（机械设计及理论专业论文）基于网格的协同设计平台关键技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 协同设计是现代工程设计领域的研究热点和前沿技术，它具有多学科、跨领域、跨 地域、群体性、分布性的特点，具有良好的企业应用前景。以往的c a d 协同设计系统 或平台通常采用分布式组件技术或w e bs e r v i c e 机制，其资源融合能力有限，实时性不 高，执行和处理大规模数据量的计算任务存在困难。网格计算技术是当前网络与计算技 术发展的最新成果，其提供了基本的资源融合框架，可以解决动态、异质的虚拟组织资 源融合、共享问题。结合网格计算技术，合理应用分布式并行计算技术构建稳定、高效 的协同设计平台更有利于企业提高协同能力与设计生产效率。随着网络及多核技术的发 展，网格计算技术在协同设计领域的应用越来越体现出紧迫性及重要性。 针对当前协同设计中异构资源动态融合能力低，网格应用效果不足问题，本文提出 了基于网格的协同设计平台构架，其将网格计算技术融入协同设计领域，带来网格计算 的动态资源融合特性，充分发挥了网格应用优势，为协同设计领域后续开发研究提供了 构建思路及实施方法。 目前分布式和并行计算技术应用广泛，但在机械设计领域应用效果欠佳。为合理应 用两者开展高效协同设计工作，本文研究了其技术特征及应用特点，分析了产品设计中 设计单元或模块执行过程串并行关系，总结出分布式和并行计算技术协同设计领域应用 规律。该规律为企业及开发人员合理应用分布式和并行计算技术搭建协同设计平台，进 一步提高企业生产效率提供了指导。 本文基于参数化方法开发完善了产品造型功能，并采用自由度规约求解方法开发了 产品装配功能。针对目前复杂产品协同设计数据量大：设计时间长等问题，基于前文提 出的平台构架及分布式并行计算技术应用规律，本文开发了两个具体应用实例：分布式 自动设计及并行装配服务，提出了基于虚链装配结构的并行任务划分方法。两实例合理 应用分布式和并行计算技术，提高了协同设计效率，实现了复杂产品数字化快速设计。 为迸一步提高程序运行并行加速比，本文对两实例中任务分配负载平衡问题进行了研 究，提出了相应简易算法。 最后，本文介绍了已开发的协同设计原型平台及相关开发工具等。基于深腾1 8 0 0 高性能服务器搭建网格实验环境，以具体产品设计为例进行协同设计，基于测试数据对 实验结果进行了分析。验证了本协同设计平台方案可行性及分布式并行计算技术较好的 应用效果，并给出了进一步优化策略。 关键词：网格；协同设计；分布式计算；并行计算 基于网格的协同设计平台关键技术研究 r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fc o l l a b o r a t i v ed e s i g np l a t f o r mb a s e do n g r i d a b s tr a c t c o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sar e s e a r c hf o c u sa n df r o n tt e c h n o l o g yi nm o d e me n g i n e e r i n g d e s i g nf i e l da n di tc a nb u i l dav i r t u a ld e s i g ne n v i r o n m e n tw h i c hh a sm u l t i d i s c i p l i n a r y ， c r o s s d o m a i n ，c r o s s r e g i o n ，g r o u p ，d i s t r i b u t e dc h a r a c t e r s s oi th a s b e t t e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t i ne n t e r p r i s e t h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e mo rp l a t f o r mi nt h ep a s to f t e nu s ed i s t r i b u t e d c o m p o n e n tt e c h n o l o g yo rw e bs e r v i c em e c h a n i s m ，s ot h ei n t e g r a t i o no fr e s o u r c e si sl i m i t e d a n dr e a l - t i m ei s l o w , p a r t i c u l a r l yb e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o n so fn e t w o r kb a n d w i d t ht h e c o m p u t a t i o no fl a r g es c a l ed a t ai sd i f f i c u l t g r i dc o m p u t i n gt e c h n o l o g yi sn e wr e s u l to ft h e d e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dc o m p m i n gt e c h n o l o g i e s i tp r o v i d e saf r a m e w o r ko fr e s o u r c e a g g r e g a t i o nw h i c hc a ns o l v et h ep r o b l e m o fa g g r e g a t i o na n ds h a r i n gi nd y n a m i c ， h e t e r o g e n e o u sv i r t u a lo r g a n i z a t i o n b a s e do ng n dc o m p u t i n gt e c h n o l o g i e s ，b u i l d i n gas t a b l e a n de f f i c i e n tc o l l a b o r a t i v ed e s i g np l a t f o r mt h r o u g hu s i n gd i s t r i b u t e da n dp a r a l l e lc o m p u t i n gi s m o r eb e n e f i c i a lt oi m p r o v ec o l l a b o r a t i v ea b i l i t ya n dd e s i g ne f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dm u l t i c o r et e c h n o l o g i e s ，t h ea p p l i c a t i o no fg r i dc o m p m i n g t e c h n o l o g yi nc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sb e c o m i n gi m p o r t a n ta n du r g e n t a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fl i m i t e dr e s o u r c ea g g r e g a t i o na b i l i t ya n dl a c k e d 鲥de f f e c ti n c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，t h i s p a p e rp r o p o s e sa 酣d b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g np l a t f o r m f r a m e w o r k ，w h i c hi n t e g r a t e s 鲥dc o m p u t i n gt e c h n o l o g yi n t oc o l l a b o r a t i v ed e s i g nf i e l d ，b r i n g s 鲥df e a t u r e so fr e s o u r c ea g g r e g a t i o n 7a n ds h a r i n gi nd y n a m i cf o re n t e r p r i s ec o l l a b o r a t i v e d e s i g n t h ef r a m e w o r kp r o v i d e si d e a so fc o n s t r u c t i n gt h es y s t e ma n dm e t h o d so fi m p l e m e n t f o rl a t t e rd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hi nc o l l a b o r a t i v ed e s i g nf i e l d c u r r e n t l yt h ea p p l i c a t i o no fd i s t r i b u t e da n dp a r a l l e lc o m p u t i n gt e c h n o l o g i e si sw i d e ，b u t t h ea p p l i c a t i o ne f f e c ti nm e c h a n i c a ld e s i g ni s s u b o p t i m a l f o ra p p l y i n gt h e mf l e x i b l yt o s u p p o r te f f i c i e n tc o l l a b o r a t i v ed e s i g nw o r k ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o nf e a t u r e s ，a n a l y s e st h es e r i a l - p a r a l l e lr e l a t i o n s h i po fe x e c u t i o np r o c e s so fd e s i g n u n i to rm o d u l e si np r o d u c td e s i g n ，s u m su pr e g u l a t i o nt oa p p l yd i s t r i b u t e da n dp a r a l l e l c o m p u t i n gt e c h n o l o g i e si nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n i tp r o v i d e s ab a s i sf o re n t e r p r i s ea n d d e v e l o p e rt ob u i l da ne f f i c i e n tc o l l a b o r a t i v ed e s i g np l a t f o r m ，i m p r o v i n gp r o d u c te f f i c i e n c y a i m i n ga tt h ep r o b l e m ss u c ha sl a r g e s c a l e d d a t aa n dl o n gc o m p u t i n gt i m ei n c o l l a b o r a t i v ed e s i g no fc o m p l e xp r o d u c t ，a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nr e g u l a t i o n ，b a s e do nt h e p l a t f o r mf r a m e w o r k ，t h i sp a p e rd e v e l o p st w os p e c i f i cc a s e s ：c o l l a b o r a t i v ea u t o m a t i cd e s i g n 1 1 一 大连理工大学硕士学位论文 a n dp a r a l l e la s s e m b l ys e r v i c e s ，a n da n a l y s e sr e l a t e dr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e s t h e s et w o s e r v i c e su s ed i s t r i b u t e da n dp a r a l l e lc o m p u t i n gt e c h n o l o g i e sf l e x i b l y ，i m p r o v ee f f i c i e n c yo f c o l l a b o r a t i v ed e s i g na n dr e a l i z ed i g i t a ls p e e d yd e s i g no fc o m p l e xp r o d u c t t h i sp a p e ra l s o r e s e a r c h e st h el o a db a l a n c i n gi nt h ep r o c e s so ft a s kd i s t r i b u t i o na n do f f e r sc o r r e s p o n d i n g s i m p l ea l g o r i t h m f i n a l l y ，t h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o t o t y p es y s t e md e v e l o p e da n dr e l a t i v ed e v e l o p m e n t t o o l sa r ep r e s e n t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fc o n c r e t ec a s e s t u d yo b t a i n e df r o ml e n o v o d e e p c o m p18 0 0s y s t e ma r ep r e s e n t e da n da n a l y s e d ，i tv e r i f i e st h ea p p l i c a t i o ne f f i c i e n c yo f d i s t r i b u t e da n dp a r a l l e lc o m p u t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h et e s td a t aa n dp r o v i d e sf u r t h e r o p t i m i z a t i o ns t r a t e g y k e yw o r d s ：g r i d ；c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ；p a r a l l e lc o m p u t i n g 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：堑盟垒堂：垒主堇土猃杰筮幽垒 作者签名：垒里睑盘； 日期：j 过年l 月j 一日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：望主旦垒二丝：鱼塑芏垒巡丝查兰量垒 作者签名：垒显坠盘 日期：竺l 年l 月j 一日 导师签名： 基塑衅 日期：圭竺! 年上月殳日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 近十几年来，随着世界经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，消费者需求日 趋个体化和多样化。世界市场的激烈竞争，促使企业结构和产品开发环境发生变化，也 推动了新思想、新技术的涌现。如何利用这些新技术，短时间里开发出高质量、低成本 的新产品，即以最快的速度响应市场的需求成为企业生存的关键。 全球化敏捷制造就是为了适应这样的环境而总结出来的。所谓“敏捷就是指在不 可预见的多变的环境中的生存能力。欧美学者认为，全球化敏捷制造将是2 1 世纪企业 的主要模式，而与此相关的以c a d 为主要基础的各种实现手段将被企业大量采用，如 协同设计、集成设计等。 c a d 技术起步于5 0 年代，以二维绘图为主要目标帮助企业开发产品，一直持续到 7 0 年代。随着计算机软、硬件技术的进一步发展，c a d 技术逐步完善，出现了3 d 建 模、虚拟仿真等技术。随着产品复杂程度的提高，一个庞大的产品开发任务必须进行适 当的分解与协作才能提高效率，而单机环境下的c a d 应用并不支持这种设计方式，影 响了产品开发效率。2 0 世纪8 0 年代，随着网络技术、多媒体技术、通信技术、数据库 技术和人机交互理论等迅速发展，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 d c o o p e r a t i v ew o r k ) 成为研究热点之一。c s c w 是借助计算机及其网络技术建立一个协 同工作的环境，使群组中各成员能在该环境下，通过有效合作共同完成一项任务，从而 消除或减少成员间时空上的分隔障碍，提高群体工作质量和效率。它的实质就是在分布 式环境下，利用计算机支持用户之间的交互i l 】。 c s c w 的关键是协调与合作，任何一项群组活动( 视频会议、方案商讨等) 都必须 由参与群组工作的各成员互相合作才能完成，而且各成员的工作必须在整个过程中得到 协调，从而避免产生冲突并保证任务开发的正确性。c s c w 就是提供这样一个协调环境， 不仅对各成员提供资源共享与管理，而且对群组中各成员任务进行监控，以保证开发任 务顺利完成。c s c w 是一个跨学科的新研究领域，涉及到计算机科学、信息科学、社会 学、心理学、组织理论、人类学等多种学科，研究工作处于初期阶段，目前尚无准确定 义。c s c w 有广义和狭义两种含义，其广义含义指一门学科，该学科研究群体协同工作 的过程、构成要素、特点、本质及其对技术系统的影响。狭义含义指对具有共同任务或 目标的群组人员予以支持，并提供一个共享环境接口的计算机系统或平台 2 1 。 基于网格的协同设计平台关键技术研究 c s c w 在产品开发及大型工程项目中都有很多成功的应用。美国波音7 7 7 飞机的诞 生，就是大型工程协同设计与制造的典型。在该飞机研制和制造过程中，利用网络技术 协调分散在世界各地的许多设计、制造团队，实现各部门和工种之间的协同工作，极大 地提高了工作效率和产品质量，实现了全部网络化的无纸生产，整个设计制造周期仅为 5 年，而且产品性能更胜一筹p j 。在欧洲，g r e a tb e l t 桥梁隧道工程的组织、设计、施工、 质量管理以及建成以后的运行和维护等方面都应用了c s c w 技术，从而使工作的质量 和效率都有了极大的提高【4 j 。 计算机支持的协同设计c s c d ( c o m p m 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 的一个重要研究领域和应用方向1 5 j 。随着学术界对该领域研究的逐步展开和深入，人们 认识到产品协同设计是实现先进设计和制造模式的一项重要技术，发展c s c d 已成为一 种必然需求。 基于c s c d 技术建立高效的机械设计辅助平台，可充分利用高效、实时的信息交流 来减少设计者低效孤立的计算过程和资料查询过程，并聚集众多设计人员建立知识库提 高设计的正确性，通过数据共享及时修正设计方案，通过融合企业资源提高计算能力， 从而最终降低机械设计工作者的工作强度，提高设计效率。 1 2 协同设计综述 协同设计是企业内不同设计部门、不同专业方向上或者同一项目的不同设计企业之 间应用c s c d 技术进行产品设计方案及运作的协调和配合。国内外一些优秀企业的产品 开发已由个体化、串行流程的产品研发模式转向上下游多方协同的并行产品设计模式， “协同 已经成为当代产品研发策略的重点方向之一。随着企业信息化的发展，跨专业、 跨地域的协同设计可以极大的缩短产品设计和研发周期，快速研发出适应市场变化和需 求的产品，提高企业的竞争能力。 协同设计是一种新兴的产品开发方式：处在不同地理位置的开发设计人员可以通过 网络，利用计算机辅助工具协同地进行产品开发设计工作。由于协同设计存在群体性、 分布性、并行性、动态性等特点，协同设计从空间上可分为本地和异地模式，从时间上 可分为同步和异步模式，因此以时间和空间为界定，协同设计模式可以分为以下四种： 本地同步设计模式在相同时间相同地域对同一设计任务进行细粒度合作开发。 此类模式主要用于本地成员或成员组之间的实时性协同设计，设计方案讨论、编辑文件、 室内会议等实时性较高、并行设计人员较集中的设计工作都可应用本模式。 本地异步设计模式在不同时间相同地域对同一设计任务进行粗粒度合作开发。 这类模式由于设计人员异步访问，因此不需要实时传递数据，但必须保证整个上下级开 大连理工大学硕士学位论文 发设计过程中的数据一致性。上下级设计部门间的资料递交、流水作业等时间上可异步 的设计工作都可应用该模式。 异地异步设计模式在不同时间不同地域对同一设计任务进行粗粒度合作开发， 强调信息数据传输与共享。此模式中设计人员不需要实时性信息交互、传递数据，但由 于设计人员身处不同地域，故必须保证网络的稳定性及数据共享的高效性。利用网络及 数据库等传递及保存数据以达到数据共享目的设计工作如电子邮件、协同写作等都可应 用本模式。 异地同步设计模式在同一时间不同地域对同一设计任务进行细粒度合作开发。 该模式主要用于异地设计人员间通过网络进行交互信息以快速完成设计任务的实时性 协同设计，设计周期较短。实时协同建模、群体设计决策、视频工作会议等都属于该模 式。随着企业全球化发展及网络技术更新，该模式符合企业最大程度提高生产效率、缩 短设计周期的要求，因此本文所研究的协同设计平台将主要采用该模式进行设计与构 建。 企业可根据自身特点灵活应用各种协同设计模式，不同企业对协同设计的应用要 求、程度、级别不同。在协同设计应用领域，概括起来主要包括以下几种应用级别： ( 1 ) 信息共享级别 企业或部门设计信息从建立一直到整个设计开发周期都可以利用数据库等技术实 现共享，能够与其他企业或相关部门的文件格式( 如a u t o c a d 的d w g 格式) 互相兼 容，每个项目设计人员可以自由上传和下载图形、文本等资源，设计者之间的设计方案 或者产品造型可以互相参考，以实现信息共享。相对而言，这一层次的协同设计属于初 级阶段，设计信息必须保存入库后重新打开才能实现更新，设计更改存在滞后，信息共 享实时性不高，而这段时间内设计内容的变更往往无法得到及时共享，会导致不同人看 到不唯一、不准确的设计信息。对于高度协同化的设计工作，这种错误会导致严重后果。 ( 2 ) 信息交流级别 在一个项目组中，消息交流可以使设计人员间进行快速的沟通和反馈，可以发送即 时文字、图像信息，可以在网络环境下召开网络视频会议，可以互相审阅设计方案等等， 使每个人都可以对设计方案等发表看法和意见。目的是为设计人员提供信息交流功能， 将个人的静态单机设计扩展为项目组的网络协同设计，减少了由于信息闭塞而存在的设 计差错，增强了实时性，提高了设计效率。该级别中，信息交流是解决协同设计问题的 主流思路，但也存在缺陷。该级别没有实现产品设计平台的实时性开发及交互，设计平 台和信息交流平台相互孤立。很多情况下设计者必须在设计环境下设计产品，然后在信 一3 一 基于网格的协同设计平台关键技术研究 息交流平台下与协作者交流，然后再回到设计环境下对设计进行修改，如此往复。尽管 其协同效率比单一信息共享有较大提高，但仍然难以达到实时协同设计的效果。 ( 3 ) 平台协同级别 目前不同设计生产企业所应用c a d 系统存在差异，c a d 系统间协同效率不高，大 多只能实现信息共享级的协同设计。而根据企业或者设计部门特点，基于标准、开放的 分布式协同工具集开发的协同设计平台可以深入不同企业或各个部门，完成企业内部或 联盟之间的高效协同设计。标准、开放的分布式协同工具集会提供一些底层技术支持， 提供丰富的协同设计开发接口，平台开发人员可使用不同编程语言，根据企业需求开发 出多样化的协同设计平台。通过该协同设计平台，设计人员可相互操作模型，便捷地提 取设计信息，准确地进行查询、检索等，即c a d 系统相对设计者透明，设计者无须在 协同平台和c a d 系统间进行切换。这种将c a d 系统透明化的协同设计思路是将实现协 同设计的众多要素以一种工具库或者组件的形式集成到协同设计平台当中，从而提供强 大的协同设计服务，缩短产品开发周期。 由以上对协同设计的相关分析可以看出，一个c s c d 平台远比一个c a d 系统复杂。 首先，运行在网络环境下；第二，平台下各网络节点可以自治，任务分工明确；第三， 各网络节点之间可以围绕同一设计任务进行交互和协同；第四，设计过程或进程要有监 督、检测和协调；第五，对设计数据、版本和结果要进行协同控制与管理。 一般地讲，组建c s c d 平台应具备下列集成技术特性： ( 1 ) 高性能的c a d 网络节点。协同设计计算任务主要在协同设计平台下的各网络节 点完成，因此这些节点应该保证安全、稳定的计算环境，而且需要为设计人员提供各种 高效的辅助设计功能。 ( 2 ) 良好的网络带宽。协同设计平台需要提供高带宽的数据通讯质量，以保证三维 产品模型实时交互、多媒体信息实时传递、图形影音文件快速传输等。 ( 3 ) 实时交互的数据通讯服务。设计人员需要进行各种信息交互，因此应该具有音 频、视频、白板、文件共享等应用功能。 ( 4 ) 智能化、动态协调的管理控制服务。协同设计平台比较复杂，提供的各种辅助 设计服务都是融合资源监控、网络、数据库、图形显示等技术共同完成，因此必须对设 计过程或进程有统一的协调控制和管理。 由于c s c d 强调不同部门的管理人员、设计人员或者施工人员等的群体工作方式， 从而不同程度地改善了传统设计中项目管理与产品设计之间、不同设计阶段之间、设计 部门与生产部门之间的脱节，以及设计周期较长、费用较高、质量不易保证等弊病。这 就要求企业协同设计平台在具有传统c a d 系统功能以及分布式处理功能的基础上，还 大连理工大学硕士学位论文 应提供更加有效的、深入的协同设计技术，使设计群体及所用到的软硬件工具发挥最佳 效果。 1 3 国内外研究现状 国外发达国家在产品优化设计、智能设计、逆向工程、虚拟制造等以c a d 为基础 的设计制造技术方面的研究与应用异常活跃。但我们在这方面的应用和研究水平与国外 相比还有很大差距，特别是在并行工程、敏捷制造、虚拟设计和制造等面向产品工程的 技术方面还缺少深入的研究和成功的实践。 目前c a d 协同设计系统或平台，大多采用分布式对象技术或w s 技术等对c a d 软 件工具进行封装，使其具备远程调度和外部通讯的能力，如s u nj 2 e e 平台的r m u e j b 、 o m g 组织的c o r b a 、微软的c o m 佗o m + 以及n e t 架构、s o a p 等分布式对象技术。 近年来，在政府机构及一些大公司的资助下，国外的一些科研院所进行了面向实际的协 同设计方面的研究。 典型的研究及应用成果为u g s 公司推出的t e a m c e n t e r 产品【6 】，它是集w e b n a t i v e 协同应用、行业解决方案以及基于标准的产品全生命周期( p l m ) 优化工具于一体的系 列软件包。其中的工程协同与可视化协同能够使产品数据模型共享，可进行同步浏览、 异步修改等，同时设计人员可通过电子白板、视频会议等手段及时沟通信息。 s t a n f o r d 大学联合l o c k e e d 、e i t 及h p 公司开发了基于a g e n t 的分布式集成并行工 程试验系统p a c t 项副7 1 ，用于研究大规模分布式并行工程系统。由a p a rs i s t o 资助 s t a n f o r d 大学c d r 、e i t 及s i m a 合作开发的s h a r e 项卧8 】支持i n t e r a c t 上设计小组进 行同步的产品设计。e s p r i t 公司资助的r a c e c a r o 以汽车工业为应用背景进行了并行 工程的研究。澳大利亚理工大学的t u n ir o b e r t s o n 1 0 1 分析探讨了多媒体远程教学软件从 早期的研制开发到原型系统的产品化过程中协同设计的一些问题。法国圣马丁大学的 m a n u e l ek i r s e h p i i l l l 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i l 。密歇根 卅i 大学的j a n gc h y n g y a n g 开发了名为t e a m s c o p e 的协同系统【1 2 】，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。里斯本大学的 a n t t m e sm 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 3 i 。 国外的一些科研院所对机械设计及制造领域的协同设计也进行了相关的开发与研 究工作。 一5 一 基于网格的协同设计平台关键技术研究 韩国首尔国立大学k i m 等人开发了一个具有协同标注功能的三维交互系统 c y b e r v i e w 1 4 1 。该系统采用b s 结构，其中w e b 客户端由v r m l 浏览器、浏览器标注 界面以及产品的v r m l 模型组成，服务器端由浏览与标注管理器、s t e p 文件到v r m l 模型的转换器以及面向对象的数据库管理系统等构成。c y b e r v i e w 使多个用户通过w e b 浏览器可对服务器端的三维模型进行浏览和标注。 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 ”j ，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 1 6 】，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。 国内在协同设计领域的研究始于1 9 9 4 年，研究工作主要集中在理论方面。 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 在此基础上开发了一个基于w e b 的同步协同实体建模系统z u n e t c a d 1 7 j 。 电子科技大学王珑等应用a g e n t 的通讯语言建立了一个基于知识查询和操作语言的 a g e n t 通信模型【1 8 1 ，通过引入a g e n t 位置追踪和a g e n t 消息缓存机制解决了a g e n t 移动 过程中遇到的位置追踪和通讯失效问题。 华中科技大学李玉良等开发了智能化协同产品设计系统【1 9 1 ，利用专家系统的a g e n t 工作机制及利用c o r b 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。 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 2 叭。 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【2 1 1 。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。 尽管国际国内对协同设计相关技术做了大量研究，但将网格计算技术扩展到协同设 计领域以开展基于网格的协同设计工作，目前仍处于初步阶段。网格应用优势尚未充分 发挥，潜力未被充分挖掘，基于网格的协同设计开发方式、构架、理论、实施技术等方 面还需进行大量、深入的研究探讨。 1 4 本文研究内容与工作 本文对构建基于网格的协同设计平台相关技术进行了研究。主要内容如下： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 针对当前协同设计中异构资源动态融合能力低，网格应用效果不足问题，本文 提出了基于网格的c g s 模式协同设计平台构架，将网格计算技术融入协同设计领域， 为企业协同设计带来网格的动态资源融合特性，充分发挥了网格应用优势，为协同设计 领域后续开发研究提供了构建思路及实施方法。 ( 2 ) 为合理应用分布式并行计算技术开展高效协同设计工作，本文研究了其技术特 征及应用特点，分析了产品设计中设计单元或模块执行过程串并行关系，总结出分布式 和并行计算技术协同设计领域应用规律。该规律为企业及开发人员合理应用分布式和并 行计算技术搭建协同设计平台，进一步提高企业生产效率提供了指导。 ( 3 ) 基于参数化设计方法开发完善了客户端产品造型功能，并采用自由度规约求解 方法开发了客户端产品装配功能。针对目前复杂产品协同设计数据量大、计算时间长等 问题，基于前文提出的平台构架及分布式并行计算技术应用规律，本文开发了分布式自 动设计及并行装配服务，利用m p i 、o p e n m a 等技术实现，提高了资源利用率，缩短了 产品开发周期，实现了复杂产品数字化快速设计。为提高程序运行的并行加速比，本文对 两实例中任务分配负载平衡问题进行了研究，提出了相应简易算法。 ( 4 ) 对已开发的协同设计原型平台及相关开发工具等做了介绍，并基于深腾1 8 0 0 高 性能服务器搭建网格实验环境，以具体产品设计为例进行协同设计并基于测试数据对实 验结果进行了分析，验证了本协同设计平台方案可行性及分布式并行计算技术较好的应 用效果，并给出了进一步优化策略。 整篇论文分为5 章。第l 章是绪论，主要介绍课题背景及意义、协同设计相关技术、 以及目前协同设计在国内外的研究现状，阐述了本文主要研究内容与工作。第2 章通过 对网格计算相关技术，平台结构、需求和功能的分析，提出了基于网格的c g s 模式协 同设计平台构架，确定了平台下服务模块组成及实现的技术路线。第3 章是分布式并行 计算技术协同设计领域应用研究，介绍了分布式和并行计算技术应用特点，总结了协同 设计领域相应应用规律。第4 章开发了协同设计平台两个具体服务：基于分布式计算技 术开发的分布式自动设计服务和基于并行计算技术开发的并行装配服务，并给出了技术 路线与解决方法。对分布式并行计算技术应用过程中任务分配负载平衡问题进行了研 究，并给出了具体算法。第5 章介绍了原型平台的开发、运行环境，工具等，通过具体 开发实例验证了应用效果，并对其进行了分析。 一7 一 基于网格的协同设计平台关键技术研究 2 基于网格的协同设计平台构架 2 1 平台构建思想 现代工业产品如飞机、汽车、数控机床等的设计越来越系统化、复杂化，零部件数 目众多，尺寸、形状、性能各不相同，互相之间存在关联性，开发过程繁琐复杂、周期 较长。如飞机发动机单一模块的建模工作就可花费大量时间，如果将数据庞大的整机零 部件一一建模将会花费更多时间；对复杂产品所有零部件图形图像进行渲染，或对零件 模型进行静态、运动仿真分析等，数据规模、计算量较大，耗费时间较长；复杂产品由 各个零部件相互装配组成，当众多零件根据彼此装配关系进行装配时，也会花费相当长 时间。因此要求c a d 系统必须具有很强的存储、计算等能力，虽然购置贵重存储、计 算设备能解决这一问题，但会给企业增加经济负担；另一方面，不同企业或企业内各部 门所采用的c a d 系统用途和性能各异，异构c a d 之间要实现有效的协同必须要跨越异 构底层充分利用高层趋同性，而各个c a d 厂商对各自的技术又采取保护态度，异构c a d 进行集成比较困难，协同能力有限，因此大量的设备闲置造成资源浪费。 基于以上对企业产品设计开发特点的分析，结合前文对协同设计相关技术的探讨， 为达到提高产品开发效率、降低设计成本的目的，协同设计平台应具备多个特点：保证 同步协同设计的实时响应性；支持同步协同设计的建模特性；提供友好的人机界面和必 要的协同交流工具；保证协同设计过程中文件共享与传输的稳定性、有效性；具备良好 的功能扩展性和企业闲置资源融合能力等。 随着现代企业竞争的加剧，企业内部或联盟应当利用或建立高效、稳定的协作模式 提高数据共享及信息交互能力。协同设计可以为企业提供网络化、协同化、开放式产品 创新设计平台，以增强企业竞争力。如何充分利用现有设备完成复杂的设计任务成为现 代协同设计面临的一个重大问题，网格计算的出现正为高效、深入的协同设计技术研究 及企业协同设计平台的搭建带来契机，提供了分布式并行化的基础设施并且可以动态融 合、共享资源，因此构建基于网格的协同设计平台体现出重要性及紧迫性。 2 2 网格计算技术分析 2 2 1网格特性 网格是借鉴电力网( e l e c t r i cp o w e r 嘶d ) 的概念提出来的。在使用电力时，用户并 不知道电是从哪个电站输送来的，也不知道该电力是通过什么样的发电机产生的，而只 需将插头插入电力网，就可以得到所需要的电力。网格的最终目标是希望用户在使用网 大连理工大学硕士学位论文 格的计算能力时，就如同现在使用电力一样方便【2 列。网格给最终使用者提供的是与地理 位置无关，与具体计算设施无关的通用计算能力，将计算机网络透明化。尽管网格计算 技术已经有了快速发展，但对于网格计算的定义，仍然存在许多争议，至今没有一个能 够被普遍接受的结论。在2 0 0 1 年一篇题为网格剖析 z 3 】的文章指出“网格计算关心 的是在动态的、多机构的虚拟组织中协调资源共享和协同解决问题。其核心概念是：在 一组参与节点( 资源提供者和消费者) 中协商资源共享管理的能力，利用协商得到的资 源池共同解决一些问题 。 由于网格计算技术基于分布式并行计算技术发展而来，因此两者有许多公共特性， 例如它们都支持分布性、并行性，然而网格计算和目前分布式计算领域面向应用的交互、 开发等也存在明显的区别。现有分布式并行计算技术既不能满足异构资源的共享，也没 有提供基础的底层共享和融合框架，而网格计算可以解决动态、异质的多管理策略虚拟 组织中的协同资源共享问题，提供了一种新型的重要基础设施【2 4 】。和其他分布式计算技 术相比，它有着自己的重要特性，主要体现在以下几方面： ( 1 ) 共享性，网格计算的重要目标就是资源共享与融合，以消除资源孤岛。网格上 的任何资源都可以提供给网格上的任何使用者。没有共享便没有网格，解决分布资源的 共享与融合问题，是网格的核心内容；( 2 ) 动态性，组成网格计算环境的各组织或个人 的自治性导致了动态性。由于资源提供者拥有相应资源的最高权限，可以随时加入新的 资源或退出网格环境，以及替换或升级资源，因而资源状态，包括可用性与运行速度等 动态属性随时可能发生变化；( 3 ) 异构性，网格系统必须能够解决不同结构、不同类别 资源之间的通信和交互问题，必须支持采用不同管理策略的多个组织之间的互操作问 题；( 4 ) 适应性，各自治组织提供的资源往往已经在原系统中注册，拥有自己的管理模 式，因而网格计算技术要大规模应用还必须提供适应性支持；( 5 ) 容错性，随着环境中 参与协同任务的资源数目的增加，系统出错的概率也随之增加。网格计算环境中的协同 任务往往需要多个共享的相关服务共同完成，其中某个服务的失效会导致其它服务的状 态异常，因而网格环境需要提高强有力的容错机制保证协同任务顺利完成；( 6 ) 安全性， 与仅限于单一组织范围的分布计算环境不同，网格计算环境的安全系统必须支持高度灵 活的共享关系定义和对共享资源的复杂高级控制，以支持细粒度访问控制和单点登录等 安全需求。 2 2 2 网格体系结构 以上这些网格特性都可在网格体系结构中得到体现，只有建立合理的网格体系结 构，才能设计和构建好网格f 2 5 1 。到目前为止，主流的网格体系结构主要有三个：第一个 一9 一 基于阿格的协同设计平台关键技术研究 是l a nf o y e r 等人在早些时候提 ；的五层沙漏结构( f i v e i ，e v e ls a i l d 畦a s sa r c h i t e c t u r e ) l 拍】； 第二个是在以i b m 为代表的工业界的影响下考虑到w e b 技术的发展与影响后，f a n f