Research on the Computer Supported Cooperative Shipbuilding System Based on PDM
Abstract: Shipbuilding is becoming more complex and requires many different enterprises and plants to work cooperatively to strive for the maximum profit. Supported by the computer technology, information technology, and internet technology etc . ,CSCW ( Computer Supported Cooperative Work) plays a very crucial role in the multi-team , multi-subject, multi-layer field. According to shipbuilding characters and market requirements, the computer supported cooperative shipbuilding technology is researched actually. Key technologies to realize it are analyzed, and construction of the computer supported cooperative manufacturing environment is deeply discussed. On the base of them , scheme of the computer supported cooperative shipbuilding system based on PDM ( Product Data Management) is put forward , which is useful to improve and develop the shipbuilding industry .
Key words: PDM; CSCW; shipbuilding
1 Introduction
In the 21 st century, market competition is getting increasingly changeful and global, shipbuilding enterprises need to respond to the market quickly and exploit the market by technology innovation and product renovation of shipbuilding. Shipbuilding requires many members to work cooperatively, and international cooperation has become a new trend currently, which makes it possible for the shipbuilding enterprises to design and manufacture collaboratively, develop products multilaterally, and get the win- win result of shipbuilding.
PDM, as a modern effective management technology of product data, plays an important role in digital manufacturing and informationization construction of enterprises. At present, researches have being focused on the engineering application based on PDM: in some countries, the flexible web-based PDM approach to support virtual engineering cooperation has been put forward[1] and the enterprise business information management system based on PDM framework and the STEP enabled and PDM-based manufacturing planning system have passed deep analysis and research[2][3] In China, researches on the ship distributed design of shipbuilding based on PDM has been made in some degree, but not deeply[4]. CSCW is a kind of technology to support group work in the large and complex engineering, especially the modern manufacturing system, e.g, computer supported cooperative work in industrial automation, the computer supported collaborative product development and so on. Here by studying on the status of PDM and CSCW in China and foreign countries, the application of them in shipbuilding has been researched, the computer supported cooperative shipbuilding system based on PDM is put forward and discussed in detail.
2 Necessary Analysis of the Computer Supported Cooperative Shipbuilding Technology
At present, China shipbuilding enterprises now have some problems compared with other advanced countries, mainly including poor ability on product development of shipbuilding, simplification on the variety of products, especially the high cost and the unstable quality. China shipbuilding industry is facing a great challenge to make a big progress and keep the rank of shipbuilding in the world.
Hence, to adopt CSCW technology in shipbuilding is absolutely available to improve the cooperative development and management of shipbuilding, reduce the errors occurred at information share, decrease the cost and shorten the development period. Furthermore, product development is able to be carried out contemporarily at separate places, while each work procedure of shipbuilding is controlled
Nowadays shipbuilding mode turns to the way of integration, network and intelligence consequentially. To integrate the shipbuilding resources distributed at different layers by applying CSCW technology, and construct the computer supported cooperative shipbuilding system that composes ship design, shipbuilding, ship distribution etc. , is a good way and new trend in China shipbuilding industry to heighten the competition ability of shipbuilding.
3 Key Technologies of Realizing the Computer Supported Cooperative Shipbuilding System
A fine cooperative manufacturing environment is able to resolve data share, resource harmony and other problems in manufacturing process of shipbuilding while makes cooperators work mutually. According to product and technology characters of shipbuilding, it is needed to utilize the available cooperative environment technology and find key technologies of shipbuilding to support the computer supported cooperative shipbuilding system.
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- Product Data Management Technology
Supported by the network and distributed database technologies, PDM, adopting the object-oriented modeling method, is able to manage all the data and relative process throughout the product lifecycle of shipbuilding and afford a parallelized cooperative environment of product development in enterprises. Being the base of cooperative work of shipbuilding, PDM can integrate all the (i. e. CAD (Computer Aided Design) , CAM (Computer Aided Manufacturing) , CAE (Computer Aided Engineering) , and CAPP (Computer Aided Process Planning) etc. ) information islands detached logically, control all the product development process by computer, and make harmonious organization and standard management of all process affairs (such as manufacturing, data emendation, work flow definition and product distribution etc. ) [5] . PDM, being the platform and working environment of other tools, makes all the product data and process related data to stay in consistent, latest and safe by database technology. PDM system should have some main functions including product structure management, work flow management and project management and others. Hence, to construct ship product data management system is the base to real
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基于PDM的计算机支持下的协作式造船系统研究
摘要：船舶建造正变得愈加复杂，需要很多不同的部门和设备协同作业以力争取得利润最大化。在计算机技术、信息技术和互联网技术等支持下，CSCW(计算机支持下的协同作业)在多团队、多学科、多层次领域发挥着至关重要的作用。基于船舶建造特点和市场需求，计算机支持下的协作造船技术被切实的研究开发，其实现的关键技术是分析，计算机支持下的协作批量生产环境被深入探讨。在这些基础之上，基于PDM(生产数据管理)计算机支持下的协作造船系统计划被提出，这对于提高和发展船舶建造产业都是有用的。
关键词：PDM，CSCW, 船舶建造
1 介绍
21世纪，市场竞争变得越来越富有挑战性，越来越全球化，船舶建造产业需要迅速对市场做出回应并且通过技术改革和科技革新来探索市场。船舶建造需要多方协同作业，国际合作已成为一种流行趋势，这使船舶建造产业进行合作设计与批量生产，多边发展产品并且取得双赢的结果成为可能。
PDM，作为一种高效的现代产品数据管理技术，在数字化批量生产和产业信息构造中扮演重要角色。目前，研究主要聚集在基于PDM的工程应用：在一些国家，这种复杂的用于支持实质性工程问题的基于网页的PDM方法已经被提出[1]，而且这种基于PDM构架和STEP允许的管理系统和基于PDM的批量生产计划系统已经经过深入分析和研究[2][3]。在中国，基于PDM的船舶可分布式设计的研究在一定程度上已经开始进行，但是还不够深入[4]。CSCW是一种在大而复杂的工程中支持团队作业的技术，尤其是现代批量生产系统，例如计算机支持下的工业自动化团队合作作业，计算机支持下的协作式产品发展等。在这里，通过研究PDM和CSCW在中国和外国的情况，他们在船舶建造中的应用已经被研究，并且基于PDM的计算机支持下的协作造船系统被提出并进行细节性的探讨。
2 计算机支持下的协作式造船系统的必要性分析
目前，中国造船产业与其他先进国家相比存在一些问题，主要包括产品开发能力差，大量产品的简化问题，尤其是成本高和质量不稳定。在取得进步，保持世界前列的问题上，中国船舶产业正面临着巨大挑战。
所以，为了提高合作开发和管理，减少在信息共享中的错误，降低成本，缩短开发周期，采用CSCW技术在船舶建造中是绝对有必要的。此外，当每一个工作过程被控制的时候，产品的开发能够在同时代的单独进行。
因此，如今的造船模式转向集成化，网络和智能化。通过应用CSCW技术整合造船资源在不同层次的分布，构建计算机支持下的协同式造船系统，包含船舶设计，船舶建造和船舶分布等，是中国船舶产业提高竞争力的有力措施和新的趋势。
3 实现计算机支持下的协同式造船系统中的关键技术
一个良好的协作式制造环境能够解决数据共享，资源和谐和生产过程中的其他问题，同时让合作者共同工作。根据船舶建造的产品和技术特点，它需要利用现有的合作环境和寻找关键技术来支持计算机支持下的协同造船体系。
3.1 产品数据管理技术
在网络和分布式数据库技术支持下，PDM采用面向对象的建模方法，能够管理整个产品生命周期中的所有的数据和相关工艺，并担负起企业产品开发中的并行性的协同环境。作为协同作业的基础，PDM可以逻辑性的整合所有的（CAD（计算机辅助设计），CAM（计算机辅助制造），CAE（计算机辅助工程），与CAPP（计算机辅助工艺设计）等）的信息孤岛，通过计算机控制所有产品开发过程，协调组织和规范管理使所有事务流程（如制造业，数据校正，工作流定义和产品销售等）[5]。PDM作为其他工具的平台和工作环境，使所有的产品数据和与流程相关的数据通过数据库技术保持一致、最新和安全。PDM系统应具备一些主要功能，包括产品结构管理，工作流管理，项目管理等。因此，构建船舶产品数据管理系统是实现计算机支持下的协同造船技术的基础和收集，管理和共享协同资源的平台。
3.2 CSCW（计算机支持下的协同作业）技术
CSCW被首创是在1984年，由美国麻省理工学院的艾琳格雷夫和数字设备公司的保罗·卡什曼牵头的项目，来解决的如何支持来自不同领域和学科的人在计算机的帮助下一起工作开展工作的问题[6]。 CSCW指的是一个分散在不同区域的工作团队在计算机和网络支持下进行协同作业，并使得企业和团体之间信息共享成为可能，这使得为每个成员能够高效合作，加快产品开发速度。CSCW与团队互动性和分布式的特点一致，是公共分布式系统的继承与发展。 CSCW的产品被称为组件，它更重要的包括多媒体会议系统，工作流管理系统，电子邮件系统和群体决策系统等[7]。
因此，关键是要构建基于计算机支持下的协同造船系统所支持的协同决策系统，并采用多代理技术进行高效的工作流管理，这能够保证整个计算机支持下的协同作业系统的可靠性和灵活性。
3.3 产品数据型号交换标准（STEP）
STEP是对产品数据表达和交流的国际标准，旨在负担起独立于给定系统的中性机制。产品生命周期，包括产品的设计，制造，使用，维护等阶段。每个产品阶段的信息是巨大的和分布式的，因此，需要通过计算机捕捉的形式表达它们，并且在计算机之间传输时保持一致。由STEP指导，并与中国船舶工业的实际情况相结合，用以提供各种数据模型和STEP标准之间转换的工具的船舶产品信息模型建立起来，进而，实现不同系统间的信息集成和资源共享[8]。
3.4 船舶协同本体建模
由STEP标准的指导下，船舶产品整个生命周期信息模型可以设与中国造船业的真实状态建立联系。此外，它对研究先进造船模式，构建每个模块的协作功能和关系模型至关重要。船舶协同本体模型是每一个合作者进行共同操作和协同制造的平台，这使得它易于构造和修改其合作领域的相关生产信息，并在这个过程中进行咨询和讨论各种矛盾与问题。因此，整个协同造船过程中的协调而系统的操作便能够实现。
3.5 可视化的冲突解决机制
在CSCW环境下，船舶建造依赖于异构分布式结构，所以这种直接关系到计算机支持下的协同造船技术成功的冲突是不可避免的。在计算机支持的协同造船过程中，电子会议系统是解决冲突和做出群体决策的基本方法。对于大多数船舶建造过程中的问题，散布的合作者们都能够通过E-mail，BBS，电子白板，网络电话，网络会议等网络工具进行讨论。研究和开发能够提供人机界面的基于角色的访问控制模型是重要的，它支持可视化的相互性操作和群体性决策[9]。通过可视化冲突解决机制，计算机支持下的协同造船系统能够流畅和高效地运作。
4 实现计算机支持下的协同造船的方案设计
在协同作业中，PDM有一定的优势，如面向对象的数据管理，支持产品生命周期的不同阶段，整合产品合作开发的每个部门，这是能够保证的信息和资源的使用和共享，避免信息的孤岛化。这就是说，对于构建基于PDM的计算机支持的协同造船系统，它是必要的。
4.1 计算机支持下的协同制造环境的构建
造船是一种由群体智慧支撑的创造性活动，这需要每个有共同目标的团队，来高效协作，共享资源，实现优势互补的支持。作为一项现代化的技术，CSCW给每个团队提供优质高效的环境以进行高效合作。
图Ⅰ 计算机支持下的协同制造系统
为构建计算机支持下的协同造船系统，计算机支持下的协同生产系统方案被提出，见图Ⅰ。它是采用B / S（浏览器/服务器）和C / S（客户端/服务器）混合模式相互同步系统。在这一系统中，LAN（局域网）的用户能够直接访问应用服务器，而散布的用户则可以通过网络浏览器进入用户界面并相互操作该系统。用户间的相互通信则是通过视频工具，协同环境，共享的白板，共享的桌面等 [10]。该系统使用户相互沟通和出色的协同工作成为可能，从而整个设计工作事半功倍。
该系统主要有如下三部分：
（1）可视化的面对面界面：显示各种操作命令和相关信息流动，实现用户和系统，用户和用户之间的实时相互交流。在这里，协同感知功能得以实现，并为每个通过共享白板或共享桌面完成实时通信的协作成员提供了一种公共通信和讨论的工作区。
（2）协同设计环境：它由CSCW合作环境和PDM（产品数据管理）组成，被用来实现协同感知和成员之间的实时相互交流。 CSCW合作环境包括各种相互合作交流的工具，如共享，聊天，视频等;而PDM具有项目管理，产品结构管理，工作流管理和其他相关的功能。在此环境下，散布用户之间的同步合作得以实现，用户能够高效的相互通信、讨论和共享资源。
（3）应用服务器：它们被用来保存相关的产品信息，实现用户之间的信息和资源的流动和共享。共享的资源保存在服务器当中，由其中的数据库管理，这使得很容易确保信息的安全性、一致性和完整性。
图2 基于PDM的计算机支持下的协同造船系统
4.2 基于PDM的计算机支持下的协同造船系统方案
船舶制造是一项复杂的系统工程，所以在船舶产品的合作开发过程中有很多的产品数据，所有这一切都需要合作者之间的流畅而稳定的流转。如何找到一个合适的方案来构建计算机支持下的协同造船体系是关键问题。将PDM技术运用到合作开发系统中是支持计算机支持下的协同造船系统的有效措施。因此，实现基于PDM的计算机支持下的协同造船系统的方案被提出，如图2 [11].该系统是一个分层结构，包括四个层次：
用户界面层：系统提供友好的可视化界面。在不同的计算机上工作的所有用户在统一的界面进行操作，并根据自己的应用需求进行定制。此顶层是其它较低层的主逻辑运算的载体，合作者的工作空间，J2EE服务器和个人网络应用服务器的进口客户端。
功能层：该层提供有各类应用工具，包括CSCW工具，冲突解决工具和其他工具。 CAD是信息产生的源头，并将它们交给PDM管理。同样，CAE和CAPP系统产生产品的数字和图形信息，也将它们交给PDM管理。以这样的方式的产品数据被管理和整体共享。 CSCW工具为整个造船过程提供良好的合作环境，并确保合作过程运行流畅。解决冲突的工具，主要用于解决在整个制造过程中的各种问题和冲突。
面向对象层：PDM是所有的CAX系统的集成平台，将所有的设计，分析，制造，工艺方案和质量管理信息集成在一起，从而实现在整个产品生命周期中产品数据的统一管理。同时，PDM能够管理产品开发过程中的工作流和产品设计数据。在J2EE服务器中一个或多个容器的帮助下，项目管理，工作流，图形、文档和产品管理，流程逻辑控制和数据库探视与封装在PDM中紧密结合。通过管理应用程序组，该层使操作环境能够访问J2EE API和提供动态应用组件。
支持层：它由数据库，应用服务器，网络环境以及文件系统等组成。其中，数据库是支撑平台，相关数据库是系统的基础，它用于保存所有初始化设计信息，操作流程，设计任务，资源和其他产品的基本信息，并提供数据管理的基本功能，实现PDM的底层数据管理。应用服务器是所有船舶设计、建造、计算、模拟、资源测试、通信控制、系统监控及其他功能提供的控制信息的来源。
通过设置基于PDM的计算机支持下的协同制造环境，这种环境被应用于造船，在这种环境中每个设计团队能够交流、共享资源。为了更好的适应实际市场高速的发展、多样化的需求和激烈的竞争，促使造船业取得显著的进步，它对于提高造船效率有所帮助。
5 结论
船舶建造是一项庞大而复杂的系统工程，需要不同类型的企业和工厂的在共同的目标下下高效协作，以争取最大的利润。 CSCW，综合运用计算机技术、信息技术、网络技术等，是一种多团队、多学科、多领域的非常有用和强大的工具。这里，实现计算机支持下的协同造船的关键技术是进行深入研究，然后构建计算机支持下的协同制造的普遍环境，最后基于PDM的计算机支持下的协同造船系统的方案要设计合理。对造船工业的发展和进步，所有所做的都是有意义的。
参考文献：
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[8]王能健，邱长化， STEP-基于网络的船舶产品数据交换[A]，面向21世纪及以后的现代科技国际研讨会[C]，中国哈尔滨：IWMST 2000项目与组委会, 2000： 331-335。
[9]贾鸿伟，唐蔚青，何涛等，基于技术和社会学的冲突解决方法，基于计算机支持下的第九届皮斯卡塔韦国际会议论文集，美国，电力电子工程学会，2005：16-21。
[10]王红军，段国林，周亮等，基于CSCW的企业协同设计模型（中国）杂志，2004，河北工业大的，33（6）：47-51。
[11]
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