设计院协同设计平台浅谈

1 引言

计算机技术的快速发展，对设计行业来说意义非凡，用计算机作为辅助设计的工具，无论在理论研究，还是在实际应用，都取得了显著成绩。计算机技术的发展和应用使传统的设计方法和生产模式发生了深刻变化，已成为衡量一个设计院现代化水平的重要标准。

    目前国内设计院信息化应用状况可以分为两个层次：大型设计企业整体信息化水平已经达到了一个较高的程度，有些已经接近国际先进水平；而中小企业研发信息化水平还比较低，相当多还是简单用二维CAD进行设计、出图、生产的模式。从应用软件方面，大设计院所工具软件相对成熟，如三维CAD、CAE的使用已经比较普遍，而对这些工具软件所产生的数据模型进行有效管理和深层利用却相对薄弱，没有一个很好将这些设计数据、仿真数据、试验数据进行协同管理的平台系统。虽然现在企业大都实施了PDM系统，并解决了CAD数据和一些文档数据的管理问题，但其对CAE数据的管理、以及CAD/CAE等多学科之间的协同过程的支撑却很薄弱。随着科技发展，产品复杂度也越来越高，这种多学科、多专业协同的重要性越来越高，对相关平台的要求也愈发迫切。如何在先进的思想体系下，结合协同设计、协同仿真等先进的理念，整合已有的工具和专业系统，发挥它们的整体效能，这将是设计信息化所面临的重要课题。

2 设计行业目前存在的一些问题

    随着设计信息化的深入推进，设计院在数据协同、过程协同、知识共享等方面的存在着以下问题：

    (1)设计过程人工协调，过程不可控：虽然设计工程师掌握了很多先进的设计软件和工具，但实际上工程师在操作这些软件的过程中，他们的协作过程仍然是靠人工来协调，工作量非常大，而且从管理层来看，很难对具体的执行细节进行监控。

    (2)存在信息孤岛：目前现存的设计、分析包括实验等等方面数据，由于系统的结构不同，厂家不同等原因，导致还存在着信息孤岛问题，而解决这个问题也需要向平台化发展。

    (3)设计知识、经验分散：设计知识、经验是设计院宝贵的财富，在设计过程当中，通常会积累了很多的经验、知识以及过程的方法，如何把这些知识积累和管理起来，这对企业的创新和后续发展意义重大，但是目前并没有一个很好的手段对这些经验知识进行固化和重用。

    (4)缺少专业化的快速设计工具：缺少面向具体产品的专业化的设计环境来支撑工程师们进行快速的设计。实际上，这些掌握优秀技能的工程师、行业专家在工作中都不得不花费很多精力在一些重复的、低效能的环节。

    (5)多专业协同困难：目前的设计已经不是一个专业的问题，而是多专业，多学科共同协作的问题，那么由于前面所述的信息孤岛以及过程控制方面等原因，实际上目前在多学科协同方面依然存在着很多困难，如果要进行一个有效的协同，也要有一个统一的平台，使多学科的专业技术人才在上面进行充分的协作。

    (6)中间数据没有传承，过程难以追溯：目前对设计成果可以进行一些有效的管理，但是这个过程中产生的一些中间数据，一些很有价值的经验数据没有得到传承和共享。

3 计算机支持的协同技术

    协同设计的概念源于CSCW(Computer Supported Cooperation Work，即计算机支持的协同工作)，即，在计算机技术支持的环境下，一个群体协同完成一项共同的任务。CSCW技术是一门交叉学科，涉及的领域非常广泛，其中包括计算机网络通讯、并行和分布式处理、数据库、多媒体、人工智能理论等。它具有分布性、共享和通信、开放性、异步性、自动化支持、工作协同性、信息共享性和异质性等特点。

    在争取用户满意的竞争中，现代设计要求对产品进行全生命周期设计。面对越来越复杂的设计对象，单个人和企业已不能胜任，需要多个专家和企业组成多功能设计小组，以一种协同的方式来进行产品的设计。协同设计(Collaborative Design)是指在计算机的支持下，各成员围绕一个设计项目，承担相应的部分设计任务，并交互地进行设计工作，最终得到符合要求的设计结果的设计方法。协同设计强调采用群体工作方式，从而不同程度地改善传统设计中项目管理与设计之间、设计与生产之间的脱节，以及设计周期过长、设计费用高、设计质量不易保证等缺点。

3.1 协同设计的过程具有以下特点

    (1)分布性：参加协同设计的人员可能属于同一个企业，也可能属于不同的企业；同一企业内部不同的部门又在不同的地点，所以协同设计须在计算机网络的支持下分布进行，这是协同设计的基本特点。

    (2)交互性：在协同设计中人员之间经常进行交互，交互方式可能是实时的，如协同造型、协同标注；也可能是异步的，如文档的设计变更流程。开发人员须根据需要采用不同的交互方式。

    (3)动态性：在整个协同设计过程中，产品开发的速度，工作人员的任务安排，设备状况等都在发生变化。为了使协同设计能够顺利进行，产品开发人员需要方便地获取各方面的动态信息。

    (4)协作性与冲突性：由于设计任务之间的存在相互制约的关系，为了使设计的过程和结果一致，各个子任务之间须进行密切的协作。另外，由于协同的过程是群体参与的过程，不同的人会有不同的意见，合作过程中的冲突不可避免，因而须进行冲突消解。

    (5)活动的多样性：协同设计中的活动是多种多样的，除了方案设计、详细设计、产品造型、零件工艺、数控编程等设计活动外，还有促进设计整体顺利进行的项目管理、任务规划、冲突消解等活动。协同设计就是这些活动组成的有机整体。

    (6)除了上述特点外，协同设计还有产品开发人员使用的计算机软硬件的异构性、产品数据的复杂性等特点。对协同设计特点的分析有助于为建立合理的协同设计环境体系结构提供参考。

    3.2 协同设计中的关键技术

    协同设计是计算机支持的协同工作与先进制造技术相结合对产品设计过程进行有效支持的研究领域，不仅需要不同领域的知识和经验，还要有综合协调这些知识、经验的有效机制，来祸合不同的设计任务。一般认为，协同工作的基本要素为协作、信任、交流、折衷、一致、不断提高、协调。为体现这七个基本要素，实现协同工作，必须解决好以下关键技术：

    (1)产品建模：是指按一定形式组织的关于产品信息的数据结构，是协同设计的基础和核心。在协同设计环境下，产品模型的建立是一个逐步完善的过程，是多功能设计小组共同作用的结果。

    (2)工作流管理：工作流管理的目的是规划、调度和控制产品开发的工作流，以保证把正确的信息和资源，在正确的时刻，以正确的方式送给正确的小组或小组成员，同时保证产品开发过程收敛于顾客需求。

    (3)约束管理：产品开发过程中，各个子任务之间存在各种相互制约相互依赖的关系，其中包括设计规范和设计对象的基本规律、各种一致性要求、当前技术水平和资源限制以及用户需求等构成了产品开发中的约束关系。产品开发的过程就是一个在保证各种约束满足的条件下，进行约束求解的过程。

    (4)冲突消解：协同设计是设计小组之间相互合作、相互影响和制约的过程，设计小组对产品开发的考虑角度、评价标准和领域知识不尽相同，必然导致协同设计过程中冲突的发生。可以说，协同设计的过程就是冲突的产生和消解的过程。充分合理地解决设计中的冲突能最大限度地满足各领域专家的要求，使最终产品的综合性能达到最佳。

    (5)历史管理：历史管理的目的是记录开发过程进行到一定阶段时的过程特征并在特定工具的支持下将它们用于将来的开发过程。

    目前，在实现这种基于CAD的协同设计方面，存在三种主流的技术思路。一种是在CAD平台提供一些底层技术支持，供二次开发者根据用户需要开发出各种应用。另外一种就是提供可定制化的基于项目管理、文档管理的协同设计管理软件，配合单机设计软件达到协同设计目的。再一种就是基于协同设计软件的基础平台，它是标准的，开放的，可扩展的。能够为二次开发商提供开发项目管理、文档管理、用户管理、图纸审核、网络图库、协商交流工具等协同设计系统功能的底层函数支持。

4 协同设计平台的应用

    4.1 协同CAD系统

    协同设计系统的类型是多种多样的，根据各个站点在协同中的地位和分布情况，协同设计系统可以分为集中式协同设计系统和复制式协同设计系统，以及混合式协同设计系统；根据各个站点中采用的CAD系统的相似与否，可以分为同构系统和异构系统。

    早期的协同CAD系统大部分都是异步协同设计系统。异步协同设计是一种松散耦合的协同工作。其特点是多个协作者在分布集成的平台上围绕共同的任务进行协同设计工作，各自有不同的空间，可以在不同的时间内进行工作，但通常不能迅速地从其他协作者处得到反馈信息。而同步协同设计是一种紧密耦合的协同工作，多个协作者在相同的时间内，通过共享工作空间进行设计活动，并且任何一个协作者都可以迅速地从其他协作者处得到反馈信息。因此近年来，其正在成为协同设计领域研究的热点之一。

    集中式的同步CAD协同设计系统采用客户机/服务器结构，其中服务器用于放置共享的建模系统和中心模型，负责提供建模服务，生成中心模型；客户端则主要负责建模操作的交互输入和模型显示。集中式的同步协同设计系统的优点是系统结构简单、并发控制容易，但也存在网络负载重、通信延迟明显、中心服务器易成瓶颈等问题。

    复制式的同步建模系统采用在每个站点都放置建模系统和存储共享模型的方法，通过使所有站点同步执行相同的建模操作，生成同样的三维模型，进而实现同步协同建模。复制式同步协同建模的优点是网络负载轻、站点的交互功能强、响应速度快，其主要不足在于系统结构复杂、不同建模系统之间的语义通信和数据通信困难、并发控制困难等。

    这方面的代表性系统有BENTLEY公司推出的三维数字工厂设计（3D Plant Design）及工厂数据管理(Plant Data Management)，为工程项目内容的管理提供了一个集成的协同环境，可以精确有效地管理各A/E/C(Architecture/Engineer/Construction)文件内容，并通过良好的安全访问机制，使项目各个参与方在一个统一的平台上协同工作。Intergraph公司推出的三维数字工厂设计软件及SmartPlant Enterprise解决方案，它包括以下工厂自动化软件组件：3D建模和可视化、信息管理、工程和示意图、材料管理和项目控制分析等。从项目的早期阶段到工厂的运营和维护乃至退役，SmartPlant Enterprise会始终利用关乎成败的项目信息和知识来改善工作流程。

    4.2 信息管理系统

    产品数据管理技术( PDM)是二十世纪八十年代初期才发展起来的一门新兴数据管理技术，是一门管理与产品相关的所有数据以及这些数据的处理流程的技术。PDM能够提供一种结构化方法，有效地、有规则地存取、集成、管理、控制产品数据和数据的使用流程。

    PDM的基本功能如下：

    (1)工程图档管理：包括图档信息定义与编辑、图档入库与出库、图档浏览、图档批注，支持数据库中图档文件的Check in/Check out功能，保证文件的完整性和一致性。

       (2)产品配置与变更管理：产品结构定义与编辑、产品结构多视图管理、产品结构查询与浏览，提供快速访问和修改BOM表的方法，能根据不同需求生成产品结构信息的不同视图。

    (3)工作流程管理：工作流程编辑、工作流程管理，根据实例化的流程建立有关人员的任务列表，伴随工作流程的进展情况，向有关人员提供过程信息和执行任务的指令。

    (4)项目团队管理：提供机构、角色、用户的定义和修改，分配对象操作权限和系统操作权限。

    (5)集成工具：将外部应用系统封装或集成到PDM系统中，提供应用系统与PDM之间的双向数据交换。

    国内针对设计院的产品有金慧系列协同设计产品、纬衡协同设计平台、理正协同设计平台等，“金慧BuildingEasyTM工程设计综合管理信息系统一协同设计版”系统是主要针对于设计单位需求的套装产品。核心是“基于CAD二维协同设计的项目管理系统”，其重点是解决“错、漏、碰、缺”等核心的设计管理问题。其实质是为企业搭建一个将“设计”与“管理”一体化集成的协同设计平台。纬衡协同设计平台在北京市建筑设计研究院推广应用三年，将项目策划、CAD设计、审核会签、互提资料、出图归档、设计变更等各个设计与管理环节融合形成一体化的系统。理正协同设计平台着眼于实现设计过程中信息、资源的共享与整合，解决设计过程中不同专业内部、不同专业之间以及不同层面上的分工合作与交流，从而帮助设计企业全面提高设计质量、提供管理效率和管理水平。

5 结语

    信息化建设是一个持续投入的过程，在使用协同设计平台的过程中，也要不断地深化和加强协同设计平台，以保证系统的稳定发展。协同设计，针对勘察设计行业，着眼于实现信息与资源的共享与整合，可以帮助设计企业全面提高管理效率和管理水平。它作为一种先进设计思想的集中体现，也在国外的设计行业得到了实际的应用，必将有助于我国勘察设计行业的飞速发展，有助于增进设计院的核心竞争力，以在更广阔的舞台上竞争发展。

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