基于Web的异地并行设计与制造系统研究﹡

摘　要　本文研究了基于虚拟企业进行机电产品协同开发的过程，开发了一个支持虚拟企业组建、运行与解体的异地并行设计与制造系统，介绍了系统的基本框架与实现方法。

关键字 虚拟企业 并行设计 产品设计 合作伙伴选择 PDM 多代理

Research on Web-based remote concurrent design and manufacture system

Abstract：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

目前国内很多企业均已引入CAD、CAM、CAE及各种NC机床或加工中心、FMS，对这些“自动化孤岛”的集成——系统级集成已有很多的研究。而随着信息技术和计算机网络技术的发展，企业集成的重心已经由系统级集成转向企业级集成^[1]，异地协同设计与制造技术是企业级集成——建立虚拟企业的支撑技术。因此本文开发了一个面向机电产品的异地并行设计与制造系统。系统能达到如下三个设计目标：

（1） 支持虚拟企业的快速组建、优化运行与平稳解体。

（2） 基于此系统能进行紧密耦合的异地并行设计，用户间能无阻滞地交流信息和共享知识。

（3） 有效地保护知识产权，系统安全可靠。

1 基于虚拟企业的机电产品开发

本文根据机电产品开发的特点，将机电产品开发周期划分为以下三个阶段，如图1所示。在这过程中先后两次产生了虚拟企业：面向设计任务的虚拟企业与面向制造任务的虚拟企业。每次虚拟企业的生命周期都可分为市场机遇确认、虚拟企业组建、运行与解体四个阶段^[2,3]。

1.1 虚拟企业组建阶段

盟主企业响应某一市场机遇，根据用户需求确定产品功能并完成产品的概念设计^[4]。然后对任务进行估计与初步分解，再通过招标/竞标的方式挑选合作伙伴组建虚拟企业。产品的概念设计与选择合作伙伴这两个关键任务必须是互相适应的。盟主企业根据概念设计的结果挑选合作伙伴，同时也要根据候选企业的实际情况及各种反馈意见来优化概念设计，争取合作伙伴对此市场机遇的最大认同，成功组建虚拟企业。这是一个不断沟通，多次调整的过程。概念设计与合作伙伴的选择必须同时考虑^[5]，以得到最优的产品概念设计方案和最佳的企业组合。

1.2 产品异地并行设计阶段

完成虚拟企业组建后应当根据新情况对概念设计具体化与优化，然后展开设计。对应产品的每一个零/部件都成立一个开发小组。本文认为机电产品的设计过程实际上是产品结构树的逐层展开与相应的开发小组同步成立的过程，如图2所示。开发小组是人员组织的最小单位，由有不同专长的企业成员组成。开发小组成员在小组中承担不同的角色，以完成不同的任务。一个成员可以在组内担任多个角色，或参加多个开发小组。通常每个开发小组设置四种角色：小组领导、设计员、审核员与工具分析员（CAE、DFMA等工具的操作者）。如有特殊需要，也可以增减角色（如销售代表或用户代表等）。

典型的文档流程如图3所示。设计员将每一阶段的设计成果提交给小组其它成员。审核合格后，设计成果可在系统的Web服务器上预发布。任务总负责人和相关任务的设计员、负责人认可后正式发布。

1.3 网络化制造阶段

这个阶段就是一个面向制造任务的虚拟企业的生命周期。与面向设计任务的虚拟企业不同的是：它有明确的依据（即产品的设计结果）来挑选合作伙伴、进行协同工作。在这个阶段中有效的信息交流仍然是主要的问题。制造阶段的虚拟企业包含了原材料供应商、零部件加工者及标准件供应商、最终产品制造者、销售商等等，他们的活动的集合构成了一条供应链。敏捷供应链是支持动态联盟优化运行的重要使能技术。另外，零部件生产和产品的装配地点分散化，给产品的质量保证带来困难。因此有必要开发敏捷化供应链管理系统与远程制造质量监控系统。这两个系统尚未开发完成。

图1基于虚拟企业的机电产品开发过程

2 系统结构

相对于客户机/服务器（C/S）模式而言，浏览器/服务器（B/S）模式有跨平台、低成本、维护与升级方便、具有良好的开放性与可扩充性等优点

^[6,7]，因此本系统采用了三层B/S结构。第一层为Web浏览器；第二层（中间层）为各种ActiveX服务对象组件，为浏览器的请求服务；第三层为传统的服务资源，如数据库服务器等。该系统的工作过程如下：

首先，任务发布者或盟主企业通过浏览系统的Web页面，登录系统，在信息代理的帮助下，表达、发布其对产品性能、外观、功能等的个性化需求信息。信息代理处理此需求信息后，访问需求信息数据库，生成设计任务列表。

潜在的合作伙伴通过浏览系统的Web页面，登录系统，在信息代理的帮助下收集、浏览协作需求信息。组建虚拟企业后，在协同设计代理的支持下进行产品的协同设计。设计结果又由信息代理存到数据库服务器中。

图4 系统结构框图

3 系统功能模块

在敏捷制造环境下，虚拟企业的任务复杂多变，信息交互频繁，数据分散且多样化，以及动态联盟的各企业高度分布自治，具有高度的能动性、社会性。多代理系统是实现这种大型系统的最佳软件模型。因此本文在多代理开发平台Microsoft Agent上开发异地并行设计与制造系统。

系统的功能模块包括虚拟企业组建、PDM、协作模块、网络化制造模块与安全模块。通过不同中介代理对客户信息服务模块、伙伴选择模块、项目管理模块、协作模块等功能子模块封装，分别得到信息代理、伙伴选择代理、项目代理、协作代理等软件代理，代理之间可通过KQML进行通信，构成一个联邦层次式多代理系统。虚拟企业的组建与运行过程就是代理之间动态的相互作用过程^[8]。

3.1 虚拟企业组建

虚拟企业组建模块负责虚拟企业 “顶层”的管理活动，完成虚拟企业的 “初始化”。它包括三个功能模块。本文提出用两次推理分别实现伙伴企业建模与辅助伙伴选择决策，如图5所示。

• 客户信息服务 用户在信息代理的帮助下可以完成需求信息的发布与搜集工作；

• 伙伴企业建模 伙伴企业模型是虚拟企业的局部模型，描述的是伙伴企业参与虚拟企业组建的部分，可作为伙伴企业挑选的依据。本系统将伙伴企业模型细分为设备子模型、人员子模型、技术子模型与经营状况子模型，子模型还可以进一步细分。系统将存储于数据库中的关于企业的原始数据作为模糊推理中的事实，推理出企业四个方面资源的描述，建立伙伴企业模型。

• 辅助伙伴选择决策 对于不同的任务，企业（潜在的合作伙伴）可能表现出不同的整体能力。首先确定伙伴选择的决策因素与权重因子，系统自动进行推理，确定企业对于某项任务的整体能力值，然后可根据候选企业的整体能力值的大小进行伙伴选择决策。

图5 伙伴企业建模与伙伴选择过程

3.2 PDM系统

PDM系统必须满足虚拟企业的分布、异构环境与敏捷性的要求，因此我们将PDM系统构筑在DCOM与Web技术之上。PDM系统是异地并行设计与制造系统的最重要部分，它有以下子功能模块：

3.2.1产品配置管理模块 它的主要功能是实现产品结构的分层次管理，能够实现产品结构树的生成和编辑，正确、有效地维护结构关系；对零部件与相关文档进行配置；输出各种明细表。

• 产品结构树的生成 产品结构由产品结构树来描述，产品结构树是PDM的核心。其中根节点代表整个产品，各结点分别表示部件或组件，叶节点代表零件。系统提供两种方法生成产品结构树：自顶向下地新建产品结构树；继承原有的产品。

（1）自顶向下地新建产品结构树 当用户选择新建产品时，系统弹出新建产品对话框，在对话框中，用户填入新建产品的属性：项目名称，产品名称，产品代号等。然后在产品结构树的根节点下用户可以选择新建装配件或零件（或继承原有的装配件或零件），再输入装配件或零件的属性，逐层展开产品结构树。

（2）继承原有的产品 有效利用合作企业已有的设计、制造资源是虚拟企业产品设计过程的核心^[5] 。如果需要设计的产品与以前设计过的某种产品十分相似，则可以拷贝它的产品结构树，在它基础上修改。系统存储的产品达到一定数量后，按系列与型号分类存放，以便于查询。

在生成产品结构树时，以上两种方法可以同时使用。在产品结构树生成后，用户可以对生成的产品结构树进行编辑；

• 产品相关文档和文件的配置 每个零部件都有与之相关的文件，相关文件的集合叫文档。利用电子仓库将数据库和文件系统连接起来，使描述零部件的文件信息与产品结构树节点上的相关零部件有机地连接在一起，实现产品数据的组织、控制和管理。

3.2.2 项目管理

一个零/部件设计项目对应一个开发小组。系统要对每个项目进行全面的监控与管理。

• 项目权限赋予 只适用于某个项目的权限叫项目权限，项目权限有浏览、修改、设计、审核、批准、冻结、删除、输出、解锁、锁定与工作流管理等。小组内不同的角色拥有不同的项目权限。小组角色在小组组建时由上一级的小组负责人决定。

• 进度管理 为了对项目进展情况进行监控，用有向图描述项目内的子任务之间的相互依赖或并行关系，这种关系的描述表现了项目完成过程中子任务求解的逻辑结构，是设计过程管理的主要依据；

• 工作流程设定 一份文档从最初设计到最后入库、归档，总是要经过一定的流程。为了适应设计过程的灵活性，系统提供文档流程的定义功能。一旦为文档指定了特定的流程，文档将按此流程自动运转，在特定的时候转到特定人手中，进行特定的操作。系统提供缺省的文档流程，如图3所示。

3.2.3 版本管理

版本管理模块完成以下功能：

• 版本生成和更新 当一个对象经过出库操作再进行入库操作时，用户可以选择是形成新版还是替换旧版本。如果用户选择形成新版，那么系统自动将该对象的序号加1，从而形成新版。当有新版存在时，用户不能对旧版进行操作；如果用户选择替换旧版本，那么系统不产生新版，而是用当前对象替换旧版本；

• 维护版本的一致性 当设计者提交文档后，该文档自动进入流程管理，此时系统自动将该文档锁定，以防止对该文档的进一步修改。如果在流程的某一环节上没有通过，系统自动将该文档解锁，并将修改邮件自动发给设计人员，修改后重新提交进入流程管理，全部通过后发布。当用户对某文档进行出库操作后，系统自动对该文档进行加锁，以防止其它用户修改该文档，造成数据的不一致性。

在PDM系统的开发中采用了以下便捷方法：

（1） 利用ADO技术实现应用与数据源的数据存取；

（2） 利用FTP构件实现检入和检出（Check in/out）功能；

（3） 利用MFC的树形控件（类CtreeCtrl）实现产品结构树。

3.3 协作模块

如何实现异地协作是系统的关键问题。协作的方式主要可分为异步和同步两种。异步协同是指在不同时间下异地用户可以通过服务器获得的协作信息；同步协同是指异地用户同时进行面对面的网络协作。同步协同的信息交流可不经过系统的服务器，可以大大减轻系统的负担，并能提高工作效率。

3.3.1 异步协同
• 总体方案评价 传统的DFMA工具可以对产品制造的时间、质量和成本进行评价，而没有考虑到知识经济要求与环境影响。因此系统建立总体方案评价体系，评价指标包括知识经济、环境影响、时间、质量与成本。用户可以根据它对总体方案进行全面的评价，可作为解决设计冲突的依据，并有利于各合作成员在完成概念设计后对产品设计方案达成共识；

• 协作论坛　发布协作成员的问题及建议，讨论解决问题的方案；

• 最新进展　发布成员提交的最新设计成果，提供异地异步共享；

• 电子邮件 电子邮件是典型的异步协同工具。系统集成了电子邮件功能，使得系统可以自动地将特定的通知发送到特定的人手中。比如用户A希望每次自己设计的零件修改后都用电子邮件通知用户B，系统可以自动完成这个工作。

• 批注功能 使用OLE技术开发了一个审阅应用软件。通过连接/嵌入的方法将图形文件作为显示背景显示在审阅系统中，然后通过系统提供的圈阅工具进行批注，系统自动将评语内容与图形文件名保存到同一对象中，使评语与对应的零部件联系起来，实现批注功能。

3.3.2 同步协同

• 网络会议　为方便异地用户之间的讨论，提供召开网络会议的功能，包括电子白板功能；本系统采用虚拟现实交互技术实现了网络会议功能。

• 约束管理 冲突是并行设计过程中经常发生的一种现象。目前常见的冲突检测及消除的方法是约束网络及约束传播技术。不同种类产品的设计往往需要事先建立不同的、结构庞大的约束网络^[9]，而虚拟企业的设计任务是多变的。为了解决这个矛盾，本系统开发了一个智能约束管理系统，系统能对新问题辅助生成约束网络。此系统另文详述。

3.4 安全模块

保证设计成果的安全和协作成员的知识产权是系统应用的前提。系统的安全由多项措施保证。

• 系统权限赋予 适用于整个系统的权限叫系统权限。系统权限有文件浏览、任务浏览、项目管理、人员管理、数据管理、网络通讯与系统监控等。系统角色由系统管理员指派，包括系统管理员、盟主企业、合作伙伴与普通用户或特殊设定的角色。不同的系统角色拥有不同的系统权限，一个用户可有多种角色。

• 访问控制 为每一个资源对象建立一张访问控制列表，表明其对各种角色赋予的权限。

• 防火墙 系统与INTERNET的接口采用防火墙系统。本系统开发的信息代理是数据库（信息）与外界进行通信的接口，也起到了防火墙的作用。

• 加密 对路由信息与用户数据都可以采用加密措施。文件在网络上传送之前用密钥加密，使他人无法涂改和伪造数据文件。

图6 系统功能模块

4 参考文献

1 杨叔子等. 网络化制造与企业集成 中国机械工程,2000(11)：45-48

2. Troy J.Strader, FU-Ren Lin, Michael J.Shaw, Information infrastructure for electronic virtual organization management, Decision Support Systems 23(1998)75-94

3 Angel Ortiz,Francisco Lario,Lorenzo Ros, Enterprise Integration—Business Processes Integrated Management:a proposal for a methodology to develop Enterprise Integration Programs, Computers in Industry 40(1999) 155-171

4 张志超等. 敏捷制造的发展现状及其问题探讨.机械研究与应用,1999(6)

5 褚学宁.虚拟企业产品设计技术研究.中国机械工程,1999(1)

6 田华等. Ｂｒｏｗｓｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ技术——新一代的计算模式.计算机应用研究,1998(6)

7 吴军利等.Ｉｎｔｒａｎｅｔ中浏览器／服务器模式的应用优势.微电子学与计算机,1999(5)

8 Sergio Cavalieri,Marco Garetti,Marco Macchi,Marco Taisch, An experimental benchmarking of two multi-agent architectures for production scheduling and control, Computers in Industry 43(2000)139-152

9 段海波等.支持并行工程的航发叶盘约束管理系统.航空动力学报,1998(4)