工程機(jī)械協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究與構(gòu)建

劉惠鑫，趙海峰，梁 爽

(1.沈陽工學(xué)院 信息與控制學(xué)院，遼寧 撫順 113122；2.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900)

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的高速發(fā)展，對于大型復(fù)雜工程機(jī)械裝備研制企業(yè)來說，必須以更短的時間(Time)、更優(yōu)的質(zhì)量 (Quality)、更低的成本(Cost)、更好的服務(wù)(Service)為標(biāo)準(zhǔn)完成產(chǎn)品的研制。傳統(tǒng)的工程機(jī)械設(shè)備是項目施工方的技術(shù)人員提供技術(shù)要求、具體設(shè)備操作人員提供使用要求說明；根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)備研制廠家具體安排方案設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、工藝設(shè)計，以及制造、運(yùn)輸?shù)染唧w技術(shù)人員協(xié)同完成整個設(shè)備的研制。協(xié)同設(shè)計是在計算機(jī)信息技術(shù)基礎(chǔ)上的一種先進(jìn)制造模式[1]。這種設(shè)計制造模式能夠充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快捷性和融合性的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)不同專業(yè)背景的技術(shù)人員、追求不同指標(biāo)的管理人員，在物理位置不同的地域開展設(shè)計、制造、安裝、使用等不同階段對技術(shù)信息、管理信息、制造資源的共享和分配。與此同時，協(xié)同設(shè)計還能夠根據(jù)不同的設(shè)計目標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)確定資源調(diào)配的最優(yōu)方案，減少矛盾和沖突，最優(yōu)化地滿足各方對資源的需求和使用。

1 協(xié)同設(shè)計理論基礎(chǔ)

工程機(jī)械裝備的協(xié)同設(shè)計不僅僅是針對新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的新模式，而且是一種新型的設(shè)計理念。協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)架是研究產(chǎn)品開發(fā)過程的一個框架，其構(gòu)建過程包括計算機(jī)學(xué)科、信息學(xué)科、制造學(xué)科、管理學(xué)科等不同領(lǐng)域知識和學(xué)科的融合應(yīng)用。

1.1 協(xié)同設(shè)計的目標(biāo)

協(xié)同設(shè)計是現(xiàn)代先進(jìn)制造企業(yè)必然發(fā)展的研究方向和技術(shù)目標(biāo)，也是制造行業(yè)在未來發(fā)展的一個必然選擇。類似工程機(jī)械這種綜合復(fù)雜的技術(shù)裝備在研制過程中需要確定的設(shè)計目標(biāo)有不同的評價標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，設(shè)備購買方、施工使用方，及設(shè)備研制方在確定設(shè)備技術(shù)方案以及設(shè)備研制過程中，都會根據(jù)不同的目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整和修改，不同程度上影響整個研制周期。因此，以往的協(xié)同設(shè)計模式會造成多目標(biāo)的混亂，且難以優(yōu)化，這也是協(xié)同設(shè)計在大型復(fù)雜機(jī)械裝備研制中難以開展應(yīng)用的一個根本問題。因此，在確定協(xié)同設(shè)計理論基礎(chǔ)和構(gòu)建協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)之前，需要確定一個協(xié)同設(shè)計目標(biāo)，作為研究工作的指導(dǎo)原則和評價標(biāo)準(zhǔn)。

實際上，現(xiàn)代的信息化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)的發(fā)展并不能帶來額外價值，需要通過減少重復(fù)設(shè)計帶來的額外工作時間和工作成本才能體現(xiàn)出價值。因此，傳統(tǒng)的成本、質(zhì)量、時間三要素的項目管理評價標(biāo)準(zhǔn)同樣適用于網(wǎng)絡(luò)化模式下的協(xié)同設(shè)計研究[2]。圖1所示的評價指標(biāo)可以明確說明，這三個要素是不可能同時達(dá)到最優(yōu)的，質(zhì)量、時間與成本三要素之間為互反關(guān)系。

圖1 協(xié)同設(shè)計目標(biāo)評價指標(biāo)示意圖

因此，需要根據(jù)具體工程機(jī)械產(chǎn)品多目標(biāo)規(guī)劃建立柔性、可適應(yīng)的協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)，并且能夠根據(jù)具體時間、成本、質(zhì)量的目標(biāo)要求，對協(xié)同設(shè)計的結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)調(diào)整，從而滿足實際協(xié)同設(shè)計需要。

1.2 多Agent系統(tǒng)下的知識管理

協(xié)同設(shè)計中采用的多Agent系統(tǒng)(multi agent system，MAS)是非集中式人工智能(distributed artificial intelligence，DAI)的一個研究方向，主要是研究各自獨(dú)立智能體之間的活動和行為如何協(xié)調(diào)的問題[3-4]。在工程機(jī)械裝備研制過程不但包括2D、3D的圖紙設(shè)計，還涉及到產(chǎn)品開發(fā)過程管理、供應(yīng)鏈管理、工作流系統(tǒng)、電子商務(wù)、機(jī)器人、車間調(diào)度、并行工程、決策支持、企業(yè)建模等眾多領(lǐng)域。每個涉及到的領(lǐng)域都具備各自獨(dú)立的知識體系和應(yīng)用環(huán)境。因此，在產(chǎn)品設(shè)計活動中為了滿足協(xié)同設(shè)計對知識的需求，需要將知識管理貫穿于協(xié)同設(shè)計的整個研制周期內(nèi)，使知識管理與協(xié)同設(shè)計同步[5-6]。與此同時，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，使新知識得以保存、知識庫得以更新，最終形成一種知識管理和協(xié)同設(shè)計相互促進(jìn)的正反饋循環(huán)過程，保證了設(shè)計活動的順利有序進(jìn)行。知識傳遞在系統(tǒng)設(shè)計活動如圖2所示。

圖2 協(xié)同設(shè)計環(huán)境下的知識管理

1.3 協(xié)同設(shè)計的典型特征

協(xié)同設(shè)計的目的是為了加快協(xié)作效率，提高產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量，是以設(shè)計對象為主體的一種基于信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代化設(shè)計模式。在協(xié)同設(shè)計過程中，需要實現(xiàn)產(chǎn)品圖形等技術(shù)資料信息的Web發(fā)布與瀏覽，可以讓多方技術(shù)人員在基于Web的技術(shù)信息發(fā)布基礎(chǔ)上，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化的協(xié)商和資源的合理調(diào)配，能夠極大地減少溝通時間成本、優(yōu)化制造資源、改進(jìn)工藝、實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化分析等[7-8]。如圖3所示，協(xié)同設(shè)計包含了16種典型特征。

圖3 協(xié)同設(shè)計典型特征

2 構(gòu)建協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)

協(xié)同設(shè)計需要深入了解群體內(nèi)成員間的協(xié)作模式，建立可行的協(xié)同工作技術(shù)和方法，用以提高協(xié)同成員間的協(xié)調(diào)配合和協(xié)同工作水平。恩格斯托姆的活動理論認(rèn)為，人們參與的活動是人們生活和事物發(fā)展的基本單位[1]。將這一理論應(yīng)用到協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)建過程中，在相關(guān)規(guī)則的活動約束下通過團(tuán)體協(xié)作，最后得出所需要的結(jié)果。構(gòu)建協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)需要具備四種基本元素：活動、執(zhí)行者、資源和工具?；顒永碚撃Ｐ椭饕P(guān)注于活動的動機(jī)以及活動的過程，面向?qū)ο蠡顒又С帜Ｐ蛣t強(qiáng)調(diào)的是活動元素在活動中所起到的作用；協(xié)調(diào)理論模型是研究多學(xué)科間互相依賴的關(guān)系，基于任務(wù)的協(xié)作模型則是具體的依據(jù)任務(wù)的管理流程為基礎(chǔ)實現(xiàn)協(xié)作活動[9]。可以看出以上四種基本模型各有側(cè)重，它們也從不同的角度反映了協(xié)同設(shè)計對協(xié)作的要求?；谝陨嫌^點(diǎn)構(gòu)建一種適用于網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的協(xié)同設(shè)計模型，如圖4所示。

圖4 基于網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)

協(xié)同設(shè)計模型將目標(biāo)產(chǎn)品多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計過程抽象為一系列基本活動，同時這些活動之間存在著多種約束關(guān)系，通過多目標(biāo)優(yōu)化及局部優(yōu)化為原則將約束關(guān)系作為基本因素進(jìn)行聯(lián)系。協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)中活動之間的關(guān)系有包含關(guān)系、串聯(lián)關(guān)系、并聯(lián)關(guān)系等多種聯(lián)系形式。系統(tǒng)中的活動之間的約束條件確保了各種活動之間的執(zhí)行時間排序以及彼此之間的邏輯關(guān)聯(lián)性。

在結(jié)構(gòu)中執(zhí)行者是負(fù)責(zé)完成活動的實體，執(zhí)行者分為參與者和觀察者兩類。參與者擁有較高的訪問權(quán)限，不僅可以參與協(xié)作活動，同時還能夠?qū)f(xié)同設(shè)計系統(tǒng)中的不同活動的權(quán)限進(jìn)行修改以及提出意見；觀察者僅僅具備查看相關(guān)信息的權(quán)限。參與者能夠根據(jù)授予的權(quán)限范圍完成相應(yīng)的活動，據(jù)此分為責(zé)任人和不同的協(xié)同工作者。而觀察者包括除參與者之外的其他可以參與協(xié)同活動的人員，如用戶等。執(zhí)行者在協(xié)作完成活動的過程中，通過通信工具交換各自的意見，實現(xiàn)信息交流的方法包括電子郵件、基于Web的遠(yuǎn)程語音或視頻會議，以及現(xiàn)場辦公會議等方式[10-11]。在協(xié)同完成設(shè)計目標(biāo)過程中，執(zhí)行者會根據(jù)目標(biāo)優(yōu)化的程度及最終結(jié)果進(jìn)行調(diào)整：發(fā)送者指的是分發(fā)相關(guān)調(diào)整內(nèi)容的活動參與者，接受者則是那些收到調(diào)整內(nèi)容并進(jìn)行相應(yīng)活動的參與者。此外，在協(xié)作活動和執(zhí)行者間建立一種稱為協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)類，該類的屬性主要包括角色和一系列的協(xié)調(diào)規(guī)則?！百Y源”表示協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)定義為支持執(zhí)行活動所需的物質(zhì)化或者是非物質(zhì)化的各種數(shù)據(jù)、文檔、技術(shù)規(guī)范等內(nèi)容。它們通過并發(fā)控制機(jī)制來處理多個活動同時訪問同一信息的情況。

協(xié)同設(shè)計是跨地區(qū)的多領(lǐng)域技術(shù)人員共同參與產(chǎn)品設(shè)計，此類產(chǎn)品的設(shè)計周期始終貫穿整個產(chǎn)品的研制周期內(nèi)。制造企業(yè)的設(shè)計環(huán)境是十分復(fù)雜的，要真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞與共享，需要保證協(xié)同過程的可靠與可行，以及從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信息流動上的靈活性和動態(tài)可重構(gòu)性。建立協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)是在一個多層次、分布式的開放結(jié)構(gòu)體系中構(gòu)建的，在同一層次中的各個節(jié)點(diǎn)(或子系統(tǒng))之間是一種松散耦合的關(guān)系[12]。協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)作為各個分支系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)，是一種基于Internet/Intranet的信息資源共享和遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計的集成，是將各個企業(yè)或企業(yè)內(nèi)部的相關(guān)部門聯(lián)系成一個動態(tài)的整體，圍繞一個設(shè)計任務(wù)開展協(xié)同工作。因此，協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)存在著關(guān)聯(lián)關(guān)系，圖5為協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)與各個分支系統(tǒng)的關(guān)系結(jié)構(gòu)[13]。

圖5 協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)各個分支平臺系統(tǒng)關(guān)系

3 協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)可行性分析

3.1 綜合評價體系

對于構(gòu)建的協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)的評價是多目標(biāo)的綜合指標(biāo)，最終判斷就是是否滿足成本、時間和質(zhì)量的最優(yōu)化。在多指標(biāo)評價中，由于各個評價指標(biāo)的單位不同、量綱不同和數(shù)量級不同，如果不確定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的評價標(biāo)準(zhǔn)，就會造成決策結(jié)果的偏差、甚至得出相反的結(jié)論。因此，需要對各個評價指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)量化處理，根據(jù)具體優(yōu)化或者評估指標(biāo)對決策矩陣E中的評估值轉(zhuǎn)化為無量綱、無數(shù)量級差標(biāo)準(zhǔn)分，根據(jù)評估原則及目標(biāo)進(jìn)行計算后得到所需決策標(biāo)準(zhǔn)[13]。

根據(jù)評判種類、具體方法的特征，以及決策者所具備的權(quán)限范圍來確定判斷標(biāo)準(zhǔn)，具體可分為效益型指標(biāo)，如利潤、產(chǎn)值、功能、效率等，它的指標(biāo)值都是越大越好；成本型指標(biāo)，如成本、能耗、工時、融資等內(nèi)容，這些量化指標(biāo)值越低越好；區(qū)間型指標(biāo)指的是那些在一定范圍內(nèi)取值的技術(shù)指標(biāo)；固定型指標(biāo)指的是選擇固定數(shù)值的技術(shù)指標(biāo)。

3.2 評價指標(biāo)

對構(gòu)建的協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)評價指標(biāo)確定為成本、時間和質(zhì)量三個標(biāo)準(zhǔn)[14-15]。

對成本型評價指標(biāo)，定義為：

μij=[(fimax-fimin)/(fij)]pi，(i∈O2)

(1)

對質(zhì)量這種固定型評價指標(biāo)，定義為：

(2)

(3)

對于時間則按照區(qū)間型評價指標(biāo)，定義為：

(4)

(5)

在以上各式中，pi是由決策者確定的參數(shù)，且

(6)

通過對上述指標(biāo)的計算，可以得出結(jié)論：在單件、簡單的工程機(jī)械項目中，傳統(tǒng)的設(shè)計方式能夠在相同質(zhì)量的條件下使用較少的時間和成本。但是，在大型復(fù)雜機(jī)械設(shè)備的研制過程中，傳統(tǒng)設(shè)計方式難以完全滿足項目的成本、時間和質(zhì)量要求，只有通過協(xié)同設(shè)計才能夠明顯地提高生產(chǎn)效率、降低成本、滿足項目工期要求，使得各種評價指標(biāo)達(dá)到多目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果。

4 結(jié)束語

協(xié)同設(shè)計是現(xiàn)代制造企業(yè)在大型復(fù)雜工程機(jī)械裝備研制過程中需要發(fā)展的一個重要方向，是提高企業(yè)競爭能力的有效手段。文中在分析工程機(jī)械裝備研制需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，開展協(xié)同設(shè)計體系的研究和結(jié)構(gòu)建立。

(1)基于網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，能夠?qū)⑸婕暗降母鱾€知識領(lǐng)域內(nèi)各自獨(dú)立的知識體系融合在一起實現(xiàn)知識管理。

(2)在一個多層次、分布式的開放結(jié)構(gòu)體系中構(gòu)建協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)，作為各個分支系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)，是一種基于Internet/Intranet信息資源共享和遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計的集成。通過建立標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系融合了集中式工作模式的管理功能，有效地解決了企業(yè)“信息孤島”技術(shù)問題，從而實現(xiàn)整個產(chǎn)品研制周期內(nèi)各方人員協(xié)同完成工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計和制造。