摘要：为了提高企业对市场的响应能力，对汽车制造这一庞大的系统工程，必须采用网络化制造模式，走多企业联合研制的道路，充分发挥各企业的优势，共享产品开发的资源和经验。因此研究异地设计、制造、管理与协同工作具有重要意义，协同数字化设计和制造是未来汽车制造业发展的必然趋势。
关键词：汽车；协同设计；数字化
中图分类号： TH122 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）04-0010-05
Research and Application of Collaborative Digital Design and
Manufacture for Automobile Industry
HU Wei-ming
（Dongfeng Yunnan Automobile Co.，Ltd. Kunming 650106，China）
Abstract： To improve the ability to response of market，the network manufacturing mode must be adopted to research on the great system engineering about automobile. And the road should go along，which is to combine the multi—enterprises to exert advantage of them，and to share the resource and experience about products development when they are in co-researching . Therefore，it is meaningful to research into other places design，manufacturing，management and Collaborative work. collaborative digital design and manufacturing is the inevilable trend of the automobile industry in the future.
Key words： automobile；collaborative design；digital.
随着信息技术和网络技术的飞速发展，汽车制造业生存和发展的外部环境发生了重大变化——客户对产品的价格、交货期、质量、环保、售后服务的要求越来越高，社会需求日益多样化、个性化。这就要求汽车制造业建立一种按市场驱动的、具有快速反应机制的网络化制造模式。该制造模式是以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征，而柔性化和敏捷化的前提是数字化。目前国内许多汽车生产企业在其设计阶段采用了数字化产品开发技术，但仍不能满足市场对各类汽车的旺盛需求，因此必须采用网络化制造模式，走多企业联合研制的道路，充分发挥各企业的优势，共享产品开发的资源和经验。
1 协同设计的基本概念
1.1 协同设计的产生背景
20世纪80年代以来，随着市场竞争的不断加剧，人们纷纷寻找新技术、新方法来改进自己的产品开发模式，出现了CIMS、精益生产、并行工程、敏捷制造和虚拟设计等涉及技术、企业管理体制的新概念，使企业组织管理、任务分配、工作协调、信息交流等方式发生了根本的变化。
与此同时，计算机应用也逐步从单用户工作模式向分布式的多用户协作模式过渡，人机交互理论逐渐成熟，出现了“计算机支持的协同工作”（Computer Supported Cooperative Work，CSCW）的概念。CSCW是美国MIT的Irene Greif和原DEC公司的Paul Cashman于1984年提出的，它将计算机科学、社会学、心理学、认知科学、人机工程学等多个学科综合于一体，形成了一个新兴而重要的研究和应用领域。
自CSCW概念提出后，其研究及应用价值引起了全世界专家和学者的兴趣，许多人投入到CSCW的研究之中。尤其是互联网的出现，使CSCW在通信、分布式系统、数据库系统、并行工程、多媒体信息处理、人机界面等方面取得了一系列突破性成果，协作的发展也完成了从简单到复杂、从支持工作组级的小规模协作到跨机构的、全球范围内的大规模协作过程，人们成功地开发出基于网络的会议系统、电子邮件系统、工作流管理系统等。在此背景下，CAD与CSCW技术相融合的产物——计算机支持下的协同设计CSCD（Computer Supported Cooperative Design，CSCD）应运而生。
1.2 协同设计的定义
CSCD是指在计算机的支持下，各异地协作成员围绕一个共同的项目，承担相应部分的设计任务，并行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。协同设计的目的是为了实现不同领域、不同层次人员对信息和资源的共享，协调处理各种耦合、冲突和竞争，完成跨领域、跨时空的协作，以满足变化多端的市场需求。它通过对复杂产品设计过程的重组，建模优化，建立协同设计开发流程，并利用CAD/CAM/CAPP、PDM、虚拟设计等集成技术与工具，系统地进行产品开发。它不但可以体现面向用户的设计、面向制造的设计、面向装配的设计等现代设计技术，而且还可体现现代管理技术。
协同设计的概念主要反映在设计信息的“并行”共享，即设计者能在“适当”的时候，采用“适当”的方法，在“适当”的地方，以“适当”的形式，存取“适当”的设计信息。这里强调五个“适当”是因为协同行为发生在不同地点和不同时间。CSCD中协同的含义可以从以下几个方面来理解。
（1）产品设计信息的协同
在协同设计时，各设计者在使用同一产品信息模型的过程中，由于同一信息源在不同设计环境中描述不尽相同，不同的设计群体出于各自的需要，对信息的使用也存在着差别。因此，存在着不同设计者之间设计信息的协同。
（2）设计过程的协同
多个领域的设计者在共同完成一项复杂设计任务的过程中所承担完成的子任务之间存在着一定的关联，它们可能是前后串行依赖关系，也可能是并行独立关系，还可能是交叉耦合关系。可见，设计者所承担的子任务间存在的关联性决定了设计活动必须按照一定顺序协调一致地完成，这样才可以避免设计者因对时序控制不好而造成的过程冲突。
（3）设计人员之间的协同
协同设计采用的是群组工作方式，产品设计是通过不同领域专业人员的相互配合完成的，这就不可避免地需要解决两个方面的问题：一是不同领域人员之间的配合与协同问题；二是同一领域不同层次设计人员之间的配合与协同问题。另外，在大型复杂产品的设计中，一位设计人员可以承担多个工作——在某个任务中担任设计员或在另一个任务中担任审核员，这对设计人员之间的协同就更为复杂。所以，一般的系统将设计人员授予一定的角色，通过对角色的控制来实现设计人员之间的协同。
（4）设计环境的协同
协同设计是不同部门、不同企业之间的设计活动，不同企业的设计环境存在差别，并且随着设计进程的推进而不断变化着，对异构环境下设计者之间的通信必须就设计者之间对知识理解与表达方式的转换进行协调。由于不同设计者使用的设计工具不一定相同：有的设计者使用PRO/E软件，有的使用IDEAS软件，有的使用Ansys软件。各软件设计结果的显示方式不同，需要提供这些设计工具的协同交互组件。所以，异构设计环境的集成是协同设计系统的一个重要内容。
（5）工作模式上的协同交互
协同设计工作模式大致可以分为面对面同步交互、异步交互、同步分布式交互和异步分布式交互四种类型。面对面同步交互是指设计人员通过CSCD系统在同时间、同地点进行设计的工作模式，如召开决策会议时，采用并发控制策略以保证多个专家访问同一个设计对象的过程中，数据完整且一致；异步交互是指在不同时间、同一地点异步交互的工作模式，如Team Work成员使用的公告栏，是一种非实时交互类型；同步分布式交互是指在同一时间、不同地点的工作模式，如共享CAD、视频会议系统；异步分布式交互是指在不同时间、不同地点的工作模式，如Team Work成员使用的E-Mail、分布式数据库等。四种类型中，同步分布式交互模式实现的难度最大。
1.3 协同设计的模式
随着并行设计的发展，人们发现对复杂产品的设计，采用并行方式解决问题还不够，需要从更高层次上协调处理并行过程中棘手的各种耦合、冲突和竞争，实现各领域、各小组人员对信息和资源的共享，以群体协同工作为主的协同设计是并行设计向前发展的必然结果。协同设计使不同地点、不同领域的人员以及客户能同步或异步地进行产品开发，充分利用网络共享信息，靠集体智慧来进行决策。它强调信息共享，各阶段可以同时进行工作，概念设计人员甚至可以在市场调查人员完成任务之前就开始他们的任务。为了保证数据模型的一致性和安全性，协同设计必须建立一个统一的信息模型。在所有设计完成之前，各阶段生成的数据是不完整的，而通过协同设计，数据通过统一的信息模型进行共享，可以得到及时的修改和交互操作。
协同设计流程见图1，图中各模块之间的信息可以随时交互。协同工作小组在前阶段工作小组完成任务之前就可以利用对方已做的工作和传递来的信息开始工作，相关工作小组之间的信息传输与传递是持续的。设计工作每完成一部分，就将结果输出给相关过程，设计工作逐步完善。工作小组不再有输入需求时，设计工作也就完成了。由于协同设计对网络和相关支持工具集成化程度的利用较并行工程更充分，所以其完成产品设计时间也较并行工程少。
2 汽车产品协同数字化设计系统的主要内涵
2.1 汽车产品协同数字化设计系统的功能需求
（1）满足客户个性化需求
在激烈的市场竞争中，人们对产品的要求越来越高，除功能、质量和价格外，还要求考虑产品的外观、耐用性等其他因素。满足客户的个性需求己成为现代企业的经营宗旨，许多企业尝试利用网络为客户提供可以定制不同类型、不同型号的汽车产品，并且尽可能提供产品开发者与客户动态交流的窗口，以使设计人员随时了解客户的个性化需求，快速开发出多功能、多样化的汽车产品。
（2）实现设计制造的数字化
随着人们对产品精度要求的提高，数字化设计制造技术逐渐成为改造传统产业、实现技术创新和产业升级的有力手段。在汽车产品开发过程中，需要吸收数字化技术并采用数字化装置，通过计算机对汽车产品设计制造过程进行有效地控制，重点突破汽车产品数字化定义、数字化预装配和产品数据管理，以实现真正完全无图纸的汽车产品数字化设计和虚拟制造。
（3）实现设计制造的网络化
网络技术的迅速发展，使企业可以通过互联网，针对世界上任何地域的用户定单组成动态联盟，利用各种分布的、异构的设计与制造资源，进行异地设计与制造。为了实现汽车产品的协同设计，必须借助网络技术，构建CAD、CAE、CAPP和CAM等的网络环境，提供网络通讯与资源共享的工具。
（4）协同工作的需求
汽车产品可以分解为若干功能模块，这些模块又可以分别划分给不同的设计团队，团队之间经常需要交流和协作。就同一模块的设计而言，当CAX人员并行工作时，他们相互之间也需要频繁地交流和协作。不同团队、不同人员之间协同工作的效率决定了汽车产品开发的质量和速度。为了提高协作效率，需要协调好协同设计过程中的各种耦合、冲突和竞争，建立一个协同机制，有效地实现项目管理、任务规划、进度监控、冲突检测与消解等管理工作。
（5）面向产品全生命周期的需求
汽车产品种类繁多，为了满足客户的需求，必须在产品开发初期全面考虑市场需求、设计、制造、销售、维护服务、回收再用等产品全生命周期各阶段施加的设计约束。然后建立面向汽车产品全生命周期的、统一的、具有可扩充性和能表达不完整信息的产品模型，研制相应的CAX/DFX封装组件，力求汽车产品全生命周期中所有相关因素在产品设计阶段就能得到综合规划和优化，以达到设计“一次成功”，避免和减少在设计后期发现错误而导致的返工。
（6）数据交互与共享的需求
在汽车产品开发过程中，涉及到大量的设计数据、分析数据、制造数据等，这些数据彼此关联且动态变化，为了处理异质异构的数据与三维图形，必须研究基于网络的汽车产品数据交互与共享的机制，以保证设计数据的正确。
2.2 汽车产品协同数字化设计系统的工作流程
汽车产品协同数字化设计系统的工作流程见图2。
客户、盟主、盟员可以通过登录网页，在动态网页的指导下，完成相应的工作。针对某项具体的汽车产品设计任务，盟主在分析客户需求、接受客户任务后，进行任务规划：将设计任务分解，并发布投标信息；根据合作伙伴的投标情况，组建设计联盟，确定盟员。盟员中的设计负责人主要进行任务投标、任务分解与发布、设计授权、设计审核/批准、任务协调等关键性负责工作；盟员中的设计人员主要接受和完成分配到的子任务，对重要零部件进行设计，还可以请求CAE、CAPP盟员等其他多领域人员的帮助，共同完成设计工作。对于CAD设计中内部存在的问题，CAD盟员设计负责人可以召开内部会议进行裁决，对于自身无法解决、需要其他盟员评判的问题，可以请求盟主召开联合会议共同裁定。
3 结语
协同设计以及协同理论等方面的研究，在汽车行业上的应用处于起步阶段，对有关的多项关键技术进行探索和研究，包括异地协同数字化设计和制造技术、虚拟产品开发技术、异地产品数据管理技术、异地协同工作技术等，对汽车行业多企业联合进行汽车研制和异地联合生产模式具有重要意义。
参考文献：
［1］ 龙晓苑. 数字化艺术［M］. 北京： 北京大学出版社，2000.
［2］ 芮延年，刘文杰，郭旭红. 协同设计［M］. 北京： 机械工业出版社，2003，（4）.
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