基于網(wǎng)格的制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新協(xié)同設(shè)計(jì)研究

郭 梅

（江蘇大學(xué) 管理學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

制造業(yè)供應(yīng)鏈為適應(yīng)市場(chǎng)環(huán)境的變化和發(fā)展，必須進(jìn)行快速的產(chǎn)品創(chuàng)新，而快速創(chuàng)新的關(guān)鍵是能綜合使用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所需要的各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)、質(zhì)量保證技術(shù)等，制造業(yè)供應(yīng)鏈的核心企業(yè)單憑自己的人力和資金很難在較短時(shí)間內(nèi)掌握并運(yùn)用各種與新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)相關(guān)的技術(shù)，這就需要核心企業(yè)與多個(gè)供應(yīng)商協(xié)作設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。研究表明，供應(yīng)商早期介入產(chǎn)品創(chuàng)新過(guò)程可將制造業(yè)供應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)行融合，大大縮短產(chǎn)品創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研發(fā)技術(shù)時(shí)間。由于供應(yīng)商比制造商在某種程度上更清楚與自己相關(guān)產(chǎn)品的零部件設(shè)計(jì)，可大大減少新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的反復(fù)性，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，以最快的時(shí)間領(lǐng)先進(jìn)入市場(chǎng)。

制造業(yè)供應(yīng)鏈產(chǎn)品創(chuàng)新的協(xié)同設(shè)計(jì)主要包括以下四個(gè)方面：面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造的協(xié)同設(shè)計(jì)、有利于項(xiàng)目管理的協(xié)同設(shè)計(jì)、滿足客戶需求的協(xié)同設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)供應(yīng)要求的協(xié)同設(shè)計(jì)[1]。本文主要討論面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)的協(xié)同設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同設(shè)計(jì)要求各節(jié)點(diǎn)企業(yè)能遠(yuǎn)程的進(jìn)行CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的瀏覽、下載、協(xié)商和交流。關(guān)于協(xié)同設(shè)計(jì)的研究，文獻(xiàn)[2]構(gòu)建了一組網(wǎng)絡(luò)化的協(xié)同設(shè)計(jì)工具；文獻(xiàn)[3]從圖形共享方面研究了協(xié)同設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[4]給出了產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)輕量化模型，解決協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸困難問(wèn)題；文獻(xiàn)[5]從方法論角度論述了網(wǎng)格應(yīng)用于協(xié)同設(shè)計(jì)的方法。文獻(xiàn)[2,4]中協(xié)同設(shè)計(jì)構(gòu)建的平臺(tái)缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)變化虛擬組織協(xié)同的支持，本文將從技術(shù)層面將協(xié)同設(shè)計(jì)建立在網(wǎng)格平臺(tái)上，增加協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的靈活性和擴(kuò)展性。

1 基于網(wǎng)格的產(chǎn)品創(chuàng)新協(xié)同設(shè)計(jì)體系框架

網(wǎng)格的核心是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的共享及協(xié)同的工作環(huán)境，將分散在不同地理位置的資源有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)高效的資源共享與協(xié)同工作。網(wǎng)格技術(shù)為解決制造業(yè)供應(yīng)鏈產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的效率低下，資源浪費(fèi)等問(wèn)題，提供了很好的技術(shù)支撐。

1.1 網(wǎng)格技術(shù)及其發(fā)展

網(wǎng)格技術(shù)起初應(yīng)用于大規(guī)模的超級(jí)計(jì)算，隨著開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（OGSA）的提出，網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用得到了進(jìn)一步的拓展，WSRF 提供了一種標(biāo)準(zhǔn)方式，在 Web 服務(wù)的本質(zhì)上“無(wú)狀態(tài)的”環(huán)境中使用“有狀態(tài)”資源。WSN系列規(guī)范為Web 服務(wù)客戶機(jī)定義一種標(biāo)準(zhǔn)的方式，以“訂閱”特定的主題，并接收各種事件的通知[6]。

本文將基于WSRF標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)資源的封裝，并構(gòu)建在網(wǎng)格平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)供應(yīng)鏈產(chǎn)品創(chuàng)新的協(xié)同設(shè)計(jì)。

1.2 基于網(wǎng)格的制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新協(xié)同設(shè)計(jì)體系框架

協(xié)同設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)資源的共享、協(xié)商與交流，因此基于網(wǎng)格的制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新協(xié)同設(shè)計(jì)體系框架應(yīng)該實(shí)現(xiàn)制造業(yè)供應(yīng)鏈核心企業(yè)針對(duì)特定產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)行的任務(wù)分解與分配、各個(gè)設(shè)計(jì)資源模型的顯示，制造業(yè)供應(yīng)鏈各節(jié)點(diǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)資源的封裝等功能，如圖1所示。

圖1 基于網(wǎng)格的制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新協(xié)同設(shè)計(jì)體系框架

1）協(xié)同設(shè)計(jì)資源。制造業(yè)供應(yīng)鏈各個(gè)參與設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)企業(yè)提供了設(shè)計(jì)資源，它們具有某一類產(chǎn)品或零部件研究和開(kāi)發(fā)的先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)能力，能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提高制造業(yè)供應(yīng)鏈產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整體效益。協(xié)同設(shè)計(jì)資源包括制造業(yè)供應(yīng)鏈上各個(gè)節(jié)點(diǎn)企業(yè)針對(duì)某類產(chǎn)品零部件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)形成的CAD模板庫(kù)和CAD文件庫(kù)，這些CAD庫(kù)文件可以是已設(shè)計(jì)好的文件，也可以是設(shè)計(jì)的中間結(jié)果文件，以方便協(xié)同設(shè)計(jì)者能隨時(shí)調(diào)用相關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行參考。

2）二次開(kāi)發(fā)提取工具。通過(guò)對(duì)CAD軟件的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAD模板庫(kù)和CAD文件庫(kù)特征信息的提取、幾何信息的提取和文件提取及格式的轉(zhuǎn)換。特征信息提取工具實(shí)現(xiàn)CAD模板的非幾何信息的提取，如材料尺寸、形位公差、熱處理及表面粗糙度等包含豐富工程語(yǔ)義信息的提取。幾何信息提取工具實(shí)現(xiàn)CAD模板幾何拓?fù)湫畔⒌奶崛　Ｎ募崛〖案袷睫D(zhuǎn)換工具實(shí)現(xiàn)將CAD文件提取到網(wǎng)格服務(wù)資源文件以方便下載，并提供文件格式轉(zhuǎn)換功能，將CAD文件轉(zhuǎn)換為VRML格式文件，使得用戶在客戶端瀏覽器上只需安裝VRML插件即可瀏覽零件設(shè)計(jì)結(jié)果的幾何模型。由于CAD系統(tǒng)不同，二次開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言也不同，因此要針對(duì)不同的CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的提取工具。

3）協(xié)同設(shè)計(jì)網(wǎng)格服務(wù)。將每個(gè)二次開(kāi)發(fā)提取工具的輸出結(jié)果包裝為網(wǎng)格服務(wù)，屏蔽掉二次開(kāi)發(fā)提取工具的不同性，為網(wǎng)格基礎(chǔ)層提供統(tǒng)一的查詢和訪問(wèn)接口。協(xié)同設(shè)計(jì)網(wǎng)格服務(wù)包括四個(gè)接口：特征信息顯示接口，幾何信息顯示接口，三維模型顯示接口，模型下載接口。

4）網(wǎng)格基礎(chǔ)層。實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格服務(wù)的管理，提供資源管理、數(shù)據(jù)傳輸、安全和信息服務(wù)。它為網(wǎng)格服務(wù)提供運(yùn)行環(huán)境和操作平臺(tái)。可以利用流行的Globus工具包最新版本GT4進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

5）應(yīng)用層。包括任務(wù)分解與約束、模型顯示、模型下載、特征及幾何信息顯示、沖突消解、交流與協(xié)商等功能。

任務(wù)分解與約束功能為制造業(yè)供應(yīng)鏈核心企業(yè)發(fā)布任務(wù)提供界面，使各個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)企業(yè)能實(shí)時(shí)了解自己的設(shè)計(jì)任務(wù)及應(yīng)遵循的規(guī)則和約束條件。

模型顯示功能通過(guò)與網(wǎng)格服務(wù)的三維模型顯示功能交互，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者可實(shí)時(shí)的互相瀏覽與之相關(guān)的設(shè)計(jì)模型進(jìn)展及有無(wú)沖突產(chǎn)生。

模型下載功能調(diào)用網(wǎng)格服務(wù)的模型下載接口，為協(xié)同設(shè)計(jì)各節(jié)點(diǎn)提供其感興趣設(shè)計(jì)結(jié)果的下載，方便虛擬裝配和仿真優(yōu)化。

特征及幾何信息顯示功能調(diào)用網(wǎng)格服務(wù)的特征信息顯示接口和幾何信息顯示接口，提供產(chǎn)品設(shè)計(jì)期間各個(gè)零部件設(shè)計(jì)的幾何、拓?fù)洹⒊叽纭⒐睢⒓庸ぁ⒀b配、材料等各類信息的顯示，使協(xié)同設(shè)計(jì)各方能充分的參考與之相關(guān)零部件的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行更高效的設(shè)計(jì)，也方便和后續(xù)CAM技術(shù)的集成。

沖突消解功能為協(xié)同設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的沖突提供了協(xié)商功能。產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生沖突，由于設(shè)計(jì)單元之間所具有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)有所差異，可能會(huì)產(chǎn)生配套沖突、幾何尺寸關(guān)聯(lián)沖突、動(dòng)力設(shè)計(jì)沖突等[5]。產(chǎn)生沖突后，首先協(xié)同設(shè)計(jì)單元之間在交流與協(xié)商模塊進(jìn)行沖突消解，若不能解決，可在沖突消解功能模塊發(fā)布產(chǎn)生的沖突，由核心企業(yè)組織設(shè)計(jì)專家進(jìn)行沖突消解，并將消解結(jié)果公布于沖突消解功能模塊。

交流與協(xié)商功能模塊為協(xié)同設(shè)計(jì)企業(yè)之間提供了交流的平臺(tái)，所有成員可以自由發(fā)言，并可查看成員的發(fā)言，本框架采用普遍應(yīng)用的BBS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，由于BBS技術(shù)已很成熟，本文不予詳述。

2 協(xié)同設(shè)計(jì)網(wǎng)格服務(wù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

實(shí)現(xiàn)上述基于網(wǎng)格的制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新協(xié)同設(shè)計(jì)框架，包括以下關(guān)鍵技術(shù)：1）實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同CAD系統(tǒng)（如UG、Pro/E、Catia等）的二次開(kāi)發(fā)程序，此類程序在多個(gè)文章[7～9]和書籍[10]中已有詳述。2）對(duì)二次開(kāi)發(fā)程序進(jìn)行狀態(tài)資源封裝。3）實(shí)現(xiàn)操縱資源的Web服務(wù)。4）調(diào)用網(wǎng)格服務(wù)以顯示特征、幾何信息的客戶端。5）調(diào)用網(wǎng)格服務(wù)相關(guān)接口以實(shí)現(xiàn)模型顯示和模型下載的客戶端。6）實(shí)現(xiàn)任務(wù)分解與約束功能及沖突消解功能，此兩種功能可以采用JSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)，編程簡(jiǎn)單方便。這里主要討論狀態(tài)資源的封裝、協(xié)同設(shè)計(jì)Web服務(wù)的實(shí)現(xiàn)及調(diào)用網(wǎng)格服務(wù)的客戶端。

2.1 狀態(tài)資源的封裝

采用WSRF開(kāi)發(fā)網(wǎng)格服務(wù)，可方便對(duì)狀態(tài)資源的操縱。將制造業(yè)供應(yīng)鏈協(xié)同設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的中間結(jié)果模型和數(shù)據(jù)封裝為狀態(tài)資源，可方便網(wǎng)格服務(wù)的調(diào)用，有利于各節(jié)點(diǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的中間結(jié)果的共享，本文將二次開(kāi)發(fā)程序調(diào)用CAD系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)封裝為狀態(tài)資源。不同的CAD系統(tǒng)，二次開(kāi)發(fā)的工具也不相同，如AutoCAD的二次開(kāi)發(fā)工具為ObjectArx，UG的二次開(kāi)發(fā)工具為UG/Open，Pro/E的二次開(kāi)發(fā)工具為Pro/Toolkit，雖然二次開(kāi)發(fā)的工具不同，但都可以使用VC++開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)的二次開(kāi)發(fā)程序都可編譯生成dll文件庫(kù)，所以對(duì)于二次開(kāi)發(fā)程序方法的調(diào)用實(shí)際上可統(tǒng)一為對(duì)C++文件庫(kù)中方法的調(diào)用。

將二次開(kāi)發(fā)程序輸出的數(shù)據(jù)封裝為狀態(tài)資源，可采用如下方法：編寫實(shí)現(xiàn)ResourceProperties和ResourceIdentifier等接口的JAVA資源類，在JAVA資源類中使用JAVA語(yǔ)言的本地編程接口Java Native Interface（JNI），調(diào)用二次開(kāi)發(fā)程序編譯生成的本地庫(kù)文件的內(nèi)部方法（特征信息提取方法、幾何信息提取方法和格式轉(zhuǎn)換方法），獲取設(shè)計(jì)資源數(shù)據(jù)。

2.2 協(xié)同設(shè)計(jì)Web服務(wù)的實(shí)現(xiàn)

協(xié)同設(shè)計(jì)Web服務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)資源的操縱和管理，根據(jù)協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本文將Web服務(wù)的接口分為四種，它們是特征信息顯示接口，幾何信息顯示接口，模型顯示接口，模型下載接口，每種接口通過(guò)編程調(diào)用相關(guān)資源屬性，實(shí)現(xiàn)其特定的功能。如特征信息顯示接口不僅可以顯示全部特征信息，也可以允許用戶查詢其感興趣的特征信息。

協(xié)同設(shè)計(jì)Web服務(wù)適用于各個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)企業(yè)，使用WSDL描述相關(guān)的Web服務(wù)操作接口和資源屬性文檔，并部署在Globus容器內(nèi)，由此資源就被封裝成了呈現(xiàn)在GT4中的網(wǎng)格服務(wù)。

3 實(shí)例分析

我們以小型直升機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)網(wǎng)格服務(wù)為例，演示協(xié)同設(shè)計(jì)網(wǎng)格服務(wù)平臺(tái)的初步實(shí)現(xiàn)。采用Globus Toolkit軟件包作為網(wǎng)格服務(wù)平臺(tái)，Eclipse作為開(kāi)發(fā)網(wǎng)格服務(wù)的IDE，Tomcat 作為 GT WSRF Web 應(yīng)用程序的 Web 服務(wù)容器。實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）首先針對(duì)AutoCAD系統(tǒng)和UG系統(tǒng)，編寫相應(yīng)的二次開(kāi)發(fā)程序，并以庫(kù)文件的形式存儲(chǔ)在各節(jié)點(diǎn)企業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)機(jī)器上。

2）通過(guò)使用上述庫(kù)文件開(kāi)發(fā)2.1節(jié)所述資源文件，分別獲取特征信息、幾何信息、CAD模型文件及VRML格式文件。

3）編寫協(xié)同設(shè)計(jì)Web服務(wù)，并將協(xié)同設(shè)計(jì)Web服務(wù)和資源屬性文件分別存放在各個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)企業(yè)。

4）將各個(gè)節(jié)點(diǎn)企業(yè)的Web服務(wù)部署到GT容器內(nèi)。

5）啟用服務(wù)器應(yīng)用層程序調(diào)用網(wǎng)格服務(wù)，顯示結(jié)果。圖2顯示了可供調(diào)用的網(wǎng)格服務(wù)。

圖2 協(xié)同設(shè)計(jì)網(wǎng)格服務(wù)門戶

當(dāng)點(diǎn)擊企業(yè)A網(wǎng)格服務(wù)的模型瀏覽鏈接時(shí)，Web服務(wù)器端使用Servlet接收請(qǐng)求，獲得參數(shù)，并生成協(xié)同設(shè)計(jì)網(wǎng)格服務(wù)的端點(diǎn)引用，然后根據(jù)參數(shù)和端點(diǎn)引用調(diào)用GT容器中企業(yè)A的網(wǎng)格服務(wù)，企業(yè)A網(wǎng)格服務(wù)通過(guò)調(diào)用文件格式轉(zhuǎn)換工具，將企業(yè)A的設(shè)計(jì)結(jié)果以wrl文件格式返回給客戶端。客戶端采用BBS技術(shù)方便協(xié)同設(shè)計(jì)者針對(duì)某零部件展開(kāi)討論。圖3為返回到瀏覽器的小型直升機(jī)搖臂部分模型的討論界面。

圖3 調(diào)用企業(yè)A網(wǎng)格服務(wù)三維模型顯示接口顯示結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

制造業(yè)供應(yīng)鏈產(chǎn)品創(chuàng)新協(xié)同設(shè)計(jì)要求無(wú)縫的共享各節(jié)點(diǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)果或中間結(jié)果，網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用為協(xié)同設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了更好的靈活性，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)將自己的設(shè)計(jì)結(jié)果包裝為網(wǎng)格服務(wù)注冊(cè)到服務(wù)器，方便了其它設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的調(diào)用和參考。本文只是網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用于協(xié)同設(shè)計(jì)的初步嘗試，下一步的工作將進(jìn)一步完善協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的功能，集成虛擬裝配和仿真優(yōu)化功能。

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