（计算机应用技术专业论文）基于约束模型的协同模板任务机制研究.pdf

基于约束模型的协同模板任务机制研究 摘要 随着模板技术的广泛应用及协同技术的飞速发展，协同模板概念在两者技 术优势的结合下产生。本文介绍了协同模板建模系统( c o t m ) ，在此基础上展开 基于约束模型的任务机制研究，重点分析了约束模型向任务模型的转换及任务 控制流程，并引入了任务前趋图、串并行驱动模式等关键技术作为系统应用和 研究的支撑，不仅为c o t m 系统的建立提供了技术支持，同时为协同模板设计 机理的研究奠定了理论基础。本文主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) 约束模型及其向任务模型的转换：总结协同模板中多样的约束信息，采用 模板设计语言( t d m l ) 作为描述载体，根据领域、表达方式等对约束信息进 行分类，建立基于约束网络的存储模型和相应解释机制，引入任务前趋图 概念和基于聚合与排序的转换算法，实现由约束模型向任务前趋控制模型 的转换。 2 ) 串并行驱动的任务控制机制：以基于约束的任务前趋图为引导，结合协同 模板的特点，采用串并行驱动模式控制任务机制中的任务申请与分配、任 务交流、任务复合等模块，并引入任务锁机制及信号量机制作为串并行交 流和驱动模式的核心技术，将离散的模板存储与连续的协同任务机制结合， 验证了协同模板的任务运行机理。 3 ) 系统实现及验证：分析模板固有的特点和协同设计的关键技术，设计并实 现c o t m 系统中的协同控制模块，该模块与模板控制、造型建模模块相结 合，实现了任务控制、协同感知、协同交流等功能，贯穿于协同模板整个 协同设计流程。 关键词：协同模板，协同设计，约束网络模型，任务前趋图，任务控制机制， 串并行驱动模式 本论文主要工作得到了国家自然科学基金项目“协同模板的设计机理与关 键技术研究”( 6 0 2 7 3 0 4 4 ) 、国家自然科学基金项目“协同模板中的约束信息可视 化”( 6 0 5 7 3 1 7 4 ) 、安徽省自然科学基金项目“协同模板的可视化设计环境研 究”( 0 1 0 4 2 2 0 1 ) 的共同资助。 r e s e a r c ho nc o o p e r a t i v et e m p l a t et a s km e c h a n i s m b a s e do nc o n s t r a i n tm o d e l a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no ft e m p l a t et e c h n o l o g ya n dr a p i dd e v e l o p m e n to f c o o p e r a t i v ed e s i g nt e c h n o l o g y ，t h ec o n c e p to fc o o p e r a t i v et e m p l a t ee m e r g e sb a s e d o nt h ec o m b i n a t i o no ft h et e c h n o l o g i e sa b o v e t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e sm a i n l yo n t a s km e c h a n i s mb a s e do nc o n s t r a i n tm o d e l ，w h i c hi si m p l e m e n t e di nc o o p e r a t i v e t e m p l a t em o d e l i n g ( c o t m ) s y s t e m ，t r a n s f o r m a t i o nf r o mc o n s t r a i n tm o d e lt ot a s k m o d e la sw e l la st a s kc o n t r o lf l o w f u r t h e r m o r e ，i ti n t r o d u c e ss o m ek e y t e c h n o l o g i e ss u c ha st a s kp r e c e d e n c eg r a p ha n dp a r a l l e l s e r i a ld r i v i n gm o d e t h e r e s e a r c ha b o v en o to n l ys u p p o r t st h ee s t a b l i s h m e n to fc o t ms y s t e m ，b u ta l s ol a y s g r o u n d w o r kf o rc o o p e r a t i v et e m p l a t em e c h a n i s m t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 、c o n s t r a i n tm o d e la n di t st r a n s f o r m a t i o nt ot a s km o d e l ：c o n s t r a i n ti n f o r m a t i o n i nc o o p e r a t i v et e m p l a t ei ss u m m a r i z e da n dd e s c r i b e di nt h ef o r mo ft e m p l a t e d e s i g nm a r k u pl a n g u a g e ( t d m l ) ，a n dc l a s s i f i e db yd o m a i na n de x p r e s s i o n t h ec o n s t r a i n ts t o r a g em o d e lw i t hi t se x p l a n a t i o nm e c h a n i s mi se s t a b l i s h e d t h et a s k p r e c e d e n c eg r a p hc o n c e p t a n d a g g r e g a t i o n a n d - - s o r t i n g - b a s e d t r a n s f o r m a t i o na l g o r i t h ma r ea l s oi n t r o d u c e d ，w h i c hi m p l e m e n tt r a n s f o r m a t i o n f r o mc o n s t r a i n tm o d e lt ot a s kp r e c e d e n c ec o n t r o lm o d e l 2 ) t a s kc o n t r o lm e c h a n i s md r i v e nb yp a r a l l e l - s e r i a lm o d e ：u p o nt h ei n t r o d u c t i o n o ft a s kp r e c e d e n c eg r a p ha n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o o p e r a t i v et e m p l a t e ，t a s k a p p l i c a t i o n a l l o c a t i o n ，t a s kc o m m u n i c a t i o na n dt a s kc o m p o s i t i o nm o d u l e a r e c o n t r o l l e di np a r a l l e l - s e r i a ld r i v i n gm o d e w i t ht h ec o m b i n a t i o no fs c a t t e r e d t e m p l a t es t o r a g ea n dc o n s e c u t i v ec o o p e r a t i v et a s km o d e l ，l o c ka n ds e m a p h o r e m e c h a n i s m ，a st h ec o r eo fp a r a l l e l - s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dd r i v i n gm o d e ，i s a l s oi n t r o d u c e dt ov a l i d a t ec o o p e r a t i v et e m p l a t et a s kc o n t r o lm e c h a n i s m 3 ) s y s t e mi m p l e m e n t a t i o na n dv a l i d a t i o n ：b ya n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so f t e m p l a t ea n dk e yt e c h n o l o g i e so fc s c d ，c o l l a b o r a t i v ec o n t r o lm o d u l ei s i m p l e m e n t e di nc o t ms y s t e m ，w h i c ha s s o c i a t e sw i t ht e m p l a t ec o n t r o lm o d u l e a n dt e m p l a t em o d e l i n gm o d u l e c o l l a b o r a t i v ec o n t r o lm o d u l ea l s op r o v i d e s t a s kc o n t r o l ，c o o p e r a t i v ea w a r e n e s sa n dc o l l a b o r a t i v ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n t h a tr u nt h r o u g ht h ec o o p e r a t i v ed e s i g np r o c e d u r e k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v et e m p l a t e ，c s c d ，c o n s t r a i n t n e t w o r k m o d e l ，t a s k p r e c e d e n c eg r a p h ，t a s kc o n t r o lm e c h a n i s m ，p a r a l l e l s e r i a ld r i v i n g m o d e 图表目录 1 1 模板结构与参数的分离 2 1 协同模板建模系统框架 2 - 2 协同模板设计流程示意图 2 - 3 本文研究重点模块图 3 1t d m l 形式的约束表达 3 2 约束网络的可视化 3 3 约束级别图示 3 。4 任务前趋图示例 3 5 聚合过程图示 3 - 6 约束信息图及其转化生成的任务前趋图 4 1 任务控制类结构图一 4 - 2 模板支持下的串并行驱动任务机制 4 3 设计要求文件示例 4 4 任务锁机制驱动的串并行设计模式 4 5 信号量机制驱动的串并行设计模式 4 - 6 各设计端一致性状态更新界面图 4 7 协同过程中任务申请与分配流程图 5 1 资源分布图 5 - 2 协同模板在冷冲模中应用 5 - 3 协同模板在个人沙发中应用 5 - 4 约束信息文件片断一 5 - 5 任务划分图界面 5 - 6 约束图经过任务划分后向任务前趋图的转换 5 7 任务前趋图界面 5 - 8 任务串并行顺序界面一 5 - 9 任务信息发布相关界面一 5 - 1 0 任务申请与分配相关界面图 5 1 1 任务设计状态界面 5 1 2 复合过程简单界面展示 5 1 3 任务检测及最终完成界面 表2 - l 协同设计流程的关键任务步骤表 表4 - 1 通信消息列表 表4 - 2 处理通信消息的函数列表 表4 3 任务锁机制与信号量机制的比较 1 2 2 8 2 8 3 5 _j舵m加加苈签加”亚弱”勰扣”甜甜甜铊 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金目工些盔堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名局忽签字日期：0 撕6 年月修目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒鲤王些盘堂有芙保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金胆王些盔堂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、缩印或扫描等复制手段保存、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：局慧一 签字e l 期；2 钟6 年6 月1 8 日 学位论文作者毕业后去向； 丁作单位：合肥工业大学计算机与信息学院 通讯地址：合肥工业大学 导师签名 、 7 。 签字日期：a o 彩年6 月5 日 电话：0 5 5 1 2 9 0 7 0 8 6 邮编：2 3 0 0 0 9 致谢 值此论文付梓之际，我要感谢长期以来一直对我提供无私帮助的人们。 首先我要感谢我的导师刘晓平教授。本论文的工作是在他的直接指导下完 成的。三年来，他不仅在学习研究上给予我耐心细致的指导，同时也对我的生 活给予了无微不至的关怀，他严谨的治学态度、勤奋的工作作风、对问题实质 的准确把握以及对新研究领域的探索精神，使我获益良多，对此我衷心感谢。 感谢v c c 研究室( 合肥工业大学计算机与信息学院可视化与协同计算研究 室) 的老师和同学们，对本论文的完成提出了很多宝贵意见，并对我的研究工 作给予无私的帮助。特别是与毛峥强、陈雪源的合作，本论文的工作也凝结着 他们的劳动成果，感谢他们在完成本论文的过程中给予的多方面的指导和支持。 感谢郑利平、路强对我学习上的帮助，很高兴能够与安竹林、张静、余烨成为 学习、生活中的好伙伴。 感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们，在我的研究工作中也凝 聚着他们的关心和友谊。 我能够顺利完成本论文，也归功于父母的鼓励和殷切关怀，我成长的每一 步都离不开他们悉心的教导与关怀，真心的谢谢爸爸妈妈。 最后，向本文中所引用文献的作者们表示感谢! 石慧 2 0 0 6 年6 月 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 模板技术研究 “模板”一词最初并非源于计算机领域，据辞海中的解释，模为制造器 物的模型【1 1 。左思魏都赋有“授全模于梓匠”。模板有三种含义：其一称“型 板”，在铸造中，指将铸模连同浇注系统的模型一起固定的板，用作造型的模具； 其二称“模型板”、“壳子板”，用作浇注混凝土及砌筑砖石拱等的模子，其形状 与构件相适应，一般用木材或钢材做成；其三是按照原有生物高分子的结构， 合成新的生物高分子的过程，前者是后者的模板。文献 2 中是这样记载的：模 者、法式、规范。有古文为证，说文中有“模，法也”，广韵中有“模，法 也，形也，规也”：尚书大传中有“太庙之中，缤乎其犹模锈也”；归田赋 中有“挥翰墨以奋藻，陈三皇之轨模”等。由于模板为形、法、规的统一，所以 它在建筑、机械、服装等领域都得到了较好地应用。 基于学科的交叉性及问题共性的抽象存在，有关模板的研究同样在计算机 领域内的应用需求的推动下逐步开展起来。基于模板的研究横跨多个方向，具 有通用性、灵活性、针对性的特点，模板与具体方向的完美结合，不仅有助于 驱动该方向研究的进展，同时革新了传统模式和理念，有利于模板研究的纵深 发展及模板应用的交流与借鉴，把模板的研究与应用推向新的高度。模板概念 不仅在建筑、铸造等行业得到了广泛的应用，同样也渗透到了计算机领域内多 个方向的研究。b e r k e l e y 大学的s r i v a s t a v a 3 】在i c c a d 领域最早引用了模板概 念，作者在提出软硬件混合系统的设计框架之后，介绍了一个分层的体系结构 模板，并利用该模板进行了一个r o b o t 系统的实验，主要侧重于硬件的模板 设计。此后，模板技术分别在办公自动化、程序设计、电路设计c a d 、图像处 理与模式识别、工程c a d 及软件工程、系统开发等方向充分发挥了其特有的 优势。 模板的应用领域相当广泛，但是模板具有固有的基本特征：模板具有变异 性，模板虽是具有相对固定格式的规范，但是并非固定不可变的，根据实际需 求，模板存在着某些变化，这些灵活的可变性，正是模板显示实力的基础；模 板可以嵌套，模板不仅可以应用于完整的问题描述，当分解出的有效子问题存 在着合适的共性时，同样可以采用模板加以描述，而模板间的嵌套关系由此产 生；模板支持定制，模板是规律及特征的凝结，合理的定制功能是优秀模板产 生的途径；模板支持复用，模板作为对于具有相似模式的对象的抽象，可被重 复、适时地加以应用。由于多种模板应用的内部机理和原则十分相似，所以模 板可以理解为一种具有相对固定格式的规范，是定义和描述某一类相似事物的 标准。繁琐与杂乱性工作是引入模板的根本原因，因此应用模板多是在总结规 律、统一规范的前提下以确保结果正确、提高效率、减少时间为目的。 1 1 。2 协同 2 0 世纪7 0 年代，德国斯图加特大学物理学家h e r m a n nh a k e n 提出了“协同 学”研究的概念。1 9 8 4 年m i t 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 两位研究 员正式提出了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 ) 概念。c s c w 计 算机支持的协同工作，即地域分散的个群体借助计算机及其网络技术，共同 协调与协作来完成一项任务。它包括协同工作系统的建设、群体工作方式研究 和支持群体工作的相关技术研究、应用系统的开发等部分。通过建立协同工作 的环境，改善人们进行信息交流的方式，消除或减少人们在时间和空间上的相 互分隔的障碍，节省工作人员的时间和精力，提高群体工作质量和效率，从而 提高企业、机关、团体、乃至整个社会的整体效益和人类的生活质量 4 1 。从广 义上讲，凡是以计算机及网络为技术支持手段的领域，涉及共享信息和群体协 同工作的应用都可归属于c s c w 的研究范围。目前，c s c w 的应用领域有： 1 ) 军事应用 2 1 工业应用 3 ) 协同计算机辅助设计 4 ) 医疗应用 5 ) 远程教育 6 1 合作科学研究 7 ) 电子商务与商业、贸易、金融的应用 8 ) 办公自动化( o a ) 和管理信息系统( m i s ) 的新发展 9 ) 电子政务与各级政府部门的协调和决策支持 5 】 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 协同技术在计算机辅助设计领域内的重要应用 6 1 ，主要是解决地域分散的设计 人员，借助计算机网络、多媒体技术等工具和技术，相互合作交流，共同完成 个设计任务。 1 1 3 协同模板 协同模板【7 i 【8 1 1 9 】【1 0 】的概念正是在协同设计技术近些年来迅速发展的前提 下，结合模板在工程设计领域内的应用基础应运而生的，是对模板理论方法的 又一次升华。它在模板的基础上被赋予了新的网络特性。协同模板同样是具有 语义功能的可以描述几何及属性信息的抽象的通用的数据表示，符合工程设计 标准和规范，其不仅包含几何属性、工程属性，更有网络属性、任务属性等支 持协同机制的特殊属性信息，支持协同工程设计的全过程。 协同模板研究的主要目的是在协同设计和模板技术的研究基础上，充分结 合二者优势，利用工程设计的实际问题，探索具有协同机制和模板理论相结台 的协同模板的设计环境和流程框架，研究未来全球化的设计格局环境下的协同 工作模式和环境，包括设计任务的分解、设计元之间的关联、运算等性质。协 同模板的优势在于可以减少网络中的数据通信量，具有可复用性和可继承性。 跨区域的设计组，在具备设计模板的前提下，通过结果与设计参数分离及参数 的匹配，便可以重现设计结果，如图1 1 所示，有效避免了大量数据的传输， 使协同设计得以有效进行。协同模板的可重用性及可继承性亦可借鉴已有设计 经验，简化设计过程，降低设计难度。 蹙掺”m 一 图1 1 模板结构与参数的分离 1 2 问题的提出 协同模板建模系统环境以模板为基础，以网络为媒介，采用串并行结合的 任务控制模式为指导进行协同模板流程的运作。总设计者通过对任务的划分、 发布与分配将总设计任务分解为相对独立的若干子设计任务，同时又可将完成 的予设计结果及相应子模板复合为总模板，以便解释、检测最终设计结果。因 此协同设计中的任务机制是协同模板系统实现的脉络，该任务机制与协同模板 相辅相成，将离散的模板存储与连续的协同任务机制结合，实现协同模板的运 行机理。 在工程设计过程中，约束无处不在，而在网络环境下进行协同设计时，约 束信息同样不可缺少。对于新发起的设计任务，约束信息由设计者根据需求定 义产生，这种需求可能源自于设计图纸当中，也可能源自于产品的设计标准， 或者仅只是经验设计者的建议。约束的作用与含义不只作为工程设计的有用信 息，并且成为协同设计过程中的控制元素，协同设计中，多数设计任务之间的 关系都是由约束决定的，可以通过对于约束的识别与处理来反映多种协同关系。 同样，在协同模板建模系统中，约束信息的地位举足轻重。协同模板是设 计中复杂约束关系的凝结，协同设计任务控制过程中复杂的约束模型是协同模 板的基础信息，有助于引导和驱动协同设计任务的进程，有助于控制设计任务 间的串并行关系及协作交流，成为任务发布、分配、设计以至最终复合的主要 依据。因此，研究约束模型与任务模型之间的转换关系及合理的任务机制的形 成成为协同模板建模系统实现的关键所在。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 协同模板相关研究 模板技术在国内外具有广泛的研究应用，分别在办公自动化、程序设计、 电路设计c a d 、图像处理与模式识别、工程c a d 及软件工程、系统开发等方 向充分发挥了其特有的优势。 1 1 办公自动化 模板在办公自动化软件中的应用非常普遍，其中最为常见的当数微软的 o f f i c e 办公套件，o f f i c e 模板涵盖了公文起草、办公事务处理、财务管理、人 事管理、市场营销、各类简报等多类模板，能够帮助使用者快速、高效地创建 各类所需文档。模板文库成为容纳所有模板的集中地，针对全面的模板体系， 模板管理功能亦相当合理与完善，使用者可在模板文库中添加新的o m c e 模板， 使得自定义的模板更加适应特定的需求。 2 1 程序设计语言 程序设计语言中也引入了模板概念，模板应用于不同的场合，其优势发挥 也各有侧重。如c + + 中的类模板和函数模板，将具备相似功能的类或函数归并， 增强通用性，目的是为了减少开发代码。文献【1 l 】中，将模板概念与属性语法 结合。属性语法的模板被定义为一种语义规则的抽象，是一种标准的、可扩展 的、可重用的定义程序语言的方法，能够更好地控制复杂属性语法。文献 1 2 提出了j a v a 的一种基于语义的软件设计方法模板设计模式，主要用于比较 对象是否等同。d a v i dh e m e r 【”j 提出了一种正式的组件语言，组件则被定义为 模板，模板参数可以是变量、类型或者函数，可适用于解决大范围内的问题， 主要用于支持软件的自动化发展。 3 ) 电路设计c a d 此方向模板的应用主要体现在硬件的设计方面，文献t 4 在i c 高级综合方 面迈出了一大步，提出了模板映射的性能优化方法，首次介绍了软件模板技术 在a s i c 设计中的应用。j e r e m yc h a n 和s r ip a r a m e s w a r a n a 提出了n o c g e 1 5 1 _ n e t w o r ko nc h i p ( n o c ) g e n e r a t o r ，一种基于可重用方法学的可扩展模板， 该模板支持n o c 电路设计的快速定制。文献 1 6 1 中涉及的模板是一种基于图的 符号模板，由实际的布局自动产生，将专家设计者的知识自然地保存于模板之 中。 4 ) 图像处理与模式识别 图像处理及模式识别方面常会涉及模板概念，模板匹配是模式识别和图像 处理中的经典方法 1 7 】f ”1 之，具有多种形式，该方法将模板当作参照和比较的 对象，而比较的方式则各有不同，匹配算法的性能改善成为研究的热点问题， 此方向上模板研究为更好的匹配和选择提供了基础和依据。 5 1 工程c a d 工程c a d 与模板的结合是一种必然的趋势，这是由该领域的特点所决定 的，文献【1 9 2 0 2 1 】主要研究的背景是工程c a d 中材料表的自动生成，针对 不同、复杂的表格设计要求，为了实现表格的自动生成，文章提出了一种针对 表格的层次模板技术，以模板形式表达不同专业的不同材料表的框架结构，并 由此设计了一套较为完整的材料袁模板定制语法，用户只需定制其所需的表格 模板便能满足要求，实现材料表的自动生成，避免了用户设计表格时的重复工 作。模板在钢结构设计系统中的应用亦充分发挥了其特长【2 2 1 1 2 3 24 1 ，该应用提 出了一套模板的设计与实现方法，设计了面向定制的模板技术实施方案，满足 多变的应用需求，并很好地解决了节点设计这一困扰钢结构工程c a d 系统的 难题。文献 2 5 为了实现并行装配设计模式，提出了装配模板与模板实例化的 概念，将产品装配模型的抽象描述定义为装配设计模板，通过对模板的分解产 生零部件的虚拟模型，实现产品零部件的并行设计，在各个零部件设计完成之 后，实现装配模板的自动实例化。合肥工业大学v c c 研究室亦将模板技术与工 程设计进行了结合，研究了模板的形式化表示模型、模板的运算机制及模板的 设计模式，并应用于冷冲模的设计流程，简化了设计过程，提高了设计效率 2 6 1 2 7 1 2 8 【2 9 】【30 1 。 6 ) 软件工程、系统开发 f e l i xh g a t z e m e i e r 和o l i v e rm e y e r 将模板定义为一种简单的参数化机 制【3 ”，使用模板技术可以简单易行地处理复杂的文档结构定义。文献【3 2 】提出 了用于描述服务信息的基于属性的模板，模板是通过对i n t e r n e t 上软件设计经 验的学习及相关属性的介绍编辑而产生的，主要通过描述性的知识库生成，可 作为辅助工具提供给服务供应商。文献f 3 3 提出了一个抽象的体系结构模板来 表示不同的系统结构，目的是在软硬件划分中进行更为灵活的资源分配，使系 统设计更加方便有效，系统性能和代价达到最优。该模板的基本思想是把系统 看作是一个由通信通道c h ( c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ) 来连接的处理单元 p e ( p r o c e s s i n ge l e m e n t ) 的网络，在这一模板中，p e 是对实际系统中软件、硬件 及固件的抽象，c h 是对系统中通信资源的抽象，体系结构模板通过将系统中 完成计算和通信的资源封装成相互比较独立的模块，以方便系统设计和综合。 文献【3 4 】给出了一个具有高安全性的移动a g e n t 系统及其模板结构模型，通过 模板提高a g e n t 软件的模块性、可重用性、可扩充性及通用性。 模板的应用在国内外一直倍受关注，协同模板的提出 7 1 首开先河，国内外 目前尚未发现提出将协同机制引入模板框架、以研究基于协同机制的模板设计 方法及其在工程设计中应用的其他相关文献。 1 3 2 约束信息及任务机制相关研究 约束信息是工程设计中的关键信息，目前国内外对于约束信息的研究较为 深入和细致，如今有关协同设计中约束信息研究也更加广泛和深入，文献 3 5 】 研究了两种构造式几何约束解决技术：由下到上和由上到下的图形分析技术， 给出了两种技术领域问题的抽象描述。文献3 6 提出了两种基于图表示求解几 何约束问题的方法，分别解决了无循环约束及含循环约束的约束几何问题。算 法的核心将几何变换引入基于关系图的约束求解算法。文献 3 7 提出了利用建 立有向图的方式进行依赖分析的方法解决三维几何约束系统，寻找冗余约束， 采用添加约束的方法，简化系统分析，应用于装配系统。文献【3 8 提出了基于 约束的启发式概念，使得多个设计者能够及时得到基于约束的反应和变化，以 减少产品设计的反复和代价，使得协同设计的过程易于实现。文献【3 9 】介绍了 基于约束图的网络互联的约束驱动方式，引入了自动合成的新算法，支持系统 通信结构的自动设计。在文献 4 0 】中，作者提出了一种基于约束的分布式知识 表达模型，能够自动或者半自动地检测并解决协同设计过程中遇到的冲突，以 达到在设计环境中协同感知设计者设计行为的目的。文献 4 l 】将协同任务思想 应用到产品开发过程中，提出了一种基于动约束的约束求解策略，通过约束网 络图描述各子设计任务间的联系。文献 4 2 1 提出了支持并行设计、协同设计的 利用约束网络的新方法。c l a u d i ol o t t a z 针对连续变量的数值约束满足问题提出 了新的解决工具f 4 “。同样，任务机制的研究也是协同设计领域的研究内容之一。 文献【4 4 】提出了符号设计结构矩阵的概念，扩展了有向图的建模方法以实现合 理的协同设计任务的规划，并给出耦合任务集自动解耦算法，有效地减少了耦 合任务集设计迭代。文献f 4 5 1 提出了公告板机制以及设计过程中的冲突协调方 法，更好的支持了协同设计中的动态任务分配。 t 4 课题来源及论文内容安排 1 4 1 课题来源 本论文主要得到了国家自然科学基金项目“协同模板的设计机理与关键技 术研究”( 6 0 2 7 3 0 4 4 ) 、国家自然科学基金项目“协同模板中的约束信息可视化” ( 6 0 5 7 3 1 7 4 ) 及安徽省自然科学基金项目“协同模板的可视化设计环境研究” ( 0 1 0 4 2 2 0 1 ) 的共同资助。 1 4 2 论文内容安排 论文的主要工作是将模板理论和协同设计技术相结合，研究协同模板设计 系统中基于约束模型的任务机制。目的是探索协同模板中的约束信息内涵，建 立约束模型向任务模型的转换，结合任务前趋图概念高效地实现协同模板设计 环境中串并行驱动的任务控制机制。论文的主要内容安排如下： 6 第一章绪论：介绍了协同理论和模板技术的研究概况，阐述了协同模板 概念的提出及论文的研究背景。针对协同模板、约束信息与任务机制的相关研 究进行了国内外研究概述，最后简要说明了论文的主要研究内容。 第二章协同模板建模系统框架：介绍了论文涉及的相关概念和术语，描 述了系统总体框架和协同设计流程，包括模块划分、技术支持等详细介绍。 第三章约束网络模型：引入约束网络模型，介绍了约束信息的分类、表 达、可视化及存储，提出了任务前趋图概念，详细阐述了基于聚合与排序的转 换算法及基于此算法实现的约束模型向任务模型的转换。 第四章协同模板任务机制：重点介绍了协同模板基于约束模型的任务控 制机制，详细描述了任务机制的核心内涵协同模板支持下的串并行驱动模 式，并简要阐述了任务申请与分配、冲突发现、复合等任务机制。 第五章协同模板建模系统应用实例：介绍了协同模板建模系统的应用实 例，通过展现冷冲模设计实例阐明了基于约束模型的协同设计任务控制流程。 第六章结束语：论文总结和展望，总结论文主要工作，提出了系统的不 足并对下一步工作进行展望。 第二章协同模板建模系统框架 2 1 相关概念和术语介绍 在协同模板建模系统的框架及任务控制流程中涉及诸多术语，为方便理解 与阐述，在此一一列举说明。 1 ) 协同模板：协同模板在模板的基础上被赋予了新的网络特性，是具有语义 功能的可以描述几何及属性信息的抽象、通用的数据表示，符合工程设计标准 和规范。协同模板不仅包含几何属性、工程属性，更有网络属性、任务属性等 支持协同机制的特殊属性信息，支持协同工程设计的全过程。c o t 是协同模板 的简称，其形式化描述可以表示为：c o t = ，其 中m i d 表示独立的协同任务i d 号；t - i d 代表唯一的协同模板i d 号；c 指协 同模板中的部件集；e 则是一系列的表达式；t 记录了网络协同和工作流程进 行所需的任务信息：r u 指部件和任务的约束规则库；r e 描述了位置关系；o p 则是存储模板操作的集合。 2 1 总设计者：协同设计任务的发起者，负责对设计任务的总体控制，包括任 务划分、分配及复合等，协调各子设计者的工作，对设计结果进行复合、检测 和确认。 3 ) 子设计者：协同设计任务的参与者，负责子任务的设计，包括与总设计者 及其他子设计者间的协作交流，最终设计结果的提交。 4 ) 任务数据库：用于输入和存储设计任务中的设计约束、任务约束等多种约 束信息的数据库。 5 1 任务约束：协同设计任务内部及外部的约束信息，如尺寸、位置、材料等。 具有特定的表达形式及约束操作。 6 1 任务前趋图：是一种反映了先后执行关系的抽象的图结构，存储了任务节 点以及它们之间的前趋后继关系。在协同模板的设计环境中，任务控制及设计 进程皆以任务前趋图为基础，其作用是不容忽视的。任务的发布与分配，设计 任务的相互制约，串并行设计模式的驱动，乃至模板最终的复合与检测都依托 于任务前趋图的定义。任务前趋图t p g = ( p v , p e ) ，p v 集的每一个任务节点 表示子设计任务，p e 集中的每一条有向边则表示任务之间的直接驱动关系，是 一种前趋与后继关系，具有传递性。 7 ) t d m l ；模板设计标记语言，是协同模板的表现形式，形式上以x m l ( t h e e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 作为表达的基础，符合x m l 的语法规范。同时 为了适应描述设计对象，描述模板结构及协同模板操作的特殊需要，t d m l 也 具有自身的一套语法及语义规则。 8 ) 任务划分、发布、分配、申请和复合：任务划分是指总设计者将总设计任 务分解为若干子任务。任务发布指任务划分之后，总设计者将各个子任务的信 息，及子任务的约束关系( 任务前趋图) 等显示给各个子设计端。任务分配是 指总设计者将一个子任务分配给某个子设计者。任务申请指每个子设计者可以 根据任务发布信息，去竞争某个子任务。任务复合指各个子任务完成之后，总 设计者将子任务的结果合成为完整的设计结果。 2 2 总体框架及相关技术支持 2 2 i 模块划分 协同模板建模系统( c o t m ) 的核心模块主要包含三大功能模块：模板控制， 协同控制及造型建模器，如图2 1 所示。模板控制模块的主要功能体现在模板 创建、模板解释、模板操作、模板的查询匹配等方面，x e r c e s c + + 解析器及x m l 编辑器为t d m l 语言的操作提供了后台支持。协同设计流程及任务的控制则由 协同控制模块负责，包括协调设计任务间的交流与合作及驱动串并行设计任务 的进程。而造型建模模块提供了模板可视化的接口，将基于模板获取的设计结 果图形化，主要采用三维建模器a c i s 作为几何造型核心。三大基本模块之间 存在大量不同种类的信息交流，以模板库、任务库、工程数据库及图形摩作为 数据基础，构建了整个协同模板设计系统的框架。 _ _ 7 、 一s 8 9 i x m l ”f i l e 5 m s t 。“m 一- ： s 裟”2 = f ? 图2 1 协i 司模板建模系统框架 2 2 2 技术支持 1 w i n s o c k w i n d o w ss o c k e t 规范以u c b e r k e l e y 大学b s du n i x 中流行的s o c k e t 接 1 2 i 范例定义了一套m i c r o s o f tw i n d o w s 下网络编程接口。它不仅包含了人们所熟 悉的b e r k e l e ys o c k e t 风格的库函数，也包含了一组针对w i n d o w s 的扩展库函数， 以使程序员能充分地利用w i n d o w s 消息驱动机制进行编程。w i n s o c k 是网络编 程接口，而不是网络协议 46 1 。 1 1w i n s o c k 网络编程接口的原理 t c p i p 应用编程接口是上层应用访问网络的界面，与程序员直接交互的是 核心协议提供的编程界面，它构成了核心协议的应用程序视图，t c p i p 并没有 对应用程序接口进行标准化，应用程序接口通常和操作系统紧密联系，不同的 操作系统提供不同的接口。s o c k e t 编程接口和w i n d o w s 下的w i n s o c k 编程接口 只是其中使用最广泛的两类网络编程接口( 统称为s o c k e t ) 。s o c k e t 其实是一种 进程间通信机制，正如u n i x 系统的管道、信号等，s o c k e t 提供了进程之间进 行通讯、相互作用的一种方法。 2 ) 套接字 网络通讯的基石是套接字，一个套接字是通讯的一端，在这一端上存在与 其对应的一个名字，一个正在被使用的套接口都有它的类型和与其相关的进程。 同一个域中的套接字通常相互交换数据( 数据交换也可能穿越域的界限，但这 时一定要执行某种解释程序) 。w i n d o w ss o c k e t 规范支持单一的通讯域，即 i n t e r n e t 域。各种进程使用这个域，相互之间用i n t e r n e t 协议族来进行通讯。 2 x m l x m l l 4 7 】是w 3 c 的正式推荐标准，其源于s g m l ( 标准通用标记语言) ，遵 循严格的语法要求，便于在不同的系统之间进行数据交换，有较好的保值性， 是一种跨平台的、与软、硬件无关的、处理信息的工具，具备极强的扩展性， 可用于定义新的置标语言。x m l 侧重于结构化地描述信息，结构清晰，便于阅 读与维护。随着x m l 研究的发展，更多的优点体现出来：可读性好，语法规 范严格，可扩展性强，内容和结构独立，标准通用 4 8 1 4 引。 3 a c i s a c i s 是美国s p a t i a lt e c h n o l o g y 公司推出的三维几何造型引擎，采用以边 界表示法f b r e p ) 为主的三维建模，它集线框、曲面和实体造型于一体，并允许 这三种表示共存于统一的数据结构中，为各种3 d 造型应用的开发提供了几何 造型平台。s p a t i a lt e c h n o l o g y 公司在1 9 8 6 年成立，目前a c i s3 dt o o l k i t 在世 界上已有3 8 0 多个基于它的开发商，并有18 0 多个基于它的商业应用，最终用 户已近一百万。许多著名的大型系统都是以a c i s 作为造型内核，如a u t o c a d 、 c a d k e y 、m e c h a n i c a ld e s k t o p 、b r a v o 、t r i s p e c t i v e s 、t u r b o c a d 、s o l i dm o d e l e r 、 v e l l u ms o l i d 等1 5 0 1 。 1 ) a c i s 的开发接口 基于a c i s 的开发接口有3 个：a p i 函数、c + + 类和d i 函数。a m f c ( a c i s m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sc o m p o n e n t ) 是专门为m i c r o s o f tw i n d o w s 平台提供的 与m f c 的接口。 a p i 函数( a p p l i c a t i o np r o c e d u r a li n t e r f a c e ) ：a p i 函数提供了应用与a c i s 间的主要接口。应用通过调用a p i 函数建立、修改或恢复数据，无论a c i s 底 层的数据结构或函数如何修改，这些函数在每一版本中均保持不变。当在a p i 例程中发生错误时，a c i s 可立即自动回溯到调用此a p i 例程前的状态，从而 保证模型不会崩溃。 类( c l a s s ) ：类是a c i s 以c + + 类的形式提供的开发接口，可用于定义模 型的几何、拓扑以及实现其它功能。在应用中，可直接通过类的公共( p u b l i c ) 数据