汽車產品協同數字化設計和制造的研究與應用

摘要：為了提高企業對市場的響應能力，對汽車制造這一龐大的系統工程，必須采用網絡化制造模式，走多企業聯合研制的道路，充分發揮各企業的優勢，共享產品開發的資源和經驗。因此研究異地設計、制造、管理與協同工作具有重要意義，協同數字化設計和制造是未來汽車制造業發展的必然趨勢。

關鍵詞：汽車；協同設計；數字化

中圖分類號： TH122 文獻標志碼：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.

隨著信息技術和網絡技術的飛速發展，汽車制造業生存和發展的外部環境發生了重大變化——客戶對產品的價格、交貨期、質量、環保、售后服務的要求越來越高，社會需求日益多樣化、個性化。這就要求汽車制造業建立一種按市場驅動的、具有快速反應機制的網絡化制造模式。該制造模式是以數字化、柔性化、敏捷化為基本特征，而柔性化和敏捷化的前提是數字化。目前國內許多汽車生產企業在其設計階段采用了數字化產品開發技術，但仍不能滿足市場對各類汽車的旺盛需求，因此必須采用網絡化制造模式，走多企業聯合研制的道路，充分發揮各企業的優勢，共享產品開發的資源和經驗。

1 協同設計的基本概念

1.1 協同設計的產生背景

20世紀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、新方法來改進自己的產品開發模式，出現了CIMS、精益生產、并行工程、敏捷制造和虛擬設計等涉及技術、企業管理體制的新概念，使企業組織管理、任務分配、工作協調、信息交流等方式發生了根本的變化。

與此同時，計算機應用也逐步從單用戶工作模式向分布式的多用戶協作模式過渡，人機交互理論逐漸成熟，出現了“計算機支持的協同工作”（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、社會學、心理學、認知科學、人機工程學等多個學科綜合于一體，形成了一個新興而重要的研究和應用領域。

自CSCW概念提出后，其研究及應用價值引起了全世界專家和學者的興趣，許多人投入到CSCW的研究之中。尤其是互聯網的出現，使CSCW在通信、分布式系統、數據庫系統、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，協作的發展也完成了從簡單到復雜、從支持工作組級的小規模協作到跨機構的、全球范圍內的大規模協作過程，人們成功地開發出基于網絡的會議系統、電子郵件系統、工作流管理系統等。在此背景下，CAD與CSCW技術相融合的產物——計算機支持下的協同設計CSCD（Computer Supported Cooperative Design，CSCD）應運而生。

1.2 協同設計的定義

CSCD是指在計算機的支持下，各異地協作成員圍繞一個共同的項目，承擔相應部分的設計任務，并行交互地進行設計工作，最終得到符合要求的設計結果的設計方法。協同設計的目的是為了實現不同領域、不同層次人員對信息和資源的共享，協調處理各種耦合、沖突和競爭，完成跨領域、跨時空的協作，以滿足變化多端的市場需求。它通過對復雜產品設計過程的重組，建模優化，建立協同設計開發流程，并利用CAD/CAM/CAPP、PDM、虛擬設計等集成技術與工具，系統地進行產品開發。它不但可以體現面向用戶的設計、面向制造的設計、面向裝配的設計等現代設計技術，而且還可體現現代管理技術。

協同設計的概念主要反映在設計信息的“并行”共享，即設計者能在“適當”的時候，采用“適當”的方法，在“適當”的地方，以“適當”的形式，存取“適當”的設計信息。這里強調五個“適當”是因為協同行為發生在不同地點和不同時間。CSCD中協同的含義可以從以下幾個方面來理解。

（1）產品設計信息的協同

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

（2）設計過程的協同

多個領域的設計者在共同完成一項復雜設計任務的過程中所承擔完成的子任務之間存在著一定的關聯，它們可能是前后串行依賴關系，也可能是并行獨立關系，還可能是交叉耦合關系。可見，設計者所承擔的子任務間存在的關聯性決定了設計活動必須按照一定順序協調一致地完成，這樣才可以避免設計者因對時序控制不好而造成的過程沖突。

（3）設計人員之間的協同

協同設計采用的是群組工作方式，產品設計是通過不同領域專業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：一是不同領域人員之間的配合與協同問題；二是同一領域不同層次設計人員之間的配合與協同問題。另外，在大型復雜產品的設計中，一位設計人員可以承擔多個工作——在某個任務中擔任設計員或在另一個任務中擔任審核員，這對設計人員之間的協同就更為復雜。所以，一般的系統將設計人員授予一定的角色，通過對角色的控制來實現設計人員之間的協同。

（4）設計環境的協同

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

（5）工作模式上的協同交互

協同設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計人員通過CSCD系統在同時間、同地點進行設計的工作模式，如召開決策會議時，采用并發控制策略以保證多個專家訪問同一個設計對象的過程中，數據完整且一致；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；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、分布式數據庫等。四種類型中，同步分布式交互模式實現的難度最大。

1.3 協同設計的模式

隨著并行設計的發展，人們發現對復雜產品的設計，采用并行方式解決問題還不夠，需要從更高層次上協調處理并行過程中棘手的各種耦合、沖突和競爭，實現各領域、各小組人員對信息和資源的共享，以群體協同工作為主的協同設計是并行設計向前發展的必然結果。協同設計使不同地點、不同領域的人員以及客戶能同步或異步地進行產品開發，充分利用網絡共享信息，靠集體智慧來進行決策。它強調信息共享，各階段可以同時進行工作，概念設計人員甚至可以在市場調查人員完成任務之前就開始他們的任務。為了保證數據模型的一致性和安全性，協同設計必須建立一個統一的信息模型。在所有設計完成之前，各階段生成的數據是不完整的，而通過協同設計，數據通過統一的信息模型進行共享，可以得到及時的修改和交互操作。

協同設計流程見圖1，圖中各模塊之間的信息可以隨時交互。協同工作小組在前階段工作小組完成任務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，相關工作小組之間的信息傳輸與傳遞是持續的。設計工作每完成一部分，就將結果輸出給相關過程，設計工作逐步完善。工作小組不再有輸入需求時，設計工作也就完成了。由于協同設計對網絡和相關支持工具集成化程度的利用較并行工程更充分，所以其完成產品設計時間也較并行工程少。

2 汽車產品協同數字化設計系統的主要內涵

2.1 汽車產品協同數字化設計系統的功能需求

（1）滿足客戶個性化需求

在激烈的市場競爭中，人們對產品的要求越來越高，除功能、質量和價格外，還要求考慮產品的外觀、耐用性等其他因素。滿足客戶的個性需求己成為現代企業的經營宗旨，許多企業嘗試利用網絡為客戶提供可以定制不同類型、不同型號的汽車產品，并且盡可能提供產品開發者與客戶動態交流的窗口，以使設計人員隨時了解客戶的個性化需求，快速開發出多功能、多樣化的汽車產品。

（2）實現設計制造的數字化

隨著人們對產品精度要求的提高，數字化設計制造技術逐漸成為改造傳統產業、實現技術創新和產業升級的有力手段。在汽車產品開發過程中，需要吸收數字化技術并采用數字化裝置，通過計算機對汽車產品設計制造過程進行有效地控制，重點突破汽車產品數字化定義、數字化預裝配和產品數據管理，以實現真正完全無圖紙的汽車產品數字化設計和虛擬制造。

（3）實現設計制造的網絡化

網絡技術的迅速發展，使企業可以通過互聯網，針對世界上任何地域的用戶定單組成動態聯盟，利用各種分布的、異構的設計與制造資源，進行異地設計與制造。為了實現汽車產品的協同設計，必須借助網絡技術，構建CAD、CAE、CAPP和CAM等的網絡環境，提供網絡通訊與資源共享的工具。

（4）協同工作的需求

汽車產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計團隊，團隊之間經常需要交流和協作。就同一模塊的設計而言，當CAX人員并行工作時，他們相互之間也需要頻繁地交流和協作。不同團隊、不同人員之間協同工作的效率決定了汽車產品開發的質量和速度。為了提高協作效率，需要協調好協同設計過程中的各種耦合、沖突和競爭，建立一個協同機制，有效地實現項目管理、任務規劃、進度監控、沖突檢測與消解等管理工作。

（5）面向產品全生命周期的需求

汽車產品種類繁多，為了滿足客戶的需求，必須在產品開發初期全面考慮市場需求、設計、制造、銷售、維護服務、回收再用等產品全生命周期各階段施加的設計約束。然后建立面向汽車產品全生命周期的、統一的、具有可擴充性和能表達不完整信息的產品模型，研制相應的CAX/DFX封裝組件，力求汽車產品全生命周期中所有相關因素在產品設計階段就能得到綜合規劃和優化，以達到設計“一次成功”，避免和減少在設計后期發現錯誤而導致的返工。

（6）數據交互與共享的需求

在汽車產品開發過程中，涉及到大量的設計數據、分析數據、制造數據等，這些數據彼此關聯且動態變化，為了處理異質異構的數據與三維圖形，必須研究基于網絡的汽車產品數據交互與共享的機制，以保證設計數據的正確。

2.2 汽車產品協同數字化設計系統的工作流程

汽車產品協同數字化設計系統的工作流程見圖2。

客戶、盟主、盟員可以通過登錄網頁，在動態網頁的指導下，完成相應的工作。針對某項具體的汽車產品設計任務，盟主在分析客戶需求、接受客戶任務后，進行任務規劃：將設計任務分解，并發布投標信息；根據合作伙伴的投標情況，組建設計聯盟，確定盟員。盟員中的設計負責人主要進行任務投標、任務分解與發布、設計授權、設計審核/批準、任務協調等關鍵性負責工作；盟員中的設計人員主要接受和完成分配到的子任務，對重要零部件進行設計，還可以請求CAE、CAPP盟員等其他多領域人員的幫助，共同完成設計工作。對于CAD設計中內部存在的問題，CAD盟員設計負責人可以召開內部會議進行裁決，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合會議共同裁定。

3 結語

協同設計以及協同理論等方面的研究，在汽車行業上的應用處于起步階段，對有關的多項關鍵技術進行探索和研究，包括異地協同數字化設計和制造技術、虛擬產品開發技術、異地產品數據管理技術、異地協同工作技術等，對汽車行業多企業聯合進行汽車研制和異地聯合生產模式具有重要意義。

參考文獻：

［1］ 龍曉苑. 數字化藝術［M］. 北京： 北京大學出版社，2000.

［2］ 芮延年，劉文杰，郭旭紅. 協同設計［M］. 北京： 機械工業出版社，2003，（4）.