云制造环境下设计理性模型驱动的协同设计

0 引言

    云制造是当今制造业信息化的发展的新方向。云制造由于其开放性与动态性特别适合于竞争日益激烈，需求变化日益迅速的全球制造业而被产业界和学术界广泛关注。云制造是一种面向服务、高效低耗、基于知识的智能化、网络化制造模式。云制造模式借鉴云计算的理念，利用云计算技术、物联网技术，将各类制造资源虚拟化和制造能力服务化，提供面向制造企业的主动、敏捷、聚合、全方位的制造资源和制造能力服务。云制造模式的核心是构建整合制造企业所需的各种软硬件制造资源并提供4A(主动(active)、敏捷(agile)、聚合(aggregative)、全方位(all-aspects)服务的云制造服务平台。

    云制造从模式到技术正深入影响着制造业的的变革，同样也为分布式协同设计提供了新思路。分布式协同设计技术是指在分布在不同地域、不同领域产品设计人员以及于产品设计相关的所有人员，围绕同一个产品设计任务，并行、交互、协作地进行设计活动的设计方法与技术。协同设计由于可以最大限度缩短产品设计时间，快速响应市场需求。当前学术界广泛开展了云制造模式下的协同设计方法与技术的研究。贺东京提出了一种基于云服务的复杂产品协同设计方法将服务的概念引入到产品协同设计业务中，结合事件驱动服务模型和语义服务逻辑图实现设计服务组合。张倩等基于面向服务架构理念以及Web服务技术，搭建了一个面向服务的、松散的、开放式的云制造协同设计平台框架。徐岩等针对模具行业的特点提出了基于云制造的模具协同设计模式。潘变等将云制造引入起重机行业，提出了起重机云制造模式，研究了基于云制造的起重机设计制造平台的模式构架。

    当前对于云制造环境下协同设计的研究主要集中于将云制造的概念和模式引入到协同设计中，提出了一系列的云制造协同设计框架和平台。另一方面研究者将云制造环境下的协同设计方法与特殊行业或特殊领域的特征相结合，提出了一系列具有行业或领域特色的云制造协同设计方法与平台。云制造带来海量设计服务，当前的研究并没有很好的解决如何从海量服务中找到与任务最相符的服务。同时如何根据设计任务的不同为其提供动态的设计知识服务也是一个需要考虑的问题。针对上述问题，本文将设计理性模型引入到协同设计中，提出一种设计理性模型驱动的云制造协同设计方法。该方法利用设计理性模型中的设计情境描述提高设计服务匹配准确率，利用设计理性中的设计依据描述动态融合知识库为设计服务提供知识服务。

1 面向云制造的粗粒度设计理性模型

    设计理性(design rationale，DR)是对产品设计过程的解释和记录，它包括设计过程中的所有背景知识和信息，如设计师讨论的问题、针对某个问题可行的解决方案、做出某个决策的原因、支持或者反对某个方案的依据等。在基于论证的设计理性表达模型中最经典的模型就是IBIS(issue-based information system)其通过问题、解决方案、论据三要素及他们之间的关系来描述设计理性。本文对IBIS模型进行扩展使其包含设计任务的顺序和依赖关系为驱动协同设计任务的组合提供基础，如图1所示。

图1 设计理性模型

    活动脉络设计理性模型包括六个部分：用户需求、设计需求、设计活动脉络、解决方案、设计情境、设计知识和设计产品，如图2所示。其中设计活动脉络是整个设计理性活动的核心。

图2 ATM机纸币处理机构设计理性模型（部分）

    设计活动脉络：描述设计阶段中的所有活动以及活动间的关系如顺序关系、从属关系、依赖关系、并行关系等，以及产品全生命周期中与设计阶段相关的工作和问题。

    解决方案：描述相应设计活动的各种解决方案包括解决方案包括思想、创意、原理、方法、机制、因果关系等。

    设计知识：描述解决方案的论据，用于支持或反对设计方案，辅助设计者作出设计决策的知识基础。

    人工制品：描述在解决方案的基础上认为生成或选择的各种结果如产品的材料、尺寸参数和各种约束等，同时也是设计理性中的实例知识。

    用户需求：描述用户需要得到一个怎样便利的场景，或避免一个不利的场景。

    设计需求：使用工程变量描述具体需要达到的性能指标。

    设计情境：主要描述针对相应设计活动的设计情境，主要包括设计者、设计者关系、基础条件（知识基础、设施基础）、相关事件。