２０１３盆 ５月 图学学报 ＪｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＧＲＡＰＨＩＣＳ Ｍａｙ ２０１３ 第３４卷 第３期 Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．３ 基于综合集成法的复杂产品协同设计过程 模型及框架研究 周 剑 ， 肖 甫 ， 汤浩锋２， 唐卫清２， （１．南京邮电大学计算机学院，江苏南京２１０００３；２．南京理工大学计算机学院，江苏南京２１００９４ ３．中国科学院计算技术研究所，北京１００１９０） 摘 要：建立过程模型及框架，将设计过程有效地表达出来，是协同设计的基础。 论文针对复杂产品设计过程的特征，根据综合集成法，建立了一个以时间、粒度、并行度三 维分布的多层次复杂产品协同设计过程模型。该过程模型在时间维强调多阶段综合，在并行 度维强调多专业综合，在粒度维强调分解与综合的迭代。在该过程模型基础上，结合专家体 系、知识体系、机器体系，提出基于综合集成法的复杂产品协同设计过程框架。该框架中， 机器体系依靠知识体系中的知识，给专家群体提供帮助，专家群体在机器体系提供的项目管 理、群体研讨、协同决策、三维可视化等支持工具帮助下，实现人机结合、多专业结合、多 阶段结合的协同设计过程，以提高复杂产品的协同设计效率。最后介绍了相关原型系统。 关键词：过程模型及框架；综合集成法；协同设计；复杂产品 文章编号：２０９５—３０２Ｘ（２０１３）０３ ００７２—０７ 中图分类号：ＴＰ ３９１ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｅｔａ—ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｚｈｏｕ Ｊｉａｎ。，Ｘｉａｏ Ｆｕ ，Ｔａｎｇ Ｈａｏｆｅｎｇ ，Ｔａｎｇ Ｗｅｉｑｉｎｇ ， （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊａｎｇｓｕ ２１０００３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊａｎｇｓｕ ２１００９４，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｅｘｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｅｒｉｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｉＳ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｄｕｃｔ．ａ ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅＩ ｏｆ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｄｕｃｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｉｍｅ．ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｐａｒａｌｌｅｌｉｓｍ ｉＳ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｅｔａ—ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ．Ｔｈｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅｌ ｅｍｐｈａｓｉｚｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｓｔａｇｅ ｉｎ ｔｉｍｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ．ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ．ｓｐｅｃｉａｌｔｙ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌｉｓｍ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ．Ｔｈｅｎ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅｌ，ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｄｕｃｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｅｔａ—ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ．Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｈｅｌｐｓ ｔｈｅ ｅｘｐｅ￣ｇｒｏｕｐ ｗｉｔｈ ｎｏｗｌｋｅｄｇｅ ｒｏｍ ｆｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｅｘｐｅ￣ｓｙｓｔｅｍ ｆｕｌｉｆｌｌｓ ｔｈｅ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ．ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｍｕｌｔｉ—ｓｐｅｃｉａｌｔｙ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ—ｓｔａｇｅ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ，ｅ．ｇ．ｐｒｏｊｅｃｔ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｇｒｏｕｐ ａｒｇｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ， ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｔｈｉｓ Ｐａｐｅｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ；ｍｅｔａ—ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ；ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ；ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｄｕｃｔ 收稿日期：２０１２—０５—２３；定稿日期：２０１２—０９—１４ 基金项目：电子信息产业发展基金资助项目；南京邮电大学引进人才基金资助项目 作者简介：周剑（１９８４一），男，江苏扬州人，讲师，博士研究生，主要研究方向为协同设计、综合集成法及其应用。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｊｉａｎ＠ｎｊｕｐｔ．ｅｄｕ ｃｎ 第３期 周 剑等：基于综合集成法的复杂产品协同设计过程模型及框架研究 ・７ ３ 协同设计过程模型及框架是对设计项目和 设计项目内部抽象事物本身及其间联系的具体 描述［１】。过程建模的目的是提高对过程的认识和 对过程的干预能力。从过程的输入即客户需求到 过程的输出即设计解，通过中间设计活动的控制 分析，达到过程优化管理的目的。将设计过程有 效地表达出来，是复杂产品协同设计的基础，也 是协同设计研究的核心内容之一。 对于设计过程的表示有很多研究工作：简单 产品协同设计过程特征，且忽略了协同设计过程 同时具有时间、粒度、并行度等性。Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｌｕ［ 】认为，目前需要发展一个通用的模型和框架 以全面地理解复杂产品协同设计问题。 综合集成法是我国著名科学家钱学森提出 的，它不是～门具体技术，而是一种研究（和解 决）问题的思想；是一种指导分析复杂巨系统问 题的总体规划、分步实施的方法和策略【８】。本文 将综合集成法引入协同设计领域，首先从大型武 器系统设计过程和流程工厂设计过程中，总结出 的线性模型、功能模型、业务环境、设计者过程、 阶段图、项目管理、设计结构矩阵等等。Ｐａｈｌ和 Ｂｅｉｔｚ［ ］提出普适设计方法，通过设计步骤表示设 计过程。ｗ Ｅ Ｅｄｅｒ［３１从更广泛的系统方法学的角 度分析了设计活动，给出了在设计过程中的设计 活动的层次结构。邓家裎等【４Ｊ用场、层、域和节 点对设计过程进行分解。曹健等［５］用过程结构树 对设计过程进行层层分解。孔建寿等【６］根据分布 复杂产品设计过程的特征。再从其特征出发，根 据综合集成法的思想，提出基于综合集成法的复 杂产品协同设计过程模型。然后在过程模型基础 上，结合专家体系、知识体系、机器体系，提出 基于综合集成法的复杂产品协同设计过程框架。 最后，介绍根据本文思想开发的原型系统。 计算环境下并行产品开发的特点，对设计过程进 行了层次分解和形式化描述，最后形成项目树。 虽然上述的研究都注意到设计的复杂性，在某个 方面对设计过程进行分解，但不能充分表达复杂 １ 复杂产品协同设计过程特征 图１（ａ）是目前大型武器系统的设计过程，图 １（ｂ）是目前流程工厂设计过程。 专业 详细 设计 图１ 大型武器系统与流程工厂的设计过程 图学学报 ２ ０１ ３生 通过以上大型武器系统及流程工厂的设计 过程，总结出复杂产品协同设计过程的以下特 征： １）阶段性：大型武器系统设计分为立项论 证、系统分解、子系统设计、系统综合、系统仿 真与评估。流程工厂设计分为总体方案设计，工 艺计算与工艺流程设计，专业详细设计。大型武 器系统和流程工厂的设计均是分阶段、逐步逼近 的过程。 ２）层次性：复杂产品由于其具有复杂性， 单一专业或部门多数情况下无法完成设计 项目，这就需要对其进行分解。大型武器系统一 般按照系统结构分解为多个子系统设计项目，每 个子系统设计项目交由一个设计单元（如设计院 所）完成；流程工厂一般按照涉及专业分解为多 个子系统设计项目，每个子系统设计项目同样交 由一个设计单元（如设计部门）完成。设计单元 有可能将子系统设计项目再分解为多个设计子 任务，并分派给粒度更细的设计单元（如设计专 家）完成。 ３）并行性：经过层次分解后，形成多个任 务子集。协同设计就是充分利用各种设计资源， 在满足约束的前提下，并行的制定详细设计方案 以及测试与评估方案，并给出费用与风险规避计 划。 ４）约束性：分解的大量子系统、子任务之 问并不是孤立的，而是存在各种依赖关系（约 束），各设计单元必须经常协调、沟通，以尽早 发现设计冲突。如流程工厂设计中，首先由来自 管道、ＨＡＶＣ、电气、设备、结构、建筑等设计 专业的负责人员根据Ｐ＆ＩＤ（Ｐｒｏｃｅｓｓ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｄｉａｇｒａｍ，工艺控制及仪表流程图）、总体设计文 档和本专业的设计标准、规范，同相关专业的负 责人进行一对一的设计条件确认。在得到本专业 相关的设计条件后，并行的进行专业详细设计。 随着专业详细设计的进展，不同专业的负责人员 会根据具体的设计进展情况，彼此之间进行多次 设计条件的提供／反馈活动，直至生成最终的施工 图表。 ５）迭代反复性：图ｌ（ａ）和图ｌ（ｂ）可以看出， 某一阶段出现问题后，往往需要回溯到之前的设 计阶段才能解决。协同设计过程往往不能保证一 次成功，需要设计活动的多次反馈、再设计，才 能获得满意的设计结果。 ２基于综合集成法的复杂产品协同 设计过程模型 根据第１节总结出的设计过程特征，一个复 杂产品的设计项目最终可分解为多个设计子任 务集和多个相互嵌套的设计过程。在建立复杂产 品协同设计过程模型时，可以以项目过程为主 线，嵌套子项目和任务的过程，形成一个在空间 上以时间、粒度、并行度三维分布的多层次过程 模型。 运用综合集成法研究问题时，需要进行系统 分解，在系统总体指导下进行分解，在分解后研 究的基础上，再综合集成到整体，如此反复进行 达到从信息到知识以及智慧的涌现【９］。这种“整 体一分解一综合”的研究思路，结合复杂产品设 计过程的层次性特征，复杂产品协同设计过程模 型在粒度维，呈现出一个分解与综合的循环迭代 过程，并且在分解前需要进行总体设计或分析， 在综合后需要进行总体评价。 综合集成法强调不同领域的科学理论和经 验知识综合集成，通过反复比较、逐次逼近，实 现从定性认识到定量认识。结合复杂产品设计过 程的阶段性、迭代反复性特征，复杂产品协同设 计过程模型在时间维，呈现出一个分阶段、反复 逼近的过程，且每个阶段是相互耦合的，上游阶 段需要考虑下游阶段的需求，下游阶段需要满足 上游阶段的要求；结合复杂产品设计过程的并行 性、约束性特征，复杂产品协同设计过程模型在 并行度维，呈现出多项目（多任务）并行设计过 程，且项目间（或任务问）是紧耦合的，每个项 目（或任务）需要考虑其他项目（或任务）的需 求，项目（任务）问存在复杂的约束关系，因此 需要进行约束管理，并及时进行校审，以便尽早 发现设计问题或设计冲突。 综上所述，本文建立了基于综合集成法的复 杂产品协同设计过程模型，如图２所示。 图 学学报 汉：华中科技大学．２００７． ２０１ ３丘 ５ 结 论 建立过程模型及框架，将设计过程有效地表 达出来，是协同设计的基础。因此，本文首先从 大型武器系统及流程工厂的设计过程中，总结出 ［２］Ｐａｈｌ Ｇ，Ｂｅｉｔｚ Ｗ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ——ａ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，１９９６：１２５－１４４． 【３］ Ｅｄｅｒ Ｗ Ｅ．Ｄｅｓｉｇｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ—ａ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ，１９９８， 复杂产品设计过程具有的特征，即阶段性、层次 性、并行性、约束性、迭代性。根据以上特征， 并结合综合集成法的思想，建立了一个以时间、 ９（４）：３５５－３７１． ［４】邓家裎．产品设计的基本理论与技术［Ｊ］．中国机械 工程，２０００，１ １（１）：１３９—１４３． 粒度、并行度三维分布的多层次协同设计过程模 型。该过程模型在时间维强调多阶段综合，在并 行度维强调多专业综合，在粒度维强调分解与综 合的迭代。复杂产品协同设计是一个以人为主的 创新过程，因此，本文又在过程模型的基础上， 结合专家体系、知识体系、机器体系，建立了复 杂产品协同设计过程框架。机器体系依靠知识体 系中的知识给专家群体提供帮助，专家群体在机 器体系提供的项目管理、群体研讨、协同决策、 三维可视化等支持工具帮助下，实现人机结合、 多专业结合、多阶段结合的协同设计过程，以提 高复杂产品的协同设计效率。最后，介绍了相关 原型系统。 参考文献 ［１］容芷君．基于群体决策的协同设计过程研究［ＤＩ．武 【５】曹 健，张申生．面向并行工程的集成化产品开发 过程管理系统研究［Ｊ］．中国机械工程，２００２，ｌ３（１）： ８０—８３． ［６ 孑Ｌ建寿，张友良，汪惠芬，等．协同开发环境中项目 ６］管理与工作流管理的集成［Ｊ］．中国机械工程，２００３， １４（１３、：１ １２２－１ １２５． 【７】Ｌｕ Ｓ Ｃ Ｙ，Ｃａｉ Ｊ．Ａ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｃｉｏ－ｔｅｃｈｉｎｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ［Ｊ］． Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｆｏｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ， Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００１，１５（１）：３－２０． ［８］ 戴汝为．从定性到定量的综合集成法的形成与现代 发展［Ｊ］．自然杂志，２００９，３１（６）：３１１－３１４． 【９】 于景元，涂元季．从定性到定量综合集成方法—— 案例研究［Ｊ］．系统工程理论与实践，２００２，（５）：１－７．
