汽車產(chǎn)品協(xié)同數(shù)字化設(shè)計和制造的研究與應(yīng)用

摘要：為了提高企業(yè)對市場的響應(yīng)能力，對汽車制造這一龐大的系統(tǒng)工程，必須采用網(wǎng)絡(luò)化制造模式，走多企業(yè)聯(lián)合研制的道路，充分發(fā)揮各企業(yè)的優(yōu)勢，共享產(chǎn)品開發(fā)的資源和經(jīng)驗。因此研究異地設(shè)計、制造、管理與協(xié)同工作具有重要意義，協(xié)同數(shù)字化設(shè)計和制造是未來汽車制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車；協(xié)同設(shè)計；數(shù)字化

中圖分類號： TH122 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）04-0010-05

Research and Application of Collaborative Digital Design and

Manufacture for Automobile Industry

HU Wei-ming

（Dongfeng Yunnan Automobile Co.，Ltd. Kunming 650106，China）

Abstract： To improve the ability to response of market，the network manufacturing mode must be adopted to research on the great system engineering about automobile. And the road should go along，which is to combine the multi—enterprises to exert advantage of them，and to share the resource and experience about products development when they are in co-researching . Therefore，it is meaningful to research into other places design，manufacturing，management and Collaborative work. collaborative digital design and manufacturing is the inevilable trend of the automobile industry in the future.

Key words： automobile；collaborative design；digital.

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車制造業(yè)生存和發(fā)展的外部環(huán)境發(fā)生了重大變化——客戶對產(chǎn)品的價格、交貨期、質(zhì)量、環(huán)保、售后服務(wù)的要求越來越高，社會需求日益多樣化、個性化。這就要求汽車制造業(yè)建立一種按市場驅(qū)動的、具有快速反應(yīng)機制的網(wǎng)絡(luò)化制造模式。該制造模式是以數(shù)字化、柔性化、敏捷化為基本特征，而柔性化和敏捷化的前提是數(shù)字化。目前國內(nèi)許多汽車生產(chǎn)企業(yè)在其設(shè)計階段采用了數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，但仍不能滿足市場對各類汽車的旺盛需求，因此必須采用網(wǎng)絡(luò)化制造模式，走多企業(yè)聯(lián)合研制的道路，充分發(fā)揮各企業(yè)的優(yōu)勢，共享產(chǎn)品開發(fā)的資源和經(jīng)驗。

1 協(xié)同設(shè)計的基本概念

1.1 協(xié)同設(shè)計的產(chǎn)生背景

20世紀(jì)80年代以來，隨著市場競爭的不斷加劇，人們紛紛尋找新技術(shù)、新方法來改進自己的產(chǎn)品開發(fā)模式，出現(xiàn)了CIMS、精益生產(chǎn)、并行工程、敏捷制造和虛擬設(shè)計等涉及技術(shù)、企業(yè)管理體制的新概念，使企業(yè)組織管理、任務(wù)分配、工作協(xié)調(diào)、信息交流等方式發(fā)生了根本的變化。

與此同時，計算機應(yīng)用也逐步從單用戶工作模式向分布式的多用戶協(xié)作模式過渡，人機交互理論逐漸成熟，出現(xiàn)了“計算機支持的協(xié)同工作”（Computer Supported Cooperative Work，CSCW）的概念。CSCW是美國MIT的Irene Greif和原DEC公司的Paul Cashman于1984年提出的，它將計算機科學(xué)、社會學(xué)、心理學(xué)、認知科學(xué)、人機工程學(xué)等多個學(xué)科綜合于一體，形成了一個新興而重要的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。

自CSCW概念提出后，其研究及應(yīng)用價值引起了全世界專家和學(xué)者的興趣，許多人投入到CSCW的研究之中。尤其是互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，使CSCW在通信、分布式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、并行工程、多媒體信息處理、人機界面等方面取得了一系列突破性成果，協(xié)作的發(fā)展也完成了從簡單到復(fù)雜、從支持工作組級的小規(guī)模協(xié)作到跨機構(gòu)的、全球范圍內(nèi)的大規(guī)模協(xié)作過程，人們成功地開發(fā)出基于網(wǎng)絡(luò)的會議系統(tǒng)、電子郵件系統(tǒng)、工作流管理系統(tǒng)等。在此背景下，CAD與CSCW技術(shù)相融合的產(chǎn)物——計算機支持下的協(xié)同設(shè)計CSCD（Computer Supported Cooperative Design，CSCD）應(yīng)運而生。

1.2 協(xié)同設(shè)計的定義

CSCD是指在計算機的支持下，各異地協(xié)作成員圍繞一個共同的項目，承擔(dān)相應(yīng)部分的設(shè)計任務(wù)，并行交互地進行設(shè)計工作，最終得到符合要求的設(shè)計結(jié)果的設(shè)計方法。協(xié)同設(shè)計的目的是為了實現(xiàn)不同領(lǐng)域、不同層次人員對信息和資源的共享，協(xié)調(diào)處理各種耦合、沖突和競爭，完成跨領(lǐng)域、跨時空的協(xié)作，以滿足變化多端的市場需求。它通過對復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計過程的重組，建模優(yōu)化，建立協(xié)同設(shè)計開發(fā)流程，并利用CAD/CAM/CAPP、PDM、虛擬設(shè)計等集成技術(shù)與工具，系統(tǒng)地進行產(chǎn)品開發(fā)。它不但可以體現(xiàn)面向用戶的設(shè)計、面向制造的設(shè)計、面向裝配的設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，而且還可體現(xiàn)現(xiàn)代管理技術(shù)。

協(xié)同設(shè)計的概念主要反映在設(shè)計信息的“并行”共享，即設(shè)計者能在“適當(dāng)”的時候，采用“適當(dāng)”的方法，在“適當(dāng)”的地方，以“適當(dāng)”的形式，存取“適當(dāng)”的設(shè)計信息。這里強調(diào)五個“適當(dāng)”是因為協(xié)同行為發(fā)生在不同地點和不同時間。CSCD中協(xié)同的含義可以從以下幾個方面來理解。

（1）產(chǎn)品設(shè)計信息的協(xié)同

在協(xié)同設(shè)計時，各設(shè)計者在使用同一產(chǎn)品信息模型的過程中，由于同一信息源在不同設(shè)計環(huán)境中描述不盡相同，不同的設(shè)計群體出于各自的需要，對信息的使用也存在著差別。因此，存在著不同設(shè)計者之間設(shè)計信息的協(xié)同。

（2）設(shè)計過程的協(xié)同

多個領(lǐng)域的設(shè)計者在共同完成一項復(fù)雜設(shè)計任務(wù)的過程中所承擔(dān)完成的子任務(wù)之間存在著一定的關(guān)聯(lián)，它們可能是前后串行依賴關(guān)系，也可能是并行獨立關(guān)系，還可能是交叉耦合關(guān)系。可見，設(shè)計者所承擔(dān)的子任務(wù)間存在的關(guān)聯(lián)性決定了設(shè)計活動必須按照一定順序協(xié)調(diào)一致地完成，這樣才可以避免設(shè)計者因?qū)r序控制不好而造成的過程沖突。

（3）設(shè)計人員之間的協(xié)同

協(xié)同設(shè)計采用的是群組工作方式，產(chǎn)品設(shè)計是通過不同領(lǐng)域?qū)I(yè)人員的相互配合完成的，這就不可避免地需要解決兩個方面的問題：一是不同領(lǐng)域人員之間的配合與協(xié)同問題；二是同一領(lǐng)域不同層次設(shè)計人員之間的配合與協(xié)同問題。另外，在大型復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計中，一位設(shè)計人員可以承擔(dān)多個工作——在某個任務(wù)中擔(dān)任設(shè)計員或在另一個任務(wù)中擔(dān)任審核員，這對設(shè)計人員之間的協(xié)同就更為復(fù)雜。所以，一般的系統(tǒng)將設(shè)計人員授予一定的角色，通過對角色的控制來實現(xiàn)設(shè)計人員之間的協(xié)同。

（4）設(shè)計環(huán)境的協(xié)同

協(xié)同設(shè)計是不同部門、不同企業(yè)之間的設(shè)計活動，不同企業(yè)的設(shè)計環(huán)境存在差別，并且隨著設(shè)計進程的推進而不斷變化著，對異構(gòu)環(huán)境下設(shè)計者之間的通信必須就設(shè)計者之間對知識理解與表達方式的轉(zhuǎn)換進行協(xié)調(diào)。由于不同設(shè)計者使用的設(shè)計工具不一定相同：有的設(shè)計者使用PRO/E軟件，有的使用IDEAS軟件，有的使用Ansys軟件。各軟件設(shè)計結(jié)果的顯示方式不同，需要提供這些設(shè)計工具的協(xié)同交互組件。所以，異構(gòu)設(shè)計環(huán)境的集成是協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的一個重要內(nèi)容。

（5）工作模式上的協(xié)同交互

協(xié)同設(shè)計工作模式大致可以分為面對面同步交互、異步交互、同步分布式交互和異步分布式交互四種類型。面對面同步交互是指設(shè)計人員通過CSCD系統(tǒng)在同時間、同地點進行設(shè)計的工作模式，如召開決策會議時，采用并發(fā)控制策略以保證多個專家訪問同一個設(shè)計對象的過程中，數(shù)據(jù)完整且一致；異步交互是指在不同時間、同一地點異步交互的工作模式，如Team Work成員使用的公告欄，是一種非實時交互類型；同步分布式交互是指在同一時間、不同地點的工作模式，如共享CAD、視頻會議系統(tǒng)；異步分布式交互是指在不同時間、不同地點的工作模式，如Team Work成員使用的E-Mail、分布式數(shù)據(jù)庫等。四種類型中，同步分布式交互模式實現(xiàn)的難度最大。

1.3 協(xié)同設(shè)計的模式

隨著并行設(shè)計的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)對復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計，采用并行方式解決問題還不夠，需要從更高層次上協(xié)調(diào)處理并行過程中棘手的各種耦合、沖突和競爭，實現(xiàn)各領(lǐng)域、各小組人員對信息和資源的共享，以群體協(xié)同工作為主的協(xié)同設(shè)計是并行設(shè)計向前發(fā)展的必然結(jié)果。協(xié)同設(shè)計使不同地點、不同領(lǐng)域的人員以及客戶能同步或異步地進行產(chǎn)品開發(fā)，充分利用網(wǎng)絡(luò)共享信息，靠集體智慧來進行決策。它強調(diào)信息共享，各階段可以同時進行工作，概念設(shè)計人員甚至可以在市場調(diào)查人員完成任務(wù)之前就開始他們的任務(wù)。為了保證數(shù)據(jù)模型的一致性和安全性，協(xié)同設(shè)計必須建立一個統(tǒng)一的信息模型。在所有設(shè)計完成之前，各階段生成的數(shù)據(jù)是不完整的，而通過協(xié)同設(shè)計，數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的信息模型進行共享，可以得到及時的修改和交互操作。

協(xié)同設(shè)計流程見圖1，圖中各模塊之間的信息可以隨時交互。協(xié)同工作小組在前階段工作小組完成任務(wù)之前就可以利用對方已做的工作和傳遞來的信息開始工作，相關(guān)工作小組之間的信息傳輸與傳遞是持續(xù)的。設(shè)計工作每完成一部分，就將結(jié)果輸出給相關(guān)過程，設(shè)計工作逐步完善。工作小組不再有輸入需求時，設(shè)計工作也就完成了。由于協(xié)同設(shè)計對網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)支持工具集成化程度的利用較并行工程更充分，所以其完成產(chǎn)品設(shè)計時間也較并行工程少。

2 汽車產(chǎn)品協(xié)同數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的主要內(nèi)涵

2.1 汽車產(chǎn)品協(xié)同數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的功能需求

（1）滿足客戶個性化需求

在激烈的市場競爭中，人們對產(chǎn)品的要求越來越高，除功能、質(zhì)量和價格外，還要求考慮產(chǎn)品的外觀、耐用性等其他因素。滿足客戶的個性需求己成為現(xiàn)代企業(yè)的經(jīng)營宗旨，許多企業(yè)嘗試?yán)镁W(wǎng)絡(luò)為客戶提供可以定制不同類型、不同型號的汽車產(chǎn)品，并且盡可能提供產(chǎn)品開發(fā)者與客戶動態(tài)交流的窗口，以使設(shè)計人員隨時了解客戶的個性化需求，快速開發(fā)出多功能、多樣化的汽車產(chǎn)品。

（2）實現(xiàn)設(shè)計制造的數(shù)字化

隨著人們對產(chǎn)品精度要求的提高，數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)逐漸成為改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級的有力手段。在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中，需要吸收數(shù)字化技術(shù)并采用數(shù)字化裝置，通過計算機對汽車產(chǎn)品設(shè)計制造過程進行有效地控制，重點突破汽車產(chǎn)品數(shù)字化定義、數(shù)字化預(yù)裝配和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，以實現(xiàn)真正完全無圖紙的汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計和虛擬制造。

（3）實現(xiàn)設(shè)計制造的網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，使企業(yè)可以通過互聯(lián)網(wǎng)，針對世界上任何地域的用戶定單組成動態(tài)聯(lián)盟，利用各種分布的、異構(gòu)的設(shè)計與制造資源，進行異地設(shè)計與制造。為了實現(xiàn)汽車產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計，必須借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建CAD、CAE、CAPP和CAM等的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供網(wǎng)絡(luò)通訊與資源共享的工具。

（4）協(xié)同工作的需求

汽車產(chǎn)品可以分解為若干功能模塊，這些模塊又可以分別劃分給不同的設(shè)計團隊，團隊之間經(jīng)常需要交流和協(xié)作。就同一模塊的設(shè)計而言，當(dāng)CAX人員并行工作時，他們相互之間也需要頻繁地交流和協(xié)作。不同團隊、不同人員之間協(xié)同工作的效率決定了汽車產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量和速度。為了提高協(xié)作效率，需要協(xié)調(diào)好協(xié)同設(shè)計過程中的各種耦合、沖突和競爭，建立一個協(xié)同機制，有效地實現(xiàn)項目管理、任務(wù)規(guī)劃、進度監(jiān)控、沖突檢測與消解等管理工作。

（5）面向產(chǎn)品全生命周期的需求

汽車產(chǎn)品種類繁多，為了滿足客戶的需求，必須在產(chǎn)品開發(fā)初期全面考慮市場需求、設(shè)計、制造、銷售、維護服務(wù)、回收再用等產(chǎn)品全生命周期各階段施加的設(shè)計約束。然后建立面向汽車產(chǎn)品全生命周期的、統(tǒng)一的、具有可擴充性和能表達不完整信息的產(chǎn)品模型，研制相應(yīng)的CAX/DFX封裝組件，力求汽車產(chǎn)品全生命周期中所有相關(guān)因素在產(chǎn)品設(shè)計階段就能得到綜合規(guī)劃和優(yōu)化，以達到設(shè)計“一次成功”，避免和減少在設(shè)計后期發(fā)現(xiàn)錯誤而導(dǎo)致的返工。

（6）數(shù)據(jù)交互與共享的需求

在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中，涉及到大量的設(shè)計數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)彼此關(guān)聯(lián)且動態(tài)變化，為了處理異質(zhì)異構(gòu)的數(shù)據(jù)與三維圖形，必須研究基于網(wǎng)絡(luò)的汽車產(chǎn)品數(shù)據(jù)交互與共享的機制，以保證設(shè)計數(shù)據(jù)的正確。

2.2 汽車產(chǎn)品協(xié)同數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的工作流程

汽車產(chǎn)品協(xié)同數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的工作流程見圖2。

客戶、盟主、盟員可以通過登錄網(wǎng)頁，在動態(tài)網(wǎng)頁的指導(dǎo)下，完成相應(yīng)的工作。針對某項具體的汽車產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)，盟主在分析客戶需求、接受客戶任務(wù)后，進行任務(wù)規(guī)劃：將設(shè)計任務(wù)分解，并發(fā)布投標(biāo)信息；根據(jù)合作伙伴的投標(biāo)情況，組建設(shè)計聯(lián)盟，確定盟員。盟員中的設(shè)計負責(zé)人主要進行任務(wù)投標(biāo)、任務(wù)分解與發(fā)布、設(shè)計授權(quán)、設(shè)計審核/批準(zhǔn)、任務(wù)協(xié)調(diào)等關(guān)鍵性負責(zé)工作；盟員中的設(shè)計人員主要接受和完成分配到的子任務(wù)，對重要零部件進行設(shè)計，還可以請求CAE、CAPP盟員等其他多領(lǐng)域人員的幫助，共同完成設(shè)計工作。對于CAD設(shè)計中內(nèi)部存在的問題，CAD盟員設(shè)計負責(zé)人可以召開內(nèi)部會議進行裁決，對于自身無法解決、需要其他盟員評判的問題，可以請求盟主召開聯(lián)合會議共同裁定。

3 結(jié)語

協(xié)同設(shè)計以及協(xié)同理論等方面的研究，在汽車行業(yè)上的應(yīng)用處于起步階段，對有關(guān)的多項關(guān)鍵技術(shù)進行探索和研究，包括異地協(xié)同數(shù)字化設(shè)計和制造技術(shù)、虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)、異地產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)、異地協(xié)同工作技術(shù)等，對汽車行業(yè)多企業(yè)聯(lián)合進行汽車研制和異地聯(lián)合生產(chǎn)模式具有重要意義。

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