基于綜合集成法的復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程模型及框架研究

周 劍， 肖 甫， 湯浩鋒， 唐衛(wèi)清,

（1. 南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 南京 210003；2. 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 南京 210094；3. 中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100190）

協(xié)同設(shè)計(jì)過程模型及框架是對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目和設(shè)計(jì)項(xiàng)目內(nèi)部抽象事物本身及其間聯(lián)系的具體描述[1]。過程建模的目的是提高對(duì)過程的認(rèn)識(shí)和對(duì)過程的干預(yù)能力。從過程的輸入即客戶需求到過程的輸出即設(shè)計(jì)解，通過中間設(shè)計(jì)活動(dòng)的控制分析，達(dá)到過程優(yōu)化管理的目的。將設(shè)計(jì)過程有效地表達(dá)出來，是復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是協(xié)同設(shè)計(jì)研究的核心內(nèi)容之一。

對(duì)于設(shè)計(jì)過程的表示有很多研究工作：簡單的線性模型、功能模型、業(yè)務(wù)環(huán)境、設(shè)計(jì)者過程、階段圖、項(xiàng)目管理、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣等等。Pahl和Beitz[2]提出普適設(shè)計(jì)方法，通過設(shè)計(jì)步驟表示設(shè)計(jì)過程。W E Eder[3]從更廣泛的系統(tǒng)方法學(xué)的角度分析了設(shè)計(jì)活動(dòng)，給出了在設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)活動(dòng)的層次結(jié)構(gòu)。鄧家褆等[4]用場、層、域和節(jié)點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分解。曹健等[5]用過程結(jié)構(gòu)樹對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行層層分解。孔建壽等[6]根據(jù)分布計(jì)算環(huán)境下并行產(chǎn)品開發(fā)的特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了層次分解和形式化描述，最后形成項(xiàng)目樹。雖然上述的研究都注意到設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，在某個(gè)方面對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分解，但不能充分表達(dá)復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程特征，且忽略了協(xié)同設(shè)計(jì)過程同時(shí)具有時(shí)間、粒度、并行度等多維性。Stephen Lu[7]認(rèn)為，目前需要發(fā)展一個(gè)通用的模型和框架以全面地理解復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)問題。

綜合集成法是我國著名科學(xué)家錢學(xué)森提出的，它不是一門具體技術(shù)，而是一種研究（和解決）問題的思想；是一種指導(dǎo)分析復(fù)雜巨系統(tǒng)問題的總體規(guī)劃、分步實(shí)施的方法和策略[8]。本文將綜合集成法引入?yún)f(xié)同設(shè)計(jì)領(lǐng)域，首先從大型武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程和流程工廠設(shè)計(jì)過程中，總結(jié)出復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的特征。再從其特征出發(fā)，根據(jù)綜合集成法的思想，提出基于綜合集成法的復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程模型。然后在過程模型基礎(chǔ)上，結(jié)合專家體系、知識(shí)體系、機(jī)器體系，提出基于綜合集成法的復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程框架。最后，介紹根據(jù)本文思想開發(fā)的原型系統(tǒng)。

1 復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程特征

圖1(a)是目前大型武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，圖1(b)是目前流程工廠設(shè)計(jì)過程。

圖1 大型武器系統(tǒng)與流程工廠的設(shè)計(jì)過程

通過以上大型武器系統(tǒng)及流程工廠的設(shè)計(jì)過程，總結(jié)出復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程的以下特征：

1）階段性：大型武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為立項(xiàng)論證、系統(tǒng)分解、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)仿真與評(píng)估。流程工廠設(shè)計(jì)分為總體方案設(shè)計(jì)，工藝計(jì)算與工藝流程設(shè)計(jì)，專業(yè)詳細(xì)設(shè)計(jì)。大型武器系統(tǒng)和流程工廠的設(shè)計(jì)均是分階段、逐步逼近的過程。

2）層次性：復(fù)雜產(chǎn)品由于其具有復(fù)雜性，單一專業(yè)或部門多數(shù)情況下無法獨(dú)立完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目，這就需要對(duì)其進(jìn)行分解。大型武器系統(tǒng)一般按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解為多個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目交由一個(gè)設(shè)計(jì)單元（如設(shè)計(jì)院所）完成；流程工廠一般按照涉及專業(yè)分解為多個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目同樣交由一個(gè)設(shè)計(jì)單元（如設(shè)計(jì)部門）完成。設(shè)計(jì)單元有可能將子系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目再分解為多個(gè)設(shè)計(jì)子任務(wù)，并分派給粒度更細(xì)的設(shè)計(jì)單元（如設(shè)計(jì)專家）完成。

3）并行性：經(jīng)過層次分解后，形成多個(gè)任務(wù)子集。協(xié)同設(shè)計(jì)就是充分利用各種設(shè)計(jì)資源，在滿足約束的前提下，并行的制定詳細(xì)設(shè)計(jì)方案以及測試與評(píng)估方案，并給出費(fèi)用與風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避計(jì)劃。

4）約束性：分解的大量子系統(tǒng)、子任務(wù)之間并不是孤立的，而是存在各種依賴關(guān)系（約束），各設(shè)計(jì)單元必須經(jīng)常協(xié)調(diào)、溝通，以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)沖突。如流程工廠設(shè)計(jì)中，首先由來自管道、HAVC、電氣、設(shè)備、結(jié)構(gòu)、建筑等設(shè)計(jì)專業(yè)的負(fù)責(zé)人員根據(jù)P&ID（Process&Instrument Diagram，工藝控制及儀表流程圖）、總體設(shè)計(jì)文檔和本專業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，同相關(guān)專業(yè)的負(fù)責(zé)人進(jìn)行一對(duì)一的設(shè)計(jì)條件確認(rèn)。在得到本專業(yè)相關(guān)的設(shè)計(jì)條件后，并行的進(jìn)行專業(yè)詳細(xì)設(shè)計(jì)。隨著專業(yè)詳細(xì)設(shè)計(jì)的進(jìn)展，不同專業(yè)的負(fù)責(zé)人員會(huì)根據(jù)具體的設(shè)計(jì)進(jìn)展情況，彼此之間進(jìn)行多次設(shè)計(jì)條件的提供/反饋活動(dòng)，直至生成最終的施工圖表。

5）迭代反復(fù)性：圖1(a)和圖1(b)可以看出，某一階段出現(xiàn)問題后，往往需要回溯到之前的設(shè)計(jì)階段才能解決。協(xié)同設(shè)計(jì)過程往往不能保證一次成功，需要設(shè)計(jì)活動(dòng)的多次反饋、再設(shè)計(jì)，才能獲得滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

2 基于綜合集成法的復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程模型

根據(jù)第1節(jié)總結(jié)出的設(shè)計(jì)過程特征，一個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)項(xiàng)目最終可分解為多個(gè)設(shè)計(jì)子任務(wù)集和多個(gè)相互嵌套的設(shè)計(jì)過程。在建立復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程模型時(shí)，可以以項(xiàng)目過程為主線，嵌套子項(xiàng)目和任務(wù)的過程，形成一個(gè)在空間上以時(shí)間、粒度、并行度三維分布的多層次過程模型。

運(yùn)用綜合集成法研究問題時(shí)，需要進(jìn)行系統(tǒng)分解，在系統(tǒng)總體指導(dǎo)下進(jìn)行分解，在分解后研究的基礎(chǔ)上，再綜合集成到整體，如此反復(fù)進(jìn)行達(dá)到從信息到知識(shí)以及智慧的涌現(xiàn)[9]。這種“整體-分解-綜合”的研究思路，結(jié)合復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的層次性特征，復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程模型在粒度維，呈現(xiàn)出一個(gè)分解與綜合的循環(huán)迭代過程，并且在分解前需要進(jìn)行總體設(shè)計(jì)或分析，在綜合后需要進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。

綜合集成法強(qiáng)調(diào)不同領(lǐng)域的科學(xué)理論和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)綜合集成，通過反復(fù)比較、逐次逼近，實(shí)現(xiàn)從定性認(rèn)識(shí)到定量認(rèn)識(shí)。結(jié)合復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的階段性、迭代反復(fù)性特征，復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程模型在時(shí)間維，呈現(xiàn)出一個(gè)分階段、反復(fù)逼近的過程，且每個(gè)階段是相互耦合的，上游階段需要考慮下游階段的需求，下游階段需要滿足上游階段的要求；結(jié)合復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的并行性、約束性特征，復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程模型在并行度維，呈現(xiàn)出多項(xiàng)目（多任務(wù)）并行設(shè)計(jì)過程，且項(xiàng)目間（或任務(wù)間）是緊耦合的，每個(gè)項(xiàng)目（或任務(wù)）需要考慮其他項(xiàng)目（或任務(wù)）的需求，項(xiàng)目（任務(wù)）間存在復(fù)雜的約束關(guān)系，因此需要進(jìn)行約束管理，并及時(shí)進(jìn)行校審，以便盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題或設(shè)計(jì)沖突。

綜上所述，本文建立了基于綜合集成法的復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程模型，如圖2所示。

圖2 基于綜合集成法的復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程模型

從設(shè)計(jì)的角度來看，所有的設(shè)計(jì)活動(dòng)都集中在3個(gè)維度上，即設(shè)計(jì)周期維、設(shè)計(jì)并行度維、設(shè)計(jì)粒度維。設(shè)計(jì)周期維對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)活動(dòng)所處的階段，在該維進(jìn)行多階段綜合；設(shè)計(jì)并行度維對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)活動(dòng)所處的項(xiàng)目（或任務(wù)），在該維進(jìn)行多專業(yè)、多群體的綜合；設(shè)計(jì)粒度維對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)活動(dòng)所處的層次，在該維進(jìn)行分解與綜合的反復(fù)迭代。

3 基于綜合集成法的復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程框架

第2節(jié)所述的設(shè)計(jì)過程模型對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了形式化描述，可啟發(fā)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)過程管理。然而，設(shè)計(jì)是由多項(xiàng)設(shè)計(jì)活動(dòng)構(gòu)成的創(chuàng)造性過程，需要設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性思維。為了提高各項(xiàng)設(shè)計(jì)活動(dòng)的工作效率，必須采用人機(jī)結(jié)合、以人為主的技術(shù)路線，充分發(fā)揮群體的智慧。

綜合集成法的實(shí)質(zhì)是把專家體系、數(shù)據(jù)和信息體系以及計(jì)算機(jī)體系有機(jī)結(jié)合起來，構(gòu)成一個(gè)高度智能化的人機(jī)結(jié)合、人網(wǎng)結(jié)合的體系。它的成功應(yīng)用就在于發(fā)揮這個(gè)體系的綜合優(yōu)勢(shì)、整體優(yōu)勢(shì)和智能優(yōu)勢(shì)[9]。因此，在第2節(jié)過程模型的基礎(chǔ)上，本節(jié)面向設(shè)計(jì)活動(dòng)，結(jié)合專家體系、知識(shí)體系、機(jī)器體系，給出了基于綜合集成法的復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程框架，如圖3所示。

圖3 基于綜合集成法的復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程框架

圖3 可以看出，該框架以復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程為中心，專家體系、知識(shí)體系、機(jī)器體系共同作用，支持協(xié)同設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)設(shè)計(jì)活動(dòng)。一方面專家的心智、經(jīng)驗(yàn)、形象思維能力及由專家群體互相交流、學(xué)習(xí)而涌現(xiàn)出來的群體智慧在復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)中起著主導(dǎo)作用，另一方面機(jī)器體系的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、計(jì)算以及輔助建模、模型測算等功能是對(duì)人心智的一種補(bǔ)充，在復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)中也起著重要作用，知識(shí)體系則可以集成不在場的專家以及前人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、相關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)、有關(guān)問題求解的知識(shí)等，還可由這些現(xiàn)有知識(shí)經(jīng)過提煉和演化，形成新的知識(shí)，使得該框架成為知識(shí)的生產(chǎn)和服務(wù)體系。

專家體系由復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期中各領(lǐng)域?qū)＜医M成，是復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)的主要承擔(dān)者，是新知識(shí)的產(chǎn)生者和各類問題的最終解決者。在專家體系中，各個(gè)專家根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)和其他載體所提供的知識(shí)，發(fā)揮各自的創(chuàng)造力產(chǎn)生新知識(shí)，完成設(shè)計(jì)活動(dòng)。

知識(shí)體系則由各種形式的信息和知識(shí)組成，它包括復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程中各設(shè)計(jì)活動(dòng)所需的數(shù)據(jù)、模型、方法、案例、知識(shí)等資源。這些資源分散在進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)的各個(gè)設(shè)計(jì)單元，在形式上這些資源以數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫、案例庫、知識(shí)庫的形式存儲(chǔ)。

機(jī)器體系由專家所使用的計(jì)算機(jī)軟硬件以及為整個(gè)專家群體提供各種支持功能的工具組成。機(jī)器體系的作用在于其高性能的計(jì)算能力，包括數(shù)據(jù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)查詢能力。本框架中機(jī)器體系主要提供群體研討、項(xiàng)目管理、協(xié)同決策、三維可視化等支持工具，這些工具有效的幫助設(shè)計(jì)人員以一種更加科學(xué)的手段完成各設(shè)計(jì)活動(dòng)——通過信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、虛擬化，降低設(shè)計(jì)成本、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期。

專家體系、機(jī)器體系、知識(shí)體系相互作用，機(jī)器體系依靠知識(shí)體系中的知識(shí)給專家群體提供幫助，專家群體在機(jī)器體系提供的項(xiàng)目管理、群體研討、協(xié)同決策、三維可視化等支持工具幫助下，實(shí)現(xiàn)人機(jī)結(jié)合、多專業(yè)結(jié)合、多階段結(jié)合的協(xié)同設(shè)計(jì)過程。

4 原型系統(tǒng)

根據(jù)本文思想，開發(fā)了兼有群體研討、項(xiàng)目管理、協(xié)同決策、三維可視化等功能的面向復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)，如圖4所示。該原型系統(tǒng)為設(shè)計(jì)專家提供全過程的、統(tǒng)一的協(xié)同平臺(tái)。分布在不同地點(diǎn)的設(shè)計(jì)專家并行進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)，在各個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵階段利用該研討廳進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)度，進(jìn)行設(shè)計(jì)信息共享，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的群體討論，協(xié)同決策彼此相關(guān)的問題，協(xié)同進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)果的檢查與修改，以達(dá)到提供復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)效率的目的。圖4(a)是原型系統(tǒng)的群體研討界面，圖4(b)是原型系統(tǒng)的項(xiàng)目管理界面，圖4(c)是原型系統(tǒng)的協(xié)同決策界面，圖4(d)是原型系統(tǒng)的三維可視化界面。

圖4 面向復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)

5 結(jié) 論

建立過程模型及框架，將設(shè)計(jì)過程有效地表達(dá)出來，是協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。因此，本文首先從大型武器系統(tǒng)及流程工廠的設(shè)計(jì)過程中，總結(jié)出復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程具有的特征，即階段性、層次性、并行性、約束性、迭代性。根據(jù)以上特征，并結(jié)合綜合集成法的思想，建立了一個(gè)以時(shí)間、粒度、并行度三維分布的多層次協(xié)同設(shè)計(jì)過程模型。該過程模型在時(shí)間維強(qiáng)調(diào)多階段綜合，在并行度維強(qiáng)調(diào)多專業(yè)綜合，在粒度維強(qiáng)調(diào)分解與綜合的迭代。復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)是一個(gè)以人為主的創(chuàng)新過程，因此，本文又在過程模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家體系、知識(shí)體系、機(jī)器體系，建立了復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過程框架。機(jī)器體系依靠知識(shí)體系中的知識(shí)給專家群體提供幫助，專家群體在機(jī)器體系提供的項(xiàng)目管理、群體研討、協(xié)同決策、三維可視化等支持工具幫助下，實(shí)現(xiàn)人機(jī)結(jié)合、多專業(yè)結(jié)合、多階段結(jié)合的協(xié)同設(shè)計(jì)過程，以提高復(fù)雜產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計(jì)效率。最后，介紹了相關(guān)原型系統(tǒng)。

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