产品多学科协同设计中的一致性维护方法

陈 亮 王 伟

福州大学,福州,350002

0 引言

在产品多学科协同设计中,各学科间存在着多方面的差异,易引起学科间的歧见,产生设计冲突,因此需要通过合适的机制和策略,尽早发现和解决冲突,协调并维护学科间设计的一致性,这也是保证协同设计成功的关键,是协同设计研究的重点问题之一。

文献[1]使用约束来表达工程要求,求解这些约束可得出设计变量的可行解空间,利用可行解空间可以避免设计者间的人工冲突,改进协同设计的效率。文献[2-3]对多设计主体间的协调问题进行了研究,当某处的模型数据发生变化时,这种变化信息要及时地传播到相关的地方,其数据要作出相应的变化,从而维护模型数据的一致性。它们主要考虑产品物理结构层的约束关系,对于处理数值型约束是有效的。文献[4-6]认为产品模型包含功能、行为、几何与物理结构等数据,彼此之间也存在着约束关系,设计中需要综合考虑。多学科协同设计具有多域性、多视图性等特点,产品最终的物理结构是功能语义推理的结果,多学科视图模型间除了在物理结构层存在约束关系外,在功能、行为等语义层上也存在着关联关系,所以将多学科视图模型间的关联关系扩展到语义层,对有效维护多学科视图模型间的一致性是至关重要的。本文借鉴已有的研究工作,并结合产品多学科协同设计的特点,对产品多学科协同设计的约束-关系网络模型进行研究,探讨多学科设计间一致性维护的方法和策略。

1 多学科协同设计的约束-关系网络模型

多学科协同设计是多个学科设计者并行地进行从功能空间到物理空间的映射过程的设计,在映射过程中经历功能、行为和结构的各个阶段。功能、行为和结构三者密不可分,功能对象、行为对象和结构对象之间存在着关联关系,在各对象内部参数属性之间以及不同对象的参数属性之间存在着各种约束。此处,关系是指对象之间(包括同类对象之间以及不同类对象之间)存在的结构和语义关联;约束是指对象的属性之间(包括同一个对象的内部属性之间以及不同对象的属性之间)存在的关联。简单地说,即对象之间存在关系,对象的属性之间存在约束。

多学科协同设计的约束-关系网络具有多域性、多层次性、动态性、分布性和多视图性等几个特点。①多域性和多层次性：产品的设计经历功能域、行为域和结构域的迭代映射,在各个域中还存在着从产品到部件到零件的层次分解过程,从而呈现出多域性和多层次性的特点。②动态性：设计过程是一个不断探索和不断进化的过程,往往需要根据当前的情况来动态地修改、添加和删除对象的组件及其约束,从而呈现出动态性的特点。③多视图性：各学科基于自身的视角观察产品对象,产生学科视图模型,多学科视图模型之间是共进化的关系,彼此间存在着约束和关联关系。④分布性：不同学科位于不同的地理位置完成自身的设计任务,从而呈现出分布性的特点。

根据这些特点和一致性维护的需要,定义如下约束-关系网络：

(1)项目约束-关系网络(project constraint and relation net,PCRN)。PCRN={Rp,Cp},其中,Rp为隶属于项目p的关系集,Cp为隶属于项目p的约束集。在产品设计时,先要进行产品配置设计,本文将产品及其组件均作为设计项目进行管理,每个组件的设计均是一个设计项目。PCRN主要是对产品总体规范、产品的配置和构成、各组件的初始设计要求及其学科联盟等方面的各学科共同遵守的一般性约束-关系进行描述,而关于组件更详细的约束 -关系信息需要在学科模型中定义。

(2)学科约束-关系网络(discipline constraint and relation net,DCRN)。DCRN ={Rd,Cd},其中,Rd为隶属于学科d的关系集,Cd为隶属于学科d的约束集。对于产品及其组件,不同学科有不同的设计要求,当然就有不同的约束信息,深入组件内部的更详细的约束-关系信息应该在各学科内部来确定和定义。一个学科依据本学科的设计要求和专业知识来定义其学科约束-关系网络。由于一个产品或组件可能为多个学科所关注,不同学科关注产品的不同侧面,所以学科约束-关系网络并不是独立的,而是相互关联的。当某个学科改动组件对象的关系或属性参数时,不仅需要在本学科约束-关系网络中检测这种变动是否可行,还需要将这种变化传播到其他相关学科的约束-关系网络进行检测,只有在所有学科的约束-关系网络中都可行时,该改动才可予以实施。

(3)多学科协同设计的约束-关系网络(multidisciplinary collaborative design constraint and relation net,MCDCRN)。MCDCRN ={PCRNi,DCRNi1,DCRNi2,…,DCRNik}, 其中,i为设计项目的序号,i={1,2,…,n|n≥1};k表示参与该项目设计的学科序号,k={1,2,…,m|m ≥2}。产品的项目约束-关系网络与相关的多学科约束 -关系网络共同组成该产品的多学科协同设计的整体约束-关系网络,以维护多学科模型间的协调和一致性。

约束-关系模型是产品模型的一部分,两者结构应相适应并同时构建,以使约束模型与产品模型相协调。基于面向对象的方法来构建约束 -关系模型,关系R表达为

式中,RCid为关系对象的唯一标识;RName为关系名称;RDis为关系所隶属的学科,对于项目关系,其名称统一为RProj,其他学科则根据项目构建时对学科名称的设置而定;RInfo为关系说明,可选;MO为关系中的主对象;CO为关系中的其他相关对象(一个或多个)。

MO和CO均可表示为三元组(O Type,O Name,O Info),O Type为对象类型(对于项目关系来说,对象亦指学科,此时O Type值为Discipline,通过关系将几个相关学科关联起来;在学科内,O Type值分别为Function、Behavior、Principle、Structure),OName为 对象名称,O Info为对象说明。

约束C隶属于关系R,即由关系R关联起来的几个对象的属性参数之间的约束(零个或多个)。约束有2种情况,一种是对象自身内部的约束,即对象自身属性参数之间的约束,在组件对象模型内部定义;另一种是不同对象属性参数之间的约束,在组件对象的关系模型中定义。约束C表达为

式中,CName为约束对象的唯一标识,也就是约束对象的名称;CBody为约束体,即约束的表达式,用来表示该约束的具体内容;CDis为约束所隶属的学科,对于项目约束,其名称统一为CProj,其他学科则根据项目构建时对学科名称的设置而定;CInfo为对该约束的说明,可选。

M为约束对象的方法集。每个方法都是一个多元组(M Name,ret,{ipt}0)。其中,M Name为该方法的名称,这个名称在方法集M中是唯一的;ret为该方法的返回值的类型;ipt为输入参数的类型(零个或多个)。

A为约束的属性。A=(CType,PAttr),PAttr=(P Name,P Info,P Value)。其中,C Type为约束的域别,有Function、Behavior和 Structure三种取值,分别表示该约束属于功能域、行为域和物理结构域。PAttr为约束所涉及的参数集,其中PName是在约束体C Body和方法集M中引用到的参数名,表示方式为“对象名称.参数名称”;P Info是参数说明,可选;P Value是参数当前取值。

2 多学科模型间的协调与一致性维护

基于前述的约束网络,综合采用项目管理、语义推理、关系及约束等多种途径来实现多学科视图模型间的协调与一致性维护。当有设计变更发生时,一般先通过项目管理、关系、语义推理等实现学科间相关组件对象的关联,再通过约束保证各组件对象参数属性之间的协调。

2.1 学科模型间的静态协调

在产品建模过程中,若学科模型组件间的约束-关系被确定下来,此时的约束-关系网络处于稳定状态。当某个学科模型组件的状态发生了变化,则根据组件间已存在的约束-关系网络触发各学科模型的相关组件作出相应的变化,实现协调和一致性维护,称之为学科模型间的静态协调。

2.1.1 通过物理结构关系和约束实现一致性维护

根据产品的物理结构组成,定义表1所示的物理结构关系集,利用这些结构关系以及相应的约束来实现协调与一致性维护。一般是通过关系将相关的组件对象关联起来,再通过约束保证各组件对象参数属性之间的协调。

表1 组件对象在物理结构上的关系集

图1为单级减速器结构约束-关系网络图(部分),其中的一些关系和约束的表达见表2。比如,在齿轮副gearpair组件对象、齿轮gear1组件对象和齿轮gear2组件对象之间存在着Has_Component关系对象RLT231和K_Joint关系对象RLT341,以及隶属于这些关系对象的约束对象 CS231、CS232、CS341 和 CS342 等,它们共同组成了一个局部的约束-关系网络,当某组件(如gear1)的属性发生变化时,则先通过关系对象RLT231和 RLT341将受影响的组件对象(gear2、gearpair等)关联起来,再利用隶属的约束对象CS231、CS232、CS341和 CS342等使受影响的组件对象的相应属性值产生变化,以维护几个组件对象之间的协调与一致。同理可分析其他组件间的协调与一致性维护。

图1 单级减速器的结构约束-关系网络图

表2 单级减速器中的一些结构约束-关系表达(简化)

2.1.2 通过语义关系、语义推理和约束实现一致性维护

由于在组件的功能、行为和结构之间存在一定的映射关系,故定义如表3所示的组件对象之间的语义关系集,据此给出单级减速器中的一些语义关系实例(表4),可以通过这些语义关系结合语义推理来实现相关组件对象间的关联和协调。功能域、行为域和结构域之间通常是双向映射的,所以实现相关组件对象间关联和协调的语义推理一般也需要经历正向推理和逆向推理两个过程。

表3 组件对象之间的语义关系集

表4 单级减速器中的一些语义关系表达(简化)

(1)逆向推理过程。假设设计者对组件A进行操作,引起其结构属性的变化,组件A结构属性的变化又引起其相关的行为属性(通过Achieve关系来确定)的变化,进而又影响到组件A相关的功能(通过Assure关系来确定)。

(2)正向推理过程。基于组件A的功能变化,通过功能连接关系Correlate来确定在功能上与组件A变化的功能语义相关的组件B,然后检查组件B相应的功能,找出影响该功能的相应行为(通过Assured_by关系来确定),再找出影响该行为的相应物理结构属性(通过Achieve_by关系来确定),对组件B的受影响的物理结构属性进行更新以便与组件A变化了的结构属性相协调,从而维护组件B与组件A之间的一致性。

假设取组件A为齿轮gear2,改变其结构属性参数(如齿数、模数等)将导致其强度性能行为(承载行为)变化(通过Achieve关系推理确定),而承载行为的变化将影响到其传递功率的功能(通过Assure关系推理确定)。基于受影响组件gear2的传递功率功能的变化,通过语义推理发现轴组件axis2的功能是传递功率与扭矩以及支承的回转零件,这与齿轮gear2变化的功能是相关的,因此可推理确定组件 B为 axis2(经由Correlate关系确定);而axis2的相应的行为主要是其承载能力,包括轴强度性能行为和轴刚度性能行为(通过Assured_by关系推理确定);进而推理确定影响axis2承载能力行为的相应的物理结构 axis2.OSru1(经由 Achieved_by关系确定),在结构对象OSru1中包含了axis2的结构属性参数(如直径、长度和材料等)及相应的约束、分析计算方法和知识;然后用这些约束、方法和知识对这些结构属性进行分析并作出更新,以便同齿轮gear2变化了的结构属性参数相协调。这种语义推理的方法更为灵活和柔性,也与设计人员的思维推理过程相吻合。

2.1.3 通过项目管理、关系和约束实现一致性维护

多个学科模型间有一些共同关注的组件,可通过项目管理和组件学科联盟关系将与共享组件相关的学科模型关联起来,再通过项目约束和相关学科模型的约束来实现不同学科模型间共享组件对象间属性参数的协调。项目管理模块负责进行产品设计项目配置,对各组件项目建立项目数据表等。当某学科基于产品设计项目配置进行学科视图模型构建时,若继承并实例化了某组件,则该学科的相关信息(如学科领域、地址、权限等)就被上传和记录在项目管理模块中关于该组件的项目数据表中,并生成该组件的学科联盟关系对象为学科关系名称,Rproj为该关系属于一种项目关系,MO指主学科对象,{CO}1指从学科对象(一个或多个),{C}0为隶属于关系R的多学科之间的项目约束。

当某学科对组件对象的属性进行了修改操作时,则组件对象的状态发生变化,经由项目管理模块和组件的学科联盟关系找到相关学科,并将变化了的状态信息传输给相关的学科模型,在项目管理模块和项目约束的控制和协调下,各相关学科模型依据自身的组件约束属性进行检测、判断和响应,实现彼此间的协调和一致性维护。

一般可设定在一次交互循环中,以一个学科为主学科,它拥有组件对象的改变权,而其他学科则为从学科,只有响应权和建议权。一次交互循环定义为从一个学科改变组件对象开始,直至学科间实现协调为止。若多学科设计者在同一时间内对产品模型进行并发操作,则需要采用特定的并发控制策略进行控制,其本质就是在一个学科对组件对象的相关数据进行修改和更新等操作时,使得其他学科暂停对这些数据的操作,即一个数据(集)在同一时间内只能被一个学科操作,以独占方式调用,从而避免出现并发冲突,保持产品数据的一致性。

如图2所示,齿轮副是结构设计、强度设计和摩擦学设计这三个学科共同关注的组件,当构建各自学科模型时,三个学科的相关信息就被记录在齿轮副项目的数据表中,并生成齿轮副学科联盟关系对象PRL1等(其他关系对象省略),PRL1将三个学科对象DStru、DStre和DTri关联起来,其中DStru为主学科。当DStru对齿轮副的参数值进行修改时,根据关系对象PRL1和齿轮副项目数据表,修改信息由项目管理模块自动传递到相关的学科对象DStre和DTri,而后面这两个相关学科则根据自身学科模型中的齿轮副约束集进行检测并作出响应,彼此进行协调,以维护学科模型间的一致性,同时,各学科模型均应遵守齿轮副组件项目中的约束规范 PCS1、PCS2、PCS3,即关于齿轮副输入功率、传动比和输入转速的约束。

图2 不同学科模型间共享组件间的协调

当某学科设计者对其学科模型进行改变时,通过综合应用上述关系、语义推理及项目管理等多种途径,将相关组件对象和相关学科视图模型关联起来,并应用相应的操作策略和方法实现多学科视图模型间的协调与一致性维护。

2.2 学科模型间的动态协调

在产品建模过程中,若某学科出于自身的考虑,在其现有模型的基础上,动态地添加或删除一些新的组件对象,此时的约束-关系网络处于变动状态,其他学科根据各自的需要,对自身的学科模型进行变动和更新,实现协调和一致性维护,约束-关系网络达到新的稳定状态,称之为学科模型间的动态协调。

通过语义推理来实现这种协调,关键是这些新添加的组件是否有其他学科所关注的功能语义。如图3所示,当某学科模型添加了新组件后,项目管理模块就将新组件的功能语义添加到动态功能语义库(为各学科共享的功能语义黑板)中。基于动态功能语义库,其他学科通过自身的组件选择知识库进行推理,判断新组件的功能语义是否是自己所关注的,若为自己所关注,则将新组件添加进自身的学科模型中,否则就忽略新组件。动态功能语义库按照设计项目进行分组管理,以提高推理时搜索和匹配的效率。

图3 基于功能语义的多学科模型间的动态协调

如图3所示,若结构设计学科在其学科模型中添加一个键组件(用虚线框表示,它具有两个一般的功能：周向固定和传递转矩),同时项目管理模块将其功能语义信息(键,“周向固定”,“传递转矩”)添加到动态功能语义库中,向其他学科进行发布,其他学科判断该组件功能语义是否为自己所关注。通过推理,强度设计学科认为“传递转矩”是它要关注的功能,因为载荷直接关系到键的抗剪强度与挤压强度问题,所以将键组件加入到本学科模型中;而摩擦学设计学科并不关注这两个功能(此处键为静连接),所以就不将键组件加入到本学科模型中。再如套筒组件(用虚线框表示),它的主要功能是实现轴上零件的轴向固定,当结构设计学科添加了该组件后,功能语义信息(套筒,“轴上零件的轴向固定”)被添加到动态功能语义库中,通过推理判断,强度设计学科和摩擦学设计学科都不关注套筒的这个功能,所以套筒组件就不会出现在强度设计学科模型和摩擦学设计学科模型中。同理,箱盖、箱座、轴1和轴 2等组件对象也不会出现在摩擦学设计的学科模型中,这是因为摩擦学设计主要关注的是动连接的组件对象。在具体实现上,各学科添加组件是通过从分布式组件类库中继承相应的组件类,再添加学科自身属性和方法的途径,在项目管理模块的管理下完成的,这样就便于维护和管理各学科模型间的约束和关系网络。

若在产品建模过程中,某学科出于自身的考虑要动态地删除一些组件对象,则需根据不同的情况分别进行处理。若组件对象仅隶属于该学科自身,则该学科可以从自身学科模型中删除组件对象,与这些组件相关的所有关系和约束一并删除,同时要从项目管理模块中将相应的组件项目删除;若组件对象同时还隶属于其他学科,则需所有相关学科均认可才能删除,且所有相关学科均应从自身学科模型中删除这些组件对象及相关的关系和约束,项目管理模块中相应的组件项目也同时删除。

3 结束语

产品设计始于功能需求,终于功能需求的满足,进行多学科视图模型间的协调和一致性维护,应该综合考虑多学科视图模型间在功能、行为和物理结构上多域多层次的关联关系,探讨相应的协调机制和一致性维护方法。本文对此进行了研究,在产品建模过程中,建立多学科视图模型间的功能-行为-结构多层次动态约束-关系网络,通过关系、约束、语义推理和项目管理等综合应用的约束-关系网络操作策略和方法,来实现多学科视图模型间的协调及共进化。以圆柱齿轮减速器为例的初步运行,表明了本文所述思想的可行性。

[1] Lottaz C,Smith I F,Nicoud Y R,et al.Constraintbased Support for Negotiation in Collaborative Design[J].Articial Intelligence in Engineering,2000,14(3)：261-280.

[2] Xue D,Xu Y.Web-based Distributed System and Database Modeling for Concurrent Design[J].Computer-aided Design,2003,35(5)：433-452.

[3] 何德林,王耕耘,李志刚.基于分布式约束网络的协同设计研究[J].计算机辅助设计与图形学学报,2002,14(4)：329-332.

[4] Gorti S R,Gupta GJ,Sriram RD,et al.An Object-oriented Representation for Product and Design Processes[J].Computer-aided Design,1998,30(7)：489-501.

[5] Roy U,Pramanik N,Sudarsan R,et al.Function-to-Form Mapping：Model,Representation and Applications in Design Synthesis[J].Computer-aided Design,2001,33(10)：699-719.

[6] Steven J F,Sebti F,Conrad B,et al.CPM2：a Core Model for Product Data[J].Journal of Computing and Information Science in Engineering,2008,8(1)：1-6.