陳星宇，吳 鋒，張宏斌

(1.西安交通大學 管理學院，陜西 西安 710049；2.過程控制與效率工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 前言

復雜重型裝備是具有技術需求復雜、制造工藝復雜、加工周期長、質量要求高、工程造價高涉及學科和信息多等特點，這是繼大規(guī)模定制之后，產品工程領域提出的又一重要概念[1]。其代表產品有火箭、飛船、動車組等影響國計民生的大型裝備[2]。同時，對于提升我國復雜裝備的研發(fā)能力也會產生積極的影響。由于復雜重型裝備具有深度耦合和高復雜性的特點，復雜重型裝備在設計過程中會面臨協(xié)同困難、設計質量難以達標等問題，從而會對研發(fā)生產周期和成本產生負面影響。此外，由于客戶訂單、產品規(guī)格、訂單流程等的不確定性，這類產品非常獨特，不能在大規(guī)模生產系統(tǒng)中生產，因此訂單量少且交貨周期長，通常采用按訂單設計(Engineer To Order，ETO)和按訂單生產(Make To Order，MTO)的生產策略。

近年來隨著世界各國對于智能制造的重視，中國提出的“中國制造2025”把創(chuàng)新發(fā)展擺在制造業(yè)發(fā)展的核心位置，實現(xiàn)從要素驅動向創(chuàng)新驅動的轉變[3]。隨著物聯(lián)網、5G技術、大數(shù)據、云計算的發(fā)展，“互聯(lián)網+”與協(xié)同設計的關系也逐漸緊密起來。在互聯(lián)網日益蓬勃的大環(huán)境下，網絡平臺也為制造業(yè)的協(xié)同設計提供了便利條件。各項目成員可以通過網絡平臺承擔各自的任務，同時可以在平臺上進行交互設計，最終達到產品的設計要求。協(xié)同設計平臺將各個提供專業(yè)服務的企業(yè)網格化，充分利用項目組成員的技術優(yōu)勢協(xié)同完成產品設計。協(xié)同設計平臺不僅可以有效的利用分布式的知識資源，還能提高企業(yè)對市場的快速響應能力，有利于各協(xié)作成員實力的增強，提高企業(yè)的敏捷性[4]。除此之外，通過使用網絡平臺，位于不同地點的設計、制造、管理人員都可以同步地參與設計工作，從而提高設計的質量和效率。協(xié)同設計已經成為現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然需求，如何對項目各方進行協(xié)調使得產品設計順利地完成，是協(xié)同設計模式的關鍵內容。

1 協(xié)同設計模式的內涵與概述

協(xié)同設計是指由多個和項目相關的主體共同對項目產品進行設計。在市場競爭日益激烈的環(huán)境下，單一主體很難完成復雜產品的設計工作，尤其是復雜重型裝備的設計，更是需要多方協(xié)同來完成。此外，在產品全生命周期的過程中，概念設計、詳細設計、產品制造、工藝規(guī)劃、產品服務等往往是由不同主體參與的過程[5]。然而，傳統(tǒng)的設計技術并不能將產品的全生命周期完全考慮在內，因此需要將計算機網絡、網絡化平臺、知識工程等先進的技術與設計制造相結合，從而推動智能制造數(shù)字化、網絡化、智能化的發(fā)展進程。

在復雜重型裝備領域的協(xié)同設計主要包括4個方面。

(1)語義協(xié)同。產品設計領域通常采用一些特定的語義表達不同的設計特征，如粗糙度、精度等語義。

(2)時效協(xié)同。智能制造領域的協(xié)同設計具有時效性，表現(xiàn)在業(yè)務流程的時序協(xié)同[6]。

(3)異構信息的協(xié)同。對于產品的設計信息，在不同的設計單位可能會有不同的標準和格式，而對于不同的產品，其設計數(shù)據也是異構的。

(4)多學科的協(xié)同。基于復雜重型裝備的特點，往往需要多個主體共同完成設計研發(fā)，這其中包含了不同的學科、領域的專業(yè)知識。

目前針對于復雜重型裝備的產品協(xié)同設計模式主要有3種。

(1)自行設計。在企業(yè)內部不同部門或組織間進行協(xié)同設計，各部門可以共同使用企業(yè)的內部資源，調用設計數(shù)據，不用擔心泄密的問題，是大多數(shù)產品的選擇模式。

(2)設計制造外包。用戶將產品需求提供給具有一定設計能力的生產制造企業(yè)，由于該類型企業(yè)長期負責生產制造相應的零部件，經驗豐富，生產成本低、設計和制造周期短。對于一些常用的零部件，用戶可與企業(yè)簽訂長期的供貨合同，從而節(jié)約生產和設計成本；

(3)聯(lián)合設計。在設計過程中，由于時間緊迫、任務量大等原因，企業(yè)往往會和第三方的設計公司進行聯(lián)合開發(fā)。在對某企業(yè)進行調研時，該企業(yè)在研發(fā)設計的過程中會將部分設計業(yè)務外包出去。但是為了保護知識產權對于涉密零部件的設計，第三方企業(yè)的設計人員只能在該企業(yè)進行現(xiàn)場設計，并不會拿到藍圖或相關的設計文件和資料。

2 網絡平臺實現(xiàn)協(xié)同設計的環(huán)境需求

傳統(tǒng)的產品設計只針對單一的研發(fā)設計人員(單位)，但對于復雜重型裝備產品的設計往往面臨著異地、跨組織的情況。因此，當存在多個設計主體的時候，信息和數(shù)據的及時交互是最為重要的。當復雜重型裝備產品的設計依托于網絡平臺時，研發(fā)設計人員(單位)便可以同步、實時溝通設計情況，從而可以提高產品的設計效率、縮小開發(fā)周期，同時也可以避免因溝通不及時而導致的產品返工、變更頻繁等問題。為此，對于基于網絡平臺的產品協(xié)同設計環(huán)境提出的需求[7]：

(1)開放性和可操作性。對于項目組的成員皆可通過網絡平臺進行產品的設計，或者參與產品設計的討論。但是由于項目成員存在異地、跨組織等情況，對于研發(fā)設計人員來說可能會處于不同的設計環(huán)境。因此，對于平臺來說，提供一個開放且兼容的環(huán)境至關重要，尤其是異構設計環(huán)境。此外，由于項目組成員會時常發(fā)生變更，平臺對于新進入的成員也應該自動做出相應的變化，如：任務交接、權限授予等。

(2)流程可視化和可控性。建立以任務為核心的設計仿真流程管理系統(tǒng)，實現(xiàn)硬件和軟件的設計仿真的多專業(yè)過程協(xié)同，能夠有效支撐多專業(yè)、多部門、多人的協(xié)作和資源的合理分配。對于項目組的成員要做到整個設計過程透明、可控，保證型號研制狀態(tài)和進度的有效控制。

(3)數(shù)據的協(xié)同。建立統(tǒng)一的設計數(shù)據中心，通過數(shù)據關聯(lián)管理、動態(tài)建模等技術實現(xiàn)對數(shù)據的分類、集成、存儲和管理，并進一步實現(xiàn)數(shù)據的關聯(lián)更改和歷程管理，保證數(shù)據的同步和協(xié)調。項目組成員在設計過程中可以隨時調取相關數(shù)據并可以有選擇地共享給其他成員。

(4)基于工作流的管理。對于復雜重型裝備的設計流程一定要進行規(guī)范地管理，平臺應有相關的管理模塊，對于設計工作的變更、審核等操作進行處理，同時要對操作記錄進行存檔，便于日后溯源。

(5)知識推送與共享。復雜重型裝備的產品設計并不是一蹴而就的，其需要一個積累的過程，平臺上應該整合相關的知識庫來滿足設計人員的需求，其中可以包含設計有關的經驗數(shù)據和設計知識、標準文件等。此類知識可以在項目組成員間進行共享，同時平臺可以利用知識圖譜等工具對設計知識進行推送，方便設計人員查看，從而可以提高產品的設計效率。

基于網絡平臺的產品協(xié)同設計環(huán)境提出的需求，本文提出了產品設計方面的網絡平臺結構，如圖1所示。

圖1 網絡化協(xié)同平臺結構

第一層為用戶端，用戶可以通過用戶端使用應用端的程序，如：瀏覽器、相關設計軟件等。項目組成員可以隨時訪問項目內容，查看設計進展和狀態(tài)，管理人員可以對設計的過程進行協(xié)調或調度。設計人員可以通過設計軟件直接在平臺上進行產品的設計和修改，項目組內有權限的人員可以即時同步查看。此外，用戶還可以通過平臺上的實時通信應用進行項目組成員間的溝通，如：視頻會議、遠程控制、共享屏幕等，實現(xiàn)信息交流和共享。

第二層為設計和管理框架層，設計和管理框架層為網絡化協(xié)同設計平臺提供了一系列的設計工具的集成，以及對于設計項目的管理工具。其中集成了不同用戶(設計人員)所使用的CAD、CAE、CAM等軟件，從而實現(xiàn)異地、跨組織的協(xié)同設計。同時，項目管理工具為項目的管理人員提供了項目的設計過程、變更信息、歷史數(shù)據等記錄，還能夠實現(xiàn)在線審批的功能，提高了項目管理的效率。

第三層為數(shù)據層，對于復雜重型裝備的設計來說，產品的設計數(shù)據是至關重要的。該層提供了與復雜重型裝備設計相關的標準文件、經驗數(shù)據以及豐富的專家?guī)欤浜显O計過程中的設計決策；設計數(shù)據庫存儲設計數(shù)據、文本信息和圖形文件信息，為設計過程提供支持[7]，設計人員可以在數(shù)據庫中調取有用的數(shù)據，從而提高設計效率。

3 復雜重型裝備產品協(xié)同設計中的數(shù)據安全問題

復雜重型裝備具有性能要求嚴格、設計更改頻繁、產品構型眾多、內部結構復雜等特點，所以其產品的設計過程既是一項龐大的系統(tǒng)工程技術，又是一種極其復雜的管理技術[2]。此外，在復雜重型裝備產品的協(xié)同設計過程中也存在一些數(shù)據安全的問題。

(1)數(shù)據交換過程數(shù)據的安全性。由于復雜重型裝備產品的特殊性，其設計數(shù)據需要嚴格保密，因此在協(xié)同設計的時候，需要對數(shù)據的訪問權限進行嚴格的控制和授予，從而保證數(shù)據的安全儲存和訪問。數(shù)據傳輸過程中，平臺也應該保證其安全，例如可以通過區(qū)塊鏈對數(shù)據進行加密傳輸，保證數(shù)據不背篡改、竊取，同時也能追溯數(shù)據的來源和去向；

(2)數(shù)據無法選擇性共享。復雜重型裝備產品的設計是需要多方異地協(xié)同的一個過程，在協(xié)同設計的過程中，各個單位需要共享各自的相關數(shù)據，從而方便開展設計工作。但是由于涉及到各單位的相關利益，部分數(shù)據不便和外部共享，因此需要對數(shù)據進行選擇性地共享，數(shù)據需求方只能使用部分數(shù)據，其他數(shù)據只有查看權并無使用權；

(3)數(shù)據被用于牟利。在協(xié)同設計的過程中，設計單位會和制造單位共享產品零部件的設計圖紙等重要設計文件。但有時會有設計單位按照圖紙制造訂單外產品，然后自行銷售以謀取利益。對于這種問題，可以考慮采用更加先進的數(shù)據加密方法對數(shù)據進行加密，同時也要對使用數(shù)據的權限進行限制。

4 復雜重型裝備產品設計數(shù)據安全方案

在復雜重型裝備產品設計的過程中，涉及到多個部門、單位異地協(xié)同完成，因此設計數(shù)據需要共享。那么，在共享數(shù)據的過程中就可能存在數(shù)據被泄露的安全問題，還有可能涉及到未經授權而使用數(shù)據牟利。例如：當設計單位把圖紙發(fā)給制造單位之后，制造單位利用設計圖紙制造出零件進行售賣，或者將圖紙拷貝向外出售。以上情況都會對設計數(shù)據的擁有方造成損失，并且會泄露涉密數(shù)據。對于此類問題，本文考慮采用聯(lián)邦學習模型來解決復雜重型裝備在產品協(xié)同設計過程中的安全問題。

4.1 聯(lián)邦學習模型

聯(lián)邦學習模型最早是由谷歌引入的[8]，聯(lián)邦學習的主要目標是以分布在多個設備上的數(shù)據集為基礎，構建機器學習模型，防止泄露重要數(shù)據。聯(lián)邦學習模型的基礎定義為：假設有N個參與方{F1,….FN}，他們各自擁有的數(shù)據集記為{D1,…,DN}，每個數(shù)據集的所有者都不希望將自己所擁有的數(shù)據暴露給第三方，但是又需要每個參與者的數(shù)據來進行一個共同的設計任務。傳統(tǒng)的方式自然是把所需要的數(shù)據整合在一起，使用D=D1∪…∪DN來共同對機器學習模型MSUM進行訓練。而聯(lián)邦學習系統(tǒng)是一個協(xié)同的過程，在此過程中，數(shù)據的擁有者協(xié)同訓練模型MFED，同時每個參與者并不用將自己的數(shù)據共享給其他成員。設VFED為聯(lián)邦學習模型的精度，VSUM為傳統(tǒng)方式的模型精度。存在非負實數(shù)δ，使得|VFED-VSUM|<δ，則稱該模型具有δ精度損失。

聯(lián)邦學習的類型分為三種：橫向聯(lián)邦學習、縱向聯(lián)邦學習和遷移聯(lián)邦學習，不同的數(shù)據類型劃分對應著不同的學習方式。橫向聯(lián)邦學習適用于各參與方掌握了相同的數(shù)據特征，但是數(shù)據的樣本不同?？v向聯(lián)邦學習恰恰相反，各個參與方掌握的樣本相同，但是數(shù)據特征不同。遷移聯(lián)邦學習則是應用于參與方掌握的數(shù)據特征和樣本都有較少的重疊。對于復雜重型裝備產品的設計來說，采用橫向聯(lián)邦學習最為適宜，在針對復雜重型裝備的設計過程，各方掌握了相同的特征，也就是都和復雜重型裝備相關，但是數(shù)據樣本不同。例如：設計單位掌握的樣本是產品設計的相關理論數(shù)據和經驗數(shù)據，而制造單位掌握了產品制造出來后的運行、調試等相關的數(shù)據。采用的橫向聯(lián)邦學習算法如下：

假設N個參與方用n來編號；A是參與方客戶端最小的數(shù)據集單位，B是本地客戶端的時間記錄，η是數(shù)據學習的效率。

服務器開始工作：

Initializeω0

foreach round t = 1,2,…do

m←max(C·K,1)

St←(random set of m clients)

foreach clientk∈Stinparalleldo

ClientUpdate(k,ω)://Run on clientk

foreach local epochifrom 1 toEdo

returnωto server

其中，ω是機器學習模型中損失函數(shù)的參數(shù)，損失函數(shù)通過加權平均法算出；nk為每個客戶端上的batch數(shù)。

對于復雜重型裝備的協(xié)同設計，采用聯(lián)邦學習模型進行數(shù)據安全的保障，圖2是各個項目參與方與協(xié)調方的聯(lián)邦學習模型。在復雜重型裝備產品的設計過程中，各個項目參與方在網絡協(xié)同平臺上上傳各自的數(shù)據，如設計單位對于產品中機、電、液零部件的機械性能分析、有限元分析、電路分析以及液壓系統(tǒng)分析等數(shù)據；制造單位在生產制造過程中的生產數(shù)據(廢品率、材料損耗等)。在各項目參與方將其數(shù)據上傳到網絡協(xié)同平臺之后，項目總包方(協(xié)調方)對數(shù)據進行整合，再把各項目成員所需其他成員的相關數(shù)據進行加密后發(fā)給各項目成員。

圖2 復雜重型裝備產品設計聯(lián)邦學習模型

4.2 霧協(xié)同加密算法

隨著第五代通訊技術(5th Generation Mobile Network, 5G)的發(fā)展，基于霧計算(Fog Computing)的研究逐漸增多[9, 10]，利用霧計算中基于數(shù)據加密的研究也成為近年來的研究熱點[11]。本文考慮采用霧協(xié)同云訪問的方式對數(shù)據進行加-解密，具體的系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 霧協(xié)同加密數(shù)據過程模型

該加密方法的主要算法過程包括：系統(tǒng)初始化、數(shù)據加密、密鑰生成和數(shù)據解密[12]，具體步驟如下：

(1)系統(tǒng)初始化。執(zhí)行Start(λ,U)算法，輸入安全參數(shù)λ和全局屬性U={A1,A2,…,An}，輸出每個用戶的身份標識UID。然后構建循環(huán)加法群G={G1,G2,GT,ρ,e}，并計算e(g,h)，其中g為生成元數(shù)，n為隨機群元素h1,h2,…,hn∈G的個數(shù)，對應著U中的n個屬性。其次，授權機構選擇隨機數(shù)α,β∈Zq。然后由授權機構輸出公鑰PK和系統(tǒng)主密鑰MSK：PK=(g,ga,e(g,g)a,h1,…,hn)、MSK=gβ。

(2)數(shù)據加密。首先需要用戶(數(shù)據擁有者)制定適合自己的訪問策略，然后生成部分加密密文CT={U,V,eν}，其中ν為用戶的訪問策略。數(shù)據擁有者再通過加密規(guī)則部分加密密文CT，生成CT*={Ek(M),R,U′,V′,eν}，然后通過霧節(jié)點發(fā)送至服務器。

密鑰生成部分是由可信授權機構執(zhí)行算法Key(PK,MSK,A,UID)→(SKUID,FKA,SKA)，其中A為用戶屬性集合，SKUID為身份密鑰，F(xiàn)KA和SKA分別為霧節(jié)點密鑰和用戶密鑰。

(3)用戶對數(shù)據進行解密。Decrypt(PK,CT′,SKUID,FKA)→CT″，其中CT″為部分解密密文，當用戶使用者輸入部分解密密文和用戶密鑰時，如果成功解密就會得到明文M。

復雜重型裝備在協(xié)同設計時數(shù)據安全問題是至關重要的，通過基于霧協(xié)同加密數(shù)據的聯(lián)邦學習模型的數(shù)據安全方案，可以大大降低數(shù)據泄露、被盜用等問題發(fā)生的風險。

5 結論

基于網絡化協(xié)同設計平臺是產品研發(fā)的新興方法，能夠最大限度地發(fā)揮各個企業(yè)的優(yōu)勢并共享資源，通過協(xié)同設計的方式提高產品的設計效率、縮短設計周期，從而降低成本。本文針對復雜重型裝備產品協(xié)同設計過程中的數(shù)據安全問題進行了研究并得到以下結論：

(1)通過構建基于復雜重型裝備的聯(lián)邦學習模型，可以避免數(shù)據使用者直接和數(shù)據接觸，從而解決了數(shù)據被盜用、非法牟利的問題；

(2)通過采用霧協(xié)同的數(shù)據加密方式，能夠準確地對數(shù)據進行加密，數(shù)據提供方可以根據數(shù)據使用方的需求，對相應數(shù)據進行加密，通過云計算平臺進行密鑰的傳輸，在很大程度上避免了數(shù)據傳輸過程中的泄露問題；

(3)將霧協(xié)同加密方法和聯(lián)邦學習模型相結合，在復雜重型裝備的協(xié)同設計中可以有效地解決數(shù)據安全問題，同時也能解決數(shù)據的選擇性共享問題。

隨著人工智能、大數(shù)據等技術的日益發(fā)展，加強數(shù)據科學在傳統(tǒng)復雜重型裝備產品設計中的應用，對于企業(yè)來說具有重要的現(xiàn)實意義。由于復雜重型裝備產品涉及到保密性，區(qū)塊鏈在產品設計數(shù)據安全中的應用也是應該被考慮到的研究重點。