基于知识工程的先进汽车产品并行开发

理论与方法研究

1 综述 3

1.1 国内外本课题发展概况 3

1.2 本课题的意义 5

1.3 本课题的主要研究内容及知识工程发展趋势 6

2 知识工程 7

2.1 知识工程基本理论 7

2.1.1 知识工程概论 7

2.1.2 知识表示 7

2.1.3 推理机制 8

2.2 知识获取和数据开采 9

2.2.1 知识获取和数据开发综述 9

2.2.2 知识获取的并行机制 9

2.2.3 知识获取的模型结构 10

2.2.4 知识获取方法研究 10

2.2.5 摩托车和汽车设计中的知识反求 12

3 基于知识的汽车产品开发和设计方法 13

3.1 先进设计手段（包括软件） 13

3.2 新车型平台开发设计 14

3.2.1 汽车平台化设计 14

3.2.2 基于底盘平台设计的新车型开发实例 14

3.3 变速箱参数化设计 16

3.3.1 基于特征的参数化设计技术 16

3.3.2 基于参数化设计的变速箱开发 17

3.4 基于知识库和虚拟技术的的悬架设计 18

3.4.1 虚拟制造技术 18

3.4.2 悬架设计应用实例 18

4 基于知识的汽车产品并行开发管理模式 20

4.1 并行工程概论 20

4.2 汽车产品并行开发流程 21

4.2.1 整车开发内容 21

4.2.2 汽车内外造型工作内容 22

4.2.3 白车身开发内容 23

4.2.4 汽车发动机舱内饰开发内容 23

4.3 汽车产品并行开发建模理论 24

4.3.1 面向对象Petri同步合成网定义 25

4.3.2 OPMPM模型 26

5 基于知识的汽车并行开发环境KPDM的开发 31

5.1 并行设计环境的PDM集成框架研究 31

5.2 基于知识的汽车开发并行工程管理软件 (KPDM) 33

5.3 软件开发技术准备 34

5.3.1 CORBA规范 34

5.3.2 WEB使能技术 36

5.3.3 与核心图形系统集成 37

5.4 KPDM软件模型 37

5.4.1 模型基本要素说明 38

5.4.2 项目管理模块 39

5.4.3 人员组织模型 41

5.4.4 知识库模块 42

5.4.5 文档数据及产品数据管理模块 42

5.4.6 生产流程管理模块 42

5.5 软件介绍 43

5.5.1 软件开发工具介绍 43

5.5.2 软件界面介绍 44

6 某大型车型开发的项目开发管理实例 45

6.1.1 项目背景 45

6.1.2 人员组织模型 45

6.1.3 产品资料管理 47

6.1.4 产品开发流程模型 49

6.1.5 项目管理模式 49

6.1.6 质量控制模式 50

6.1.7 PDM产生的效益 51

1 综述

1.1 国内外本课题发展概况

本课题包含两个方面的研究，其一是知识工程的研究，另一个是并行工程的研究。然后将这两方面的研究集成在一个软件系统中，指导汽车产品开发和设计。

知识工程学是随着电子计算机技术和人工智能的发展而诞生的一门新兴学科，至今只有约25年的历史。知识工程学是从知识的本源上来探讨知识的产生和使用，进而建造有效的知识系统。它的目的在于使人们有效地掌握、存取、传播和应用知识，提高认识自然和改造自然的能力。

1977年第五届国际人工智能联合会议上，美国斯坦福大学（Stanford University） 计算机系教授费哥巴姆作了关于“人工智能的技艺” （The Art of Artificial Intelligence） 的讲演，提出“知识工程”这一名称，由此出现了知识工程学。知识工程经过了诞生时期（1964-1974）、实验性时期（1975-1980）、应用时期（1980-至今）三个阶段。

知识工程学研究的主要体现在知识的表示、知识推理、知识获取和人对知识的认识过程等几个方面。

1．知识的表示（Knowledge Representation）。

为了在电子计算机中处理和加工知识 （存贮、检索、汇编、使用、修改） ，必须解决知识的适当的表示形式。知识的表示一般要求考虑到①表示知识的功能；②表示知识的模块性（便于计算机加工）；③易懂。表示知识要使用计算机的语言。知识的表示主要包括：①函数型语言如LIST，推理逻辑型语言如PROLOG；②产生式规则；③框架；④网络。

2.推理问题的研究（Inference）。

推理机制的设计和使用，主要是如何应用已整理好的知识来解决现实生活中的各种问题。

3.知识的获取（Knowledge Acquisition）。

主要是如何将所需要的知识自动地或半自动地输入到计算机中去。为此需要解决①如何使知识工程化，建立知识库。②如何保证知识库内的知识的完全性和一致性。③如何提高知识库自身的学习能力。

4.人的认识过程的研究。

知识工程的研究虽然已经取得许多重要的成果，但也存在着一些重大问题尚待解决，如对于千差万别的客观事物特别是对于人类的智能行为，是难于用简单的一种甚至几种表示方法来完全描述的。又如，尽管计算机在许多功能上大大超过人类（像运算速度，存贮量、功能行为的一致性等等），但在知识的一些方面又是相当的无知。此外，像如何从专家那里获取知识，如何适应电子计算机的特性而进行的重新组织知识的工作等，都存在一些困难。

目前知识工程学还处在不断发展和完善阶段，它的一些内容也在不断探索之中，如何借助计算机使机器具有人的记忆、思维和判断能力，如何提高机器的智能，如何用知识工程学的概念、理论和方法来设计控制系统等等都在研究和发展当中。当今，具有听、读、理解、解答问题能力的第五代计算机的研制，也将促进知识工程学的更快发展。知识工程学的本身就包含大量的软科学内容和软科学成果，而知识工程学又为软科学的研究提出许多“软”概念的课题。没有软科学的研究就没有知识工程学的发展，而知识工程学的发展又丰富了软科学的内容。

近几年来，Internet和WWW的影响已经深入人心，涉及到社会各个领域，西方发达国家和地区都在抢占这块阵地，而“网络计算环境下的知识处理”则是这块阵地的制高点。

斯坦福大学计算机科学系的知识系统实验室（KSL: Knowledge System Laboratory ）现在研究的重点是构造知识服务器和多用途术语知识库、知识系统模块；模拟物理设备的结构、行为、功能的计算环境；智能系统自适应性体系结构，开发用于科学、工程和国防的基于知识的系统。欧洲共同体研究人员研制的KADS系统与CommonKADS系统已经实现了标准化，并已提交工业界试用，达到了相当高的水平。此外，美国的MIT的每体实验室正在研制会思考的"Things"，具有极其理解功能，并且应用于构造智能衣服等。CMU等大学在知识共享技术的研究方面已经取得了令人欣喜的成果。

国内的一些大学、研究所也有一批科技人员长期从事知识工程的研究，如中科院计算所、南京大学、吉林大学等。笔者所带领的课题组（清华大学计算机系知识工程组）近几年在这方面做了一些工作，取得了一些成果，教学上近十年开设研究生课程“知识工程”，最近几年不断地引进网络计算模式下研究的知识处理问题“的思路，着重引导学生研究在网络计算模式中知识的获取机制、知识管理问题、知识的利用等方面的问题，此外还把“java技术及其应用”作为研究生课程的内容。

今后的发展方向是“网络计算模式下的知识工程”是极为重要的一项研究课题，它关系到人类社会如何在网络环境下利用人们已有的知识来促进社会的发展，产生高附加值的产品，而网络计算环境，尤其是在Internet和WWW下，基于知识的企业信息管理与信息综合服务系统的建立已经成为一个必然的发展趋势，谁能抓住这个难得的机遇，谁就抓住了经济与科学技术发展的牛鼻子。

而并行工程的兴起是从80年代开始的。

世界经济的飞速发展和全球市场竞争的不断加剧给企业带来了巨大的压力，如何在竞争中求生存、求发展是每个企业面临的实际问题。而且，在激烈的市场竞争中，顾客对产品质量、成本和种类要求越来越高，而产品生命周期越来越短。尽管许多企业通过柔性、集成技术获得了显著的经济效益，但并不意味着这些应用技术已不能再往前发展。因此，企业为了赢得市场的竞争，就不得不加速新产品开发，提高产品质量，降低产品成本和提供优质服务等。在这些问题中，迅速开发新产品，并尽快投放市场，成为企业赢得竞争的关键。在这种情况下，1982年美国国防部高级防务研究项目局开始研究如何在产品设计过程中提高各环节或活动之间“并行度”的方法。1988年12月，美国国防部防御分析研究所发表了非常著名的IDA/R-388研究报告，提出了“并行工程”（Concurrent Engineering）的概念，CE由此应运而生。

并行工程是目前工程领域中重要的研究方向，它是一门以集成、并行方式开发产品及其相关过程的系统工程方法，倍受各国工程界和学术界的高度重视。

由于市场竞争的日益激烈，人们认识到有效利用企业资源的重要性，并希望通过采用某种有效的工作模式和支持技术来最大限度地提高产品质量，降低生产成本，缩短产品开发周期，满足用户需求，这正是并行工程所要实现的目的。

实际上，CE并非是一种全新的方法，早在20年前，艾伯纳斯就提出了这种方法，但在当时环境下，由于多种条件限制，CE不能发挥其应有的作用。随着企业向柔性化、集成化智能化的发展，CE的作用才得以施展，使企业如虎添翼。CE的应用首先在军事上用于国防事业，后来才逐渐应用在其他工业领域。美国国防部已将CE方法作为全面质量管理计划的主要方法。在民用产品开发的应用也日益增加。国外大型公司如ATT公司，HP，IBM，DEC,波音公司，麦道公司，Sun微软系统公司等都开始了CE的尝试，并在应用于产品开发中取得了失效。福特公司将CE应用于发动机的设计总，削减了机械加工线的设备台数，降低了生产成本。德国西门子公司采用CE方法，软件标准技术、模型环境和框架技术开发了计算机辅助软件工程的并行设计工具。

进入90年代，CE在美国及西方许多国家十分盛行，成为目前国际工业领域中最重要的应用方向，而且在美国的很多领域都得到了广泛的和成功的应用。

据CERC研究表明，引进CE方法越早，产品成本节约的潜力越大。一般来说，采用CE方法使产品工程设计阶段决定产品生命周期成本的90%，所消耗的费用仅占总成本的18％，其中在产品概念设计阶段，决定了生命周期成本的70%，见图1-1。

随着计算机技术的快速发展和先进CAD软件的应用，并行在国内并行工程也开始应用，但由于并行工程的应用需要产品开发管理系统（团队管理模式）、工程设计系统（CAX软件）、支撑环境系统（产品数据管理系统PDM）三个方面的支持而起步缓慢。前两个要素基本已经具备。因此主要原因是没有一个符合我国国情的PDM管理环境。

随着知识工程理论的日趋成熟以及新型知识经济的发展，在汽车设计和机械设计领域中，基于知识工程的知识型软件的开发和应用成为新世纪机械行业理论与实践的新的切入点。因此,本文将从知识工程的理论研究基础入手，将知识工程的理念、理论和方法融入基于知识工程项目管理软件和产品数据管理软件中，形成基于知识工程的汽车产品并行开发的环境。

1.2 本课题的意义

从20世纪90年代以来，美国等发达国家的汽车产品设计已经步入了以信息技术、计算机技术、CAD/CAE/CAM/PDM一体化技术、知识工程技术等新技术为基础的新时代，以这些技术为基础的虚拟现实设计、仿真技术、反求工程、专家系统、并行工程和知识工程等全新技术已经迅速深入到具体的汽车产品的开发设计工作之中。这些技术的应用，极大的提高了汽车产品的设计开发效率，带来了巨大的社会经济效益。例如，这些技术使美国轿车新车型的开发周期从几年前的56年降为目前的18个月，而且仍然具备继续提高设计开发效率的潜力。

我国的轿车开发设计起步较晚，轿车设计开发技术还很落后。20世纪80年代以来，我国轿车生产多以技术引进方式为主。由于外方的技术封锁，我们无法得到轿车设计开发的核心技术。由于经费等问题的限制，我国没有条件进行轿车整车设计，轿车整车设计开发的知识和经验十分匮乏。目前，我国已经加入WTO，汽车行业将面临空前巨大的压力，全力投入对汽车设计开发相关核心技术的研究已经刻不容缓。作为本课题来源的教育部科学技术重点项目就是为了支持这方面的研究工作而设立的。

KBE知识工程是研究人工智能方面的新的分支，它能够寻找记录不同工程、设计和产品配置的方法，以使用户能更好地找到它，并且能对它加以理解、重复使用和维护。KBE知识工程技术能总结前人设计和制造汽车的知识和经验，指导今后汽车设计、开发和制造，缩短汽车开发、设计和生产周期，同时也能为汽车产品的创新提供有用的信息和资料。当然我们还可以利用知识工程的机制积累汽车和机械产品设计领域的经验和知识，并将这些知识应用到我国的汽车产品开发和设计中去。当今也是知识经济发展迅猛的时代，美国和欧洲都从知识经济的发展和应用中获益匪浅。因此，怎么对各行各业的知识加以管理是我国企业能否在知识经济时代迎头赶上的关键。而汽车设计、开发与制造是建立在一百多年的历史经验上的成果，如何利用前人已经拥有的技术和工艺加以创新是关系到中国汽车工业在加入世界贸易组织后的几年中能否缩小与发达国家汽车工业的距离，能否实现技术赶超的必要条件。因此就有必要研究知识工程在汽车设计和机械设计中的应用，有必要开发围绕产品开发为核心的产品数据管理和项目开发管理软件，加强知识的重复利用，促进企业内部的团队合作。

本课题的研究目的是运用先进的开发设计手段和分析手段，在借鉴国内外同类研究成果的基础上，利用先进的汽车产品开发软件平台，结合高级JAVA编程和网络技术，在汽车设计、分析和制造之间建立强大的数据和知识基础和信息通道，以知识驱动汽车产品的设计、开发和制造，彻底甩掉图板，减少汽车产品设计、开发人员的劳动强度，缩短汽车研发周期，提高汽车产品质量，缩短我国汽车工业和发达国家之间的差距，实现中华民族汽车工业的伟大复兴。

课题研究过程中的成果都将应用到汽车产品开发项目中，并在实践中检验其效益。该课题成果也能够的其他工业的产品设计和开发中去。

1.3 本课题的主要研究内容及知识工程发展趋势

为了能将知识工程的方法应用到汽车产品开发中去，本文着重研究以下内容：

(1) 知识工程的理论，主要研究知识工程的知识表示方法、推理机制、知识获取和数据开发；

(2) 中国现有汽车产品开发和设计模式的研究；

(3) 基于知识工程的汽车产品设计向导化模式研究；

(4) 知识驱动的汽车产品设计的CAD二次开发模式；

(5) 汽车及机械产品项目开发管理软件的开发；

(6) 基于开发软件的大型汽车产品开发和设计的管理；

(7) 建立异构分布式知识库系统；

(8) 基于数据库和JAVA计算机语言基础的大型项目管理软件的开发。

知识工程理论和方法能广泛应用于汽车、航天、航空、车床等工业领域。汽车产品开发领域的应用只是其中的一部分。在汽车产品开发这个领域中，怎样利用知识工程的知识获取和发掘工具，收集和反求汽车产品开发的设计经验，利用先进的计算机技术和高级CAX软件，将知识融入产品开发中成为国外大型汽车制造厂开发和设计汽车的技术手段。而对于亟待发展的中国汽车工业，这无疑也是我们必须借鉴的法宝。

在人工智能研究的基础上，知识工程将在自动推理、知识工程与MAS、定理机器证明、分布计算、CAGD与图像压缩、模式识别和进化计算、数据挖掘与决策支持系统等基础应用方面将会出现新的高潮；同时在智能化农牧业信息示范工程、地理信息系统GIS、空间推理与应用、指纹识别及应用、视频图象压缩、计算机辅助几何设计、管理决策信息系统等方面取得重大应用成果，也将取得显著或巨大的经济和社会效益。因此可以看出，知识工程也在不断的更新，不断地完善，知识工程意味着利用最先进的技术，管理最有效的知识，进行最有效地利用。

但知识工程的发展方向主要体现在如下几个方面：

(1)建立大型知识库

专家系统要解决的问题越来越复杂，要求的知识覆盖面也越来越大，如何建立大型知识库的问题就成为突出的问题。美国对此提出了知识共享计划，日本也在实施电子字典计划。

(2)自动获取知识问题

这是如何将研究成果转化为实际可用知识的方法研究。自动获取知识一直是困扰人们的瓶颈问题，目前没有突破任何突破的进展，很多专家系统的开发者只得暂时避开它，由知识工程师完成后，把获取的知识装入知识库，但从知识工程研究与发展的观点，必须逐步解决这个问题。

(3)解决易使用性问题

使用户能更方便、自然地实用专家系统。如系统采用语言输入和多媒体输出

(4)专家系统和知识库维护问题

大型知识库的建立必然涉及系统维护问题。一般情况，软件维护目前占软件费用的60%-80%。一种好的方法是，一开始就由编程人员、设计人员和用户一起协同合作进行系统设计，有关文档全部存放在这个软件的知识库中，以后对软件的维护和修改可通过这个知识库进行，它相当于在线的文档，可节省一大笔维护开支。

(5)建立异构的分布式知识库系统

它通过网络将不通的知识库连起来，采用专家系统机制进行知识通讯及系统运行。

2 知识工程

2.1 知识工程基本理论

2.1.1 知识工程概论

知识工程是在计算机的应用从数据处理向纵深发展到知识处理领域的背景下形成和发展一个计算机学科领域，它的理论和技术基础是数据库理论与技术、人工智能理论与应用、VLSI技术与微处理机系统、计算机系统结构、程序设计语言和软件编程等。

知识工程首先需要建立工程领域的知识库和数据库，以及相应的获取、储存和运用知识的机制；为了使该数据库和知识库不断更新和扩充，必须采用一定的知识表达形式，进行知识的获取和发掘进行数据的开采；最后将专家知识应用于工程领域，实现知识的重用和利用。

2.1.2 知识表示

知识表示是利用计算机能够接收并进行处理的符号和方式来表示人类在改造客观世界中所获得的知识。它是在模拟信息是如何在人类大脑中以何种方式存放的及其处理方式的基础上来对计算机信息处理中的知识的形式描述方式进行研究的，旨在利用计算机方便地表示、存储、处理和利用人类的知识。知识的形式描述方式是要规定一种无歧意的语言或具有规范定义语法和语义的“符号表示”方法。符号表示是指用符号和符号结构来表示各种概念和概念之间的关系。每一种表示方式实际上是一种数据结构，就是把这种数据结构关联起来。知识表示方式取决于人类知识的结构及其机制。随着知识表示研究的深入已经提出了多种知识表示方式，常用的几种知识表示方式为产生式表示法、语义网络表示法、框架表示法、谓词表示法、面向对象表示法、基于范例表示法、基于冗余集的表示法、基于语言场表示法、基于知识体表示法以及其他表示法。

由于不同的知识结构都有其针对性和局限性，而且同一领域知识可采用不同的知识表示结构来表示。选定知识表示结构时，应依据具体情况来选定。在实际应用中所采用的知识表示方式同知识的组织结构和知识的使用方式密切相关。目前，还没有统一的准则和标准规定知识表示模式的选择。但是，一般在选择知识表示模式时，应从以下几个方面考虑：

(1) 充分表达领域知识。确定一个知识表示的模式时，首先应考虑的是它能否充分地表示领域知识。知识表示模式的选择和确定受到领域知识自然结构的制约，应视具体情况来确定。在充分考虑领域知识的特点以及每一种知识表示模式的特征的基础上，选定一种或几种知识表示模式来表示具体的领域知识。有时需要综合利用多种知识表示模式。

(2) 有利于运用知识进行推理。把知识表示出来并存储到计算机中去的目的是为了用这些知识进行推理，以便求解现实问题。

(3) 便于知识的维护和管理。所选定的知识模式，在使用过程中经过对一定数量实例的运行，可能会发现其知识在数量或性能方面存在某些问题，此时或者需要增补知识，或者需要修改甚至删除某些已有的知识。因而知识模式应便于知识的维护和管理。

(4) 便于理解和实现。一种知识表示模式应是人们容易理解的。这就要求它能符合人们的思维习惯。更为重要的是便于实现，如果一种表示模式不便于在计算机上实现，就没有任何实用价值。

根据上述要素以及知识表示模式能与计算机高级语言匹配的原则，对上述的知识表示模式进行了比较，基于面向对象的综合知识体表示法既克服了产生式方法检索效率低和表达能力低的缺点，同时又综合了面向对象表示法和基于框架表示法的“描述性和过程性知识的紧密融合”和“还原客观世界本来面目和符合计算机面向对象语言发展需要”的优点。该方法综合了面向对象技术和综合知识体的优点

基于面向对象的综合知识体表示方法采用一种具有层次结构描述的规则组形式来表达。一个规则组相当于一个子问题，由规则架和规则体两层组成。一个规则组是求解一个子问题的所有知识的集合，它本身具有独立性和封闭性。在规则组中，规则架是参加系统推理的骨架，它是一个多前提，多结论，而且结论之间待业可存在因果关系的规则形式，他只反映结论与前提之间的逻辑确定关系。规则体反映因素之间求解或定值方法的具体知识，它包含着丰富的内容，可以是运算公式，也可以是一组规则。即一个规则组包含了求解子问题的所有规则和运算公式的具体知识。规则体中的这些规则称之为体规则。规则架的推理采用反向推理，规则体内采用正向推理。

其中知识体由描述架，规则组（规则架＋规则体）和黑板结构三部分组成，统一调度，有机配合，不同的知识在不同部分加以处理。一般地将领域知识分成若干个知识体，简称体，以BODY表示。这些体相当于OOP中的对象类。每个体有体名，有条件块、无条件块、处理块和计算块四种形式的知识块组成。

每个知识体是一个封闭的对象，对象之间是通过“消息”去作用或操作的。在体内每个知识块是独立的，分别由块名COND，PROC，COMP与相应结束符ENDCOND，ENDPROC，ENDCOMP组成。

条件块由条件名和若干条件项组成。在条件项前面可安排声音文件集、图像图形文件集。每个条件项有相应的转向对象体名，并在屏幕上显示，由用户加以选择。当某个条件项被选中，则向对应的对象体发一消息，激活该对象体。

无条件块又叫默认块，格式很简单，没有块名和结束符，列出的对象体名即无条件激活该对象。

处理块由声音文件集，图像图形文件集和处理内容组成声音文件集是安放需要经过声音向用户表达的各个声音文件名；图像图形文件集安放需要通过图像或图形向用户显示的图像或图形的文件名，包括录像、动画文件名等；处理内容是通过文字向用户表达的建议意见或陈述等。

下面是利用该表示法的部分程序编码：

2.1.3 推理机制

推理是实现知识运用的重要环节。推理就是制定一定的方法或规则将知识库中的知识应用到知识工程中去。推理方法的种类很多，可以分为确定性推理，不确定性推理，非单调推理和定性推理等推理方法。确定性推理通常针对具有明显的前因后果的实事关系。一般来说此类问题比较简单。而不确定性推理针对因果关系不明确的问题，通常根据问题的特殊性采用的推理方法也很多，比如可信度方法、主观贝叶斯方法、论据理论、可能性理论、信度网络、模糊推理和合情推理等。非单调推理针对需要经常修改和动态变化的知识库问题。通常永余非单调推理的方法有封闭世界假设法、谓词完备化法、缺省推理法、限定理论和非单调推理系统等。定性推理是对物理系统的行为进行定性的分析，找出其内在联系，常有的方法有定性推理的三个基本方法、因果分析方法和量级推理。

要充分发挥知识库的作用，就必需建立基于知识的推理方法。人类解决问题的能力主要体现在两个方面：一个是拥有大量的知识；另一个是人类具有选择知识和应用知识的能力。演绎推理和归纳推理是基于知识推理的核心内容；逻辑推理（确定性推理）和似然推理（不确定性推理）是基于知识的推理的主要特征；知识表示是实现基于知识的推理的必要手段。基于知识的推理的计算机实现构成了推理机，而推理机是知识系统中比不可少的组成成分。推理机主要包括推理和控制两个方面，而且推理机的效果与效率都与控制方式密切相关。推理主要考虑如下问题：

● 能否根据环境准确地选择可用知识；

● 能否正确地应用可用知识；

● 当推理失败时能否找到新的路径重新推理；

● 能否恰当地终止推理过程。

推理的控制策略目的是要尽可能利用环境信息或与问题有关的信息来减少因素1的费用，并且尽可能地在可用知识里选择一条与解相关的知识，从而减少2的费用。

2.2 知识获取和数据开采

2.2.1 知识获取和数据开发综述

知识发现与数据开采是人工智能、机器学习与数据库技术相结合的产物。机器学习（MechineLearning）是用计算机模拟人类学习的一门科学。知识发现（KDD）是从数据中发现有用知识的整个过程；数据开采（DM）是KDD过程中的一个特定步骤，它用专门算法从数据中抽取模式（patterns）。KDD过程是多个步骤相互连接、反复进行人机交互的过程。具体包括：

①学习某个应用领域：包括应用中的预先知识和目标。

②建立一个目标数据集：选择一个数据集或在多数据集的子集上聚焦。

③数据清理和预处理：去除噪声或无关数据，去除空白数据域，考虑时间顺序和数据变化等。

④数据换算和投影：找到数据的特征表示，用维变换或转换方法减少有效变量的数目或找到数据的不变式。

⑤选定数据开采功能：决定数据开采的目的。

⑥选定某个数据开采算法：用KDD过程中的准则，选择某个特定数据开采算法（如汇总、分类、回归、聚类等）用于搜索数据中的模式，该算法可以是近似的。

⑦数据开采：搜索或产生一个特定的感兴趣的模式或一个特定的数据集。

⑧解释：解释某个发现的模式，去掉多余的不切题意的模式，转换某个有用的模式，以使用户明白。

⑨发现知识：把这些知识结合到运行系统中，获得这些知识的作用或证明这些知识。用预先、可信的知识检查和解决知识中可能的矛盾。

2.2.2 知识获取的并行机制

当前知识发现系统的主流是寻求在各类数据库和应用问题的背景下高性能、高扩展性的发掘算法。杨炳儒先生于1997年从知识发现、认知科学与智能系统较差结合的角度独立提出了双库协同机制，并构建了将KDD与双库协同机制相结合的KDD*结构，在结构与功能上形成了相对开发的和优化的扩体。国外也有一些研究人员为此进行过研究。1992年，在G.Piatesky-Shapiro等开发的知识发现平台KDW中提出了“采用相关领域知识辅助初始发现的聚焦，限制性的搜索”的概念。1996年SarabjotS.Anand等提出了基于论据理论的数据发掘一般框架，提出“用户的先验知识与先前发现的知识可以耦合到发现过程中”。KDD的并行机制具有以下特征：

(1) 在真实数据库中，按数据子类结构形式所构成的发掘数据库的可达范围与基于属性间关系的发掘知识库的推理范畴之间构建范畴间的等价关系；两个等价关系为定向发掘和定向搜索奠定理论基础。

(2) 在KDD聚焦过程中，除依据用户需要确定聚焦外，通过启发协调算法可以形成发掘知识库中知识短缺而生成的机器自身的聚焦方向，进而形成在数据库中的定向发掘。

(3) 在获得假设规则到知识评价的过程中产生的终端进程，即先不对假设规则进行评价，而是通过中断协调算法到发掘知识库中进行定向搜索，以期发现产生的假设规则与知识库中原有的知识是否重复、冗余和矛盾，并作响应处理，即对知识库进行实时维护。

2.2.3 知识获取的模型结构

图T是知识获取的模型

现实世界就是知识来源，通常它包含设计标准、手册和规范，科研数据，成熟产品反求，专家经验等等。

2.2.4 知识获取方法研究

[1]传统主观导向系统：

这是针对专业领域应用的系统。如基于技术分析方法对金融市场进行分析。采用的方法从简单的走向分析直到基于高深数学基础的分形理论和谱分析。这种技术需要有经验模型为前提。属于这类商品有美国的Metastak，SuperCharts，CandlestickForecaster和WallStreetMoney等。

[2]传统统计分析

这类技术包括相关分析回归分析及因子分析等。一般先由用户提供假设，再由系统利用数据进行验证。缺点是需经培训后才能使用，同时在数据探索过程中，用户需要重复进行一系列操作。属于这类商品有美国的SAS，SPSS和Stargraphis等。由于近年来更先进的DM方法的出现和使用，这些厂商在原有系统中综合一些DM部件，以获得更完善的功能。以上两种技术主要基于传统的数理统计等数学的基础上，一般早已开始用于数据分析方面。

[3]神经元网络（NN）技术：

神经元网络技术是属于软计算（SoftComputing)领域内一种重要方法，它是多年来科研人员进行人脑神经学习机能模拟的成果，已成功地应用于各工业部门。在DM（KDD）的应用方面，当需要复杂或不精确数据中导出概念和确定走向比较困难时，利用神经网络技术特别有效。经过训练后的NN可以想像具有某种专门知识的“专家”，因此可以像人一样从经验中学习。NN有多种结构，但最常用的是多层BP（backpropagation）模型。它已广泛地应用于各种DM（KDD）工具和软件中。有些是以NN为主导技术，例如俄罗斯的PolyAnalyst，美国的BrainMaker，Neurosell和OWL等。NN技术也已广泛地做为一种方法嵌入各种DM成套软件中。其缺点是用它来分析复杂的系统诸如金融市场，NN就需要复杂的结构为数众多神经元以及连接数，从而使现有的事例数（不同的纪录数）无法满足训练的需要。另外由受训后的NN所代表的预测模型的非透明性也是其缺点，尽管如此，它还是广泛而成功地为各种金融应用分析系统所采用。

[4]决策树：

在知识工程领域，决策树是一种简单的知识表示方法，它将事例逐步分类成代表不同的类别。由于分类规则是比较直观的，因而比较易于理解，虽然在机器获取领域内，多年来已研制出不少实施决策树的有效算法（如ID3及其改进算法等）。但这种方法限于分类任务。在系统中采用这种方法的有美国的IDIS，法国的SIPINA。英国的Clementinc和澳大利亚的C5.0。

[5]进化式程序设计（Evolutionaryprogramming）：

这种方法的独特思路是：系统自动生成有关目标变量对其他多种变量依赖关系的务种假设，并形成以内部编程语言表示的程序。内部程序（假设）的产生过程是进化式的，类似于遗传算法过程。当系统找到较好地描述依赖关系的一个假设时，就对这程序进行各种不同的微小修正，生成子程序组，再在其中选择能更好地改进预测精度的子程序，如此依次进行，最后获得达到所需精度的最好程序时，由系统的专有模块将所找到的依赖关系由内部语言形式转换成易于为人们理解的显式形式，如数学公式，预测表等。由于采用通用编程语言，这种主法在原则上能保证任何一种依赖关系和算法都能用这种语言来描述。这种方法也许是目前最年青的和最有前途的DN方法之一。这种是方法的商用产品还只见诸俄罗斯的PolyAnalyst，据报导，它用于金融到医疗方面军的各种应用于，能获得者很好的结果。

[6]基于事例的推理方法（CBR—Casebasedreasoning)

这种方法的思路非常简单，当预测未来情况或进行正确决策时，系统寻找与现有情况相类似的事例，并选择最佳的相同的解决方案，这种方法能用于很多问题求解，并获得好的结果，其缺点是系统不能生成汇总过去经验的模块或规则。采用这种方法的系统有美国的PatternRecognitionWorkbench和法国的KATEtools.

[7]遗传算法（GA—GeneticAlgorithms）：

严格说来，DA不是GA应用的主要领域，它是解决各种组合或优化问题的强有力的手段，但它在现代标准仪器表中也用来完成DA任务。这种方法的不足之处是：这种问题的生成方式使估计所得解答的统计意义的任何一种机会不再存在。另外一方面，只有专业人员才能提出染色体选择的准则和有效地进行问题描述与生成。在系统中包含遗传算法的有美国的GeneHunter.

[8]非线性回归方法：

这种方法的基础是，在预定的函数的基础上，寻找目标度量对其它多种变量的依赖关系。这种方法在金融市场或医疗诊断的应用场合，比较好的提供可信赖的结果。在俄罗斯的PalyAnalyst以及美国的Neuroshell系统中包括了这种技术。

[9]知识反求方法：

以实物模型/样件为依据，而没有图纸和参数，特别针对一些复杂的曲面产品，要用传统的测量方法，取得数据，再经过计算机CAD软件来正确建立完整的三维模型，就谈何容易了。CAD/CAM软件在这些逆向工程中的应用，我们称之为CAD/CAM软件的逆向工程技术(Surface Reconstruction--曲面自动重建）。

上面所列DM技术不可能是详尽的囊括，因为多年来数理统计分析以及AI与KE的研究提供了种类繁多特点各异的手段，DM开发人员完全可以根据不同任务加以选择使用，另外近年来在软计算（Soft Computing）和不确定信息处理（dealing with Uncertainty of information）方法的研究，促使DM（KDD）技术向更深层次发展。

2.2.5 摩托车和汽车设计中的知识反求

随着CAD/CAM技术的广泛应用，相比之下，在如何准确、有效地从实物样件上采集复杂三维表面数据，进而能快速地转变成高质量的计算机软件中的三维数学模型成为汽车和机械产品快速原型的重要方法。

在汽车、摩托车身及其他产品模具的设计和制造过程中，经常会碰到这个难题：产品仿制或面对以手工制作或经手工进行局部修改(光顺处理）后的模型或实物样件（即使是用CAD/CAM系统设计和加工生产的模型），如果仍用传统的测量技术－－采集特征线上离散的坐标点，然后输入计算机，用一般造型软件，将点连成线，连线成面片，连接面片再反复光顺后建立CAD模型的处理步骤，就有以下多方面的技术和工艺上的限制。

测量速度慢，周期长而且精确度难以保证，特别是针对很复杂的曲面，离散点不能准确地定义它的形状，工程师简单重复劳动工作量巨大。对测绘人员的要求高，他必须掌握设计的要求和一般CAD/CAM软件对有效处理坐标点数量的限制。着既不能充分发挥CAD/CAM技术和计算机高速速度的优势，又不能发挥最新扫描技术/工具，如激光扫描器等的优势，最终建立的CAD模型与实际数值偏差大，质量难以控制。因此就有必要采用现代先进的知识反求方法（逆向工程）解决这一难题。通常采用先进的测量的设备，如三坐标仪和先进的三维建模软件一起共同来完成。实现步骤如下：

♦ 采用三坐标仪测量现成的汽车或摩托车产品；

♦ 将测量的数据转化成数字化点（坐标点）的文件；

♦ 将该文件导入三维建模软件中；

♦ 以交互方式生成特征点；

♦ 去除某些错误点，手动将这些特征点连成特征线；

♦ 采用三维软件的实现曲面拟合、曲面重构以及曲面拼接；

♦ 对重建后的曲面模型作精度验测和质量评估；

♦ 对生成的曲面进行优化。

逆向工程在摩托车开发方面的应用主要是覆盖件建模方面，而在汽车产品开发除和摩托车的覆盖件重建外，通常还用在汽车保险杠、车门、引擎盖、汽车座椅等的设计中，特别是应用于汽车模具设计和汽车断面设计方面。采用逆向工程从成熟产品中反求知识的精确度往往是令人满意的，其误差仅在0.05毫米。

应该指出的是广义的逆向工程包括几何形状反求，工艺反求和材料反求等。汽车产品开发所设计的逆向工程就应该指广义的逆向工程。

3 基于知识的汽车产品开发和设计方法

3.1 先进设计手段（包括软件）

目前对先进制造技术尚没有一个明确的、一致公认的定义，经过近年来对发展先进制造技术方面开展的工作，通过对其特征的分析研究，可以认为：先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。所以，一个先进的技术其实需要其他基本技术的支持。如图（T）是先进制造技术的层次及技术来源示意图。第一层次是铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用、经济适用的技术，这些基础工艺经过优化而形成的优质、高效、低耗、清洁基础制造技术是先进制造技术的核心及重要组成部分；第二层次是制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新制造技术；第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的，如FMS、CIMS、IMS以及虚拟制造技术等。

从技术群的角度可以将汽车制造技术分为三个层次：

（1）主体技术群。它包括面向制造的设计技术群和制造工艺技术群。

其中面向制造的设计技术群包括产品设计、工艺设计，它涉及计算机辅助设计CAD、工艺过程建模和仿真、工艺规程设计CAPP、系统工程集成、工作环境设计，快速成新技术RP和并行工程技术CE等；制造工艺技术群涉及材料生产工艺、加工工艺、连接和装配，测试和检验、环保技术和维修技术等。

（2）支撑技术群。它包括信息技术、设计标准、工具工装技术和传感器控制技术等。

（3）制造基础设施（制造技术环境）。它包括质量管理、用户供应商交互作用、工作人员培训和教育、全局监督和基准评测、技术获取和利用等。

本论文主要讨论汽车制造主体技术群的面向制造和设计技术群以及这些技术在汽车制造中的应用。并且也建立了主体技术群应用的环境。

汽车设计是一个系统工程，先采用快速成型技术进行汽车造型设计，再利用UG，PRO/E等三维软件进行产品结构设计和工程设计，此后采用ADMAS等动力学软件进行动力学仿真，以及利用CAE 软件如 ANSYS，PATRAN/NASTRAN 进行工程分析和优化，再利用碰撞软件DYNO 3D或 HYPERMESH 进行整车的碰撞性能仿真计算。而在汽车产品工程设计和分析阶段有采用了如下技术：

汽车系统建模与仿真设计方法、汽车相似理论与模化技术设计方法、基于知识和经验的设计开发方法与知识驱动的设计自动化方法、汽车智能CAD/CAE/CAM及一体化设计方法、汽车设计平台化与模块化设计方法、三次设计方法、虚拟现实与虚拟设计等汽车设计先进理念。此外在产品数据和开发环境上采用PDM软件实现并行工程开发环境和数据统一管理。

采用上述先进的软件、设计技术和管理方法，能大大提高设计质量，缩短开发周期，抢占更大的市场。同时也能促进产品开发的数字化和企业的集团化（如图3-2所示）。

3.2 新车型平台开发设计

3.2.1 汽车平台化设计

汽车平台化设计就是在一个大的平台基础上，实现产品的快速开发和系列化变型的设计方法。利用有限的一套基本平台、通用主系统及零部件衍生出最大数量的特色鲜明的不同产品，以便能充分利用任何品牌的生产线，尽可能多地覆盖各个市场层面。例如，建立大量的车身形状（二门、三门、四门、五门轿车；客货两用车、敞篷车、多用途车）；有系统地提供不同传动方式的车型（包括汽油和柴油发动机车型）；为多种车型增设四轮驱动。

基于通用平台来扩大品牌种类，增设供应高档市场的豪华车型。这种产品/创牌做法能发现与掌握社会所有经济阶层的市场动向；刺激那些最初用于高档豪华车的先进汽车技术朝普通车型方向流传；从大容量大众化平台获得高档豪华车型，用这种方法来控制成本，不断扩大产品种类还能做到拓宽价格范围，以顺应汽车从普通商业性产品转为按市场需求量身定制的特殊产品的潮流。

平台化设计一般指基于汽车底盘的平台化设计，也就是在固定底盘构架上配备各种汽车总成和系统，然后利用仿真技术对汽车的整体性能进行匹配、仿真和实验以及优化。

该设计方法有效地实现了知识的重复利用，降低了产品成本，便于产品系列化，也是利用有限资金扩大市场和产品开发能力的有效手段。

3.2.2 基于底盘平台设计的新车型开发实例

基于底盘平台的新车型设计系统包含如图3-3所示的内容:

由图3-3可知，一个样本要求有某种车型的代表特征。比如对于某一级别的发动机排量有不同类型的发动机，有的纵向布置，有的横向布置；也有直列的，也有V型的。其总体设计的参数也将产生变化。对于某一种类型的车辆，比如说前置前驱动或者前置后驱动或者后置后驱动等，也要有不同的样本。此外，即使同样类型车型的底盘系统也会有好与坏的差别。因此样本的选择是根据各种收集到的相关资料基础上，综合国内轿车的相应数据而确定了近千种车型中进行筛选，通过各类型车辆的统计分析，选择出代表性的车型。

由图3-3可知，汽车底盘快速设计系统由底盘基本参数确定模块、底盘三维参数化总布置设计模块、车身基本结构型式设计模块、底盘及整车系统分析模块、数据库和知识库、设计结果输出模块。

底盘的基本参数包括轴距、底盘前悬、底盘后悬、前轮距、后轮距和车架宽度。这些参数的确定是通过对国内外汽车整车参数的数据库中的统计加以参考，或采用前反馈型神经网络，以期达到类似于专家一样对某些特定的数据进行逼近和类比推断。

底盘三维参数化总布置模块主要实现对汽车底盘各总成包括发动机总成、供油系装置、加速传动装置、进气系装置、排气系装置、冷却系装置、离合器操纵装置、变速器总成、变速箱操纵装置、传动轴装置、后桥总成、车架总成、悬架总成、转向拉杆、车轮总成、转向器装置、制动器操纵装置、制动真空筒、气制动储气筒、蓄电池总成等的三维结构布置。为确保上述各装置或总成的空间位置合理，需利用三维设计软件进行各总成的静态校核、察看是否存在干涉现象，以及对底盘系统中的运动系统如传动轴、车轮、转向装置等进行运动干涉校核。

车身基本结构型式设计模块确定车身控制面、线设置修改和驾驶位置参数化布置。抽取各零部件的总体参数，即与总布置有关的基本结构参数，如表征零部件外形轮廓的长、宽、高等尺寸，零部件的定位基准等。通过这些总体参数控制零部件的简化模型，进行变量化、参数化设计。在底盘装配时，通过修改相应参数就可以实现汽车零部件的快速布置和基本结构尺寸的动态修改。

底盘及整车系统分析模块主要完成底盘总成的有限元分析以及整车性能匹配和整车各性能的仿真计算。

利用该底盘平台化设计系统进行整车总布置设计大大简化了设计过程，降低设计人员的劳动强度和人为参与必要，缩短了产品开发与设计周期。

3.3 变速箱参数化设计

3.3.1 基于特征的参数化设计技术

自80年代以来，基于特征的设计方法已被广泛接受，也提出了不少特征的定义，最初的特征定义仅包含了几何意义，即主要是它的形状特征，但实际上特征应该包含更多的更广泛的含义和信息。由于特征源于设计、分析和制造等生产过程的不同阶段，因此对特征的认识也不尽相同，至尽尚无统一的特征定义。目前较为通用的定义是1992年Brown所给出的：

特征就是任何已被接受的某一个对象的几何、功能元素和属性，通过它们我们可以很好地理解该对象的功能、行为和操作。

在基于特征的设计中对于特征的描述是关键，特征描述应该包含几何形状的表示和相关的处理机制以及特征高层语意信息的，目前主要是探讨形状特征。特征（严格地说是语义特征）可被视为由三类属性描述的面向几何的物体：数据属性包含特征的静态信息；规则或方法属性定义特征特定的设计和制造特性；关系属性描述特征间的位置关系。形状特征实际上是几何实体无任何语义的结构化组合，形状特征与特征间是一对多的关系，这体现了特征的应用多视角性。通常，对形状特征的描述有几种：B-REP（bound representation）、CSG(constructive solid geometry)、以及混合法。但在CAD应用中，参数化设计应用越来越广，因此就出现了将参数化设计应用到特征设计中去，使得特征具有可调整性，主要是针对特征的几何和拓扑信息。我们可以利用混合法来建立特征模型，并将参数化法引入到特征造型和产品设计中去，使形状特征可以根据需求调整变化，这就是基于特征参数化设计。

对于特征的描述可以利用面向对象的语言来描述，利用封装来包含特征所需的信息，使用成员变量来表示特征的静态属性以及与其他特征的关系属性，用成员函数来描述特征特定的设计、制造和行为规则方法，并且由可以通过继承来产生新的特征，发展已有的特征，来满足设计时的需要。

在建立特征类的关键是形状特征的描述方法。建立形状特征的过程可视为约束满足的过程，设计本质上是通过提取特征有效的约束来建立其约束模型并进行约束求解（这也可称为变量化设计）。那么在类内，可以将形状特征分解成为多个成员变量，通过使用成员函数（进行约束求解）来连接这些变量，然后通过图形显示的成员函数来使特征的外形可视。这些约束一般根据不同的产品的功能、产品结构强度刚度和制造过程的不同来转化的，并将这些限制综合成设计目标，然后将它们映射成为特定的几何和拓扑结构，从而转化为约束。

通常在国外将约束分为基约束、尺寸约束、几何约束和拓扑约束。拓扑约束用来约束零部件的结构，几何约束用来约束各几何元素的固定联系，尺寸约束用来约束各几何元素的大小尺寸，基约束为描述一个实体相对于其他实体的位置。几何约束和拓扑约束的差别如图2所示。（在国内很多文章将这些约束统称为几何约束，分类为尺寸约束和拓扑约束，拓扑约束包含了本文中的几何约束和拓扑约束）将基约束、尺寸约束、几何约束和拓扑约束作为构成几何或拓扑结构的几何要素和表面轮廓要素，可以导出各形状结构的位置和形状参数，从而形成参数化的产品几何模型。

汽车产品参数化设计方法主要研究产品设计的总体方法、设计技术（如自顶向下设计、并行设计、面向对象系统建模等），研究产品开发过程中的标准化技术（如STEP标准）及其工具。其中自上而下的面向对象技术是汽车总成参数化设计中常用的技术。在汽车总布置中，利用该技术进行各总成的虚拟装配和设计。UG软件的WAVE技术实现了零件之间几何关系的全相关。它采用控制结构用来确定控制参数、控制面和产品的配合面。控制结构作为方案设计的骨架，通过修改控制参数进行多种设计方案评估。

自上而下的WAVE技术依照如下步骤进行：

(1) 确定设计意图

(2) 定义初步的产品结构

(3) 引入模型的顶层骨架

(4) 在整个装配骨架中传递设计意图

(5) 子装配和零件的设计

(6) 管理零件之间的相互关联性。

由此可见，参数化设计就是采用预定义的办法建立图形的集合约束集，指定一组尺寸作为参数与几何约束集相关联，并将所有的关联式融入到应用程序中，然后采用人机交互方式通过对话框修改参数尺寸，最终由程序根据这些参数顺序地执行表达式来实现的方法。也就是说参数化设计的参数与设计对象的控制尺寸有明显的对应，通过参数化尺寸驱动完成对设计结果的修改，参数化设计不同于传统的设计，他储存了设计的整个过程，能设计出一族而非单一的在形状和功能上具有相似性的产品模型。正是有了这种参数化特征造型技术，才使得数据改变在不同层（如：不同子装配系统和不同零件）之间的传递变的唯一和即时，这样，才有了真正意义上的自顶向下设计，以及以这种设计为基础的并行设计(Parallel design)，也为团队设计（team work）打下了基础。

3.3.2 基于参数化设计的变速箱开发

根据上述基于特征的参数化设计思想和UG软件中的WAVE技术，变速箱的参数化设计包括以下内容：

(1) 几何设计

♦ 变速箱总体设计。包括变速箱结构方案、轴数、倒档型式、齿轮型式、同步器换档型式和同步器换档型式等的确定

♦ 变速箱总体尺寸的确定。包括变速器中心距、轴向尺寸、档数及传动比；

♦ 各档齿轮基本参数。包括齿轮的模数、压力角、螺旋角、变位系数、齿顶高系数；

(2) 质量控制

♦ 啮合质量指标，包括齿宽、最小侧隙、重合度、滑动比、压强比

♦ 噪声降低，包括控制滑动比的噪声指标、控制摩擦力的噪声指标、模数和压力角

(3) 强度计算

♦ 齿轮强度的计算方法，主要包括从齿轮损坏的三种形式的齿轮折断、齿面点饰和齿面胶合出发进行的齿面解除强度计算、轮齿弯曲强度计算和齿面胶合强度计算；

(4) 优化计算

♦ 优化计算方法，主要采用增广拉格朗日乘子法作为优化算法，以模数、齿数、压力角、齿宽、螺旋角、变位系数、中心距为设计变量，在接受基本参数、啮合质量约束和强度为约束条件的前提下，以一档中心距最小为目标函数，其他档位的齿宽最小为目标建立数学模型进行齿轮的优化；

根据上述设计内容在UG环境中，利用C/C++和UG/UF函数编程开发出的变速箱设计系统不仅能给用户制定设计流程，生成几何模型，还能控制齿轮的啮合质量，校核齿轮的强度，并能对齿轮系统优化计算。该软件中的各个零部件是由参数驱动的，而且各零部件之间由其形状和位置的约束相关连接。如果其中的任何零件的参数发生改变，则变速箱内与之相关的参数均发生相应的改变，并能对改变后的模型进行自动更新。

在该软件中利用知识工程的//界面

3.4 基于知识库和虚拟技术的的悬架设计

3.4.1 虚拟制造技术

虚拟制造技术（Virtual Manufacturing Technology， VMT） 是80年代后期提出并得到迅速发展的一个新思想。它是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。

虚拟制造技术按其功能可划分为：

1．产品的虚拟设计技术。面向产品的原理、结构和性能的设计、分析、模拟和评测，以优化产品本身的性能、成本为目标。

2．产品的虚拟制造技术。面向产品制造过程模拟、检验和优化，检验产品的可制造性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺过程、保证产品的制造质量、制造周期和最低的制造成本为目标。

3．虚拟制造系统。着重于生产过程的规划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模、仿真与优化。如虚拟企业、虚拟研发中心等。

虚拟制造技术是CAD／CAE／CAM／CAPP和仿真技术的更高阶段。利用虚拟现实技术、仿真技术等在计算机上建立起的虚拟制造环境是一种接近人们自然活动的一种“自然”环境，人们的视觉、触觉和听觉都与实际环境接近。人们在这样环境中进行产品的开发，可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力，相互协作发挥集体智慧，大大提高产品开发的质量和缩短开发周期。

美国、欧洲和日本等国家已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发，多数单元技术已经进入实验和完善的阶段。

我国目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，特别是近几年三维CAD／CAE／CAM基础软件、仿真软件、建模技术的引进和开发使我国虚拟制造技术受到普遍的重视，发展很快，发展势头强劲。国内进行虚拟制造技术研究的单位达到了100家，已经取得了一些可喜的进展，同济大学在此方面已经取得了实质性的进展。

3.4.2 悬架设计应用实例

图T是基于知识工程的悬架设计系统。主要包含悬架数据库、CAD建模、CAE分析和文档信息处理部分。其中主要的CAD建模和CAE分析部分均采用了虚拟制造和设计的原理。

悬架设计系统由数据库部分（知识库）、CAD建模、CAE工程分析、逆向工程部分、文档等即个模块组成。各模块的功能如图所示。知识库中保存悬架建模和分析的的初始数据，同时也保存在建模过程和CAE分析过程的中间数据。而CAD和CAE模块均采用UG软件实现。CAD建模部分采用UG软件的二次开发功能采用程序驱动悬架的建模。它包括七种车型悬架系统精确建模以及四种典型悬架参数化模板和参数驱动工程。CAE部分采用UG/Scenario for strucuture实现，能完成悬架运动学动力学、运动学，车辆的平顺性、稳定性分析以及悬架系统的优化计算。文档系统部分提供各功能模块的开发文档和使用说明、悬架系统设计机理、方法、准则的技术报告、悬架系统测绘、逆向工程分析的技术报告、悬架系统性能的评价指标和性能试验方法的技术报告、典型车型悬架系统的验证设计、性能分析、测试对比报告以及项目验收总结报告一份。逆向工程模块进行悬架系统测绘、光顺和建模等反求工作。基于UG平台的系统菜单和对应模块功能采用UG/Open接口和C/C++开发。

4 基于知识的汽车产品并行开发管理模式

4.1 并行工程概论

1988年， 美国防御分析研究所以武器生产为背景， 对传统的生产模式进行了分析， 系统化地提出了并行工程的概念，即并行工程是集成地、并行地设计产品及相关过程， 包括制造过程和支持过程的系统化方法。

并行工程是一种企业组织、管理和运行的先进设计、制造模式；是采用多学科团队和并行过程的集成化产品开发模式。它把传统的制造技术与计算机技术、系统工程技术和自动化技术相结合，在产品开发的早期阶段全面考虑产品生命周期中的各种因素，力争使产品开发能够一次获得成功。从而缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本。因此利用并行工程将对提高我国企业新产品开发能力、增强其竞争力具有深远的意义。

并行工程是一种工程方法论。它站在产品设计、制造全过程的高度，打破传统的组织结构带来的部门分割和封闭的观念，强调参与者集团群协同工作的效应，重构产品开发过程并运用先进的设计方法学，在产品设计的早期阶段就考虑到其后期发展的所有因素，以提高产品设计、制造的一次成功率，从而大大缩短产品开发周期、降低成本，增强企业的竞争能力。

并行工程是集成地并行地设计产品及相关过程的系统化方法，它要求产品开发人员从设计一开始即考虑产品生命周期中的各种因素。它通过组成多学科产品开发队伍、改进产品开发流程、利用各种计算机辅助工具等手段， 使产品开发的早期阶段能及早考虑下游的各种因素， 达到缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本，从而增强企业竞争能力的目标。

并行工程在先进制造技术中具有承上启下的作用，这主要体现在两个方面：

(1) 并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技术支持下，将原来分别进行的工作在时间和空间上交叉、重迭，充分利用了原有技术，并吸收了当前迅速发展的计算机技术、信息技术的优秀成果，使其成为先进制造技术中的基础。

(2) 为了达到并行的目的，必须建立高度集成、统一的主模型，通过它来实现不同部门人员的协同工作；为了达到产品的一次设计成功，减少反复，它在许多部分应用了仿真技术；主模型的建立、局部仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中，并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，并行工程是虚拟制造技术的基础。并行工程的进一步发展方向是虚拟制造（VM-Virtual Manufacturing）。

并行工程是集成地并行地设计产品及相关过程的系统化方法，它要求产品开发人员从设计一开始即考虑产品生命周期中的各种因素。其关键技术包括：

　　（1）并行产品开发过程建模、仿真与优化。并行工程与传统生产方式的本质区别在于它把产品开发的各个活动作为一个集成的、并行的产品开发过程，强调下游过程在产品开发早期参与设计过程；对产品开发过程进行管理和控制，不断改善产品开发过程。

　　（2）并行工程的集成产品开发团队。产品开发由传统部门制或专业组变成以产品(型号)为主线的多功能集成产品开发团队(IPT－Integrated Product Team)。

　　（3）并行工程协同工作环境。在并行工程产品开发模式下，产品开发是由分布在异地的采用异种计算机软件工作的多学科小组完成的。多学科小组之间及多学科小组内部各组成人员之间存在着大量相互依赖的关系，并行工程协同工作环境支持IPT的异地协同工作。协调系统用于各类设计人员协调和修改设计，传递设计信息，以便作出有效的群体决策，解决各小组间的矛盾。PDM系统构造的IPT产品数据共享平台，在正确的时间将正确的信息以正确的方式传递给正确的人；基于Client/Server结构的计算机系统和广域的网络环境，使异地分布的产品开发队伍能够通过PDM和群组协同工作系统进行并行协作产品开发。

　　（4）数字化产品建模与CAX/DFX使能工具。基于一定的数据标准，建立产品生命周期中的数字化产品模型，特别是基于STEP标准的特征模型。产品设计主模型是产品开发过程中唯一的数据源，用于定义覆盖产品开发各个环节的信息模型，各环节的信息接口采用标准数据交换接口进行信息交换。数字化工具定义是指广义的计算机辅助工具集。最典型的有CAD、 CAE、CAPP、CAM、CAFD(计算机辅助工装系统设计)、DFA(面向装配的设计)、DFM(面向制造的设计)、MPS(加工过程仿真)等。它们被广泛用于CE产品开发的各个环节，在STEP标准的支持下，实现集成的、并行的产品开发。

4.2 汽车产品并行开发流程

汽车产品开发过程内所涉及的内容涵盖汽车外部和内部的造型设计、各系统、总成的总体布置设计、零部件的详细设计、系统仿真、产品工艺设计及产品的实验和试制。该过程管理系统需要对产品开发活动Styling，CAD，DFA，CAE，CS，DFM，CAPP，CAFD，CAM和MPS进行统一调度和监控，并由建模、仿真、调度、监控模块组成。建模模块首先根据产品开发过程的静态描述在产品开发过程中建立产品开发所涉及的对象及其关系。

为简化汽车产品开发过程，先考虑一般性问题。对于所有的产品设计，其开发过程可以抽象成为设计和评审过程的有限循环，如图4-8所示，该流程称之为产品设计评审流。当评审过程成功地通过了，那么循环就停止了，设计数据提交到指定的数据库中。尽管设计工作本身是十分复杂的，但是从产品设计评审流的角度来看，最复杂的部分是评审过程。

产品设计过程的总体视图就是一系列产品设计和评审活动互相交错、并行地执行着，直到每个设计任务都成功地提交。由于产品设计评审流是一个有限循环的环，一种更为抽象的视图就是许多互相交错的环并行地运行着，直到所有的环都断开了，设计项目也就完成了。

汽车产品开发特别是新产品开发或改型设计多指在已有底盘平台的基础上，进行车身结构的开发设计和零部件的选型和匹配设计。因此汽车新产品的主要内容也可以分解成汽车造型设计、白车身设计和汽车内饰的设计及相关的试制和试验活动及相关评审活动。

4.2.1 整车开发内容

整车开发是一个系统工程，它不仅要进行一系列的产品试验和试制，而且还涉及产品造型、总体布置、产品工程设计和工具工装的制造工程设计。

由图4-1可知，车辆工程是一个整体设计概念，是从汽车总布局出发的概念设计，包含碰撞特性和与之相关的仿真和模拟；造型设计注重的是造型效果，主要从美学和空气动力学的角度优化车辆的表面形状；产品工程主要从产品结构出发，注重产品的结构细节；制造工程主要是从生产制造的需要出发，设计产品的生产模具和生产的准备工作。一般来说，汽车新产品的整体设计流程是一个并行工程，其工作内容如表4-1：

表4-1 整车开发内容

上述所列设计内容并非完全按照整车设计过程的时间进行的，它们之间在时间上还存在并列、交替和反复。为体现整车设计的并行思想，可以采用以时间顺序为横轴的甘特图来表示，参见附件A-汽车整车开发工作流程图。

4.2.2 汽车造型工作内容

汽车造型设计包括汽车车身的外部造型设计和内饰内部造型设计，如表4-2所示：

表4-2 汽车造型工作内容

采用甘特图图汽车造型设计的工作流程图可用附件B-汽车外部和内部造型流程图表示。

4.2.3 白车身开发内容

汽车白车身是指去除前后车门的八大块车身件，白车身的开发内容主要设计到车身结构设计、断面设计、车身有限元分析以及与外部造型设计的协调工作，具体工作见表4-3：

表4-3 汽车白车身开发内容

白车身开发流程采用甘特图后可以用附件C-汽车白车身开发流程来表示。

4.2.4 汽车驾驶室开发内容

表4-5 汽车驾驶室及内饰开发内容

汽车驾驶室开发的工作流程采用甘特图的结果参见附件D-驾驶舱开发设计流程。

4.3 汽车产品并行开发建模理论

由上述汽车产品开发内容及其流程可见，它是一个极为复杂的系统，从时间上不仅存在交替、反复，还从资源方面有其共享的过程。为了更好地表达汽车开发的并行过程，必须借助一种新型的网络建模理论－Petri网。

作为一种网络图理论、一种图形和数学建模工具，Petri网既能对并行、并发、同步、资源共享等特性建立模型并使之形象化，又能对系统的动态性质有界性、安全性、活性、公平性、可达性、可逆性等进行分析，已被成功地应用于离散事件系统的建模、分析和控制上。

汽车产品柔性设计系统（FDS）是一个极其复杂的离散事件动态系统，与连续过程系统相比较，离散事件的变化过程是在时间上发生的一个个离散事件，如项目合同签订、项目启动、总体布置、造型设计、详细设计、试验准备、工装准备和工作等。这些阶段行的工作元素可以通过Petri网的元素来反映，FDS中的许多概念可以用Petri网的模型来表达，而Petri网的许多特性在FDS中也能找到实际的物理意义（如表4-1），这也是能采用Petri网加以建模的原因。

表4-1 Petri网和汽车柔性设计系统性能对比

4.3.1 面向对象Petri同步合成网定义

定义1：称五元组PN＝（P，T，I，O，Mo）为Petri网，如果满足：

1) P={p1，p2，…，pm}是有限的位置集合，T={t1，t2，…，tn}是有限的变迁集合；并且P∪T≠φ，P∩T≠φ；

2) I：P × T→｛0，1｝是由位置到变迁的输入函数；

3) O：T×P→｛0，1｝是由变迁到位置的输出函数；

4) M0：P→N是初始标志，N为非负整数集合。

其中P，T，I和O构成一个二分图结构，一般用圆圈“○”表示位置，方框“□”或“－”表示变迁，有向弧“→”辨识I和O。标识代表了各位置中的token数，一般用M标识，如果M(p)＞0，则在标识M下的位置p一般用代原点的圆圈“⊙”来表示。

定义2: 状态机（SM-State Machine）是满足如下条件的P：对 t∈T，都有|·t|＝1和|t·|＝1。其中·t＝｛p|I(p，t)=1， p∈P}，t·＝｛p|O(p，t)=1， p∈P}即每个变迁有且只有一个输入位置和一个输出位置。如果状态机中的每个节点都是强连通的（即对 x，x∈（P∪T），x≠x’，都存在x到x’的有向路径），则称为强连通状态机。

定义3：设Petri网PNi＝（Pi，Ti，Ii，Oi，Moi），i=1，2；PN=（P，T，I，O，Mo）。如果PN，PN1，PN2满足如下条件，则称PN是PN1和PN2的同步合成网，记作：PN=PN1OTPN2

1) P=P1∪P2， P1∩ P1=φ；

2) T=T1∪T2， T1∩ T2= φ；

3) I=I1∪I2，O=O1∪O2；

4)

定义4：称Petri网G=（P，T，I，O，M0）为对象子网，如果G满足如下条件：

1) G是一个强连通状态机

2) 有且仅有一个位置称为初始位置，满足M0(P0)>0；其他p∈P｛p0｝称作状态位置，且M0(p)＝0；

一类对象子网代表一类实体，它封装了该类实体所共有的状态和行为，独立于其他对象类，不同对象子网之间的关系完全靠公共的变迁来描述，因而可以进行模块化建模，每个对象子网是一个模块，从结构上看，每个对象子网是一个强连通状态机，因而比一般的Petri网简单。

定义5：设Gi＝（Pi，Ti，Ii，Oi，Moi），i=1，2，…，n，表示一组对象子网；G=(P，T，I，O，Mo)是一个Petri网，如果Gi，（i=1，…，n）和G满足如下条件，则称G为对象子网Gi，（i=1，…，n）的同步合成网，记作：

1) 对 i，j∈｛1，2，…，m｝，且都有 Pi∩Pj= ；

2)

3) I(p，t)＝Ii（p，t） （p∈Pi） （t∈Ti ） （i∈｛1，…，n｝）；

4) O(p，t)＝Oi（p，t） （p∈Pi） （t∈Ti ） （i∈｛1，…，n｝）；

5) M0O(p)＝Mio（p ） （p∈Pi ） （i∈｛1，…，n｝）；

4.3.2 面向对象的Petri网模型（OPMPM）

　　OPMPM模型包括产品开发过程的静态描述和动态分析。

4.3.2.1 产品开发过程的静态描述

　　产品开发过程的静态描述用面向对象方法建立产品开发过程所涉及的类与类之间的关系。

（1）产品开发过程涉及的类

产品开发过程涉及的类包括产品开发过程、参加者、角色分配、所属项目、可用的计算机、 文件系统、 各种计算机辅助工具、 产品结构以及产品开发所需和产生的数据等子类。

过程又分为五种类型子过程：任务指派过程，即将一个任务指派给参加人员；评审过程，即参加人员评审工作完成的情况；条件判断过程，即判断产生式规则中条件的真假；消息过程，即通过给对象发送消息来执行任务；发布过程，即产品开发完成某一阶段后将情况通知有关人员。

参加者包括人员和人员在项目中承担的角色，人员又包括用户或用户组，指定由某人承担项目的某个角色称为角色分配。

产品结构包括装配件和不可拆的零部件。另外，数据类分为用文字说明的注释、不储存在计算机中的非在线数据和储存在计算机中的在线数据等。

（2）类之间的关系

过程与人员之间的关系用角色表示，并且不同类型子过程与人员关系可分为任务分配员、审核员和归档员。过程与数据之间关系用“粘贴”实现，产品所涉及的文档用产品文档表示。用户属于哪个组以及在哪台计算机上工作分别用项目组员计算机用户表示。

4.3.2.2 产品开发过程动态分析

　　产品开发过程动态分析先建立产品开发过程的功能模型， 然后将其转换为OPM模型， 并对其进行分析。

(1) 产品开发过程功能模型

图4-1所示的产品开发过程分为概要设计、详细设计和加工过程设计三个阶段，其中概要设计包括草图绘制（Sketch）、概念图（Concept）、油泥模型（Clay Model）和总布置设计（Package）等。详细设计又可分为零部件设计(CAD)、可装配性设计(DFA)、结构分析(CAE)、碰撞仿真(CS)和可制造性设计(DFM)，如图4-2所示。同样，加工过程设计可分为工艺设计(CAPP)、工夹具设计(CAFD)、计算机辅助制造(CAM)和加工过程仿真(MPS)。产品开发过程OPM模型提出以下将IDEF(Icad DEFinition)0功能模型转换成与OPM模型的转换规则。

　 规则1. 将每个活动转换为变迁；

规则2. 在两个连接活动间增加一个状态位置；

　 规则3. 对于有外部输入信息的活动，该活动的每个输入增加一个输入消息位置；

　 规则4. 对于有发送给外部信息的活动，该活动的每个输出增加一个输出消息位置；

规则5. 如果活动存在反馈，增加一个评审变迁，并且若多个活动只反馈给一个活动，则只用一个评审变迁。

若将图4-1模型中的概要设计的功能分解，可以形成汽车产品开发概要设计的OPM模型，如图4-3所示。该图表示概要设设计经过草图设计以后，既需要输出若干份草图结果，同时也将

评审结果作为制作效果图和油泥模型的输入条件。效果图和油泥模型都必须经过评审得到最终的可以输入计算机的实体模型。如果评审不能通过则将结果反馈再次进入油泥模型阶段，重新修改。

图4-4是产品详细设计转化成的OPM模型，产品详细设计先从详细设计的请求开始，然后进行CAD的几何模型设计，CAD设计的结果除了输出以外，还将作为CAE、DFA、DFM、CS装配或仿真的输入。接着各分析活动完成以后，将分别进行评审，评审合格则分别输出分析结果；不合格将返回CAD设计的优化设计。该模型这种设计思路充分体现了主模型的并行设计理念，将工程设计、工程分析、工程装配和制造以及碰撞仿真设计结合起来，而设计的资源是唯一和统一的。

图4-5是汽车产品工艺加工的OPM模型。该模型工艺加工以加工请求为入口，进行计算机的工艺辅助设计，将设计的结果作为工装、夹具设计和CAM的输入，再将CAFD和CAM的结果输入

根据上述规则，图4-2的IDEF0功能模型可转换成图4-3、图4-4、图4-5和图4-6所示的子OPM模型。图中圆表示状态位置，短线表示T，椭圆表示IM(OM)，带箭头连线表示流关系，用虚方框括起来的部分表示该对象是私有的，消息是它的边界，可与外部交换信息。由图4-4可见，详细设计在进行CAD后，DFA，CAE，CS和DFM可以并行进行，并且评审T26的结果可能同意，也可能要求修改零部件或概要设计，从而构成设计反馈。同样，概要设计和加工过程设计的v0模型分别转换成图4-3和图4-5所示的子OPM模型。

　根据图4-6和每个子OPM模型与外部发送及接收的消息。图中方框表示门，将所有子OPM模型用g1-g4连接起来而形成整个产品开发过程OPM模型。图4-5不仅表示了产品开发过程不同子OPM之间的设计反馈和预发布过程，而且隐藏着子OPM模型的内部细节，实现了信息封装。　　

冲突分析

建立上述模型后，就可对产品开发过程存在的冲突进行分析，也即资源使用的冲突分析。冲突分析用于确定产品开发过程中存在的不确定性，并提出冲突求解策略。产品开发过程存在的冲突包括输入冲突和输出冲突。例如图4-4中T21有两个用“或”逻辑关系连接的输入位置，属于输入冲突，即不可能要求CAD进行设计的同时又进行更改设计。输入冲突属于系统不同活动竞争同一资源。这类冲突可用活动优先规则解决。又如图4-4中T21有两个用“或”逻辑关系连接的输出位置，属于输出冲突，即评审结果要么修改零件，要么同意或修改概要设计。这类冲突可以通过控制规则来解决。

因此，根据上述理论以及产品开发过程所设计到的技术，可以采用Petri网理论，对汽车产品开发过程及其设计到的产品设计加以建模。根据上述的Petri网理论，可以将设计系统或过程提炼成为面对对象的Petri网。单个的零部件设计构成整个OPMPM模型的各个子Petri网，整个设计过程构成同步合成网。

根据OPMPM模型，我们开发了汽车产品设计的并行工程过程管理系统KPDM。

5 基于知识的汽车并行开发环境KPDM的开发

5.1 并行设计环境的PDM集成框架研究

PDM是一个基于数据库和网络基础上的现代产品电子数据管理系统和项目开发管理软件，因此它应该包含以下几个方面：

1．产品开发管理分系统

管理分系统包含产品开发过程建模与改进、团队运作管理、工作流程管理和产品数据管理4个功能模块。这些功能覆盖了产品并行开发过程中的过程建模、分析、改进与监控，实现了产品开发工作流程的管理和产品数据管理。此外，组建了产品开发团队。开发团队根据项目的实际需求，在产品开发过程分析、建模与改进的基础上建立的。

2．工程设计分系统

工程设计分系统由与产品开发相关的一些关键技术功能模块组成。该分系统包括产品二维和三维设计系统、冲压与铸造模具设计系统、产品协同设计协调与冲突仲裁、数字化产品建模与CAD/CAM信息集成、工装模具制造仿真系统、计算机辅助工程分析（CAE）等功能模块。以信息集成和CAD/CAM为基础，扩展面向成本的设计(DFC)和CAE功能。并基于STEP标准实现了产品信息集成。

3．支撑环境分系统

该分系统包括产品数据管理和网络两个子系统。汽车产品开发的各环节在产品数据管理系统（KPDM）的支持下，实现了产品开发过程和数据的集成。PDM子系统需包含文档管理、产品结构配置管理、零件库管理、数据流程管理和变更过程管理、应用系统集成等功能。

网络与数据库是并行工程的支持平台。齐车公司的技术中心、冷工艺部、热工艺部、工装模具分厂、公司办等在网络与数据库系统的支持下联网，实现数据共享、分布式处理和信息集成，建立了Client/Server结构的计算机系统和广域网络环境，使异地分布的产品开发队伍能够通过PDM和群组协同工作系统进行产品开发。

图5-1为KPDM的集成框架系统，该包括两个方面的含义：首先它是一个集成框架，因此拥有集成框架的所有特性和功能；其次，能够提供典型的PDM软件的功能，并以此为基础建立PDM的应用。

通过分析典型的PDM应用系统的特点和集成有关集成框架模型方面的理论，可以提出一个PDM集成框架的分层体系模型，如表5-1。

表5-1 PDM集成框架分层体系结构

它实际上是由两个互补的部分组成，即由一个应用程序结构和一个数据应用结构构成，分别代表了对应用和对数据的集成观点。每个结构分为四层，且互为对应。其中的应用程序结构由低向高划分为网络层、系统服务层、表达层和应用层；建立该结构的目的是提供一个应用程序集成的框架和提供在此框架基础上开发各种应用的功能接口。而数据应用结构则由低向高划分成物理层、数据服务层、概念层和应用层；建立该结构的目的是提供对异构分布的应用数据对象(复杂或简单数据类型)的灵活表达和有效管理并实现集成。

由图T可以看出，围绕ORB核心模块和相关设施基本实现了集成框架的功能和内容，而PDM的基本功能、扩展功能则是作为应用对象实现的。由于是直接基于ORB核心开发和作为框架系统所直接提供的功能出现，所以它们在性能和效率上将高于其它采用集成框架提供的应用集成开发接口集成的应用。当然，也可直接利用该集成框架提供的开发环境开发新的应用，但在实际情况下，更多的是需要集成已有的和未来的应用。

5.2 基于知识的汽车开发并行工程管理软件 (KPDM)

KPDM就是基于知识的项目开发管理（Knowledge Based Project Development Management）的缩写。它是针对汽车和机械产品开发过程中项目管理、知识管理、数据管理、项目生命周期管理或生产流程管理以及人员组织管理的总称。本论文的目的就是在研究汽车产品开发和项目管理和软件工程的基础上，开发符合汽车产品开发项目管理的软件，加强上述管理，提高产品开发的效率和质量。

21世纪90年代初，随着计算机的推广和CAD软件的应用不断加快，汽车设计能力、设计质量不断提高，特别是采用先进的虚拟设计、有限元分析、动力学仿真等手段的采用，大大减少了差错，降低了返工率，但是又出现了设计模型、仿真模拟等开发过程中数据管理的“信息孤岛”，这样增加了设计中的劳动量；同时迅速增长的电子资料、产品信息使信息的查询和检索出现很大的困难，无形中降低了工作效率；设计过程中设计信息需要经过设计、校对、审批、归档等过程，而且产品设计需要不通的角色的人员参加，使数据在产品工作流程中处于无序状态，该设计过程带来不必要的阻力和滞留；缺少高效的产品开发项目进度控制和工作监控环境，很难发挥并行的团队合作模式的优点；同时对于企业来说，数据的安全是企业的生命，但是一般企业内部计算机分散，使设计者的数据存在本地硬盘上，无法统一管理，给产品数据带来了安全隐患。基于上述原因，大中型的企业必须采用有效的项目管理和产品数据管理软件对产品数据和项目开发加以管理，提高企业数据的安全性和有效性，实现数据的共享，提高产品开发效率。

经过近20年的发展，在市场经济中无法生存的项目管理软件被市场无情地淘汰了。目前项目管理软件根据功能和价格水平被分为两个档次:一种是高档项目管理软件，是供专业项目管理人士使用的软件，这类软件功能强大，价格一般在2000美元以上，如Primavera公司的P3、Gores技术公司的Artemis、ABT公司的WorkBench、Welcom公司的OpenPlan等。另一类是低档项目管理软件，应用于一些中小型项目，这类软件虽功能不是很齐全，但价格较便宜，如 TimeLine公司的TimeLine、Scitor公司的Project Scheduler、Primavera公司的 SureTrak、 Microsoft公司的Project98等。

而在产品数据管理方面主要有UG公司的iMAN软件，PTC公司的winchill。这些都是PDM管理方面比较成熟的软件，在国外应用比较广泛，是价位比较高的产品数据管理软件。在国内的应用主要是由于国内外企业情况的差异和这些软件烦琐、英文的帮助文件而应用困难。

基于此，开发基于知识的项目开发软件解决汽车产品开发和机械产品开发是提高我国汽车产品质量，提高设计效率的有效方法。因此该软件包含一下功能：

1.电子资料室及文档管理

电子资料室是PDM的核心，它一般是建立在关系数据库如Oracle基础上，主要保证数据的安全性和完整性，并支持各种查询与检索功能。通过建立在数据库之上的相关联的文本型记录，用户可以利用电子资料室来管理存储于异构介质上的产品电子数据文档，如建立复杂数据模型、修改与访问文档、建立不同类型的或异构的工程数据(包括图纸、数据序列、字处理程序所产生的文档等)之间的联系，实现文档的层次与联系控制、封装管理应用系统(如CAD、CAPP、字处理软件、图象管理与编辑等)，方便地实现以产品数据为核心的信息共享。

电子资料室通过权限控制来保证产品数据的安全性，面向对象的数据组织方式能够提供快速有效的信息访问，实现信息透明、过程透明。电子资料室还通过封装应用软件，使得用户可以快速准确地访问数据，而无需了解应用软件的运行路径、安装版本以及文档的物理位置的信息。它为PDM控制环境和外部世界(用户和应用系统)之间的传递数据提供一种安全的手段，一个完全分布式的电子资料室能够允许用户迅速无缝地访问企业的产品信息，而不用考虑用户和数据的物理位置。

2.产品配置管理

产品配置管理(Product Configuration　Management)以电子资料室为底层支持，以材料清单BOM为其组织核心，把定义最终产品的所有工程数据和文档联系起来，对产品对象及其相互之间的联系进行维护和管理，产品对象之间的联系不仅包括产品、部件、组件、零件之间的多对多的装配关系，而且包括其它的相关数据，如制造数据、成本数据、维护数据等。产品配置管理能够建立完善的BOM表，并实现其版本控制，高效、灵活地检索与查询最新的产品数据，实现产品数据的安全性和完整性控制。

产品配置管理能够使企业的各个部门在产品的整个生命周期内共享统一的产品配置，并且对应不同阶段的产品定义，生成相应的产品结构视图，如设计视图、装配视图、工艺视图、采购视图和生产视图等。

3.工作流程管理

工作流程管理(Workflow or Process Management)主要实现产品的设计与修改过程的跟踪与控制。包括工程数据的提交与修改控制或监视审批、文档的分布控制、自动通知控制等。它主要管理当一个用户对数据进行操作时会发生什么，人与人之间的数据流动以及在一个项目的生命周期内跟踪所有事务和数据的活动。这一模块为产品开发过程的自动管理提供了保证，并支持企业产品开发过程的重组以获得最大的经济效益。

4.分类及检索管理

利用对现有设计进行革新创造出更好的产品是企业发展的一个重要方面，PDM的设计检索和零件库就是为最大程度地重复利用现有设计创建新的产品提供支持。设计的检索和零件库功能包括零件数据库的接口、基于内容的而不是基于分类的检索和构造电子资料室属性编码过虑器的功能。

5.项目管理功能

一个功能很强的项目管理器能够为管理者提供到每分钟项目和活动的状态信息，通过PDM与流行的项目管理软件包接口，还可以获得资源的规划和重要路径报告能力。到目前为止，项目管理在PDM系统中考虑的还不多，许多PDM系统只能提供工作流程活动的状态信息与过程监控。

综上所述，PDM系统的文档管理是基础，产品管理的重要环节是产品配置管理，工作流程管理面对的是各种简单的或复杂的工作流程，项目管理和零件分类管理的重要作用是有助于PDM与MIS、MRP II进行信息交换。到目前为止，各种PDM软件正在不断完善和发展各项功能。

6.知识库管理

每个不同产品的设计均采用不同的设计知识和经验以及相同的机械设计手册。为方便产品开发和设计、提高知识重复使用，建立产品设计的通用知识库和专用知识库，以便产品设计人员查找和设计。

5.3 软件开发技术准备

5.3.1 CORBA规范

CORBA是非盈利协作组织对象管理集团OMG制定的。OGM于1991年提出了一个对象管理结构的基准结构OMA（Object Management Architecture），在OMA中定义了CORBA的4个主要部分：ORB（Object Request Broker）、对象服务（CORBA Services）、通用设施（CORBA Facilities）和应用对象。其中CORBA ORB是规范的核心，它定义了CORBA的对象总线，是对象之间建立客户/服务器结构关联的通信机制；对象服务定义了能够直接被应用对象所使用的功能；应用对象则指所有以CORBA为运行环境的应用。除此之外，CORBA规范还包括：接口定义语言（IDL）、动态激活接口（DII）、对象适配器（OA）等。在CORBA系统中，所有的应用程序都被封装成对象，其界面定义了该对象可提供的操作，客户方只需知道目标对象及其界面，就可获得目标对象所提供的服务，有效地实现分布对象之间的互操作性。

接口定义语言IDL是CORBA提供的唯一的、面向对象的说明性语言，具有对象封装性，可采用来说明接口，所有CORBA对象和服务都严格通过CORBA IDL接口进行定义，定义IDL接口也是实现CORBA应用最关键的一步。CORBA通过ORB和IDL在客户和服务器之间提供两层可操作性。

PDM作为CIMS应用系统的集成框架，要能够集成不同环境下的应用系统，CORBA（Common Object Require Broker Architecture） 技术的成熟为实现这一要求提供了一个较好的平台。

OMG(对象管理体系结构)组织制订的CORBA标准目前已经成为分布对象计算技术的一个重要的标准，它的应用日益广泛，已得到大约700余家厂商和机构的支持。OMG目前正在制定一个规范，即“PDM使能部件（PDMEnabler）”，这是制造业的第一个规范。所谓使能部件，指的是实现或者支持一种特定的抽象处理过程的物理实体，它通过提供共享产品数据的灵活方式来增强产品开发团队的能力和效率。OMG的目标是定义八类使能部件（工程活动需求、工程变更、制造实现、文档管理、产品结构定义、配置管理和测试维护等），使它们能够支持企业制造过程模型中的产品开发过程。

　鉴于以上情况，通过CORBA规范以增强PDM系统的可扩展性和与其它系统的集成能力，这已经成为评定PDM系统是否成功的标准之一。在“PDM使能部件”规范制定工作完成之后，遵循该规范中的使能部件对象界面描述和对象模型的PDM系统之间将能够实现：

1、 将一个PDM系统的数据转移到另一个PDM系统之中；

2、 实现PDM系统的联邦机制（federation），也即一个PDM系统能够管理另一个PDM系统中的数据。

同时，通过该规范定义的统一的对象界面，其它制造系统中涉及的软件系统（如CAD、CAM和ERP等）可以调用这些对象界面所定义的服务而不必关注所对应的具体PDM产品，从而极大地方便系统的集成。

由于在目前情况下，OMG的“PDM使能部件”规范尚未最终形成，因此，PDM系统将实现基于CORBA规范的PDM服务封装机制，一方面向用户提供符合标准的服务访问机制以利于二次开发和系统集成，另一方面为实现最终的“PDM使能部件”标准奠定基础。PDM服务封装的步骤如下：

1、抽取PDM系统的子功能模块和模型（如零部件管理、文档管理、产品结构定义、工作档案管理等），依据OMG对PDM使能部件的要求，定义相应的服务对象界面并通过OMGIDL语言进行描述。
　2、按照CORBA规范对以上抽取的各子功能模块进行包裹和封装，实现相应的CORBA服务器部件，供不同的按照CORBA规范实现的客户进行激活和调用。PDM与应用软件集成的示意如下所示：

　PDM系统对集成的支持首先表现在应具有最小集成，即集成CAD/CAM产品和MRPII/ERP软件；其次在集成的深度和鲁棒性上，不但能在PDM系统中启动应用软件，而且对于完全的集成而言，应能在PDM系统中直接进行PDM操作，如Checkin、Checkout等，并能在两系统间进行数据交换和消息传递；最为重要的一点是PDM跟踪应用软件的能力，这要求应用软件厂家对标准集成手段的在线支持。

5.3.2 WEB使能技术

Internet/Intranet技术发展迅速，日益普及，已经对企业信息化的开发和应用产生巨大的冲击，将Internet技术应用到企业内部产生了企业的内部网—Intranet。对于不同的计算机应用系统，可以通过WEB浏览器进行文件的传输、电子邮件等，解决企业员工及合作伙伴间的信息交流。Internet与Intranet的连接，使企业有了向世界推销和介绍自己的窗口，也有了了解世界的途径。典型的采用Intranet的企业具有如下特点：分公司分布在不同的地域，分公司对总公司有许多业务情况需要汇报，内部员工也要查看各种信息，另有一些业务人员可能在全国各地推销产品，为了提供最新的产品信息等等，也需要向总公司查询信息。

在传统Client/Server体系结构中，数据库应用的客户端软件包含两个主要功能：

1、 处理数据：根据用户的动作，向数据库服务器发出数据请求，并将返回处理结果。

2、 控制处理的结果显示。

在客户端的软件中包含处理数据的逻辑和结果显示的功能，数据的处理和结果显示紧密结合。而这种密切的联系，使得用户的需求的任何变化，包括处理逻辑或用户界面，都会导致整个程序需要重新编译、安装，使得C/S数据库应用系统可维护性差。

在WEB系统中，服务器上的文件通过HTML语言决定了它在WEB浏览器上的显示。浏览器只是解释这些HTML的标记，使得产生处理的结果和结果的最终显示分离出来，从而避免了C/S结构的局限，尽管它本质上也是C/S模型。导致截然不同结果的原因是客户端软件和服务器端软件功能划分的不同。在C/S数据库应用中，服务器不能控制它返还给客户端的数据将被如何处理与显示，它只管提供所需数据，对于最终用户来说，服务器返回的数据还只是中间结果；而在Web浏览器/服务器模式中，服务器控制返回的结果，同时控制了这些结果在浏览器上如何显示。

通过以上的分析可以很容易的看出将一个数据库应用程序所要完成的功能细分为三部分，各由相应的软件来执行，就可以综合Web浏览器与C/S数据库系统的优点，取长补短，得到一个扩充的应用模式，称为三层应用模式，如图1:

三层应用模式融合了Web服务和C/S数据库应用的优点，实施Intranet加强了企业内部与外部之间的内部交流。通过Web平台，采用E-mail、电子公告栏、新闻组等先进的通信手段可以迅速地在企业员工之间、企业和企业之间方便地获取信息，节省企业开支。

Internet/Intranet在企业应用中需要解决的关键技术是产品图形信息的传输，解决图形在网络上的传输速度问题才能使Internet/Intranet在企业中得到广泛应用。目前，已经有多家CAD厂商支持适于网上图形传输的数据格式CGN，前台通过浏览器，采用ActiveX、Java等技术实现图形在浏览器中的浏览和输出。

Intranet是多种信息服务的集合，信息的交换依赖于底层的网络。对于那些没有基本网络设施的企业需要建设局域网，已经有一定规模的企业需要评估现有的网络能否满足实际的需要。企业内原有的局域网和计算机均可保留，使原有的投资得到很好的保护，需要的仅仅是对部分软件进行升级或安装，不需很大的追加投资。

5.3.3 与核心图形系统集成

在企业内部一般会拥有较多不同的应用系统、系统之间必然进行频繁的数据交换，但不同的系统具有各自的数据管理机制。因此系统之间的数据交换必需要保证数据的一致性和可靠性。数据之间的数据交换模式可以分为接口模式、封装模式与集成模式。其中接口模式需要针对不同的系统编写不同的接口，不同的CAX系统之间有许多数据交换接口标准，如初始图形信息交换规范（IGES）、数据传输和交换接口（SET）、曲面数据交换格式、CAD接口以及产品数据交换规范（PDES）等。在这些规范的基础上，ISO制定了新一代产品数据交换规范STEP，这个规范的目的在于覆盖过去所有的接口标准的功能和应用范围，并解决产品数据交换中存在的问题。封装模式是把对象的属性和操作方法同时封装在定义对象中，用操作集来描述可见模块的外部接口，从而保证了对象的界面独立于对象的内部表达。在封装模式下，PDM系统并不需要了解数据的内部结构，只要在对数据进行编辑时，启动与数据相应的应用系统程序，并输出原始数据，最后关闭应用系统及取回运行结果即可。数据交换的集成模式采用有统一的产品数据模型，并采用统一的工程数据库管理系统来管理集成数据，使个系统之间直接进行信息交换，提高数据传输效率和系统的集成化程度，保证各系统之间的额数据的一致性、可靠性和数据共享，真正实现应用软件系统之间的信息交换与共享。根据上述集成方式，本文开发的KPDM并行开发环境即采用了第三种集成方法。

随着软件技术水平和计算机性能的迅速提高，CAD软件的功能正在日益强大和完善，逐步发展成为了满足设计人员进行零件、部件和产品装配及分析的企业级综合软件体系，在PDM平台上对CAD数据的管理，最终解决方案即为对CAD软件系统进行系统集成，使得两者之间的数据交换达到集成模式程度。

5.4 KPDM软件模型

KPDM是Knowledge based Project Development Management的英文缩写，意即基于知识的项目开发管理。该管理模型为产品开发的项目管理、各类数据管理、生产流程管理提供了一个集成环境。它主要包括如图T中的12个模块，每个模块实现产品数据管理必需的各个不同的功能。

整个KPDM软件的结构框架图集中体现基于知识的项目开发管理的管理思想和实现方法，从总的方面概括KPDM的结构关系。软件集中体现以人为本的管理方法，将该软件的使用人员分为两类，第一类就是一般的用户，另外一类就是系统管理员。一般用户和系统管理员在软件中不同的是系统管理员拥有比一般用户更多的权限，能够访问更多的程序模块，能对一般用户使用的模块加以设置。一般地，用户能够使用的模块包括项目管理、产品数据管理、产品结构管理、邮件管理、用户登陆管理、权限工作流程管理、数据参考管理、数据查询管理；而系统管理员还能对项目组织管理、人员权限管理和数据类型管理。

5.4.1 模型基本要素说明

在5.2.4中已经介绍我们采用Rational Rose作为建模语言，它采用实例图、静态图（包括类图、对象图、包图）、实现图（包括部件图和配置图）等元素以及它们之间的相互关系建立整个系统的静态模型。同事UML语言也采用行为图（包括状态图和活动图）和交互图（包括顺序图和合作图）描述系统的行为。

用例图及其各个元素主要是从系统操作者的角度描述的行为，它可以是表现系统的一种方式，也可以是系统和用户执行的一系列的序列动作，还可以表示传递数据等。用例图的作用是通过其中的用户actor完成的，定义了用户对系统进行了什么操作。通常系统中包含很多组用例图。

部件图显示软件部件之间的依赖关系，表示系统代码本身的结构。

配置图描述系统硬件的物理拓扑结构以及在此结构上执行的软件。配置图可以显示计算机结点的拓扑结构和通讯路径、结点上运行的软件部件、软件部件包含的逻辑单元（对象、类）等。配置图常常用于帮助理解分布式系统。

顺利图用来描述对象之间的交互关系，着重体现对象消息传递的时间顺序。顺序图有两个轴，水平轴表示不同的对象，垂直轴表述时间。顺序图中的对象用一个垂直虚线的矩形框表示，并标有对象名和类名。垂直虚线是对象的生命线，用于表示在某段时间内对象是存在的。对象间的通信通过在对象的生命线间画消息来表示。其中的消息可以是信号、操作调用。

合作图用于描述相互合作的对象间的交互关系。合作图着重体现交互对象间的静态链接关系。

活动图既可描述操作，也可以描述使用实例和对象内部的工作过程。活动图是由状态图变化而来的。活动图依据对象状态的变化来捕捉动作与动作的结果。活动图中一个活动结束后将立即进入下一个活动。

而表T是UML建模语言Rational Rose语言中用到的基本要素的图标。

表5-1 UML建模语言基本要素图标

类是具有通用结构和行为、相似属性、操作、关系以及语义等共同属性的一组对象，一个类就是真实世界中单个事务的抽象。采用类图可以描述系统的结构和性能，类图表达对象模型。类图中包含类，利用联系和接口来描述不同的类和对象之间的关系。

一个组件代表软件的一个具有良好定义接口的模块。组件的接口通过一个或几个由组件提供的元素表示的。组件用于表示编译器、运行时的从属关系、以及软件模块间的接口和调用的从属关系等。一个软件可能由几个不同的组件

5.4.2 项目管理模块

(1)项目管理的功能

项目管理包含人员管理、角色管理、任务管理、警报管理和项目计划进度表管理。一个项目组成立前，先确定项目的任务，同时设置项目验收节点及相关警报。先确定该项目组的成员，可能包括项目经理、项目副经理和若干项目成员。最后根据项目内容和参与的项目成员确定项目计划进度，制定进度表。

(2)项目管理的模型

项目树

|…人员结构

| |…项目经理

| |…项目副经理

| |…项目成员1

| |…项目成员2

|

|…项目任务

| |…项目1

| | |…任务节点

| | |…警报1

| | |…警报2

| |…文档资料

| |

| |…项目2

| | |…任务节点

| | |…警报1

| | |…警报2

| |…文档资料

|

|…项目计划进度表项目

图5-5 项目管理模型结构树

在任务管理模块中，用户可以设定任务名称、责任人（包括项目负责人和项目组成员）、项目启动日期、计划完成日期、个人计划比例、个人已完成比例以及项目相关说明。

警报模块中，用户可以设定项目警告名称、警报到期日期、警报是否提前发送以及相关警报说明。用户根据需要可以新建、删除和修改项目警告。当用户的任务即将到期，达到警报发送日期时，系统自动给用户发动项目可以延期或者督促用户提速的警报。此外项目中又可以根据实际情况建立子项目，子项目由子项目经理负责，子项目经理向总项目经理汇报工作。

在项目计划进度表模块中，模块自动显示上述设定的项目名称、项目开始时间、计划完成时间、项目说明。而且这些信息能以图形的方式显示在以时间为水平轴的界面上。计划完成时间跨度采用黑色带表示。已完成或超前完成的时间跨度用蓝色带表示。如果工作滞后不能按正常进度进行，时间跨度用红色带警示。这也就是我们经常所说的甘特图。

(3)接口实现方法

为实现上述项目管理功能，必须建立与上述模块对应的类如项目管理类、项目人员类、任务类、项目进度表类、警报类以及项目管理接口。其中类包含若干个实现函数，类对应的对象又具备若干属性。如图5-5是项目管理模型，该模型包含项目管理界面类、任务类、任务列表类和警报类。每个类图分为三部分，顶部是类的名称，中部是一系列的属性，底部是一系列的函数或操作。其中界面管理类包含现实项目用户、新任务、更改任务、删除任务、新建警报、删除警报和修改警报等函数。而对于任务类，它包含任务名称、启动日期、终止日期、属性、描述、状态和任务号等属性。任务用户列表既包含任务用户名称、是否计划、百分比、ID号等属性，又包含获取计划进度、获取实际进度、设置计划、设置实际进度等操作。

5.4.3 人员组织模型

人员组织是企业的实际人员组织结构的再现，具有系统管理员权限的用户（比如部门经理）可以增加、删除和更改KPDM系统中的人员、用户、角色和项目组，并能对组织和人员赋以相应的权限。

人员组织模型是PDM系统中基本的模块模型之一，与其它模块有着非常紧密的关联，如用户登陆判断、所有数据及对象的相关信息、权限管理、项目管理、查询功能等。

人员组织模块包含项目组（group）、角色（role）、用户（user）、人员（person）、卷（Volume）等功能。这些功能是可以和企业中的某些概念对应起来的：

♦ 项目组表示企业内部进行产品开发的项目组，是进行团队管理的组织单位；

♦ 人员是企业内部的编制人员；

♦ 用户是从事某个项目组的项目成员，是使用计算机进行产品开发的人员。系统管理员在事实PDM前，根据需要可以设置不同用户的计算登录名称及相应密码；

♦ 角色就是企业内部职工的岗位和职务；

♦ 卷是产品管理的电子资料室，实现文件资料的保存，对应企业内部的档案室。它可以在设计人员的计算机上，也可以在别的计算机上，它由系统管理员根据项目组的要求或企业内部领导的要求进行设定。

图5-6是采用UML语言建立的人员组织模型。对于客户端，PDM的人员组织模型由ManagementOrganization这个类管理，该类调用GroupPanel，GroupTree，ManageOrganization，PersonPanel，RolePanel，ShowGroup，ShowRole，SitePanel，UserPanel，VolumePanel等子类控制用户操作界面。用户通过这些界面可以分别对项目组、项目与子项目、组织结构、人员、数据库所在位置和用户、电子室实现新建、修改和删除等操作。对于服务端，PDM提供一系列的接口，它们分别是GroupInterface，PersonInterface，RoleInterface，SiteInterface，UserInterface，VolumeInterface。这些接口分别与客户端各界面的功能。

5.4.4 知识库模块

知识库模块的常驻内容是机械手册中经常使用的数据表和图，内容有公差配合、形位公差与表面粗糙度，机械工程材料、紧固件与连接件、零部件冷加工设计工艺、齿轮传动、链传动、带传动及弹簧、轴承、联轴器、离合器和制动器、起重件及传输件、管路、管子及管路附件、轮胎与轮辋、液压与气动元件等等。此外知识库是一个开放的系统，该系统能将汽车设计的标准、汽车设计的其他方面的知识融入KPDM系统。

知识库模块主要是为了方便用户快速查询机械设计手册或者企业已有的数据库。该模块具备以下查询功能：

♦ 分层查询（标准查询）。建立机械设计手册的分层结构。用户可以先从大类开始寻找，然后一层一层往下查找。这需要用户了解机械工程中各种知识的从属关系。

♦ 快速查询（模糊查询）。用户可以输入所要查询内容的关键字，快速查询到包含关键字的数据和知识。然后用户只需点击滚动条就可以较快地查询到所需的知识。

♦ 快速翻页。对于已经查询过的数据，用户可以向前或向后翻看数据表，再次获得所需的资料。

♦ 收藏夹功能。用户可以把经常需要查询的表添加到收藏夹里，以便以后的快速查询。

数据库模块还提供用户对数据库的增加、更改和删除等功能，保证该知识库系统是一个开发的系统。

5.4.5 文档数据及产品数据管理模块

文档数据管理模块提供管理产品的结构定义和产品配置。产品结构管理（PSM）具有如下功能：

▪ 通过材料清单（BOM）浏览功能修改和控制产品的结构。因为它的图形界面能体现产品的结构(装配，子装配和零部件)。

▪ 在图形界面上使用标准的工具，如拷贝，剪切和粘贴来维护产品的结构。

▪ PSM定义了产品的BOM。对应于产品生命周期中不同阶段，如设计阶段、装配阶段，不同的BOM表代表产品或总成从不同角度定义的信息。

PSM把产品定义的全部数据，包括几何信息、分析结果、技术说明、工艺文件等，都与产品结构建立了联系，使用户能够很方便地知道某一项变化所造成的影响。BOM是进行企业资源管理的基础。在进行产品设计的初期，就可以对BOM资料进行设定，在设计后还可以对这些信息进行修改。

一般地，BOM主要管理零部件的产品信息说明、版本信息、需求信息和基本资料。其中产品信息说明包括编号、图幅、材料、重量、数量、总重、所属装配、厂家、注解、其它1、其它2、产品描述、类型、应用程序、发行时间、创建时间、归档时间、最后修改时间、备份时间、归档信息、最后修改者、所有者、所有项目组、是否冻结等；版本信息通过版本详细说明、版本信息主表和版本信息基本说明等属性加以配置；需求信息需求量、生产能力和库存量等；基本资料包含一般技术资料、技术说明、图片、制图文件、造型文件、工艺文件、NC加工文件、分析数据文件、试验结果、鉴定报告等。从UML建模的角度来看，除了基本资料以外，其他产品信息都属于产品的属性，只有基本资料属于产品结构管理模块下的子包，子包本身也具有各自的属性。

5.4.6 生产流程管理模块

根据同捷公司的产品开发流程制定流程管理机制

通过对实际任务和活动的调研，我们发现根据各种流程之间的相似性，可以把它们分成不同的种类。例如，所有的评审任务都有相似的特点，它们都包含有类似的信息，诸如谁来评审、评审的数据是什么、最迟回复期限等。这样，同一种类的任务可以抽象为一个模板，称之为参数化任务，每个参数化任务可以用一个属性集合来表示，每个具体的任务是它的一个实例。下面我们列出产品设计评审流中最常用的几种参数化任务：

(1) 参数化设计任务

　　参数化设计任务抽象了所有的设计人员的任务，它的实例描述了谁来执行设计任务，具体干些什么。

(2) 参数化校对任务

参数化校对任务抽象了所有的校对人员的任务，它的实例描述了谁来执行校对任务，具体干些什么。

(3) 参数化工艺任务

参数化工艺任务抽象了所有的工艺设计人员的任务，它的实例描述了谁来执行工艺任务，具体干些什么。

(4) 参数化评审任务

　　参数化评审任务抽象了所有的评审任务，它可以被实例化为某个评审人员的评审任务。一个评审过程就是一系列并行或顺序执行的评审任务。

(5) 参数化归档任务

　　用于产品设计的数据库有4类，即设计人员数据库、评审用的临时数据库、通过评审过程后转入受控库、已经生产出产品的设计数据转入历史库。当设计数据通过评审过程后，必须转储到另外一个具有不同存取权限的数据库中。参数化转库任务抽象了所有的设计数据转储操作，它可以用源数据库描述和目的数据库描述来实例化。

通常，一个产品的设计过程涉及到上述五个任务。也就是说上述设计、校对、工艺、评审和归档任务构成了产品设计的生产流程。因此根据上述原则，设计生产流程管理模块。

5.5 软件介绍

5.5.1 软件开发工具介绍

本软件中依据软件工程的流程进行各个阶段的设计。除了采用Office完成各个阶段的报告、文档外，还需要借助其他软件完成某些特殊阶段的工作。比如说在软件的建模阶段，就需要采用Rational Rose进行为统一建模语言（UML），用图形和流程图的方式建立软件模块的结构、内容以及各模块之间的相互关系；在编程实现阶段采用Jbuilder 5 JAVA语言编译器实现代码编程；采用ORACLE作为数据库管理软件；采用Source Safe管理该软件的资料管理（后采用该软件本身管理）。以下对这三种软件作详细的介绍。

1) 统一建模工具－－Rational Rose 是统一建模语言软件中的一种。该软件是Rational公司的产品，为统一建模语言中常用的工具。该工具采用类图、实例图、对象图、包、部件图和配置图等元素以及它们之间的相互关系建立系统整个模型。上述这些元素体现模型的属性、表示各元素的特点，并以此加以区分。Rational Rose还提供丰富的图形图标表示模型的各种元素和关系。该方法也符合编程语言面向对象技术的发展趋势。同时用该软件建立的模型不是孤立的，它可以与其他编程语言中直接进行转换，它提供了与JAVA语言、ANSI C++、CORBA、COM等数据接口。

2) Jbuilder是编写JAVA语言的常用工具，随着该软件的发展，版本也不断升级，软件的功能也不断的完善。该语言是建立异构平台的工具，并且它将JAVA语言和网络通讯工具XML完美结合起来，针对企业级应用程序的开发。该软件便于团队合作式的编程开发工作。因此编程效率和其他JAVA语言的编程效率要高，对于KPDM这个大型的应用型软件是非常有效的。在本软件的开发过程中不同的人员负责不同的模块，各个成员并行设计、单独编程、既可以独立调试，又可以统一测试。

3) ORACLE作为数据库管理软件中的一种，在管理大型数据库方面具有绝对优势。它包含数据表（Schema）、用户管理（Security）、数据管理器（Data Manager）、结构查询语言（SQL）、备份管理器（Backup Manager）等模块。这些模块对于数据库管理是非常安全和严密的。数据表模块主要负责数据表、试图、数据字典的删除、更新和新建；用户管理负责用户的建立、删除、更新以及对应权限的设置。数据管理器负责数据的导入、导出。结构查询语言便于编写查询语言，能快速地筛选数据。数据备份能建立一定的计划对系统数据进行备份。在KPDM中，Oracle管理所有的数据和资料。Oracle管理数据的机制不同于一般的存储机制，而是将软件数据的关系加以管理，实现用权限管理数据关系，通过调用数据关系调用数据电子室的数据和资料。

5.5.2 软件界面介绍

1. 软件登录界面。用户根据系统管理员设定的信息进行登录。

2. 工作区图，用户可以在工作区创建产品相关数据

3. 任务区图，用户在此处可以创建任务，浏览由上级主管分配的任务

4. 查找区图，用户在此处可以查找产品设计的相关数据。只需输入关键字就可以将包含关键字的文档、数据、产品图纸等信息显示出来。

5. 项目管理模块，用户可以在此配置项目相关信息如项目参与人员、项目进度计划、项目警报等信息。

6. 类型管理模块，系统管理员可以在此配置系统需要集成的其他应用软件入OFFICE软件，三维设计软件等等。

7. 人员组织模块，具有系统管理原权限的用户可以设计企业的人员、角色、项目组信息、资料保存地址信息等。

8.

6 某大型车型开发的项目开发管理实例

6.1.1 项目背景

该大型项目是在某国产微型客车的基础上进行新型客车的改进设计，以期实现提高汽车的被动安全性，能与原客车贡献生产，满足国家强制性标准要求和系列化要求以及相关成本控制要求等目标。该项目的设计要求是顶盖采用原用件，轮距不改变，B柱后的车身内外覆盖件沿用原模具，车身附件尽量沿用或市场采购，整备质量不能超过原车的10%等。该项目的工作内容包含新车型设计的造型、设计、有限元分析、碰撞仿真分析、样车试制、法规试验等。需要提交的工作包括新型客车效果图、1:1内外模型、1:1数控模型、总布置设计图纸、新型客车三维数模和二维图纸、螺钉车、四辆试验样车和两辆白车身等。

6.1.2 人员组织模型

人员组织是进行产品开发的人力资源。也是实现并行工程的动力。并行工程能否有效地执行决定于人员组织是否具备团队精神，是否采用团队管理方法。

在传统的串行产品开发模式中，各阶段的开发人员是按部门划分的。如设计部门只作产品设计；工艺部门作工艺规划，生产部门负责制造和产品的销售。而在并行工程中，强调团队的工作风湿进行产品的开发，从企业各部门中抽调专业人员组成团队，由团队全面负责某个产品或一部分产品的开发和生产，包括产品设计、工艺设计、编制预算、生产准备和投产等。对于当今新形式下新产品开团队组件值得借鉴的一些原则：

(1) 目标原则　任何团队都必须体现某个有关的企业目标,否则这个团队就是多余的；

(2) 专业化原则　团队内每个成员的行为应尽可能承担单一的专业化职能；

(3) 协调原则　团队的组织工作本身的目的就是有利于协调和团结一致；

(4) 权威原则　每个团队需要有团队的领导,作为团队的权威,但这种权威只能达到一定的范围,不能滥用；

(5) 责任原则　团队中的每个成员都有明确的职责,并对其任务负责；

(6) 明确性原则　每个成员职务的内容,包括任务、权力和责任与其他成员的关系都应该明文规定、公布众知；

(7) 相应原则　每个成员的权与责必须相适应；

(8) 控制广度　团队的规模要适度,尽量减小团队的规模；

(9) 平衡原则　团队成员的任务应当适度,相互的工作量平衡,奖惩得当；

(10) 连续性原则　尽量延长团队的寿命,不要随着一个项目的完成而立即解散团队,而应该看这个团队或者其中一部分成员是否能够继续完成下一个项目,以减少团队成员之间的磨合时间,保持团队的工作惯性,提高团队的工作效率。

为保障该汽车产品项目的正常进行，必须根据上述原则和汽车产品开发项目的工作内容建立相应的组织模型和人员模型。

如图T所示是以产品开发为核心的三层组织结构，第一层是汽车产品开发的设计与开发工作。第二层为围绕产品设计展开工作的各个部门，包括如下几个部门：

♦ 总布置：汽车设计和开发的总指挥，负责工作的分配；

♦ 造型部：绘制彩色效果图，确定造型方案，1:1内、外模型，逆向工程表面测量等；

♦ 车身部负责：车身分块，车身八面体内外饰结构设计；

♦ 底盘部负责：底盘各零部件，底盘总布置设计；

♦ CAE工程部负责：CAE结构强度设计与优化工作，碰撞仿真；

♦ CAM与模具工程部负责：模具试制、工装；

♦ 试验试制部：螺钉车试制、样车试制；

第二层各部门组成产品开发中心，形成一个系统的汽车产品开发设计单位，涵盖与汽车设计相关的各个领域。第三层为检查、监督和帮助第二层搞好产品设计开发的部门：

♦ 质量保障部：保障产品开发质量满足用户需求，节点评审；

♦ 项目管理部：项目进度管理节点控制奖金考核；

♦ 总师办给各项目组提出意见、建议、指导。

在人员管理方面采用A管理模式，设置上述组织结构及其相应的人员模型（见图T）：

第一级为中心主任、中心副主任，中心主任总领中心各事务，中心副主任管理2-3个部门。第二级为部门经理和部门副经理，分别管理个部门的人员和产品开发设计工作；第三级为项目经理，负责总项目内的各子项目。这样实现了每人管理人数为10以内，各人员实行层层负责，直接领导的管理模式。

各项目经理下设各种设计人员，主要包括设计人员（如造型设计、内饰设计、外饰设计、白车身结构设计、油泥模型）、试验技术员（如风洞试验、道路试验、安全试验）和试制人员（样车试验、样件试制）。在汽车产品开发的不同阶段需要不同类型的技术人员。

根据上述要求，在KPDM软件中先建立“客车改型设计”项目组（Group），然后再在该项目组下建立“总布置设计”、“造型设计”、“车身设计”、“底盘设计”、“CAE分析”、“CAM”、“试验试制”等七个子项目组。在各个项目组中添加对应的项目管理角色（Role），并添加相应用户（users）。

同时在创建项目组时，还必需赋予该项目组的资料室（vault）存放位置及相关的项目说明；不同的角色配备的用户个数是不同的。项目中的角色按照项目工作需要的工种予以添加，比如总工程师、项目经理、程序员、设计员、工艺员、标准管理员、系统管理员等等。同时不同的角色根据工作的需要和管理层次赋予不同的权限和数据安全等级。而各角色人员的配备根据项目组成员从事的工作予以添加。

6.1.3 产品资料管理

产品资料管理就是产品数据管理，它覆盖产品生命周期内的全部信息，为企业提供了一种宏观管理和控制所有与产品相关的信息的机制。与产品相关的信息包括任何属于产品的信息，如CAD/CAM文件、材料清单(BOM)、产品结构配置（PSM）、技术文件、产品定单、电子表格和供应商清单等等。与产品有关的过程包括加工工序、加工程序、相关标准、工作流程和机构关系等处理程序。PDM系统主要包括以下几个功能：电子文档管理、产品配置管理和工作流程管理、分类与查询和项目管理等。基于这种技术，PDM系统能够实现分布环境中的产品数据共享，为异构计算机环境提供一种集成应用平台，从而能够较好地实现新一代的计算机集成应用系统。

在产品数据管理方面利用现代计算机辅助设计软件（如UG，Pro/E，I-deas）的三维与两维的转换模式，以及通用的数据交换接口等工具，采用主模型的管理方法。主特征模型是用来表达产品的几何拓扑属性、精度特征及材料特征，并隐含说明了参考系统的概念，该模型提供对其它各阶段设计模型的支持，目标是建立在产品生命周期各阶段支持对主模型的应用要求。对主模型的描述，我们采用STEP标准的EXPRESS模式进行表达，STEP标准是以中型格式概括出一个在产品生命周期内具有完整性与集成性的计算机化的产品模型所需信息，它采用统一的产品数据模型，并采用统一的数据管理，各系统间可直接进行信息交换，而不必转换为数据，从而提高信息传递的准确性和系统的集成性。

由图T可知，一个零件只有一个主模型，二维图形、有限元分析模型、制造数模和装配数模均来自该主模型。该主模型一旦发生变化，其他的相关数据将随之变化，确保数据的一致性。

由此可见，主模型技术成功地将曲面和实体表达方式融为一体，统一了数据结构，容纳了许多非几何产品信息，构成了完整的产品定义，为协同设计和并行工程打下了良好的基础。也就是说在设计主模型的同时，就可以同时进行有限元分析、二维图纸的制作、结构装配检查和生产制造的准备工作

产品资料设计审批和归档流程。

从产品任务分配－设计－审评－归档。

6.1.4 产品开发流程模型

通常，产品开发流程是采用计划进度表的方式进行的，而甘特图是计划进度管理的常用方法。该方法能反映产品开发的节点情况、阶段性工作、各个节点对应的时间以及各个阶段需要的技术人员等等。甘特图上节点的确定和时间的确定是根据并行工程Petri Net技术推导后经过调整得到的。得到该项目的产品开发流程。见附件T1，在KPDM中的体现为附件T2。从附件中可以看出，项目启动日期、完成日期、项目经理、项目节点及对应的完成时间，还有参与该项目的用户以及每个用户预期完成进度，同时该流程中设置节点警报，规定任务完成时间，并实行层层警报：如果对于总项目中某个子项目某个节点处出现任务延期事件，则系统给该项目的项目经理警报，相应的父项目经理也收到警报，及时提醒各层管理人员注意进度的控制，确保各个项目的各个节点不出现重大的延期问题。

6.1.5 项目管理模式

为搞好项目管理工作，需将项目工作细分，分交不同的部门负责管理。整车的项目管理包含以下工作：

1) 情报收集并确定设计指标和设计任务书。

2) 组建设计项目组。

♦ 总布置设计项目组(负责零部件建模、总装建模、人机工程学、整车五大性能仿真和优化设计等)；

♦ 车身造型设计项目组(负责效果图设计和创意方案、内外模型、内外曲面整体光顺)；

♦ 车身总体设计项目组(负责车身部件的分块和布置， 确定各个大片之间的连接关系和控制线和面) ；

♦ 车身结构设计组(负责侧围、顶盖、地板、前围、发动机舱及驾驶室前围板、后围、驾驶室后围、仪表板、空调系统、内饰设计、车门设计、发动机盖、玻璃设计、标准件选型与设计)；

♦ 车身结构分析和优化组 (负责结构有限元分析、碰撞过程仿真)；

♦ 零部件选型和匹配设计组(负责悬架优化和匹配设计、制动器匹配和选型、转向系统设计、排气系统设计、电器线路设计、其他总成的匹配设计)；

3) 主要零部件资料收集并确定零部件的选型。

4) 建立或索取零部件三维外形尺寸或三维CAD数模。

5) 三维总装设计(总布置设计，主要性能匹配和计算，整车优化)。

6) 车身造型彩色效果图设计-轴侧效果图设计 。

7) 制作1:5手工模型及1:1数控加工模型 。

8) 选择确定设计断面及初步设计尺寸 。

9) 车身表面三维测量与曲面光顺，确定分块线。

10) 车身结构分块与结构设计。

11) 车身结构有限元分析，优化和仿真。

12) 零部件匹配和优化设计。

13) 零部件试制与概念车试制。

14) 概念车基本性能试验。

15) 进行第二轮设计修改及试制和试验。

16) 模具检具及生产工装准备。

6.1.6 质量控制模式

为加强汽车产品开发的质量管理，通常采用潜在失效模式及后果分析（DFEMA）方法。该技术能保证在可能的范围内充分考虑并指明各种潜在的失效模式及其相关的起因和激励。应评估最终的产品以及每个与之相关的系统、子系统和零部件。DFEMA以其最严密的形式总结了设计一个零部件、子系统或系统时，一个工程师和设计组的设计思想。这种系统化的方法体现了一个工程师在任何设计过程中正常经历的思维过程，并能使之规范化、文件化。

设计DFEMA能够通过以下几个方面支持设计过程，降低失效风险：

♦ 有助于对设计要求和设计方案进行客观评价；

♦ 有助于对制造和装配要求的最初设计；

♦ 提高在设计、开发过程中考虑潜在失效模式及其对系统和车辆运行影响的可能性；

♦ 为全面、有效的设计试验和开发项目的策划提供更多的信息；

♦ 根据潜在失效模式对“顾客”的影响，讨论系统对其进行排序列表，进而经历一套改进设计和开发试验的优先控制；

♦ 为推荐和跟踪降低风险的措施提供一个公开的讨论形式

♦ 为将来分析研究现场情况、评价设计的更改及开发更先进的设计提供参考。

设计DFEMA应从所要分析的系统、子系统或零部件的框图开始。附录A给出了一个框图的示例。该框图指出可指示信息、能量、力、流体等的流程。其目的在于明确对于框图的输入和框图完成的过程以及来自框图的输出。

1) DFEMA编号。建立文件编号的目的在于查询。

2) 系统、子系统或零部件的名称及编号

3) 设计责任。在此需要填写整车厂、部门和小组，还有可能的供应方填入

4) 编制者。填写负责DFEMA准备工作的工程师的相关信息。

5) 车型年/车辆类型。填入将设计或正在设计的预期的车型年份及车辆类型。

6) 关键日期。填入DFEMA初次预定完成的日期，该日期不应超过计划的生产设计发布日期。

7) DFEMA日期。

8) 核心小组。列出被授权确定和/或执行任务的责任部门和个人姓名，建议所有参加人员的姓名、部门、电话、地址等都应记录在一张分发表上。

9) 项目和功能。填写项目名称和用尽可能简洁的文字来说明被分析项目要满足设计意图的功能。

10) 潜在失效模式。它指系统、子系统或零部件有可能未达到设计意图的形式。可能是更高一级子系统、系统的潜在失效模式的起因，也可能是它低一级的零部件潜在失效模式的后果。

11) 潜在失效后果。失效的后果是内部或外部顾客可能发现或经历的失效后果，通常依据所分析的具体系统、子系统或零部件来说明。

12) 严重度。它指在失效模式发生时对序零下件、子系统、系统或顾客影响后果的严重程度的评价指标。严重度按照评价标准可以分为1到10级

13) 级别。用于对零件、子系统或系统的产品特性分级（如关键、主要、重要、重点等）。

14) 潜在的失效起因和机理。失效起因是指一个设计薄弱部分的迹象。

15) 频度。频度是指某一特定失效起因/机理出现的可能性，描述频度级别数量重在其含义而不是具体的数值。

16) 现行设计控制。它指那些已经用于或正在用于相同或相似设计中的那些方法（比如说道路试验、设计评审、台架/试验室试验、可行性评审、样件试验和使用试验等）。

17) 探测度。探测度指在零部件、子系统或系统投产之前，采用现行设计控制方法来探测潜在实现起因/机理的能力的评价指标。

18) 风险顺序数（RPN）。风险顺序数是严重程度、频度和探测度的乘积。是对设计风险性的度量。

19) 建议措施。当失效模式按RPN排出次序后，应首先对级数最高的和最关键的项目采取纠正措施。通常可以考虑试验设计、修改试验计划、修改设计和修改材料性能等措施。

20) 责任。把负责建议措施执行的组织和个人及预计完成的日期天下在本栏中。

21) 采取的措施。简要记录具体的措施和生效日期。

22) 措施后的RPN。当明确纠正措施以后，估算并记录下措施后的严重程度、频度及探测度数值。

6.1.7 PDM产生的效益

PDM作为支持协同工作的使能技术,首先能支持异构计算机环境，包括不同的网络与数据库；其次，能实现产品数据的统一管理与共享，提供单一的产品数据源；第三，PDM能方便地实现对应用工具的封装，便于有效地管理全部应用工具产生的信息，提供应用系统之间的信息传递与交换平台；最后，它可以提供过程管理与监控，为协同工作中的过程集成提供必要的支持。综合上述四个方面，PDM在突出产品数据管理的基础上，正逐步完善其作为制造业领域集成框架的功能，为协同工作实施提供更强有力的自动化环境

节约工程成本：一般企业实施PDM系统后会节约工程成本10%左右。

加快产品开发速度：企业实施PDM系统可以缩短产品开发时间20%左右。

缩短产品上市时间：企业实施PDM系统可以缩短产品上市时间50%左右。

提高定单反应速度：企业实施PDM系统可以提高客户定单反映速度30%左右。 减少开发过程修改：企业实施PDM系统可以避免开发过程的不必要修改达40%左右。

采用并行工程管理的优势：

1.能开发出符合市场或用户需求的产品

目前，国内大部分制造业，由于受原计划经济的影响，开发出的产品尤其是新产品大部分为技术驱动型产品，而忽视了对市场需求的研究，难以满足客户需求。采用并行工程进行的产品开发，项目以跨职能小组为组织形式，项目的启动点就是充市场需求入手，即从来自营销或其他方面的市场信息入手，针对市场需求，由小组编制开发项目的市场需求说明及经营计划，经项目管理中心进行科学合理的评估，决定项目是否可以正式启动。因而在这种形式下开发的产品是由市场推动的，而不是由企业的生产能力、技术水平盲目生产的，这种开发方法更易于开发出符合市场需求的产品，降低了开发风险。

2.可增加产品的营销生命和市场份额。

采用并行工程方法进行产品开发，对市场需求反应速度快，注重市场和用户的需求，并在产品开发时间、开发成本、开发质量等三大竞争要素方面优于竞争对手，产品比竞争对手更早投入市场，将占有较大的市场份额，并获取较大的利益。

3.可在市场竞争中具有价格竞争优势

企业之间的竞争主要体现在产品的竞争，也就是产品价格的竞争和质量的竞争，特别是价格的竞争。采用并行工程能得以早期投入市场的产品，可以获得垄断的市场价格，从而获得额外利润。

4.设计改动量大为减少

在采用并行工程进行产品开发过程中，团队的共同期望将形成一致的目标，从而可减小部门间的摩擦和工作过程中的推委现象，对过去出现的问题能及时提出并予以解决；能集思广益，充分预见将要出现的问题，并讨论分析以寻求好的解决方案，使各方面的问题在产品开发的早期就随时得到解决，从而可减少设计改动量。另一方面，采用并行工程开发的产品是以市场需求为启动点的、以自身的技术水平及工艺水平为基础展开的，在产品的设计时已比较充分地考虑了用户的需求，因此，在产品投入市场后，也不会造成大量的设计改动。

4.能大大降低产品开发的成本

需要收集的资料如下：

生产流程定义过程

某产品设计过程的流程实例

知识库结构树

基于知识的先进并行汽车开发理论与方法研究