基于Web的異地并行設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)研究

基于Web的異地并行設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)研究摘要本文研究了基于虛擬企業(yè)進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同開(kāi)發(fā)的過(guò)程，開(kāi)發(fā)了一個(gè)支持虛擬企業(yè)組建、運(yùn)行和解體的異地并行設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的基本框架和實(shí)現(xiàn)方法。 關(guān)鍵字 虛擬企業(yè) 并行設(shè)計(jì) 產(chǎn)品設(shè)計(jì) 合作伙伴選擇 PDM 多代理Research on Web-based remote concurrent design and manufacture systemAbstract：This paper studied the concurrent design process of mechanical and electrical products in virtual enterprise, developed a remote concurrent design and manufacture system supporting the formation、operation and disorganization of virtual enterprise, introduced the fundamental structure and implement method of the system. Key words：virtual enterprise, concurrent design, product design; partner selection, PDM, multi-agent 0 引言 目前國(guó)內(nèi)很多企業(yè)均已引入CAD、CAM、CAE及各種NC機(jī)床或加工中心、FMS，對(duì)這些“自動(dòng)化孤島”的集成系統(tǒng)級(jí)集成已有很多的研究。而隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)集成的重心已經(jīng)由系統(tǒng)級(jí)集成轉(zhuǎn)向企業(yè)級(jí)集成1，異地協(xié)同設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是企業(yè)級(jí)集成建立虛擬企業(yè)的支撐技術(shù)。因此本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)面向機(jī)電產(chǎn)品的異地并行設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)。系統(tǒng)能達(dá)到如下三個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)： （1） 支持虛擬企業(yè)的快速組建、優(yōu)化運(yùn)行和平穩(wěn)解體。（2） 基于此系統(tǒng)能進(jìn)行緊密耦合的異地并行設(shè)計(jì)，用戶間能無(wú)阻滯地交流信息和共享知識(shí)。（3） 有效地保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，系統(tǒng)安全可靠。1 基于虛擬企業(yè)的機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)本文根據(jù)機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，將機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期劃分為以下三個(gè)階段，如圖1所示。在這過(guò)程中先后兩次產(chǎn)生了虛擬企業(yè)：面向設(shè)計(jì)任務(wù)的虛擬企業(yè)和面向制造任務(wù)的虛擬企業(yè)。每次虛擬企業(yè)的生命周期都可分為市場(chǎng)機(jī)遇確認(rèn)、虛擬企業(yè)組建、運(yùn)行和解體四個(gè)階段2,3。1.1 虛擬企業(yè)組建階段 盟主企業(yè)響應(yīng)某一市場(chǎng)機(jī)遇，根據(jù)用戶需求確定產(chǎn)品功能并完成產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)4。然后對(duì)任務(wù)進(jìn)行估計(jì)和初步分解，再通過(guò)招標(biāo)/競(jìng)標(biāo)的方式挑選合作伙伴組建虛擬企業(yè)。產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)和選擇合作伙伴這兩個(gè)關(guān)鍵任務(wù)必須是互相適應(yīng)的。盟主企業(yè)根據(jù)概念設(shè)計(jì)的結(jié)果挑選合作伙伴，同時(shí)也要根據(jù)候選企業(yè)的實(shí)際情況及各種反饋意見(jiàn)來(lái)優(yōu)化概念設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取合作伙伴對(duì)此市場(chǎng)機(jī)遇的最大認(rèn)同，成功組建虛擬企業(yè)。這是一個(gè)不斷溝通，多次調(diào)整的過(guò)程。概念設(shè)計(jì)和合作伙伴的選擇必須同時(shí)考慮5，以得到最優(yōu)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方案和最佳的企業(yè)組合。1.2 產(chǎn)品異地并行設(shè)計(jì)階段 完成虛擬企業(yè)組建后應(yīng)當(dāng)根據(jù)新情況對(duì)概念設(shè)計(jì)具體化和優(yōu)化，然后展開(kāi)設(shè)計(jì)。對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的每一個(gè)零/部件都成立一個(gè)開(kāi)發(fā)小組。本文認(rèn)為機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)際上是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)的逐層展開(kāi)和相應(yīng)的開(kāi)發(fā)小組同步成立的過(guò)程，如圖2所示。開(kāi)發(fā)小組是人員組織的最小單位，由有不同專(zhuān)長(zhǎng)的企業(yè)成員組成。開(kāi)發(fā)小組成員在小組中承擔(dān)不同的角色，以完成不同的任務(wù)。一個(gè)成員可以在組內(nèi)擔(dān)任多個(gè)角色，或參加多個(gè)開(kāi)發(fā)小組。通常每個(gè)開(kāi)發(fā)小組設(shè)置四種角色：小組領(lǐng)導(dǎo)、設(shè)計(jì)員、審核員和工具分析員（CAE、DFMA等工具的操作者）。如有特殊需要，也可以增減角色（如銷(xiāo)售代表或用戶代表等）。典型的文檔流程如圖3所示。設(shè)計(jì)員將每一階段的設(shè)計(jì)成果提交給小組其它成員。審核合格后，設(shè)計(jì)成果可在系統(tǒng)的Web服務(wù)器上預(yù)發(fā)布。任務(wù)總負(fù)責(zé)人和相關(guān)任務(wù)的設(shè)計(jì)員、負(fù)責(zé)人認(rèn)可后正式發(fā)布。1.3 網(wǎng)絡(luò)化制造階段 這個(gè)階段就是一個(gè)面向制造任務(wù)的虛擬企業(yè)的生命周期。和面向設(shè)計(jì)任務(wù)的虛擬企業(yè)不同的是：它有明確的依據(jù)（即產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果）來(lái)挑選合作伙伴、進(jìn)行協(xié)同工作。在這個(gè)階段中有效的信息交流仍然是主要的問(wèn)題。制造階段的虛擬企業(yè)包含了原材料供應(yīng)商、零部件加工者及標(biāo)準(zhǔn)件供應(yīng)商、最終產(chǎn)品制造者、銷(xiāo)售商等等，他們的活動(dòng)的集合構(gòu)成了一條供應(yīng)鏈。敏捷供應(yīng)鏈?zhǔn)侵С謩?dòng)態(tài)聯(lián)盟優(yōu)化運(yùn)行的重要使能技術(shù)。另外，零部件生產(chǎn)和產(chǎn)品的裝配地點(diǎn)分散化，給產(chǎn)品的質(zhì)量保證帶來(lái)困難。因此有必要開(kāi)發(fā)敏捷化供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程制造質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)尚未開(kāi)發(fā)完成。 3系統(tǒng)功能模塊在敏捷制造環(huán)境下，虛擬企業(yè)的任務(wù)復(fù)雜多變，信息交互頻繁，數(shù)據(jù)分散且多樣化，以及動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的各企業(yè)高度分布自治，具有高度的能動(dòng)性、社會(huì)性。多代理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這種大型系統(tǒng)的最佳軟件模型。因此本文在多代理開(kāi)發(fā)平臺(tái)Microsoft Agent上開(kāi)發(fā)異地并行設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)。系統(tǒng)的功能模塊包括虛擬企業(yè)組建、PDM、協(xié)作模塊、網(wǎng)絡(luò)化制造模塊和安全模塊。通過(guò)不同中介代理對(duì)客戶信息服務(wù)模塊、伙伴選擇模塊、項(xiàng)目管理模塊、協(xié)作模塊等功能子模塊封裝，分別得到信息代理、伙伴選擇代理、項(xiàng)目代理、協(xié)作代理等軟件代理，代理之間可通過(guò)KQML進(jìn)行通信，構(gòu)成一個(gè)聯(lián)邦層次式多代理系統(tǒng)。虛擬企業(yè)的組建和運(yùn)行過(guò)程就是代理之間動(dòng)態(tài)的相互作用過(guò)程8。3.1虛擬企業(yè)組建虛擬企業(yè)組建模塊負(fù)責(zé)虛擬企業(yè)“頂層”的管理活動(dòng)，完成虛擬企業(yè)的“初始化”。它包括三個(gè)功能模塊。本文提出用兩次推理分別實(shí)現(xiàn)伙伴企業(yè)建模和輔助伙伴選擇決策，如圖5所示。客戶信息服務(wù)用戶在信息代理的幫助下可以完成需求信息的發(fā)布和搜集工作； 伙伴企業(yè)建?；锇槠髽I(yè)模型是虛擬企業(yè)的局部模型，描述的是伙伴企業(yè)參和虛擬企業(yè)組建的部分，可作為伙伴企業(yè)挑選的依據(jù)。本系統(tǒng)將伙伴企業(yè)模型細(xì)分為設(shè)備子模型、人員子模型、技術(shù)子模型和經(jīng)營(yíng)狀況子模型，子模型還可以進(jìn)一步細(xì)分。系統(tǒng)將存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)于企業(yè)的原始數(shù)據(jù)作為模糊推理中的事實(shí)，推理出企業(yè)四個(gè)方面資源的描述，建立伙伴企業(yè)模型。輔助伙伴選擇決策對(duì)于不同的任務(wù)，企業(yè)（潛在的合作伙伴）可能表現(xiàn)出不同的整體能力。首先確定伙伴選擇的決策因素和權(quán)重因子，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行推理，確定企業(yè)對(duì)于某項(xiàng)任務(wù)的整體能力值，然后可根據(jù)候選企業(yè)的整體能力值的大小進(jìn)行伙伴選擇決策。圖5 伙伴企業(yè)建模和伙伴選擇過(guò)程3.2PDM系統(tǒng)PDM系統(tǒng)必須滿足虛擬企業(yè)的分布、異構(gòu)環(huán)境和敏捷性的要求，因此我們將PDM系統(tǒng)構(gòu)筑在DCOM和Web技術(shù)之上。PDM系統(tǒng)是異地并行設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)的最重要部分，它有以下子功能模塊：3.2.1產(chǎn)品配置管理模塊它的主要功能是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分層次管理，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)的生成和編輯，正確、有效地維護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)系；對(duì)零部件和相關(guān)文檔進(jìn)行配置；輸出各種明細(xì)表。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)的生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)來(lái)描述，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)是PDM的核心。其中根節(jié)點(diǎn)代表整個(gè)產(chǎn)品，各結(jié)點(diǎn)分別表示部件或組件，葉節(jié)點(diǎn)代表零件。系統(tǒng)提供兩種方法生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)：自頂向下地新建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)；繼承原有的產(chǎn)品。（1）自頂向下地新建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)當(dāng)用戶選擇新建產(chǎn)品時(shí)，系統(tǒng)彈出新建產(chǎn)品對(duì)話框，在對(duì)話框中，用戶填入新建產(chǎn)品的屬性：項(xiàng)目名稱，產(chǎn)品名稱，產(chǎn)品代號(hào)等。然后在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)下用戶可以選擇新建裝配件或零件（或繼承原有的裝配件或零件），再輸入裝配件或零件的屬性，逐層展開(kāi)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)。（2）繼承原有的產(chǎn)品有效利用合作企業(yè)已有的設(shè)計(jì)、制造資源是虛擬企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的核心5。如果需要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品和以前設(shè)計(jì)過(guò)的某種產(chǎn)品十分相似，則可以拷貝它的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，在它基礎(chǔ)上修改。系統(tǒng)存儲(chǔ)的產(chǎn)品達(dá)到一定數(shù)量后，按系列和型號(hào)分類(lèi)存放，以便于查詢。在生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)時(shí)，以上兩種方法可以同時(shí)使用。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)生成后，用戶可以對(duì)生成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)進(jìn)行編輯；產(chǎn)品相關(guān)文檔和文件的配置每個(gè)零部件都有和之相關(guān)的文件，相關(guān)文件的集合叫文檔。利用電子倉(cāng)庫(kù)將數(shù)據(jù)庫(kù)和文件系統(tǒng)連接起來(lái)，使描述零部件的文件信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)節(jié)點(diǎn)上的相關(guān)零部件有機(jī)地連接在一起，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的組織、控制和管理。3.2.2項(xiàng)目管理一個(gè)零/部件設(shè)計(jì)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一個(gè)開(kāi)發(fā)小組。系統(tǒng)要對(duì)每個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行全面的監(jiān)控和管理。項(xiàng)目權(quán)限賦予只適用于某個(gè)項(xiàng)目的權(quán)限叫項(xiàng)目權(quán)限，項(xiàng)目權(quán)限有瀏覽、修改、設(shè)計(jì)、審核、批準(zhǔn)、凍結(jié)、刪除、輸出、解鎖、鎖定和工作流管理等。小組內(nèi)不同的角色擁有不同的項(xiàng)目權(quán)限。小組角色在小組組建時(shí)由上一級(jí)的小組負(fù)責(zé)人決定。進(jìn)度管理為了對(duì)項(xiàng)目進(jìn)展情況進(jìn)行監(jiān)控，用有向圖描述項(xiàng)目?jī)?nèi)的子任務(wù)之間的相互依賴或并行關(guān)系，這種關(guān)系的描述表現(xiàn)了項(xiàng)目完成過(guò)程中子任務(wù)求解的邏輯結(jié)構(gòu)，是設(shè)計(jì)過(guò)程管理的主要依據(jù)；工作流程設(shè)定一份文檔從最初設(shè)計(jì)到最后入庫(kù)、歸檔，總是要經(jīng)過(guò)一定的流程。為了適應(yīng)設(shè)計(jì)過(guò)程的靈活性，系統(tǒng)提供文檔流程的定義功能。一旦為文檔指定了特定的流程，文檔將按此流程自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，在特定的時(shí)候轉(zhuǎn)到特定人手中，進(jìn)行特定的操作。系統(tǒng)提供缺省的文檔流程，如圖3所示。3.2.3版本管理版本管理模塊完成以下功能：版本生成和更新當(dāng)一個(gè)對(duì)象經(jīng)過(guò)出庫(kù)操作再進(jìn)行入庫(kù)操作時(shí)，用戶可以選擇是形成新版還是替換舊版本。如果用戶選擇形成新版，那么系統(tǒng)自動(dòng)將該對(duì)象的序號(hào)加1，從而形成新版。當(dāng)有新版存在時(shí)，用戶不能對(duì)舊版進(jìn)行操作；如果用戶選擇替換舊版本，那么系統(tǒng)不產(chǎn)生新版，而是用當(dāng)前對(duì)象替換舊版本；維護(hù)版本的一致性當(dāng)設(shè)計(jì)者提交文檔后，該文檔自動(dòng)進(jìn)入流程管理，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將該文檔鎖定，以防止對(duì)該文檔的進(jìn)一步修改。如果在流程的某一環(huán)節(jié)上沒(méi)有通過(guò)，系統(tǒng)自動(dòng)將該文檔解鎖，并將修改郵件自動(dòng)發(fā)給設(shè)計(jì)人員，修改后重新提交進(jìn)入流程管理，全部通過(guò)后發(fā)布。當(dāng)用戶對(duì)某文檔進(jìn)行出庫(kù)操作后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)該文檔進(jìn)行加鎖，以防止其它用戶修改該文檔，造成數(shù)據(jù)的不一致性。 在PDM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中采用了以下便捷方法：（1）利用ADO技術(shù)實(shí)現(xiàn)使用和數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)存?。唬?）利用FTP構(gòu)件實(shí)現(xiàn)檢入和檢出（Check in/out）功能；（3）利用MFC的樹(shù)形控件（類(lèi)CtreeCtrl）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)。3.3協(xié)作模塊如何實(shí)現(xiàn)異地協(xié)作是系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。協(xié)作的方式主要可分為異步和同步兩種。異步協(xié)同是指在不同時(shí)間下異地用戶可以通過(guò)服務(wù)器獲得的協(xié)作信息；同步協(xié)同是指異地用戶同時(shí)進(jìn)行面對(duì)面的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作。同步協(xié)同的信息交流可不經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的服務(wù)器，可以大大減輕系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，并能提高工作效率。3.3.1異步協(xié)同總體方案評(píng)價(jià)傳統(tǒng)的DFMA工具可以對(duì)產(chǎn)品制造的時(shí)間、質(zhì)量和成本進(jìn)行評(píng)價(jià)，而沒(méi)有考慮到知識(shí)經(jīng)濟(jì)要求和環(huán)境影響。因此系統(tǒng)建立總體方案評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括知識(shí)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境影響、時(shí)間、質(zhì)量和成本。用戶可以根據(jù)它對(duì)總體方案進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)，可作為解決設(shè)計(jì)沖突的依據(jù)，并有利于各合作成員在完成概念設(shè)計(jì)后對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案達(dá)成共識(shí)；協(xié)作論壇發(fā)布協(xié)作成員的問(wèn)題及建議，討論解決問(wèn)題的方案；最新進(jìn)展發(fā)布成員提交的最新設(shè)計(jì)成果，提供異地異步共享；電子郵件電子郵件是典型的異步協(xié)同工具。系統(tǒng)集成了電子郵件功能，使得系統(tǒng)可以自動(dòng)地將特定的通知發(fā)送到特定的人手中。比如用戶A希望每次自己設(shè)計(jì)的零件修改后都用電子郵件通知用戶B，系統(tǒng)可以自動(dòng)完成這個(gè)工作。批注功能使用OLE技術(shù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)審閱使用軟件。通過(guò)連接/嵌入的方法將圖形文件作為顯示背景顯示在審閱系統(tǒng)中，然后通過(guò)系統(tǒng)提供的圈閱工具進(jìn)行批注，系統(tǒng)自動(dòng)將評(píng)語(yǔ)內(nèi)容和圖形文件名保存到同一對(duì)象中，使評(píng)語(yǔ)和對(duì)應(yīng)的零部件聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)批注功能。3.3.2同步協(xié)同網(wǎng)絡(luò)會(huì)議為方便異地用戶之間的討論，提供召開(kāi)網(wǎng)絡(luò)會(huì)議的功能，包括電子白板功能；本系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)會(huì)議功能。約束管理沖突是并行設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生的一種現(xiàn)象。目前常見(jiàn)的沖突檢測(cè)及消除的方法是約束網(wǎng)絡(luò)及約束傳播技術(shù)。不同種類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)往往需要事先建立不同的、結(jié)構(gòu)龐大的約束網(wǎng)絡(luò)9，而虛擬企業(yè)的設(shè)計(jì)任務(wù)是多變的。為了解決這個(gè)矛盾，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)智能約束管理系統(tǒng)，系統(tǒng)能對(duì)新問(wèn)題輔助生成約束網(wǎng)絡(luò)。此系統(tǒng)另文詳述。3.4安全模塊保證設(shè)計(jì)成果的安全和協(xié)作成員的知識(shí)產(chǎn)權(quán)是系統(tǒng)使用的前提。系統(tǒng)的安全由多項(xiàng)措施保證。系統(tǒng)權(quán)限賦予適用于整個(gè)系統(tǒng)的權(quán)限叫系統(tǒng)權(quán)限。系統(tǒng)權(quán)限有文件瀏覽、任務(wù)瀏覽、項(xiàng)目管理、人員管理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)通訊和系統(tǒng)監(jiān)控等。系統(tǒng)角色由系統(tǒng)管理員指派，包括系統(tǒng)管理員、盟主企業(yè)、合作伙伴和普通用戶或特殊設(shè)定的角色。不同的系統(tǒng)角色擁有不同的系統(tǒng)權(quán)限，一個(gè)用戶可有多種角色。訪問(wèn)控制為每一個(gè)資源對(duì)象建立一張?jiān)L問(wèn)控制列表，表明其對(duì)各種角色賦予的權(quán)限。防火墻 系統(tǒng)和INTERNET的接口采用防火墻系統(tǒng)。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的信息代理是數(shù)據(jù)庫(kù)（信息）和外界進(jìn)行通信的接口，也起到了防火墻的作用。加密 對(duì)路由信息和用戶數(shù)據(jù)都可以采用加密措施。文件在網(wǎng)絡(luò)上傳送之前用密鑰加密，使他人無(wú)法涂改和偽造數(shù)據(jù)文件。 圖6系統(tǒng)功能模塊4 參考文獻(xiàn)1楊叔子等.網(wǎng)絡(luò)化制造和企業(yè)集成中國(guó)機(jī)械工程,2000(11)：45-48 2. 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