中国指挥与控制学会会刊 
综合电子信息系统是我军对指挥控制、信息感知、信息传送、信息对抗、信息保障装备及计算和数据资源等构成的各种军事信息系统的统称[1]。其规模巨大、技术复杂且覆盖范围广,要保证复杂系统之间能够实现互联、互通、互操作,需从顶层对系统建设和发展进行规划设计。
协同设计的概念源于计算机支持的协同工作(Computer Supported Cooperative Work,CSCW),计算机支持的协同设计(Computer Supported Cooperative Design,CSCD)是CSCW在设计领域的应用,用来解决设计人员之间的协同工作问题,可提高设计工作的效率和质量。CSCD技术在航空、航天、船舶、兵器、核工业等领域的复杂产品设计方面得到了成功的应用,本文借鉴CSCD在工业设计领域的经验,针对综合电子信息系统的设计任务,开展了协同设计方法、设计平台和效率模型的研究。
1 协同设计平台设计
综合电子信息系统协同设计平台以“工具一体化,过程协同化”为目标展开设计。设计工具一体化,主要通过网络共享的数据资源来实现,对不同设计工具产生的数据进行分类管理,并通过数据转换,实现不同设计工具间的数据交互;设计过程协同化,主要是通过规范设计流程和输入输出的要求来实现,将设计规范与相应的设计工具相结合,并通过项目管理对整个设计过程进行监控和管理,确保处于不同地理位置的设计团队和人员能够在适当的阶段开展正确的设计,协同设计平台组成结构如图1 所示。
1) 协同设计过程管理
将协同设计与项目管理进行结合,借助网络化、数据化的协同设计工具,提高协同设计过程管理的效率,根据跨领域、跨地域设计人员的具体情况制定整体任务规划,明确设计的目的、任务需求,考虑多人、多部门异地协同工作的客观条件,规划工作流程,以协调所有协同设计小组或人员之间的关系,使相关部门和人员能够清晰地了解负责的任务、计划、流程以及需要配合的内容(时间、资源、人员等),有序地开展系统设计任务。
2) 协同设计资源管理
通过网络环境对协同设计过程中的数据和资源进行统一管理,为协同设计提供资源共享和应用,包括协同过程数据、参考资源数据、设计知识和工具软件等。
过程数据管理,主要记录协同设计过程输入、输出以及参考的数据或资源,确保协同设计过程的数据可跟踪;
参考资源管理,为各种设计任务提供各类基础数据支撑;
设计模型管理,对各种模型和模型相关的信息进行存储和管理,包括概念模型、数学模型、算法模型等,支持对模型的分类组织与描述;
设计知识管理,将设计过程中涉及的算法、流程、方法、规范、约束以及各种支持决策的信息定义为知识,根据知识的分类、表现形式、存储形式的不同采用基于语义面向服务的知识管理与处理技术进行知识的管理、检索和使用;
工具软件管理,采用面向仓储的服务化方式进行统一管理,支持工具的上传、注册、存储、检索及下载,便于设计人员对设计工具的获取。
3) 数据/接口转换
协同设计过程中可能会用到多种设计工具软件,各软件支持的数据类型和信息接口不一致,会导致协同设计过程数据共享困难,协同设计平台提供数据/接口转换工具,利用XML数据文件的跨平台优势,基于数据交换规范定制统一的XSD数据文件,严格约束不同设计工具之间的数据交互格式,实现协同设计过程的无缝连接。
2 协同设计过程研究
2.1 协同设计流程模型
综合电子信息系统的协同设计工作流程是基于协同设计平台进行的,项目负责人、平台管理员、设计部门/人员和验证人员通过统一登陆门户访问协同设计平台,从而获取任务、资源、数据和软件,并进行数据交互。设计过程按照功能可分为四个模块:任务分解,任务管理,协同设计和验证审核。
任务分解,项目负责人根据项目任务书,利用协同管理工具开展项目规划,会同设计平台管理人员,确定项目参与人员的角色、权限,以及项目全生命周期的工作流程和计划,完成项目设计任务的分析和分解,把分解后的子任务发布到协同设计平台上;
任务管理,设计平台的管理人员除了对平台的用户、权限的管理外,还负责对项目的任务流程和数据资源进行管理、监控和维护,确保协同设计平台的正常运行;在设计过程中,为提高设计效率和设计质量,各类人员可在权限许可的情况下,从数据库中提取所需的设计内容,并将最终结果通过审批后存入数据库中供相关人员再次使用。
协同设计,对于分布在各地的设计部门通过协同设计平台统一门户登陆后领受自己的设计任务,设计部门承担任务后进一步将复杂的子任务分解、细化和量化,通过设计部门的内部协调与调度把分解后的任务分配到一个或几个设计人员开展协同设计。
在协同设计过程中,设计人员之间,设计部门之间以及设计人员与设计部门之间的资源和信息的交互通过协同设计平台实现。设计人员在接收到任务后,利用协同设计平台获取设计资源(如设计资料、设计案例和设计数据等)以及其他设计部门或人员的设计信息。同时,也把自己的阶段性成果、设计资料或设计进程发布到平台上供其他人员查看。
验证和审核,设计验证和审核贯穿整个协同设计过程,设计人员对自己的设计成果进行静态验证,设计部门对本部门的设计成果集成后需进行设计成果的集成验证,通过验证后的设计成果提交协同设计平台;项目负责人对设计部门/人员提交的设计成果进行审核,并及时提出修改意见,在设计最后对最终成果进行评审,通过最终审核的设计方案提交协同设计平台,完成整个设计任务。协同设计流程如图2 所示。
2.2 协同设计组织模型
综合电子信息系统的协同设计是一种系统化、集成化、协作化的方法,强调人-人、人-机、机-机之间的协同工作,通过组织的协同活动达到总体目标。协同设计工作的组织模型用来定义协同设计工作中人员的组织结构,为协同设计活动的执行提供柔性的组织定义,基于以上的协同设计流程分析,设计任务是协同设计过程的核心,协同设计工作的组织模型应围绕设计任务建立,如图3 所示。
一个设计任务可以分为多个子任务,每个子任务根据复杂程度又可以继续划分为次一级的子任务,任务分解遵循的原则是多个子任务尽量相互独立,子任务粒度和层次需适中。每个子任务由相应的设计小组通过设计成员间的协同活动来完成,通过这种层次关系的定义和划分,可以将以设计任务为中心的协同设计组织起来,构成多层次组织模型。
该组织模型的核心要素设计任务定义为一个三元组[2]:
设计任务={子任务组,设计小组,协同活动}
子任务组是指任务根据其复杂程度分解后形成的所有下层子任务,用于进一步描述该任务,如子任务A对应的子任务组为{子任务AA,子任务AB,…},一个子任务的所有下层子任务组成一个树形结构,该树形结构的深度和宽度决定了该设计任务的分解粒度[2]。
设计小组是指用于完成一个具体设计任务所分派的人力资源的集合,每个设计小组由一位负责人进行组内各设计成员工作的组织和协调,设计成员通过协同工具共同完成设计任务。
协同活动是指为完成设计任务,设计成员利用系统提供的协同设计平台所进行的协作。
3 协同设计工作效率评估
3.1 设计效率评估模型
参考以上研究成果,在综合电子信息系统顶层设计工作中,为有效度量设计效率,本文从“建立协同机制、提高模型关联转换效率、提高设计数据质量和重用性、减少迭代设计次数、提高设计流程并发度和协同度”等方面考虑,建立了基于协同设计平台的综合电子信息系统协同设计效率评估模型如下:
E=μ(C+R)/P
其中,E表示设计效率;C表示沟通效率;R表示资源利用率;P表示设计任务流程数;μ为调整系数。
其计算公式如下:
1)流程数P可根据具体设计任务的流程得到;
2)沟通效率C度量了基于流程的人工沟通交互与协同平台支持交互的差异。
沟通效率由信息传输时间Ttran和沟通交互时间Tcom组成。Ttran根据流程生成节点信息传递图得到,假设该信息传递图共有m条传输线,每条传输线上的传输时间为 ,i=1…m(具体时间根据特定流程确定),则Ttran= 。Tcom由概念统计方法获取,基于统计学理论,假定每次沟通交互的时间t1服从参数为λ1的指数分布,即F(t1)=1- ;相邻两次沟通交互的时间t2(假设为整数)服从参数为λ2的指数分布,即F(t2)=1- 。用 表示第i次沟通时所交互的时间,则沟通效率可表示为C= 。由此得到沟通效率C的概率分布,进而得到其期望值E(C),C的实际数值可由其期望值来代替:
C≈E(C)=Ttran+E(Tcom)= +E()
3)资源利用率R可进一步细化为资源数Rnum和资源重用率Rre两个指标,二者的权重分别为w1和1-w1,权重值可由德尔菲法计算得出。资源数Rnum度量了电子化的资源数(word、xml等)。资源重用率Rre度量了数据重用情况,假设有1个人、资源数Rnum=s,人员对资源的使用情况用矩阵A= 表示,其中aij表示第i个人对第j个资源的使用数,资源间的引用情况用矩阵B= 表示,其中bij表示第i个资源对第j个资源的使用情况,则Rre=(1 … 1)AB(1 … 1)T。因而,资源利用率R可表示为
R=w1Rnum+(1-w1)(1 … 1) (1 …1)T
3.2 仿真试验
实践中,针对特定的系统设计案例(为表述方便,以下统称A系统),对比分析A系统分别在有无协同设计平台支持下的设计过程,并建立相关模型。
基于以上设计效率模型及对比分析,利用仿真工具SA Simulator对两种设计模式下的设计效率进行多次仿真。在具体仿真计算时,A系统的设计活动及其之间的交互时间可参考类似项目的活动时间来估算同类指标,也可以采取三点估算法对活动时间进行模拟估算,针对活动时间具有随机分布的特点,估计活动乐观时间to、悲观时间tp和最可能时间tm,根据概率分布,得到时间平均值T= ,并以此作为设计活动的时间设置,沟通效率和资源利用率可以利用仿真工具SA Simulator进行计算。
在无协同设计平台支持的设计模式下,对A系统的设计过程进行多次仿真,仿真过程和结果如图5 、图6 所示。
在协同设计平台支持的设计模式下,对A系统的设计过程进行多次仿真,仿真过程和结果如图7 、图8 所示。
通过对比分析,在完成相同设计任务情况下,无协同设计平台支持的设计模式平均耗费55.98个时间单位,有协同设计平台支持的设计模式平均耗费42.79个时间单位,在设计效率等方面有一定的提升。
4 结束语
本文借鉴CSCW在工业设计领域的经验,针对综合电子信息系统的设计任务,对协同设计流程和组织模型进行了研究,建立了协同设计工作效率评估模型,基于协同设计方法构建了协同设计平台,并在实际系统设计过程中进行了应用,实践证明在设计效率和协同程度等方面有一定的提升。