基于Web的異地并行設計與制造系統(tǒng)研究

基于Web的異地并行設計和制造系統(tǒng)研究摘要本文研究了基于虛擬企業(yè)進行機電產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)的過程，開發(fā)了一個支持虛擬企業(yè)組建、運行和解體的異地并行設計和制造系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的基本框架和實現(xiàn)方法。 關(guān)鍵字 虛擬企業(yè) 并行設計 產(chǎn)品設計 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 目前國內(nèi)很多企業(yè)均已引入CAD、CAM、CAE及各種NC機床或加工中心、FMS，對這些“自動化孤島”的集成系統(tǒng)級集成已有很多的研究。而隨著信息技術(shù)和計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)集成的重心已經(jīng)由系統(tǒng)級集成轉(zhuǎn)向企業(yè)級集成1，異地協(xié)同設計和制造技術(shù)是企業(yè)級集成建立虛擬企業(yè)的支撐技術(shù)。因此本文開發(fā)了一個面向機電產(chǎn)品的異地并行設計和制造系統(tǒng)。系統(tǒng)能達到如下三個設計目標： （1） 支持虛擬企業(yè)的快速組建、優(yōu)化運行和平穩(wěn)解體。（2） 基于此系統(tǒng)能進行緊密耦合的異地并行設計，用戶間能無阻滯地交流信息和共享知識。（3） 有效地保護知識產(chǎn)權(quán)，系統(tǒng)安全可靠。1 基于虛擬企業(yè)的機電產(chǎn)品開發(fā)本文根據(jù)機電產(chǎn)品開發(fā)的特點，將機電產(chǎn)品開發(fā)周期劃分為以下三個階段，如圖1所示。在這過程中先后兩次產(chǎn)生了虛擬企業(yè)：面向設計任務的虛擬企業(yè)和面向制造任務的虛擬企業(yè)。每次虛擬企業(yè)的生命周期都可分為市場機遇確認、虛擬企業(yè)組建、運行和解體四個階段2,3。1.1 虛擬企業(yè)組建階段 盟主企業(yè)響應某一市場機遇，根據(jù)用戶需求確定產(chǎn)品功能并完成產(chǎn)品的概念設計4。然后對任務進行估計和初步分解，再通過招標/競標的方式挑選合作伙伴組建虛擬企業(yè)。產(chǎn)品的概念設計和選擇合作伙伴這兩個關(guān)鍵任務必須是互相適應的。盟主企業(yè)根據(jù)概念設計的結(jié)果挑選合作伙伴，同時也要根據(jù)候選企業(yè)的實際情況及各種反饋意見來優(yōu)化概念設計，爭取合作伙伴對此市場機遇的最大認同，成功組建虛擬企業(yè)。這是一個不斷溝通，多次調(diào)整的過程。概念設計和合作伙伴的選擇必須同時考慮5，以得到最優(yōu)的產(chǎn)品概念設計方案和最佳的企業(yè)組合。1.2 產(chǎn)品異地并行設計階段 完成虛擬企業(yè)組建后應當根據(jù)新情況對概念設計具體化和優(yōu)化，然后展開設計。對應產(chǎn)品的每一個零/部件都成立一個開發(fā)小組。本文認為機電產(chǎn)品的設計過程實際上是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的逐層展開和相應的開發(fā)小組同步成立的過程，如圖2所示。開發(fā)小組是人員組織的最小單位，由有不同專長的企業(yè)成員組成。開發(fā)小組成員在小組中承擔不同的角色，以完成不同的任務。一個成員可以在組內(nèi)擔任多個角色，或參加多個開發(fā)小組。通常每個開發(fā)小組設置四種角色：小組領導、設計員、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（如銷售代表或用戶代表等）。典型的文檔流程如圖3所示。設計員將每一階段的設計成果提交給小組其它成員。審核合格后，設計成果可在系統(tǒng)的Web服務器上預發(fā)布。任務總負責人和相關(guān)任務的設計員、負責人認可后正式發(fā)布。1.3 網(wǎng)絡化制造階段 這個階段就是一個面向制造任務的虛擬企業(yè)的生命周期。和面向設計任務的虛擬企業(yè)不同的是：它有明確的依據(jù)（即產(chǎn)品的設計結(jié)果）來挑選合作伙伴、進行協(xié)同工作。在這個階段中有效的信息交流仍然是主要的問題。制造階段的虛擬企業(yè)包含了原材料供應商、零部件加工者及標準件供應商、最終產(chǎn)品制造者、銷售商等等，他們的活動的集合構(gòu)成了一條供應鏈。敏捷供應鏈是支持動態(tài)聯(lián)盟優(yōu)化運行的重要使能技術(shù)。另外，零部件生產(chǎn)和產(chǎn)品的裝配地點分散化，給產(chǎn)品的質(zhì)量保證帶來困難。因此有必要開發(fā)敏捷化供應鏈管理系統(tǒng)和遠程制造質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)尚未開發(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)的任務復雜多變，信息交互頻繁，數(shù)據(jù)分散且多樣化，以及動態(tài)聯(lián)盟的各企業(yè)高度分布自治，具有高度的能動性、社會性。多代理系統(tǒng)是實現(xiàn)這種大型系統(tǒng)的最佳軟件模型。因此本文在多代理開發(fā)平臺Microsoft Agent上開發(fā)異地并行設計和制造系統(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)絡化制造模塊和安全模塊。通過不同中介代理對客戶信息服務模塊、伙伴選擇模塊、項目管理模塊、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、項目代理、協(xié)作代理等軟件代理，代理之間可通過KQML進行通信，構(gòu)成一個聯(lián)邦層次式多代理系統(tǒng)。虛擬企業(yè)的組建和運行過程就是代理之間動態(tài)的相互作用過程8。3.1虛擬企業(yè)組建虛擬企業(yè)組建模塊負責虛擬企業(yè)“頂層”的管理活動，完成虛擬企業(yè)的“初始化”。它包括三個功能模塊。本文提出用兩次推理分別實現(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)建模伙伴企業(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)模型細分為設備子模型、人員子模型、技術(shù)子模型和經(jīng)營狀況子模型，子模型還可以進一步細分。系統(tǒng)將存儲于數(shù)據(jù)庫中的關(guān)于企業(yè)的原始數(shù)據(jù)作為模糊推理中的事實，推理出企業(yè)四個方面資源的描述，建立伙伴企業(yè)模型。輔助伙伴選擇決策對于不同的任務，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)自動進行推理，確定企業(yè)對于某項任務的整體能力值，然后可根據(jù)候選企業(yè)的整體能力值的大小進行伙伴選擇決策。圖5 伙伴企業(yè)建模和伙伴選擇過程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)是異地并行設計和制造系統(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)樹的生成和編輯，正確、有效地維護結(jié)構(gòu)關(guān)系；對零部件和相關(guān)文檔進行配置；輸出各種明細表。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹來描述，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹是PDM的核心。其中根節(jié)點代表整個產(chǎn)品，各結(jié)點分別表示部件或組件，葉節(jié)點代表零件。系統(tǒng)提供兩種方法生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹：自頂向下地新建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹；繼承原有的產(chǎn)品。（1）自頂向下地新建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹當用戶選擇新建產(chǎn)品時，系統(tǒng)彈出新建產(chǎn)品對話框，在對話框中，用戶填入新建產(chǎn)品的屬性：項目名稱，產(chǎn)品名稱，產(chǎn)品代號等。然后在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的根節(jié)點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，逐層展開產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。（2）繼承原有的產(chǎn)品有效利用合作企業(yè)已有的設計、制造資源是虛擬企業(yè)產(chǎn)品設計過程的核心5。如果需要設計的產(chǎn)品和以前設計過的某種產(chǎn)品十分相似，則可以拷貝它的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，在它基礎上修改。系統(tǒng)存儲的產(chǎn)品達到一定數(shù)量后，按系列和型號分類存放，以便于查詢。在生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹時，以上兩種方法可以同時使用。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹生成后，用戶可以對生成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹進行編輯；產(chǎn)品相關(guān)文檔和文件的配置每個零部件都有和之相關(guān)的文件，相關(guān)文件的集合叫文檔。利用電子倉庫將數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)連接起來，使描述零部件的文件信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹節(jié)點上的相關(guān)零部件有機地連接在一起，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的組織、控制和管理。3.2.2項目管理一個零/部件設計項目對應一個開發(fā)小組。系統(tǒng)要對每個項目進行全面的監(jiān)控和管理。項目權(quán)限賦予只適用于某個項目的權(quán)限叫項目權(quán)限，項目權(quán)限有瀏覽、修改、設計、審核、批準、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目權(quán)限。小組角色在小組組建時由上一級的小組負責人決定。進度管理為了對項目進展情況進行監(jiān)控，用有向圖描述項目內(nèi)的子任務之間的相互依賴或并行關(guān)系，這種關(guān)系的描述表現(xiàn)了項目完成過程中子任務求解的邏輯結(jié)構(gòu)，是設計過程管理的主要依據(jù)；工作流程設定一份文檔從最初設計到最后入庫、歸檔，總是要經(jīng)過一定的流程。為了適應設計過程的靈活性，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運轉(zhuǎn)，在特定的時候轉(zhuǎn)到特定人手中，進行特定的操作。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：版本生成和更新當一個對象經(jīng)過出庫操作再進行入庫操作時，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)自動將該對象的序號加1，從而形成新版。當有新版存在時，用戶不能對舊版進行操作；如果用戶選擇替換舊版本，那么系統(tǒng)不產(chǎn)生新版，而是用當前對象替換舊版本；維護版本的一致性當設計者提交文檔后，該文檔自動進入流程管理，此時系統(tǒng)自動將該文檔鎖定，以防止對該文檔的進一步修改。如果在流程的某一環(huán)節(jié)上沒有通過，系統(tǒng)自動將該文檔解鎖，并將修改郵件自動發(fā)給設計人員，修改后重新提交進入流程管理，全部通過后發(fā)布。當用戶對某文檔進行出庫操作后，系統(tǒng)自動對該文檔進行加鎖，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)的開發(fā)中采用了以下便捷方法：（1）利用ADO技術(shù)實現(xiàn)使用和數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)存?。唬?）利用FTP構(gòu)件實現(xiàn)檢入和檢出（Check in/out）功能；（3）利用MFC的樹形控件（類CtreeCtrl）實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。3.3協(xié)作模塊如何實現(xiàn)異地協(xié)作是系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。協(xié)作的方式主要可分為異步和同步兩種。異步協(xié)同是指在不同時間下異地用戶可以通過服務器獲得的協(xié)作信息；同步協(xié)同是指異地用戶同時進行面對面的網(wǎng)絡協(xié)作。同步協(xié)同的信息交流可不經(jīng)過系統(tǒng)的服務器，可以大大減輕系統(tǒng)的負擔，并能提高工作效率。3.3.1異步協(xié)同總體方案評價傳統(tǒng)的DFMA工具可以對產(chǎn)品制造的時間、質(zhì)量和成本進行評價，而沒有考慮到知識經(jīng)濟要求和環(huán)境影響。因此系統(tǒng)建立總體方案評價體系，評價指標包括知識經(jīng)濟、環(huán)境影響、時間、質(zhì)量和成本。用戶可以根據(jù)它對總體方案進行全面的評價，可作為解決設計沖突的依據(jù)，并有利于各合作成員在完成概念設計后對產(chǎn)品設計方案達成共識；協(xié)作論壇發(fā)布協(xié)作成員的問題及建議，討論解決問題的方案；最新進展發(fā)布成員提交的最新設計成果，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希望每次自己設計的零件修改后都用電子郵件通知用戶B，系統(tǒng)可以自動完成這個工作。批注功能使用OLE技術(shù)開發(fā)了一個審閱使用軟件。通過連接/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，然后通過系統(tǒng)提供的圈閱工具進行批注，系統(tǒng)自動將評語內(nèi)容和圖形文件名保存到同一對象中，使評語和對應的零部件聯(lián)系起來，實現(xiàn)批注功能。3.3.2同步協(xié)同網(wǎng)絡會議為方便異地用戶之間的討論，提供召開網(wǎng)絡會議的功能，包括電子白板功能；本系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)實現(xiàn)了網(wǎng)絡會議功能。約束管理沖突是并行設計過程中經(jīng)常發(fā)生的一種現(xiàn)象。目前常見的沖突檢測及消除的方法是約束網(wǎng)絡及約束傳播技術(shù)。不同種類產(chǎn)品的設計往往需要事先建立不同的、結(jié)構(gòu)龐大的約束網(wǎng)絡9，而虛擬企業(yè)的設計任務是多變的。為了解決這個矛盾，本系統(tǒng)開發(fā)了一個智能約束管理系統(tǒng)，系統(tǒng)能對新問題輔助生成約束網(wǎng)絡。此系統(tǒng)另文詳述。3.4安全模塊保證設計成果的安全和協(xié)作成員的知識產(chǎn)權(quán)是系統(tǒng)使用的前提。系統(tǒng)的安全由多項措施保證。系統(tǒng)權(quán)限賦予適用于整個系統(tǒng)的權(quán)限叫系統(tǒng)權(quán)限。系統(tǒng)權(quán)限有文件瀏覽、任務瀏覽、項目管理、人員管理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡通訊和系統(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，一個用戶可有多種角色。訪問控制為每一個資源對象建立一張訪問控制列表，表明其對各種角色賦予的權(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)開發(fā)的信息代理是數(shù)據(jù)庫（信息）和外界進行通信的接口，也起到了防火墻的作用。加密 對路由信息和用戶數(shù)據(jù)都可以采用加密措施。文件在網(wǎng)絡上傳送之前用密鑰加密，使他人無法涂改和偽造數(shù)據(jù)文件。 圖6系統(tǒng)功能模塊4 參考文獻1楊叔子等.網(wǎng)絡化制造和企業(yè)集成中國機械工程,2000(11)：45-48 2. 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