（机械制造及其自动化专业论文）面向三维cad的协同设计技术研究与系统开发.pdf

iii 摘 要 协同设计系统支持分布式多用户参与机械零部件的同步设计和评估活动， 具有很强 的并发性和同步性，目前对协同造型系统的研究还只是处于初级阶段，已有的系统为 数不多，而且在对协同活动的支持程度上并不完善，其原因主要在于现有的模型同步 机制和网络带宽难以满足协同设计系统即时性的要求。 为了解决目前协同造型困难和模型同步机制不完善的问题， 本文提出了一种面向三 维 cad 的协同设计系统构架， 并在此构架基础上制定了支持协同同步造型的协同设计 通信协议(ccp)，在该协议基础上借鉴 microsoft mfc 消息机制提出了基于 xml 的消 息通信机制，更进一步提出了支持 ccp 协议的基于消息的增量式模型同步机制。 协同设计系统数据管理比较常见的是基于图文档和关系数据库的管理方案， 其缺点 主要在于协同程度和效率低下。本文还对面向对象工程数据库的数据管理方式及其实 现方法进行了比较深入的研究。 最后， 本文以基于消息的增量式模型同步机制为主要理论基础， 在国家 863 计划的 经费支持下，进行面向三维 cad 的协同设计(cocad)原型系统的研究与开发，通过同 通用三维 cad 平台(开目 cad 三维系统)的集成，实现了多用户异地即时协同造型和 浏览。原型系统实现了同步浏览、协同会议、文字交流和 web 发布等协同设计手段， 使用效果良好。 关键词关键词 ： 协同设计 协同造型 通信协议 基于 xml 的消息通信 增量式模型同步 面向对象工程数据库 iv abstract collaborative design systems support multiple users who distributed in locations to participate in mechanical components synchronous design and evaluation, which are both concurrent and synchronized. the research on collaborative modeling system is only at an early stage at present, so there is few existing systems are developed. because of the synchronous method of models and network bandwidth is far from the requirements of collaborative activities, the support to collaborative design by existing systems is far from consummation. in order to overcome the difficulties in collaborative modeling and synchronous method of models, the thesis first puts forward a structure of collaborative design system based on 3d cad and then defines the collaborative design communication protocol (ccp), which can support collaborative synchronous modeling. later on the thesis presents a communicate method of messages based on xml and an incremental synchronous method of models based on ccp and messages. the method of data management in collaborative design systems is typically based on whole models and documents as well as relationship database. the shortcoming of this method is mainly about low level and efficiency in collaborative activities. the thesis particularly discusses the method of data management based on object-oriented database (oodb). based on the methodology mentioned above, under the support of hi-tech research and development program of china, a main collaborative design system based on 3d cad (cocad) has been developed. the system is integrated with kmcad 3d system and supports multiple users to take part in synchronous modeling and browsing. several collaborative methods such as synchronous browsing, collaborative meeting, text communication and web publishing are realized in this system. with the system, the collaborative design activities can be proceeded more effectively. keyword : collaborative design collaborative modeling network protocol message communicate method based on xml incremental synchronous method of models object-oriented database 1 1 绪论 1.1 课题来源、目的和意义 1.1.1 课题的来源 本课题来源于国家 863 课题“面向行业典型产品的三维数字化设计系统框架及通 用平台”(项目编号：2002aa411010)。该课题由北航海尔软件有限公司与武汉开目信 息技术有限公司等单位承担，本文是对该课题中的“基于 web 的协同组件模块”功 能的深入和扩展，主要针对面向三维 cad 的协同设计的关键技术进行了相应研究。 1.1.2 课题的目的 信息技术和计算机网络技术的发展使得制造环境与传统经济时代相比发生了根 本性的变化12。制造业面临着全球性的市场、资源、技术和人员的竞争，开放的全 球大市场使得消费者更具有选择性、个性化和多样性的需求，企业面临着越来越大的 压力。如何在尽可能短的时间内，用尽可能低的成本，生产出质量尽可能高的产品， 已经成为企业生存和发展的重要条件。面对随机、动态、竞争的制造环境，近年来， 出现了一些新的先进制造技术和先进制造模式。 并行工程(concurrent engineering)是适应短开发周期的一种集成、 并行地设计产品 及其相关过程(包括制造和支持)的系统化方法。该方法力图使开发人员从一开始就考 虑产品从概念设计到报废的全生命周期的所有因素，包括质量、成本、计划和用户需 求；其设计思想是为了缩短新产品开发周期(time)，提高产品质量(quality)，降低设 计生产成本(cost)，加强售后服务(service)，即围绕 tqcs 提出的先进设计思想。其优 势在于利用计算机网络和数据库支持人人之间的交互， 而不是传统的人机之间的 交互，但并行工程仅仅满足于在设计人员之间进行数据层面的交互，而忽略了设计人 员之间交流思想、共享知识的需要，因此并不能很好地支持产品创新设计。 与并行工程相比， “协同工程”(collaborative engineering)更加突出人的作用。协 同工程要求有效地支持跨时间、跨地域、跨学科的多功能小组的协同工作，实现不同 领域的知识共享和设计思想交流。协同工程强调相关活动的各方面人员(包括设计、 制造、销售、管理、维护、甚至最终用户)的协同工作。协同工程思想认为，在未来 2 的全球化企业竞争中，只有使来自不同专业领域、具有不同经验技能的专家彼此间共 享知识、交流思想、激发灵感，才能有效地实现产品设计的创新即“协同创新” (collaborative innovation)。 协同工程是一种分布式产品设计和开发模式， 它对传统的设计手段和设计工具提 出了新的要求，需要为用户提供实时的、在线的协同讨论和问题求解的协作工具和环 境，使得与产品整个生命周期相关的人员都能够为产品的开发做出贡献。internet 和 网络通信技术的发展极大地缩小了时空对人类的限制， 这使得全球化产品开发和协同 工程逐渐成为可能。 协同设计中多个来自不同专业领域的设计主体(或称专家)，通过信息交换和相互 协同机制， 分别完成各自的协作任务， 以实现共同的设计目标。 从实际来看， cad/cam 技术有了广泛的应用，对并行工程已有了大量的研究，而对于协同工作还缺乏有效的 支持工具和手段，并行工程的优势无法充分发挥出来，而同步的协同设计工具是其重 要的支持工具之一。 由于三维特征造型系统目前已经逐渐取代二维 cad 平台，成为工业设计界的主 流，因此，将协同设计与网络环境下的三维 cad 技术相结合，将是 cad 技术下一步 研究的重要方向3。 本课题的主要目的是研究基于通用三维 cad 平台的协同设计系统模型及开发技 术，并对协同设计通信协议、通信机制、模型同步机制、数据管理方式等关键技术做 一定深入的研究， 通过对这些技术的研究与实现， 实现协同设计系统与通用三维 cad 平台的系统集成，以对面向三维 cad 的协同设计实现方法做一探索，从而使目前三 维 cad 产品对从概念设计到详细设计提供协同设计活动支持。 1.1.3 课题的意义 本论文主要研究网络环境下面向三维 cad 的协同设计关键技术， 实现具体 cad 平台上基于三维几何模型的实时、在线的协同设计和浏览。协同设计及相关技术是对 现有 cad 产品功能瓶颈的一大突破，具有重大的现实意义，主要表现在： 1协同设计已成为现有 cad 产品发展的一大瓶颈，本系统为产品设计的各个阶 段的设计人员提供一个统一的协同设计交流的平台，使设计人员能随时交流设计思 想，及时解决相互间的矛盾和冲突，减少设计时间，提高设计效率。 2提供基于 com 的分布式数据管理，为用户提供统一的数据管理平台，系统采 用模块化构建，使得扩充和自定义平台功能更加容易，能更好的满足企业个性化、多 3 样性的需求。 3采用基于 xml 的网络数据传输机制，既可以统一企业内或行业内的数据传输 格式，方便不同计算机系统之间的数据共享，为企业信息化的进一步实施提供坚实基 础，又可以使得数据表示方式更丰富、更具扩展性，方便日后对系统的维护和升级。 4采用基于消息的增量式造型同步机制，可以有效地减少网络资源的占用和网络 带宽对协同系统的影响，从而使得 internet 环境下的异地实时协同设计成为可能。 1.2 相关研究领域的国内外现状 1.2.1 先进制造技术与先进制造模式 以计算机和信息技术与传统制造业相结合为特征的先进制造技术，改善了美国曾 称之为夕阳工业的制造业发展态势。 信息技术特别是因特网技术的发展加快了全球制 造发展的进程。美国 1997 年完成的具有影响的下一代制造研究报告4 5，从美国 制造业发展历史提出对 21 世纪美国制造业如何发展的建议，把计算机集成制造、敏 捷制造、虚拟企业以及创新和制造企业信息化等已有的理论和概念具体化，把今天最 优秀企业的实践作为一个整体研究近期发展趋势，为 21 世纪具有全球竞争能力的制 造企业制定出检验标准，为当前的企业提供对照的参考，以便采取措施，向“下一代 制造”企业迈进。 网络化、全球化信息技术的发展，一方面为制造商提供了良好的商业信息，另一 方面也反映了少品种大批量的生产模式难以追踪市场的快速和多变， 导致制造业入不 敷出，严重衰退。为此，人们试图以计算机技术、集成制造技术为基础，改变制造业 面临的困境。但实践证明，单纯的技术改造难以与全球性的市场变化相对峙，现行生 产模式同市场变化间的矛盾愈来愈突出，已成为制约制造业发展的主要障碍。 探索与研究适应全球竞争的新型生产模式已迫在眉睫，这是全球信息化技术和市 场多变性需求双重作用的结果。许多发达国家也在先后经历了柔性制造系统(flexible manufacturing system， fms)、 计算机集成制造系统(computer integrated manufacturing system，cims)后，意识到生产模式的变革才是最终根本。从 20 世纪 80 年代后期， 美、日、加、澳及西欧各国先后提出多种模式的制造战略和研究开发计划，如智能制 造系统(intelligent manufacturing system，ims)、精益生产(lean production，lp)、分 形公司(fractal company，fc)、敏捷制造(agile manufacturing，am)等，其中最有影 响的是敏捷制造战略6。同时，人们正迈向信息社会，以微电子、信息、新材料、系 4 统科学为代表的新一代工程科学与技术的迅猛发展及其在制造领域中的广泛渗透、 应 用和衍生，极大地拓展了制造活动的深度和广度，急剧地改变了现代制造业的设计方 法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构，产生了一大批新的制 造技术和制造模式。并行工程、敏捷制造、网络制造、大规模定制和快速原型制造已 经引起了众多现代制造企业和专家学者的关注。 1.2.2 计算机支持的协同工作 “计算机支持的协同工作(computer supported cooperative work， cscw)” 这一概 念最早是 1984 年美国麻省理工学院(mit)的 iren greif 和数字设备公司(dec)公司的 paul cashman 在描述有关如何用计算机支持交叉学科的人们共同工作的课题时提出 来的7。 1986 年 12 月美国 acm 在 texas 组织了第一次国际 cscw 学术会议，正式提出 了将计算机科学、通信技术、心理学、人类学、认知科学、社会学、组织管理等多个 学科综合在一起的新的研究领域cscw。 cscw 是以人们协同工作方式为背景，计算机网络和通信技术的发展为基础，具 有广泛应用领域为前提条件而发展形成的。可以这样描述这一研究领域：在计算机技 术支持的环境下，特别是在计算机网络环境下，一个群体协同工作完成一项共同的任 务。 按时间和空间来分，cscw 大致可以分为四类： 1)同步模式：同时同地的进行同一任务的合作方式，如共同决策、共同编辑文件、 cad、室内会议等。 2)分布式同步模式：在同一时间但不同地点进行同一任务的合作方式，如协同设 计、联合编辑、群体决策、视频会议等。 3)异步模式：在同一地点但不同时间进行同一任务的合作方式，如轮流作业等。 4)分布式异步模式：在不同时间且不同地点进行同一任务的合作方式，如电子邮 件。 本论文所研究内容主要是针对第二种模式下的协同工作，考虑异地之间的同步协 作情况。 cscw 对群体的协同工作进行支持，而群体的协作活动一般包括三个方面8：通 信(communication)，合作(cooperation)和协调(coordination)。围绕着对群体活动这三 方面的支持，实现 cscw 系统的关键技术有：群体工作理论；协同多媒体通信：冲 5 突解决与协调机制：共享对象与并发控制；多用户界面与人人交互接口；网络安全 性；基于 web 的协同工作等。 现在，协同应用系统的研究和开发正逐渐从早期的支持工作组级的小规模协作向 支持跨企业的、全球范围的大规模协作方向发展。早期研究的小规模协作系统，如桌 面会议系统、协同编著系统、应用共享系统等，都只是给人们提供了一种辅助性的交 互和交流手段，其作用还不足以使之成为企业或机构的关键性信息基础设施。而大规 模协作的协同应用系统是用来支持企业内部和企业之间的协同工作， 它具有地域范围 分散性、业务兴趣异构性和业务性质关键性等特征。 随着大规模协作的发展， cscw 出现了一些新的应用领域， 包括： 电子商务和 edi、 虚拟企业和组织、协同设计与制造、远程教育、远程医疗、虚拟协作环境、合作科学 研究等，这些新的 cscw 应用领域将对未来社会人们的工作、学习和生活产生深远 的影响。 1.2.3 计算机支持的协同设计 计算机支持的协同设计(computer-supported collaborative design， cscd)是cscw 在设计工作中的应用，它继承了传统的 cad 系统的技术，并在其基础上发展起来， 但是，cscd 系统和传统的 cad 系统相比，发生了质的变化。 对于协同设计至今还没有一个权威的定义。根据参照文献9，可定义如下： “协同设计是指两个或者两个以上来自不同专业领域的设计主体(或称专家)，通 过一定的信息交换和相互协同机制，分别完成各自的协作任务，以实现共同的设计目 标。 ” 协同设计的实质在于：通过交换、共享关于产品设计的信息和知识，从而提高产 品设计过程中决策的正确率，减少返工次数。加速决策的过程，进而提高设计的效率 10。 除了通用 cscw 技术之外，协同设计的研究内容主要包括以下几个方面： (1)支持 cad 模型的实时同步协同设计工具； (2)基于过程(活动)的异步协同设计和工作流管理工具： (3)基于 agent 的协同设计系统； (4)协同设计的约束管理和协调机制。 6 1.2.4 基于网络的协同 cad 计算机系统结构是沿着“单机单用户单机多用户多机系统计算机网 络计算机互连、互操作和协同工作”这样一种方向发展的。尤其是近几年来，计 算机网络和 internet 技术的不断普及和发展，使得 cad/cam 从传统的单机单用户系 统转向以网络为中心的分布式多用户系统， 即 cad/cam 有着分布化、 网络化的发展 趋势。 基于网络的协同 cad 技术是以产品开发全球化为背景， 在现有的 cad 技术的基 础上，结合计算机网络、通信以及协同设计技术而发展起来的。对基于网络的协同 cad 目前尚无统一的定义，一般看法是利用网络及其衍生技术、通过分布协同的工 作方式，使产品设计合理有序、设计方案和数据广泛优化、设计资源与信息模型广泛 共享的全新技术，从而保证了 cad 产品的高性能、高质量、低成本和短周期。 早在 1996 年 asme 中的 dac(design automation conference)分会上， 一个分布式 cad 设计系统weld 原型系统就被介绍给与会者， 引起了广泛的关注。 1997 年， asme 设计工程国际会议上首次设立“network-centric cad”专题研究，标志着基于 网络的 cad 技术已经得到了国际学术界的广泛认同。1998 年，有关网络 cad 的概 念被称为“基于 web 的设计”(web-based design)及“基于 internet 的 cad” (internet-based cad)。1999 年又将其称为“网络辅助设计”(internet-aided design)。 由此可见，基于网络的协同 cad 技术正逐渐成为一门新兴的学科，它所涉及的技术 主要包括：分布式数据库、元数据、标准数据交换格式、分布应用、网络技术、数据 压缩技术、计算机支持的协同工作。 因为基于网络的协同设计 cad 具有很高的实现价值，倍受人们的关注，现在国 外已经有不少企业开发出相关产品在市场上出售， 也有很多研究单位正在进行更加深 入的调查和研究，已经开发出不少原型系统。三维 cad 协同设计系统的任务是辅助 协调设计组及其他相关人员更方便快捷的完成产品的设计或更改活动，评估设计结 果，减少设计时间，提高设计质量。协同功能要求系统具备并行性和同步性。大多数 时间任务参与者会对同一个模型进行工作，而对该模型的修改、更新必须同步的传递 给其他用户，因此，为了解决用户间模型数据不一致的问题，协同系统的首要问题就 是并行控制和同步机制。 已有的三维协同造型系统在不同程度上都对这两点进行了研 究和探索。 cocadcam11是南澳大利亚大学先进制造研究中心的 kao 和 lin 开发的协同 7 cad/cam 系统， 它利用现有的商品化 cad/cam 软件提供的 api 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 nc 加工路径的协同仿真。cocadcam 已在局 域网和 internet 上加以实现。但是，没有实现几何实体模型的协同造型和编辑修改。 collide(collaborative industrial design environment) 12是一个支持同步共享的三 维 cad 原型系统，英国 brunel 大学交互设计研究中心的 nam 提出了“共享平台” (shared stage)的概念。 利用商品化软件 alias 的 api 插件， 完成 alias 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，collide 能在一定程度上实现 协同设计，但不能支持协同造型。 onespace13是 2000 年美国 cocerate 公司推出的协同系统软件，是一个真正的商 业化协同cad系统。 这个软件提供了比较先进的协同产品设计环境， 增强了现有cad 系统在协同设计方面的能力，通过动态造型(dynamic modeling)与特征识别相结合的 技术，实现基于特征的产品模型的协同编辑。但是这个系统唯一的限制就是它所支持 的 cad 系统的模型数据在服务器端都必须转换为其造型器 solid designer 的数据格 式，而这种具体的数据格式是不利于在网络上进行交换和共享的。 cyberview14是 iowa 大学 internet 实验室的 kang 和 grady 等提出的一个基于 www 的协同设计系统总体结构，它采用 vrml 在浏览器下实现分布设计小组的协 同浏览，产品模型采用 step，主要的工作是实现 step-vrml 转换、step-oodb 存储以及 vrml 浏览器。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。 geowebcad15提出的协同 cad 概念模型采用服务器终端结构，服务器负责 维护数据库和提供服务，分三个层次：pdm 数据库、数据管理服务层和终端服务层， 而终端也分为：数据维护终端、独立工作终端和协同设计终端。另外，geowebcad16 还研究了基于 web 架构的协同 cad 系统。 arcade17 18是德国 fraunhofer 计算机图形研究所提出的协同设计系统模型， 它 通过图形 i/o 管理器和对象管理器实现 open inventor 场景图的数据共享，可以实现 step 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。 国内学术界对 cscw 的研究起步于 1994 年，发表的文章比较多。以下主要综述 国内同行对协同设计的研究工作情况。 8 清华大学的史美林教授等研究并开发出一个计算机支持的协同设计支撑系统原型 codesign19，重点研究了协同体系结构、用户管理、访问控制、群组设计界面和 并发控制等方面的算法和策略。codesign 提供的只是协同工作系统的通用 cscw 部 分，使开发者能够以此为基础再进行具体协同应用的开发。 中科院计算所 cad 开放实验室的林宗楷研究员等研究了计算机支持的协同设计 的工作模式，并研制出支持协同设计的多 agent 原型系统cwagent20。 南京理工大学 cims 研究所探讨了 cscw 在 cad/cam 和先进制造领域的应用， 他们全面地研究了协同设计的系统结构、版本管理、任务调度和约束管理方法。 西北工业大学的现代设计与集成制造实验室对协同设计和网络 cad 等方面的技 术进行了研究，实现了一个协同浏览的设计系统，该系统能够通过网络进行三维零件 模型的实时会议讨论。 从以上分析看出，国内外的研究工作大多数只是实现了三维 cad 数据的协同浏 览和用户交互等协同手段，而对协同几何造型的实现很少，实现方式也仍不完善，这 样的协同设计方案只适用于局域网或 intranet 等高速网络， 而对于基于 internet 的异地 协同并不适合，其提供的功能和实时性都不能满足远程即时协同设计的需要；因为实 现仅停留在协同浏览和基本交互手段上， 协同造型需要解决的并行控制和同步机制处 理方式也仍不成熟，因此有必要对面向三维 cad 的协同设计中协同造型、同步机制、 并发控制等关键技术进行深入的研究， 而上述协同造型系统的方案可以借鉴用来实现 我们研究的三维 cad 协同设计原型系统。 1.3 论文内容 1.3.1 拟解决的关键问题 一般的，设计人员之间的协作活动可以分为两个层次：项目协作(project collaboration)和设计协作(design collaboration)。 项目协作是指开发人员按照一定的组织结构和项目进度计划，为同一个项目而工 作，完成项目协作需要项目管理和异步协作工具的支持。 设计协作是指开发人员按照一定的方式进行协作以解决单个具体的设计问题，完 成协作需要同步协作工具的支持。本论文主要研究的是面向三维 cad 的支持设计协 作任务的协同设计方法的关键技术。 同步协作应用要求实现协同应用程序之间的状态同步，即如何保证应用程序的初 9 始状态同步和状态同步更新。具体地，对于三维 cad 的协同应用来说，三维 cad 应 用程序的状态同步应该包含两个方面：显示同步和模型同步。 显示同步是指参与协作的用户能够以相同的视图来观察和操纵同一个几何模型， 实现“你见即我见”(wysisis)。 模型同步是指协作用户能够对几何模型进行编辑修改，造型操作结果能够实时地 传输给其他协作者，以保证不同用户几何模型的同步更新和一致。 从协同造型设计过程来看，需要解决以下关键问题： 1)internet 同步协同造型的实时性问题 网络协同设计离不开分布计算环境，分布带来的是异构性，这种异地分布的特性 会进一步反映在网络、硬件、操作系统、cad 应用程序、cad 数据模型等不同层面 上。对于分布式网络环境下的协同 cad 系统，网络带宽和传输速率对系统的实时性 能有着决定性的影响。 在协同设计过程中， 协作者希望协同系统具有很快的响应时间， 同时，在紧密耦合的协同设计任务中，需要经常的将编辑修改的几何模型传输给其他 的协作者，这是一种动态的数据交换；但是，cad/cam 软件本身就是一个很复杂的 系统，在单机上处理一个复杂的产品模型时往往都需要很长时间，而且几何模型的数 据量一般比较大，网络传输的开销巨大。虚拟企业往往采用的是广域网连接(64kb/s 的 isdn 专线或者 56kbps 的拨号网络连接)。因此，对于实现协同造型来说，在低速、 窄带宽 internet 环境下，如何减少网络传输数据、缩短传输延迟、减少系统网络负荷、 提高系统实时性能成为一个关键问题，具有重大意义21。同步协同造型要求的是频繁 的中间造型结果交换，要求保证实时性、对于 internet 环境下的同步协同造型，数据 量巨大的中间文件的交换是无法保证实时同步的。 2)实时性要求下的 cad 异构性问题 分布式产品开发小组的典型特点是分布异构，对于同步协同设计来说，这种异构 性尤其反映在 cad 应用程序和 cad 数据格式的异构性问题， 在协同造型中， 参与协 作的设计人员使用的是两个同构或异构的 cad 系统，要求实现两个系统之间的造型 同步。在 cims 和并行工程中，异构 cad 系统之间的产品数据模型交换采用中性文 件的方法，但这基本上是一种异步交换的方法。而且不同的数据格式在实时交换时如 何传递数据，这些都是急需要解决的问题。 1.3.2 研究目标、方法和技术路线 一个完整的面向三维 cad 的协同设计系统和应用的研究工作要达到以下目标： 10 (1)协同浏览：对于参与协作的用户，他们首先要求能够实时、同步地观察同一个 cad 产品模型，进行视图操作，做到显示同步，即“你见即我见”(wysiwis)。这 样，用户可以直接操作三维模型来进行讨论。 (2)协同造型：在协同讨论过程中，设计人员可以在线进行造型操作和模型编辑， 模型修改结果被实时地更新，实现多个 cad 系统之间的造型同步。 (3)协同标注：在协同讨论过程中，用户可以直接在三维模型上加以注释和标注， 以记录中间讨论结果，共享设计意图。 (4)协同查询：在协同讨论过程中，用户不仅仅限于观察模型，还应该能够查询到 感兴趣的产品模型信息，比如几何参数、设计约束、材料信息等属性信息。 (5)协同分析：对于设计分析人员(如结构分析、可制造性分析、可装配性分析等)， 应该能够实时地获得分析工作所必须的模型数据，在协作过程中同步地进行相关分 析。 分布式产品开发小组的不同成员对于协同设计系统具有不同的需求，因而，他们 所操作的协作客户端就具有不同的协同功能， 比如系统软件的用户参与设计活动只需 要浏览功能，项目经理需要浏览、查询和标注等功能，而产品设计人员则需要了解所 有的功能，对于工艺分析人员没必要进行协同造型，即不必要参与设计的过程。 本论文的研究内容重点是协同造型和协同浏览的部分，研究基于三维 cad 的协 同造型行为和协同模型视图操作的实现，利用现有的 cad 平台对其网络功能进行扩 展， 使得只适用于单机用户的 cad 系统具备支持网络状态下的协同设计工作的功能。 网络协同设计系统一个关键的问题就是制定符合协同设计要求的网络通信协议。 协同造型要求在两个 cad 系统之间实现造型同步，即造型操作和编辑修改结果能够 在协作方 cad 系统及时被更新。一般的方法是更新模型，然后 cad 程序重载模型， 这种方法的缺点是多次传送 cad 模型，造成网络很大负荷，不能保证实时性要求。 实际上，三维模型数据量是巨大的，为了满足协同设计过程的实时性，需要协同设计 系统具有很快的响应时间，在网络中传输全部的三维模型数据几乎不可能。为了尽可 能减少网络传输数据量，减小网络传输负荷，我们提出了一种基于消息通信的增量造 型方法， 在两个 cad 系统之间交换的不是 cad 数据模型， 而是很小的造型操作消息。 本地的造型操作事件被截获后，作为造型操作消息通过网络被发送给各协作 cad 程 序，cad 程序收到造型操作消息后，在本地的模型上重新实现该造型操作。实现这 种增量式协同几何造型技术的核心是制订出面向三维 cad 系统的协同设计通信协 议，为了使协议更具扩展性和通用性，我们采用 xml(extensible markup language， 11 可扩展标记语言)格式来制定通信协议。 从以上关键问题的分析和论文的研究目标来看，针对三维 cad 应用环境提出拟 实现的协同设计原型系统的技术研究路线如下： (1)首先参照 iso(国际标准化组织)网络通信协议， 定义面向三维 cad 的协同设计 通信协议模型； (2)借鉴 microsoft mfc(microsoft fundation classes，微软基本类库)消息机制，针 对现有三维 cad 造型和视图操作功能， 以通信消息原语的形式定义 cad 应用程序之 间的基本交互行为，定义三维 cad 协同设计系统在网络协同过程数据传输所需要的 消息结构、消息路由及处理机制； (3)根据通信消息原语，采用 xml 语言实现通信协议。 1.3.3 论文主要工作 遵从以上的技术路线，本学位论文对面向三维 cad 的协同设计关键技术进行了 比较全面、深入的研究，主要在以下方面进行研究和开发： （1） 制定三维 cad 系统协同设计通信协议 定义了面向三维 cad 的协同设计通信协议模型，并在此基础上制定并采用 xml 标记语言实现了该通信协议，协议支持基于消息通信的增量造型方法，使得通讯传输 数据量大大减少。 （2） 提出基于消息机制的增量造型方法 协同设计具有分布实时的特性，一般的方式是在每次几何模型发生变更时将全部 模型传输给所有客户端重新加载， 但这样的方法不仅在现有的网络带宽环境下不能满 足协同设计实时性的要求，也是对网络资源的巨大浪费，借鉴 microsoft mfc 消息机 制，论文提出了一种基于消息机制的增量造型方法，该方法的核心思想是在网络中传 输设计意图，而非设计数据，通过将设计意图由网络消息进行传递，不仅可以很好的 实现协同特征造型和同步浏览，同时可以将网络中传输的模型数据量大大减小，极大 的节约了网络资源和系统资源。 论文定义了“消息信封消息头消息体”的嵌套分层的消息结构，并按照三维 cad 系统协同设计通信协议定义了一整套消息产生、发送、路由以及处理的机制。 （3） 研究与开发面向三维 cad 的协同设计原型系统 完成面向三维 cad 的协同设计原型系统 cocad(collaborative 3d cad system)的 框架结构的设计，系统采用 b/s 和 c/s 集成的模式，为了满足通用性的问题，服务器 12 端是一个可独立运行的程序 cocadserver.exe， 而客户端(cocad.dll)是基于一个通用 三维 cad(开目 cad 三维系统 2.0)二次开发平台，采用插件的形式同开目 cad 三维 系统进行集成。 原型系统支持异地多用户同步浏览模型，支持实时协同造型会议，支持在线用户 实时的文字交流，支持模型 web 发布。 （4） 研究复制式模型同步机制和基于面向对象工程数据库的数据管理机制 模型同步和并发控制是协同设计系统实现过程中的关键问题，是一个完整协同设 计系统所不能回避的问题，在协同设计原型系统中，模型同步主要由同步管理器负责 处理，而并发控制则由数据管理器负责管理，这两个管理器和消息管理器、任务管理 器一起构成了原型系统的四个主要模块。 论文提出了一种复制式模型同步机制，同时对基于面向对象工程数据库的数据管 理机制进行了研究，并在原型系统中应用这些机制成功开发了相应的管理模块。 13 2 面向三维 cad 的协同设计原型系统设计 2.1 引言 目前国内外对三维 cad 协同造型系统的研究还处于初始阶段，已有成熟的三维 cad 协同造型系统相对很少，由于协同设计活动的复杂性、实时性，现有的系统在 更多的只是实现了协同浏览功能，表现出对协同设计活动支持功能不强、实时性弱等 不足，在通信协议、同步机制、并发控制等方面还有待进一步研究，系统结构也有待 进一步完善。本论文所研究并开发的面向三维 cad 的协同设计原型系统(cocad)是 一种基于通用三维 cad 平台(开目 cad 三维系统)开发的支持多用户异地即时协同设 计的协同系统，该系统不仅实现了基本的协同浏览功能，同时通过应用基于消息机制 的增量造型方法，为协同设计用户提供了协同造型的功能，对协同设计活动进行了有 效的支持。 本章主要从 cocad 系统结构、 ccp 通信协议的制定、 网络消息的表示、 基于 xml 的数据交换等关键技术方面进行了论述。 2.2 cocad 系统结构 client/server(客户端/服务器，c/s)模型和 browser/server(浏览器/服务器，b/s)模 型是目前协同造型系统所采用的两种主要的模型22，作为使用广泛的分布式计算模 型，这两种系统结构模型各有优势，但同时也有其自身的弊端，三维 cad 协同造型 系统是一个对实时性、稳定性、安全性以及系统可扩展性都要求很高的系统，有必要 对系统需求进行分析，研究符合需要的系统体系结构，并制定出支持该系统体系结构 的网络协议。下面将首先分析现有的 client/ server 结构和 browser/server 结构，然后 在两种模型基础上论述面向三维 cad 的协同设计原型系统结构。 2.2.1 client/server 结构 client/server结构模式最主要的特点是系统的数据处理不是在单个计算机上进行， 而是把分布计算的不同处理部分放在多台计算机上同时进行， 从而使服务器和客户端 处理的数据合理分布。 最明显的例子是 sql server 数据库服务系统， 服务器端存放海 量的数据并提供数据库操作等服务， 客户端作为整个系统的另一部分在客户端桌面计 14 算机上完成系统的程序逻辑和显示逻辑。c/s 模型中，服务器和客户端这两个部件通 过网络连接相互通信，系统数据处理被分散到服务器和客户端同时进行，可以方便的 对规模和硬件环境进行扩展，从而减少对网络带宽和成本的需求。c/s 模型体系结构 如图 2.1 所示。 数据库 显示 逻辑 事务 处理 逻辑 数据 处理 逻辑 请求 响应 客户机服务器 图2.1 client/server体系结构 c/s模型体系结构是目前三维cad协同造型系统采用的主要方式， 在这种模型下， 造型功能一般放在客户端而非服务器端， 服务器端给协同造型系统中的任务参与者提 供必要的事务处理机制，同时负责协调和处理数据的一致性。c/s 系统要解决的主要 问题在于减少客户端应用程序的复杂性和减小网络负荷之间的矛盾。 在协同造型环境 下，客户端复杂性取决于造型操作和交互活动的事务处理方式，而网络的负荷大小主 要取决于客户端和服务器端之间传输的特定大小和类型的几何模型数据量的大小。 2.2.2 browser/server 结构 b/s 体系结构由传统的二层 c/s 结构发展而来，是三层 c/s 结构在 web 上应用的 特例，即浏览器/web 服务器/数据库的三级结构。三层的 b/s 结构是把二层的 c/s 结 构的事务处理逻辑从客户机的任务中分离出来，由单独的一层来管理，这样客户端压 力大大减轻，网络和系统负荷更多的分配给服务器，而客户机只负责结果的显示和一 部分简单的操作，因此服务器端和客户端的交互也变成了一个简单的图形交互工作， 典型的 b/s 模式如图 2.2 所示。 15 数据库 事务 处理 逻辑 数据 处理 逻辑 请求 响应 web服务器数据库服务器 图2.2 browser/server体系结构 显示 逻辑 浏览器 请求 响应 在分布式环境下的应用中，b/s 这种服务器向多个客户提供服务的模式已是最常 见的方式。这种方式下，服务器方的昂贵的软件和硬件所提供的服务都可以被多个客 户共享，可以合理的节约资源。在 b/s 结构的三维协同设计系统中，cad 的造型功 能全部放置在服务器端，客户端不具有任何造型能力，它只向服务器发送造型的命令 和参数。用户在客户端的用户界面上的操作被当成事件通知给服务器端，这个事件与 服务器上特定的功能相关联， 服务器执行该功能并将执行结果以消息参数的形式发回 给客户端，客户端再对显示的图形进行更新。这种模式下，客户方不必要安装 cad 软件，只需要一个很小的具有显示和简单操作功能的客户端应用程序，即可实现三维 cad 具有的协同造型功能，浏览、查询、分析等操作甚至可以只通过通用的浏览器 程序完成。 因为客户端不具备造型能力，系统必须持续的将用户请求的执行结果从服务器发 给客户端以便不停更新客户端的图形显示，这对于网络带宽是个很大的负担；同时因 为几何造型本身计算量就十分巨大，在协同用户数目较多的情况下，服务器的响应时 间可能会很长，这是 b/s 结构的三维协同系统的缺点。其最大的优点在于系统对客户 机系统软硬件要求很低，很大程度上节约了客户端的软硬件资源投入。 2.2.3 cocad 系统设计要求 为了解决在协同设计活动中实现真正的协同造型功能，需要对系统要求和结构做 深入的分析，下面首先分析 c/s 和 b/s 两种分布式计算模式的优缺点和适用范围。 根据客户端的功能多少和所处的角色，分布式计算模式可以分为胖客户端和瘦客 户端。其中，胖客户端是把全部造型功能和交互功能放在客户端，并在客户端本地维 持一个局部几何模型；相反瘦客户端则是把造型功能全部放在服务器上，服务器一般 16 只发送图形用户界面给客户端， 客户端用户的点击事件将界面的坐标参数传递给服务 器进行造型或其他处理， 处理完毕后服务器端再向客户端发送更新后的图形界面。 c/s 模式是典型的胖客户端模式，而 b/s 模式是典型的瘦客户端模式。 比较而言，胖客户端模式因为局部几何模型在客户端本地维持，因此协同过程中 的不同客户端的模型数据需要服务器来进行同步， 在客户端并行更改本地模型数据的 时候，防止服务器端模型数据不一致将是一个关键的问题。此外，胖客户端模式要求 客户端具有一定的计算处理能力， 但因为不需要在服务器和客户端间频繁传递模型数 据，对网络要求比较小，使得传输的内容由设计数据改为设计意图成为可能。 而瘦客户端模式把三维造型功能全部放在服务器端，需要持续的模型或图形图像 数据流在服务器端和客户端之间来回传输，网络代价很高，响应时间对许多计算量巨 大的几何造型功能也会很长，使得实时性要求很高的远程参与协同造型任务十分困 难。b/s 模型的最大应用是协同浏览零件模型，在客户端请求一个服务器上完整的模 型时，服务器可以一次性地将模型数据传送到客户端，客户端得到以特征为基础的模 型信息，使进一步的查询模型尺寸或提取零件信息成为可能。 支持协同造型功能的 cocad 系统要求在客户端或服务器端拥有强大的三维造型 功能，同时因为协同设计活动的即时性要求，需要系统在服务器端和客户端传递的消 息量尽可能的小，考虑到传递信息量的问题，c