工程機械協同設計系統結構的研究與構建

劉惠鑫，趙海峰，梁 爽

(1.沈陽工學院 信息與控制學院，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

隨著網絡信息技術的高速發展，對于大型復雜工程機械裝備研制企業來說，必須以更短的時間(Time)、更優的質量 (Quality)、更低的成本(Cost)、更好的服務(Service)為標準完成產品的研制。傳統的工程機械設備是項目施工方的技術人員提供技術要求、具體設備操作人員提供使用要求說明；根據技術要求，設備研制廠家具體安排方案設計、詳細設計、優化設計、工藝設計，以及制造、運輸等具體技術人員協同完成整個設備的研制。協同設計是在計算機信息技術基礎上的一種先進制造模式[1]。這種設計制造模式能夠充分發揮網絡技術快捷性和融合性的優勢，可以實現不同專業背景的技術人員、追求不同指標的管理人員，在物理位置不同的地域開展設計、制造、安裝、使用等不同階段對技術信息、管理信息、制造資源的共享和分配。與此同時，協同設計還能夠根據不同的設計目標和評價標準確定資源調配的最優方案，減少矛盾和沖突，最優化地滿足各方對資源的需求和使用。

1 協同設計理論基礎

工程機械裝備的協同設計不僅僅是針對新產品開發設計的新模式，而且是一種新型的設計理念。協同設計系統構架是研究產品開發過程的一個框架，其構建過程包括計算機學科、信息學科、制造學科、管理學科等不同領域知識和學科的融合應用。

1.1 協同設計的目標

協同設計是現代先進制造企業必然發展的研究方向和技術目標，也是制造行業在未來發展的一個必然選擇。類似工程機械這種綜合復雜的技術裝備在研制過程中需要確定的設計目標有不同的評價標準。與此同時，設備購買方、施工使用方，及設備研制方在確定設備技術方案以及設備研制過程中，都會根據不同的目標進行調整和修改，不同程度上影響整個研制周期。因此，以往的協同設計模式會造成多目標的混亂，且難以優化，這也是協同設計在大型復雜機械裝備研制中難以開展應用的一個根本問題。因此，在確定協同設計理論基礎和構建協同設計結構之前，需要確定一個協同設計目標，作為研究工作的指導原則和評價標準。

實際上，現代的信息化、網絡化等技術的發展并不能帶來額外價值，需要通過減少重復設計帶來的額外工作時間和工作成本才能體現出價值。因此，傳統的成本、質量、時間三要素的項目管理評價標準同樣適用于網絡化模式下的協同設計研究[2]。圖1所示的評價指標可以明確說明，這三個要素是不可能同時達到最優的，質量、時間與成本三要素之間為互反關系。

圖1 協同設計目標評價指標示意圖

因此，需要根據具體工程機械產品多目標規劃建立柔性、可適應的協同設計結構，并且能夠根據具體時間、成本、質量的目標要求，對協同設計的結構做出相應調整，從而滿足實際協同設計需要。

1.2 多Agent系統下的知識管理

協同設計中采用的多Agent系統(multi agent system，MAS)是非集中式人工智能(distributed artificial intelligence，DAI)的一個研究方向，主要是研究各自獨立智能體之間的活動和行為如何協調的問題[3-4]。在工程機械裝備研制過程不但包括2D、3D的圖紙設計，還涉及到產品開發過程管理、供應鏈管理、工作流系統、電子商務、機器人、車間調度、并行工程、決策支持、企業建模等眾多領域。每個涉及到的領域都具備各自獨立的知識體系和應用環境。因此，在產品設計活動中為了滿足協同設計對知識的需求，需要將知識管理貫穿于協同設計的整個研制周期內，使知識管理與協同設計同步[5-6]。與此同時，在產品設計過程中，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同設計相互促進的正反饋循環過程，保證了設計活動的順利有序進行。知識傳遞在系統設計活動如圖2所示。

圖2 協同設計環境下的知識管理

1.3 協同設計的典型特征

協同設計的目的是為了加快協作效率，提高產品設計的質量，是以設計對象為主體的一種基于信息網絡技術為基礎的現代化設計模式。在協同設計過程中，需要實現產品圖形等技術資料信息的Web發布與瀏覽，可以讓多方技術人員在基于Web的技術信息發布基礎上，進行多目標優化的協商和資源的合理調配，能夠極大地減少溝通時間成本、優化制造資源、改進工藝、實現產品優化分析等[7-8]。如圖3所示，協同設計包含了16種典型特征。

圖3 協同設計典型特征

2 構建協同設計結構

協同設計需要深入了解群體內成員間的協作模式，建立可行的協同工作技術和方法，用以提高協同成員間的協調配合和協同工作水平。恩格斯托姆的活動理論認為，人們參與的活動是人們生活和事物發展的基本單位[1]。將這一理論應用到協同設計系統構建過程中，在相關規則的活動約束下通過團體協作，最后得出所需要的結果。構建協同設計結構需要具備四種基本元素：活動、執行者、資源和工具。活動理論模型主要關注于活動的動機以及活動的過程，面向對象活動支持模型則強調的是活動元素在活動中所起到的作用；協調理論模型是研究多學科間互相依賴的關系，基于任務的協作模型則是具體的依據任務的管理流程為基礎實現協作活動[9]。可以看出以上四種基本模型各有側重，它們也從不同的角度反映了協同設計對協作的要求。基于以上觀點構建一種適用于網絡信息技術的協同設計模型，如圖4所示。

圖4 基于網絡信息技術的協同設計結構

協同設計模型將目標產品多領域協同設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系，通過多目標優化及局部優化為原則將約束關系作為基本因素進行聯系。協同設計系統中活動之間的關系有包含關系、串聯關系、并聯關系等多種聯系形式。系統中的活動之間的約束條件確保了各種活動之間的執行時間排序以及彼此之間的邏輯關聯性。

在結構中執行者是負責完成活動的實體，執行者分為參與者和觀察者兩類。參與者擁有較高的訪問權限，不僅可以參與協作活動，同時還能夠對協同設計系統中的不同活動的權限進行修改以及提出意見；觀察者僅僅具備查看相關信息的權限。參與者能夠根據授予的權限范圍完成相應的活動，據此分為責任人和不同的協同工作者。而觀察者包括除參與者之外的其他可以參與協同活動的人員，如用戶等。執行者在協作完成活動的過程中，通過通信工具交換各自的意見，實現信息交流的方法包括電子郵件、基于Web的遠程語音或視頻會議，以及現場辦公會議等方式[10-11]。在協同完成設計目標過程中，執行者會根據目標優化的程度及最終結果進行調整：發送者指的是分發相關調整內容的活動參與者，接受者則是那些收到調整內容并進行相應活動的參與者。此外，在協作活動和執行者間建立一種稱為協調關聯類，該類的屬性主要包括角色和一系列的協調規則。“資源”表示協同設計系統內定義為支持執行活動所需的物質化或者是非物質化的各種數據、文檔、技術規范等內容。它們通過并發控制機制來處理多個活動同時訪問同一信息的情況。

協同設計是跨地區的多領域技術人員共同參與產品設計，此類產品的設計周期始終貫穿整個產品的研制周期內。制造企業的設計環境是十分復雜的，要真正實現數據信息的傳遞與共享，需要保證協同過程的可靠與可行，以及從系統結構和信息流動上的靈活性和動態可重構性。建立協同設計結構是在一個多層次、分布式的開放結構體系中構建的，在同一層次中的各個節點(或子系統)之間是一種松散耦合的關系[12]。協同設計系統作為各個分支系統的頂層結構，是一種基于Internet/Intranet的信息資源共享和遠程協同設計的集成，是將各個企業或企業內部的相關部門聯系成一個動態的整體，圍繞一個設計任務開展協同工作。因此，協同設計系統的其他子系統存在著關聯關系，圖5為協同設計系統與各個分支系統的關系結構[13]。

圖5 協同設計系統各個分支平臺系統關系

3 協同設計結構可行性分析

3.1 綜合評價體系

對于構建的協同設計結構的評價是多目標的綜合指標，最終判斷就是是否滿足成本、時間和質量的最優化。在多指標評價中，由于各個評價指標的單位不同、量綱不同和數量級不同，如果不確定統一標準的評價標準，就會造成決策結果的偏差、甚至得出相反的結論。因此，需要對各個評價指標進行統一規范的標準量化處理，根據具體優化或者評估指標對決策矩陣E中的評估值轉化為無量綱、無數量級差標準分，根據評估原則及目標進行計算后得到所需決策標準[13]。

根據評判種類、具體方法的特征，以及決策者所具備的權限范圍來確定判斷標準，具體可分為效益型指標，如利潤、產值、功能、效率等，它的指標值都是越大越好；成本型指標，如成本、能耗、工時、融資等內容，這些量化指標值越低越好；區間型指標指的是那些在一定范圍內取值的技術指標；固定型指標指的是選擇固定數值的技術指標。

3.2 評價指標

對構建的協同設計結構評價指標確定為成本、時間和質量三個標準[14-15]。

對成本型評價指標，定義為：

μij=[(fimax-fimin)/(fij)]pi，(i∈O2)

(1)

對質量這種固定型評價指標，定義為：

(2)

(3)

對于時間則按照區間型評價指標，定義為：

(4)

(5)

在以上各式中，pi是由決策者確定的參數，且

(6)

通過對上述指標的計算，可以得出結論：在單件、簡單的工程機械項目中，傳統的設計方式能夠在相同質量的條件下使用較少的時間和成本。但是，在大型復雜機械設備的研制過程中，傳統設計方式難以完全滿足項目的成本、時間和質量要求，只有通過協同設計才能夠明顯地提高生產效率、降低成本、滿足項目工期要求，使得各種評價指標達到多目標優化的結果。

4 結束語

協同設計是現代制造企業在大型復雜工程機械裝備研制過程中需要發展的一個重要方向，是提高企業競爭能力的有效手段。文中在分析工程機械裝備研制需求的基礎上，結合網絡信息技術，開展協同設計體系的研究和結構建立。

(1)基于網絡信息技術的機械產品的協同設計系統，能夠將涉及到的各個知識領域內各自獨立的知識體系融合在一起實現知識管理。

(2)在一個多層次、分布式的開放結構體系中構建協同設計結構，作為各個分支系統的頂層結構，是一種基于Internet/Intranet信息資源共享和遠程協同設計的集成。通過建立標準和協議，協同設計系統結構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“信息孤島”技術問題，從而實現整個產品研制周期內各方人員協同完成工程機械產品的設計和制造。