（机械设计及理论专业论文）基于autocad实时协同设计平台的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 计算机支持的协同设计( c s c d ) 是计算机支持的协同工作( c s c w ) 技术在c a d 领域 的具体应用。基于网络的协同c a d 技术就是在制造全球化的背景下，随着信息技术、 计算机技术的迅速发展涌现的一种新技术，它是由异地分布的多个优势互补的企业， 采用并行协同设计的思想来进行新产品开发的新型设计方法，具有良好的企业应用前 景，更是近几年这一领域研究的热点。 实时协同设计是网络c a d 发展的关键技术之一，而网络带宽和实时性要求高等因 素限制了协同工作技术在工程c a d 中的应用。本文建立了基于共享图形数据一个实时 协同设计平台，并对协作操作的图形对象和群体用户协作关系进行了相关的描述和处 理。协同平台扩展了a u t o c a d 网络感知功能，解决了a u t o c a d 对象数据一致性和维 一性问题，实现了a u t o c a d 对象数据和人力资源共享，在交互过程中采用对象数据动 态存取，最大限度地减少网络数据传输量，提高了平台的快速响应能力，满足了协同 设计原型平台对实时性的要求。本文主要进行了以下几个方面的工作： 1 研究了网络支持的协同设计的系统模型、工作模式及其分类，并提出本文研究的 n s c d 模型和工作模式。 2 对a u t o c a d 2 0 1 0 功能进行拓展，使其具有网络上的数据共享和协同感知。 3 通过引入角色和角色权限管理机制，采用操作权限赋予机制，同一段时间内只允 许一个用户参与操作，其他用户只能实时观看，当有用户需要操作时，可以提出权限 申请，当操作者放弃操作权限或者主持人收回操作权限后，主持人赋予申请成员的权 限，才可进行操作。解决了在访问和操作图形共享数据的并发冲突，并且提高了平台 的数据安全性。 关键词：实时协同设计；对象数据；a u t o c a d ；权限 西南交通大学硕士研究生学位论文第f i 页 曩罾量兽量量笪皇量量曼堂皇葛舅量曼i l i ii l i 曼曼曼曼量量曼皇舅曼鼍量舅舅鼍量量量曼置曼曼曼曼皇皇量邑目曼皇量鼍曹置曼皇曼置量量曼曼皇鲁量曼寰 a b s t r a c t 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 n ( c s c d ) i sap r a c t i c a la p p l i c a t i o nt h a t 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 ) t e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h ec a d f i e l d 。t h e f a s td e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o na n dc o m p u t e rs c i e n c et e c h n o l o g ya n dg l o b a l i z a t i o no f t h em a n u f a c t u r ei n d u s t r yh a sm a d et h ec o l l a b o r a t i v ec a db a s e do ni n t e m e tp l a t f o r m b e c o m e san e w l yd e v e l o p i n gt e c h n o l o g y i ti san e wt y p eo fd e s i g nm o d e lt h a tc a nb eu s e d b yc o m p a n i e s ，w h i c ha r ed i s t r i b u t e di nd i f f e r e n ta r e a sw i t hd i f f e r e n te d g e s ，b u ti ts h a r e sa c o m m o ni d e o l o g yo ft h ec o n c u r r e n ta n dc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni nan e wp r o d u c td e v e l o p i n g p r o c e s s t h i sn e w m e t h o d sc a nb es ow i d e l yu s e di nd i f f e r e n tc o m p a n i e st h a te v e ni tm a k e sa n e wf o c u so fr e s e a r c hi nt h i sa r e a r e a l t i m ec o l l a b o r a t i v e d e s i g n i so n eo fm a n yk e yi s s u e sw h i c ha f f e c t st h e d e v e l o p m e n to fc a db a s e do ni n t e r n e tp l a t f o r mt e c h n o l o g y t h en e t w o r kb a n d w i d t ha n d e x t r e m eh i g hr e a l - t i m er e q u i r e m e n t sh a sl i m i t e dt h ew i d ea p p l i c a t i o no ft h e c o m p u t e r s 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 ) t e c h n o l o g yi nc a d f i e l d s ，n l i sp a p e rc o m b i n e st h e d i s t r i b u t e ds t r u c t u r ea n dc e n t r a l - - d i s t r i b u t e ds t r u c t u r et o g e t h e rt ob u i l du par e a l - t i m ed e s i g n p l a t f o r mw i t hag r a p h i cd a t a b a s eb a s e do ni n t e m e tp l a t f o r mi n s i d e ，a n de x t e n d st h ei n t e r a c t f u n c t i o no fa u t o c a ds o f t w a r e i th a ss o l v e dt h ep r o b l e mc o n c e r n i n gc o n s i s t e n c ya n d u n i q u e n e s so fa no b j e c td a t a ，a n dm a d ec o m p a n i e ss h a r eo b j e c td a t aa n dh u m a nr e s o u r c e d u r i n gt h ei n t e r a c t i o np r o c e s s ，t h eo b j e c td a t aa r ed y n a m i c a l l ys t o r e d , w h i c hg r e a t l yr e d u c e s t h ea m o u n to fd a t at r a n s m i t t e dt h r o u g ht h ei n t e r n e t ，a n dm e e tt h er e a l - t i m er e q u i r e m e n t sf o r t h e p r o t o t y p ep l a t f o r mo ft h ec 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 n t h em a j o r c o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w ： 1 a n a l y z et h es y s t e mm o d e l ，w o r k i n gp a t t e ma n dc l a s s i f i c a t i o no ft h ec o l l a b o r a t i v e d e s i g ns y s t e m ，a n de m p l o y sn s c dm o d e la n dw o r k i n gp a t t e m 2 e x t e n da u t o c a df u n c t i o n s ，a n da l l o wi tt os h a r ed a t ao ni n t e r a c tp l a t f o r md u r i n g c o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o c e s s 3 t oi n t r o d u c ean e wm e c h a n i s mt om a n a g em e m b e r sa n dm e m b e r s p r i v i l e g e s b y u s i n gp r i v i l e g e - g r a n t e dm e c h a n i s m ，o n em e m b e rc a nd e s i g nw h i l eo t h e rm e m b e r sc a n w a t c ht h ed e s i g np r o c e s sa to n et i m e w h e na n o t h e rm e m b e rr e q u e s t sad e s i g np r i v i l e g e ， a f t e rf o r m e rm e m b e rg i v e su ph i sd e s i g np r i v i l e g et ot h eh o s to rf o r m e rm e m b e r sp r i v i l e g ei s r e v o k e db yt h eh o s t ，a n dh o s tr e - g r a n t st h ed e s i g np r i v i l e g et ot h a tm e m b e r , t h e nt h e r e q u e s t e dm e m b e rc a nh a v et h ed e s i g np r i v i l e g e ，t h i sm e c h a n i s ms o l v et h ec o n c u r r e n t p r o b l e mw h e nm e m b e r sa r eu s i n go rm o d i f y i n gt h eg r a p h i cd a t a ，a n dh e l p st oi m p r o v et h e i n f o r m a t i o ns e c u r i t yo ft h ep l a t f o r m k e yw o r d s ：r e a l - t i m ec o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；o b j e c td a t a ；a u t o c a d ；p r i v i l e g e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 制造业企业面临的竞争压力越来越大，而个性化、多元化的消费需求使得市场更加 的快速多变、不可捉摸。产品开发涉及领域也越来越宽，质量和功能要求也越来越高， 过去，一种优秀产品的竞争力平均可以维持几年，而现在普遍的情况是只能维持几个月 甚至几周。计算机的普及和网络技术的发展更是加快了产品的开发速度，产品的更新换 代越来越快，这些都使制造业企业的竞争更加激烈。由于业务本身的发展速度比以前快 得多，企业必须重新研制它们的产品开发流程，才可能更快地生产出更优秀的产品，并 保持其竞争优势。在这种时代背景下，不断地涌现出了许多新的设计思想和设计模式， 其中网络支持的协同设计( n e w t o r ks u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed o e s i g n ，n s c d ) 成为研究的热 点，它通过融合计算机技术、网络技术和通信技术，使处于地域分散的一个群体借助相 关技术，共同合作来完成一项任务。 1 1 课题提出的背景和现实意义 随着计算机应用普及逐渐扩大，计算机技术的进步和信息时代的到来，全球化市场 的形成与发展使得在世界范围内的市场竞争变得越来越激烈。这些都迫使企业加速新产 品的开发研制，并以尽可能短的研制周期抢占市场。全球范围内的激烈竞争促使制造业 不断降低成本、提高质量、缩短研发周期、和提供更为完善的服务。在这样一种激烈竞 争的环境下，制造业不断涌出一些新思想、新理念、新模式，如计算机集成制造( c i m ) 、 并行工程( c e ) 、精良生产( l p ) 、柔性制造( f m ) 、敏捷制造( a m ) 、虚拟制造m ) 、逆向工 程( r e ) 等i l 圳。企业如何利用这些新思想、新理念、新模式中先进的理论和技术，在最短 的时间内开发出更优秀的产品，已成为企业间竞争的核心。 计算机支持的实时协同设计( c s r c dc o m p u t e rs u p p o r t e dr e a l t i m ec o o p e r a t i v e d e s i g n ) 是计算机支持的协同工作c s c w 的概念和技术在产品开发过程中的一项重要应 用。它主要支持群体并发工作、及时交流思想、协调工作进展情况、发现工作过程中出 现的矛盾和冲突等，避免或尽可能减少设计过程中反复修改的问题。c s r c d 使不同地 点的管理人员、设计人员、施工人员以及其它用户都能同步地参与设计工作，从而提高 设计的质量和效率，其旨在组织多学科专家跨越地域和时间的障碍，在产品的初始设计 阶段就考虑到后续的工艺和加工需求，共同激发创新灵感，促进设备资源的共享，有利 于快速获得制造技术信息，实现复杂产品的协同开发【3 】。 制造业是国民经济的支住产业，而当前我国大部制造行业的工程图纸大都是采用 a u t o c a d 来绘制，并且工程图纸贯穿设计、生产、加工制造和总装配整个过程。传统的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 皇量璺舅舅量量量曼皇曼量皇皇曼暑量曼量量量曼曼曼皇曼曼皇舅曼曼曼曼皇皇曼曼量蔓舅曼璺皇曼曼曼鼍皇曼量蔓曼皇量警量i i ii | 1 量量置皇皇曼量皇葛皇鼍量 设计开发模式，对其下游的生产、加工制造、装配以及用户使用等问题考虑的较少或不 全面，无法跟上更好、更快地开发产品的的步伐，因此，如何在设计初期就考虑产品整 个生命周期中从概念形成到产品报废处理过程中的所有因素，包括可行性、可靠性、质 量、成本、进度计划和用户的要求引起了重视。而设计过程中考虑的因素总是跨多专业 领域和多学科，不同专业领域的专家有丰富的相关经验和知识，要得到最令人满意的设 计，就得人尽其才，在各自专业领域最大限度地利用智慧资源，共享这些专家的经验和 知识，并可以方便地交流。而协同设计能够达到这些目的，所以研究基于a u t o c a d 下 的协同设计具有重要的现实意义。 1 2 课题的研究现状及发展趋势 1 2 1 课题的国外研究现状 国外从8 0 年代就开始大力研究和发展制造系统的数字化和网络化技术，取得了许 多重大的研究成果，如：网络化制造、虚拟制造、敏捷制造等先进制造模式和概念、制造 系统的数字化建模与仿真、制造信息传递与安全等方面和数字制造系统的某些子系统己 现雏形。 s o l i d w o r k s 公司的网络c a d 产品为了支持设计人员之间的合作和协同设计，开发 了e d r a w i n gp r o f c s s i o n a l3 d i n s t a n tw e b s i t e ，3 dp a r t s t r e a m n e t 两个产品。它们主要用于 支持设计小组内的2 d 3 d 产品数据共享和浏览，以减少设计者、供应商和制造商之间的 设计通信障碍。c o c a d c a m 是南澳大利亚大学先进制造研究中心的k a o 和l i n 开发的 协同c a d c a m 系统，它利用现有的商品化c a d c a m 软件提供的a p i 开发接口，将传 统的单机、单用户系统扩展为支持协同工作的多点应用程序，这样，两个异地分布的用 户就可以实现自由曲面的协同编辑和n c 加工路径的协同仿真【4 】。c o c a d c a m 已在局 域网和i n t e m e t 上得以实现，但是没有实现几何实体模型的协同造型和编辑修改。 c o i l d e ( c o l l a b o r a t i v ei n d u s t r i a ld e s i g ne n v i r o n m e n t ) 是一个支持同步共享的三维c a d 原 型系统，英国b r u n e l 大学交互设计研究中心的n a m 提出了“共享平台”( s h a r e ds t a g e ) 的概念，利用商品化软件a l i a s 的a p i 插件，完成a l i a s 系统和共享平台之间的实时数据 交换，从而实现产品模型的协同浏览，c o l l i d e 能在一定程度上实现协同设计，但不能 支持协同造型。c y b e r v i e w 是i o w a 大学i n t e m e t 实验室的k a n g 和g r a d y 等提出的一个 基于w w w 的协同设计系统总体结构，它采用v r m l 在浏览器下实现分布设计小组的 协同浏览，产品模型采用s t e p ，主要的工作是实现s t e p 一 、佩m l 转换、s t e p 一 o o d b 存储以及v r m l 浏览器【5 j 。不足之处是他们的实现方法只适用于在高速网络连接下实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 曼曼曼皇曼量| 罾曼皇量量皇皇皇量罾皇曼舅曼量皇吕量皇曼舅舅皇舅皇i l h i i i i i 量 i i l l 鲁邕皇皇皇量皇量量皇量量皇鼍量葛曼量皇鼍曼量 协同浏览，在低速网络连接时不能保证实时响应，也不能实现协同造型等进一步的功能。 a r c a d e 是德国f m u r d a o f e r 计算机图形研究所提出的协同设计系统模型，它通过图形f o 管理器和对象管理器实现o p i n v e n t o r 场景图的数据共享，可以实现s t e p 几何数据和 产品结构的分布可视化，为用户提供协同浏览、讨论和标注功能，但不能实现协同造型 和编辑修改。k e n t u c k y 大学计算机系的z h a n g 和c h e n 则研究了基于w e b 架构的协同 c a d 系统，通过讨论w e b 协同系统的优点，他们认为计算机网络为协同c a d 应用提供 了一个理想的支持环境。还具体地研究了协同用户界面、协同感知支持、同步与异步以 及安全性等技术【6 】。u g 的协作设计集成了u gc a d 标准的会议管理和协作应用( 白板、 聊天、文件交换) 。它同时也实现虚拟设计团队间的实时设计、可视化的协调与通讯， u g 协作也可通过微软会议交换网站工作1 7 j 。新加坡国立大学t a y 等开发了一个多媒体环 境支持的三维协同设计系统c y b e r c a d f 8 】，利用多媒体开发视频会议模式方便协作人员 沟通，采用j a v a 与j a v a 3 d 技术开发的客户端具有跨平台性，系统支持协同观察以及粗 粒度的同步协同建模。韩国全南国立大学l e e 等开发的基于w e b 的协同特征造型系统 n e tf e a t u r e ，该系统采用基于b s 结构的数据集中式模型，即服务器存储中心共享数据 模型并负责模型的更新与维护，建模操作也集中在服务器端执行【9 】。 1 2 2 课题的国内研究现状 国内对c s c w 的研究晚于国外，在国家自然基金委员会的支持下，已经召开了数次 c c s c w 会议，相关的研究单位都发表过有关成果和科技论文。国内厂商也在协同设计 方面展开了深入的探索和实践，浩辰软件就是其中的佼佼者。为实现目标，浩辰与清华 大学签署了项目合作协议，利用清华大学在基础研究和网络协同方面的优势，对浩辰 i c a d 平台的关键技术进行研究和突破。 浙江大学的周勋、何发智等对a c i s 几何造型核心进行了基于c o r b a 的封装，并 在此基础上开发了个基于w e b 的同步协同实体建模系统z u n e t c a d f l 0 】。四川大学建立 了一种基于多a g e n t 技术的c s c d 模型【i 。华中科技大学李玉良等开发了智能化协同 产品设计系统，利用专家系统的a g e n t 工作机制及利用c o l 出a 标准开发多代理系统来 实现产品设计的模块化，实现企业内设计人员协同工作【1 2 1 。北京航天航空大学李妮等探 讨了g l o b u s 在虚拟样机分布式协同建模仿真环境中的对计算能力的支撑应用【1 3 1 。上海 交通大学李治等利用网格中间件实现了部分协同设计网格服务，基于w e b 开发出协同设 计网格门户来封装网格服务4 】。该技术为分布在异地的设计人员提供了网格服务和较好 的图形化界面，实现了一定程度的资源共享和协同工作，南京理工大学提出了e c w s 实 现网络化制造，并以m i c r o s o f t n e t m e e t i n g 为协同支持工具为分散在异地的用户提供一个 “你见即我见”的实时协同工作环境5 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 西南交通大学机械学院计算机可视化研究所研究了基于a u t o c a d 的点对点的异地 实时协同设计的相关技术，实现了部分2 d 图形数据共享与浏览的设计系统，并采用分 布式和集中式的混合结构，解决了数据过于集中的问题，并能实现添加、修改和删除功 能的数据处理和网络通信，也采用了权限交替方法解决了权限冲突问题，该系统能够通 过网络进行二维图形的实时设计与讨论，但不支持尺寸、块、表格、三维实体和编辑命 令的实时操作。 1 2 3 课题的发展趋势 随着设计要求的不断提高，c s r c d 技术的需求也日益迫切。目前，实时协同设计 主要在两个层次上展开：一是基于共享信息及数据标准的实时协同设计，但交互信息量大 且过于集中、实时性差，很难反映设计的过程信息：另一个是以计算机会议系统和共享 应用工具为代表的信息交互层次，共享应用工具根据共享白板机制或动态显示抓屏机制 等来传输共享界面，但共享界面传输的是图像信息不是实体信息，很难满足协同设计的 要求【16 1 。 为了满足基于a u t o c a d 的实时协同设计对实时性的要求必须最大限度的减少网络 数据传输量，其中最主要的是减少反映图形信息数据，这个数据既能反应出图形轮廓和 图形的视图，又能够满足工业上加工制造的需要，而图形实体数据的实时相互传递，成 为了研究基于a u t o c a d 实时协同设计趋势。 1 3 本文研究的内容和研究条件 1 3 1 本文研究内容 本课题是在西南交通大学机械学院计算机可视化研究所研究课题“基于a u _ t 0 c a d 的异地多点实时协同设计平台”前期研究成果基础之上，进一步完善2 d 和3 d 图形数据 共享与浏览，使得a u m c a d 图形中的块、表格及尺寸等大部分对象都能够实现协同操 作。主要研究的内容由以下四个部分构成： 阐述了计算机支持的协同设计( c s c d ) 的基本概念、特点、功能需求和体系结构， 以及对协同设计系统的支撑平台和工具、接口以及支持系统模型进行详细叙述，并对课 题组前阶段的研究成果“基于a u t o c a d 的异地多点实时协同设计平台 的功能进行分 析。 在研究课题前阶段的基础上，提出了开发实时协同设计平台的设计目标。对实时 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 协同设计平台的群体协作模式、协作控制机制、界面管理技术、多媒体技术、体系结构 作了介绍，并重点介绍了a u t o c a d 数据库结构和o b j e c t h r x 编程，并开发出基于 a u t o c a d 2 0 1 0 软件平台的实时协同设计平台，实现块、文字、表格及尺寸多实体群和图 案填充操作功能。 构造了一个共享的网络c a d 图形数据库，并借助w i n d o w sl i v em e s s e n g e r 辅助 工具使平台具有音频视频多媒体会议交流功能。 结合一个网络协同设计交流会议，进行了多点实时协同设计实验，并详细论证了 整个实时协同设计的实验过程，初步验证了平台的实用性和可能性。 1 3 2 本文研究条件 西南交通大学机械制图教研室为本课题提供的研究条件是： 硬件环境：a m da t h l o n ( t m ) 6 4 x 24 4 0 0 + 、i n t e lp i i l 5 0 0 ( 2 台) 软件环境： 操作系统：w i n d o w s 2 0 0 2p r o f e s s i o n a l ( s p 3 ) 、w i n d o w sx p ； 开发平台： m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 ，a u t o c a d 2 0 1 0 ，s q ls e r v e r 2 0 0 5 ； 开发工具：o b j e c t a r x 2 0 0 9 ； 协同交流工具：m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sl i v em e s s e n g e r ； 网络环境： 以i n t e lp i i l 5 0 0 作为网络服务器，并配有交换机，以此局域网通过西南交通大学 校园网的主节点联入因特网。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 引言 第2 章计算机支持的协同设计 在设计活动中，概念发展成为可用作品的硬件，无论这个硬件是简单或复杂的，它 都是人们与知识、工具以及技巧相结合而产生的一个新创造，设计过程就是对人们以及 人们在产品更新换代过程中所获得的信息的组织和管理。 在知识不是很丰富的时代，一个人可以完成整个产品的设计和制造，即使一个大的 项目，一个人就有足够的物力、材料和制造过程知识来处理项目设计及建设的所有方面 的问题，到了2 0 世纪中叶，产品的设计和制造过程已变得如此的复杂，以至个人不再拥 有充足的知识和时间来完成方方面面，人们开始组成不同的团队分别负责市场、设计、 制造和整体管理，这样的变革就是按专业分隔的设计方法，然而这种按专业分隔的设计 方法依然在产品的开发过程中存在许多的不足，如低效率和高成本，还有可能产生劣质 产品，到了2 0 世纪7 0 年代后期至8 0 年代初期，并行工程的的概念开始打破这个“按专 业分隔的墙”，这个理念强调制造过程的改进要与产品的更新同步，并行工程的实现通 过指派工程师的代表参加设计团队，以便于他们在整个设计过程中与设计工程师们相互 交流，共享工程师们的智力资源和经验，旨于要在产品设计完善的同时，也得便于制造 过程得到提高。到了2 0 世纪8 0 年代，并行工程的理念又扩展并称为协同设计，而协同 设计一个最重要的方面就同时关注产品的发展各与之相关的过程和共识智力资源，并进 一步扩展到关注需求信息、概念和进度计划等不能用图形表达的形式信息的完善。 计算机支持的协同工作研究的是在异地分布环境下，利用计算机网络实现人一人之 间的交互。计算机支持的协同工作的研究开始于6 0 年代，但由于网络设施等基础硬件和 通信技术所限制，发展非常缓慢。直到8 0 年代，与其相关的计算机技术、网络技术、多 媒体技术、数据压缩与存取技术、通信技术、分布与并行处理技术和人机交互理论的迅 速发展，才使得计算机支持的协同工作的研究逐渐步入正轨。到2 1 世纪，由于信息技术 的进步，特别是计算机技术和通信技术的应用越来越成熟，给协同科学的研究和应用提 供了更加优越的条件和环境，它具有极其广阔的应用领域和应用价值。 在机械制造行业，迎来了机械设计与制造的智能化、集成化、并行化和网络化的新 时代，网络技术的发展正在对制造业的发展产生了新的模式，新的理念，新的方法，正 在将c a d c a m c a p p 环境改变为一个分布式的以网络为中心的环境，产品的设计、加 工制造更加快速，在最短的时间内抢占市场，适应全球激烈的竞争环境。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 量皇量量舅舅量璺量舅曼鼍量曼量置曼曼皇置鼍量曼量曼曼曼曼曼皇喜曼皇皇量鼍量鼍u 曼置曼曼量曼曼曼皇量鼍舅皇曼量皇詈量量皇舅毫皇曼皇曼皇曼量| 2 2 计算机支持的协同设计 c s c w 是指一个群体中的人们，在计算机及网络的帮助下，共同协调与协作地执行 某项任务，并为他们提供一个共享环境的界面，消除人们在时间和空间上相互分隔的限 制，提高工作效率。其中群体可以是一个或多个单位、项目或小组，但这里特别强调的 是，群体中的人们必须执行共同的任务，c s c w 系统为他们提供一个共享的工作环境和 一个友好而灵活的人与人交互的界面【18 1 。 2 3 计算机支持的协同设计研究的内容 在目前的c s c w 研究中，主要的相关技术基础是计算机和网络技术，应该更加深入 地研究和总结模型实验。 2 3 1 系统模型 c s c w 系统一般划分为一个四层模型( 如图2 1 ) 。第一层是开放系统互联环境，主 要提供支持网络的通信环境，方便协同过程中交流；第二层解决协同中主要的工具的协 作模式；第三层提供各种应用的程序接口，使上下层能够方便的进行交互；第四层是协 同系统在各个领域的具体应用，针对不同领域提供协作工具的集成。 2 3 2 群体协作模式 图2 - 1c s c w 模型 c s c w 一个主要的功能是协调群体成员之间的协作，这就要求研究群体成员在交互 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 过程中的协作模式。目前群体协作模型有过程模型、会话模型、会议模型、活动模型、 和层次抽象模型等。 ( 1 ) 过程模型 任何复杂的任务都可分解成一系列的简单的子任务，形成一个工作流，简化任务。 这种协作由于严格规定了相关协作规则，灵活性比较差，适合于那些工作流程相对固定 的业务，如计算机集成制造c i m s 的c s c w 环境。 ( 2 ) 会议模型 会议方式是参加协作的成员聚集在一起，对共同任务进行讨论、交流、共同决策， 共同完成任务。 ( 3 ) 会话模型 会话模型是将各种复杂的任务分解成系列人与人之间的交互会话的协作方式，从 而达到群体的协作，比较适合工作流管理系统。 ( 4 ) 活动模型 活动模型与过程模型相似，不同的是，它将复杂任务分解成多个目标定义为“活动” ( a c t i v i t y ) 的子任务，确立各任务之间的联系，通过执行“活动”的子任务来完成协作 任务。 ( 5 ) 层次抽象模型 在实际中完成一个任务总是在不同层次和不同方式上进行的，单一的协作模型不能 满足对协同任务的协作方式和过程的执行，需要采用多种模型进行协作，。按不同的层次 进行描述。 2 3 3 协作控制机制 目前，许多c s c w 应用系统提供了一定的信息交流手段和工具，但没有体现协作规 则，而是由群体成员人为的协调各自目的行为。这涉及到协作规则的抽象和协作规则在 c s c w 系统中的实现。 不同的协同系统的同步方式是不同的，主要分为同地同步、异地同步、异地异步和 同地异步四种形式。 同地同步，这种系统用于于支持群组之间f a c e - t o f a c e 实时协作，可以通过与成员 间共享的c h a l k b o a r d 实现。 异地同步，系统中的用户是分布在不同的地理位置，一般都会提供w h i t c b o a r d ( 电 子白板) 。这类系统通常要求提供视频和音频的多媒体服务，必需要有高速的网络环境支 撑，典型的代表有多媒体桌面会议系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 同地异步，系统中的用户不具有地理上的分散性，对数据的访问不要求同步，它 所关心的是数据的一致和用户间的协同感知。如共享文件( s h a r e df i l e s ) 系统等。 异地异步，这类系统对用户地理上的分布和数据的实时性不作具体要求，它注重 的是数据的共享，如b b s 、电子邮件、协同写作和工作流等。 在协同应用系统中，为维护数据完整与一致性，应该使用不同的并发控制策略，最 理想的办法是建立起一种能够处理所有并发控制问题的模型，但执行起来都有一定的困 难。 2 3 4 多媒体技术支持下的群组通信 c s c w 系统的许多应用是通过多媒体计算机会议系统完成的，c s c w 系统要求音频 和视频压缩算法具有分优先级传输、抗丢失、传输速率可变等特点，这就要求应该针对 c s c w 系统要求，研究音频和视频压缩算法。 c s c w 系统通过计算机及其网络来协调群体成员的行为，包括音频和视频等多媒体 信息的实时传送，要对大量的多媒体信息实时截获、传送，这要求更好的网络环境，现 有的网络通信协议不能满足群组通信的许多要求，由此也引起了对群体通信协议的研究。 当前，在国内的研究中，将c s c w 系统的通信支持体系结构分为4 层：主机及路由 扩展子层、资源预留子层、可靠传输子层和协同应用子层。只有建立广泛的群组通信支 持，才能使c s c w 应用系统推广。 2 3 5 应用共享技术 应用共享是指个群体的各成员，通过各自的机器共同控制一台机器上执行的应用 程序。应用共享的基本方法是把单用户的应用程序的显示输出分发到各用户的机器上进 行显示，并对各用户的输入对应用程序进行控制。目前，已有一些研究工作是基于x w i n d o w s 的应用共享，如x t e l e s c r e e m 和n e t m e e t i n g 。 2 4 网络支持的协同设计系统模型 网络支持的协同设计( n e t w o r ks u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，n s c d ) 就是利用多媒 体和计算机网络通信等技术建立一个协同工作的环境，该环境具有集成一体化的多媒体 模式操作系统平台以及适合于支持计算机支持的协同工作的管理、使用和创作的各种工 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 具。在此环境中人们可以相互合作共同工作于一个产品、一个研究领域、一个项目或求 解一个问题。 网络支持的协同设计给协同设计创造了一个空间，使分布在异地的不同的c a x ( c a d ， c a p p ，c a m ，c a e 等) 项目组可以按照并行工程的思想进行研发产品。为了 能充分利用n s c d 所提供的工具和技术，必须在体系组织结构、管理策略、决策方法、 产品设计等全过程进行革新。t k i e s e w e t t e r 和s k r a m e r 提出了一个协同设计模式下的 n s c d 系统框架，如图2 2 所示1 2 2 - 2 3 。另外y u r a m n a a d a j m e s 等也分别提出了一些适应 于协同设计的企业模式，要实现制造系统的协同工作，必须实现4 个不同层次上的协同， 即组织结构层、应用层、工具层和通信层【2 锄】。 面向任务的计算机支持协同设计的组织结构 j。 士工 t 】队m w o i p d m c a d 小组c a m 小组系统 t t 1r 厂、 n s c d 环境、工具 产品数据 t、， j r 各类通讯协议 ： 计算机网络 图2 - 2n s c d 的系统框架 f i g 2 - 2t h es y s t e mf r a m eo f n s c d 2 5 基于a u t o c a d 的实时协同设计研究 课题在前一阶段的研究工作中，对异地协同设计进行了初步的探索，并取得一定的 进展，初步建立了一个点对点间的几何图形实时协同设计原型系统，本课题是作为其后 续的研究工作进行的，课题的研究工作把前一阶段研究成果作为第一手资料，在开发平 台中也吸收了前期的一些研究成果和研究方法，所以有必要介绍点对点实时协同设计研 究的情况以及对该已研究成果进行分析评价。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 5 1 系统概述 点对点实时协同设计原型系统是在传统的单用户c a d 系统的基础上通过添加软件 代理扩展而形成的点对点实时协同设计。c a d 平台采用美国a u t o d e s k 公司的产品 a u t o c a d2 0 0 5 ，并以a u t o c a d2 0 0 5 的二次开发工具v b a 作为应用程序编程接口，构 建数据处理模块j 网络通信模块则采用基于t c p i p 的s o c k e t 技术来构建，a u t o c a d 的 图形实体数据存储在网络上的数据库中，数据库采用是美国m i c r o s o f t 公司推出的s q l s e r v e r2 0 0 0 。另外，将m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sl i v em e s s e n g e r 作为辅助工具，以便使 用其音频、视频和图像等多媒体通讯功能。 2 5 2 系统的数据交换方式 点对点实时协同设计原型系统是远程同步的基于网络的协同设计，系统中允许两个 使用者参加实时协作，在a u t o c a d 中完成设计及图形绘制。在协同交互过程中，最关 键是交互过程中有关图形数据的传输量，为提高传输质量，设计者开发了一个s q l 2 0 0 0 图形数据库，这个数据库中存储了a u t o c a d 的图形数据，使传统单机的a u t o c a d 数据 实现网络上的共享。 用户与a u t o c a d 的每次交互时，只有少量的图形数据发生变化，只需将改动图形 的数据更新到中央图形数据库，并把这些改变的图形实体一个标识同时保存在对应数据 记录中，数据存储后，通过发送消息方式通知其它用户已发生的操作，而其它用户则剖 析和处理消息，根据消息中的关键字符串，即标识，并依据标识作为关键字，查询对应 表中的记录，从记录中读取相关的数据，经过数据处理模块重新生成图形，从而实现异 地图形更新，达到同步的效果。s q l 图形数据库表中数据格式的数据段包含改动实体的 几何数据和相关属性数据，表中的编号可以用来唯一的标识所操作的实体。 这种数据交换格式与文件交换格式相比，增加了对被改动实体数据的提取、数据存 储、消息传输、消息处理和重新生成实体等操作的时间，但是这些操作均在各用户的本 机进行，处理地非常快，数据存取和消息发送本身数据量较小，网络的传输速率较高， 整体上实时性要比交换图形文件的方式高。 2 5 3 系统的功能模块及评价 功能模块主要由添加、删除和修改功能子模块组成。 1 系统的添加实体功能模块处理包括添加实体数据的提取和实体的异地重新生成， 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 并捕捉到实体添加的事件。在v b a 中通过触发文档层添加事件来处理添加实体的数据， 首先将实体对象赋值给变量o b j ，此时o b j 包含实体的全部数据( 如实体类名称，实体几 何数据和属性数据等很多信息) ，并对实体进行编号，然后存入到s o l 数据库中并发送 消息。异地协同设计点在接收到消息后，通过从s q l 数据库中记取数据传递到数据处理 的添加功能子模块，应用程序自动生成对应的实体。 2 系统的修改功能子模块，当修改图形空间的实体时，将触发文档层事件中的 o b j e c t m o d i f i e d 事件，并能取得修改实体的实例，在o b j e c t m o d i f i e d 事件添加响应程序 中提取修改实体的实体数据及编号，并更新到数据库表中的记录，并删除数据库表中相 同编号的记录。然后再发送消息给其它异地的设计者，其它的用户读取实体的编号，找 出对应的实体，并重新设置实体的信息，及时调整图形的变化，达到修改的同步。 3 系统的删除功能子模块，当用户在a u t o c a d 的图形空间删除一个实体时，将触 发文档层事件中的删除事件。可以通过在删除事件的响应程序中提取删除实体的实体数 据及扩展数据写入数据库删除数据表中，在数据写入完成后，将删除实体消息发送到异 地协同和设计者，异地设计者读取数据库表中的编号，在a u t o c a d 图形空间中根据编 号寻找到对应的实体并删除。 系统的添加、删除和修改功能子模块能够完成多点协同设计几何图形实时编辑过程 中的添加实体、删除实体与修改实体的操作，解决了多点协同设计时交互数据量大的问 题。但是，实体标识的唯一性存在问题，系统没有实现图案填充功能和块、面域、表和 三维实体等复杂实体操作功能，因此还需要添加图案填充功能子模块，改进修改功能子 模块实现复杂实体的协同操作，并以此为基础，全面满足协同设计中各种实体方式的需 要。课题前一阶段的相关研究成果为后续的研究工作打下了良好的基础，并提供了可以 学习经验和研究方向。 2 6 本课题的模型设计 本课题的研究是基于传统的单用户a u t o c a d 的基础上通过网络扩展而形成的支持 多用户的实时协同设计平台。支撑的c a d 平台采用美国a u t o d e s k 公司的产品a u t o c a d 2 0 1 0 ，