构建基于CSCD 技术的变压器产品协同式设计系统

李 程 申会卓 孙 杰 张宏斌 刘东升

（河北保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071056）

近年来，随着变压器制造业的快速发展，不少企业为了开拓更大的区域市场，纷纷到异地、甚至海外办厂。像天威保变，在秦皇岛和合肥都建起了规模宏大的变压器工厂。

有的新建异地工厂虽然拥有较为完善的设计部门，但是设计能力不可能同步到位，集中企业的设计资源组成动态团队，共同设计产品，有利于弥补企业技术资源的不足，缩短设计周期，降低设计成本。为了保证企业产品全生命周期的一致性，需要构建基于网络的计算机协同设计系统。

1 CSCD技术简介

计算机支持的协同设计 CSCD（Computer Supported Collaborative Design）是计算机支持的协同工作 CSCW（Computer Supported Collaborative Work）相关技术与 CAD技术相互结合的产物。它基于协同学的思想，利用计算机网络及成熟的CSCW技术，为异地的设计者之间提供交流、协调工作的手段和工具，使产品设计可以异地快速并行地进行，有效的缩短了设计周期。根据设计交互各方的地理位置和工作时间，CSCD的工作方式分类如图1所示。

图1 CSCD工作方式分类

2 变压器产品协同设计内容

变压器产品的设计过程往往由于产品的复杂性分为电磁设计→结构设计两大步骤。而且为了设计的可靠性，每个步骤都要经历从设计→校核→审查→审定等多个不同的阶段。电磁设计主要是电磁方案计算单设计，必要时辅以一些特殊的计算；结构设计分解为布置图设计、几大部件设计、总装配设计等。所以变压器产品设计整个过程是比较复杂的，需要多名具有不同经验和能力的技术人员参与，一个项目的设计团队往往由十多人组成。变压器产品设计流程如图2所示。

图2 变压器产品设计流程

目前行业所有企业普遍使用二维、三维的CAD软件进行产品的结构设计，CAD系统能有效地支持设计人员完成分工给他的设计任务。但是一般的应用并未涉及设计人员之间的沟通和协调。此外，在变压器产品的电磁设计阶段，还需要运用多种通用或专用软件进行计算分析，这些软件往往都不具备协同工作的能力。

基于此，变压器产品CSCD系统必须为设计者们提供一个强实时的、紧密耦合的共享工作空间作为协同设计的计算机环境，即CSCW环境，来支持群体间的交流。

变压器产品 CSCD系统需要具备产品设计信息、设计过程、设计工具、设计环境、设计通信的协同。为实现这些协同，需要做如下的工作。

1）制定适合企业自身特点的CSCD系统标准，规范设计的详细范围和工作流程，分级权限管理机制。

2）为参与项目的团队提供统一的软件工作环境，增强项目参与人员的信息沟通。

3）实现设计数据库、设计资源、项目文件以及设计文档版本的自动或人工统一管理。

3 系统架构的框架

基于企业自身特点以及变压器产品设计流程的模型分析，我们采用3层B/S结构来实现系统架构，如图3所示。系统包括协同应用层、协同服务层、协同支持层。

图3 协同系统的框架模型

协同应用层包括本地或异地的变压器产品设计项目团队，向所有设计人员提供统一的应用软件环境。每个成员承担不同的任务，并且可以从其他成员那里获取设计信息。

协同服务层具备强大的协同事件管理服务功能，提供产品设计流程、交互通信等功能。协同设计小组通过各种网络协议，如 HTTP、FTP等，与协同设计系统进行交互，实现设计图纸的浏览、评估、修改、校核、审查等功能。

协同支持层提供分布式公共数据管理、网络连接管理等功能。

4 系统架构的平台

我们采用美国PTC公司的Windchill系统，对变压器产品协同式设计流程中的计划、结构、图文档、BOM等进行管理。

Windchill是 PTC公司推出的一套集成应用软件，可用于管理产品设计的整个生命周期。它充分利用了 Internet和相关的信息技术，为系统提供了一种应用软件基础，从而保证能快速、高效地部署产品信息应用软件。

windchill具备3层体系的B/S结构，它能提供良好的应用集成接口，有效地和Pro/E、AutoCAD、Office等软件集成，使得各类数据在最大程度上共享，真正实现设计平台的协同。也就是说，它可建立一个跨企业的协同环境，用于产品和过程信息的共享和可视化，不管这些信息由什么样的源系统创建而成。对于和设计无关的其他人员，可以使用Web浏览器来访问、查看设计输出图档、文件以及向设计反馈信息。

客户端主要包括Web浏览器和Bootstrap client这两类。Web浏览器起着用户接口、执行windchill Applets、访问HTML页面的作用；Bootstrap client是可选的客户端组成元素，使用它可以从当地文件系统上下载类文件。

服务器层包含了主要的逻辑规则并且承担着处理所有工作数据的作用。它由HTTP Web服务器、HTTP网关、Method服务器、服务器管理器这几个组件组成，以实现数据库访问、客户端分布和交互、用户权限和安全机制的功能。

数据库层是保存元数据和大量的非结构数据的地方。数据库可以是一个专门的服务器或建立在windchill服务器主机上。

图4为整个系统的网络架构简图。

图4 协同系统的网络硬件架构

5 具体应用实现

5.1 系统构建的人员组织

在明确系统构建的目标以后，成立由PTC实施工程师、企业IT人员、企业设计人员组成的项目组。由PTC实施工程师主导，企业IT人员协作，企业设计人员配合联合实施、完成系统构建。

PTC实施工程师负责需求访谈及业务咨询、软件二次开发、生产环境配置文档及撰写培训讲义、系统部署推广计划等工作。本企业IT人员负责系统开发与配置、数据整理方法与指导、系统测试脚本与测试、生产环境部署与数据导入、系统上线与支持及后续系统支持。企业设计人员负责数据整理、管理制度建设、标准化、系统应用推进。

通常，变压器产品设计部门具有项目多、变更要求多的特点。该系统建立了基于 WEB的项目管理与沟通机制，根据产品设计过程和产品特征优化项目管理规范并定义至项目模板中，实现基于各类项目模板（如投标设计、产品设计、科研开发等）的项目资源在线配置和任务下达。通过将项目计划在系统中预发放，实现项目计划制定过程中项目组成员间的交互协同功能。并通过在线更新、预警功能实现技术与管理的协同。建立企业级产品设计数据库，以产品设计为中心，集中有效管理各种技术数据，构建异地协同设计平台，实现总部和集团所属异地企业的设计部门间、本企业设计部门各班组间顺畅的数据交换和有效地协同。

通过系统构建项目组成员的通力协作，为企业量身打造了符合自身特色的变压器CSCD系统。

5.2 变压器CSCD系统工作示例

以下简要介绍按照本企业变压器产品的设计过程定制的产品设计模版，以结构图纸设计流程为例。

项目成员通过电子邮件收到工作计划邮件，打开W inchill系统，如图5所示，在主页→概述界面中的工作总揽一栏中可查看自己的工作任务。

图5 项目成员查看工作任务

在项目主任已建好的项目文件夹内可查看相关的技术文件，如设计指导书、布置图、已设计好的部件图等，在存储库的相关电气设计文件夹中可查看技术协议、电磁计算单等。在本机完成自己的设计任务后，将完成的图纸检入到项目文件夹里自己新建的子文件夹内，并保存，工作自动提交到给流程的下一步。校核者利用windchill ProductView软件对图纸进行电子审阅和圈红批注，如图6所示，设计者或其他用户通过查看电子审阅记录和圈红批注实现交互协同。

图6 项目成员间的交互协同

设计者收到修改任务的电子邮件，查看校核者在备注中留下的简要信息及校核修改标记，到工作空间中，用CAD软件对图纸进行修改，最后将完成的工作检入保存。设计者每修改检入一次就会增加一次版本。并且所有版本都会在系统中保存，以备以后参考。根据需要重复以上流程，直至校核向下一步提交完成的工作。后续的审查、审定操作与此相同。最终审定的图纸提交入库，可以打印蓝图或以电子图的形式下发工艺、生产。此图纸设计项目到此完成。其他如投标设计、产品设计、科研开发等项目均可量身定制自己的项目模板。

此外，windchill还提供了高效率的协同式项目管理平台，以及实时的协同交流平台等多项协同应用功能。如图7所示，项目主任可以很方便的通过平台制定项目计划，对项目进行管理。

图7 项目管理

通过windchill ProductView还可实现基于网络的项目组间（异地或本地）在线协同交流，如图8所示。

图8 实时的协同演示、交流

6 结论

本文对基于CSCD技术的变压器产品协同式设计系统进行了研究，并针对企业自身特点，采用Windchill构建了一个支持 4种工作方式的协同式设计系统，并取得了良好的效果。从实际的应用来看，该系统能有效地实现变压器产品的协同设计，缩短设计周期，降低设计成本。从长远来看，变压器产品的CSCD技术必将成为行业企业设计信息化发展的新方向。

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[3]郭秀英,徐洪学,刘永贤.机械产品 CSCD 系统体系结构和实现框架[J].机械与电子,2006(1):56-58.