网络环境下多学科协同设计的若干关键问题研究

论文摘要

随着市场竞争的加剧，产品设计愈加趋向于依靠多个学科专家的协同工作，通过综合考虑产品各方面的性能，协调和解决学科间的冲突，从而减少产品开发时间及成本，提高产品质量。而传统的CAD已无法满足这种要求，需要开发基于网络的多学科协同设计系统。本文基于产品设计域，从产品设计的理论和方法入手，对产品多学科协同设计中的几个关键问题进行了深入研究，在多学科协同设计的理论、方法和实践上进行了一些有益的探索和创新。首先通过对多学科协同设计特点的分析，提出了多学科协同设计的框架结构、学科视图和产品学科模型等概念，分析了多学科模型之间在功能、行为和结构等多层次上的关系，给出了多学科协同设计问题的形式化描述，奠定了本文多学科协同设计理论研究和实施方法学的基础。其次提出了一种融合设计语义、物理结构、协同、关系及约束等数据的面向多学科协同设计的产品信息模型。采用了一种扩展的面向对象的方法来表达产品模型，实现产品模型递归定义，使模型具有良好的柔性及扩展性。研究了分布网络环境下类的继承机制，给出了学科模型的构建方法。提出了一种功能—行为—结构等多层次的约束关系网络模型以及相应的综合应用设计语义、关系、约束和协同管理等信息实现多学科模型间协调和一致性维护的方法。分析了基于语义推理的多学科模型间静态及动态协调的原理和方法；针对分布网络环境下约束网络求解中的并发控制、死锁和一致性维护等问题设计了一种以时间为判断标准的加锁算法，进一步考虑网络传输的延时性及提高并行操作的效率，给出了“写锁”和“读锁”二种加锁状态的约束资源的锁定策略及相应的加锁算法。综合应用VRML、Web技术、Pro／E二次开发及中间件技术等实现了产品三维模型的协同浏览、控制、修改和服务等功能。针对多学科协同设计中的语义失配问题，建立了一种多层结构的语义通讯模型，基于XML开发了多学科语义协商的通讯语言，设置了开放的行为原语集和消息类型模板库，基于OWL构建了共享本体。分析了多学科协同设计中协商的特点，提出了一种协商框架以及在保证各学科目标满意度水平的前提下，使总体目标的综合满意度最大化的协商策略。引用博弈论的分析方法对协商特点和协商策略等进行形式化描述，生成了相应的协商模型，并开发了协商管理模块用来支持多学科间的协商过程，通过综合考虑、权衡各方的意见，给出推荐方案，辅助多学科设计者快速达成一致的产品设计方案。基于上述研究成果，建立了一个多学科协同设计原型系统，它由分布式学科设计模块、共享分布式组件库、分布式计算资源库及管理模块等所构成，具有分布性、开放性、并行性和柔性等特点，并通过汽车离合器设计实例验证了其有效性和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 协同设计研究综述
• 1.3 多学科协同设计分析
• 1.4 本文研究目标和技术路线
• 1.5 本文结构和章节安排
• 2 多学科协同设计的理论基础与系统框架
• 2.1 一般设计要素分析
• 2.2 多学科协同设计的要素分析
• 2.3 支持多学科协同设计的系统框架
• 2.4 本章小结
• 3 多学科协同设计的产品信息模型
• 3.1 引言
• 3.2 多学科协同设计产品信息模型的组成
• 3.3 产品模型的表达
• 3.4 学科视图模型
• 3.5 分布网络环境下类的继承机制
• 3.6 本章小结
• 4 多学科协同设计的约束关系网络模型及操作
• 4.1 引言
• 4.2 多学科协同设计的约束关系网络模型
• 4.3 多学科模型间的协调与一致性维护
• 4.4 约束操作中的并发控制和死锁避免策略及算法
• 4.5 实例分析:用于轿车的单片摩擦离合器设计
• 4.6 本章小结
• 5 多学科协同设计中的图形协同与语义通信
• 5.1 引言
• 5.2 图形协同
• 5.3 语义通讯
• 5.4 本章小结
• 6 多学科协同设计的协商模型
• 6.1 引言
• 6.2 产品多学科协同设计中的协商分析
• 6.3 产品多学科协同设计的协商框架
• 6.3 多学科协同设计的协商模型及协商过程
• 6.4 实例分析
• 6.5 本章小结
• 7 多学科协同设计原型系统开发和实例运行
• 7.1 系统的开发与实现
• 7.2 实例运行
• 7.3 本章小结
• 8 全文总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表论文目录