基于綜合集成法的復雜產品協同設計過程模型及框架研究

2013-03-21 05:34:38湯浩鋒唐衛清

圖學學報 2013年3期

周劍，肖甫，湯浩鋒，唐衛清,

（1. 南京郵電大學計算機學院，江蘇南京 210003；2. 南京理工大學計算機學院，江蘇南京 210094；3. 中國科學院計算技術研究所，北京 100190）

協同設計過程模型及框架是對設計項目和設計項目內部抽象事物本身及其間聯系的具體描述[1]。過程建模的目的是提高對過程的認識和對過程的干預能力。從過程的輸入即客戶需求到過程的輸出即設計解，通過中間設計活動的控制分析，達到過程優化管理的目的。將設計過程有效地表達出來，是復雜產品協同設計的基礎，也是協同設計研究的核心內容之一。

對于設計過程的表示有很多研究工作：簡單的線性模型、功能模型、業務環境、設計者過程、階段圖、項目管理、設計結構矩陣等等。Pahl和Beitz[2]提出普適設計方法，通過設計步驟表示設計過程。W E Eder[3]從更廣泛的系統方法學的角度分析了設計活動，給出了在設計過程中的設計活動的層次結構。鄧家褆等[4]用場、層、域和節點對設計過程進行分解。曹健等[5]用過程結構樹對設計過程進行層層分解。孔建壽等[6]根據分布計算環境下并行產品開發的特點，對設計過程進行了層次分解和形式化描述，最后形成項目樹。雖然上述的研究都注意到設計的復雜性，在某個方面對設計過程進行分解，但不能充分表達復雜產品協同設計過程特征，且忽略了協同設計過程同時具有時間、粒度、并行度等多維性。Stephen Lu[7]認為，目前需要發展一個通用的模型和框架以全面地理解復雜產品協同設計問題。

綜合集成法是我國著名科學家錢學森提出的，它不是一門具體技術，而是一種研究（和解決）問題的思想；是一種指導分析復雜巨系統問題的總體規劃、分步實施的方法和策略[8]。本文將綜合集成法引入協同設計領域，首先從大型武器系統設計過程和流程工廠設計過程中，總結出復雜產品設計過程的特征。再從其特征出發，根據綜合集成法的思想，提出基于綜合集成法的復雜產品協同設計過程模型。然后在過程模型基礎上，結合專家體系、知識體系、機器體系，提出基于綜合集成法的復雜產品協同設計過程框架。最后，介紹根據本文思想開發的原型系統。

1 復雜產品協同設計過程特征

圖1(a)是目前大型武器系統的設計過程，圖1(b)是目前流程工廠設計過程。

圖1 大型武器系統與流程工廠的設計過程

通過以上大型武器系統及流程工廠的設計過程，總結出復雜產品協同設計過程的以下特征：

1）階段性：大型武器系統設計分為立項論證、系統分解、子系統設計、系統綜合、系統仿真與評估。流程工廠設計分為總體方案設計，工藝計算與工藝流程設計，專業詳細設計。大型武器系統和流程工廠的設計均是分階段、逐步逼近的過程。

2）層次性：復雜產品由于其具有復雜性，單一專業或部門多數情況下無法獨立完成設計項目，這就需要對其進行分解。大型武器系統一般按照系統結構分解為多個子系統設計項目，每個子系統設計項目交由一個設計單元（如設計院所）完成；流程工廠一般按照涉及專業分解為多個子系統設計項目，每個子系統設計項目同樣交由一個設計單元（如設計部門）完成。設計單元有可能將子系統設計項目再分解為多個設計子任務，并分派給粒度更細的設計單元（如設計專家）完成。

3）并行性：經過層次分解后，形成多個任務子集。協同設計就是充分利用各種設計資源，在滿足約束的前提下，并行的制定詳細設計方案以及測試與評估方案，并給出費用與風險規避計劃。

4）約束性：分解的大量子系統、子任務之間并不是孤立的，而是存在各種依賴關系（約束），各設計單元必須經常協調、溝通，以盡早發現設計沖突。如流程工廠設計中，首先由來自管道、HAVC、電氣、設備、結構、建筑等設計專業的負責人員根據P&ID（Process&Instrument Diagram，工藝控制及儀表流程圖）、總體設計文檔和本專業的設計標準、規范，同相關專業的負責人進行一對一的設計條件確認。在得到本專業相關的設計條件后，并行的進行專業詳細設計。隨著專業詳細設計的進展，不同專業的負責人員會根據具體的設計進展情況，彼此之間進行多次設計條件的提供/反饋活動，直至生成最終的施工圖表。

5）迭代反復性：圖1(a)和圖1(b)可以看出，某一階段出現問題后，往往需要回溯到之前的設計階段才能解決。協同設計過程往往不能保證一次成功，需要設計活動的多次反饋、再設計，才能獲得滿意的設計結果。

2 基于綜合集成法的復雜產品協同設計過程模型

根據第1節總結出的設計過程特征，一個復雜產品的設計項目最終可分解為多個設計子任務集和多個相互嵌套的設計過程。在建立復雜產品協同設計過程模型時，可以以項目過程為主線，嵌套子項目和任務的過程，形成一個在空間上以時間、粒度、并行度三維分布的多層次過程模型。

運用綜合集成法研究問題時，需要進行系統分解，在系統總體指導下進行分解，在分解后研究的基礎上，再綜合集成到整體，如此反復進行達到從信息到知識以及智慧的涌現[9]。這種“整體-分解-綜合”的研究思路，結合復雜產品設計過程的層次性特征，復雜產品協同設計過程模型在粒度維，呈現出一個分解與綜合的循環迭代過程，并且在分解前需要進行總體設計或分析，在綜合后需要進行總體評價。

綜合集成法強調不同領域的科學理論和經驗知識綜合集成，通過反復比較、逐次逼近，實現從定性認識到定量認識。結合復雜產品設計過程的階段性、迭代反復性特征，復雜產品協同設計過程模型在時間維，呈現出一個分階段、反復逼近的過程，且每個階段是相互耦合的，上游階段需要考慮下游階段的需求，下游階段需要滿足上游階段的要求；結合復雜產品設計過程的并行性、約束性特征，復雜產品協同設計過程模型在并行度維，呈現出多項目（多任務）并行設計過程，且項目間（或任務間）是緊耦合的，每個項目（或任務）需要考慮其他項目（或任務）的需求，項目（任務）間存在復雜的約束關系，因此需要進行約束管理，并及時進行校審，以便盡早發現設計問題或設計沖突。

綜上所述，本文建立了基于綜合集成法的復雜產品協同設計過程模型，如圖2所示。

圖2 基于綜合集成法的復雜產品協同設計過程模型

從設計的角度來看，所有的設計活動都集中在3個維度上，即設計周期維、設計并行度維、設計粒度維。設計周期維對應設計活動所處的階段，在該維進行多階段綜合；設計并行度維對應設計活動所處的項目（或任務），在該維進行多專業、多群體的綜合；設計粒度維對應設計活動所處的層次，在該維進行分解與綜合的反復迭代。

3 基于綜合集成法的復雜產品協同設計過程框架

第2節所述的設計過程模型對復雜產品協同設計過程進行了形式化描述，可啟發設計人員進行科學的設計過程管理。然而，設計是由多項設計活動構成的創造性過程，需要設計人員的創造性思維。為了提高各項設計活動的工作效率，必須采用人機結合、以人為主的技術路線，充分發揮群體的智慧。

綜合集成法的實質是把專家體系、數據和信息體系以及計算機體系有機結合起來，構成一個高度智能化的人機結合、人網結合的體系。它的成功應用就在于發揮這個體系的綜合優勢、整體優勢和智能優勢[9]。因此，在第2節過程模型的基礎上，本節面向設計活動，結合專家體系、知識體系、機器體系，給出了基于綜合集成法的復雜產品協同設計過程框架，如圖3所示。

圖3 基于綜合集成法的復雜產品協同設計過程框架

圖3 可以看出，該框架以復雜產品協同設計過程為中心，專家體系、知識體系、機器體系共同作用，支持協同設計過程中的各項設計活動。一方面專家的心智、經驗、形象思維能力及由專家群體互相交流、學習而涌現出來的群體智慧在復雜產品協同設計中起著主導作用，另一方面機器體系的數據存儲、分析、計算以及輔助建模、模型測算等功能是對人心智的一種補充，在復雜產品協同設計中也起著重要作用，知識體系則可以集成不在場的專家以及前人的經驗知識、相關的領域知識、有關問題求解的知識等，還可由這些現有知識經過提煉和演化，形成新的知識，使得該框架成為知識的生產和服務體系。

專家體系由復雜產品全生命周期中各領域專家組成，是復雜產品設計任務的主要承擔者，是新知識的產生者和各類問題的最終解決者。在專家體系中，各個專家根據自身的經驗和其他載體所提供的知識，發揮各自的創造力產生新知識，完成設計活動。

知識體系則由各種形式的信息和知識組成，它包括復雜產品協同設計過程中各設計活動所需的數據、模型、方法、案例、知識等資源。這些資源分散在進行復雜產品協同設計的各個設計單元，在形式上這些資源以數據庫、模型庫、方法庫、案例庫、知識庫的形式存儲。

機器體系由專家所使用的計算機軟硬件以及為整個專家群體提供各種支持功能的工具組成。機器體系的作用在于其高性能的計算能力，包括數據運算、邏輯運算、數據查詢能力。本框架中機器體系主要提供群體研討、項目管理、協同決策、三維可視化等支持工具，這些工具有效的幫助設計人員以一種更加科學的手段完成各設計活動——通過信息化、網絡化、智能化、虛擬化，降低設計成本、提高設計質量，縮短設計周期。

專家體系、機器體系、知識體系相互作用，機器體系依靠知識體系中的知識給專家群體提供幫助，專家群體在機器體系提供的項目管理、群體研討、協同決策、三維可視化等支持工具幫助下，實現人機結合、多專業結合、多階段結合的協同設計過程。

4 原型系統

根據本文思想，開發了兼有群體研討、項目管理、協同決策、三維可視化等功能的面向復雜產品協同設計的原型系統，如圖4所示。該原型系統為設計專家提供全過程的、統一的協同平臺。分布在不同地點的設計專家并行進行設計活動，在各個設計關鍵階段利用該研討廳進行設計任務調度，進行設計信息共享，進行設計方案的群體討論，協同決策彼此相關的問題，協同進行設計結果的檢查與修改，以達到提供復雜產品協同設計效率的目的。圖4(a)是原型系統的群體研討界面，圖4(b)是原型系統的項目管理界面，圖4(c)是原型系統的協同決策界面，圖4(d)是原型系統的三維可視化界面。

圖4 面向復雜產品協同設計的原型系統

5 結論

建立過程模型及框架，將設計過程有效地表達出來，是協同設計的基礎。因此，本文首先從大型武器系統及流程工廠的設計過程中，總結出復雜產品設計過程具有的特征，即階段性、層次性、并行性、約束性、迭代性。根據以上特征，并結合綜合集成法的思想，建立了一個以時間、粒度、并行度三維分布的多層次協同設計過程模型。該過程模型在時間維強調多階段綜合，在并行度維強調多專業綜合，在粒度維強調分解與綜合的迭代。復雜產品協同設計是一個以人為主的創新過程，因此，本文又在過程模型的基礎上，結合專家體系、知識體系、機器體系，建立了復雜產品協同設計過程框架。機器體系依靠知識體系中的知識給專家群體提供幫助，專家群體在機器體系提供的項目管理、群體研討、協同決策、三維可視化等支持工具幫助下，實現人機結合、多專業結合、多階段結合的協同設計過程，以提高復雜產品的協同設計效率。最后，介紹了相關原型系統。

[1]容芷君. 基于群體決策的協同設計過程研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2007.

[2]Pahl G, Beitz W. Engineering design——a systematic approach [M]. New York: Springer, 1996: 125-144.

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[5]曹健, 張申生. 面向并行工程的集成化產品開發過程管理系統研究[J]. 中國機械工程, 2002, 13(1):80-83.

[6]孔建壽, 張友良, 汪惠芬, 等. 協同開發環境中項目管理與工作流管理的集成[J]. 中國機械工程, 2003,14(13): 1122-1125.

[7]Lu S C Y, Cai J. A collaborative design process model in the socio-technical engineering design framework [J].Artificial Intelligence for Engineering Design,Analysis and Manufacturing, 2001, 15(1): 3-20.

[8]戴汝為. 從定性到定量的綜合集成法的形成與現代發展[J]. 自然雜志, 2009, 31(6): 311-314.