摘要：利用Internet/Intranet网络平台，实现产品用户和设计人员协同完成产品外观设计是工业设计领域发展的一个新概念，本文将Internet/Intranet环境下协同工作系统的理论和方法应用于产品工业设计中，并着重研究了构建工业协同设计原型系统的几个关键技术。

1 国内发展概况

国外在这方面的研究主要集中在欧、美等工业发达的国家，最典型的是美国通用电器研究和开发部1996年建立的“计算机辅助制造网络(CAMnet)”，它通过Internet提供多种制造支撑服务，如产品设计的可制造性、加工过程仿真及产品的试验等，系统主要为公司成员和客户提供服务。

国内的研究还主要在一些高校和科研院所进行。香港大学机械系在Internet上构建了一个基于Web的远程设计系统，用于花瓶的造型设计：西安交通大学CIMS研究所构建了一个远程协同工作原型系统，解决远程设计用户共享设计工具的问题，它可以通过Internet让远程用户使用研究所的SolidWork、ProE、MDT等专业设计平台。四川大学CAD/CAM 研究所构建了凸轮远程协同设计系统，让用户能够通过Internet对凸轮运动机构的轮廓面进行设计，此系统发布在四川大学制造学院的网站上(http：//WWW.msec.scu.edu.cn)。但这些系统距离实用化都还有一定的距离。

2 NICDPS的构建

1. 系统开发的目标
   工业产品种类繁多，设计任务的领域知识依赖性强，如果针对各个产品独立地开发自己的各种协同设计系统，重新构建系统的知识框架，将会耗费大量的人力和物力，延长了系统的开发时间。因此利用现代设计方法学的有关理论，总结产品设计的共性特征，构建一些通用的协同设计应用构件，利用这些构件快速的生成自己应用系统，是协同设计应用系统构建的一种通用方法。本文针对这种需要，分析、提炼了协同设计系统的一些共性应用，构建了基于协同工作原理的工业设计原型系统，它实现的目标有：

   1. 成为一个能沟通具有专业知识的专业设计人员和不具有专业知识的用户群的网络协作平台，为时空上分布的协同者提供视频会议、电子白板、在线交谈、电子邮件、应用共享以及远程控制等，集声音、图象、图形、文字并茂的多媒体合作界面和信息交互手段。
   2. 采用Web技术实现异构环境下产品数据模型的管理。由于网络协同设计的组织结构具有极大的灵活性，它的设计成员是跨区域、跨领域的合作，他们使用的开发工具、开发环境可能是各不相同的，因此传统的数据库技术难以适应协同设计过程中信息交互的需要，必须提供一个通用的数据交换接口。本系统采用Web数据库技术，构建了一个通用的数据接口，实现对异构分布式数据源的透明管理。
   3. 智能Agent比传统的专家系统具有更高的自治能力，并能主动适应周围的环境。在Multi-Agent系统中，自然人作为一群特殊的Agent参与协同过程，它为Agent的知识获取以及Agent的成长提供了良好的外部环境。
   4. 协同设计的前提是能提供一个基于全域知识的任务划分、任务调度的系统控制机制。以前的做法多采用一个指定中心控制节点，负责全域的知识管理和任务规划，但它的灵活性和开放性差。而在一个完全的分布式网络环境下，不可能存在一个“无所不知、无处不在”的中心控制节点，所以系统应该提供了一个基于Agent的、分层分解、逐步细化的任务划分和调度的机制。
2. 系统原型框架
   Multi-Agent网络协同设计系统采用Web技术将不同区域的专业技术人员、客户和设计资源组织在一起，提供一个协同完成产品设计任务的网络环境，将产品设计及其相关过程延伸到客户端，以保证设计出真正满足客户需要的产品。NICDPS功能模型如图1所示。
   图1 NICPS原型系统框架
   Internet/Intranet层提供了协同工作系统的网络平台，采用Internet/Intranet作为协作平台的优势在于：

   1. 日益发展的Internet/Intranet用户群体提供了协同工作天然的物质基础，它的普及使得用户得到最廉价、方便、实用的网络接入：
   2. Internet/Intranet网络系统的可伸缩性强。它是由高度自治的节点组成松耦合的联邦结构，节点可以自由的进入和退出，这一特性正好满足协同工作系统的需要。
   3. Java语言的广泛应用为Internet/Intranet平台下Web技术的开发提供了强有力的支撑，它的平台无关性，以及“一处编程，到处运行”的特点使得分布式异构环境下系统集成成为可能。
   过程管理、任务管理、资源管理、协同工具集、产品信息模型及其管理等几部分构成协同设计的低层支持。设计任务管理负责任务的分解、子任务的粒度控制、子任务的调度等功能。设计过程管理提供对设计事物的建立、维护，设计版本的管理等手段，处理分布式环境下任务求解过程中互锁、死循环等求解陷阱。设计资源包括设计过程中占用的网络资源以及参与设计的人员。协同工具集提供设计者之间的交互手段。产品信息模型表达产品设计过程中使用的各种信息，它包含数据库、文件、图形、图象等多种格式的数据源。信息模型的管理负责产品信息模型的建模、维持、信息抽象等工作。

在系统的应用层，不同功能的Agent群组通过Multi-Agent交互界面使用低层的各种协同工具和共享全域的设计信息、设计资源以及设计管理工具。各个Agent群组按一定的设计目标组织成协同工作小组，它们各自拥有自己局域的设计资源、设计工具。

3 系统构建的关键技术

1. 设计工具的共享
   在NICDPS系统中，大量的客户设计群体不可能拥有专业的设计工具、设计知识及设计环境，并且不同的专业厂家拥有不同的设计平台。所以系统应该提供一个共享设计工具的机制。图2是一个客户设计单元和专业设计单元基于Web技术共享设计工具的示意图。它描述了客户设计者共享专业设计单元中的设计工具SolidWork98的过程，客户设计者提出要求，通过人机交互Agent、知识理解Agent等软件Agent分解成设计数据，通讯Agent将设计数据通过Web服务器提交给专业设计单元，专业设计单元通过相应的软件Agent将设计数据转换成自己能接受、理解的格式，专业设计者使用SolidWork进行设计，并将设计结果通过Web服务器传回客户设计单元，客户设计单元内部通过软件Agent对设计结果进行相应处理提交一个客户设计者能理解的结果。这一过程实现了客户设计者透明共享专业设计中心的设计工具SolidWork。将其进行扩展，可以形成一个以专业设计中心为核心的，多个客户设计单元共同构成的协同工作系统的设计工具共享集成框架。
   图2 基于Web的CDC设计工具共享示意图
2. 协同设计信息的表达方式
   在NICDPS中，专业设计单元面向的是一群非专业化的设计人员，因此如何翻译表达他们交流的信息是协同工作的基础。这其中又设计到两方面的问题，一是在工业设计中，用户对抽象的设计数据是无法理解的，他们所面对的应该是一个与现实世界相一致的三维表达方式。幸运的是近年来Internet/Intranet上虚拟现实技术的发展为这一问题的解决提供了一条可行之道。此外，客户与专业设计人员交流时，交流信息大多是一些模糊的概念，例如：客户要求将花瓶的瓶口缩小一点，花瓶把手的弯曲更流畅些等等信息。虽然模糊理论得到了广泛的研究，但这种含有理解的模糊信息计算机处理技术还很不成熟，因此本文只是提供了一个连接专业设计者和客户交流的平台，而信息的理解还依赖于设计者本身。
3. 专业设计中心内部的协同
   专业设计中心内部的协同主要指专业设计部门间协作关系。因为产品的外观设计上改变会影响到产品内部结构布局、制造工艺、可装配性等多方面因素，因此这些相关设计部门需要根据用户要求检验设计变动的可行性，并可以根据本领域的知识指导用户在许可范围内调整设计内容。本文按制造企业常用的树形层次结构组织设计中心各个设计节点(Design Node)，这种层次结构与产品的结构、功能或其他属性描述方式具有一定相似性，便于设计过程的组织。
4. 客户设计单元的动态接入
   客户设计单元是动态、随机加入协同工作系统的，因此应该提供一种方便的途径让客户设计者方便的进入系统。而Internet上广泛使用的Web浏览器提供了通用一致的操作界面，特别是Microsoft公司的Win95以后的操作系统本身捆绑有Web浏览器。本文采用Java语言编制客户端的应用程序放在Web服务器上，任何加入协同工作系统的客户端可以在Web浏览器中下载Web服务器上的Java应用程序。
5. 客户设计单元的协同界面
   客户设计单元大多不具备专业设计技能和设计知识，他们并不能直接使用专业设计工具和设计知识，协同系统应该提供一个友好通用的多用户协作界面给用户。这种协作界面应具有一定松耦合性，即不同设计者对相同的目标拥有不同的信息表达方式，并能互相感知、领会对方的动作。本文提供了Web同步、远程控制、电子白板、视频会议等多种Internet上通用的协同界面。