针对汽车模具企业的协同设计管理需求，提出了以设计数据和设计过程为对象的协同设计管理模型。在该模型中，设计数据以订单一项目为基本划分单位，以项目一制件一模具三级逐层分解的产品结构树方式组织；根据设计部门、客户和制造部门的对应协同关系，建立了数据分段编码模型，每一项编码都代表一组可用于描述数据的类型、关联部门数据的规则组合。建立了过程模型，从目标任务、标识、过程节点属性方面对设计过程进行定义；基于划分时间区间法和优先度准则，给出了协同设计任务分派模型。运用统一建模语言完成系统建模，开发了基于航天飞行器集成设计与制造系统的汽车模具协同设计管理系统。系统的可行性在某汽车模具企业的实施中得到了验证。
0引言
汽车模具是根据订单进行的一次性生产，即由客户提供车型设计的三维数字模型，模具制造商按客户要求设计、制造模具。模具设计制造流程的跨度大，且呈现出很强的动态性，对客户、模具设计、制造环节间的协同提出了更高的要求，主要体现在：①车型开发和模具开发并行进行，车型设计的更改必须实时传递给模具开发企业，模具设计人员根据车型设计的改变对模具设计做出及时更改，避免交货期延误甚至模具报废；②汽车模具生产包括客户需求分析、工艺方案制订、计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering，CAE)仿真分析、模具实体设计、实型加工、模具生产等过程，涉及产品工程、工艺、设计和制造多个部门的协同工作，经历环节多，各环节间的正向数据传递和反向数据回馈频繁，流程复杂；③汽车模具生产属于单件模式，生产周期长(单套拉延模具的设计制造周期即达三至四个月)，通常同时有多套模具在设计和生产。订单的不可知性又经常带来急件插入的情况。因此，项目与项目之间的协同是生产计划的制定和调度有序进行的保障。
协同产品设计与开发是计算机集成制造领域的重要研究内容之一，众多学者从多角度多层面进行了深入研究。文献[1]认为支持协同设计是当前计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)技术的一个重要发展方向；文献[2]综述了计算机支持的协同工作(ComputerSupportedCooperativeWork，CSCW)的理念和手段，以及有关研究和应用现状，并提出了深入研究计算机集成制造系统(ComputerIntegretedManufacturingSystem，CIMS)中CSCW方法和技术的一些初步构想。文献[3]指出复杂产品设计系统区别于一般产品设计系统的特征是，其协作主要包括设计过程的协作和数据模型的共享；文献[4]认为高层次协同的目标是实现人、过程和数据的协同，而产品生命周期管理(ProductLifecycleManagement，PLM)是以产品为焦点，为三者提供信息交互的环境，从而实现三者的协同；文献[5]提出了一个基于协同管理中心的企业协同管理平台系统方案，实现组织、产品、过程和资源的协同管理。另一方面，模具企业的协同设计也有其自身的特点，文献[6]分析了产品开发企业和模具开发企业的协同关系。文献[7]和文献[8]研究了实现模具协同设计的使能技术；文献[9]提出一个中小企业的协同应用平台，并应用于新加坡模具协作网，为企业问协同设计、产品数据管理、制造信息管理，以及电子商务等的集成提供服务。
本文立足于中等规模汽车模具企业协同设计管理需求，提出了基于航天飞行器集成设计与制造系统(AerospaceVehicleIntegratedDesignManu—facturing，AVIDM)的汽车模具企业协同设计管理系统。协同产品研制平台AVIDM是我国自主版权的高端产品数据管理(ProductDataManagement，PDM)系统。系统专业版3．0版本提供了适合汽车模具类复杂产品研制特点的协同开发支持环境。
1汽车模具企业协同设计系统模型
在模具开发过程中，设计环节占开发周期的一半以上，设计人员间的协同是任务完成的前提条件。而数据的交换和共享，过程的动态调整和监控能有力地支持协同设计。因此，企业必须以三维产品模型作为协同的数据基础，以各种审核及会签文档为依据，采用合理的组织形式，通过“树”(产品结构树)和“表”(物料清单(BillofMaterial，BOM)表)结合的方式表达完整的产品信息，为多用户提供统一的数据视图，避免协同工作中出现数据混乱的情况。同时，对围绕产品模型开展的各种业务过程提供数字化手段的支持，例如设计部门内针对数字模型的审批和修改，设计与制造部门间的正向数据传递和反向数据回馈等，包括对设计任务过程的预先规划、对设计过程运行情况的监控和记录、对设计任务责任人的更改、对设计人员任务的查询等，以保证设计环节的有序进行。
1．1数据组织模型
汽车车型开发的闭环流程如图1所示，汽车模具开发是中间的一环，且和车型设计并行进行，为此汽车模具企业协同开发数据源需既立足于模具设计环节，又面向客户车型开发和模具制造环节。
图1汽车车型开发流程
1．1．1以订单一项目为单位的数据组织模型
汽车模具企业采用按订单生产的方式，每个订单称为一个项目，以项目作为设计数据的基本单位。一个项目通常包含若干车体结构件，如右／左前翼子板、中地板、右／左门内板、右／左门外板、盖板内板、盖板外板等。每个车体结构件分别由一系列工序加工完成，按照需求分别设计各工序对应的模具。如某结构件需要拉延模、冲裁模、修边模各一套。本文建立设计信息组织模型如图2所示，订单与项目一一对应，产品结构树以项目一制件一模具三级逐层分解的方式组织，每个树节点关联相应的文档树。以订单一项目为单位的数据组织方式便于企业实时查询订单完成情况，掌握订单在某一时刻的设计状况、生产状况、进度等详细信息，保证按质、按量、按时交付模具产品。同时，完整的项目信息是企业一段时间内的设计成果，是企业的知识积累，可以为后续设计活动提供有价值的参照。
图2以项目一订单为单位的数据组织模型
以项目为根节点的三级产品结构树(节点关联文档树)的数据组织模型也适应企业设计部门的组织结构和协同环节(如图1)的要求。项目、车型制件和模具的技术文档分别由产品工程部门、CAE工艺分析部门和CAD结构设计部门完成，每级文档按需分类。数据的逻辑组织结构与部门分类相照应，保证了数据的有序性，为实现协同设计信息交互奠定了基础。
1．1．2编码模型
数据采用如图3所示的分段编码模型，由类型段、客户定义段、制造定义段、版本号四类基本码段组成。类型段只用于文档类数据的编码，其余种类数据的编码不设类型段。类型段编码采用语义表达，企业统一定义文档类型，并定义相应的类型段编码，如表1所示。编码时由系统根据所创建的文档类型自动生成，如在系统中创建一份项目说明书，则项目说明书的类型段编码自动生成为Project—Info，设计人员无法自行定义。客户段编码不定长，以适应各类客户的要求。
图3分段编码模型
表1类型段定义规则
数据关联的对象和协同环节不同，其编码的组成也不同。表2给出了各类数据编码的码段组成，表中*表示码段非空。
表2各类数据编码模型
(1)项目和制件编码采用客户车型开发中指定的编码。车型设计发生更改时，可以根据项目编号和制件编号查找发生更改的制件在模具开发企业的位置和设计状态，并及时更改模具设计。同样，模具企业CAE部门对车型制件进行冲压性分析，并将分析结果反馈给客户，采用统一的编码保证了模具企业与客户间信息交互的准确性。
(2)模具编码采用继承的制件编码+模具制号+工序号的形式。制号是制造阶段模具的唯一标识，当制造中出现异常时，可以根据模具制号查找有关的设计文档和设计负责人，做出相应处理。同样，设计发生更改时，根据制号可以及时定位模具的制造状态和负责人，对制造做相应更改。
(3)设计文档编码采用文档类型码+继承的项目／制件／模具码+版本号的形式。设计文档以产品结构树为组织框架，文档编码清晰地反应了其所属树节点的信息，方便开发人员快速定位文档信息。
以符号的××车型项目为例，项目和制件编码采用客户既定编码，项目编码为F112，所含制件顶盖本体编码为F112-570012，左前纵梁前部内板编码为F112-510211。左前纵梁前部内板加工依次需要落料、落料拉延修边、修边、翻边整形、冲孔+侧冲孔五道工序，落料模编码为F112-510211-Q1211一OPlO，其中Q1211为制号，是模具制造阶段的唯一标识，OPIO表明落料模在五道工序中为第一道工序。同理，落料拉延修边模的编码定为F112-510211-Q1212一OP20，依此类推。该项目说明书编码为Project—Info-F112一V00，首段码表明文档类型为项目说明书，末段为版本号。同理，左前纵梁前部内板的CAE分析文档编码为CAE_Report-DYNAFIl2—510211-V01，落料模的设计更改书编码为Design—Chang争FIl2—510211一Q1211一OPIO—V01。
1．2协同设计过程及任务分配模型
1．2．1协同设计过程模型
协同设计是通过计算机网络来支持人与人的交互，而不是人与机的交互。设计者对图纸的修改、提交的消息或审查人员的意见必须传输给其他协作者，以保证设计的迅速性。汽车模具开发信息交互性强、任务变化不可预知的特点要求协同过程模型表达的信息全面而灵活。图4给出了协同设计过程定义的统一建模语(UnifiedModelingLanguage，UML)表达模型，该模型对协同设计过程从目标任务、标识、节点属性加以定义。设计过程是基于设计任务的、目标任务实现的过程，即设计数据产生的过程，设计文档是设计数据的载体。因此，每个设计任务有唯一的文档与其对应，设计过程的标识取决于相应文档的编码。设计过程对应一组有序子任务，将序列中不可再分的子任务表示为一个任务节点，将任务间的关系定义为节点间的联系和通讯，从而达到协同工作的目的。节点的定义涵盖任务内容(编制、校对还是审核等)、任务约束(逻辑约束和时间约束)、任务的控制(是否可以跳转)、任务动作(生命周期状态、文档状态)、任务权限(产品结构树操作、工作流操作、文件操作、生命周期操作)和责任人(角色、人员)等协同设计环节的动态因素。通过定义节点的前驱节点和后继节点表达任务间的关系，包括顺序关系、并列关系、交叉关系等，实现协同工作过程的复杂关联。
图4协同设计过程定义的UML模型
协同设计过程模型为汽车模具协同设计过程的实现提供了有效的机制。通过系统提供的流程建模工具，决策人员可以针对设计任务规划流程，将数据流向固化在流程中，避免因任务交叉而造成数据混乱。通过对设计过程的规划和监控，可以掌握设计任务在某一时刻的状态和详细信息，并实时检验设计进度是否符合订单的时间要求。通过对过程每个环节的权限控制，可以保障协同数据的一致性和安全性。通过对流程的记录、分配和组合，可以避免设计人员因任务交叉而造成的业务混乱。
1．2．2设计任务分配模型
模具设计是完全按订单进行，因此任务分配具有极强的动态性，涉及两个环节：①项目整体的任务规划与分配，即项目的子任务划分；②设计人员的个人任务协调。
汽车模具开发项目子任务的划分通常是采用倒排计划方法，按照准时制生产方式进行，即根据合同规定的时间节点，参照模具的标准化开发周期，将开发过程划分为若干子区间，以时间节点为准，按各子区间长度回推，以此制定开发进度计划，避免增加在产模具数量。汽车模具开发过程含工艺会签、模具会签、实型会签和模具交付四个时间节点，表3给出了某项目的部分任务计划表。计划员为每项子任务赋予任务代号，并设定子任务的时间区间及关联任务项。整个设计部门可能同时承担多个项目，将所有项目子任务集汇总，得到任务总集合s={A1,…,An，B1,…，Bn，…，G1,…,Gn，…﹜。每个任务附带起始时间点TCS、结束时间点TCE和相关任务集Lc三个参数。下标C代表任务总集合中的任务元素。
表3项目任务计划表
若将任务总集合中的任务项分配给设计人员，则各设计人员在一定时间段内的任务集合为{Qij}，其中Qij∈S，i表示设计人员编号，j表示设计人员i在一定时间段内承担的第j项任务。根据各任务的时间参数TCS和TCE可以得到任务分布图，图5所示即为设计人员m的任务分布图。
图5一段时同内单个设计人员的任务分布图
若任务总集合和每个设计人员承担的任务已经给定(同时包括任务分布图)，此时如有急件任务插入或某些任务延迟等变化发生时，则需进行任务再分配或调整。任务再分配与调整通过时间约束和优先度约束予以实现，分别举例说明。
(1)时间约束
以任务B2的分配为例，任务B2属于模具结构设计，B2的计划时间区间为[TB2S，TB2E]，参照模具结构设计人员的设计任务区间图，选择该时间段内最合适的设计人员承担任务B2。若设计人员n在区间[TB2S，TB2E]上的任务最少，选择设计人员n承担设计任务B2，但尽量保证其在时间区间[TB2S，TB2E]内从事一项任务，避免同时从事两项或多项设计任务而造成设计任务交叉产生混乱。
(2)优先度约束
以设计人员n为例，如果之前接收的任务B2由于客户的设计改变而暂时搁置，或有急件C1插入，须赶在B2之前完成，则设计人员n根据系统提供的新的任务时间参数，调整自己任务集{Qnj)中的各任务项Qnj的优先度，对任务项重新排序，保证优先度最大的任务项最先执行，并通知发生变动的任务项(即任务开始或结束的时间有变)的关联任务集中所有关联任务的设计者做出调整，以保证设计任务的动态协调性。
