并行协同设计中的工业产品数据管理技术研究

何宏璧　高鹏　张志霞

摘 要： 并行协同设计环境下的工业产品数据管理技术，包括分布环境下的数据集成策略，协同设计环境中的产品数据模型表示方法，约束联动处理等内容。研究产品空间几何数据、生产特征数据、创成过程数据之间的关联模型、基于约束的相互驱动，以及并行设计中的产品模型冲突处理，并给出并行协同设计系统的总体结构。该技术的应用可使一些传统的技术难题得到很大程度的简化。

关键词： 并行协同设计； 产品数据管理； 约束联动； 设计冲突

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0084?03

Abstract： Industrial product data management technology in the parallel collaborative design environment includes the data integration strategy in the distributed environment， representing method of product data model in collaborative design environment， constraint management， etc. The association model among the product spacial geometric data， product feature data and creative procedure data， constrain?based mutual driving， as well as confliction handling of product model in the process of concurrent design are researched in this paper. The overall architecture of the parallel collaborative design systems is given. The application of this technology can make some traditional technical difficulties simplified greatly.

Keywords： parallel collaborative design； product data management； mutual driving restraint； design confliction

在并行协同设计中，各种角色的设计人员在分布式网络环境下，同时对同一产品进行设计，这样，可以最大限度地缩短产品的设计周期与质量，是现代产品设计手段中最重要的进步[1]。在网络环境中的并行协同设计，不但要求传统设计方法与系统要加以转变以适应新的环境与工作方式，而且出现了许多新的研究课题，其中包括并行协同设计的工作机制、分布环境中的产品数据管理、不同角色设计行为的表示与协调以及并行协同设计的过程控制等内容[2?4]。

本文重点研究并行协同设计环境中的产品数据管理技术，具体包括可被各设计者共同理解与操作的产品模型表示方法，产品创成要素间基于约束的相互驱动以及并行设计中的产品模型冲突处理等内容。

1 分布环境下的产品数据集成策略

相比传统的单机设计系统，异地分布的网络环境下的产品数据集成主要有以下四个方面的转变：从单机环境转变为异地分布的网络环境；从串行处理方式转变为并行处理方式；从人机交互转变为人人直接交互；从期望完全摆脱人的干预转变为充分发挥人的作用。

在并行协同设计环境中，各种设计人员可以对以下几个方面的数据实现共享：空间几何数据；生产特征数据和产品创成过程数据。在传统单机设计环境中，这些数据独立存在且互不相关，甚至不存在于同一个数据存储单元中（见图1）。

毫无疑问，在并行协同设计环境中，组成产品模型的各种类型数据之间必须是相互关联的，这就需要对产品数据进行有机的集成。在协同设计环境中，产品数据集成的策略可以概括为：

（1） 各种产品数据必须集中存放，但能被各设计角色所共享；

（2） 各设计角色不但能同时对同一产品模型进行操作，并且能对同一模型的同一组成元素进行操作；

（3） 集成存放的各种产品数据之间必须具有有机的相互关联关系；

（4） 同类型数据之间、不同类型数据之间必须能够实现设计过程中基于约束的相互驱动；

（5） 产品模型必须能够正确处理并行设计中的各种冲突。

2 产品数据模型的表示

产品模型表示的关键问题是，被网络共享且并行操作的产品数据模型各组成部分之间如何实现相互之间的有机关联[5]。本文提出以产品创成数据（通常以CSG树表示）为桥梁，实现空间几何数据与生产特征数据之间的关联，从而形成一个完整的关联模型。CSG树的每一个产品创成结点不但与该结点对应的空间几何模型数据关联，并且与相关的生产特征数据相关联，从而将整个模型统一起来。以CSG树为纽带，统一产品模型是一个大的策略，但在具体实现中还有几个问题需要正确处理：

（1） 对有相互关联关系的CSG树结点数据，在模型中要能正确表示与处理。本文采用模型约束数据来表示。模型约束数据记录了CSG树中各结点的各种相互关联关系，包括空间几何约束关系、生产工艺约束关系、生产顺序约束关系、设计联动约束关系等。

（2） 产品数据模型中需要对上述各种约束的处理规则与算法进行完整正确的表示，并与模型约束数据相关联。约束处理规则能够正确处理并行设计中的设计联动问题，也就是说，一个设计动作的发生，可能会导致模型约束数据及其处理规则实现相应的一系列设计动作的发生。

（3） 约束联动的问题只是解决设计动作的联动问题，但并不能解决设计动作的冲突问题[6]。例如，两个设计人员同时对产品的同一个部位进行修改，对这样的操作必须进行正确的协调。针对对这一问题，首先应该在并行协同运行机制层面正确解决，例如在一些操作过程中应用锁机制（共享锁、临界锁、独占锁）。在产品数据模型层面，同样也需要提供冲突解决的数据支持能力，为此需要设计专门的冲突支持数据模型。显然，约束联动规则与冲突解决模型数据之间具有关联关系。

以上的模型数据，再加上传统产品模型中应有的空间几何数据模型与生产特征数据模型，以及相互之间的关联关系，就组成了一个完整的并行协同设计环境中的产品数据模型表示，如图2所示。

3 约束联动与设计冲突

对空间几何模型数据、产品创成模型数据、生产特征模型数据，传统单机设计模型中都有成熟的表示方法，在并行协同设计环境中，还是可以采用这些方法，这里不再赘述。而约束联动模型数据与冲突解决支持模型数据却是新的并行产品数据模型中的新内容，需要研究其表示方法。

3.1 约束联动

约束联动模型数据是产品数据模型中的重要组成部分，同时是传统产品模型中没有的部分，属于新的表示内容。这其中有两部分相关的数据，一部分是约束表示模型数据，另一部分是约束处理规则模型数据。

约束表示模型数据可以用简单的二维关系型数据库表来表示[7]，其元素包括约束类型、约束参与元素（CSG结点）等；对于约束处理规则模型数据，由于约束处理规则多种多样，所以需要采用二维表与各种静态数据相关联的方法来表示，包括规则处理静态库、批处理文件、数据算法库、几何算法库等。

3.2 设计冲突

在并行协同设计中，必须正确处理设计冲突，这是非常重要的。首先，在并行设计系统的应用层面，处理该问题最有效的方法需要有以下两个数据层面的要素支持：

（1） 锁模型数据。不同角色的设计人员在并行对同一产品数据模型进行操作时，如果并发产生，必须用锁保护，锁数据就成为产品模型数据的重要组成部分。一般锁模型数据分为共享锁、临界锁、独占锁等，不同的锁模型数据应对不同的并发控制。

（2） 冲突规则。冲突发生时如何处理，完全智能的专家系统当然是最理想的，但最有效、最简单的方法则是将常用的冲突处理规则存储下来，以供使用，这当然也包括了不同情况下，上述三种锁数据的复杂组合。这样，就形成了冲突规则模型数据。

目前，冲突支持模型数据设计暂时包括以上两种类型的数据，当然，还可以根据需要进行扩充。

4 并行协同设计系统总体结构

产品数据模型是并行协同设计系统建设的基础，是最核心的环节。其概念结构如图3所示。

并行设计的操作者，是应该基于Intranet/Internet的网络环境进行工作的，在产品数据模型中，是由空间数据库与传统关系数据库共同关联组成的。

5 结 语

本文对并行设计方式下产品数据管理的一些关键技术进行了研究，提出新的集成策略，研究了有机混合表示的产品数据模型，包括约束与冲突模型数据表示及其处理支持，使一些传统的技术难题能够得到很大程度的简化。并行协同设计环境下的产品数据管理的研究具有广阔的应用前景与非常重要的意义。

参考文献

[1] MILD Saad， LOU M M. Shared understanding in computer?supported collected design [J]. Computer Applications， 2006， 3（28）： 183?192.

[2] HE Xiao?zhao. Product information management in concurrent & collaborative design [C]// Proceedings of The 16th World Computer Congress. [S.l.]： [s.n.]， 2000： 1111?1117.

[3] 于加晴，查建中，陆一平，等.面向复杂产品的分布式协同设计系统[J].中南大学学报：自然科学版，2010，41（2）：539?545.

[4] 阴艳超，刘泓滨.广义动态约束满足问题的一种双层组合启发式求解算法[J].机械工程学报，2011，47（3）：166?173.

[5] LENAU T， MU L. Features in integrated modelling of products and their production [J]. Computer Integrated Manufacturing， 2005， 6（1）： 65?73.

[6] 刘寅东，苏绍娟.船舶并行协同设计环境及关键技术[J].大连海事大学学报，2011，37（1）：25?28.

[7] 钟艳如，覃裕初，黄美发，等.基于特征表面和空间关系的公差表示模型[J].机械工程学报，2013，49（11）：167?170.

（3） 约束联动的问题只是解决设计动作的联动问题，但并不能解决设计动作的冲突问题[6]。例如，两个设计人员同时对产品的同一个部位进行修改，对这样的操作必须进行正确的协调。针对对这一问题，首先应该在并行协同运行机制层面正确解决，例如在一些操作过程中应用锁机制（共享锁、临界锁、独占锁）。在产品数据模型层面，同样也需要提供冲突解决的数据支持能力，为此需要设计专门的冲突支持数据模型。显然，约束联动规则与冲突解决模型数据之间具有关联关系。

以上的模型数据，再加上传统产品模型中应有的空间几何数据模型与生产特征数据模型，以及相互之间的关联关系，就组成了一个完整的并行协同设计环境中的产品数据模型表示，如图2所示。

3 约束联动与设计冲突

对空间几何模型数据、产品创成模型数据、生产特征模型数据，传统单机设计模型中都有成熟的表示方法，在并行协同设计环境中，还是可以采用这些方法，这里不再赘述。而约束联动模型数据与冲突解决支持模型数据却是新的并行产品数据模型中的新内容，需要研究其表示方法。

3.1 约束联动

约束联动模型数据是产品数据模型中的重要组成部分，同时是传统产品模型中没有的部分，属于新的表示内容。这其中有两部分相关的数据，一部分是约束表示模型数据，另一部分是约束处理规则模型数据。

约束表示模型数据可以用简单的二维关系型数据库表来表示[7]，其元素包括约束类型、约束参与元素（CSG结点）等；对于约束处理规则模型数据，由于约束处理规则多种多样，所以需要采用二维表与各种静态数据相关联的方法来表示，包括规则处理静态库、批处理文件、数据算法库、几何算法库等。

3.2 设计冲突

在并行协同设计中，必须正确处理设计冲突，这是非常重要的。首先，在并行设计系统的应用层面，处理该问题最有效的方法需要有以下两个数据层面的要素支持：

（1） 锁模型数据。不同角色的设计人员在并行对同一产品数据模型进行操作时，如果并发产生，必须用锁保护，锁数据就成为产品模型数据的重要组成部分。一般锁模型数据分为共享锁、临界锁、独占锁等，不同的锁模型数据应对不同的并发控制。

（2） 冲突规则。冲突发生时如何处理，完全智能的专家系统当然是最理想的，但最有效、最简单的方法则是将常用的冲突处理规则存储下来，以供使用，这当然也包括了不同情况下，上述三种锁数据的复杂组合。这样，就形成了冲突规则模型数据。

目前，冲突支持模型数据设计暂时包括以上两种类型的数据，当然，还可以根据需要进行扩充。

4 并行协同设计系统总体结构

产品数据模型是并行协同设计系统建设的基础，是最核心的环节。其概念结构如图3所示。

并行设计的操作者，是应该基于Intranet/Internet的网络环境进行工作的，在产品数据模型中，是由空间数据库与传统关系数据库共同关联组成的。

5 结 语

本文对并行设计方式下产品数据管理的一些关键技术进行了研究，提出新的集成策略，研究了有机混合表示的产品数据模型，包括约束与冲突模型数据表示及其处理支持，使一些传统的技术难题能够得到很大程度的简化。并行协同设计环境下的产品数据管理的研究具有广阔的应用前景与非常重要的意义。

参考文献

[1] MILD Saad， LOU M M. Shared understanding in computer?supported collected design [J]. Computer Applications， 2006， 3（28）： 183?192.

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[3] 于加晴，查建中，陆一平，等.面向复杂产品的分布式协同设计系统[J].中南大学学报：自然科学版，2010，41（2）：539?545.

[4] 阴艳超，刘泓滨.广义动态约束满足问题的一种双层组合启发式求解算法[J].机械工程学报，2011，47（3）：166?173.

[5] LENAU T， MU L. Features in integrated modelling of products and their production [J]. Computer Integrated Manufacturing， 2005， 6（1）： 65?73.

[6] 刘寅东，苏绍娟.船舶并行协同设计环境及关键技术[J].大连海事大学学报，2011，37（1）：25?28.

[7] 钟艳如，覃裕初，黄美发，等.基于特征表面和空间关系的公差表示模型[J].机械工程学报，2013，49（11）：167?170.

（3） 约束联动的问题只是解决设计动作的联动问题，但并不能解决设计动作的冲突问题[6]。例如，两个设计人员同时对产品的同一个部位进行修改，对这样的操作必须进行正确的协调。针对对这一问题，首先应该在并行协同运行机制层面正确解决，例如在一些操作过程中应用锁机制（共享锁、临界锁、独占锁）。在产品数据模型层面，同样也需要提供冲突解决的数据支持能力，为此需要设计专门的冲突支持数据模型。显然，约束联动规则与冲突解决模型数据之间具有关联关系。

以上的模型数据，再加上传统产品模型中应有的空间几何数据模型与生产特征数据模型，以及相互之间的关联关系，就组成了一个完整的并行协同设计环境中的产品数据模型表示，如图2所示。

3 约束联动与设计冲突

对空间几何模型数据、产品创成模型数据、生产特征模型数据，传统单机设计模型中都有成熟的表示方法，在并行协同设计环境中，还是可以采用这些方法，这里不再赘述。而约束联动模型数据与冲突解决支持模型数据却是新的并行产品数据模型中的新内容，需要研究其表示方法。

3.1 约束联动

约束联动模型数据是产品数据模型中的重要组成部分，同时是传统产品模型中没有的部分，属于新的表示内容。这其中有两部分相关的数据，一部分是约束表示模型数据，另一部分是约束处理规则模型数据。

约束表示模型数据可以用简单的二维关系型数据库表来表示[7]，其元素包括约束类型、约束参与元素（CSG结点）等；对于约束处理规则模型数据，由于约束处理规则多种多样，所以需要采用二维表与各种静态数据相关联的方法来表示，包括规则处理静态库、批处理文件、数据算法库、几何算法库等。

3.2 设计冲突

在并行协同设计中，必须正确处理设计冲突，这是非常重要的。首先，在并行设计系统的应用层面，处理该问题最有效的方法需要有以下两个数据层面的要素支持：

（1） 锁模型数据。不同角色的设计人员在并行对同一产品数据模型进行操作时，如果并发产生，必须用锁保护，锁数据就成为产品模型数据的重要组成部分。一般锁模型数据分为共享锁、临界锁、独占锁等，不同的锁模型数据应对不同的并发控制。

（2） 冲突规则。冲突发生时如何处理，完全智能的专家系统当然是最理想的，但最有效、最简单的方法则是将常用的冲突处理规则存储下来，以供使用，这当然也包括了不同情况下，上述三种锁数据的复杂组合。这样，就形成了冲突规则模型数据。

目前，冲突支持模型数据设计暂时包括以上两种类型的数据，当然，还可以根据需要进行扩充。

4 并行协同设计系统总体结构

产品数据模型是并行协同设计系统建设的基础，是最核心的环节。其概念结构如图3所示。

并行设计的操作者，是应该基于Intranet/Internet的网络环境进行工作的，在产品数据模型中，是由空间数据库与传统关系数据库共同关联组成的。

5 结 语

本文对并行设计方式下产品数据管理的一些关键技术进行了研究，提出新的集成策略，研究了有机混合表示的产品数据模型，包括约束与冲突模型数据表示及其处理支持，使一些传统的技术难题能够得到很大程度的简化。并行协同设计环境下的产品数据管理的研究具有广阔的应用前景与非常重要的意义。

参考文献

[1] MILD Saad， LOU M M. Shared understanding in computer?supported collected design [J]. Computer Applications， 2006， 3（28）： 183?192.

[2] HE Xiao?zhao. Product information management in concurrent & collaborative design [C]// Proceedings of The 16th World Computer Congress. [S.l.]： [s.n.]， 2000： 1111?1117.

[3] 于加晴，查建中，陆一平，等.面向复杂产品的分布式协同设计系统[J].中南大学学报：自然科学版，2010，41（2）：539?545.

[4] 阴艳超，刘泓滨.广义动态约束满足问题的一种双层组合启发式求解算法[J].机械工程学报，2011，47（3）：166?173.

[5] LENAU T， MU L. Features in integrated modelling of products and their production [J]. Computer Integrated Manufacturing， 2005， 6（1）： 65?73.

[6] 刘寅东，苏绍娟.船舶并行协同设计环境及关键技术[J].大连海事大学学报，2011，37（1）：25?28.

[7] 钟艳如，覃裕初，黄美发，等.基于特征表面和空间关系的公差表示模型[J].机械工程学报，2013，49（11）：167?170.