多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程優(yōu)化設(shè)計研究 碩士學(xué)位論文

《多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程優(yōu)化設(shè)計研究 碩士學(xué)位論文》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程優(yōu)化設(shè)計研究 碩士學(xué)位論文（80頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第1章 緒論 多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程優(yōu)化設(shè)計研究 碩士學(xué)位論文 第1章 緒論 1.1 課題來源 課題來源于： (1) 國家863計劃“面向共享知識驅(qū)動的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究”(No. 2009AA04Z167)； (2) 國家自然科學(xué)基金項目“復(fù)雜機械產(chǎn)品混合模型中尺寸約束與傳遞方法研究”(No. 50975183)。 1.2 課題研究的背景與意義 “協(xié)同”是協(xié)調(diào)兩個或兩個以上不同資源或個體，協(xié)同一致地完成某一目標(biāo)的過程或能力。從概念可看出，協(xié)同并不是新生事物，其隨人類社會出現(xiàn)而出現(xiàn)，隨人類社會發(fā)展而發(fā)展?；纠碚撟钤缈勺匪莸缴鲜兰o(jì)60年代德國斯圖加特大學(xué)

2、理論物理學(xué)Hermann Haken于1977年發(fā)表的一篇名為《Snynergetic-An Introduction》[1,2]的文章。當(dāng)技術(shù)逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ詈蜕虡I(yè)活動的主要核心時，人們就迫切需要技術(shù)能夠提供更多的東西。現(xiàn)今基于網(wǎng)絡(luò)的“協(xié)同”與以前物理領(lǐng)域的“協(xié)同”并非同一概念。作為一個新的軟件熱點，“協(xié)同”概念有著更深刻的含義：其不僅包括人與人之間的協(xié)作，還包括不同應(yīng)用系統(tǒng)之間、不同數(shù)據(jù)源之間、不同設(shè)備之間、不同應(yīng)用程序之間、人與機器之間、科技與傳統(tǒng)方法之間等全方位的協(xié)同。1984年Massachusetts Institute of Technology的Irene Grief和DE

3、C的Paul Cashman兩位學(xué)者在描述如何運用計算機實現(xiàn)交叉學(xué)科中，人們共同工作的研究課題時，首次提出計算機支持的交叉學(xué)科協(xié)同工作(Computer Supported Cooperative Work, CSCW)[3] 。CSCW覆蓋的范圍十分廣泛，包括：工作流管理系統(tǒng)[4]、多媒體計算機會議[5]、協(xié)同編譯和多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(Multi-disciplinary Collaborative Design，MCD)[6]等。自90年代初，國內(nèi)外學(xué)者對多學(xué)科協(xié)同設(shè)計展開相關(guān)的理論研究[7-11]，迄今為止已經(jīng)成為發(fā)達(dá)資本主義國家工業(yè)界認(rèn)可的嶄新研究領(lǐng)域，受到企業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注與大力支持

4、。 隨著復(fù)雜機械產(chǎn)品設(shè)計需求的增多、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步和人工智能(artificial intelligence, AI)[12]的發(fā)展，諸如：航天器、飛機、汽車、艦船、導(dǎo)彈等復(fù)雜產(chǎn)品形成一個集多學(xué)科知識理論于一體的綜合體，其中每個學(xué)科都需要專門的領(lǐng)域?qū)＜疫M行設(shè)計研究。由于學(xué)科與學(xué)科間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，在設(shè)計過程中，學(xué)科間必須及時交換設(shè)計信息，數(shù)據(jù)參數(shù)等，才能有效調(diào)整各自的參數(shù)與設(shè)計變量，使學(xué)科的綜合指標(biāo)和產(chǎn)品的整體性能達(dá)到最優(yōu)。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化(Multidisciplinary design optimization MDO) [13]技術(shù)的出現(xiàn)使我們獲得全局最優(yōu)解成為可能。MDO技術(shù)

5、不僅能很大程度提高產(chǎn)品設(shè)計的整體性能，還能縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。因此，對MDO技術(shù)開展研究討論具有很重大的意義。在產(chǎn)品設(shè)計過程中，由于存在大量節(jié)點耦合與數(shù)據(jù)異構(gòu)的情況，人員進行過程管理與數(shù)據(jù)管理會存在很大難度。因此，復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計不光要對協(xié)同進行設(shè)計，還要對優(yōu)化進行設(shè)計。在取得大量MCD [14-20]和MDO算法框架后，研究并解決多學(xué)科協(xié)同設(shè)計優(yōu)化方面的相關(guān)課題得到學(xué)術(shù)界高度重視——應(yīng)綜合的對產(chǎn)品設(shè)計過程和數(shù)據(jù)源進行優(yōu)化處理，使整體設(shè)計過程能根據(jù)實際情況做出相應(yīng)調(diào)整，使參與協(xié)同設(shè)計的各學(xué)科能在一定程度上實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的無損交流。此外，多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程應(yīng)以數(shù)據(jù)為核心，而不是協(xié)同工具。通過對設(shè)計過程和

6、相關(guān)數(shù)據(jù)的優(yōu)化，使各學(xué)科彼此間在某一時間段實現(xiàn)并聯(lián)、獲取、查詢、保存對方給出的數(shù)據(jù)源，并能隨時了解對方設(shè)計任務(wù)的進度并執(zhí)行本學(xué)科的設(shè)計流程。 綜上，對多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程和期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化并對應(yīng)開發(fā)出多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程管理系統(tǒng)(Multi-disciplinary Collaborative Design Management System, MCDMS是一項具有重要理論基礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用前景的研究課題。 1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀及總體發(fā)展趨勢 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 美籍波蘭人J.Sobieszczanski-Sobieski最初提出多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計的思想，隨后在美國航空航天部門興起。19

7、91年初，美國航空航天研究院(AIAA)管理多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的委員會就優(yōu)化研究現(xiàn)狀和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計進行研究并發(fā)表了白皮書。同一年，德國成立了國際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計協(xié)會(ISSO)，該部門是對大型復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計研究。協(xié)會于1993年更名為國際機構(gòu)及多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化協(xié)會(ISSMO)。1994年，AIAA、NASA和ISSMO三個部門聯(lián)合在美國佛羅里達(dá)召開第一次正式會議。該會議的召開標(biāo)志多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計思想已滲透到現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計的各個領(lǐng)域。此后，每兩年對MDO進行一次專題性研究討論，總結(jié)現(xiàn)今MDO的研究內(nèi)容、發(fā)展方向和應(yīng)用背景。1991年到1999年間，世界著名的航空航天類雜志《Journal of

8、Aircraft》對在航空航天領(lǐng)域運用MDO思想的研究成果出版了相關(guān)?？６粫r期，其它許多國家也致力于發(fā)展MDO的相關(guān)技術(shù)。MDO的原理、方法和優(yōu)化算法等研究已成為一個整體。隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，集成結(jié)果已逐漸發(fā)展成熟并應(yīng)用于市場。波音公司、福特、美國國家航空宇航局、通用等世界著名公司開始將MDO技術(shù)運用在各類產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中，并在保持多個學(xué)科間平衡、縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面取得很好的效果。 目前，MDO技術(shù)逐步克服了產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中各學(xué)科自成體系、相互干擾、缺乏溝通等眾多不足之處，現(xiàn)已成為美國、英國、日本等發(fā)達(dá)國家工業(yè)界一個極具活力的研究領(lǐng)域，受到企

9、業(yè)、工廠、研究人員和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)今，業(yè)內(nèi)已能實現(xiàn)對部分學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計并開發(fā)出諸如：iSIGHT、Model Center等多學(xué)科優(yōu)化的商業(yè)軟件。其它國家，如：歐盟的MOB項目、俄羅斯的IOSO技術(shù)也取得了相當(dāng)好的研究成果。日本、韓國等國家紛紛成立研究中心和相關(guān)專業(yè)機構(gòu)針對MDO進行研究，并已應(yīng)用于各自的工業(yè)部門[21-23]。 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 從20世紀(jì)90年代中期至今，國內(nèi)MDO的研究工作從學(xué)習(xí)國外到吸取經(jīng)驗再到實際應(yīng)用，已取得了一定進展。國內(nèi)很多高校開展了對MDO技術(shù)的理論研究，將其應(yīng)用到一些簡單的系統(tǒng)設(shè)計中。MDO也引起了工業(yè)界特別是航空航天領(lǐng)域的重視，在“第三界軍

10、工產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)研討會”和“2004賽特達(dá)科技有限公司技術(shù)大會”中，展現(xiàn)了大量國內(nèi)開展MDO的案例，如：南京航空航天大學(xué)采用結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對飛機連接翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量與外形參數(shù)的關(guān)系進行了研究，其中運用了實驗設(shè)計方法和響應(yīng)面模型來獲得外形參數(shù)與其結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間的關(guān)系；北京航天航空大學(xué)開展了液體火箭發(fā)動機多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化、渦輪葉片綜合設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)等項目的研究，實現(xiàn)了復(fù)雜系統(tǒng)的集成與優(yōu)化；北京工業(yè)大學(xué)在結(jié)構(gòu)的MDO和工程數(shù)值模擬優(yōu)化方法等方面作了很多工作；大連鐵道學(xué)院使用iSIGHT軟件平臺開展了現(xiàn)代鐵路機車車輛產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化研究；西安電子科技大學(xué)對電子裝備中的結(jié)構(gòu)位移場、電磁場和

11、溫度場的多場禍合問題進行了MDO研究；國防科技大學(xué)的課題組在導(dǎo)彈、高超聲速飛行器、飛機、衛(wèi)星的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化中做了大量的工作，在MDO的基礎(chǔ)理論以及MDO在飛行器設(shè)計和衛(wèi)星設(shè)計中的運用展開了深入研究，取得了大量有價值的成果，并在基于商業(yè)軟件的二次開發(fā)方面形成了一套獨立的方法[24-31]。 隨著生產(chǎn)水平和經(jīng)驗技術(shù)的不斷提升，國內(nèi)越來越重視MDO技術(shù)在實際生產(chǎn)設(shè)計中的運用。 1.3.3 總體發(fā)展趨勢 MDO設(shè)計思想的前提是在產(chǎn)品設(shè)計中，利用已有的先進技術(shù)。因此，支持MDO的系統(tǒng)平臺需要完成的首要任務(wù)是集成各種已有的設(shè)計分析工具。由于不同軟件的數(shù)據(jù)格式各不相同，需要進行數(shù)據(jù)方面的轉(zhuǎn)換

12、。目前的解決方法有：采用XML文檔結(jié)合DTD規(guī)范或XML Schema、CyberCAD提供的造型器、中間件技術(shù)、STEP 數(shù)據(jù)到VRML轉(zhuǎn)換等，這些方法是通過構(gòu)造目標(biāo)格式標(biāo)識，建立一種基于數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一文檔格式，從而實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)共享的目的。盡管這些方法在一定程度上消除了各學(xué)科間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同的問題，但對各學(xué)科數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和語義異構(gòu)問題并沒有提供更為有利的支持，直接導(dǎo)致不同軟件下的數(shù)據(jù)優(yōu)化問題難以解決。 隨著MCD算法和MDO方法在MCDMS系統(tǒng)的深入研究與應(yīng)用，如：單級優(yōu)化算法、協(xié)作優(yōu)化算法、序列優(yōu)化算法、并行子空間優(yōu)化算法、多層遞階優(yōu)化算法、耦合系統(tǒng)中參數(shù)的映射方法、基于靈敏度分析的多學(xué)科

13、設(shè)計優(yōu)化方法等[32-34]，多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程的數(shù)據(jù)優(yōu)化問題變得愈發(fā)明顯。對復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以往通常采用標(biāo)準(zhǔn)CO算法進行優(yōu)化，但隨著其廣泛使用，計算方面的各種問題慢慢突顯，而圍繞標(biāo)準(zhǔn)CO算法改進的一系列算法逐漸出現(xiàn)，但仍存在一些不足，因此，應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)CO算法進行深入的研究與討論。 在MCDMS系統(tǒng)開發(fā)方面，目前國內(nèi)外已有基于Isight的MCDMS商業(yè)軟件，但在優(yōu)化管理方面還存在很多局限性。因此，開發(fā)一個能夠動態(tài)的對設(shè)計過程進行管理并能很好的解決數(shù)據(jù)優(yōu)化問題的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程管理系統(tǒng)勢在必行。 1.4 本文的主要研究工作 本文的主要研究工作是在多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程中，探索與

14、解決過程設(shè)計優(yōu)化與數(shù)據(jù)優(yōu)化管理的問題。研究了該課題涉及的一些關(guān)鍵性技術(shù)，提出理論基礎(chǔ)與相關(guān)模型，運用這些方法實現(xiàn)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。 本文涉及的研究工作包括：過程優(yōu)化技術(shù)理論的提出；數(shù)據(jù)優(yōu)化改進算法的研究；搭建多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程管理系統(tǒng)的總體框架；。具體如下： (1) 對WPR技術(shù)進行研究，通過對其方法的提出與改進，針對機械產(chǎn)品設(shè)計過程耦合節(jié)點的情況，運用協(xié)商技術(shù)，進行優(yōu)化處理。最后根據(jù)網(wǎng)上開源代碼，設(shè)計出一款可視化圖形建模軟件，兩者結(jié)合，實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計過程優(yōu)化的目的。 (2) 通過對協(xié)同優(yōu)化算法的介紹與機械產(chǎn)品設(shè)計中增廣乘子概念的研究，對現(xiàn)今應(yīng)用比較廣泛的標(biāo)準(zhǔn)CO算

15、法計算方面的不足，通過在系統(tǒng)級上加入增廣乘子，對標(biāo)準(zhǔn)CO算法進行改進。由于該算法是基于標(biāo)準(zhǔn)CO算法提出，因此繼承標(biāo)準(zhǔn)CO算法的優(yōu)點。通過計算得知，其結(jié)果優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)CO算法的結(jié)果，從而為數(shù)據(jù)優(yōu)化提供一種更精良的方法。 (3)從優(yōu)化管理、數(shù)據(jù)流向和模塊實現(xiàn)等方面介紹了MCDMS系統(tǒng)設(shè)計。本系統(tǒng)是立足于減速器產(chǎn)品設(shè)計過程，將部分Agent驅(qū)動、過程流優(yōu)化、數(shù)據(jù)優(yōu)化、協(xié)同空間等技術(shù)應(yīng)用其中，進行多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程優(yōu)化設(shè)計的研究。通過具體產(chǎn)品設(shè)計的驗證性應(yīng)用，一定程度上說明了現(xiàn)階段研究成果的可實用性和有效性。 1.5 本文的總體結(jié)構(gòu) 本文對基于多Agent技術(shù)的MCDMS總體框架、基于WPR的改進

16、過程方法研究、基于標(biāo)準(zhǔn)CO算法改進的算法研究以及MCDMS系統(tǒng)實現(xiàn)等方面進行了描述。具體結(jié)構(gòu)如下： 圖1.1 本文總體結(jié)構(gòu)圖 第一章為緒論部分，介紹了課題來源、課題研究的背景和意義、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、總體發(fā)展趨勢及本文的主要研究工作。 第二章介紹了MCDMS系統(tǒng)總體框架，通過對Agent技術(shù)介紹，提出一個基于多Agent技術(shù)的MCDMS系統(tǒng)工作模型。其中包括：Agent的項目管理、Agent的過程管理、Agent的協(xié)同空間、Agent的優(yōu)化管理、Agent的人員管理等主要功能模塊。從多學(xué)科協(xié)同設(shè)計技術(shù)的角度，為MCDMS系統(tǒng)在多學(xué)科動態(tài)過程建模、協(xié)同并行設(shè)計、任務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)布、流程監(jiān)控機

17、制、過程及數(shù)據(jù)優(yōu)化管理、三維模型瀏覽及人員權(quán)限管理等方面提供了有效的方法。 第三章對優(yōu)化管理智能體中的過程優(yōu)化部分，提出基于WPR的改進過程方法。通過對該方法的描述，為用戶端過程管理智能體中的過程設(shè)計優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。該方法可使用戶端及系統(tǒng)平臺更加容易的對設(shè)計過程進行操作及監(jiān)控，可化簡操作步驟，使過程流局部明了。最后，通過給出一款開源過程流可視化圖形軟件，方便用戶端對過程流進行操作。 第四章介紹了多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程中的一種優(yōu)化算法。通過對現(xiàn)有方法的研究，在原有標(biāo)準(zhǔn)CO算法基礎(chǔ)上，通過改進，提出一種基于增廣乘子法的協(xié)同優(yōu)化算法。該算法能克服標(biāo)準(zhǔn)CO算法計算方面的一些不足，實現(xiàn)對協(xié)同設(shè)計過程

18、中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化的目的，并取得了較好的效果。 第五章是基于前幾章的研究和成果，主要從優(yōu)化管理和數(shù)據(jù)流向兩方面介紹MCDMS系統(tǒng)的設(shè)計和其功能模塊的實現(xiàn)。通過具體操作描述了在設(shè)計和實現(xiàn)過程中所應(yīng)用到的技術(shù)，并依據(jù)減速器的協(xié)同設(shè)計流程，驗證本文與系統(tǒng)開發(fā)的合理性和有效性。 最后，總結(jié)全文的研究工作成果并展望今后需要進一步完善和深化的工作任務(wù)。 80 第2章 基于多Agent技術(shù)的MCDMS總體框架 第2章 基于多Agent技術(shù)的MCDMS系統(tǒng)總體框架 2.1 引言 一個完整的系統(tǒng)，其中包含很多條主線，數(shù)據(jù)是其中很重要的一條，它可以當(dāng)成設(shè)計任務(wù)的節(jié)點，也可作為數(shù)據(jù)優(yōu)化的

19、來源。自20世紀(jì)90年代，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，操作系統(tǒng)的不足日益增多，如：過程流設(shè)計復(fù)雜、操作異地分布、全局?jǐn)?shù)據(jù)異構(gòu)、數(shù)據(jù)優(yōu)化困難等問題愈發(fā)的明顯。隨著機械產(chǎn)品設(shè)計日益多元化與復(fù)雜化，導(dǎo)致多學(xué)科協(xié)同設(shè)計環(huán)境下設(shè)計過程的繁瑣與各類數(shù)據(jù)量的迅速激增。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對此展開激烈的討論，認(rèn)為智能化的過程流管理與數(shù)據(jù)共享、使用和優(yōu)化將會成為未來多學(xué)科協(xié)同設(shè)計研究的主要內(nèi)容與工作方向。 將分布式的項目管理、過程管理、協(xié)同管理、優(yōu)化管理、人員調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)工程管理、動態(tài)聯(lián)盟及并行工程等技術(shù)相結(jié)合，可為企業(yè)提供一個異地、異步的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計優(yōu)化于一體的系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)平臺能在規(guī)定的生產(chǎn)周期內(nèi)突破地域與時間上的

20、限制，使用戶完成過程建模優(yōu)化，交流協(xié)同設(shè)計中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，提高企業(yè)快速響應(yīng)的能力，完成產(chǎn)品的設(shè)計目的。在此，提出多智能體(Multi-Agent System, MAS)作為實現(xiàn)上述要求的關(guān)鍵技術(shù)，其最早來自于人工智能[35]。MAS具有很好的靈活性，有分布式自主決策，強調(diào)各個Agent之間的相互協(xié)作[36,37]，可有效解決地域間差異的限制。MAS作為一個計算機程序單元的模型及實體，可有效解決時間上的限制。在系統(tǒng)重構(gòu)方面，MAS的很多特性，如：可擴展性、動態(tài)性、適應(yīng)性等[38-40]，可為模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)提供更有效的解決方案。另一方面，MAS能在一定程度上滿足部分智能數(shù)據(jù)的采集與建立數(shù)據(jù)共

21、享區(qū)。本章首先研究基于MAS的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程管理系統(tǒng)的總體框架，為后面章節(jié)的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程優(yōu)化與數(shù)據(jù)優(yōu)化提供框架與理論支持。 2.2 基于多Agent技術(shù)的MCDMS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) MCDMS系統(tǒng)體系的目的是實現(xiàn)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，由協(xié)同工作中多個地區(qū)上分布、行為上自治的信息節(jié)點構(gòu)成，分為：分布式項目管理、動態(tài)過程建模、協(xié)同空間、優(yōu)化管理、人員管理、數(shù)據(jù)處理等方面。MAS具有自主響應(yīng)與協(xié)同工作的功能，在MCDMS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中，各信息節(jié)點包含相應(yīng)的智能模塊。基于MAS的MCDMS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)為瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server, B/S)架構(gòu)，主要可分為四層，如圖2.1

22、所示。 圖2.1 MCDMS體系結(jié)構(gòu) (1) 用戶端口層 一個項目或工程的完成，需要很多人員角色，為了便于管理，可分成多個角色同時進行。MCDMS系統(tǒng)在分布式協(xié)同設(shè)計中也需要多個角色(系統(tǒng)管理員組、設(shè)計人員組、專家組等)共同進行完成任務(wù)。因此，多角色的權(quán)限分配成為一個重要問題。由于用戶端口智能體能按預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)權(quán)限分配策略并根據(jù)當(dāng)前用戶角色的注冊信息，采用嚴(yán)格的權(quán)限訪問和身份驗證機制來實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)間的交互平臺，因此，可很好的解決權(quán)限分配問題。 (2) 功能模塊層 此模塊層是MCDMS系統(tǒng)性能評判的實體，提供MCDMS系統(tǒng)最主要的功能模塊和開發(fā)環(huán)境。每一個功能模塊對應(yīng)一個指定的

23、功能智能體，如：系統(tǒng)項目管理智能體、過程管理智能體、協(xié)同空間智能體、優(yōu)化管理智能體、系統(tǒng)人員管理智能體。這些地理上分布不同、時間上分隔不同的功能智能體在協(xié)同策略中都按系統(tǒng)特定的交互操作運行，通過同步或異步協(xié)作方式，完成用戶端口層發(fā)出的各種操作指令，實現(xiàn)系統(tǒng)的相關(guān)功能。 (3) 系統(tǒng)通信層 此模塊層提供MCDMS系統(tǒng)各實體間的交互通信機制。利用此模塊層，各角色可達(dá)到相互通信的目的。該功能是基于TCP/IP通訊協(xié)議，由系統(tǒng)通信智能體根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的各類消息請求的特征，解析出消息請求的內(nèi)容，利用點對點(Peer-to-Peer,P2P)技術(shù)，使處于不同地理環(huán)境下的各實體和各角色間能建立有效的連接，

24、保持系統(tǒng)在協(xié)同設(shè)計方面的高效性與同步性。 (4) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)底層 此模塊層是MCDMS系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。由系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理智能體對各功能模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)源開辟出一個存儲數(shù)據(jù)的空間。通過觸發(fā)數(shù)據(jù)接收響應(yīng)機制，對系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)進行管理和協(xié)調(diào)，使來自不同地域與不同時間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)源能保存在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫環(huán)境中?？煞奖愀鹘巧c各功能模塊間的協(xié)調(diào)使用與傳遞，達(dá)到維護數(shù)據(jù)一致性與協(xié)調(diào)性的目的。 2.3 基于多Agent技術(shù)構(gòu)建MCDMS系統(tǒng)平臺 2.3.1 多Agent技術(shù)構(gòu)建MCDMS系統(tǒng)平臺的工作模型 構(gòu)建MCDMS系統(tǒng)工作平臺，首先，用戶需通過系統(tǒng)統(tǒng)一指定的資源定位符(Uniform Resource

25、 Locator, URL)向系統(tǒng)發(fā)出訪問請求，系統(tǒng)權(quán)限分配用戶端口智能體根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的注冊人員信息并結(jié)合權(quán)限分配策略，解析請求的信息，同時，系統(tǒng)通過建立Oracle9i數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)權(quán)限分配用戶端口智能體進行連接，將獲取的關(guān)鍵信息內(nèi)部發(fā)送至系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫進行信息數(shù)據(jù)的匹配，直到系統(tǒng)權(quán)限分配用戶端口智能體發(fā)出確認(rèn)信息Y，啟動Agent功能模塊。否則，發(fā)出確認(rèn)信息N，放棄訪問并退出系統(tǒng)。接收確認(rèn)信息Y后，觸發(fā)各功能智能體。項目管理智能體在項目立項、項目修改與項目審批等過程后，向過程管理智能體發(fā)送接收請求信息，將生成的主要信息保存至系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫。過程管理智能體在接收項

26、目管理智能體發(fā)出的信息后，將項目任務(wù)分解成若干個子任務(wù)，根據(jù)需要按系統(tǒng)協(xié)同策略建立項目的相關(guān)過程流模型，之后，進入優(yōu)化管理智能體，對生成的過程流模型進行優(yōu)化處理。在項目管理智能體發(fā)送信息后，將生成的過程流信息提交至系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫保存。同時，觸發(fā)協(xié)同空間智能體和通信智能體。協(xié)同空間智能體解析收到的信息，判斷需要操作的對象，分時段發(fā)送信息采集指令至數(shù)據(jù)管理智能體后，根據(jù)權(quán)限分配用戶端口智能體把需要進行優(yōu)化的數(shù)據(jù)發(fā)送至優(yōu)化管理智能體，數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)束，將數(shù)據(jù)返回數(shù)據(jù)管理智能體并保存至系統(tǒng) Oracle9i數(shù)據(jù)庫。操作期間，過程管理智能體會對項目進行即時監(jiān)控，讓用戶端能對整個設(shè)計進程有更加直觀

27、的了解。至此，過程流結(jié)束、任務(wù)完成、項目完成、產(chǎn)品設(shè)計完成，生成產(chǎn)品設(shè)計報告，退出系統(tǒng)。多Agent技術(shù)構(gòu)建MCDMS系統(tǒng)平臺的工作模型，如圖2.2所示。 圖2.2 MCDMS平臺的工作模型 2.3.2 基于Agent技術(shù)的項目管理 項目管理智能體由操作指令與搜索指令組成，實現(xiàn)對系統(tǒng)項目過程的管理，是MCDMS系統(tǒng)功能智能體模塊運作的起點，是整個任務(wù)流程的開端。分布式Web用戶端對系統(tǒng)發(fā)出各類響應(yīng)請求，增加了項目管理智能體在設(shè)計上的復(fù)雜性[41]。從項目初始建立到整個項目的完成，項目管理智能體跟蹤并記錄各個活動Agent的業(yè)務(wù)操作，完成業(yè)務(wù)要求，生成業(yè)務(wù)日記。構(gòu)建項目管理智能體結(jié)構(gòu)，

28、如圖2.3所示。 圖2.3 項目管理智能體結(jié)構(gòu) 項目管理智能體操作指令包括：項目立項、項目修改、更改請求、更改審批、更改狀態(tài)。搜索指令包括：項目查詢與文件索引。項目管理智能體請求響應(yīng)機制：用戶端A通過用戶端口智能體驗證，進入系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)后臺自動開啟操作指令與搜索指令，等待請求消息。用戶端A進入項目立項節(jié)點，觸發(fā)操作指令，對項目進行立項。智能體記錄立項內(nèi)容，建立Agent操作日記。完成任務(wù)后，智能體把相關(guān)信息保存至系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫。用戶端B進入系統(tǒng)平臺，觸發(fā)更改審批操作指令，項目管理智能體提交項目立項的名稱、內(nèi)容、最早開始時間(Early Start, ES)、最早結(jié)束時間(

29、Early Finish, EF)、最遲開始時間(Late Start, LS)、最遲結(jié)束時間(Late Finish, LF)、總時差(Total Float, TF)等項目信息至用戶端B，用戶端B接收上述發(fā)送請求并進行操作。項目管理智能體解析用戶端B提交的信息，自動變更數(shù)據(jù)庫中保存的項目狀態(tài)，如：發(fā)起、開始、進行中、完成。項目管理智能體發(fā)出項目修改請求，用戶端A響應(yīng)該請求并通過Web瀏覽器發(fā)送更改請求，通過系統(tǒng)平臺確認(rèn)，最終保存至Oracle9i數(shù)據(jù)庫。通過系統(tǒng)搜索指令，Web用戶端A、B能夠查詢已保存在數(shù)據(jù)庫中的信息，并輸出匹配表至用戶端A、B的Web瀏覽器。至此，項目管理智能體完成基本

30、功能。 2.3.3 基于Agent技術(shù)的過程管理 過程管理智能體由過程建模、監(jiān)控管理與過程流查看組成。過程建模包括可視化流程圖、任務(wù)分配圖及Gantt圖。監(jiān)控管理實現(xiàn)對項目及任務(wù)整體進度的監(jiān)控。過程流查看提供用戶端對建立好的過程流模型進行查看功能。該智能體能夠提供用戶過程流搭建、任務(wù)分配、進度跟蹤、進度查詢等功能。通過記錄當(dāng)前任務(wù)進度和相關(guān)數(shù)據(jù)的變化，能夠自動給出最優(yōu)設(shè)計過程調(diào)整方案，最終生成系統(tǒng)操作日記并保存至系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫中。其基本功能如圖2.4所示。 圖2.4 過程管理智能體基本功能 (1) 過程建模：項目管理智能體完成任務(wù)后，用戶端A進入過程管理智能體對項目整體

31、過程進行建模并保存至系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫。用戶端B進入系統(tǒng)平臺后，優(yōu)化管理智能體對過程流進行優(yōu)化。用戶端A在接收優(yōu)化后的過程流可視化模型后，對任務(wù)進行分解，生成任務(wù)分配圖與Gantt圖，將結(jié)果保存至系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫。 (2) 監(jiān)控管理：系統(tǒng)采用時間節(jié)點，根據(jù)任務(wù)分配中的ES、EF、LS、LF、TF設(shè)定節(jié)點的初始點與終結(jié)點。MCDMS在預(yù)設(shè)時間內(nèi)進行過程流時間節(jié)點監(jiān)控，根據(jù)本地時間自動標(biāo)記已完成的過程流節(jié)點，同步更新過程流監(jiān)控圖形化樣式并呈現(xiàn)至Web用戶端瀏覽器，同時記錄完成節(jié)點ID并更新(Update)系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫的節(jié)點ID狀態(tài)值，實現(xiàn)圖形化樣式呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫信息

32、同步的目的。 (3) 過程流查看：根據(jù)產(chǎn)生的可視化過程流、任務(wù)分配圖及Gantt圖，Web用戶端訪問保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的信息，即時查看所需信息，根據(jù)可視化監(jiān)控圖形，掌控任務(wù)及項目的完成進度，根據(jù)需求進行相關(guān)任務(wù)的修改。 2.3.4 基于Agent技術(shù)的協(xié)同空間 隨著機械產(chǎn)品設(shè)計日益復(fù)雜化，產(chǎn)品設(shè)計過程已不是單一串行模式和單一學(xué)科模式。多學(xué)科并行設(shè)計成為當(dāng)下主要設(shè)計模式。協(xié)同空間智能體在眾多功能智能體模塊中占有重要地位，提供多角色間協(xié)同批注的在線平臺，由基本操作指令與智能協(xié)商評估策略共同組成。實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計，提高設(shè)計效率。構(gòu)建協(xié)同空間智能體工作機理，如圖2.5所示。 圖2.5 協(xié)

33、同空間智能體工作機理 基本操作：系統(tǒng)平臺啟動后，協(xié)同空間智能體自動啟動，等待用戶端響應(yīng)請求。系統(tǒng)管理員通過系統(tǒng)平臺提交需要的工程軟件文檔，協(xié)同空間智能體收到請求建立操作日記，并根據(jù)工程軟件文檔進行分類，存入系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫。協(xié)同空間智能體調(diào)出相應(yīng)的專家數(shù)據(jù)庫和在線專家名單，匹配合適的專家人員，進行在線批注。協(xié)同空間智能體會自動發(fā)送工程軟件文檔至專家組，發(fā)送在線批注消息請求。專家接受請求后，通過Web用戶端和系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫獲取文檔，進行Web在線協(xié)同批注與相關(guān)操作。協(xié)同空間智能體即時記錄該過程并把結(jié)果保存至系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫。任務(wù)完成后，系統(tǒng)平臺自動發(fā)送反饋請求至

34、設(shè)計人員，設(shè)計人員接收任務(wù)消息，對工程軟件文檔進行修改。通過協(xié)同空間智能體，系統(tǒng)平臺對協(xié)同批注流程進行不斷的循環(huán)(Y/N操作控制)操作，根據(jù)智能協(xié)商評估策略，判斷終止節(jié)點的位置，將優(yōu)化的工程軟件文檔交至系統(tǒng)管理人員審批并存入系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫保存。 智能協(xié)商評估策略：MCDMS系統(tǒng)具有分布式、異步性協(xié)同環(huán)境，在此引發(fā)關(guān)于智能協(xié)商評估策略的優(yōu)化思考[42,43]。智能協(xié)商評估策略是協(xié)同空間智能體的重要智能模塊，策略機制如下所示： (1) MCDMS構(gòu)建協(xié)商評估函數(shù)： 式中：為分布式協(xié)同環(huán)境下專家的個體，滿足映射關(guān)系； G為枚舉類型變量，滿足GU；U={MCDMS預(yù)設(shè)代數(shù)集}；

35、n為專家成員個數(shù)。 (2) 計算一組專家的協(xié)商評估函數(shù)值，即計算專家組根據(jù)協(xié)商評估函數(shù)所得到的真實值。建立Z1、Z2坐標(biāo)系，如圖2.6所示，圓點代表其真實值，M0為MCDMS預(yù)設(shè)協(xié)商評估的函數(shù)值。 (3) MCDMS預(yù)設(shè)協(xié)商評估函數(shù)值誤差范圍K1K2，設(shè)協(xié)商評估函數(shù)計算得到的真實值是，并滿足|M0－|=。 (4) 若K1K2，則智能協(xié)商評估策略的返回值為Y，協(xié)商結(jié)束；否則，智能協(xié)商評估策略的返回值為N，專家提交批注完成的信息給設(shè)計人員，等待下一輪協(xié)商進行。協(xié)商評估函數(shù)策略機制，如圖2.7所示。 圖2.6協(xié)商評估預(yù)設(shè)值M0與真實值(黑圓點)關(guān)系 圖2.7協(xié)商評

36、估函數(shù)策略機制 2.3.5 基于Agent技術(shù)的優(yōu)化管理 優(yōu)化成為產(chǎn)品設(shè)計高效的重要解決方法。因此，優(yōu)化管理智能體在系統(tǒng)平臺中占有一個很重要地位。其包括設(shè)計過程優(yōu)化與設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)果優(yōu)化。設(shè)計過程優(yōu)化可使管理人員能更明確的了解產(chǎn)品設(shè)計過程，數(shù)據(jù)結(jié)果優(yōu)化可使設(shè)計人員對任務(wù)數(shù)據(jù)進行更好操作。優(yōu)化管理智能體工作機理，如圖2.8所示。 圖2.8 優(yōu)化管理智能體工作機理 過程優(yōu)化：用戶端按傳統(tǒng)方法建立過程模型，往往出現(xiàn)復(fù)雜、重復(fù)及耦合的情況，加大用戶端對整個設(shè)計過程的管理難度，因此，一套針對過程設(shè)計模型優(yōu)化的方法至關(guān)重要。優(yōu)化管理智能體隨系統(tǒng)啟動自動啟動，等待請求。管理人員針對過程進行建模，優(yōu)化

37、管理智能體調(diào)出過程優(yōu)化軟件，管理人員使用該軟件對已設(shè)計的過程模型進行優(yōu)化，并將結(jié)果保存至系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫。 數(shù)據(jù)優(yōu)化：設(shè)計人員為提高效率，任務(wù)完成后對所得數(shù)據(jù)進行全部或局部優(yōu)化。優(yōu)化管理智能體包括數(shù)據(jù)優(yōu)化部分，在系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫中，儲存很多常用的數(shù)學(xué)模型，用戶端只需選擇相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進行操作。在系統(tǒng)后臺，優(yōu)化管理智能體對已選數(shù)學(xué)模型進行分級處理，形成系統(tǒng)級與學(xué)科級并生成結(jié)果數(shù)據(jù)保存至系統(tǒng)Oracle9i數(shù)據(jù)庫。用戶端只需在前臺輸入相應(yīng)的結(jié)果數(shù)據(jù)，優(yōu)化管理智能體進入系統(tǒng)優(yōu)化平臺對該數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，解析出最優(yōu)結(jié)果并顯示至前臺Web用戶端，同時生成結(jié)果表單并保存至系統(tǒng)Orac

38、le9i數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)優(yōu)化機理，如圖2.9所示。 圖2.9數(shù)據(jù)優(yōu)化機理 2.3.6 基于Agent技術(shù)的人員管理 人員管理智能體功能包括：角色注冊請求、人員信息查看、發(fā)送會話ID(Session ID)、記錄訪問時間、存儲多角色信息與組間關(guān)系信息。其不僅能組織管理用戶組、項目組員，同時，會配合系統(tǒng)權(quán)限分配端口智能體驗證機制，使系統(tǒng)管理員對已注冊的其他管理員、設(shè)計人員和專家人員進行在線審核，實現(xiàn)新用戶權(quán)限的授權(quán)功能。同時可管理用戶端人員的基本信息。人員管理智能體由分類匹配策略與關(guān)系映射表兩部分組成，其工作機制，如圖2.10所示。 圖2.10人員管理智能體的工作機理 分類匹配策略：

39、使Web用戶端能自動匹配相應(yīng)的用戶組人員。其分類匹配策略，如圖2.11所示。 圖2.11分類匹配策略 (1) MCDMS會構(gòu)建Web用戶端的信息屬性集及映射關(guān)系集：U={,,,…, |Ti, f(x)函數(shù)有且只有不同的唯一解，i整數(shù)集}；T為Web客戶端的屬性值。U:UR, R表示實數(shù)集。 (2) 各個工作組通過系統(tǒng)平臺來發(fā)出匹配缺省信息屬性集的請求，其中U，等待響應(yīng)，滿足，R。 (3) Web客戶端通過系統(tǒng)平臺接收響應(yīng)，發(fā)送響應(yīng)信息的屬性值，滿足關(guān)系，R。 (4) 自頂向下匹配，若=，則返回值為

40、1，進行插入操作，匹配成功；否則，匹配失敗。 關(guān)系映射表：系統(tǒng)平臺提供會話ID與工作組的關(guān)系映射={ | tU, 為分布式協(xié)同環(huán)境下專家個體，i整數(shù)集}。 2.4 MCDMS系統(tǒng)各Agent間的協(xié)同關(guān)系 通過對各Agent的詳細(xì)描述，構(gòu)建的MCDMS系統(tǒng)中各Agent的協(xié)同優(yōu)化關(guān)系，如圖2.12所示。圖2.12說明多Agent技術(shù)在MCDMS系統(tǒng)中產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流隨產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計流程產(chǎn)生。根據(jù)各Agent觸發(fā)策略的闡述，通過系統(tǒng)項目管理智能體、系統(tǒng)過程管理智能體、系統(tǒng)協(xié)同空間智能體、系統(tǒng)優(yōu)化管理智能體、系統(tǒng)通信智能體，將設(shè)計流程中的數(shù)據(jù)流存至系統(tǒng)Oracle

41、9i數(shù)據(jù)庫。用戶端通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫操作實現(xiàn)對項目與任務(wù)監(jiān)控、過程流優(yōu)化、數(shù)據(jù)流優(yōu)化、數(shù)據(jù)上傳下載、任務(wù)反饋等相關(guān)功能，使用戶端更好的對產(chǎn)品設(shè)計進行管理。特別地，由于系統(tǒng)項目管理智能體能提供整個項目的運作時間表，包括：ES、EF、LS、LF、TF等，因此，可實現(xiàn)不同時段用戶端的同步操作。 圖2.12 MCDMS系統(tǒng)中各Agent間的協(xié)同優(yōu)化關(guān)系 2.5 本章小結(jié) 本章中，首先介紹Agent技術(shù)，通過搭建多Agent技術(shù)的MCDMS系統(tǒng)總體框架對基于Agent的項目管理、基于Agent的過程管理、基于Agent的協(xié)同空間、基于Agent的優(yōu)化管理、基于Agent的人員管理進行描述，為MCDM

42、S系統(tǒng)在多學(xué)科動態(tài)過程建模、協(xié)同并行設(shè)計、任務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)布、流程監(jiān)控機制、過程及數(shù)據(jù)優(yōu)化管理、三維模型瀏覽、人員權(quán)限管理等方面提供了有效的解決方案，為后面章節(jié)的進一步分析MCDMS系統(tǒng)的過程流程優(yōu)化及任務(wù)數(shù)據(jù)優(yōu)化研究提供框架及理論支持，為第五章以多Agent技術(shù)構(gòu)建MCDMS系統(tǒng)各模塊提供了建設(shè)性意見。 第3章 基于WPR的改進過程方法研究 第3章 基于WPR的改進過程方法研究 3.1 引言 人們提出BPR(Business Process Re-engineering)概念以減少企業(yè)生產(chǎn)成本并增加產(chǎn)品利潤。BPR主要通過檢測與分析組織成員間的工作流和過程流[44,45]來

43、尋找設(shè)計瓶頸。Re-engineering指對業(yè)務(wù)流程的基本組織進行重新考慮與再設(shè)計，改善某些重要的性能指標(biāo)，如：成本、質(zhì)量、服務(wù)與速度等[46]。通過多次模擬執(zhí)行與分析業(yè)務(wù)流程以保證最優(yōu)的工作流過程[47]。但BPR只限于分析與局部優(yōu)化兩方面，甚至某些BPR軟件工具只有分析方法卻沒有提出優(yōu)化方法，造成許多設(shè)計上的不便。 隨著計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，企業(yè)面臨很多問題，如：安全性、穩(wěn)定性與協(xié)調(diào)性等。解決這些問題，要考慮組織與部門間的關(guān)系，研究使用技術(shù)與數(shù)據(jù)共享方法(協(xié)調(diào)性方面)。設(shè)計的工作管理系統(tǒng)[48]應(yīng)盡量滿足上述需求，用戶應(yīng)根據(jù)需要定義工作流，但定義的工作流會存在許多不如意的地方，因

44、此，必須提出一套優(yōu)化方法對其進行改善。已發(fā)現(xiàn)的一些工作流特征可通過BPR方法進行優(yōu)化[49]，因此，工作流管理系統(tǒng)應(yīng)開發(fā)出支持BPR的工作流技術(shù)[50]，即優(yōu)化工具。清華大學(xué)謝玉鳳與楊光信等人提出工作流優(yōu)化的概念(WPR)[51]，該方法基于條件有向圖[52]，雖然可對工作流進行改善，但對耦合情況沒有進行過多的研究。 進入二十一世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對產(chǎn)品的要求日益增多。機械產(chǎn)品設(shè)計變得日益復(fù)雜化，其設(shè)計流程日趨多元化與結(jié)構(gòu)化。對于如何提高產(chǎn)品設(shè)計效率變得尤為重要。只有對設(shè)計過程進行合理優(yōu)化才能提高設(shè)計效率，已存在的優(yōu)化方法有很多，本文意在對WPR方法進行改進。 通過對WPR技

45、術(shù)中幾種屬性節(jié)點進行研究，對機械產(chǎn)品設(shè)計過程的多元化與設(shè)計過程中耦合節(jié)點的普遍化，在原有理論基礎(chǔ)上，提出一套對耦合節(jié)點的優(yōu)化方法。該方法對整個設(shè)計流程進行任務(wù)分解，找到具有某些特征的屬性節(jié)點進行過程優(yōu)化。針對節(jié)點間帶有耦合的情況，通過內(nèi)部協(xié)商，能基本達(dá)到解耦的目的，可優(yōu)化整個設(shè)計過程，提高設(shè)計效率。 3.2 WPR的概念 工作流過程優(yōu)化(WPR)概念是一套符合工作流過程的優(yōu)化方法，能提高工作流效率，對一些工作節(jié)點提供協(xié)同工具，使企業(yè)的協(xié)同工作更加完善。 工作流模型是將工作流w[51]形式化為一個三元組 ，是實際業(yè)務(wù)過程的數(shù)學(xué)描述： (1) n為工作流名稱； (2)

46、A為從業(yè)務(wù)過程中抽象出來的所有活動構(gòu)成的集合； (3) F為的一個子集，描述w中各活動間數(shù)據(jù)流動關(guān)系與控制流動關(guān)系。對于C中的每一個元素c，其是一個二元組，其中c為一個布爾表達(dá)式，E為多個命名表達(dá)式構(gòu)成的集合。c是描述條件得以滿足時，激活后續(xù)環(huán)節(jié)，將數(shù)據(jù)對象進行傳遞。 w實際是一個有向圖，圖中各節(jié)點表示工作流各活動的步驟，與常規(guī)有向圖相比，區(qū)別在于：與每一有向邊對應(yīng)分別有一個邏輯表達(dá)式與一個命名表達(dá)式的集合。在此使用條件化有向邊來表示活動間的控制關(guān)系與數(shù)據(jù)流動關(guān)系。A中每一個元素c都表示一個活動, 其可通過一個九元組表示[5

47、3,54], 其中：n為活動名稱； t為活動類型； S為活動開始條件； e為活動終止條件； R為參與活動的所有用戶集合； L為前驅(qū)活動(i)與處理數(shù)據(jù)方法(m)組成的集合； O為活動處理的數(shù)據(jù)對象； P為R中用戶訪問O中域的方式； K為后繼活動(j)、激發(fā)條件(c)與調(diào)用函數(shù)(f)組成的集合。 條件有向圖通過使用有向有限圖描述工作流的過程。節(jié)點表示工作流過程的實際或抽象活動，邊表示下一個活動節(jié)點，層次方法是直接在圖上定義工作流過程。每一個邊，只將數(shù)據(jù)對象傳遞給下一個活動，由數(shù)據(jù)對象來激發(fā)此活動。 3.3 IPR的概念及應(yīng)用 3.3.1 IPR的概念 此方法基于WRP

48、技術(shù)提出，同樣定義如下概念： 定義1：協(xié)商節(jié)點 如果有兩個節(jié)點處理相同的數(shù)據(jù)對象且對其有相同的操作權(quán)限，可互相傳送數(shù)據(jù)對象進行通信，所傳送的數(shù)據(jù)對象是由相同的屬性構(gòu)成，則稱這兩個節(jié)點為協(xié)商節(jié)點。 A節(jié)點與B節(jié)點為協(xié)商節(jié)點的充分必要條件： 1) and; 2) and; 3) ,，可以得出為的逆變化; 4) ,，可以得出為的逆變化。 定義2：相似節(jié)點 如果兩個節(jié)點有相同的用戶集合且處理相同的數(shù)據(jù)對象，對于相同的數(shù)據(jù)對象域有相同的權(quán)限，且對相同的前驅(qū)節(jié)點與后繼節(jié)點有相同的處理方式，則稱這兩個節(jié)點為相似節(jié)點。 A節(jié)點與B節(jié)點為相似節(jié)點的充分必要條件： 1) and and and

49、; 2) ,and ; 3) ,and, . 定義3：獨立節(jié)點 如果一個節(jié)點的觸發(fā)條件不依賴其父節(jié)點的執(zhí)行結(jié)果，且處理的數(shù)據(jù)對象不被父節(jié)點所改變，則稱此類節(jié)點為獨立于父節(jié)點的節(jié)點。 A節(jié)點獨立于B節(jié)點的充分必要條件： 1) and ; 2) ; 3) . 通過對WPR方法的研究發(fā)現(xiàn)：該方法可對協(xié)商、相似、獨立節(jié)點進行簡單的優(yōu)化。針對機械產(chǎn)品設(shè)計，在此提出IPR(Improve Process Re-engineering)方法。該方法基于WPR方法提出，用于機械產(chǎn)品設(shè)計過程優(yōu)化。通過對整體過程分析、節(jié)點屬性歸納、結(jié)合協(xié)商技術(shù)，綜合的對設(shè)計過程進行操作，達(dá)到最終優(yōu)化的目的。

50、 3.3.2 IPR原理介紹 IPR的原理如下： 1） 數(shù)列=,表示一個設(shè)計流程，表示流程的各個節(jié)點。 2) 如果找到個協(xié)商節(jié)點，其前繼節(jié)點為，其后繼節(jié)點為，可將這N個協(xié)商節(jié)點合并成一個節(jié)點并為其提供某種協(xié)商技術(shù)，該協(xié)商技術(shù)已在2.3.4介紹。 3) 對于合并后的相似節(jié)點，會出現(xiàn)重復(fù)的邊，可將其中多余的邊刪除。 4) 一個設(shè)計流程，首先需對其中直接耦合的節(jié)點進行優(yōu)化，依次找出協(xié)商節(jié)點、相似節(jié)點與獨立節(jié)點。優(yōu)化過程中，根據(jù)實際情況調(diào)整各節(jié)點的位置，最終達(dá)到優(yōu)化的目的。 3.3.3 IPR的優(yōu)化方法介紹 3.3.3.1 非耦合節(jié)點的優(yōu)化方法 1) 協(xié)商節(jié)點：按照2.3.4提供的協(xié)

51、商方法直接讓節(jié)點進行協(xié)商，將外部活動改為內(nèi)部活動。 如果找到個協(xié)商節(jié)點，其前繼節(jié)點為，其后繼節(jié)點為，如圖3.1所示。通過協(xié)商方法將其合并成一個新的節(jié)點，如圖3.2所示。 圖3.1 多個協(xié)商節(jié)點示意圖 圖3.2 優(yōu)化后示意圖 將多個非獨立節(jié)點(其依賴于前面執(zhí)行的結(jié)果)合并為一個整體節(jié)點，為確保用戶意圖不變，合并節(jié)點后必須遵守下面兩條規(guī)定： (1) 如果一個節(jié)點的前繼節(jié)點原屬于，設(shè)定為協(xié)商活動的初始者。 (2) 如果是在節(jié)點處結(jié)束整個協(xié)商活動，只需觸發(fā)所能觸發(fā)的節(jié)點。 第(1)條為保證優(yōu)化前后發(fā)起協(xié)商的群組一致。第(2

52、)條為保證協(xié)商后，優(yōu)化前后觸發(fā)的活動相同。如果使用的管理系統(tǒng)不支持一個節(jié)點有多個用戶共同操作，我們可參考Georg提出的方法，其主要是將多媒體會議系統(tǒng)技術(shù)嵌入管理系統(tǒng)中。 2) 合并相似節(jié)點跟合并獨立節(jié)點類似。從商業(yè)角度看，每一個部門或組織所負(fù)責(zé)的任務(wù)通常是固定不變的。根據(jù)相似節(jié)點的定義知道：相似節(jié)點屬于同一部門或組織，因此，實行的任務(wù)在很大程度上是相同的。為使系統(tǒng)能更清楚組織與部門間的關(guān)系，將相似節(jié)點統(tǒng)一合并，通過BPR工具對優(yōu)化后的流程進行策略方面的相關(guān)優(yōu)化。 應(yīng)注意：圖3.3中在合并活動與活動后，出現(xiàn)兩個重復(fù)的邊與。將其中一個邊刪除并不會影響結(jié)果。在做合并優(yōu)化時，不應(yīng)讓各個節(jié)點的判斷

53、語句過于龐大，優(yōu)化的目的是為簡化設(shè)計流程，而不是使其變得更加復(fù)雜。優(yōu)化后示意圖，如圖3.4所示。 圖3.3 相似節(jié)點示意圖 圖3.4 優(yōu)化后示意圖 3) 用戶定義過程流，如圖3.5所示。等價活動類別個數(shù)為4({},{}, {},{})。如果節(jié)點獨立于節(jié)點，但受節(jié)點的執(zhí)行結(jié)果影響，可將設(shè)計過程進行重組，如圖3.6所示。節(jié)點與節(jié)點是并行執(zhí)行，節(jié)點在節(jié)點后執(zhí)行，這里等價活動類別個數(shù)為4 ({},{},{},{})。當(dāng)活動由觸發(fā)，其執(zhí)行時間會有所改變，但整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間認(rèn)為是不變的。如果圖3.6中節(jié)點獨立于節(jié)點與節(jié)

54、點，可將設(shè)計過程重組，如圖3.7所示。節(jié)點、節(jié)點與節(jié)點并行執(zhí)行，其等價活動類別個數(shù)為3({},{,}, {})，整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間得到提升。 圖3.5 用戶定義過程流 圖3.6 優(yōu)化1 圖3.7 優(yōu)化2 必須保證在節(jié)點、節(jié)點與節(jié)點完全執(zhí)行后， 再執(zhí)行節(jié)點。需要注意的是：在圖3.6中，如果節(jié)點發(fā)出一個異常處理，需判斷節(jié)點是否已執(zhí)行完畢。如果執(zhí)行完畢，需將其復(fù)原，再執(zhí)行異常處理。此做法是保證優(yōu)化后流程的處理結(jié)果與原來的結(jié)果是相同的。 4) 用戶自定義設(shè)計過程中，會存在冗余的活動節(jié)點，應(yīng)將其從設(shè)計過程中

55、移除以減少執(zhí)行時間。移除對系統(tǒng)不起任何影響的活動節(jié)點，能達(dá)到非常明顯的效果。類似編譯優(yōu)化中移除冗余賦值語句，可減少執(zhí)行時間。不同應(yīng)用中會有不同的定義，在此，介紹兩種常見的冗余活動節(jié)點。 (1) 只有輸出邊沒有輸入邊的節(jié)點。此類節(jié)點如果不是初始節(jié)點，那么其永遠(yuǎn)不會被激發(fā)，這種節(jié)點就是冗余節(jié)點。 A為冗余節(jié)點的充分必要條件： ①A.L=; ②A. t! = ‘initial’. (2) 重復(fù)工作的節(jié)點。如果一個節(jié)點一定能到達(dá)一個與其相似的節(jié)點，且在到達(dá)這個節(jié)點前，其所處理的數(shù)據(jù)對象全不會被改變，由相似節(jié)點定義，這兩個節(jié)點能處理相同的數(shù)據(jù)對象且有相同的修改權(quán)限，因其所處理的數(shù)據(jù)在后面的節(jié)

56、點處會重復(fù)執(zhí)行一次，此節(jié)點在整個活動中是多余的。 A為B的重復(fù)工作節(jié)點的充分必要條件： ①Similar(A,B) = true and GoThrough(A,B)= true; ②Value(A.O)= Value(B.O); ③A.R= B.R. 函數(shù)Similar (A,B)判斷A,B是否為相似節(jié)點。 函數(shù)GoThrough(A,B)判斷A是否一定可到達(dá)B。 函數(shù)Value(A.O)表示活動A開始時，數(shù)據(jù)對象O中每一個屬性的值。 以上三個函數(shù)都能很容易實現(xiàn)，這里不再詳細(xì)說明。 這兩種活動節(jié)點都可直接從設(shè)計過程中移除，卻不會改變其執(zhí)行結(jié)果。要判斷一個節(jié)點對設(shè)計過程是否多

57、余，可根據(jù)其是否會被觸發(fā)(第一類節(jié)點)，也可通過其處理的任務(wù)是否存在意義(第二類節(jié)點)來判定能否移除。移除多余元素時，應(yīng)注意是否會影響后面數(shù)據(jù)。 5) 為方便管理與簡化設(shè)計模型，可加入一些控制節(jié)點來實現(xiàn)。加入新節(jié)點時，應(yīng)注意：不要增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，延長處理時間。用戶定義過程流，如圖3.8所示。 圖3.8 用戶定義過程流 A節(jié)點前可加入控制節(jié)點的充分必要條件： ①<>,<>A.L; ②<>B.K; ③<>C.KValue=Value. 圖3.8中，節(jié)點與節(jié)點有相同的子節(jié)點(節(jié)點、節(jié)點與節(jié)點)，節(jié)點只被節(jié)點觸發(fā)。對于節(jié)點，可加入一個新的控制節(jié)點。對節(jié)點、可各加入控制節(jié)點、，結(jié)果如圖3

58、.9所示。根據(jù)定義，、與為相似節(jié)點并可合并成一個新的控制節(jié)點，將多余邊去除，結(jié)果如圖3.10所示。節(jié)點由系統(tǒng)感知與執(zhí)行，起控制作用，因此，加入此節(jié)點不會增加整個系統(tǒng)的負(fù)載與延長執(zhí)行時間。 圖3.9 優(yōu)化1 圖3.10 優(yōu)化2 當(dāng)需要改變分支條件時，只需在節(jié)點處進行修改。這不僅能簡化設(shè)計過程，還能使整個過程的關(guān)系更加清晰。 3.3.3.2 耦合節(jié)點的優(yōu)化方法 隨著機械產(chǎn)品技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)計過程變得越來越復(fù)雜，節(jié)點耦合情況越來越多，因此，需要提供一種技術(shù)，對耦合節(jié)點進行操作，達(dá)到優(yōu)化目的。而耦

59、合節(jié)點存在的方式多種多樣，在此只提出幾種常見情形進行優(yōu)化操作，優(yōu)化方法如下： (1) 如果存在節(jié)點A與節(jié)點B，節(jié)點B在節(jié)點A執(zhí)行后進行且節(jié)點A的執(zhí)行結(jié)果直接作用于節(jié)點B，當(dāng)節(jié)點B不滿足某些條件時，需返回節(jié)點A對其進行重新操作，則節(jié)點A與節(jié)點B稱為直接耦合的兩個節(jié)點。用戶定義過程流，如圖3.11所示?？蓱?yīng)用2.3.4的協(xié)商技術(shù)對其直接進行協(xié)商處理，使外部的耦合節(jié)點變成內(nèi)部可相互操作的節(jié)點，節(jié)點A與B成為一個新節(jié)點AB，如圖3.12所示。 圖3.11 用戶定義過程流 圖3.12 優(yōu)化1 (2) 如果節(jié)點A與節(jié)點B為相似節(jié)點，且

60、同時受其父節(jié)點的結(jié)果影響，節(jié)點A與其父節(jié)點屬于直接耦合的節(jié)點，則節(jié)點A、節(jié)點B與其父節(jié)點稱為相似節(jié)點情況下的耦合節(jié)點。用戶定義過程流，如圖3.13所示。首先，按相似節(jié)點的定義對相似節(jié)點D、E進行合并，形成新的節(jié)點DE，如圖3.14所示。然后按(1)中的方法對耦合節(jié)點進行直接操作，形成新的節(jié)點ADE，結(jié)果如圖3.15所示。 圖3.13 用戶定義過程流 圖3.14 優(yōu)化1 圖3.15 優(yōu)化2 (3) 如果存在節(jié)點A與節(jié)點D，節(jié)點D受其父節(jié)點B的結(jié)果影響，不受其父節(jié)點C的結(jié)果影響，且節(jié)點D與節(jié)點

61、A存在耦合關(guān)系，則稱這四個節(jié)點為獨立節(jié)點下的耦合節(jié)點。用戶定義過程流，如圖3.16所示。首先，因節(jié)點E受其父節(jié)點C的影響，但不受其父節(jié)點D的影響，按獨立節(jié)點的方法對節(jié)點E進行操作，將節(jié)點B直接作用到節(jié)點E上，如圖3.17所示。因節(jié)點E受其父節(jié)點C的影響，將節(jié)點C與節(jié)點E合并成一個新的節(jié)點CE，如圖3.18所示。新節(jié)點CE與其父節(jié)點A屬于直接耦合的兩個節(jié)點，按(1)中方法對其操作，合為一個新的節(jié)點ACE，優(yōu)化結(jié)果如圖3.19所示。 圖3.16 用戶定義過程流 圖3.17優(yōu)化1 圖3.18 優(yōu)化2

62、 圖3.19 優(yōu)化3 (4) 如果相互獨立的兩個節(jié)點C、D分別依賴于其父節(jié)點A、B，同時作用于其子節(jié)點E，如圖3.20所示。首先，對耦合的兩節(jié)點B，D直接進行協(xié)商處理，使其變成一個新的節(jié)點BD，優(yōu)化結(jié)果如圖3.31所示。新節(jié)點BD與節(jié)點C的父節(jié)點都是節(jié)點A，特別的，如果節(jié)點A與節(jié)點C為獨立節(jié)點，則可通過調(diào)整節(jié)點的順序改變其位置。優(yōu)化結(jié)果如圖3.22所示。 圖3.20 用戶定義過程流 圖3.21 優(yōu)化1 圖3.22 優(yōu)化2 3.3.4 IPR在實際

63、中的應(yīng)用 減速器作為一種應(yīng)用及其廣泛的重要基礎(chǔ)設(shè)備。由于其傳遞運動的可靠性與準(zhǔn)確性，并且結(jié)構(gòu)緊湊、維護簡單，通常作為減速傳動的裝置[55]。減速器的設(shè)計工藝圖，如圖3.23所示。減速器傳統(tǒng)設(shè)計流程圖[56]，如圖3.24所示。 圖3.23 減速器傳設(shè)計工藝圖 圖3.24 減速器傳統(tǒng)設(shè)計流程圖 注：A：確定傳動方案；B：選擇電機；C：分配傳動比；D：運動和動力參數(shù)計算；E：外傳動零件設(shè)計；F：內(nèi)傳動零件設(shè)計；G：齒輪零件工作圖設(shè)計；H：繪制草圖準(zhǔn)備工作；I：草圖繪制；J：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計；K：軸的校核；L：軸承設(shè)計；M：軸承校核；N：軸零件工作圖設(shè)計；O：軸系部件結(jié)構(gòu)設(shè)計；P：減速器

64、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計；Q：箱體零件工作圖設(shè)計；R：減速器附件設(shè)計；S：整理編寫設(shè)計計算說明書。 減速器設(shè)計過程主要依賴計算機計算和CAD等軟件工具的介入[57]。對于此流程，首先應(yīng)對整個過程中的節(jié)點屬性進行分析。由圖3.24可看出，節(jié)點J、K與節(jié)點L、M都屬于直接耦合的情況，因此，按2.3.4的協(xié)商方法，對其進行內(nèi)部協(xié)商，使其變成新的節(jié)點JK與節(jié)點LM，達(dá)到優(yōu)化的目的，結(jié)果如圖3.25所示。 圖3.25 優(yōu)化1 對于節(jié)點N與節(jié)點JK，由于其不屬于直接耦合的情況，節(jié)點N的父節(jié)點為LM，其結(jié)果不影響另一子節(jié)點O，可將節(jié)點LM與節(jié)點N進行合并，成為一個新的節(jié)點LMN。優(yōu)化結(jié)果如圖3.26所示。 圖3

65、.26 優(yōu)化2 可以看出，節(jié)點D、節(jié)點E；節(jié)點JK、節(jié)點LMN；節(jié)點P、節(jié)點Q，這三組節(jié)點都屬于直接耦合的節(jié)點，繼續(xù)應(yīng)用2.3.4的協(xié)商方法，合并成新的節(jié)點DE、節(jié)點JKLMN與節(jié)點PQ，優(yōu)化結(jié)果如圖3.27所示 圖3.27 優(yōu)化3 3.4 IPR可視化軟件 掌握上述方法，就可對一個設(shè)計過程進行相關(guān)優(yōu)化。但過程設(shè)計中，通常需有相應(yīng)的圖形軟件提供建模支持。通過對網(wǎng)上一些開源建模軟件研究，在此，設(shè)計出一款操作相對容易的過程建模軟件。該軟件可對過程設(shè)計進行簡單建模，也可使用外置軟件，如：Visio、UML等。由于自主開發(fā)的軟件可兼容至系統(tǒng)平臺中，設(shè)計人員能方便的對產(chǎn)品設(shè)計過程進行操作

66、。以下，對軟件進行簡單介紹。 軟件分主菜單、元素菜單與編輯菜單三部分。主菜單實現(xiàn)新建模型、文件保存、上傳、運行等操作。元素菜單是對圖形進行相應(yīng)操作，可實現(xiàn)圖形編譯、文字增添、圖片處理、圖形源代碼反編譯與圖形全選等功能。編輯菜單是對元素菜單各功能的具體實施。該軟件可進行二維與偽三維圖形繪制。該軟件操作容易，設(shè)計人員能比較快速的設(shè)計出需要的過程模型。由于軟件內(nèi)嵌至系統(tǒng)平臺中，因此，可方便系統(tǒng)與軟件間的數(shù)據(jù)交流。軟件基本界面，如圖3.28所示。運用該軟件對減速器設(shè)計過程進行繪制，如圖3.29所示。偽三維圖形繪制，如圖3.30所示。對保存文件進行簡單操作，如圖3.31所示。 圖3.28 軟件基本界面圖 圖3.29 減速器建模過程繪制圖 圖3.30 偽三維圖形繪制 圖3.31文件操作圖 3.5 本章小結(jié) 通過WPR概念的介紹，針對機械產(chǎn)品設(shè)計過程中各節(jié)點屬性的分析、依賴關(guān)系的探討，總結(jié)出協(xié)商節(jié)點、相似節(jié)點、獨立節(jié)點等基本特征。通過對耦合節(jié)點中直接耦合與非直接耦合兩種情況進行研究，得到針對設(shè)計過程一般性的優(yōu)化方法(IPR)。該方法可減少設(shè)計過程的執(zhí)行時間