并行協同設計中的工業產品數據管理技術研究

何宏璧　高鵬　張志霞

摘 要： 并行協同設計環境下的工業產品數據管理技術，包括分布環境下的數據集成策略，協同設計環境中的產品數據模型表示方法，約束聯動處理等內容。研究產品空間幾何數據、生產特征數據、創成過程數據之間的關聯模型、基于約束的相互驅動，以及并行設計中的產品模型沖突處理，并給出并行協同設計系統的總體結構。該技術的應用可使一些傳統的技術難題得到很大程度的簡化。

關鍵詞： 并行協同設計； 產品數據管理； 約束聯動； 設計沖突

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0084?03

Abstract： Industrial product data management technology in the parallel collaborative design environment includes the data integration strategy in the distributed environment， representing method of product data model in collaborative design environment， constraint management， etc. The association model among the product spacial geometric data， product feature data and creative procedure data， constrain?based mutual driving， as well as confliction handling of product model in the process of concurrent design are researched in this paper. The overall architecture of the parallel collaborative design systems is given. The application of this technology can make some traditional technical difficulties simplified greatly.

Keywords： parallel collaborative design； product data management； mutual driving restraint； design confliction

在并行協同設計中，各種角色的設計人員在分布式網絡環境下，同時對同一產品進行設計，這樣，可以最大限度地縮短產品的設計周期與質量，是現代產品設計手段中最重要的進步[1]。在網絡環境中的并行協同設計，不但要求傳統設計方法與系統要加以轉變以適應新的環境與工作方式，而且出現了許多新的研究課題，其中包括并行協同設計的工作機制、分布環境中的產品數據管理、不同角色設計行為的表示與協調以及并行協同設計的過程控制等內容[2?4]。

本文重點研究并行協同設計環境中的產品數據管理技術，具體包括可被各設計者共同理解與操作的產品模型表示方法，產品創成要素間基于約束的相互驅動以及并行設計中的產品模型沖突處理等內容。

1 分布環境下的產品數據集成策略

相比傳統的單機設計系統，異地分布的網絡環境下的產品數據集成主要有以下四個方面的轉變：從單機環境轉變為異地分布的網絡環境；從串行處理方式轉變為并行處理方式；從人機交互轉變為人人直接交互；從期望完全擺脫人的干預轉變為充分發揮人的作用。

在并行協同設計環境中，各種設計人員可以對以下幾個方面的數據實現共享：空間幾何數據；生產特征數據和產品創成過程數據。在傳統單機設計環境中，這些數據獨立存在且互不相關，甚至不存在于同一個數據存儲單元中（見圖1）。

毫無疑問，在并行協同設計環境中，組成產品模型的各種類型數據之間必須是相互關聯的，這就需要對產品數據進行有機的集成。在協同設計環境中，產品數據集成的策略可以概括為：

（1） 各種產品數據必須集中存放，但能被各設計角色所共享；

（2） 各設計角色不但能同時對同一產品模型進行操作，并且能對同一模型的同一組成元素進行操作；

（3） 集成存放的各種產品數據之間必須具有有機的相互關聯關系；

（4） 同類型數據之間、不同類型數據之間必須能夠實現設計過程中基于約束的相互驅動；

（5） 產品模型必須能夠正確處理并行設計中的各種沖突。

2 產品數據模型的表示

產品模型表示的關鍵問題是，被網絡共享且并行操作的產品數據模型各組成部分之間如何實現相互之間的有機關聯[5]。本文提出以產品創成數據（通常以CSG樹表示）為橋梁，實現空間幾何數據與生產特征數據之間的關聯，從而形成一個完整的關聯模型。CSG樹的每一個產品創成結點不但與該結點對應的空間幾何模型數據關聯，并且與相關的生產特征數據相關聯，從而將整個模型統一起來。以CSG樹為紐帶，統一產品模型是一個大的策略，但在具體實現中還有幾個問題需要正確處理：

（1） 對有相互關聯關系的CSG樹結點數據，在模型中要能正確表示與處理。本文采用模型約束數據來表示。模型約束數據記錄了CSG樹中各結點的各種相互關聯關系，包括空間幾何約束關系、生產工藝約束關系、生產順序約束關系、設計聯動約束關系等。

（2） 產品數據模型中需要對上述各種約束的處理規則與算法進行完整正確的表示，并與模型約束數據相關聯。約束處理規則能夠正確處理并行設計中的設計聯動問題，也就是說，一個設計動作的發生，可能會導致模型約束數據及其處理規則實現相應的一系列設計動作的發生。

（3） 約束聯動的問題只是解決設計動作的聯動問題，但并不能解決設計動作的沖突問題[6]。例如，兩個設計人員同時對產品的同一個部位進行修改，對這樣的操作必須進行正確的協調。針對對這一問題，首先應該在并行協同運行機制層面正確解決，例如在一些操作過程中應用鎖機制（共享鎖、臨界鎖、獨占鎖）。在產品數據模型層面，同樣也需要提供沖突解決的數據支持能力，為此需要設計專門的沖突支持數據模型。顯然，約束聯動規則與沖突解決模型數據之間具有關聯關系。

以上的模型數據，再加上傳統產品模型中應有的空間幾何數據模型與生產特征數據模型，以及相互之間的關聯關系，就組成了一個完整的并行協同設計環境中的產品數據模型表示，如圖2所示。

3 約束聯動與設計沖突

對空間幾何模型數據、產品創成模型數據、生產特征模型數據，傳統單機設計模型中都有成熟的表示方法，在并行協同設計環境中，還是可以采用這些方法，這里不再贅述。而約束聯動模型數據與沖突解決支持模型數據卻是新的并行產品數據模型中的新內容，需要研究其表示方法。

3.1 約束聯動

約束聯動模型數據是產品數據模型中的重要組成部分，同時是傳統產品模型中沒有的部分，屬于新的表示內容。這其中有兩部分相關的數據，一部分是約束表示模型數據，另一部分是約束處理規則模型數據。

約束表示模型數據可以用簡單的二維關系型數據庫表來表示[7]，其元素包括約束類型、約束參與元素（CSG結點）等；對于約束處理規則模型數據，由于約束處理規則多種多樣，所以需要采用二維表與各種靜態數據相關聯的方法來表示，包括規則處理靜態庫、批處理文件、數據算法庫、幾何算法庫等。

3.2 設計沖突

在并行協同設計中，必須正確處理設計沖突，這是非常重要的。首先，在并行設計系統的應用層面，處理該問題最有效的方法需要有以下兩個數據層面的要素支持：

（1） 鎖模型數據。不同角色的設計人員在并行對同一產品數據模型進行操作時，如果并發產生，必須用鎖保護，鎖數據就成為產品模型數據的重要組成部分。一般鎖模型數據分為共享鎖、臨界鎖、獨占鎖等，不同的鎖模型數據應對不同的并發控制。

（2） 沖突規則。沖突發生時如何處理，完全智能的專家系統當然是最理想的，但最有效、最簡單的方法則是將常用的沖突處理規則存儲下來，以供使用，這當然也包括了不同情況下，上述三種鎖數據的復雜組合。這樣，就形成了沖突規則模型數據。

目前，沖突支持模型數據設計暫時包括以上兩種類型的數據，當然，還可以根據需要進行擴充。

4 并行協同設計系統總體結構

產品數據模型是并行協同設計系統建設的基礎，是最核心的環節。其概念結構如圖3所示。

并行設計的操作者，是應該基于Intranet/Internet的網絡環境進行工作的，在產品數據模型中，是由空間數據庫與傳統關系數據庫共同關聯組成的。

5 結 語

本文對并行設計方式下產品數據管理的一些關鍵技術進行了研究，提出新的集成策略，研究了有機混合表示的產品數據模型，包括約束與沖突模型數據表示及其處理支持，使一些傳統的技術難題能夠得到很大程度的簡化。并行協同設計環境下的產品數據管理的研究具有廣闊的應用前景與非常重要的意義。

參考文獻

[1] MILD Saad， LOU M M. Shared understanding in computer?supported collected design [J]. Computer Applications， 2006， 3（28）： 183?192.

[2] HE Xiao?zhao. Product information management in concurrent & collaborative design [C]// Proceedings of The 16th World Computer Congress. [S.l.]： [s.n.]， 2000： 1111?1117.

[3] 于加晴，查建中，陸一平，等.面向復雜產品的分布式協同設計系統[J].中南大學學報：自然科學版，2010，41（2）：539?545.

[4] 陰艷超，劉泓濱.廣義動態約束滿足問題的一種雙層組合啟發式求解算法[J].機械工程學報，2011，47（3）：166?173.

[5] LENAU T， MU L. Features in integrated modelling of products and their production [J]. Computer Integrated Manufacturing， 2005， 6（1）： 65?73.

[6] 劉寅東，蘇紹娟.船舶并行協同設計環境及關鍵技術[J].大連海事大學學報，2011，37（1）：25?28.

[7] 鐘艷如，覃裕初，黃美發，等.基于特征表面和空間關系的公差表示模型[J].機械工程學報，2013，49（11）：167?170.

（3） 約束聯動的問題只是解決設計動作的聯動問題，但并不能解決設計動作的沖突問題[6]。例如，兩個設計人員同時對產品的同一個部位進行修改，對這樣的操作必須進行正確的協調。針對對這一問題，首先應該在并行協同運行機制層面正確解決，例如在一些操作過程中應用鎖機制（共享鎖、臨界鎖、獨占鎖）。在產品數據模型層面，同樣也需要提供沖突解決的數據支持能力，為此需要設計專門的沖突支持數據模型。顯然，約束聯動規則與沖突解決模型數據之間具有關聯關系。

以上的模型數據，再加上傳統產品模型中應有的空間幾何數據模型與生產特征數據模型，以及相互之間的關聯關系，就組成了一個完整的并行協同設計環境中的產品數據模型表示，如圖2所示。

3 約束聯動與設計沖突

對空間幾何模型數據、產品創成模型數據、生產特征模型數據，傳統單機設計模型中都有成熟的表示方法，在并行協同設計環境中，還是可以采用這些方法，這里不再贅述。而約束聯動模型數據與沖突解決支持模型數據卻是新的并行產品數據模型中的新內容，需要研究其表示方法。

3.1 約束聯動

約束聯動模型數據是產品數據模型中的重要組成部分，同時是傳統產品模型中沒有的部分，屬于新的表示內容。這其中有兩部分相關的數據，一部分是約束表示模型數據，另一部分是約束處理規則模型數據。

約束表示模型數據可以用簡單的二維關系型數據庫表來表示[7]，其元素包括約束類型、約束參與元素（CSG結點）等；對于約束處理規則模型數據，由于約束處理規則多種多樣，所以需要采用二維表與各種靜態數據相關聯的方法來表示，包括規則處理靜態庫、批處理文件、數據算法庫、幾何算法庫等。

3.2 設計沖突

在并行協同設計中，必須正確處理設計沖突，這是非常重要的。首先，在并行設計系統的應用層面，處理該問題最有效的方法需要有以下兩個數據層面的要素支持：

（1） 鎖模型數據。不同角色的設計人員在并行對同一產品數據模型進行操作時，如果并發產生，必須用鎖保護，鎖數據就成為產品模型數據的重要組成部分。一般鎖模型數據分為共享鎖、臨界鎖、獨占鎖等，不同的鎖模型數據應對不同的并發控制。

（2） 沖突規則。沖突發生時如何處理，完全智能的專家系統當然是最理想的，但最有效、最簡單的方法則是將常用的沖突處理規則存儲下來，以供使用，這當然也包括了不同情況下，上述三種鎖數據的復雜組合。這樣，就形成了沖突規則模型數據。

目前，沖突支持模型數據設計暫時包括以上兩種類型的數據，當然，還可以根據需要進行擴充。

4 并行協同設計系統總體結構

產品數據模型是并行協同設計系統建設的基礎，是最核心的環節。其概念結構如圖3所示。

并行設計的操作者，是應該基于Intranet/Internet的網絡環境進行工作的，在產品數據模型中，是由空間數據庫與傳統關系數據庫共同關聯組成的。

5 結 語

本文對并行設計方式下產品數據管理的一些關鍵技術進行了研究，提出新的集成策略，研究了有機混合表示的產品數據模型，包括約束與沖突模型數據表示及其處理支持，使一些傳統的技術難題能夠得到很大程度的簡化。并行協同設計環境下的產品數據管理的研究具有廣闊的應用前景與非常重要的意義。

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（3） 約束聯動的問題只是解決設計動作的聯動問題，但并不能解決設計動作的沖突問題[6]。例如，兩個設計人員同時對產品的同一個部位進行修改，對這樣的操作必須進行正確的協調。針對對這一問題，首先應該在并行協同運行機制層面正確解決，例如在一些操作過程中應用鎖機制（共享鎖、臨界鎖、獨占鎖）。在產品數據模型層面，同樣也需要提供沖突解決的數據支持能力，為此需要設計專門的沖突支持數據模型。顯然，約束聯動規則與沖突解決模型數據之間具有關聯關系。

以上的模型數據，再加上傳統產品模型中應有的空間幾何數據模型與生產特征數據模型，以及相互之間的關聯關系，就組成了一個完整的并行協同設計環境中的產品數據模型表示，如圖2所示。

3 約束聯動與設計沖突

對空間幾何模型數據、產品創成模型數據、生產特征模型數據，傳統單機設計模型中都有成熟的表示方法，在并行協同設計環境中，還是可以采用這些方法，這里不再贅述。而約束聯動模型數據與沖突解決支持模型數據卻是新的并行產品數據模型中的新內容，需要研究其表示方法。

3.1 約束聯動

約束聯動模型數據是產品數據模型中的重要組成部分，同時是傳統產品模型中沒有的部分，屬于新的表示內容。這其中有兩部分相關的數據，一部分是約束表示模型數據，另一部分是約束處理規則模型數據。

約束表示模型數據可以用簡單的二維關系型數據庫表來表示[7]，其元素包括約束類型、約束參與元素（CSG結點）等；對于約束處理規則模型數據，由于約束處理規則多種多樣，所以需要采用二維表與各種靜態數據相關聯的方法來表示，包括規則處理靜態庫、批處理文件、數據算法庫、幾何算法庫等。

3.2 設計沖突

在并行協同設計中，必須正確處理設計沖突，這是非常重要的。首先，在并行設計系統的應用層面，處理該問題最有效的方法需要有以下兩個數據層面的要素支持：

（1） 鎖模型數據。不同角色的設計人員在并行對同一產品數據模型進行操作時，如果并發產生，必須用鎖保護，鎖數據就成為產品模型數據的重要組成部分。一般鎖模型數據分為共享鎖、臨界鎖、獨占鎖等，不同的鎖模型數據應對不同的并發控制。

（2） 沖突規則。沖突發生時如何處理，完全智能的專家系統當然是最理想的，但最有效、最簡單的方法則是將常用的沖突處理規則存儲下來，以供使用，這當然也包括了不同情況下，上述三種鎖數據的復雜組合。這樣，就形成了沖突規則模型數據。

目前，沖突支持模型數據設計暫時包括以上兩種類型的數據，當然，還可以根據需要進行擴充。

4 并行協同設計系統總體結構

產品數據模型是并行協同設計系統建設的基礎，是最核心的環節。其概念結構如圖3所示。

并行設計的操作者，是應該基于Intranet/Internet的網絡環境進行工作的，在產品數據模型中，是由空間數據庫與傳統關系數據庫共同關聯組成的。

5 結 語

本文對并行設計方式下產品數據管理的一些關鍵技術進行了研究，提出新的集成策略，研究了有機混合表示的產品數據模型，包括約束與沖突模型數據表示及其處理支持，使一些傳統的技術難題能夠得到很大程度的簡化。并行協同設計環境下的產品數據管理的研究具有廣闊的應用前景與非常重要的意義。

參考文獻

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