0 引言
近年來，隨著機械制造業的發展，產品CAD/CAPP過程中涉及到的不同部門、不同地域、不同專業背景的人員越來越多，傳統的無網絡或弱網絡化（利用電子郵件、ftp、即時通訊信息等網絡化手段進行協作）的合作開發模式受到了挑戰。許多CAD領域的學者已經認識到上述問題并不斷提出一些解決方案，使得基于網絡的協同設計成為當前CAD/CAPP/CAM領域的主要研究與發展方向之一。
設計過程管理是協同CAD設計系統的關鍵技術之一。設計的船用機電設備協同CAD系統中，利用工作流管理技術構建了團隊組建、任務分配以及設計過程管理的設計過程管理系統。為了實現同步協同設計的實時性，采用基于標識碼的XML增量數據傳輸，極大地減少了協同CAD中的數據傳輸量，保證數據的實時傳輸和模型的同步顯示；提出一種基于特征面的分層次數據傳輸方法以解決同步協同設計中共享模型數據傳輸量大的問題；提出根據協同設計中的歷史數據發現并減少冗余設計階段和設計瓶頸的算法以優化設計過程。
一個機械產品的設計從產品定義開始要經過部件設計、毛坯設計、各部件工藝設計等多個設計階段，每個設計階段又包含若干個需由不同角色完成的子任務，如設計、校對、審核、批準等。如何對任務眾多的過程進行建模，以合理地控制任務間的并發與同步并快速地將滿足實施條件的任務，分發到合適的執行者是影響協同設計系統效率的關鍵因素。有學者提出應用工作流管理技術構造CAD/CAPP的并行控制模型來解決上述問題，雖然工作流管理技術已成為企業業務過程管理與再造的重要使能技術，但其在CAD領域的應用還比較少見。
本文以工作流管理技術為基礎，對軸承設計過程進行分析，提出了一個圓錐滾子軸承CAD/CAPP集成化協同設計系統框架，同時提供了方便的業務過程重組和案例管理工具。
1 工作流模型分析
1.1 工作流簡介
經濟全球化及信息技術的飛速發展，使企業和組織面臨著比以往任何時候都更加激烈的市場競爭，出于成本、效率的考慮以及適應新技術、新工藝的需要，企業和組織必須經常性地對組織架構和業務過程進行重組。傳統的企業業務支撐信息系統中，企業的業務邏輯甚至組織架構信息以代碼的形式固化在應用程序中，企業的重組行為往往導致業務支撐信息系統失效。正是在這種背景下，工作流管理系統及其技術與方法備受關注。
工作流管理的主要思想是將業務過程從應用程序中剝離出來，將業務過程描述信息以特定的格式保存在文檔或關系數據庫中，業務過程發生改變時，僅需對業務過程描述數據進行修改，無需更改應用程序。
1.2 基于工作流的軸承開發過程建模
基于工作流管理技術的業務系統成功的關鍵足業務過程的建模質量。在工作流的眾多建模工具中，Petri網有獨特的優勢，它既有嚴格的數學定義，又有直觀的圖形化表示，同時它還有較強的流程分析能力，適合于精確地描述復雜過程，因此本文選擇Petri網作為過程建模工具。
圓錐滾子軸承的產品開發包含的基本階段有：產品定義，產品設計，鍛坯設計，滾子工藝設計，保持架工藝設計，內套圈車、磨工藝設計，外套圈車、磨工藝設計等。每個基本設計階段又包含多個子階段：設計、校對、審核、批準等。產品開發的基本階段間既有并行關系，又有串行關系，而同一基本設計階段之下的多個子階段之間只有串行關系。
通過分析，我們提出了圓錐滾子軸承開發的工作流過程模型，如圖1所示。
圖1 圓錐滾子軸承CAD/CAPP集成設計工作流模型
圖1所示的工作流模型中，每個變遷代表了需要執行的設計任務/活動，每個庫所代表了設計的某種狀態。除標記為Tjoin的變遷外，其他變遷都必須由設計人員實施完成，Tjoin是一個起同步作用的變遷，由計算機程序自動實現，它負責收集各部分的設計結果，一旦收集工作完成，該變遷也就完成。
圖1是對實際工作流的一個概要表示，每個變遷（Tjoin除外）實際上代表著一個執行相應任務的子工作流模型，每個子工作流模型可以包含數量不等的變遷，但其基本形式相似，如圖2。
每個設計階段包含設計、校對、審核和批準等幾個子階段，設計完成后，需要通過校對、審核和批準三個環節，若任何一個環節不能通過，設計就必須重做。圖2中的符號表示ORsplit，校對/審核/批準通過時，傳遞一個標記至y分支，否則傳遞一個標記至n分支。表示開發人員的庫所中都有多個標記，而圖2中表示開發人員的庫所中都只有一個標記，是由于本系統采用了開發任務預分配的方式為每個任務指定實施者，拉式任務分配盡管在理想狀態下可以實現吞吐量最大化．但現實中責任到人往往能取得更好結果。
圖2 各設計階段的子工作流
2 系統架構
本文提出的基于工作流的CAD/CAPP集成化協同設計系統主要由工作流引擎、后臺數據庫系統、管理員工具集和工作流客戶應用程序組成，如圖3所示。
圖3 協同設計系統體系結構
工作流引擎是系統的核心，其主要工作是負責接受并執行用戶的新案例創建請求。根據過程定義生成工作項，根據資源分類、資源在崗情況和資源負載情況等因素給出資源和工作項的推薦匹配（實際的匹配資源類主管決定），管理案例屬性，根據案例屬性變化及工作流過程定義路由案例，將工作流提交給預分配的資源（自動程序或員工），同時根據需要啟動自動程序處理工作項。
系統的數據統一存放在關系數據庫系統中，出于數據管理上的需要，分別建立了工藝能力庫、設計標準數據庫、工藝標準數據庫和工作流支撐庫。
工藝能力庫中的數據與企業的具體生產加工能力有關，它保存著企業現有的各種生產設備、工藝裝備和檢驗設備的相關信息，是制定產品加工工藝的重要依據。
設計標準數據庫和工藝標準數據庫中保存著產品設計和工藝設計的國家標準和行業標準，對整個產品開發過程起著重要支撐作用。設計過程中，開放人員對設計給出約束條件后，系統會根據這兩個庫進行自動設計，隨后設計人員根據產品特性對自動設計結果進行必要的修改，修改完成后再提交給系統進行標準滿足驗證。
工作流支撐庫中存放著工作流引擎運行需要的關鍵數據：資源信息、工作流過程定義、案例數據、產品數據和權限管理信息等。
工作流客戶應用程序是開發人員的工作平臺，它主要包括若干工作列表：待處理工作、來到達工作、處理中工作、已完成工作等，其中未到達工作指已分配給本人但啟動條件尚未滿足的工作。各項工作的處理程序以軟件包的形式存在，由工作流客戶程序根據需要調用，另外，還提供了歷史設計的各種數據瀏覽的功能以方便用戶設計時進行參考。
管理員工具集包括過程定義工具、管理監視工具和權限管理工具，其中管理監視工具主要功能是發現正在運行的案例的瓶頸、調整資源、提供各種統計信息等。由于管理員也可能是開發人員，因此我們將這幾個工具也集成到了客戶應用程序中，通過權限來控制對它們的訪問。
3 關鍵技術
3.1 資源-工作項匹配
資源-工作項匹配（或稱資源配置）是影響工作流管理系統性能的關鍵因素之一，已有學者提出以平均響應時間最小為目標的資源配置方法。本系統中，需要考慮的因素包括系統的吞吐量、負載在同類資源中的均衡、同類資源間的能力差異以及熟練程度等，同時還要避免單個案例等待時間過長。為了實現上述目標，提出了基于滿意度的資源一工作項匹配方法。
定義1資源單項滿意度若影響一個工作項對某類資源選擇的因素有M個，該類可選資源總數為N個，不妨將第i個影響因素記為Ei，第j個待選資源記為Rj。資源Rj在影響因素Ei上取值記為Scoreji，則Rj在因素Ei上的單項滿意度。
資源單項滿意度代表了資源在某個影響因素上相對于其他同類資源適合于做當前工作的程度。
定義2資源總體滿意度若影響一個工作項對某類資源選擇的因素有M個，資源Rj，在影響因素Ei上的單項滿意度為Satji則資源R對于該工作項的總體滿意度。
其中αi是因素i的權，可以由每類資源的主管根據需要調節。
當前，系統中主要考慮了如下幾個影響資源選擇的因素：資源被選擇執行最近Ⅳ個相同工作項次數、資源當前應做工作項的總延遲、資源當前應做工作項的總工作量和資源能力程度。在這里應該指出的是，實踐中一個開發人員往往需要身兼多種資源角色。
在對案例進行資源一工作項匹配時，先求出每個可用資源對當前工作項的總體滿意度，然后按總體滿意度高低排序，滿意度最高的做為系統推薦資源，其它資源按滿意度高低以有序候選集形式提供給用戶，最后，由資源類的主管根據實際情況決定是接受系統推薦資源還是從候選集中選擇。
3.2 業務過程重組
工作流技術的主要好處是將業務過程從應用程序中分離出來以文檔或關系數據庫的形式保存，業務一旦發生重組，可通過修改保存的過程定義數據來適應業務過程的改變。一般的業務過程管理工具主要面向IT系統開發人員，專注于提供精確的業務過程描述能力，但其中的專門概念和符號不利于普通用戶理解與使用，為此，TIBCO公司在其新推出的企業建模工具TIBCOBusiness Studio中為同一個業務流程提供了分別由企業人員和IT系統開發人員使用的兩個不同的視圖。
基于與TIBCO Business Studio類似的思想，我們設計了一個適用于本系統的問卷式業務過程管理工具QBPM，在進行業務過程設計時，用戶首先創建所有活動，然后通過回答一系列與活動有關的問題以創建活動之間的關系，所有問題回答完畢則業務過程也就創建完畢。得到的業務過程既可以漉程圖的形式提供，也可以Petri網的形式提供。經用戶確認的過程以Petri網的形式經過可達性分析和結構分析后以XPDL的格式保存到關系數據庫中。需要重組業務過程時，將過程描述從數據庫讀出并以圖形化方式再現，用戶選擇需要修改的活動，調出其相關的問卷結果，進行修改保存后即可改變業務過程。
下面以圖2為例簡單描述使用QBPM在審核和批準之間插入一個新活動“復審”的過程。
首先創建一個名稱為“復審”的活動，然后回答如下問題：
①此活動開始前哪些活動必須先完成？
②此活動需由哪類資源完成？
③此活動是設計類活動還是審查類活動？
④若是設計類活動，則哪些活動必須等待本活動完成后才能開始？
⑤若是審查類活動，則通過后其后續活動是什么？不通過時其后續活動又是什么？
通過回答這些問題，系統就可以正確地將“復審”這個活動插入到“審核”之后，并將活動的y分支指向活動“批準”，n分支指向活動“設計”。
3.3 產品數據交換模型
CAD協同設計系統中，多人同時對一個產品進行設計時，既要保證設計者能持有產品的全局數據，又要保證后保存者不會覆蓋先保存者的設計結果，同時還要盡量減少產品數據在網絡上的傳輸延遲。
我們采取的方法是，在后臺服務器上保存產品圖紙上的尺寸、公差、簽名信息和工序信息等參數數據，在客戶端存有一系列通用產品圖紙模板，用戶需要對某個產品進行操作時，首先從服務器讀取相應產品數據，然后將產品圖紙模板或工藝圖紙模板從模板庫拷貝到臨時文件庫中，打開圖紙模板，在其模型空間內搜索，將相應的參數數據填寫到對應位置后即可生成產品圖紙或工藝圖紙。使用這種產品圖紙的本地模板和服務器端參數相結合的技術后，服務器與客戶端之間無需交換產品圖紙文件，從而提高了系統響應速度，降低了對網絡帶寬的要求，適合于開發者通過Internet進行遠程協作。
用戶需要對某個產品執行任務時，客戶端將建一全局產品對象，用來持有當前產品數據，該對象以層次化形式實現，頂層屬性是產品全局信息，如產品型號、設計要求等，各個部件在頂層屬性中以予對象形式出現。部件對象的屬性包括其各種特征的尺寸、公差以及型號、設計者等信息，每個部件都包含一個工序集子對象，工序集對象是一個有序對象集合，其中每個元素對應于該部件的一道工序的數據。
全局產品對象內建了一個負責設計數據保存的方法，用戶提交設計結果時，以工作項名為參數調用該方法，通過檢查工作項名，確定該工作項可能修改的數據集合，然后執行對此數據集合的保存工作。由于每個工作項僅有一個設計者，而同一案例不同的工作項間可能修改的數據集合沒有交集，因此此方法可以有效避免丟失修改的情況發生。
3.4 權限管理
系統采用了基于功能和活動的雙重權限管理機制。權限分為原子權限和復合權限，原子權限又分為功能權限和活動權限，每個功能權限與工作流客戶端的某個菜單項相關，而每個活動權限則與業務流程中的某個活動相關；復合權限是原子權限的集合，由一個或多個原子權限組成。
原子權限在系統開發時已經定義好，其中功能權限與客戶端預定義功能有關，不能修改，而活動權限在系統運行過程中將根據業務重組的結果自動添加或者刪除，無需管理員干預。管理員可以通過權限管理工具添加、修改、刪除復合權限，將執行某項活前需要的相關功能權限和活動權限組合成一個復合權限，授于適合于執行該項活動的CAD開發人員，只有具有與活動相關的復合權艱的人員才可能被分配去從事該項活動。其他可能的復合權限還包括權限管理、案例管理、產品瀏覽等。通常，一個CAD開發人員需要在產品開發過程中扮演多種角色，如既是某產品的設計人員，又是另一產品的設計圖的校對人員等，這可以通過對其授予相應的復合權限實現。
用戶登入客戶端時，權限信息將被讀取到本地，這些權限包含原子權限和復合權限，原子權限被直接添加進本地用戶權限集合中，而復合權限被分解成原子權限后也合并進本地用戶權限集合。呈現給用戶的系統功能菜單根據用戶的權限不同而不同，用戶不具有相應功能權限的菜單項將被消隱。
4 結語
本文利用Petri網對軸承產品設計和工藝設計過程的分析，建立了相應的業務過程模型，在此基礎上，設計了一個基于工作流技術CAn/CAPP集成化協同設計系統，同時為用戶提供了直觀的業務過程重組工具和案例管理工具。福建永安軸承廠的實踐表明，本系統具有案例吞吐量大、流程適應性好、管理靈活方便、響應建度快等特點。
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本文標題：基于工作流管理的CAD/CAPP集成化軸承協同設計系統
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