（机械电子工程专业论文）支持异构cad协同设计平台技术的研究.pdf

j i 尔人学砂! 十学+ 缸论文 i m l 摘要 在当今经济全球化和贸易一体化的背景下，企业之间的竞争愈演愈烈。为了 缩短产品的设计时问，降低产品成本，提高产品质量，并行工程和敏捷制造相继 出现。随着网络和计算机技术的发展，计算机支持的协同设计为他们提供了良好 的支持平台，但是目前的协同设计平台都不支持异构c a d 同步协同设计，异构 c a d 问的信息集成大多是通过异步的数据交换来实现，造成了虚拟联盟中的不同 c a d 资源的浪费。为了使得c a d 资源得到充分的利用，在研究了国内外关于相 关理论进展后，我们对支持异构c a d 协同设计的平台技术进行了研究，提出了基 于操作信息共享的异构c a d 同步协同设计方法，陔方法可以有效实现异构c a d 系统之间的同步协同设计。 本文主体部分首先分析了协同设计系统的三层协作模型，从总体上描述了协 同系统的内容和层次；通过对集中式和复制式两种结构的分析，提出混合式的平 台体系结构，它可以更有效的降低对网络带宽的要求，提高协同控制的能力。第 三章从总体上分析了协同设计系统的内容汇架，分别就冲突消解和任务实施进行 了分析，指出了本课题所要重点完成的同步一致性维护、访问控制和辅助协同三 个功能模块。第四章在分析了c a d 系统建模的特点和数据交换的不足的基础上， 提出了基于操作信息共享的方法，分析了接于操作信息共享的协同设计方法的原 理和方法，详细解释了w i n d o w s 消息机制、c a d 视图更新原理和基于c a d 命令 的映射机制，最后给出了实现协同设计互操作的方法。第五章详细给出了监控模 块、消息处理模块和通信模块的实现方法，最后给出了系统的原型。 对支持异构c a d 协同设计平台技术的研究和开发，可有效提高企业c a d 资 源的利用效率，提高设计速度，降低企业的设计成本：同时也丰富了信息集成的 内容和方法。 关键字：协同设计，异构c a d ，互操作，操作消息。 山东人学呗十j 学位论文 a b s t r a c t ： o nt h eb a c k g r o u n do ft h ee c o n o m ya n dt r a d i n gg l o b a l i z a t i o n ，t h ec o m p e t i t i o n b e t w e e nt h ei n d u s t r i e si sm o r ea n dm o r eh e a v i l y t h e nt h ec o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ( c e ) a n da g i l em a n u f a c t u r i n g ( a m ) a p p e a r e dt os h o r t e nd e s i g n i n gt i m e ，l o w e rc o s t ，i m p r o v e q u a l i t yo fp r o d u c t f o rt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dc o m p u t i n gt e c h n o l o g y ，t h e c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g ng i v e s c ea n da ms t r o n g s u p p o r t i n g t o o l s b u ta l lo ft h o s et o o l sd o n ts u p p o r tt h es y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n i n g b e t w e e nd i f f e r e n tc a d s y s t e m d i f f e r e n tc a ds y s t e m sa l w a y st h r o u g ha s y n c h r o n o u s d a t u me x c h a n g i n gt of i n i s hi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n t h i ss i t u a t i o nr e s u l t sc a d r e s o u r c e sg r e a tw a s t i n g s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt of i n do u ta w a yt os o l v et h i sp r o b l e m t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h et h e o r i e si n s i d ea n do u t s i d eo ft h ec o u n t r y ，w eg i v eaw a yt h a t i sb a s e do ns h a r i n gd e s i g n o p e r a t i o n i n f o r m a t i o nt oa c h i e v et h e s y n c h r o n i z e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g n i n gb e t w e e nd i f f e r e n tc a d s y s t e m s t h i st h e s i sf i r s ta n a l y z e st h r e el e v e lm o d e lo fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n i n gs y s t e m ， d e s c r i b e st h ec o n t e n ta n dl e v e lo fc o l l a b o r a t i v es y s t e mf r o mt h ew h o l ev i e w a 且c f 一培 a n a l y z i n go fc o n c e n t r a t e da n dd u p l i c a t i o ns y s t e ms t r u c t u r e ，w ew o r ko u tc o m p o u n d s t r u c t u r e t h i ss t r u c t u r ec a nw o r ko nt h es i t u a t i o no fl o wn e t w o r ks p e e d ，i ta l s oc a n i m p r o v et h ea b i l i t y o fs y s t e m c o n t r o l l i n g t h et h i r dc h a p t e ra n a l y z e st h ec o n t e n t s t r u c t u r eo fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e mf r o mr e s o l v i n gc o n f l i c ta n dt a s ki m p l e m e n t i n g t w oa s p e c t s ，a n dp o i n to u tt h a tk e e p i n gc o n s i s t e n c y , a c c e s sc o n t r o l l i n g ，a s s i s t a n t c o l l a b o r a t i o na r et h r e em a i nf u n c t i o nm o d u l e t h ef o r t h c h a p t e re x p l a i n s t h e b a c k g r o u n do f t h em e t h o db a s e do n s h a r i n go p e r a t i n gi n f o r m a t i o n ，a n a l y z e s i t s p r i n c i l e a n dh o wt o i m p l e m e n t ，e x p l a i n st h em e s s a g em e c h a n i s mi nw i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e m ，h o wt ou p d a t ec a dm o d e l ，a n dt h em a p p i n gm e c h a n i s mb a s e do n c a dc o m m a n d ，g i v e st h em e t h o dt og e tc o o p e r a t i n g t h ef i f t hc h a p t e ri n t r o d u c eh o w t oc a r r yo u tm o n i t o rm o d u l e ，m e s s a g ed i s p o s a lm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， a l s oi n t r o d u c et h es y s t e mp r o t o t y p eh o wt ob e g i nac o l l a b o r a t i o nw o r k t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et o o lt h a ts u p p o r t ss y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v e d e s i g n i n gb e t w e e nd i f f e r e n tc a ds y s t e mc a ni m p r o v eu s a g eo fc a dr e s o u r c ea n d s p e e do fd e s i g n i n g ，r e d u c ec o s to fd e s i g ns t e p ，e n r i c ht h ec o n t e n ta n dm e t h o do f 山尔人学硕十学位论文 i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n k e y w o r d s ：c o l l a b o r a t i v ed e s i g n i n g ，d i f f e r e n tc a ds y s t e m s ，s y n c h r o n i z a t i o n o p e r a t i o n ，o p e r a t i o ni n f o r m a t i o n 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：立出兰兰日期：圭竺鱼：! 曼 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分v , j 容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：越导师签名：瓣期：2 竺虹 山尔人学硕+ 学：位沦文 1 。1 课题提出的背景 1 1 1c i m s 技术的发展 第1 章引言 c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 即计算机集成制造系统， 它的核心思想是集成利用，它的主要特征是集成化和职能化。集成化反映了自动 化的广度，即集成的空间所包含的范围广，涵盖了产品的全生命周期的各个环节， 包括市场、设计、制造、分销、维护等全部过程。职能化则体现了自动化的深度， 即不仅涉及物质流控制的传统体力劳动自动化，还包含了信息流控制的脑咯自动 化。c i m s 技术的发展历史也很好地体现了上述的两个特征，横向和纵向都得到了 极大的发展，其未来的趋势也必将如此。 传统的产品开发方式采用顺序工程的方法。可以形象地说成是“抛过墙”式的 产品开发方法，产品开发过程缺少快速的反馈机制，当最终产品的工艺性、可制 造性、或者性能不能很好地满足用户需求时，则会要求重新对产品进行设计，然 后再顺序依次进行工艺分析、可制造性分析等环节。这使得产品开发过程变成了 设计、加工、试验、修改设计的大循环，且可能多次重复这一过程，从而造成设 计改动量大、产品开发周期长、产品成本高的局面。 并行工程【2 i 与传统的顺序产品设计方式的根本区别在于并行工程把产品开发 的各个过程看成是一个整体、集成的过程，并从全局优化的角度出发，对集成过 程进行管理与控制。它的重要目标就是使产品设计一次性成功，缩短产品开发周 期，提高产品质量，降低生产成本，提高产品竞争力。通过组织不同部门产品开 发人员，将不同部门和流程及人员集成到一起，并行地进行产品开发，利用先进 的网络和计算机辅助设计工具，在产品开发的早期阶段能及早考虑下阶段的各种 可能性，实现设计、工艺、制造等相关过程的协同协调，尽可能地缩短产品开发 周期，提高产品质量，降低产品成本，从而增强企业在国内外市场上的竞争能力。 敏捷制造【3 1 是指制造企业采用现代通讯技术，通过快速配置各种资源，以有效 山尔人学顺? k ：学位论文 和协调的方式l l 向应用户的需求，实现制造的敏捷性。随着经济全球化进程的加速， 跨行业、跨地区、跨国家的联盟型虚拟企业发展迅速，敏捷制造得以越来越多的 重视，企业的外协已经从原先的制造过程扩展到整个产品开发过程，这就要求产 品开发能够由分布在不同地点上的产品开发小组成员协同完成，于是分布协同的 设计与制造应求而生。由于联盟中的不同公司所应用的c a d 工具不尽相同，为了 实现对资源的有效利用，因此需要对异构c a d 系统之间的信息集成进行研究。 1 1 2 计算机支持的协同工作 计算机技术的发展将人类带入了前所未有的信息社会，随着网络技术和通信技 术的进一步发展，产生了新的交叉研究领域一计算机支持的协同工作( c s c w c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) 。c s c w 最早是在1 9 8 4 年有美国m i t 的 i r e n eg r e if 和d e c 公司的p a u lc a s h m a n 两位研究人员提出来的【4 】，用于描述他 们所组织安排的如何用计算机支持来自不同领域和学科的人们共同工作的课题， 并缩写为c s c w 。它的基本含义是在计算机技术支持的环境中，一个群体协作地完 成一项共同的任务。从它的出现之初，c s c w 就被认为是一个全新的研究领域，它一 是由计算机科学、系统论、社会学、管理学、心理学等多个学科交叉综合而成的1 5 j 。 c s c w 为在时空上分散的人们提供了一个共享的空间，一个的协同工作环境，支持 多个时间上分离、空问上分布而工作又互相依赖的协作成员的协同工作，使计算 机系统从传统的只能提高个体工作效率变为能提高群体工作效率，因而受到日益 广泛的重视。 与并行工程相比，c s c w 更加突出人的作用，强调相关活动的各方面人员( 包 括设计、制造、销售、管理、服务、甚至客户) 的协同工作，协同工作的思想认 为在未来的全球化企业竞争中，只有使来自不同专业领域、具有不同经验技能的 专家彼此问共享知识、交流思想、激发灵感，才能有效地实现产品设计的创新， 这样才能立于不败之地。 根据人们日常活动的经验可以将c s c w 按照时间和空间的概念分类，体现c s c w 的两个最基本的特征时i h j 年n 空间。时间分为同步和异步，空间分为异地和本 地，由此将c s c w 分为如下4 类： 山东人学顶十学能论文 如图2 - 1 所示，进行群体工作的人们，具有分布性，交互性和多样性的特点 以时间和空间的概念界定，可以分为以下四种模式： 淤 本地异地 本地同步模式 异地同步模式 同步 ( 室内会议)( 系统设计) 本地异步模式异地异步模式 异步 ( 流水作业)( 电子邮件) 图1 1 ：群体：【作的模式 本地同步模式一一在同一时间和同一地点进行同一任务的合作方式，如 共同决策，共同编辑文件，室内会议等。 本地异步模式一一在同一地点但不同时间进行同一任务的合作方式，如 流水作业等。 异地异步模式一一在不同时间且不同地点进行同一任务的合作方式，如 电子邮件系统等。 异地同步模式在同一时间但不同地点进行同一任务的合作方式，如 协同设计，群体决策，视频会议等。 其中，异地同步模式是c s c w 的主要研究对象和实现对象，也是体现c s c w 本质 特征一一支持时空上分散的协作成员以“面对面”( f a c et of a c e ) 和“你见即我 见”( w y s i w i s ) 方式进行协作交互的： 作模式。 国外对c s c w 的研究发展迅猛，今年来出版了专f 7 t t j 物，如c s c wj o u r n a l 、c s c w 、 g r o u pa n do r g a n i z a t i o nm a n a g e m e n t 以及j o u r n a lo fo r g a n i z a t i o nc o m p u t i n g 等，定期报道该领域的最新研究成果。国内目前对c s c w 的研究也慢慢开展起来， 中科院、清华、北航、浙大等科研院校多着手建立了相应的研究。 山尔人学顺：k ：学位沦文 1 2 计算机支持的协同设计 1 2 1 计算机支持的协同设计 计算机支持的协同设计( c s c d ，c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ed e s i g n ) 是 c s c w 与先进制造技术相结合对产品设计过程进行有效支持的研究领域【6 j ，是个 以知识为基础的计算过程。它是指两个或者两个以上来自不同专业领域的设计专 家，通过一定的信息交换和相互协同机制、共享关于产品设计的信息和知识，从 而提高产品设计过程中决策的正确率，减少返工次数，加速决策的过程，进而提 高设计的效率。它是根据c s c w 理论而建立的一种面向协同设计的计算机工作系 统，它一般由应用子系统、信息共享平台、协同工作平台、协作管理平台和网络 传输平台五部分组成。 c s c d 系统比单纯c a d 系统复杂1 7 】o 第一，它应该是运行在网络环境下；第 二，各c a d 系统是自治的、任务分工明确：第三，各c a d 系统之间围绕设计而 进行交互和协同；第四，涉及过程或进程要有踟调控制；第五，对设计数据、版 本和结果要进行协同控制。通常来讲，组建的c s c d 系统应具备下列集成的技术 特性： 高速带宽网络，保证三维的、多媒体信息数据的正确可靠传输； 三维高性能c a d 工作站，能够进行异地数字化设计和数字化装配； 提供实时交互的计算机多媒体会议系统，具有音频、视频、白板、黑板和 其他共享应用功能： 对分布式异构数据库、设计数据、版本和结果进行协同控制和管理。 协同设计与制造是一种新兴的产品开发方式。在陔方式下，分布在不同地理 位置上的产品开发人员通过网络在各种各样计算机辅助工具的支持下协同地进行 产品的设计与制造工作。 分布协同的设计与制造与目前的产品开发方式相比，其特点在于产品开发由 分布在不同地点的产品开发小组成员协同完成。不同地点的开发人员通过网络进 行产品信息的共享和交换，实现对异地c a x 等软件工具的访问和调用：通过网络 进行设计方案的讨论、设计与制造活动的协同、设计结果的检查与修改等：并在 山尔人。 坝 。；位论文 此基础之上，整体实现跨越时空的协同产品开发工作。由于分布协同的 殳计与制 造能够实现产品开发人员之问的动态联盟、异地协作，并使产品开发人员能够充 分利用异地资源，因此可以较大幅度地缩短产品开发周期，降低产品开发成本， 提高个性化产品开发能力。 1 2 2 协同设计在国内外的发展现状 计算机支持的协同设计是计算机支持的协同工作的一个重要研究领域和应用 方向。1 9 9 1 年a c m 通讯c o m m u n i c a t l o n so ft h ea c m ) ) 以“参与设计 ( p a r t i c i p a t o r yd e s i g ，p d ) ”为主题，介绍了来自欧洲( 特别是北欧) 的研究和开发 机构在机电系统设计中如何将包括最终用户在内的多学科人员进行协同工作的【8 l ， 工程项目的协同设计将成为c s c w 应用所面临的一种巨大挑战【9 】。1 9 9 3 年i e e e 的 ( ( c o m p u t e r ) ) $ 1 9 9 6 年e l s e v i e r 的( ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ) 各自出版一份计算 机支持辅助并行工程的专辑，集中多篇文章对有关并行工程的集成设计方法、数 据管理、特征建模、协同设计和多源设计、以及对下游制造工程的集成方法进行 了研究和探讨。1 9 9 8 年e l s e v i e r 的 c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ) 出版了一份“，以四t 络为中心的c a df n e t w o r k c e n t r i cc a d ) ”专辑，对基于网络的分布式c a d 技术进 行了研究。1 9 9 8 年国际c s c w 杂志( ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) ) 出版 了一期专刊，从“参与设计”的角度探讨了协同设计问题。1 9 9 8 年国际杂志( ( d e s i g n s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) ) 则组织出版了一份明确地冠以“计算机支持的协同设计 f c s c d ) ”为主题的专辑，对c s c d 的体系结构、c s c d 中的交互式系统、c s c d 中 的多媒体、因特网上的c s c w 系统、协同设计的认知模型、c s c d 中的基于实例 的推理和学习技术、c s c d 中的定性推理和c s c d 中的a g e n t 技术进行了研究。 计算机支持的协同设计c s c w i d ( c s c wi nd e s i g n ) m 际研讨会，自1 9 9 6 年起每年 召开一次，主要从计算机支持的协同工作、人人交互和协作的角度研究设计中的 c s c w 技术，同时也包括一般的c s c w 技术，是目目t f c a d 和c s c w 结合最为紧密 的研究盛会，见下表。 l l i 尔人学硕十乎位论文 c s c wi nd e s i g n 的国际研讨会 会议名称时问 地点 c s c w i d 1 9 9 65 8 5 1 1 b e o i n g c s c w i d 1 9 9 71 1 2 6 1 1 2 8 b a n g k o k c s c w l d 1 9 9 87 1 5 7 1 7 t o k v o c s c w l d 1 9 9 99 2 9 1 0 1 s o p h i a c s c w l d 2 0 0 01 1 2 9 1 2 2 h o n g k o n g c s c w i d 2 0 0 1 j u l y2 0 0 1 c a n a d a c s c w i d 2 0 0 21 2 2 5 1 2 - 2 7b r a z i l c s c w i d 2 0 0 31 0 2 2 1 0 2 4x i a m e n c s c w i d 2 0 0 4 5 1 1 5 1 4f r a n c e c s c w l d 2 0 0 55 2 4 5 2 6 u k c s c w i d 2 0 0 63 3 3 5 n a n j i n g 表1 1 ：c s c w i d 会议情况 国外在协同设计系统研究和实践中处于领先地位的是欧美等国，这得益于他 们在包括c s c d 在内的c s c w 领域进行了较广泛的研究。 法国圣马丁大学的m a n u e l ek i t s c h p i n h e i r o 等人实现了基于组件的感知系 统。该系统集合了组织知识、活动感知和状态感知，可以方便地加入新的协同感 知组件或者对己有组件升级1 1 0 1 。密歇根州大学的j a n g c h a n q y a n g 开发了名为 t e a m s c o p e 的协同系统，系统定义了四种感知特征并加以实现，最后总结出团队在 协同设计过程中交互感知的需求【1 1 】。里斯本大学的a n t u n e s m i q u e l 对协同虚拟环 境的感知问题做出了面向对象的抽象，实现了协同虚拟环境中协同管理感知【1 2 】。 威斯康星州大学的n s h y a m s u n d a r 和r a j i tg a d h 两人提出了如何将装配体划分为子 单元的规则和方法，设计了协同装配工具的体系结构，最后实现了网络环境下协 同设计模型的浏览查询。 另外，比较典型的系统还有德国f r a u n h o f e r 图形研究所的d i s t r i b u t e ds k e t c h p a d 系统、澳大利亚悉尼大学建筑与设计科学系m a t e 系统、美国普渡大学的s h a s t r a 系统、美国麻省理工学院智能工程系统实验室的d i c e 系统、美国麻省理工学院 c a d 实验室的d m e 项目、美国斯坦福大学的大型智能化分布式协同设计系统 p a c t 项目、美国国防高级研究项目署( d a r p a ) 资助下的m a d e 、美国c a t l a 公 山尔人学唢十学 i ，沦又 司的c a d 系统协作支持工具、美国s p e c t r a 图形公司( s p e c t r a g r a p h i c s ) 的 t e a m s o l u t i o n s 系统、美国惠普公司的c o c a d 系统、美i 蛩w e b s c o p e 公司基： z w e b 的c a d 协作支持工具等。 国内在计算机支持的协同设计及其相关议题的研究中处于领先地位的是中科 院计算所c a d 开放实验室和浙江大学c a d & c g 国家重点实验室，北京航空航天 大学、清华大学、上海交通大学等其它高校也进行这方面的研究。 1 3 课题的提出 目前国际国内关于协同设计的研究主要包括：基于分布式对象的c a d d f x 工 具封装、基于w e b 的协同建模、三维模型的在线传输、基于w e b 的协同标注、基 于w e b 的协同装配等方面| 1 4 j 。通过对文献资料的阅读和研究，我们发现目前的研 究存在以下的不足： 1 、目前见到的系统比较单一，仅仅是围绕一个设计活动而展开的应用系统， 缺少对多层次、多群体设计环境的支持、丌发建设面向设计行业应用的计算机集 成应用系统是多种高技术的综合运用、多种平台和多种环境的共同支持。 2 、目前国际国内各类关于协同设计的研究还都局限于同构的c a x ，d f x i 具集 之间，异构c a d i 具集之间的协同设计研究处于初始状态。造成现有c a d d f x 不同 工具之间信息共享程度低的主要原因在于：不同应用和不同领域通常具有不同的 术语表达方式和表达习惯；相同术语所表达的概念可能完全不同；同一概念在内 涵和外延等语义上存在差异等，如异构c a d 之间由于历史原因，现有商品化c a d 系 统种类很多并且它们之间不同程度地存在着系统内部数据结构不同、系统功能相 异等问题，其结果是在不同c a d 系统之间难以实现信息与功能共享，这种状况严 重地阻碍着采用异构c a d 系统实现产品协同设计。 3 、协同系统支撑平台的体系结构大多数局限于集中式和复制式【1 5 】，集中式通 过中心服务器放置建模系统，有系统结构简单，并发控制相对容易的优点，但是 存在网络负载大，对通信环境要求高的缺点。复制式通过各站点都设置建模系统， 每个站点都存放模型数据，通过共享操作，从而实现各站点的模型更新，优点是 山尔人：学硕十学位沦文 i i 网络传输流量小，但是结构对等，对各类数据信息容易造成管理混乱。两者都不 能很地满足异构c a d 系统协同的需求。 4 、目前的各类协同系统平台都只是简单地实现协同功能，只实现对模型信息 的集成，缺乏更好地对人、过程的集成，剥+ 协同中涉及的其他功能关注不够。角 色权限定义简单，设计任务单一，缺乏角色、权限、任务三者之间的有效关联。 这使得数据的安全性存在隐患、并发控制简单化、协同过程中的信息管理混乱， 容易协同过程中效率低下等诸多问题。从信息集成的角度讲，缺乏部门及工作流 的集成。目前国内外开发的协同平台大都仅仅实现设计部门的功能，缺乏工艺及 可制造性的评价，市场人员及用户的参与。主要原因在于协同设计目前刚处于研 究及应用的起步阶段，系统的各方面性能还有待完善和考验。 与此同时，目前大量的公司之问或公司内部之间所采用的c a d 系统不同，从而 造成了信息共享的困难，协同设计就更是无法进行了，信息共享，设计意图共享 存在着困难。美国国家标准局曾统计过美国每年因为不同c a d 系统信息共享困难而 造成的损失高达数十亿美元“。随着信息科学技术的进一步发展，协同系统应用 已变得越来越普遍，因此，如何设计一个有效的协同管理平台就显得至关重要了。 针对上述分析中的不足，我们对异构c a d 协同设计中涉及的关键技术进行了研 究，包括构建异构c a d 协同设计支撑平台的体系结构、分析整个协同设计框架内容 和异构c a d 之间的数据交换及同步一致性维护等。 1 4 本文的主要工作 异构c a d 平台的研究和实现涉及的面广度深，本文仅就其中主要的几个关键 技术进行了探讨，主要工作包括如下几点： 1 、通过分析现有支撑平台的体系结构的优缺点，提出了混合式的体系结构。 2 、按照协同系统的设计原则，初步分析了异构c a d 协同设计平台的整体内 容框架。 3 、为了维护同步协同设计中模型同步一致性的问题，对异构c a d 系统之间 的互操作性进行了研究，提出了异构c a d 之问基于操作信息共享的互操作性算法， 山尔人：学硕+ 学何论文 开发了基于u g 和p r o e 的原型系统。 本文所进行的工作是我们所要完成的基于异构c a d 协同设计i - 2 - n 中的一部 分，我们将在后续工作中对其进行研究和开发。 1 5 本章小结 本章首先介绍了当前并行工程和敏捷制造两个大的背景，介绍了计算机支持 的协同工作的由来及发展情况。引出了计算机支持的协同设计，主要介绍了计算 机支持的协同设计的发展及现状，分析了目前协同设计工作的不足，提出了对异 构c a d 协同设计的关键技术进行研究。 山尔人学坝十j ：位论文 第2 章协同设计系统的总体框架 2 1 协同设计系统的不足及需求 近几年，c s c d 的研究十分流行，已成为工程产品设计领域的一个热点。c s c d 要求产品设计人员跨职能地组织成功作组，以群体方式进行设计，及时交换各自 的意见，减少设计的反复，使设计更合理，更能满足市场需求，并尽快地投放到 市场。这种设计方式对环境的变化反应快，工作效率高，更具有创造性，能迅速 发挥群体的综合刁能。而且协同设计降低成本、提高质量及缩短开发周期有明显 的作用，对增加企业竞争力有战略性意义，因此引起学术界及企业界的广泛重视。 国内外对于计算机支持的协同设计系统的应用和研究还不完善，主要表现在： 1 基于工作流、群件以及w e b 的计算机协同设计系统比较多地考虑了共享信息 的引用，但是缺乏支持实时协同设计的能力。 2 基于c s c w 技术，特别是实时多媒体通信和各种辅助支持工具( 如白板、应 用程序共享等) 的协同设计系统较多的考虑了支持实时协同设计的能力；但是缺 少对于共享信息的充分利用，尤其是动态的工程设计信息。 3 在实时协同设计方面，只见到基于共享工作空间的系统，但这种系统的设 计功能有限，无法替代现有的设计系统软件，所以应该在传统的c a d 系统的基础上 建立协同式实时设计方面的应用系统。 4 在系统实现中，缺乏系统化分析、设计、集成和评估的方法与工具。 5 目前见到的系统比较单一，仅仅是围绕一个设计活动而展开的应用系统， 缺少对多层次、多群体设计环境的支持，开发建设面向设计行业应用的计算机集 成应用系统是多种高技术的综合运用，多 u k - 台和多种环境的共同支持。 因此构造一个c s c d 系统，需要解决以上的一些不足，必须考虑以下的系统需 求l “i ： 1 、支持多种协同感知 c s c d 将提供不同共享级别的交互模式支持各协作者间感知要求。感知要求越 高，共享级别也就越高。在 办同设计系统中，我们提供三个级别的协同感知：a ： 1 0 d t 尔人宁颂十学位论文 表现级共享。即达到“你见即我见”的共享级别，任何个成员对共享信息或者 共享对象产生的修改都将反映到其他成员的界面上。b ：视图级共享。共享信息或 对象在各个成员的界面上都有相应的表现，表现的信息相同，但可以有不同的方 式。c ：对象组共享。各个成员有不同的显示，各自显示的是共享对象中的某一部 分。 2 、支持多种协作模式 c s c d 下的各个成员既可以相互协作同步完成一项设计任务，又可以相互独立 地完成自己的工作，因此必须支持同步和异步两种协作的模式。 3 、支持多任务 根据协同设计参与者的多寡，可以将设计任务分解成不同的子任务，这种分解 的目的在于将各个子任务分配给一个相应的领域专家，然而，也有些子任务需 要不同的技术，这就需要分配多个设计者。 4 、角色分配 设计成员在设计过程中扮演不同的角色，这些角色可以是面向任务的或者是面 向功能的。赋予不同子任务的设计者或者设计小组自然具有不同的面向任务的角 色，而赋予相同字任务的多个设计者可能具有诸如管理者、仲裁者、评注者等不 同的功能角色，当然也可能具有完全对等的关系。设计人员或小组的角色不是一 成不变得，随着设计过程的进展，同一设计者完全可能扮演不同的角色。一个协 同设计系统应该提供包括相关设计对象存取授权的角色建模。 5 、设计活动监控 一旦设计任务被分解成不同的子任务并被赋予不同的设计者，他们的设计过程 必须受到监控，直到结束。如果设计者在设计过程中具有不同的角色，他们的行 为必须符合他们的角色，违反角色的行为必须得到监控并予以取消，以避免有害 的影响。 6 、冲突消解 设计过程中可能会产生冲突。许多设计问题或者任务具有不良结构，s i m o n 1 7 】 认为不存在结构良好的问题。工作与同一任务或子任务的设计人员可能对于如何 进行任务分解等问题具有不同的意见，即便是就某一特殊对象的设计，他们也会 有不同的方案。系统应该提供帮助他们消解冲突的协商机制。 山：尔人：学硕十学位论文 2 2 协同设计系统的三层协作模型 我们借鉴i s o 提出的o s l ( 开放式系统互联) 层次结构的思想，将层次模型的思 想用于本系统的设计中来。层次结构模型的优点是：严格约束相邻层之间的交互 并且使之规范化，各层之间相互独立：灵活性好；结构上可隔离，易于实现和维 护。 结合c s c d 的目标，为了更深入的理解和构建协同设计平台，我们建立协同设 计的三层协作模型，包括应用层、控制层和通信层。如下图所示： 儿 应用层 协同建模、观察、工具共享 l 控制层 访问控制、发言权控制、共享控制 ， i j i 摊层 数据传输、安全控制、消息通信 人人协作 工具间协作 网络 幽2 1 ：三层协作模型 1 、应用层实现c a d 协同设计的功能，参与协同的协作者，可以与其他协作者 同步地对模型进行协同设计和观察。设计者对模型的操作结果被同步地通知给其 他协作站点，实现各个站点上的模型同步和更新，从而实现多个协作用户之间的 显示同步。应用层还实现其他的对应用工具共享的功能，如对白板工具的共享， 实现语音视频的功能。对黑板工具的共享，实现对数据异步共享的功能。在应用 层，协作者还可以展开在线文字讨论。 2 、控制层所起的协调控制作用是实现共享对象的一致性的根本保证。当多个 用户需要对共享对象进行访问和操作时，协作层首先检查用户的角色和权限，然 后根据并发控制算法来决定某用户是否能完成实际共享对象的访问或操作。控制 层实现了通用c s c w 功能，包括协同会话控制、访问控制和发言权控制等功能。 i ik 尔人学顶：l 学位论文 ：3 、通信层实现了数据传输( 文本、多媒体数据) 、消息通信和安全控制等功能。 另外，由于不同功能小组处理的产品的数据在内容和表示上的不同，要实现数据 的协同就需要建立相应得数据交换标准，并构建全局相关的产品数据库，满足各 设计小组对产品信息内容和结构的需求。 协作层次分为人人协作和工具间协作两个层次。人人协作指得是按照协同工程 和多功能团队的思想，参与协作任务的人员来自产品设计和开发的不同部门，包 括项目领导、设计人员、工艺人员、制造人员、市场人员、售后服务人员、甚至 产品的最终用户。不同的人员具有不同的专业知识和经验，在协同设计中具备不 同的角色，完成不同的协作任务。他们通过使用协同c a d 工具进行设计工作，并 借助协同c a d 工具与其他的设计人员进行协同工作，协作地完成一个共同的设计 任务。 ： 具间协作指得是根据协同设计的需求选取或开发某些协作c a d 工具，构成协 同设计的支撑平台。由于不同的人员完成不同的协作任务，他们对协同c a d 工具 的功能和需求也各不相同。因此，一个协同c a d 系统应当为协作用户提供多种不 同类型、不同功能的应用工具，包括扩充c s c w 功能的商品化c a d 软件、共享白板 及多媒体环境、聊天工具和黑板工具等。 2 3 协同设计支撑平台的软件体系结构 现有同步协同建模系统从总体上可以分为集中式和复制式两类。集中式的同 步协同建模系统采用客户机n 务器结构，其中服务器用于放置共享的建模应用， 负责提供建模服务，生成共享模型，客户端则主要负责建模操作的交互输入和模 型显示。复制式同步建模系统在每个站点都放置建模系统和存储共享模型，通过 使所有站点同步执行相同的建模操作，生成同样的三维模型，实现同步协同建模。 我们通过分析两者的优缺点，提出了混合式的体系结构。 l 、集中式结构 如图2 2 所示，集中式服务器管理、维护全局目标和全局对象及所有协作事件， 各协作站点的协作事件都传递到服务器上集中处理，分发事件和传输数据，事件 调度简单，保持了各协作站点的数据一致性和界面一一致性。但是这样会造成传输 山尔人4 学硕十学位论文 图2 2 ：集中式体系结构 的数据量大，协作站点上的动作和数据需要通过服务器转发，使得其他协作站点 响应速度慢，并且容易造成服务器瓶颈。集中式结构适用于交互性弱的异步协同 系统，如邮件系统、工作流系统。 这方面的代表性工作有：韩国l e e 等人开发的n e t f e a t u r e 系统【1 8 】、荷兰d e l f t 大学b i d a r r a 等人研制的w e b s p i f f 系统【1 9 】。 2 、复制式结构 图2 - 3 ：复制式体系结构 复制式结构的最大特点是个协作站点既是服务器又是客户机，管理、维护目 标对象的同一复制本，用户直接操作复制本，分发事件和传输数据，各站点配置 m c u ( 主控制单元) 。由于协作站点的操作事件在本机上得以执行分发，克服了复 制式结构中通过中心服务器造成响应速度慢的缺点，使得本地响应速度快、网络 负载轻、站点交互功能强。但是各站点均可作为服务器，使得维护全局数据变得 困难，通信也变得复杂，难以保持全局数据的实时致性。 例如澳大利亚k a o 等人开发的协同曲面造型系统c o c a d c a m l 2 们、英国n a m 等人研发的协同工业设计环境c o l l i d e l 2 ”、德国s t o r k 等人研发的c o o p e r a t i v e a r c a d e l 2 2 1 、德国l u k a s 等人开发的t o b a c o l 2 3 1 等。 3 、混合式 为了有效利用集中式和复制式的优点，克服缺点，我们将两种结构有效地结 合起来，提出混合式结构，如图所示。 l lj 尔人学坝十学何沧文 图2 - 4 ：混合式体系结构 主站点管理维护全局目标和全局数据对象，从站点管理和维护同一目标的副本， 能在本地完成的处理直接在本地完成，将可能造成不一致的事件提交主站点处理。 这样集中了集中式和复制式各自优点，可以提高协作的效率，但是，系统结构也 随之变得更加复杂，对技术要求高，实现难度加大。 根据以上的分析，我们采用混合式的方式构造协同设计系统。与复制结构类 似，参与协作的各站点将各自维护目标对象的一个复本，能够在本地完成的各种 处理将在本地立即被执行。而对于那些可能引起冲突的事件，才借助于集中式的 主站点服务器进行统一的调度，降低系统的一致性控制的复杂程度。由于此时各 协作从站点与主站点的交互将明显减少，它对主站点的依赖程度将比完全集中式， 的结构要低得多。同时，主站点服务器的负载也