p o s e di n c h a p t e r2 a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e ro fe l e m e n t so f d e s i g ns t r u c t u r em a t r i x ( d s m ) ， s y m b o ld e s i g ns t r u c t u r em a t r i xr s d s m ) i s d e f i n e da n dd s m su t i l i z e df o rm o d e l i n g t h e p r o c e s sa s p e c to fe n g i n e e r i n g i n f o r m a t i o ns y s t e m sa r ec a t e g o r i z e d o nt h eb a s i so f d i r e c t e d d i a g r a m ，an o v e lp r o c e s sm o d e l i n gm e t h o d ，n a m e de x t e n d e d d i r e c t e d d i a g r a m ( e d d ) ，i sp r o p o s e db ye x t e n d i n gt h ec a t e g o r i e sa n dm e a n i n g so f i t sn o d e a n de d g e as t r a t e g ys u b s t i t u t i n gaw e a kd e p e n d e n c er e l a t i o n s h i pa n daf e e d b a c k f e a t u r ef o ras t r o n gd e p e n d e n c er e l a t i o n s h i pi sp u tf o r w a r d a na l g o r i t h mt ow e a k e n t h es t r o n gd e p e n d e n c er e l a t i o n s h i p so ft h ec o u p l e dt a s ks e td u r i n gt h ec o l l a b o r a t i v e d e s i g np r o c e s si sp r o p o s e db yu s i n ge d d a n ds d s m t h e a l g o r i t h mi sd e m o n s t r a t e d w i t has t a m p i n gd i ed e s i g n ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a ti ti sn o to n l ye f f e c t i v ea n d e f f i c i e n tt os h o r t e n d e s i g ni t e r a t i o nc y c l e s ，b u t a l s oe a s yt ou s ef o ro t h e rd o m a i n s k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g f o rc o l l a b o r a t i v e d e s i g n i ss t u d i e di n c h a p t e r 3 k n o w l e d g ef o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sc a t e g o r i z e df r o md i f f e r e n tv i e w p o i n t s b y i n t e g r a t i n gt h ec o n c e p t o f d e s i g n t r a n s a c t i o na n dc l u s t e rm e t h o d ，ak n o w l e d g ec a p t u r e m o d e la b o u tk n o w h o wk n o w l e d g ef o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sp u tf o r w a r d ，ag e n e r a l f r a m e - r u l eb a s e dk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na n dk a u ( k n o w l e d g ea p p l i c a t i o nu n i t ) b a s e d k n o w l e d g e r e f e r e n c ea r ed i s c u s s e d i n c h a p t e r4 ，s o m e c s c wc o n c e p t u a lm o d e l sa n dt h e o r i e sa n dt h e i r c o r r e s p o n d i n gu m lr e p r e s e n t a t i o n a r ep r e s e n t e d b y s y n t h e s i z i n gt h ep r e s e n t e d m o d e l s ，an o v e lt l l e o r e t i c a lm o d e l ，n a m e de x t e n d e da c t i v i t ym o d e l ( e a m ) ，i s p r o p o s e d o n t h eb a s i so f e a m av i e wa n dm a r k u pm o d e lf o rp r o d u c td a t am o d e la n d an e t b a s e dm e e t i n gm o d e la r ep u tf o r w a r d al a y e r - b a s e di n t e g r a t i o nf r a m e w o r ko f c s c wt o o l si sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fc s c w t o o l s b a s e do n m u l t i l a y e r f i n i t es t a t e m a c h i n e ( f s m ) a n dr e q u i r e m e n t s o f n l 浙江大学博士学位论文 c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，an o v e lt h e o r ym o d e lo ft h ec o m p o n e n ta g e n ti sp r o p o s e di n c h a p t e r5 o n t h eo t h e rh a n d ，an e wc o l l a b o r a t i v ed e s i g n - o r i e n t e dp r o d u c td a t am o d e l ( c d p d m 、i sp u tf o r w a r d t h ec d p d m i n c l u d e st h r e eb a s i cd a t am o d u l e s ( f u n c t i o n d a t a ，s t r u c t u r ed a t aa n dm a n a g e m e n td a t a ) a n dar e m o t ed a t am o d i f i c a t i o nm o d u l e t h i sm o d e lh a sf i v ec h a r a c t e r s ：n e u t r a l r e p r e s e n t a t i o n ，r e u s a b i l i t y , k n o w l e d g e e n g i n e e r i n g ，r e m o t e d a t am o d i f i c a t i o n a n d s e l f - m a n a g e m e n t b yb i n d i n g t h e t h e o r e t i c a l a g e n tm o d e la n dt h ec d p d m ，ap r o d u c tc o m p o n e n ta g e n t f r a m ei s p r o p o s e da n ds o m ek e yi s s u e s ，e n v i r o n m e n tm o d e lc o n s t r u c t i o n ，p r o g r a ma n dd a t a e n c a p s u l a t i o n ，s o f t w a r er e u s ea n ds t r a t e g ys e to r g a n i z a t i o n , a r e d i s c u s s e d t h e d e v e l o p m e n t f l o wo f s t a m p i n gp r o d u c t f o ra t y p i c a le n t e r p r i s ei sp r o p o s e di n c h a p t e r6 c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e ro fs t a m p i n gp r o d u c ta n dt h ep r a c t i c a ls t a t u so f t h ee n t e r p r i s e ，t h ep r o c e s sm o d e l i n go far e m o t ec o l l a b o r a t ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g s y s t e mf o rs t a m p i n gp r o d u c ti s d e s c r i b e dw i t ht h ei d e f 0m e t h o d o l o g y t h es y s t e m s t r u c t u r ea n dt h ed a t aa n di n f o r m a t i o nf l o wa r ep r o p o s e d s o m ea p p l i c a t i o n s ，s u c ha s d y n a m i cp r o j e c te n t e r p r i s eb u i l d i n g ，p r o d u c t d a t am o d e lv i e wa n dm a r k u p ，k n o w l e d g e a p p l i c a t i o n ，r e m o t em o d i f i c a t i o nf o rp r o d u c td a t a ，a n ds t a m p i n gs i m u l a t i o n ，a r eg i v e n i n t h ee n d s y s t e m a t i c a ls u m m a r y i sg i v e n ，a n ds o m ep r o b l e m su n d e rt os t u d yi nf u t u r ea r e p u tf o r w a r d i nc h a p t e r7 k e yw o r d s ：n e t ，c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，p r o c e s sm o d e l i n g ，t a s kp l a n n i n g ，d e c o u p l i n g ， k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ，c s c w , t o o li n t e g r a t i o n ，c o m p o n e n ta g e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：荔丑才蔽签字日期：卯轳年尹月弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鋈盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：苏财戮 签字日期：汩垆年9 月矽日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 翩签名：毒夕一b 签字日期z 午年p 月幼日 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 【内容提要】本章介绍了网络化制造的基本内涵和研究内容，论述了协同设 计的背景、基本概念和国内外研究现状，指出了当前协同设计中存在的问题， 介绍了论文的选题背景、课题来源、主要研究内容及总体结构。 1 1 引言 近来。随着市场需求的个性化与多样化，竞争的日益加剧和技术的不断创新， 制造业正在发生一场巨大的变革。各种先进制造哲理和模式不断涌现( 如c i m ， c e ，a m 等) ，先进制造技术( 如c a d c a m ，f m s ，c i m s ，p d m ，e r p ，v m s 等) 层出不穷 “ 9 - 3 9 1 1 7 6 。2 1 世纪，人类将迈向一个以高科技为特征的知识资源的生 产、占有、配置和消费的知识经济时代。作为新世纪的时代特征，数字化、网络 化和信息化加速了这个世纪变革的步伐。精密化、集成化、智能化、全球化、网 络化、虚拟化、标准化和绿色化是未来制造技术的主要发展方向1 1 】1 2 】1 3 】1 4 。 关注先进制造技术的同时，必须十分重视产品的设计1 3 】【5 1 。在2 0 世纪9 0 年代， 为了缩短新产品开发周期( t i m e ) 、提高产品质量( q u a l i t y ) 、降低设计生产成本 ( c o s o 、加强售后服务( s e r v i c e ) 和环境保护( e n v i r o n m e n t ) ，即围绕t q c s e 提 出了并行工程和敏捷制造等先进的设计思想。协同工程i 6 7 1 8 】要求有效地支持跨 时间、跨地域、跨学科的多功能小组的协同工作，实现不同领域的知识共享和设 计思想交流。与并行工程相比，协同工程更加突出人的作用，强调相关活动的多 学科人员( 包括概念设计、详细设计、制造、销售、管理、维护甚至最终用户) 的 协同工作，以团队工作方式开发产品，利用集体的智慧，发挥强大的创造力。 1 2 网络化制造 在上述背景之下，网络技术与制造技术相结合而形成的网络化制造技术应运 而生【4 ”。网络化制造的出现与发展，引起了全球制造领域的极大关注。近年来， 发达国家纷纷制订了基于网络的先进制造技术发展战略，旨在建立共享、集成、 协作的产品开发模式，进一步缩短产品开发周期，提高产品质量，从而在激烈的 市场竞争中获胜【4 9 】1 5 0 】。而这些发展战略都与网络化制造密切相关。 美国提出敏捷制造战略，旨在利用信息高速公路及动态联盟的组织形式，将 分散的企业有效地组织起来，加速新产品的设计开发和制造。1 9 8 5 年，美国国防 部提出t c a l s ( c o m p u t e r a i d e d l o g i s t i cs u p p o r 0 ，即计算机辅助后勤支援的战略 计划；1 9 9 1 年美国里海大学( l e h i g hu n i v e r s i t y ) 提出了“美国企业网”( f a c t o r y 浙江大学博士学位论文 a m e r i c a nn e t ，f a n ) i ： - 划，之后发表了具有划时代意义的“2 1 世纪制造企业发展 战略”，提出敏捷制造和虚拟企业的新概念；1 9 9 5 年美国国防部和自然科学基金 会资助1 0 个面向美国工业的研究单位，共同制定了以敏捷制造和虚拟企业为核心 内容的“下一代的制造”；1 9 9 7 年美国国际制造研究所发表了美国一俄罗斯虚 拟企业网研究报告。日本提出智能制造系统i m s ( i n t e l l i g e n t m a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 研究计划，目标是实现当前生产技术的标准化，开发出能使人和智能设备都不受 生产操作和国界限制、彼此合作的高技术生产系统。1 9 9 8 年，欧盟公布了“第五 框架计划( 1 9 9 8 2 0 0 2 ) ”将虚拟网络企业列入研究主题；德国提出“生产2 0 0 0 ( p r o d u c t i o n2 0 0 0 ) ”战略计划，研究重点包括利用信息和通讯技术，促使制造业 的现代化、全球化和企业之间的协同，并大力开展相关的标准化问题的研究。1 9 9 9 年3 月韩国开始实施“网络化韩国2 1 世纪”计划。我国已加入w t o ，企业面临的 是全球化的市场竞争。网络给我国企业带来了严峻挑战，但也带来了极大的机遇。 因此，实施网络化制造推动制造业信息化，是适应经济全球化及现代制造业发展 的需要，也是实施中央以信息化带动工业化发展战略的需要。 网络化制造可定义为：网络化制造是基于网络的制造企业的各种制造活动及 其所涉及的制造技术和制造系统的总称。其中，网络包括i n t e m e t 、i n 缸 a n e t 和 e x t r a n e t 等各种网络；制造企业包括单个企业、企业集团以及面向某一市场机遇 而组建的虚拟企业等各种制造企业及企业联盟；制造活动包括市场运作、产品设 计与开发、物料资源组织、生产加工过程、产品运输与销售和售后服务等企业所 涉及的一切相关活动和工作。 网络化制造的技术驱动力主要来源于以下几个方面：企业生产经营中心的 转变。随着市场竞争的日益激烈，企业的生产经营围绕的中心主题经历了以生产 和产品为中心，到以客户为中心的转变，为了适应这一转变过程，企业必须采用 先进的网络化制造技术，从与客户建立业务关系、签订产品订单开始，到用户参 与产品设计、了解产品的制造进展情况，直到为用户提供基于网络的产品全生命 周期的优质服务和技术支持。这样，才能够真正实现以客户为中心的企业生产经 营战略。企业产品设计生产管理模式的创新。从最初的独立设计、独立制造， 到目前的设计制造集成，并且向着产品的全生命周期管理的方向发展。企业信 息技术应用范围的扩大。在广度上，从部门级应用、企业内集成，发展到了企业 间集成：在深度上，从信息集成、过程集成，发展到知识集成、先进制造技术的 发展和应用。先进制造技术的发展，是以先进的信息技术和网络技术作为核心使 能技术的，尤其是敏捷制造模式的应用和动态联盟企业的运行，更离不开网络技 术的支持，网络化制造技术是实施敏捷制造的核心使能技术，同时，其本身又是 先进制造技术与网络技术结合的产物，是先进制造模式在网络环境下的发展和应 2 第一章绪论 用。网络技术的日益成熟，将为网络化制造模式的实施提供了有力的技术支持。 当前，网络化制造系统的研究正在全球迅速兴起和蓬勃发展。其研究内容主 要集中在以下方面：基础支持技术：包括网络技术和数据库技术等；信息 协议及分布式计算技术：包括网络化制造信息转换协议技术、网络化制造信息传 输协议技术、分布式对象计算技术、a g e n t 技术、w e b s e r v i c e s 技术及网格计算技 术等。基于网络的系统集成技术：主要包括基于网络的企业信息集成功能集 成过程集成技术和企业间集成技术、面向敏捷制造和全球制造的资源优化集成 技术、产品生命周期全过程信息集成和功能集成技术以及异构数据库集成与共享 技术等；基于网络的管理技术群：主要包括企业资源计划( e r p ) 联盟资源计 划( u r p ) 、虚拟企业及企业动态联盟技术、敏捷供应链技术、大规模定制生产组 织技术以及企业决策支持技术等；基于网络的营销技术群：主要包括基于 i n t e m e t 的市场信息技术、网络化销售技术、基于i n t e m e t 的用户定制技术、企业 电子商务技术和客户关系管理技术等；基于网络的产品开发技术群：主要包括 基于网络的产品开发动态联盟模式及决策支持技术和产品开发并行工程与协同 设计技术、基于网络的c a d c a e c a p p c a m 技术及p d m 技术、面向用户的 设计、用户参与的设计、虚拟产品及网络化虚拟使用与性能评价技术、设计资源 异地共享技术和产品全生命周期管理技术( p l m ) 等；基于网络的制造过程技术 群：主要包括基于网络的制造执行系统技术、基于网络的制造过程仿真及虚拟制 造技术、基于网络的快速原型与快速模具制造技术、设备资源的联网运行与异地 共享技术、基于网络的制造过程监控技术和设备故障远程诊断技术等。上述网络 化制造的相关技术群有机结合，形成了网络化制造的技术体系。 网络化制造涉及的技术问题多且内容复杂。在这些技术内容和技术问题中， 网络化产品协同开发仍将是今后相当一段时间网络化制造的主要研究课题。主要 原因是：网络化产品协同开发将有利于快速响应市场机遇，有利于迅速组织人 力、物力资源，开发出质量优、成本低的新产品，赢得市场竞争。网络化产品协 同开发将是未来新产品开发的一种重要技术，意义重大。网络化产品协同开发 涉及技术问题多，涉及面广，项目组织、协调和管理难度大：协同设计中数据交 互量大，协同开发中的实时性将是一个难点；协同开发过程复杂，信息交互模式、 协同设计模式、过程安全性都是值得深入研究的重要问题。 从上面的分析可知，网络化制造已成为改善产品t 、q 、c 、s 和e ，提高企 业敏捷性、柔性和健壮性的关键手段之一。它正推动着制造业进入信息化、自动 化、智能化、敏捷化的历史新时期。 网络化制造必然十分重视产品设计问题。产品t 、q 、c 、s 、e 的前提就是 有好的产品设计。所以采用网络化制造技术的企业必然将产品设计这个环节视为 浙江人学博上学位论文 其生命线，先进设计技术必然成为网络化制造技术的核心之一。可以这样认为： 市场竞争促进了网络化制造技术的发展，网络化制造技术的发展推动了先进设计 技术的发展。 先进设计技术是指在复杂的大系统环境下，支持产品自动化设计的设计理论 和方法、设计环境、设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化、 网络化和智能化，达到提高产品设计质量、降低产品成本和缩短设计周期的目的。 在机械产品设计过程中，处于不同层次、不同阶段的设计活动是在时空上分 布的，如何实现这些时空上分布的设计活动的协调及信息的实时交互是缩短产品 开发时间、提高产品质量的关键。网络协同设计正是针对这一需要而提出的，其 含义是组织多学科人员的工作小组以网络为基础，跨时间、跨地域、跨领域协同 完成某一共同任务。 1 3 网络协同设计的背景及基本概念 1 3 1 网络协同设计的背景 协同自古就有。在人类的历史长河中，处处都体现了人类协同工作的情景。 从百姓自家的房屋构建到万里长城的修建，在各种不同类型的工程中，无不体现 了协同的理念。尽管协同的理念自古就有，但是形成理论并引起广泛的重视，还 是近二十多年的事。继2 0 世纪5 0 年代的系统论、信息论、控制论之后，8 0 年代新 技术革命浪潮里又涌现出耗散结构理论、协同论、突变论。它们是研究自然系统 存在的条件、内部的机制、变化的规律，因而被称为当代科学方法“新三论”， 被广泛运用于研究自然和社会各个领域，对于认识、分析、解决问题具有深刻的 理论和实践意义。 网络协同设计正是在信息网络的时代背景下，所涌现的一种产品设计方法。 设计是人们经常进行的一种广泛的实践活动，但是到目前为止，人们对设计 的理解和定义尚无统一的规范 4 3 】。下面是有关设计的论述【4 3 】 4 5 。 ( 1 ) 设计是个过程，在此过程中把可确定的设计任务书转化为技术系统的具 体表述的作业。 ( 2 ) 设计是个寻找使所有相互矛盾的因素和关系在一个多维状态下协调起 来的手段的过程。 ( 3 ) 所谓设计就是一连串的决策：给定某个目标，明确实现这个目标的手段， 一般就叫设计。 ( 4 ) 设计是在有限的时空范围内，在特定的物质条件下，人们为了满足一定的 需求而进行的一种创造性思维活动的实践过程。 从上述关于设计的各种论述中，可以看出设计具有以下特征： 4 第一章绪论 ( 1 ) 所有的设计活动都受到时间与空间的限制。 ( 2 ) 所有的设计活动都是在特定的物质条件的约束下进行的。 ( 3 ) 所有的设计都是为了满足某种需求，称为设计的需求性特征。 ( 4 ) 创造性是设计活动的又一特征。 ( 5 ) 设计活动是一个过程，称为过程性特征。 无论产品设计技术怎样变化，设计的基本特征没有变化。产品设计方法学或 者改变设计特征的表现形式，或者拓宽设计特征的使用范围。例如并行设计就试 图将设计过程从串行变为并行，从而考虑到下游阶段的产品需求，提高产品的设 计质量。2 1 世纪产品开发方法将会迅速革新，正在创建可支持集成产品、过程、 协议开发的分布式设计和制造环境( 口3 d ) 【4 6 1 4 7 1 。 设计，特别是对一些复杂产品的设计，是一个极其复杂的处理过程【5 】【4 8 1 。为 了实现一个产品的合理设计，通常需要引入多种设计方法和技术来达到设计的目 的，而且，一个设计问题含有多种不同的设计任务和多种设计数据类型，以机械 产品的工程设计为例，产品的设计需要从产品的功能设计、外观设计( 工业造型1 、 工艺设计、成本、市场需求、质量控制以及重用等多个方面来并行地、整体地、 综合地考虑其设计过程。在这一过程中，涉及到与产品相关的各个领域和相应的 专业知识，而对这些多个领域的知识、经验和数据的综合处理和利用，都是设计 过程的关键：否则，只满足功能和外观需求的产品设计往往很难合理地满足工艺 加工和成本等方面的要求和限制。设计过程的复杂性提出了对网络协同设计的要 求，同时也为网络协同设计提供了丰富的背景。 设计还是一个知识密集的创新过程。工程设计不仅需要丰富的专业知识和设 计基础数据，还需要设计专家的实践经验知识，更需要对上述知识进行加工处理。 协同设计更是一个以知识为基础的计算过程，它不仅需要包括不同领域的知识和 专家的经验，而且需要综合和协同这些专家知识的有效机制，来耦合不同专家的 设计任务。知识密集型的特点对协同设计提出了更加迫切的要求，同时也增加了 协同设计的难度。 设计也是一个通信密集型的过程，即不同的设计任务和设计数据之问的数 据、信息和知识之间的相互交换、相互反馈、相互协调。这样的过程对计算机的 支持( 从设计支持环境的角度) 和网络的支持提出了迫切需求，同时，多专家的通 讯和协调是网络协同设计的一个关键问题。 1 3 2 网络协同设计的基本概念 协同设计至今还没有一个权威的定义，但人们普遍认同下述观点，即为了完 成某一设计目标，由两个或两个以上设计主体( 或称专家小组) ，通过一定的信息 浙江大学博士学位论文 交换和相互协同机制，分别以不同的设计内容共同完成这一设计目标。协同设计 具有以下几个特点5 1 1 4 8 】：( 1 ) 多主体性，是指设计活动由两个或两个以上设计专家 参与的设计，而这些设计专家通常是相互独立的，各自具有领域知识、经验和一 定的问题求解能力。( 2 ) 协同性，具有一种协同各个专家以完成共同设计目标的 机构，这一机构则包括各设计专家间的通讯协议、通讯结构、冲突检测和仲裁机 制。( 3 ) 共同性，该设计目标和设计上下文是共同的，即各设计专家小组要实现 的设计目标是共同的，而且他们所在的设计环境和上下文也是一致的。f 4 ) 灵活 性，指参与设计专家和专业领域的数目，是动态地增加或减少，而且协同设计的 体系机构也是灵活的、可变的。 众多学者从不同的角度对协同设计进行深入的研究，使得协同具有丰富的内 涵【5 1 1 48 】 ( 1 ) 协同设计是一个协同工作的过程 随着c s c w 的发展，协同设计是指在计算机的支持下，各成员围绕一个设计 项目，承担相应的部分设计任务，并行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。也就是将协同设计纳入到c s c w 的计算框架之中，将协 同设计视为c s c w 的应用，即各设计专家共同合作的设计过程。 ( 2 ) 协同设计是一个通信处理过程 在这一过程中，通信与协调是最重要的问题。协同设计应遵循相应的通信规 则，通信语言机制和规则有利于整个设计过程的通信监控。 ( 3 ) 协同设计是一个知识共享和集成的过程 各个设计小组必须共享数据、信息和知识，各协同设计小组内部必须能共享 知识和设计经验，还要能从其他小组获得共享的数据、设计信息和设计结果；各 设计小组间应能相互传递对设计背景与目标的理解；各设计小组不单单是共享知 识与信息，而且要把它们集成而产生新的观点和方案。 ( 4 ) 协同设计是一个管理过程 这一观点强调了在协同设计中的管理任务，如规划、监控、协商、调度和决 策支持。规划考虑要执行任务的协同性，监控则考虑如何实现这些目标的决策。 网络协同设计是指在网络环境( 包括i n t e r n e t 、i n t r a n e t 和e x t r a n e t ) 下，分布在 异地的设计人员，在基于计算机的虚拟协作环境中，围绕同一个产品设计任务， 承担相应的部分设计任务，并行、交互、协作地进行设计工作，共同完成设计任 务的设计方法1 1 7 9 3 。 网络协同设计的基本特点是：多学科小组在异地、异构环境下的合作设计， 分布在异地的具有不同专业特长的设计小组，使用不同的设计工具，基于网络进 行远程协作设计，在一个共享环境中对设计方案反复讨论、修改，以最快的速度、 6 第一章绪论 最好的质量完成产品设计。它要求相关成员都能及时了解相关的设计方案，能随 时了解设计过程的进展状态，能动态获取阶段性设计结果的信息，能方便地共享 设计资源，能有效地实现人类智能的协同交流。 从实际应用角度出发，可以从以下几方面进一步理解网络协同设计的内涵： ( 1 ) 在网络化产品协同设计中，合作成员利用网络技术，以协同的方式开展 产品设计中的需求分析、方案设计、结构设计、详细设计和工程分析等一系列设 计活动。 ( 2 1 其核心是利用网络，特别是i n t e r e n t ，跨越协作成员之间的空间差距，通 过对信息、过程、资源和知谚 等的共享，为异地协同设计提供支持环境和工具。 ( 3 ) 通过网络协同设计，缩短产品设计的时间、降低设计成本、提高设计质 量，从而增强产品的市场竞争力。 1 4 国内外研究现状 网络协同设计是实旎先进制造的重要支持技术。在前面所述的各国网络化制 造发展战略中，网络化产品协同设计作为一种重要的支持技术，已经引起各国研 究机构和企业界的广泛重视，关于协同设计的研究也成为各国先进制造发展战略 重大研究计划中不可缺少的重要组成部分。 在阅读相关文献和分析相关项目的基础上，下面从网络协同设计中的产品数 据模型、网络协同设计系统结构、网络协同设计方法和网络协同设计管理的角度 对相关研究进行论述，并指出网络协同设计研究领域存在的问题。 1 4 1 产品数据模型 产品数据模型在网络协同设计中起着非常重要的作用，当前用于网络协同设 计的数据模型主要有 5 4 1 ：基于v r m l 的产品模型、基于c a d 的产品模型、基于 x m l 的产品模型和其它模型。 n ) 基于v r m l 的产品模型 由于v r m l 是基于w e b 的三维几何数据模型的工具，许多协同设计系统用它 来建立产品数据模型。另外，一些基于w e b 的编程工具( l l 如j a v a 3 d 等) 也被用于 基于w e b 应用软件。z h u a n g y 1 5 5 j 等人运用j a v a 3 d 技术开发了一套名为“c y b e r e y e v i e w e r ”协同浏览系统，它是i n t e m e t 吏胄匕的、与平台无关的三维浏览系统。在该 系统中，j a v as e r v l e t 通过j d b c ( j a v a d a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 将浏览器与服务端的数 据库连接，j a v aa p p l e t s 用于在浏览端显示产品模型。所有的v r m l 文件存储在服 务端并能通过统一资源定位器( u n i f o r m r e s o u r c el o c a t o r s ，u r l s ) 被j a v a a p p l e t s 直 接访问。k a n 5 6 】等人提出了一个基于虚拟现实的协同设计系统，该系统运用了 v n e t 、j a v a , n v r m l 技术，并在中小企业成功应用，表明它能有效地提高这些企 浙江火学博士学位论文 业的防同产品设计能力。我国清华大学的蒋俊杰等人以w e b 技术为基础，基于 b w i ) 机制，采用v r m l 和j a v a 的通讯机制e a i ，对基于w e b 的三维产品模型浏览 与批注系统进行了研究【”j 。 f 2 】基于c a d 的产品模型 尽管v r m l 模型提供三维几何模型的大部分图形功能，但由于它的设计建模 功能有限，因而不能作为一个c a d 系统用于工程设计。比如说，在v r m l 中不能 提供尺寸和公差建模功能。为了将传统的c a d 系统与网络协同设计系统集成，不 同的c a d 数据模型需要转换为v r m l 格式。 在众多的数据交换标准中，i g e s 和s t e p 是两个经常用于集成不同c a d 模型 的标准。在i 拍r o y l 5 8 l 等人开发的c p d ( c o l l a b o r a t i v ep r o d u c td e s i g n ) 系统中，用 s d r c c a e d s 建立的几何数据模型能直接转化为v r m l 模型。k i m 【5 9 等人提出了 一种适应细分的方法并用来将s t e p 模型转换为v r m l 模型，他们还提出运用w e b 技术浏览三维s t e p 模型的计算和通信效率问题。l i ut h 【6 0 j 等人运用i s o1 0 3 0 3 s d a i ( s t a n d a r dd a t aa c c e s si n t e r f a c e ) 构建了一个面向对象的数据库管理系统，该 系统运用o d l ( o b j e c td e f m i t i o nl a n g u a g e ) 和o m l ( o b j e c tm a n i p u l a t i o nl a n g u a g e ) 来描述和操作数据。在i 扫n