（机械设计及理论专业论文）基于web的三维模型协同批注研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 三维模型的网络化协同浏览与批注是计算机支持的协同设计( c s c d ) 的一个 重要研究方向，也是在产品协同设计过程中所必然要面临的问题。 本文在分析计算机支持的协同工作、计算机支持的协同设计以及三维模型浏 览与批注技术的基础上，探讨了分布式异构环境下，协同批注的基本原理和相关 技术。论文主要研究内容如下： ( 1 ) 分析了协同批注的协同工作模式和协同批注流程，提出了相应的协同批 注过程模型。 ( 2 ) 分析了协同批注所涉及到的关键技术，提出了协同批注的协同应用共享 模式、协同感知实现方式、协同控制机制和模型数据快速传输方式。 ( 3 ) 分析了协同批注的数据交换情况，提出了基于w e b 的可视化浏览技术 和基于x m l 的模型批注信息表示方式。 ( 4 ) 分析了协同批注信息的网络传输技术，提出了b s 结构的协同批注系统 模型，采用j a v a 、j a v a s c r i p t 和a c t i f y 技术实现了基于w e b 的三维模型协同浏览 与批注系统。 本文实现了基于w e b 的三维模型协同浏览与批注系统，系统采用b s 结构， 支持同步协同和异步协同工作模式，为分布式异构环境下三维模型的协同设计提 供了一种有效的工具。 关键词：协同设计协同批注分布式异构环境 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o l l a b o r a t i v ev i e wa n dm a r k u po ft h r e ed i m e n s i o nm o d e l si so n ei m p o r t a n t r e s e a r c hd i r e c t i o no fc 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 , a n da l s oi sa l li n e v i t a b l e p r o b l e md u r i n gt h ep r o d u c t sc o o p e r a t e sd e s i g np r o c e s s b a s e do na n a l y z i n gi m p l a , n e n tt e e l a n o l o g yo ft h ec o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v e w o r kc o m p u t e rs u p p o r t e ac o l l a b o r a t i v ed e s i g na n dm a r k u po ft h r e ed i m e n s i o nm o d e l s ， b yd i s c u s s i n gt h eb a s a lp r i a e i p l eo fc o l l a b o r a t i v em a r k u pa n dr e l e v a n c et e c h n o l o g yi n t h ed i s t r i b u t e da n dh e t e r o g c n e o t t se n v i r o n m e n t , t h em a i nr e s e a r c he o r l t e n t so ft h et h e s i s a sf o u o w s ： f i r s t l y ，b ya n a l y z i n gt h ec o l l a b o r a t i o ni n o d ea n dt h ep l o c 鹤so fc o l l a b o r a t i v e m a r k u p ，ac o r r e s p o n d i n gp r o c 岱sm o d e lo f c o l l a b o r a t i v em a r k u pi sp r o p o s e d s e c o n d l y , b ya n a l y z i n gt h er e a l t e dk e yt e c h n o l o g yo fc o l l a b o r a t i v em a r k u p ，a a p p l i c a t i o ns h a r i n gm o d eo fc o l l a b o r a t i v em a r k u p 。a nr e a l i z ew a yo ff 1 w a r c n e $ $ ，a c o n t r o lw a yo fc o l l a b o r a t i v em a r k u pa n das p r yw a yo fm o d e ld a t a 仃a ：m m i s s i o ni s p r o p o s e d t h i r d l y ，b ya l l a l y z t gt h ed a t ae x c h a n g ec 笛eo fc o l l a b o r a t i v em a r k u p ，aw e b - b a s e d v i s i b l eb r o w s i n gt e e l m o l o g ya n dax m l - b a s e di n f o r m a t i o ne x p r e s s e sw a yo fm o d e l m a r k u p i sp r o p o s e d 1 3 0 u t t l l , b ya n a l y z i n gt h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo fc o l l a b o r a t i v em a r k u p i n f o r m a t i o l x , u s i n gt h ej a v at e e t m o l o g y , t h ej a v a s c r i p tt e d a n o l o g ya n dt h ea e t t r y t c c n o l o g y , aw e b - b a s e dc o l l a b o r a t i v ev i e wa n dm a r k u po ft h r e ed i m e n s i o nm o d e l s s y s t e mi sp r o p o s e d i nt h i sa r t i c l e 。aw e b b a s e de o u a b o r a t i v ev i e wa n dm a r k u po ft h r e ed i m e n s i o n m o d e l ss y s t e mh a sb e e ni m p l e m e n t e d t h i ss y s t e m 嘴曲峙b r o w s e r s e r v e rs t r u e t , s u p p o r t b o t ho ft 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 o nm o d ea n dt h e a s y n c h _ m n i z e d c o u a b o r a d o nm o d e , a n dp r o v i d0 1 1 ek i n do fe f f e c t i v et o o lf o rc o l l a b o r a t i v ev i e wa n d m a r l a 耳, o f t l a r e ed i m e n s i o nm o d e l si nt h ed i s t r i b u t e da n dh e t e r o g e n e o u se n v i r o n m e n t 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 ；c o l l a b o r a t i v em a r k u p ；d i s t r i b u t e da n dh e t e r o g e n e o u s e n v i r o n m e n t 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。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。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：孑d ，1 组否毛 日期 ：叫口7 年；月7 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：抽、1 氢5 虽指导教师签名 e t 期：即1 弓? e t 期 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 随着经济全球化、市场国际化、贸易和投资自由化以及信息技术和计算机网 络技术的不断发展，2 l 世纪的制造企业正面临着一系列深刻的变革，产品制造成 为一个包含了设计、生产、资源供应、销售、服务、财务核算以及经营决策等一 系列活动的复杂而且信息量庞大的过程。全球化的发展导致制造企业内部各组成 部分之间、企业与外部实体之间时刻发生物质，能量、信息和知识的交互，制造 系统中的组织、资源、信息、过程、控制和功能结构具有非线性、时变性、突发 性和不平衡性、分散分布性等许多复杂特性。 传统的制造企业，由于其相对固定的生产组织结构、相对集中的制造资源管 理以及以区域性经济环境为主导、以面向产品为特征的制造模式，导致企业新产 品开发周期过长、产品质量难以提高、难以降低成本等，已经很难在信息化时代 的变革中生存和发展而传统的产品开发模式则存在着开发人员之间相互孤立、 开发过程上下游相互隔离以及开发周期长等难以克服的弊病。以上这些都使得建 立一种以市场和客户需求为主导、具有快速响应机制的产品制造模式成为当前制 造企业的迫切需要。 网络化制造、虚拟制造、敏捷制造、并行工程、精益生产和成组技术等现代 制造模式和制造技术在这种背景下应运而生，并己成为现代制造业发展的主要趋 势之一，它们的普及应用将是当前乃至今后很长一段时期内制造业所面临的最紧 迫的任务之一。现代制造模式和制造技术的出现以及作为其支持环境的信息技术、 计算机及网络技术、人工智能技术和分布式计算等理论和技术的蓬勃发展都给制 造业提供了良好的发展环境和发展契机，并为制造企业实现跳跃式发展和快速提 高自身竞争能力创造了有利条件。 计算机支持的协同工作( c s c w ) 【l 】技术，主要研究如何利用计算机支持群体 成员见的协同工作，共同完成某项任务。c s c w 技术为地理上分布的工作人员提 供了一个协同工作环境，使各个参与者可以异地进行协同工作，最大限度的提高 了工作效率。 鎏塑堡三查兰堡主堂垡堡壅 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 l l a b o r a t i v ed e s i g n ) 闭技 术作为现代制造模式和制造技术的使能技术之一，是计算机支持的协同工作 ( c s c w ) 的一个重要研究领域，也是利用分布在各地的资源( 制造设备、设计者 的知识技巧和数据库等资源) ，从而在全球范围内实现动态联盟的一项关键技术。 在c s c w 基础上提出的计算机支持的协同设计( c s c d ) 是一种多学科知识集成的 系统技术，从根本上改变了传统的单机作业的产品开发方式。通过c s c d 技术， 不同地点的产品设计人员可以在产品开发过程中随时寻求合作，借助各类协同工 具进行协作，共同完成产品开发，可以较大幅度的缩短产品开发周期，降低开发 成本。 在产品设计过程中，需要对产品模型进行浏览、测量、标注等批注操作，以 实现对设计方案及产品设计模型在协同环境下的检查、讨论、修改等。现代企业 无疑是处在一个分布式的复杂环境之下，而在此环境下的产品设计过程更是一个 协同设计的过程，相应的产品设计模型的批注则因产品设计流程复杂、产品设计 数据异构难以兼容、产品设计人员分散以及设计环境等等因素的影响而更趋复杂 多样化。 本文主要研究分布式网络设计环境下，三维产品模型的w e b 协同测览、批注 问题，提出了一套基于w e b 的三维产品模型协同批注解决方案，并对这一方案进 行了具体的系统开发实现。针对产品模型设计软件的差异性所引起的异构数据的 兼容性问题，采用了二种类似共享信息空间的共享模型的方式，使客户端无需任 何产品模型设计软件即可在浏览器中对模型进行浏览和协同批注。 1 2 相关研究领域 1 2 1 计算机支持的协同工作( c s c w ) 1 2 1 1 计算机支持的协同工作概述 计算机支持的协同工作( 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 ) 技术 是一种将人类合作行为模式与计算机支持技术相融合的新兴技术，是研究在计算 机技术支持的环境( 印c s ) 下，特别是在计算机网络和多媒体环境下，一个群体 2 第1 章绪论 协同工作完成某项共同的任务( 即c w ) 的领域，体现了信息时代人们对工作的 群体性和协作性的要求。c s c w 技术为地理上分散的工作人员提供了一个协作环 境，使各个参与者可以在异地进行协同工作，很大限度地提高了工作效率。 c s c w 系统主要涉及三部分内容：通信、合作和协调，即c s c w 三要素【习 其中，通信是c s c w 的基础，其通信方式通常分为异步通信和同步通信两大 类。对于在地理上分散分布的参与协同工作的成员之间的通信而言，网络通信至 关重要，并且在合作环境下的多媒体文件传输和数据控制也是很复杂的。同步通 信模式允许参与方同时出现，而异步通信模式则允许各成员按照预先确定的方案 进行通信。 合作是c s c w 的形式，是协同工作成员间的协作。在协同工作活动中，任意 一项活动都必须是多人合作完成。 协调则是c s c w 的关键，协同工作结果的好坏取决于参与协同工作的活动成 员间的协调。活动成员间的协调可以大大加强协同小组的通信和合作，减少冲突 和重复劳动的产生。而当几个部分共同组成一个任务时，协调本身即成为一个必 不可少的活动。 1 2 1 2c s 渊主要研究内容及应用 c s c w 研究内容主要分为：上层c o w ) ，支持群体协同工作，提供具有指导 性意义的系统理论方法，包括协作机制、协作管理、交互模式以及并发控制等； 下层( c s ) ，有关计算机支持的人与人交互的相关技术，为系统提供底层支撑技 术，包括网络传输、音视频处理以及数据库应用等。 c s c w 具体的研究内容包括：群件，即支持人们进行协同工作的软件系统； 协同工作的理论模型；协同工作及实际活动的研究；群体决策支持系统：支持协 同的人工智能和分布式人工智能方法；支持协同工作的所有具有创新性的技术手 段，如电子会议室、远程会议设施、电子邮件、实时和异步传输技术、桌面会议 系统、协同编辑、视频和多媒体系统等以及有关c s c w 系统的社会、文化、伦理 道德、法律和政治等方面的研究等。 2 1 3c s 滞国内外研究及发展现状 沈阳理工大学硕士学位论文 c s c w 技术最初在1 9 8 4 年由m r r 的i r e n eg r i e f 和d e c 的p a u lc a s h m a n 等在 描述有关如何利用计算机支持来自不同领域和学科的人们共同工作时提出的，并 于1 9 8 4 年在美国召开的第一次国际c s c w 会议上被正式使用【4 】。 在基于计算机的分布式协同工作( c s c w ) 方面，国外先后提出了一些c s c w 系统的模型。英国兰凯斯特大学提出了一种基于“活动”概念的协同工作平台c o l a 轻权活动模型，核心是能够给对象提供共享环境巴r o b i n s o n 的c s a 通信服务体 系结构模型的则为各种c s c w 应用提供共同的通信服务支持；h o u i n g s w o r t h 的 c s c w 开发体系结构模型将已有c s c w 应用环境中的一些关键性功能部件，集成 到一个综合性的框架中，以便在集成已有应用和数据的同时可以拓展一些新的技 术领域嘲；e l l i s 的三元概念模型从系统用户角度以及概念性角度对各种c s c w 系 统进行了分类，并指出了在开发一个c s c w 应用系统时所应注意的各个不同方面。 以上关于群体协作模式以及协同控制集中的研究，为c s c w 应用系统的开发以及 支撑环境的构造，提供了基本的理论依据。 国内在相关领域的研究也取得了初步的进展。在国家8 6 3 、自然科学基金、科 技攻关等各类国家级项目中，都进行了对并行工程协同工作模式及支持环境的研 究；国内多所重点大学和科研院所单位，基于c s c w 技术开展了关于计算机支持 的协同设计中关键技术的研究。但从总体上而言，与国外还存在一定差距，而且 不论从理论角度，还是从实际应用角度，这些研究结果都不是完美的，还需要更 深入的研究。 1 2 2 计算机支持的协同设计( c s c d ) 1 2 2 1 计算机支持的协同设计概述 计算机支持的协同设计( 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 , c s c d ) 技术 是由计算机图形学、远程会议系统、并行工程、多媒体技术、图像与图形通信和 协作信息管理系统等多学科知识集成的系统技术。协同设计从根本上改变了传统 的单机作业产品开发模式，在分布式协同设计环境下，分布在不同地理位置上的 产品设计人员以及其他相关人员，通过网络采用各种各样的计算机辅助工具协同 地进行产品设计活动，共同完成产品开发。 4 第1 章绪论 分布式协同设计的特点在于产品设计由不同地点的产品设计人员协同完成， 不同地点地产品设计人员通过网络进行产品信息地共享和交换，实现对异地c a x 等软件工具地访问和调用：通过网络进行设计方案地讨论、设计结果地检查与修 改：使产品设计工作能跨越时空进行。上述特点使得分布式协同设计能够较大幅 度的缩短产品设计周期，降低产品开发成本，提高个性化产品能力。 协同设计系统以网络为基础，由多人共同协调与协作来完成产品设计任务， 是支持群体设计制造分工协作、实现创新设计的重要工具。协同设计技术是计算 机支持的协同工作技术的一个应用分支和重要研究领域，包括数字视频与音频的 通信、远程会议系统、异步与同步通信功能的部件和服务技术、图像与图形通信、 分布式多媒体数据库与超文本和协作信息系统等技术，为建立支持协同工作的设 计系统提供了强大的技术基础。 1 2 2 2c s c d 国内外研究及发展现状 协同设计的研究开始于2 0 世纪9 0 年代前后，斯坦福大学设计研究中心的 c u t k o s l c y r 7 l 等是这一领域的主要开拓者。该方向的研究工作由开始的将网络通信、 分布式计算、计算机支持的协同工作、w e b 技术等与现有c a x d f x 技术进行简 单结合，逐渐转向对其中深层次、核心技术问题的研究。目前研究工作大致可以 分为c a x d f x 工具的分布集成、异步协同设计、同步协同设计以及协同装配设计 等。 ( 1 ) c a x d f x 工具的分布集成 传统c a x d f x 工具都是面向单机单用户的，因此协同设计实现需要解决的首 要问题就是如何有效的实现c a x d f x 工具的分布集成。其中面临的主要技术问题 包括c a x d f xm 具的封装以及不同工具之间的互操作问题。现有的c a x d f x 工 具封装方法主要分为两类：基于分布式对象的封装和基于a g e n t 的封装。 基于分布式对象的封装直接利用分布式对象技术开发传统的c a x d f x 软件 工具与外部软件的通信接口，完成c a x d f x 工具对外部世界的开放。目前主要的 分布式对象技术包括：o m g 于2 0 世纪9 0 年代提出的分布式软件组件通信标准 c o r b a ；基于j a v a 的分布式对象技术e n t e r p r i s ej a v a b e a n , j i n ic o n n e c t i o n t e c h n o l o g y ，j a v as p a c e , j a v am e s s a g i n gs e r v i o e ，j a v at r a n s a c t i o ns e r v i c e ，以及微软 沈阳理工大学硕士学位论文 公司的d c o m 标准。基于分布式对象的封装是对软件工具的直接封装，即直接将 软件工具中对外开放的服务封装为分布式对象，供异地用户以直接调用方式与采 用分布式对象封装的软件进行通信田。 基于a g e n t 的封装将c a x d f x 工具封装成a g e n t ，使用a g e n t 的通信与管理 机制实现c a x a 3 f x 工具之间的通信。2 0 世纪9 0 年代初，斯坦福大学的c u t k o s 略 等研究开发了基于a g e n t 的分布集成的并行工程使用系统p a t c ，并提出了一种基 于a g e n t 的分布式面向制造的设计方法。目前最新的研究工作主要有三个方面； 如何简单、高效的构造用于封装c a x d f x 工具的a g e n t 9 - 1 u ；提高封装a g e n t 的 自治能力和智能性1 习；在w e b 环境下定义和运行a g e n t ，使其具有通用性和平台 无关性。与基于分布式对象的封装技术相比，基于a g e n t 的方法是更高层次的封 装技术，其优点在于通过a g e n t 所具备的自治能力和智能性，可以在不同c a x d f x 工具之间实现基于任务的调用和交流，从而使分布式集成的c a x d f x 工具之间的 交换更简单、容易。 c a x d f x 工具之间的互操作性是指在c a x d f x 工具之间能够实现数据、信 息v 知识功能等共享和交换的程度，是衡量c a x d f x 工具分布集成水平的关键 指标。目前的研究主要集中在基于本体论的工程信息共享和c a d 服务标准两个方 面。 ( 2 ) 异步协同设计 异步协同设计是一种松散耦合的协同工作模式，特点是多个协作者在分布集 成的平台上围绕共同的任务进行协同设计工作，但有各自不同的工作空间，可以 在不同时间内进行工作，并且通常不能迅速从其他协作者处获得反馈信息。 进行异步协同设计除需要紧密集成的c a x d f x 工具之外，还需要解决共享数 据管理、协作信息管理、协作过程中的数据流和工作流管理等问题。 ( 3 ) 同步协同设计 同步协同设计是一种紧密耦合的协同工作方式，多个协作者在相同的时问内， 通过共享工作空间进行设计活动，并且任何一个协作者都可以迅速地从其他协作 者处得到反馈信息。同步协同设计面临的主要问题包括在网上实时传输产品模型 和设计意图、有效的解决并发冲突、在c a x d f x 工具之间实现细粒度的在线集成 等。近年来同步协同设计的研究主要集中在三个方面：二维协同绘图与三维协同 6 第1 章绪论 批注、同步协同的三维建模以及三维c a d 模型的网上快速传输。 ( 4 ) 协同装配设计 协同装配可以利用计算机模拟产品设计意图，测试产品设计合理性，直观地 表达设计思想并发现产品设计中的问题，从而提高设计速度和质量。协同装配设 计正在成为一个新的研究重点。 威斯康辛大学麦迪逊分校g a d h 等对基于i n t e m e t 的协同装配设计开展了较 深入的研究，提出了一种面向协同装配设计的产品表示a r e p 1 3 q 4 。a r e p 表示包 含四类信息：非循环的有向图，即一种改进的装配层次结构表示；装配单元关系 图；装配层信息，包括装配件所包含的装配单元总数以及形成子装配件的装配单 元表；装配单元层信息，即装配单元的表示。a r e p 表示引入了两个新概念：装 配单元和接口装配特征。装配单元用于取代传统装配层次树中的部件或者子装配 件节点，接口装配特征用于封装部件或者子装配体的装配约束条件。利用a r e p 表 示，他们开发了一个基于i n t c r n e t 的协同装配设计原型系统。该系统采用三层体系 结构，其中客户层为w e b 浏览器和j a v a 客户端，中间层为智能路由服务器，应 用层由w e b 服务器、实体建模服务器、可视化服务器、数据服务器以及产品目录 服务器组成。利用该系统，设计人员可以对自己所设计的部件或者子装配体进行 接口装配特征和特定包围体的定义和抽取，并将其通过i n t e m e t 传送给相关的协作 者，使他们在相应的装配约束条件下进行部件或者子装配体设计，从而保证由不 同设计人员设计的部件和子装配体相互匹配。b i d a r r a 等提出了一种支持集成化设 计和装配设计的协同设计框架，并将其基于特征的协同建模系统w e b s p i f f 扩展 到支持协同装配建模掼。加拿大t o r o n t o 大学的c h e n 等提出了一种支持在i n t c m e t 环境中进行实时协同装配建模的主装配模型，包括协同装配表示、多视图、协调 控制以及协同任务等【l q 。 协同设计目前所面临的问题包括保证细粒度互操作性的c a x d f x 工具分布 集成方法、简单易用的c a x d f x 封装工具、基于异构c a d 系统的同步协同设计 实现方法、复杂c a d 模型在互联网上的实时传输方法、同步协同设计中保证高响 应性和并行性的并发控制方法、面向协同设计的冲突检测和协调方法、多模式协 调的并行装配设计和概念设计方法、为更好的支持协同设计而对现有c a x d f x 方 法和工具进行的深层次改造。 7 沈阳理工大学硕士学位论文 1 3论文主要内容 1 3 1 拟解决主要问题 本课题针对分布式异构环境下协同设计过程中产品模型协同批注的相关问题， 主要研究内容集中在以下几个方面： l 、协同批注流程分析： 2 、协同批注工作模式分析，包括同步协同模式和异步协同模式； 3 、协同批注冲突解决策略分析； 4 、协同批注网络传输控制模式分析： 5 、协同批注系统建模及其实现。 1 3 2 论文组织结构 论文结构安排如下： 第1 章，讲述课题研究背景，课题所涉及的相关研究领域研究与发展现状以 及论文主要研究内容。 第2 章，首先，阐述了目前国内外协同批注的研究现状，然后，对协同批注 工作模式和协同批注流程进行了分析，并最终建立了协同批注的过程模型。 第3 章，分析研究了分布式异构环境下，协同批注所涉及到的关键技术，包 括同步协同的应用共享、协同感知、协同控制机制以及模型数据的快速传输技术。 第4 章，主要分析了三维模型系统批注所需要的基础环境，包括协同批注的 数据交换需求分析、基于w e b 的可视化浏览技术、k c t i f y 相关内容以及数据交换 的格式与协议。 第5 章，讲述协同批注系统的具体设计与实现，包括系统开发环境、系统设 计与建模、数据库设计与建模、批注信息的网络传输实现、模型浏览批注功能实 现和模型的同步协同浏览实例。 最后，总结全文，并提出了迸一步的研究方向。 8 第2 章分布式异构环境下的协同批注分析 第2 章分布式异构环境下的协同批注分析 所谓分布式异构环境是指由于参与协同工作各方的工作地点分散造成了分布 式的工作方式，而又由于产品设计人员所使用的三维c a d 建模系统不同，导致三 维模型数据不统一、不兼容，而产生了异构的问题。本章针对以上情况，对协同 批注进行了分析和研究 2 1 协同批注概述 针对产品的设计和开发是一个复杂和反复的过程，需要各方的协作设计和开 发才能顺利完成。在产品的协作设计和开发过程中，分布在不同地点承担不同子 任务的设计者之间需要随时进行交互通信和协商，从产品的需求分析、子任务的 分配、设计执行到工程设计的完成等各个阶段都需要在协同技术支持下实现不同 级别的通信和协作。 在产品的设计开发过程中，设计人员之间以及设计人员与其他协作人员之间 必然需要对产品模型进行浏览、标注、测量等操作并进行通信以交流意见，即进 行协同批注。协同批注为设计人员提供了充分交流思想和意见的平台，使其在产 品开发早期就能发现产品设计缺陷，减少返工次数，加快产品开发速度。 国外对于协同批注的研究都是基于协同设计系统，在支持异步协同设计的同 时，一定程度上支持同步协同设计，并逐渐自二维草图转向三维模型。协同批注 技术随协同设计技术的发展而发展。 德国f r 卸丑h o 盯图形研究所在xw i n d o w s 工作站上研发的异构协同草图系统， 支持异地多用户在线协同讨论旧l 。i o w a 大学i n t e r n e t 实验室的k a n g 和c r r a d y 等提 出并开发的基于w e b 的三维协同标准系统c y b e r v i e w ，采用浏览器，服务器模式， 可以支持多个用户能够通过w c b 对服务器端的三维模型进行浏览和批注【l 叼。 w e b s c o p e 开发的完全基于j a v a 的c a d 实时协同产品，设计人员可以通过标准浏 览器获得产品二维和三维信息，实现在线聊天，2 d 文本以及图像注释，3 d 注释， 视图旋转、平移、放大、精确测量等功能，但缺乏三维模型的编辑和修改功制嘲。 目前。国内外对于协同批注的研究，大部分基于异步协同模式，而同步协同 9 沈阳理工大学硕士学位论文 模式下的协同批注，由于涉及到应用共享控制、三维模型以及屏幕图像的网上快 速传输、协作用户控制以及产品模型的数据格式不兼容等问题而进展缓慢。 本文在异步协同模式的基础上，进一步支持同步协同模式下的协同批注，通 过应用共享模型解决不同数据格式的产品模型所引起的异构问题，并通过用户控 制策略解决部分协同冲突问题。 2 2 协同批注工作模式分析 如何实现异地协作是协同批注的关键问题之一。协作的方式，即协同批注的 工作模式，主要可分为异步协同模式和同步协同模式两种。 2 2 1 异步协同工作模式 异步协同模式是一种松散耦合的协同工作。在这种模式下，处在异地的多个 用户，可以在不同时间内进行模型批注分析，并通过服务器将批注信息反馈给设 计者： 2 2 2同步协同工作模式 同步协同模式是一种紧密耦合的协同工作。多个协作者在相同时间、不同地 点，通过共享工作空间，进行协同批注，并且任何一个协作者都可以迅速从其他 协作者处获得反馈信息。这种协同模式对网络要求较高，以便能保证模型批注信 息能够实时传输。协同批注环境下的同步模式如图2 1 所示。 1 0 第2 章分布式异构环境下的协同批注分析 图2 1 同步协同批注模式 在这种模式的协同批注环境中，需要协同控制器和模型控制器两种控制器模 块，每个批注客户端都有一个模型控制器，负责发送、接收数据以及模型访问控 制；协同控制器位于协同服务器上，负责协同批注过程中的冲突仲裁、共享模型 转换管理以及其他策略的管理。协同批注用户通过模型批注接口对模型进行批注， 利用模型控制器控制共享模型的访问，并将模型批注信息通过协同通信接口发送 给协同服务器，服务器接收到批注信息后，实时转发给其他批注客户端，其他用 户的客户端接收到模型批注信息后，再通过模型控制器和模型批注接口将批注后 的模型显示在批注用户的面前。服务器端的模型控制器通过模型转换接口将c a d 设计模型转换为共享模型，并利用协同通信接口接收和转发模型批注信息以及进 行冲突仲裁等。 2 3 协同批注流程分析 2 3 1协同批注总体批注流程分析 在实际的产品设计过程中，产品模型的设计、修改、批注是一个反复的过程， 协同工作的模式必然需要异步协同和同步协同两种模式的结合。下面针对产品模 型总体批注流程进行分析，流程如图2 2 所示。 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 2 协同批注总体流程 产品模型总体批注流程说明：产品设计任务下发给设计小组后，设计人员进 行产品初步设计；产品初步设计完成后，设计小组将产品模型提交给服务器；服 务器在接收到产品模型后，通过文件服务器存储产品模型文件，通过共享模型服 务器将产品模型文件转换为共享模型格式，然后通过批注服务器发布产品共享模 型；共享模型发布之后，各个批注小组通过w e b 方式进行模型批注，或者是同步 协同批注模式，或者是异步协同批注模式；在每个小组内部，各个成员按照一定 的次序或规则进行模型批注，并将批注信息通过网络反馈给服务器；在所有小组 批注完成后，服务器通过批注服务器将所有的批注信息归总，并更新共享模型， 然后将批注信息反馈给设计小组；设计小组接收到批注反馈信息后，依据要求修 改设计或重新设计，并在修改或设计完成后，重新发布模型到服务器上；如此重 复以上过程，直至产品设计和模型批注完全完成为止。 2 3 2 异步协同批注流程分析 协同批注过程中，必然存在异步协同工作情况，对异步模式下的协同批注流 1 2 第2 章分布式异构环境下的协同批注分析 程分析如图2 3 所示。 图2 3 异步批注流程 在设计任务下发，设计人员进行产品设计；完成初步设计后，设计人员将设 计图纸提交到批注服务器中；服务器将c a d 图档转换为共享模型，模型转换完成 后，服务器开启审批流程，通知审批者进行模型批注；在当前审批人员完成批注 之前，审批小组内的其他审批人员不能进行模型批注，但可以进行模型浏览；当 前审批人员完成批注后，如果审批未通过，则将审批意见反馈给设计人员，设计 人员根据意见进行设计修改后，重新发布模型；当前审批者对修改后发布的产品 模型进行新的批注，如果审批未通过则继续修改设计，如果审批通过则进入下一 批注流程，由下一审批者批注；重复以上步骤，直至所有审批者批注通过，则批 注流程关闭，此次批注完成。 2 3 3同步协同批注流程分析 同步协同批注由于涉及到成员控制、批注权限控制机制等问题，批注流程相 对复杂，同步协同批注的流程分析如图2 a 所示 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 4 同步协同批注流程 同步协同批注的过程中，需要有控制权限冲突解决机制，本文中采用批注者 申请，管理员仲裁的方法，具体的批注流程分析如下：首先，具有发起同步协同 批注权限的用户登录系统，发起小组同步协同批注；然后，该用户作为协同小组 管理员，确定参与批注人员名单以及小组编号；之后，通知协同批注小组成员参 与模型批注，并进行协同批注管理；协同批注小组成员登录系统后，根据系统通 知消息，进入相应的协同批注小组；批注者进入小组后，即可进行批注模型的同 步浏览，查看相应的批注信息；参与者在需要批注的时候，即向管理者发送模型 批注申请，管理员进行仲裁之后，确定是否具有批注权限；如果参与者获得批注 权限，即可进行模型批注，并在批注完成后将权限返还；如果参与者未获得批注 权限，则继续进行模型同步浏览；在同步协同批注结束后，由管理员进行批注信 息的存储和批注模型的更新工作，并解除批注小组。 2 4 协同批注过程建模 为了清晰的反映协同批注过程中各项活动之间的关系，依据前述对协同批注 1 4 第2 章分布式异构环境下的协同批注分析 流程的分析，建立了协同批注的驱动过程链图( e e p c ) 模型，如图2 5 所示。 图2 5 协同批注过程模型 图中的代表与关系， 代表异或关系；六边形代表事件，即一种初始状 态或一个功能操作的结果；圆角矩形表示功能，是指一项具体业务或一个具体的 执行动作；方角矩形代表信息；椭圆代表组织单元；有向箭头代表先后逻辑关系。 沈阳理工大学硕士学位论文 其中的c a d 图档库用于存储产品设计图档，共享模型库用于存储三维共享模 型，批注信息库则用于存储共享模型批注过程中所产生的批注信息。 对协同批注过程模型的说明如下： 设计者完成产品设计后，将设计模型提交到服务器中，服务器将设计模型存 储到c a d 图档库中，同时通过模型转换器对设计模型进行转换。在模型转换完成 后，即对共享模型进行发布，并将共享模型及其相关信息存储到共享模型库中， 同时，批注人员可以通过w e b 服务器浏览共享模型库中的相应模型，设计者则可 以通过w e b 服务器对该模型进行批注。设计者完成批注后，服务器即对共享模型 库中的共享模型进行更新，并将模型批注信息存储到批注信息库中，同时通知批 注人员对该模型进行批注。批注人员通过w e b 服务器对设计者批注完成后的模型 进行浏览、批注，并同时提取设计者对该模型的批注信息。批注人员完成批注后， 服务器进行共享模型更新，并将批注人员的批注信息提交到批注信息库中存储， 同时通知设计者批注完成。设计者通过服务器查看批注完成后的共享模型及对应 批注信息，如设计未通过，则进行设计修改或重新设计，并在设计完成后重复以 上过程；如设计通过，则进入下一批注流程，共享模型提交下一批注人员。 第3 章分布式异构环境下的协同批注关键技术 第3 章分布式异构环境下的协同批注关键技术 分布式异构环境下协同批注的实现需要各种技术的支持，其中关键技术包括： 同步协同的应用共享、协同控制机制和模型快速传输技术等。 3 1 同步协同的应用共享 计算机网络环境下的应用程序共享的主要目标是在不对单用户应用程序进行 修改的前提下，把单用户应用程序应用到网络环境中协同工作。同步协同模式下， 既要求任何一个用户在共享空间内的操作结果都能及时的反映到其他的客户机 上，又要求一个用户在共享空间任何操作动作都能实时的让其他用户看到。对应 用程序的共享成为同步协同的一个重要部分。 应用程序共享可以描述为某个用户在一台计算机上运行一个应用程序，然后 通过应用程序共享功能，使其他用户的计算机屏幕上显示与本地计算机完全相同 的应用程序用户界面，并接收其他用户对共享应用程序进行的操作，回送到共享 应用程序中，使其进行相应操作，即将单个用户的应用程序视图分发给其他用户， 把其他用户的输入汇集到一个用户按协作时用户系统中单用户应用程序的运行 方式，应用共享机制可以分为集中式共享和复制式共享 2 0 - 2 ”。 3 1 1 集中式应用共享方式 集中式应用共享方式，采用c l i e n t s e r v e r 结构，参加协同工作的不同计算机上 的用户可以共同操作安装在某一个计算机上的应用软件，所有用户都可以看到操 作，用户间传递共享操作信息和应用程序输出结果，并且输出结果由一个应用程 序产生。被共享的应用程序运行于服务器端，客户端将所有对应用程序的操作直 接送至服务器端，由服务器处理所有用户的输入，并实时将某个参与者的输入反 映给其他参与者，如图3 1 所示。 沈阳理工大学硕士学位论文 图3 1 集中式应用共享方式 集中式应用共享方式由于所有的应用程序都在服务器端，因此易于管理和确 保数据的一致性，协作中用户的动态加入和推出容易实现，但是网络传输数据流 比较大，容易造成网络延时。 3 1 2 复制式应用共享 复制式应用共享模式下，参加协作的每个计算机上都运行有单用户应用软件 的一个拷贝，用户对应用程序的操作通过物理网络被分发到其他计算机上，在其 他计算机上产生同样的输出结果，使协作中的每个用户都能感觉到其他用户的存 在，大大单用户应用程序的网络化协作。 在复制式应用共享模式下，所共享的应用程序运行于每一个参与者本地，每 个参与者对本地应用程序的输入都会反映给其他参与者，每个参与者本地的应用 程序都将执行这些输入，如图3 2 所示。 图3 2 复制式应用共享方式 复制式应用共享模式下，每一个参与者本地都运行了一个应用程序，每个参 与者的输入通过网络传送给其他参与者，所有参与者都通过本地应用程序实现相 应的输出结果。相对于集中式应用共享而言，网络数据流量较小，系统对用户操 作的相应也较快，在低带宽网络环境下的协作中比较有优势。但复制式应用共享 实现复杂，难以保证数据的同步与一致性。而且要求每个客户端都运行有单用户 软件的一个拷贝，对成员的动态加入和推出也很难实现。 第3 章分布式异构环境下的协同批注关键技术 3 1 3 混合式应用共享 网络数据流量的大小、系统响应速度的快慢、数据一致性问题、是否允许用 户后期加入以及异构环境下的支持能力是确定一种协作机制是否能够较好的满足 协作中应用共享实际需求的重要指标。 混合式应用共享方式将集中式和复制式应用共享方式相结合，允许集中和复 制两种形式的应用共享存在，系统可以根据实际需要进行选择蠲，如图3 3 所示。 图3 3 混合式应用共享 混合式应用共享的典型运行过程为，由某个用户启动共享，并且默认具有共 享应用的实际操作权限，其他用户必须申请到操作权限才能对共享应用进行操作。 本文中同步协同批注所使用的应用共享模式，既不同于单纯的集中式和复制 式应用共享，也不同与一般的混合式应用共享模式，是一种基于浏览器，服务器结 构的、消息驱动的应用共享模式，如图3 4 所示。 模型批注h 消息驱动r _ 叫网络通信 模型批注卜叫消息驱动r _ 1 同络通信 插件k - 一控制插件卜_ 1 组件插件k 一控制插件i + _ 1 组件 客户墙谢览嚣 客户墙浏览器 协同用户0 0 1协同用户o o z 图3 4 消息驱动的应用共享模式 在这种消息驱动的应用共享模式下，进行同步协同批注，客户端无需安装任 沈阳理工大学硕士学位论文 何的产品模型设计软件，仅仅需要安装共享模型浏览与批注插件，即可通过w e b 浏览器进行共享模型的协同批注。共享模型服务器负责