协同设计

协同设计
2.1 协同设计技术的概念和特征
协同设计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。

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），他指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、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。

协同设计过程具有以下特征：
(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)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。

2.2 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，来融合不同的设计任务。

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：产品模型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，产品模型的建立一个逐步完善的过程，是多功能设计小组共同作用的结果。

为了满足设计各阶段对产品数据模型的不同需求，需要建立一个多视图的产品模型。

(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。

2.3 基于CAD的协同设计
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。

最重要的一种是应该致力于提供一种开发出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。

例如，针对CAD系统的特征，定义“网络化实时协同设计协议”，将是一个完全实时的网络化的协同设计方案。

内容包括数据类型和结构、数据对象模型、事件对象模型、网络通讯和信息交换、安全和验证等等，例如数据传输的格式，可以采用国际通用DXF形式，增强协议的开放性。

所有网络上能通过TCP/IP 协议相互访问的计算机，其中一方发生数据更改时，都将更改转换为一条或者多条协同指令，标识数据发生的变化，并向协同对方发送该指令，接受到指令的一方立即依据指令附带的参数，更新本地数据，达到数据的实时同步。

但是，在实现协同设计的过程中，还存在一些难点。

这其中除了技术难点以外，还有一些关于标准方面的障碍。

很多公司在解决这些问题方面也作了大量工作，但效果都不明显，没有哪个公司的方案被广泛接受。

设计主要的难点：
（1）基于开放技术标准的数据互动与共享，难点在于：文件格式的兼容或标准化、数据传输兼顾开放性与安全性、大项目大数据量实时交互。

（2）全面的、跨领域的协同平台，难点在于：不同专业设计者之间、分散的设计企业之间、供应商与企业之间以及用户与企业之间如何实现宛如一体的协同工作以求达到整体生命力的最大化。

2.4 三维协同CAD系统开发中的关键技术
(1)系统协同方式和实施实时协同设计中的并发控制策略；一方面，Internet 和Intranet技术的成熟使用使得设计者在不同的地域共同经行一项工作成为可能；另一个方面采用同步交流协作的方式也更符合人与人之间合作的习惯。

因此，协同设计平台可采用同步分布的协同设计方式。

同步协同设计是一种紧密结合的协同工作，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如同面对面的协商讨论。

(2)共享图形空间和协同感知技术：协同感知就是同时可以看到对方。

怎样
将单个用户的设计状态即时的展示给对方是首要解决的问题，它需要在网上实时传输产品模型和设计意图、需要有效地解决并发冲突、需要在各种CAD工具之间实现细粒度的在线集成等方面。

鉴于当前的网络的限制和系统的实时性的要求，可以采用特征操作信息提取后在复原的方法，完成协同用户间的共享图形空间的协同感知。

(3)支持多通信方式的网络管理层对的设计方案：实时协同设计中的协同用户之间可能传递协同控制信息、协同事物管理信息以及文字、图像和语音交流信息。

这些信息的流动性必然导致网络管理的复杂化，而且实时协同设计对信息的同步性有较高的要求，再加上网络所固有的延时性、信息传递过程中可能存在的数据丢失和无序性等不稳定因素，这种协同设计系统的网络管理必须有较高的效率调度和控制各种信息在网络上的流动，同时支持多路通信。

可采用不同形式的数据传输的方式来分别处理不同类型的协同信息，以减小信息分辨的复杂性，并且设计了协同通信协议以保证各种协同信息在网络上传输的可靠性和顺序性。

(4)分布式协同设计中的冲突检测和消除：协同设计是多个设计者共同参与的设计过程，必然导致冲突的产生，为了使协同控制负担在协同设计期间上的均与，提高系统运行的效率，可采用递进式的冲突检测方法，并使设计者能够及时的对存在的冲突进行协商，提供规避冲突的可能性。

(5)协同设计的事务管理：它是协同CAD系统中的重要组成部分，它使设计过程达到最优化，同时保证整个设计过程的数据一致性。

设计事务的管理具体包括设计用户的登陆管理、权限管理、设计版点。

只有设计组中的主设计师站点加载管理模块和共享信息模块，处理整个设计组的设计事务。

(6)同步设计中实时性的保障技术：三维CAD设计数据非常复杂，网络硬件对于大数据网络传输存在的空间不足问题，给实时性带来很大的障碍。

为了保证系统的实时性，系统对协同过程交流的主要信息部分，每次传输的是其增量部分，而且在进行网络传输时又将特征信息翻译为特征的操作描述，以进一步减小网络数据流量，这样就为实施协同设计提供基础和保障。

2.5 结束语
基于CAD的协同设计方法不但可以很好的满足实时性的要求，而且其协同过程中交流信息结构灵活，可扩展性强，对三维造型的结构描述完整，能很好地
支持各种协同工作的要求，对解决三维协同CAD系统开发中的关键技术有决定作用。

但是在实现协同设计过程中还存在一些技术难点，还有一些关于标准方面的障碍。

总体而言，总主要的难点还是标准化，开放化。

协同设计是一个系统工程，不仅仅是一个软件，每一个设计单元都可能对协同设计的需求都有不同，标准的制定推广都有一定的难度，所以目前在基于CAD平台的协同设计上，不是设法设计出一种通用的设计软件，而是提供一种标准，开放的平台，供其他软件开发者根据行业部门的需要开发出各种应用协同设计软件。