（计算机应用技术专业论文）基于web具有参数化特征功能的协同设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着计算机网络技术和产品开发全球化的迅猛发展，传统的c a d 设计理念 正发生着一场深刻的变革，从上世纪9 0 年代开始逐渐兴起了一种新的产品设计 方式，即通过网络的协同设计。其中基于w e b 的协同设计由于客户端的零安装、 易维护和使用方便等优点逐渐成为协同设计方向的一个研究热点，本文即是对基 于w e b 协同设计中的一些问题展开了研究。 本文首先在深入分析基于w e b 协同设计的功能需求基础上，提出了一个基 于w e b 具有参数化特征功能的协同设计的框架结构。在该框架中，有了服务器 端功能强大的造型软件的支持，客户端只需要通过浏览器就可以对模型进行协同 浏览、批注以及其他一些复杂的交互操作。 接着在上述框架结构的基础上，提出并实现了客户端的特征编辑功能，主要 包含了特征修改和特征构造两个部分。其中特征修改是通过服务器端完整的特征 模型得到特征的一些信息，并将这些信息与客户端的面片模型关联起来，从而使 得用户可以通过直接修改特征参数实现模型的变动设计；特征构造是指先由客户 端用户交互的定义出要新创建的特征，然后将创建特征需要的参数传给服务器， 由服务器执行真正的特征创建操作，最后再将结果模犁传回客户端并更新显示。 在上述的特征编辑功能中，为了支持客户端的实时特征编辑操作，其关键是 如何实现模型在服务器与客户端之间的的实时传输。本文采用了增量传输的方 法，该方法主要是通过服务器比较操作前后的模型变化，得到该操作产生的增量 模型并传给客户端，客户端将解析该增量模型，并融入到原有的模型中去，从而 得到操作后的结果模型。 最后，设计了一个基于w e b 具有参数化特征功能的协同设计的原型系统， 介绍了它包含的各个功能模块，并给出了一些实例，从而对该系统实现的功能咀 及增量传输方法的有效性进行了验证。 关键词：基于w e b 的协同设计，参数化特征，特征编辑，实时传输 浙江大学硕士学位论文 a b s t t a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r ka n dg l o b a l i z a t i o no fp r o d u c t d e v e l o p m e n t , t r a d i t i o n a lc a dd e s i g ni su n d e r g o i n gag r e a tr e v o l u t i o n an e wp r o d u c t d e s i g nm o d e ，c o l l a b o r a t i v ed e s i g n , b e g a nt or i s e f i o mt h e1 9 9 0 s e s p e c i a l l yt h e w e b b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sb e c o m i n gt h ef o c u so ft h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g n r e s e a r c hs i n c et h ec l i e n ti sz e r o - i n s t a l l e d e a s yt om a i n t a i na n dc o n v e n i e n tt ou s o m ek e yi s s u e si nt h ew e b - b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g na r es t u d i e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h e a n a l y s i so ft h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h e w e b - b a s e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，af r a m e w o r ko fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sp r o p o s e df i r s t l yw i t ht h e f u n c t i o n a l i t i e so fp a r a m e t r i cf e a t u r em o d e l i n ga n dm o d i f y i n ga tt h ec l i e n t s i nt h i s f r a m e w o r k , w i t l lt h es u p p o r to fp o w e r f u lm o d e l i n gs o t t w a r ei nt h es e r v e r , t h e d e s i g n e r sa tt h ec l i e n t sc a nv i e w , a n n o t a t ea n dc a _ yo u ts o m eo t h e rc o m p l e x i n t e r a c t i v eo p e r a t i o n so nt h em o d e lo n l yt h r o u g ht h eb r o w s e r s e c o n d l y , t h ef u n c t i o no ff e a t u r ee d i t i n gi nt h ec l i e n ti sp r o p o s e df o rt h e c o l l a b o r a t i v e d e s i g ns y s t e m w h i c hi n c l u d e sf e a t u r em o d i f i c a t i o na n df e a t u r e c o n s t r u c t i o n f e a t u r em o d i f i c a t i o ni st oa s s o c i a t et h ei n f o r m a t i o no ff e a t u r e so b t a i n e d f r o mt h ef e a t u r em o d e li nt h e 北l v e rw i t ht h ef a c e tm o d e li nc l i e n t ，8 0t h eu s e rc a l l c h a n g et h em o d e lb ym o d i f y i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ef e a t u r e f e a t u r ec o n s t r u c t i o ni s t h a tt h en e wf e a t u r ec a l lb ed e f i n e db yt h ed e s i g n e r sa tt h ec l i e n t si n t e r a e t i v e l y a n d t h e nt h ep a r a m e t e r sa l et r a n s m i t t e dt ot h e , 舱i w e r a n df e a t u r ec r e a t i o no p e r a t i o ni s c o n d u c t e dr e a l l yo nt h es e l w e lf i n a l l yt h er e s u l tm o d e li st r a n s m i t t e dt ot h ec l i e n t s w h i c hw i l lu p d a t et h em o d e l s i no r d e rt os u p p o r tt h er e a l t i m ef e a t u r ee d i t i n gi nt h ec l i e n td u r i n gt h ep r o c e s so f c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，i n c r e m e n t a lt r a n s m i s s i o no f t h em o d e l si sa d o p t e di nt h i ss t u d y a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，t h em o d e lb e f o r eo n eo p e r a t i o na n da f t e rt h eo p e r a t i o ni s c o m p a r e db yt h es e r v e rt oo b t a i nt h ei n c r e m e n t a lm o d e lt h a ti st r a n s m i t t e dt ot h e c l i e n t s t h ei n c r e m e n t a lm o d e li sp a r s e do ne a c hc l i e n ta n di n t e g r a t e di n t ot h eo r i g i n a l m o d e l b yt h i sw a y , t h em o d e li nt h ec l i e n tk e e p sc o n s i s t e n tw i t ht h em o d e li nt h e i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e r v e l f i n a l l y , ap r o t o t y p es y s t e mo fw e b - b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nw i t hp a r a m e t r i c f e a t u r em o d e l i n ga n dm o d i f y i n gi si m p l e m e n t e d f i r s t l ys o m ef u n c t i o n a lm o d u l e sa r e i n t r o d u c e da n dt h e ns o m ee x a m p l e so r eg i v e nt ov a l i d a t et h ef u n c t i o no ft h es y s t e m a n dt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ei n c r e m e n t a lt r a n s m i s s i o na l g o r i t h m k e y w o r d s ：w e b - b a s e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，p a r a m e t r i cf e a t u r e ，f e a t u r ee d i t i n g ， i n c r e m e n t a lt r a n s m i s s i o n 浙江大学硕士学位论文 图目录 图目录 图卜1 基于w e b 的协同c a d 系统框架图1 2 图2 一l 基于w e b 具有参数化特征功能的协同设计框架1 9 图2 2 面片化模型的数据结构2 l 图3 一l 客户端简化的特征模型数据结构2 5 图3 - 2 线性尺寸的显示2 8 图3 3 直径尺寸的显示2 9 图3 - 4 圆弧尺寸的显示2 9 图3 5 角度尺寸的显示3 0 图3 - 6 客户端特征信息的显示3 1 图3 7 特征修改后模型在客户端的协同更新3 2 图3 8 客户端草图圆的绘制3 4 图3 - 9 客户端构造拉伸特征的效果3 4 图3 1 0 特征创建后客户端模型更新3 5 图4 - 1 增量传输流程图3 8 图5 一l 原型系统框架图4 6 图5 - 2 用户登录界面5 2 图5 - 3 用户1 和用户2 对模型的协同浏览5 2 图5 4 用户1 在半圆柱面上添加批注5 3 图5 - 5 用户2 的协同批注5 3 图5 6 两种不同的批注信息管理方式5 4 图5 - 7 特征参数修改界面5 5 图5 8 特征参数修改后客户端模型的更新结果5 5 图5 9 客户端拉伸特征定义5 6 图5 一l o 新特征生成后用户l 与用户2 的模型更新5 6 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1c a d 概述 第1 章绪论 1 1 1c a d 的发展及趋势 c a d 技术是当代最杰出的工程技术成就之一。它从根本上改变了过去的手 工绘图、发图、凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式，将后者变为在计算机 上交互设计产品，用数据文件发送产品定义，在统一的数字化产品模型下进行设 计打样、分析计算、性能仿真、工艺规划、工艺装备设计、数控加工、质量控制、 编印产品维护手册、组织备件订货供应等。c a d 技术在工程设计和制造中的广 泛应用，使得产品的设计与制造周期不断缩短，产品质量不断提高，产品样式不 断快速更新，大大提高了产品的市场竞争能力同时也推动了c a d 技术不断的完 善与提高。c a d 技术已经成为提高生产力的一个重要手段，受到世界各国工业 和科学研究部门的高度重视。它的发展和应用水平已经成为衡量一个国家科技现 代化和工业现代化水平的重要标志【1 】。 c a d 技术的发展最早起步于5 0 年代后期。6 0 年代，由于图形显示软硬件 技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可能。第一个具有划时代意义的c a d 系 统是s u t h e r l a n d 于1 9 6 3 年研制的二维绘图系统s k e t c h p a d 2 ，它标志着c a d 技 术的开始。1 9 7 2 年l o 月，i f i p ( 国际信息处理联合会) 在荷兰召开了“关于c a d 原理的工作会议”，会上一致通过了c a d 的标准定义：“c a d 是一种技术，其 中人与机器结合为一个问题求解组，紧密结合各自所长。从而使其工作优于每一 方单独工作时，并为应用多学科的方法进行综合性的协作提供了可能”。进入 七十年代，随着图形技术的发展，在计算机上实现用户图形交互己成为可能。1 9 7 3 年，b r a i d 研制出第一个实体造型试验系统，此后他吸收了b a u m g a r t 在研制机器 人视觉景物造型系统g e o m e d 中的多面体建模技术 3 l ，逐步建立起用边界表示 生成三维实体的理论体系，终于在1 9 7 8 年开发出第一代实体造型软件r o m u l u s 。 但是限于计算机硬件设备的昂贵，整个七十年代c a d 仍缺乏广泛的应用。真正 意义上的c a d 则是开始于八十年代初，由于计算机技术的重大发展，生产成本 的降低，使得具有高性能的微机和工作站的价格能为广大的企业和用户所接受， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 从而促进了c a d 的深入发展和广泛应用。到八十年代中期，出现了象i c a d 的 基于知识的c a d 系统【4 】。这些系统基于a i 技术，有效地将专家的设计制造知 识利用于实际设计过程，在相似产品设计方面，显示了较强的优势。八十年代末， 出现的以p r o e n g i n e e r 为代表的参数化特征造型系统则成了新一代c a d 系统的 象征，被认为是c a d 发展史上又一次质的飞跃。它以实体模型为基础，提供用 户特征设计手段，以参数驱动模型，允许设计者自由修改这些参数，大大简化了 产品的造型过程，并且极大地方便了系列产品的设计过程。到了9 0 年代中期， 人们提出了面向智能化、集成化、网络化的新一代c a d 技术。c a d 软件通过产 品数据管理( p d m ) 、统一的产品信息模型和数据交换规范s t e p ( s t a n d a r df o rt h e e x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 支持分布式工作环境下的协同设计【5 】【6 】。 随着c a d 系统使用范围的不断扩大，人们对c a d 系统提出了更高的要求。 从设计需求的角度看，传统c a d 系统存在诸多的不足，主要有以下几个方面： 难以支持产品设计的全过程、产品模型不完备、c a d c a e c 舢订的集成程度不 够以及无法支持协同并行设计。近些年，许多科研机构对c a d 技术进行了更加 深入的研究。根据现有的研究工作可以看出，c a d 技术主要有如下几个方面的 发展趋势： ( 1 ) 三维化 设计人员在进行产品设计时，脑中所构思的模型对象通常是三维物体，制造 人员在加工时脑中理解的也是三维物体，若采用传统的二维绘图方式，要经历一 个从三维到二维，再由二维到三维的转化过程，这个过程本身就很复杂，容易发 生信息丢失和错误，再加上二维图形难以理解，读图人员需要经过专f - j 可l l 练才行， 这又增加了企业的成本支出，而三维实体模型能够更直观、更全面地反映设计意 图，并且可以进行装配、干涉检查、有限元分析等高级的计算机辅助设计工作。 因此，在产品的设计过程中将越来越多地采用三维设计【7 】。 ( 2 ) 集成化 集成化就是向企业提供一体化的解决方案，集成化的含义是多角度、多层次 的，它可以是一个c a d 系统内部各个模块之间的集成，或者是体现一个企业引 进的多种c a d 系统之间的集成，也可以理解为工程设计领域c a d 、c a p p 、c a m 、 c a e 系统之间的集成，进一步发展成为支持产品开发的整个生命周期的集成化 2 浙江大学硕士学位论文 第i 章绪论 系统。 ( 3 ) 并行化 传统的设计、开发过程是一种串行工作模式，容易造成产品开发过程的反复， 使产品开发的周期过长，导致成本增加。而并行工程则是把产品开发、设计中的 串行过程尽可能地转变为并行过程。并行工程的实旌使设计直接面向产品的整个 生命周期，使设计从一开始就可以综合考虑用户需求、制造成本、生产进度和产 品质量等多种因素，从而可以大大缩短产品的开发周期，提高产品质量和降低产 品成本。并行工程使设计与后续环节密切联系，使产品开发者从一开始就有一个 明确的全局观点。并行工程是一种系统的集成方法，它采用并行的、一体化的方 法处理产品设计及其相关过程。这种方法可以使开发人员从一开始就能考虑到产 品从概念设计到消亡的全生命周期的所有因素。 ( 4 ) 智能化 c a d 系统的目的就在于使人们尽可能从繁重的设计活动中解放出来并提高 设计效率。因为设计活动是人类特有的智能行为，从而要求c a d 系统也要具有 智能性以提高设计的自动化程度。虽然提高c a d 系统的智能性难度很大，但人 们仍将为此作出不懈努力。 为适应c a d 发展需要，人们提出了特征的概念。特征技术被认为是实现c a d 系统并行集成的关键技术之一。同时，基于特征的设计也是提高系统智能化的一 个重要思路。 1 1 2 参数化特征造型技术 当前主流的c a d 软件都支持参数化特征造型，其中参数化技术可以支持造 型时的变动设计，实现了设计结果的重复利用；而特征技术采用高一层次的具有 工程意义的特征形素来描述设计的过程，更好地表达了设计者的设计意图。将参 数化设计和特征技术结合起来的参数化特征造型技术则同时具有了两者的优点， 使特征成为了由参数驱动的实体，是现在最有效最流行的创建模型的方法【8 】。 在企业所用的零部件中约有9 0 属于标准件或是可以通过变动设计得到的 通用件，而只有1 0 左右的零部件是根据用户的特殊需求从头开始开发的，因此 产品的设计是一个不断反复的过程，如果每次都重新从头设计，将会导致设计人 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 员进行大量无谓的重复性劳动，而充分利用已经有的设计成果将可以大大提高设 计的效率。 但是传统的c a d 系统所构造的几何模型却不能很好地支持零件的反复修改 过程，因为在传统的c a d 系统中所构造的几何模型都是几何元素( 点、线、圆 等) 或体素( 球、圆柱、长方体等) 的简单堆砌。它仅仅描述了设计对象的可视 形状即设计结果，而没有包含设计者在设计模型结构时的设计思想和设计步骤以 及几何元素之间的各种约束关系，因此传统的c a d 系统不具备通过修改几何形 状尺寸等参数而使几何模型按照设计者意图发生改变的功能。 为了克服传统c a d 系统的不足，参数化设计的思想逐渐发展起来。参数化 设计，也叫尺寸驱动d i m e n s i o n d r i v e n ，是由编程者预先设置好一些几何图形约 束，然后供设计者在造型时使用，其主要技术特点是：基于几何特征、全尺寸约 束、尺寸驱动设计修改、全数据相关等【9 】。自从p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 推出了以参数化变量设计为基础的新一代大型c a d 软件p r o e 以来，参数化设 计技术以其全新的思维方式进行产品的创建和修改，并在此基础上实现了强有力 的草图设计、尺寸驱动功能。可以进行参数化设计的系统通过记录设计历史来捕 捉设计意图，生成的产品模型是基于过程的，并且所有的几何体都必须被完全约 束，不支持欠约束、过约束的几何体 1 0 1 。 参数化设计的优点是：它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形体均以 尺寸的形式而牢牢地控制住。如果打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数 值即可实现几何形状上的改变。参数尺寸驱动己经成为当今造型系统的基本功 能，无此功能的造型系统己无法生存。使用参数化造型技术可以十分方便地实现 复杂的三维零件实体造型、复杂装配图和工程图的生成。 国外在参数化设计方面的起步比较早，七十年代末八十年代初美国麻省理工 大学的g o s s a r d 教授等人就提出了参数化设计的思想【1 1 1 2 1 ，直到1 9 8 7 年推出 了参数化造型软件p r o e 后，参数化技术得到了迅猛的发展，并且参数化技术成 了新的c a d 标志，随后涌现出大量的参数化的商品软件。如麻省理工大学毕业 的几位博士创办了p r e m i s e 公司，吸收了g o s s a r d 的理论思想，形成了微机和工 作站上的商品软件，称作d e s i g n v i e w ；之后，c v 公司吸收了d e s i g n v i e w ，形 成了c v 的系列产品 1 3 ：另外，还有u g 公司的s o l i de d g e 、s o l i d w o r k s 公 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 司的s o l i d w o r k s 造型软件、a u t o d e s k 公司的a u t o c a d d e s i g n e r 、德国西门子利 多富公司的s i g r a g h d e s i g n 、俄罗斯t o ps y s t e m 公司的t - f l e x c a d 等。 国内从7 0 年代中期开始研究参数化，并且形成了与国外不同的参数化技术， 如形状参数尺寸代码法，辅助线作图法等。国产化的有自主版权的主要有华中理 工大学的开目c a d 、清华大学和高华计算机公司共同开发的集成智能化机械 c a d 系统g h i n t e c a d 1 4 、中科院北京软件工程研制中心开发的p i c a d 、深圳 乔纳森科技有限公司开发的中国c a d 等。 下面介绍一下特征方面的知识。 传统的c a d 系统以实体模型表示产品，它仅包含产品的几何信息，不能为 下游领域如工艺规划、加工制造等提供信息，早在七十年代中期，人们就开始研 究从实体模型中提取数控加工程序所需的加工信息，源于c a d 与c a p p 集成的 研究，人们提出了特征( f e a t u r e ) 概念【1 5 】【1 6 】。特征名词的出现，最早见到的文献 是1 9 7 8 年麻省理工学院g o s s a r d 教授指导的一篇学士论文“c a d 中基于特征的 零件表示”和1 9 7 9 年的另一篇论文“轴类零件的c a d 特征描述系统”【1 7 】。 特征是具有工程含义的几何实体，它是为了表达产品的完整信息而提出的一 个概念，是对零件的形状、工艺和功能等各方面与零件描述相关的信息的一个综 合描述【1 8 】。具有特征造型的系统与传统的c a d 软件相比，具有以下特点： 第一：采用传统的实体模型来表示产品的几何形状已经相当的精确了，但是， 工程设计过程不是单纯的计算机造型过程，产品的每个几何形状都包含了非常复 杂的工程信息，比如尺寸、公差、精度以及各种约束信息等，引入特征的目的就 是要在设计过程中更好的表达设计者的意图。 第二：利用特征可以记录产品的整个设计过程，主要是通过特征树的形式来 表示。特征树中按照特征设计的顺序和相互关系来表达产品的每个特征信息，通 过对设计历史的回溯可以观察或修改设计过程中的每一个步骤，也可以根据设计 者的思路改变设计的顺序。 第三：特征技术为用户提供了一种更自然更方便的表达方法，允许设计者直 接用工程语义的术语来描述零件。因此特征的引入为下游应用的各个环节提供了 一个具有几何、属性和知识的信息完备的产品模型，从而为c a d c a p p c a m 各 应用模块的集成提供了实现的基础。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 在参数化特征造型中，设计过程其实就是特征约束满足的求解 1 9 1 ，如果从 参数约束方面来描述一个特征，一般包括两部分： 特征本身的参数约束：也就是特征的定形尺寸约束，主要是用来描述特 征的各个形状属性，确定特征结构的几何元素的大小以及各个几何元素之问的相 对位置信息。特征结构的参数化就是通过特征的几何形状约束形成的，这种约束 一般包括：直线长度、圆直径、圆弧半径、两直线之间的夹角等。 特征之间的参数约束：也就是特征的定位约束，它描述的是特征之间的 结构上的关系，确定了特征之间的位置关系以及几何约束关系。这种参数约束主 要包括：平行约束、相切约束、对称约束、特征定位基准之间的距离等。 将参数化设计的思想应用到特征造型技术中，使得特征的表示采用了参数约 束的方法，因此只需要对特征的形状、尺寸、公差、表面粗糙度等参数进行修改， 就可以达到设计零件的目的，从而既完整地表达了设计者的意图，又可以方便地 利用尺寸驱动来进行零件的修改。 1 2 协同c a d 概述 1 2 1 协同c a i ) 的发展 随着计算机网络技术和产品开发逐渐全球化的迅猛发展，传统的c a d 设计 理念正发生着一场深刻的变革，日益向着高度自动化、智能化、集成化和网络化 的方向发展，人们逐渐意识到：通过网络可以充分利用异地资源，从而将大大加 快产品开发的效率，降低产品的设计成本。因此，从上世纪9 0 年代开始发展起来 了一种新兴的产品设计方式，即基于网络的协同设计【2 0 】【2 1 】。它通过应用现有 的网络技术和协同架构来支持用户操作环境由单机单用户到分布式网络环境的 转变，使得处于不同地理位置的设计者可以通过网络对同一复杂产品进行协同设 计，并充分利用各地的资源，从而缩短了产品的设计周期，提高了产品开发的效 率。从斯坦福大学设计研究中心的c u t k o s k y 等人开始对协同c a d 方面的最初探 索，n c s c w 技术与c a d 技术的结合，目前的协同c a d 已经成为了国际上的c a d 领域里的一大研究热点，研究工作同c a d 的各个分支领域相结合，并不断地向 深层次方向发展 2 2 】。 6 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 2 2 协同c h 9 的分类 协同c a d 系统依据各个协同用户之间响应时间的不同可以分为：异步协同 c a d 系统和同步协同c a d 系统【2 2 】。 早期的协同c a d 系统大部分都是异步协同系统，它是一种松散耦合的协同 工作，在这种系统中多个协作者在分布集成的平台上围绕一个共同的任务进行协 同设计工作，但是他们各自有不同的工作空间，可以在不同的时间内进行工作， 并且通常不能迅速地从其它的协作者处得到反馈信息 2 3 1 。基于具备较好互用性 的分布式设计与制造平台，进行异步协同的设计与制造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。这方面的代表性 的工作有斯坦福大学的c u t k o s k y 领导的s h a r e 项目和m a d e f a s t 项目【2 4 】；k i m 等 人开发的c y b e r v i e w 系统【2 5 】等。 异步协同c a d 系统的优点是响应简单，对网络要求不高，但是由于各个站 点在时间上的不同步，将会使各个站点之间的信息交换和资源共享的效率大大地 降低，因此为了提高各个用户协作时的效率，使得各个站点的用户可以在同一工 作时间内完成协同工作而提出了同步协同c a d 系统。同步协同设计是一种紧密 耦合的协同工作。这种系统的最理想情况是各个站点的协作者之间可以像面对面 地在同一台机器上工作那样完全地协同，从而达到真正的资源共享和时间同步， 以实现最大程度地缩短产品生命周期的目标。从技术角度看，同步协同设计与异 步协同设计相比实现难度大得多，这主要体现在它需要在网上实时传输产品模型 和设计意图、需要有效地解决并发冲突、需要在c a x d f x 工具之间实现细粒 度的在线动态集成等方面。同步协同c a d 方面的代表工作主要有：荷兰d e l f t 大 学b i d a r r a 等开发的基于特征的协同建模系统w e b s p i f f 2 6 2 7 、德国的l u k a s 等 人研发的t o b a c o 【2 8 】和香港的c h a n 等人开发的c s m 系统 2 9 1 。 在上面介绍的两种协同c a d 系统中，同步协同将是协同研究工作的主要方 向和热点，因为它具有实时的响应速度，可以最大程度地提高各个用户之间的协 作效率。 上述的异步协同和同步协同是根据响应时间的不同来进行分类的。如果从各 个站点的分布情况和各站点在协同工作中的地位情况可以将协同c a d 系统分为 集中式协同c a d 系统、复制式协同c a d 系统以及混合式协隔j c a d 系统 3 0 1 ，下面 7 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 简单介绍一下各类系统。 集中式协同c a d 系统包括一个或多个服务器以及多个与服务器交互的站 点，其中的站点将负责用户和服务器上并发对象的交互，还负责将用户对这些对 象的处理转化为系统能够识别并处理的事件，并将这些事件传送到服务器进行处 理。系统中的所有事件和结果都是由处于中心地位的服务器来集中管理的，服务 器将按照某种原则将站点事件作用到结果上，并把处理后的结果反馈到各个站 点。 集中式协同c a d 系统的最大优点是可以保证结果的一致性，因为整个系统 只有服务器上存放着唯一的结果，但是它的缺点也在于集中式的服务器，它可能 会带来整个系统可靠性的降低和系统整体性能的下降，即使服务器处于不拥塞的 时候，服务器到客户端的数据刷新的数量也相当大，因此，集中式的协同系统一 般适用于交互不是很频繁，交互的对象也相对比较简单的情况。 在复制式协同c a d 系统中没有了功能强大的服务器，各个站点既是服务器 又是客户端，他们都独立维护一个并发操作对象，并支持各个站点之间的通讯。 当站点接收到一个用户的事件之后会迅速执行该事件，并同时将该事件发送到其 他的站点，每个站点同时接收其他站点发送的事件，以保证结果在各个站点上的 一致性。 复制式协同c a d 系统的优点是避免了集中结构可靠性差、事件处理响应速 度慢等问题。当一个站点由于冲突服务崩溃后，其他站点之间仍可以继续进行协 同通信，而且崩溃的站点可以根据其他站点的历史纪录进行恢复。在复制式结构 中的站点本身具有事件处理能力，不需要等待服务器的响应。因此，复制式协同 设计系统比较适用于交互性比较强的场合，如同步协同设计。但是由于系统响应 性的增强和多个结果复制的系统结构，各站点上结果的一致性维护变得相当困 难，系统的复杂程度大大提高。 混合式协同c a d 系统实际上是将集中式协同c a d 系统与复制式协同c a d 系 统进行综合，发挥其各自的优点，并避免各自的缺点。与复制式协同设计系统类 似，参与协作的各站点也各自维护一个结果复制。当站点产生事件之后，事件被 发送到服务端进行统一调度，并将调度后的事件返回给站点执行。虽然这种方法 可以在一定程度上降低复制式协同设计系统一致性拧制的复杂度，但是却无法避 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 免集中式协同设计系统的可靠性差和响应慢的缺点。另外，通过回退等方法也能 容易地在复制式系统中实现类似于集中式系统的一致性维护的方法。因此，混合 式结构在现有的协同设计系统中并不多见。 1 2 3 协同c a d 中模型数据传输方法 为了实现协同设计，各个协同设计用户之间的模型数据传输是不可避免的， 现有的模型传输方法主要有以下几种 3 1 1 ：整体模型传输、流式传输、层次化传 输和增量传输。下面介绍一下各种方法的发展情况及优缺点。 整体模型传输：在协同设计中，整体模型传输是最容易想到的传输方法，当 模型发生变化后，将整个模型信息进行组织并重新传给各个协同设计者，协同者 去除原来显示的模型，根据新传来的模型信息重新显示，这样就保证了各个协同 者之间的同步。为了减少传输的整个模型的数据量，可以通过压缩的方法先将模 型进行压缩打包再进行传输。 这种方法的最大优点就是比较简单并且可靠，因为传输的是整个模型，不必 担心模型不完整，客户端只需重新解析并显示模型即可，不用做任何其他的操作。 但是传输整个模型也使得这种方法存在很大的不足，因为模型的数据量一般都很 大，对于十分复杂的模型零件，有可能达到几百兆，因此传输的时间会比较长， 效率比较低，使得客户端用户有可能要等待很久才能收到数据，并且客户端要将 整个模型重新显示一遍，这又进一步降低了协同的效率。 流式传输：为了克服整体模型传输的一些缺点从而提出了流式传输的方法， 这种方法首先是将要传输的整个模型进行分割，然后将分割后的各个部分进行标 识并传给各个客户端，这样客户端用户就可以根据接收到的信息递增式的显示模 型了，从而不必等整个模型都得到后才能显示模型，减少了用户的等待时间。并 且分割的块越多，传输的效率就会越高。有时候用户可能只对模型的一部分感兴 趣，这样就可以采用流式传输的方法，先将用户特别感兴趣的部分传给用户， 使他可以快速地看到这部分，其它部分再递增地显示出来。美国t o l e d o 大学的 s a r m a 等人曾提出了一种基于边界表示模型的流式传输 3 2 1 ，该方法中的递增显 示组织方法是将离用户的视点最近的面先显示，最远的面最后显示，这样就可以 使用户在较短的时间内看到其最感兴趣的部分了。 9 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 这种方法的优点是保证了模型传输的精确性，因为它虽然是将模型分割后分 别进行传输，但是组合起来仍是整个模型；另外由于客户端用户是递增的显示模 型，从而减少了用户的等待时间，提高了协同效率。但是，该方法需要先对模型 进行分割，目前还没有较好并且有效的分割技术。 层次化传输：该方法是先将模型的较粗层次的信息传给客户端用户，使用户 对模型先有一个大概的印象；然后再逐步的细化，使得模型的层次越来越细，最 终得到这个模型的所有信息。层次化传输方法的实现首先是生成模型的最初框 架，即对当前的模型进行填充，将负的单元模型变成正单元模型，这样消除了所 有的特征后就得到一个最初的基台模型，这就是最粗层次的模型。然后从这个模 型中逐步减去开始填充的单元模型，达到逐步细化的效果；对于带有正特征的模 型，需要生成一个包围盒，将该包围盒作为最粗的层次模型，然后再进行逐步细 化。在层次化传输方面的最初研究成果是韩国的j a e y e o l l e e 等人提出的，他们针 对基于特征的边界表示模型提出了逐步细化的层次化传输方法 3 3 1 。在该方法中 采用了一个辅助的单元模型( c e l l u l a rm o d e l ) ，以生成模型的层次化信息。这个 辅助模型可以比较容易地从原有的整个模型中分离出互不关联的单元模型，由于 分离出来的单元模型中保存了与原有模型的结合关系，因此也可以很容易地再次 组合到原有模型中。 层次化传输方法首先生成模型的整个框架，然后再逐步地细化出原有模型， 因此它也在一定程度上缩短了客户端用户等待的时间。但是这种方法也有一些缺 陷，因为在用单元模型填充负特征时，选择的顺序是依据体积的大小，并没有充 分考虑它们之间的主次地位，因此细化过程可能并不满足客户端用户的需求。 增量传输：以上介绍的方法最终都是将整个模型传到客户端，不同之处只是 一次传输还是分多次传输，因此它们都没有从根本上解决复杂模型通过网络传输 速度比较慢的问题。增量传输与上面的方法有本质的不同，当客户端用户执行了 某个操作从而模型发生了改变后，并不是将整个模型都重新从服务器端传回客户 端，而是将操作后的模型与操作前的模型进行比较，得到操作前后有所变化的部 分，仅将变化的信息传回客户端；然后客户端的模型只是部分更新，对于操作前 后没有变化的部分客户端将保持不变。 增量传输方面的代表性研究成果是美国t o l e d o 大学d iw u 等人提出的边界表 1 0 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 示的增量模型传输的方法 3 4 1 。他们的方法包括以下几个步骤：( 1 ) 对编辑前的 模型进行动态分割。( 2 ) 当实体模型变化后，标记变化区域，提取含有变化信息 的单元模型( c h a n g e dc e l l u l a rm o d e l ) 。( 3 ) 传输该单元模型到协同工作的其他站 点。( 4 ) 将该单元模型嵌入接收站点的原始模型中，生成变化后的模型，从而使 得各个协同用户的模型是一致的。该方法主要解决了含有变化信息的单元模型的 提取和嵌入，使其能对任何流形体均适用。如果采用不同的动态分割方法会导致 提取出来的含有变化信息的单元模型也是不一样的，因此为了使单元模型中的冗 余信息尽量减少，必须采用合适的分割方法。 增量传输方法的优点是保证了模型变化后协同信息传输的实时性，因为该方 法传输的只是变化了的模型部分，因此传输效率会比较高。但为了能实现增量传 输也需要一点计算时间的代价，即要在模型变化后，由服务器分析并确定出增量 模型，但该部分的计算时间相对于模型传输效率的提高是很有意义的。目前，对 增量传输的研究还很初步，产生增量模型的算法都依赖于服务器端具体的造型软 件，并且对于模型中拓扑元素的命名机制不是很完善，这也将会影响增量模型的 生成。 1 3 基于w e b 的协同设计 1 3 1 相关背景 在协同设计的过程中，并不是所有参与协同的用户均需要进行复杂的设计、 建模工作，有时他们只需要能够方便地浏览当前设计的模型结果、添加一些自己 的设计建议、进行一些简单的参数化设计工作。此外，对于这样的用户，还不能 要求他们在自己的计算机中安装昂贵的底层c a d 系统。为了满足上述用户的这 种需求，提出了基于w e b 的协同设计系统【3 5 】。 在这种基于w e b 的协同设计系统中，客户端不需要安装任何专业的c a d 软件 和应用程序，只要客户端有i e 浏览器即可。用户可以通过浏览器浏览服务器端的 模型，并可以对模型实现一些简单的交互操作。由于基于w e b 协同设计系统的客 户端零安装、易维护和使用方便等优点逐渐成为协同设计方向的一个研究热点， 其所有的开发、维护和升级工作都集中在了服务器端。通过网络可以充分利用服 务器端高性能的c a d 造型系统，从而大大加快产品开发的进度，提高企业的市 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 场竞争能力和经济效益。 基于w e b 的协同设计系统属于浏览器朋务器体系结构，其基本框架如图1 - 1 所示。 图1 1 基于w e b 的协同设计系统框架图 这种系统结构中的服务器端必须有一个功能强大的造型系统用来完成客户 端所要求的各种模型操作，另外它还要负责协调各个客户端之问的协同会话。由 于在服务器端维护着一个共享的模型，因此可以比较容易地实现各个客户端之间 的模型视图的同步。另外，客户端用户只需要安装了i e 浏览器就可以满足应用的 需求，它实现的主要功能是通过w e b 上的三维模型描述语言( 例如j a v a 3 d ) 来显 示浏览服务器端的模型，并给用户提供一些交互界面，允许客户端用户对模型执 行一定的交互操作。客户端是通过中间的i n t e r n e t 网络与服务器端及其他的协同 设计者进行通信的。 1 3 2 研究现状 基于w e b 的协同设计已经成为c a d 领域研究的一个热点问题，并取得了一定 的进展工作，下面将分别介绍国内外在这方面的研究情况。 i o w a 大学i n t e m e t 实验室的k a n g 和c r r a d y 3 6 等对i n t e r n e t 环境下的协同设计进 行了研究，提出了一个基于w w w 的协同设计系统总体结构，并加以实现，称为 c y b e rv i e w ，它采用v r m l 在浏览器下实现分布设计小组对模型的协同浏览，产 品模型采用s t e p 。k e n