（计算机软件与理论专业论文）基于xml的参数化特征语义描述的研究与实现.pdf

摘要 伴随着计算机的发展，计算机辅助设计c a d 技术在世界范窗获得了 广泛的应用，网络化应用成为了计算机辅助设计技术的主要发展趋势之一。 当前世界主流的c a d 软件普遍采用了基于特征的参数化建模技术，三维 模型的相关技术是其中的关键技术之一。本论文对“基于x m l 的参数化 特征语义描述的研究与实现”这一课题进行了研究并提出了解决方案。要 实现不同c a d 系统之间的三维c a d 数据交换，必须对三维模型及其建模 技术进行深刻总结，抓住其数学、几何方面的一致性，建立有关的信息描 述、组织和操作的规则，形成一套完整钓规范，绫此解决异构平台的交流 问题。二维草图是由基本的几何元素组成的，同一几何元素的不同描述方 式从数学、几何的角度必定可以互换，这为在不同c a d 系统之问交流二 维草图提供了理论基础。特征，即三维实体，可以看作由基本的三维实体 组合而成，面基本的三维实体可以由二维草图在空间沿一定轨迹运动面产 生，由于数学及几何本质的一致性。二维草图及箕运动轨迹的不同表达方 式也是可以互换的，这样我们可以实现不同c a d 系统之间建模技术的交 流。而要基于网络实现这一日标，必须采用适合于网络应用的交换方式， 这里采用x m l 作为实现工具。另外，本文还对版本管理和标识【d 编码进 行了深入的探讨。本文建立了相应的理论模型，并用通过应用实例验证了 所提出的理论的可行性、正确性。 关键词：x m l tc a d ：致据交换i 特征；参数亿设计 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , t h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt e c h n o l o g yi s b e i n gu s e di nt h ew o r l dw i d e l y , a n dt h en e t w o r ka p p l i c a t i o ni so n eo ft h em a i n d e v e l o p m e n td i r e c t i o n s c u r r e n t l y , t h em a i nc a ds o f t w a r e sr i f ep a r a m e t r i ca n d f e a t u r e b a s e d ，a n dt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gt e c h n o l o g yi st h e p i v o t a l t e c h n o l o g y t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r o j e c t t h ex m l - b a s e di n f o r m a t i o nd e s c r i p t i o n o f3 dc a df e a t u r e sd a t a ”a n dg i v e st h er e s o l u t i o n t oi m p l e m e n tt h ei n t e r c h a n g eo f t h et h r e e - d i m e n s i o n a lc a d d a t a ，i ti sn e c e s s a r yt os u m m a r i z et h et h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l sa n dm o d e l i n gt e c h n o l o g i e s t og r a s pt h e c o n s i s t e n c yo fm a t h e m a t i ca n d g e o m e t r y o ns u c hb a s i s ，w ec a ne s t a b l i s ht h er u l e so fe x p r e s s i n g ，o r g a n i z i n ga n d m a n i p u l a t i n gt h er e l a t e di n f o r m a t i o n ，a n dt h e ne s t a b l i s has e to fs t a n d a r d st or e s o l v e t h ep r o b l e mo f i n t e r c h a n g eb e t w e e nd i f f e r e n tc a dp l a t f o r m s t h et w o - d i m e n s i o n a l s k e t c hc o n s i s t so fb a s i cg e o m e t r yi t e m s ；t h ed i f f e r e n te x p r e s s i o n so ft h es a l t l e g e o m e t r yi t e mm u s tb ei n t e r c h a n g e a b l eo nt h eb a s i so fm a t h e m a t i c sa n dg e o m e t r y , w h i c hi st h et h e o r e t i cb a s i so ft h ei n t e r c h a n g eo ft h et w o d i m e n s i o n a ls k e t c h e s b e t w e e nd i f f e r e n tc a ds o f t w a r e s t oi m p l e m e n tt h i sg o a lo nt h ew e b ，w em u s t s e l e c tr ni n t e r c h a n g i n gm o d et h a ti s f i tf o rt h en e t w o r ka p p l i c a t i o n ，a n dt h ea u t h o r a d o p t sx m l t oi m p l e m e n ti t f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rh a sd o n es o m es p e c i a lw o r ko n t h em a n a g e m e n to fv e r s i o n sa n di d e n t i f y i n ge n t i t i e s i nt h e p a p e r , t h ea u t h o r e s t a b l i s h e sl o g i cm o d e l ，e x p l a i n st h er e l a t e dt h e o r ya n dg i v e sa ne x a m p l et h a tp r o v e s t h et h e o r yi sv i a b l ea n dr i g h t k e yw o r d s ：x m l ；c a d ；d a t ae x c h a n g i n g ；f e a t u r e ；p a r a m e t r i cd e s i g n 引言 引言 本课题来源于计算机网络协同设计。计算机网络协同设计，特别是异 构c a d 平台间的、跨地域的网络协同设计，是当今的一个研究热点问题， 其主要工作流程可以划分为三个大的步骤：信息的提取和描述，信息的传 递( 通过计算机网络) ，对信息的重建。 其中，图形和设计信息的统一描述是异构c a d 平台间协同设计的关 键技术所在，是网络协同设计过程中必不可少的一步。信息描述的与平台 无关性，是必然的要求之一，另外，信息描述的完整性，较少的冗余信息， 适合网络传输，信息处理的高效性等内容也要加以充分的考虑。但是三维 c a d 软件平台的多样性，却给网络协同设计带来了一定的困难。本文的主 要研究目的就是要建立一种高效准确的、能够对设计信息进行完整描述的 理论模型。 要想建立一种统一的图形与设计信息的描述方法，就必须对当今主流 三维c a d 软件的建模方法进行深入的认识。特征造型和参数化设计已经 成为主流的c a d 技术，通过分析比较发现，最为通用的建模方法主要包 括以旋转、拉伸、扫掠和放样为主的特征建模，以及以扫掠，旋转，拉伸 为主的曲面建模。虽然各个三维c a d 软件间的具体表现方式与操作方式 有所差异，但其几何本质是一致的，都可以通过分解成最基本的几何要素 来加以统一描述。 目前的产品信息在各系统之间的集成与交换，主要采用标准格式交换 法，如i g e s 标准、p d d i 标准、p d e s 标准和s t e p 标准等，但是存在着信息 丢失、实现困难、冗余信息多等不足。本文在深入分析现有网络协同设计 信息交换方法的基础上，重点研究了基于x m l 的三维c a d 图形信息及设 计意图的语义描述方法。通过对当前网络协同设计信息交换方法中存在的 几个不足进行了改进，并结合x m l 语言的层次化结构、可扩展性以及适合 网络传输等优点，提出了一种新的图形信息及设计意图的描述模型。本文 所提出的方法，重点解决了描述信息的完整性( 特别是设计意图信息的描 青岛大学硕士学位论文 述) 、描述信息的低冗余度要求、网络传输的实时性，信息处理的高效性等 问题。对于异构c a d 平台问的网络协同设计，具有一定的现实意义和参考 价值。 本文的主要内容如下： 第一章主要说明了论文研究的相关背景一异构三维c a d 平台间的两络 协同设计。并对计算机辅助设计及相关技术、网络通信技术以及x m l 及相 关技术做了简要的介绍。 第二章介绍了当今的国内外的研究现状，并对较为典型的解决方案加 以了分析与研究，并对其各自的优劣加以了比较。 第三章建立并详细阐述了作者的基于x 1 4 l 的三维c a d 图形信息及设 计意图的语义描述模型。其中重点探讨了几何信息描述、设计意图( 包含 设计历史、约束、参数化) 描述以及版本号和标识i d 管理的具体方法，并 为下一步研究工作的展开，奠定了理论基础。 第四章在前一章的理论基础之上，通过对典型实例的分析，进行了相 应的理论验证工作，证明了理论的可行性与正确性。 第五章对全文进行了概括性的总结，并在此基础上对未来的研究工作 做出了一些设想。 论文在以下几个方面有所创新： 1 设计并实现验证了基于x m l 的三维c a d 图形信息及设计意图的语义 描述方法。在分析前人工作的基础上，重点解决了几何信息的描述，特别 是设计意图( 包括设计历史、约束、参数化) 的描述闯题。由于完整的描 述了设计意图的各个方面，包括了设计过程信息。约柬信息以及参数化的 信息，因此对于整个设计工作的信息都加以了完整的描述，对于设计信息 不足的问题进行了解决，从而从根本上克服了一般传统方法描述信息缺失， 特别是设计意图信息的缺失问题。 2 对于版本号和标识i d 的设置管理等问题进行了实质性的探讨与深 2 引言 入，并提出了相应的解决方案。本文采用了分级匹配的版本号标识i d 的管 理方案，对于遍历查找实体信息时的时间复杂度问题可以得到较好的优化， 对于协同设计的具体实现有着一定的参考价值和实际意义。 以上创新点是本文的核心内容。论文将在后面的章节中队作者的研究 工作加以详细论述。 3 青岛大学硕士学位论文 第一章绪论 现代科学技术的飞速发展使得计算机应用技术快速渗透到社会生活的 各个领域，对计算机辅助设计( c a d ) 技术的研究结合计算机网络便产生了 网络协同设计。网络协同设计是一个融合了机械、计算机图形学，计算机 网路，图像处理，科学计算等学科的交叉研究领域。但是，由于现实中广 泛应用的计算机辅助设计( c a d ) 软件的多样性，因此，异构c a d 平台的网 络协同设计成为了当今的一个研究热点。在国际化分工协作日益紧密的今 天， 跨地域、跨平台的网络协同设计在社会生产活动中的作用日益明显。 1 1 选题的意义 在国际化大生产分工合作日益发展的今天，复杂机械产品的生产需要 不同企业、部门在不同区域的分工协作完成，由于三维c a d 软件的广泛应 用以及三维c a d 软件产品的多样性，使得异构c a d 平台问的信息交换越来 越频繁。由于产品信息是在不同的地点、不同的计算机和不同的c a d c a m 系统中设计，造成同一产品的信息表达差异。可以说，在网络协同设计发 展、而同时三维c a d 软件使用的选择多样化的今天，异构c a d 平台之间的 设计共享成为自然的需求，相应地出现了以下研究领域：如何实现异构c a d 平台间产品数据的交换? 如果能解决好这个问题。将为c a d 技术的应用带 来更大的发展。因此，实用的协同设计系统必须能在异构环境中运行，包 括数据传输、工具集成，还有跨平台的交互界面，这主要依靠标准化工作 来解决异构环境问题。建立一种良好的跨平台的网络协同设计解决方案， 必将能极大的提高社会生产力，这也是本课题的意义所在。 1 2 选题的背景 1 2 1 c a d 相关技术 计算机辅助设计c a d 就是利用计算机系统来辅助一项设计的建立、修 改、分析或优化。 计算机辅助设计技术( c a d ) 从五十年代末，伴随着计算机的发展、计 4 第一章绪论 算机能力的增强和存储管式图形显示技术而发展，c a d 系统以其强大的冲 击力，影响和改变着工业的各个方面，使传统的产品技术、工程技术发生 深刻的变革。三维模型设计中包括了产品完整的几何结构，还可以从三维 模型中产生其他各种视图，除基本标准的三视图外，还可生成轴测图、向 视图、各种剖视图、局部视图等。在三维的c a d 产品设计中，可以调节演 染所设计产品的一些基本属性，如光源设置，模型属性( 颜色、透明度、反 射系数等) ，还可以设置模型的颜色、纹理、反射、景深、阴影等效果，从 而达到渲染产品外观的效果。在三维的c a d 设计中，才可能建立进行有限 元分析的原始基本数据，进而实现产品的优化设计。用三维模型在装配状 态下进行零件设计，可避免实际的干涉现象起到事半功倍的作用。三维c a d 系统中，可藉助于三维实体模型及完整的造型结构，齐全的尺寸和几何约 束，充分的可以参数驱动的数据，以便完成设计的修改和调整，零部件的 装配、力学分析、运动分析、模拟仿真、数控加工等c a d 设计过程。针对 零件未来制造和使用过程的概要表达，加工方法要求、热处理要求、工件 材质、加工测量、加工定位基准的选定及其他一些必须的工艺要求，利用 系统的自动编程和后处理功能，实现n c 自动化编程。再通过必要的模拟仿 真，达到可以直接应用和指导生产。因此，基于特征的参数化三维设计技 术已经成为是c a d 的真正应用的开始。三维c a d 系统是技术创新和产品设 计的有效辅助工具，也是产品设计的最终出路。 在新一代c a d 技术中，特征造型和参数化技术已经成为c a d 技术的核 心，与本文的研究有着非常密切的关系。 一、特征造型技术 基于特征的造型系统则是显著的面向产品和工程应用。从理论体系的 发展过程来看，是以实体造型为基础并综合了曲面、线框、二维打样等多 种技术而又着力于满足工程应用需求的一种崭新的产品设计模式。在基于 特征的设计中，设计人员不再用具有纯几何意义的集合元素，而是用产品 功能要素等来设计。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品摸 5 青岛大学硕士学位论文 型容易为别人理解和组织生产，设计的图样更容易修改，设计人员可以将 更多的精力用在创造性的构思上。在c a d c a m 领域，特征必须满足以下条 件：特征必须是一个实体的具体构成或产品信息的携带者；具有一定的几 何形状；具有工程意义；特征的性质是可以预料的 二、参数化技术 参数化设计方法是基于约束的设计方法，基于约束的c a d 系统用约 束来表达产品模型的形状特征，定义一组参数以控制设计结果，从而能够 通过调整参数来修改设计模型，并能方便地创建一系列在形状或功能上类 似的设计方案，例如设计零件族。能解决设计时所必须考虑的几何图形约 束和工程约束等问题，具有在几何图形尺寸变动时自动更新图形的能力， 即尺寸驱动( d i m e n s i o nd r i v e n ) 功能。一般地，我们把基于约束的设计方 法统称为参数化方法。参数化设计允许设计人员在整个设计过程期间都能 通过对产品中所存在的约束参数进行任意的修改来驱动产品的外形，直到 得到满意的结果。到目前为止，世界各大c a d 公司相继推出自己的参数 化c a d 系统或在原有系统的基础上增加参数化功能。如美国参数化技术 口 公司p t c 的机械设计自动化软件p r o e n g i n e e r ，u g 公司的s o l i de d g e ， s o l i d w o r k s 公司的s o l i d w o r k s ，美国c v ( c o m p u t e rv i s i o n ) 公司的d p d ， a u t o d e s k 公司的a u t o c a dd e s i g n e r ，德国西门子利多幅公司的 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，国产 化的有自主版权的主要有华中理工大学的开目c a d 、中科院北京软件工程 研制中心开发的p i c a d 、浙江大学开发的a d d s 、深圳乔纳森科技有限公 司开发的中国c a d 等。 三、c a d 技术的发展方向 c a d 技术的主要有以下几个发展方向：n 1 1 、c a d 技术的可视化。 6 第一章绪论 2 、c a d 技术的集成化。 3 、c a d 技术的智能化。 4 、c a d 技术的网络化。 l i2 2 网络协同设计的现状 协同设计是由两个或多个设计专家，通过一定的信息交换和相互协作， 分别以不同的设计任务共同完成统一设计目标。协同工作一般按协同环境 与用户的交互方式分为异步方式和同步方式两大类；按设计平台可划分为 同构也异构平台两种。协同设计是集中多人的力量解决问题，在实际工作 中的重要性不言而喻。 而网络协同设计则是协同设计与网络相结合的产物。计算机网络的快 速发展，使得异地协同合作成为可能，网络环境下的c a d 技术已经成为 c a d 研究的重要方向。 网络协同设计的信息交流方式有两类： 一是通过网络传输原始的数据文件，由对方在接收到该文件后保存下 来或直接在相应软件中打开，所有的交流过程都如此进行。这种方式一般 要求各方使用相同的软件，至少是兼容的，这样才能处理交流的文件。该 方式存在着数据传输量巨大的问题，同时对c a d 软件的间的直接借口有 着很高的要求。但由于三维c a d 软件的多样性问题，造成了各个c a d 软 件间存在着兼容性问题，使得这种方法有很大的局限性，通用性差，一般 不被采用。钉3 1 们 二是通过网络不直接传输原始的三维c a d 数据，而是传递一种中性 的语义描述信息，而接受方再在自己的三维c a d 软件环境中，把这些信 息进行重建。这种方法采用较多，但是同时解决不同c a d 软件之间的交 流问题和通过网络实时交流的问题，这提出了新的挑战。要很好的完成异 构c a d 平台间实时的网络协同设计工作，就需要不仅解决好几何信息的 传输，还要保证好设计意图信息的传输问题。这正是当今网络协同设计研 7 青岛大学硕士学位论文 究工作的核心问题之一。 1 2 3 网络通信技术 图1 1 网络应用：客户和服务器 现今的计算机网络通信的程序，一般都采用客户服务器的通信模式， 如图1 1 所示。另外，为了保证传输信息可靠性，我们的传输应用协议采 用t c p 协议。对于详细的网络通信的套接口编程，可以参照相关书籍。 1 2 4x m l 相关技术 x m l 是一套定义语义标记的规则，它也是一种元标记语言，即定义了 用于定义其他与特定领域有关的、语义的、结构化的标记语言的句法语言 x m l 为开发者提供了一个途径来创建他们自己的格式，将这些格式用于文 档和数据时，使得它们组织严密而且标签清晰；同时这种格式使得应用开 发者们无论是否在网页上进行开发，使用x m l 来存储各种不同的信息都 将变得十分方便。x m l 可以当作几乎所有基于文本的信息的容器，简化了 把信息从一个应用程序传送到另一个应用程序的任务。“1 由于x m l 本身的树状结构，具有局部节点更新能力，而且支持查询 功能，可以实现对图素和特征的查找。利用这种特性，系统自动将设计者 进行的各种造型操作转化成为对x m l 的修改。创建新特征时，只需根据 预定义的格式添加新建特征的相应描述节点即可；修改设计时只需更改节 点属性即可；删除是只要找到相应节点删除即可。在网络应用中，修改后 传输的不是整个模型，而只传递简单的x m l 节点片断。由此可实现基于 x m l 构造的语义传输，由接收方负责重建，较好地解决了大量实体模型数 据传输造成的网络拥塞问题。 x m l 的优点主要有： 8 第一章绪论 x m l 的优势之一是开放性，它允许各个组织、个人建立适合自己需要 的标记集合，并且这些标记可以迅速地投入使用。这一特征使得x m l 可以 在电子商务、政府文档、司法、出版、c a d c a m 、保险机构、厂商和中介组 织信息交换等领域中一展身手，针对不同的系统、厂商提供各具特色的独 立解决方案。 x m l 的优势之二是分离性，它的数据存储格式不受显示格式的制约。 一般来说，一篇文档包括三个要素：数据、结构以及显示方式。对于h t m l 来说，显示方式内嵌在数据中，这样在创建文本时，要时时考虑输出格式， 如果因为需求不同而需要对同样的内容进行不同风格的显示时，要从头创 建一个全新的文档，重复工作量很大。此外h t m l 缺乏对数据结构的描述， 对于应用程序理解文档内容、抽取语义信息都有诸多不便。 哺3 x m l 把文档的三要素独立开来，分别处理。首先把显示格式从数据内 容中独立出来，保存在样式单文件( s t y l es h e e t ) 中，这样如果需要改变 文档的显示方式，只要修改样式文件就行了。x m l 的自我描述性质能够很 好地表现许多复杂的数据关系，使得基于x m l 的应用程序可以在x m l 文 件中准确高效地搜索相关的数据内容，忽略其他不相关部分。x m l 还有其 他许多优点，比如它有利于不同系统之间的信息交流，完全可以作为网际 语言，并有希望成为数据和文档交换的标准机制。订1 1 1 3 本章小结 本章对计算机辅助设计中与本课题密切相关的内容进行了介绍，主要 包括c a d 的特征造型技术、参数化设计技术、c a d 的发展趋势以及网络 通信技术、x m l 技术等相关问题。 9 青岛大学硕士学位论文 第二章国内外研究现状 随着计算机辅助设计( c a d ) 技术和网络通信技术的发展与结合，对网 络协同设计的研究在国内外都有很多。对于网络协同设计也提出了一些相 关的解决方案。本章将对国内外研究中的典型解决方案加以分析和介绍。 2 1 基于w e b 技术的网络协同设计 基于w e b 的协同设计系统充分利用w e b 的优点，实现了客户端的零安装， 访问使用方式简便，基于w e b 技术的网络协同设计方案在通信的解决方式上 一般也采用了客户服务器模式。其实现方式是利用市场上主流的绘图软 件，如a u t o c a d ，s o l i d w o r k s ，p r o e 等软件的网络功能，可以在图形绘 制完成后利用它们提供的向导，直接生成网页，使其图形能在网页上显示， 其他设计人员可以通过浏览网页的方式，来进行协同设计。在这种方式下， 只需要下载相应的网络插件，而不用在每个客户端都安装绘图软件，从而 可以降低对电脑性能的要求，节约成本。但是在这里实现的是简单的图形 潮览功能，并且是一个零件为一个页面。此外，对于信意盼交流，列一般 采用了独立开发的电子白板的方式来实现。也有一些研究提出了基于跨平 台多种c a d 用户的数据动态交换结构和模式，以o o d b 数据库为核心的多数据 库系统，各c a d 系统用户可以同时访问o o d b 数据库能够实现用户与服务器、 用户与用户之间的图形、数据的实时交互。但是，与o o d b 数据库进行设计 信息交互时，则一般采用了s t e p 、i g e s 、p d d i 、p d e s 等标准来进行信息转 换。【| 1 此种方案提出的网络协同设计动态数据交换机制和数据动态交换模式 的实现操作过程如下： ( 1 ) c a d 系统用户对需要交换的数据( 可以是共享信息，图形，文档等) 通过数据交换接口向服务器提出请求。 ( 2 ) 服务器收到请求后，通过多级安全认证和数据校验机制，验证请求 第二章国内外研究现状 的合理性，不合理就拒绝请求，合理就执行下一步操作。 ( 3 ) 对用户提出的合理的数据交换请求，服务器通过s e r v l e t 把交换数 据通过s t e p 标准转换成统一的数据格式。 ( 4 ) 数据库管理系统把s t e p 数据存储到o o d b 中 ( 5 ) 其它需要这些数据的用户就可以从o o d b 中提取相应的s t e p ( 或 d a t a 。把这些数据根据数据处理指示信息( 应用数据类型标识) 或根据自身 的处理逻辑作相应的处理，就可以把这些数据还原为实体。 通过以上步骤，这样一个数据交换过程就完成了。 图2 1 是基于w e b 技术的网络协同设计系统的构成方式。 图2 1 基于w e b 技术的眄络协同设计系统 图2 2 则是数据信息的交换模式。 虽然基于w e b 技术的网络协同设计方案有其实现简单等好处，但是对 于复杂的三维设计任务、频繁的实时交互需求、安全性等方面的支持却比 较薄弱。1 1 1 1 1 青岛大学硕士学位论文 c a d 用户 p r o e n g i n r c a t l a i - d e a s a u t o c a d s e r 、_ l e t 应用程序 s t e p 转换i i s 他p 文件i 哪嘴式文 ls t e pl o a d e s i s t e 呻n c i 娃件 上 o r c u 管理系统i 离 圈2 2 基于w e b 技术的罔络协同设计系统中信息的交换模式 2 2 基于a g e n t 的网络协同设计 基于a g e n t 的协同设计系统，将设计中的协同理解为a g e n t 之间的交互 工作，软件系统、最终用户等都可以被a g e n t 进行封装，从而可以实现比w e b 方式更加复杂的协作方式，完成更强大的功能。但此方式对于客户端有一 定的安装需求。 由于各设计模块都包含有大量的数据和自己相关的知识，它们在内容 和格式上都存在很大的差异，因此，在基于a g e n t 的网络协同设计解决方案 中，a g e n t 使用间接式通信方式，协同工具间通过通信a g e n t 进行信息交互。 第二章国内外研究现状 对于系统用户，该系统是纯b s 结构，只需使用测览器，协同用户间就可 以通过系统进行协同工作和信息沟通。系统主要由5 部分组成：协同应用工 具、通信a g e n t 、服务a g e n t 集、w e b 服务器、协同数据库。该协同设计平台 是分层的结构，包括应用、协作、通信、网络。应用层实现专用的协同设 计功能，这些功能包括协同会话、协同浏览、协同查询、协同批注等，由 系统中的各种应用a p p l e t 来实现。 在协同设计过程中，协同用户间的沟通交流以及协同设计系统的状态 更新与同步是通过系统中的多个a g e n t 之间的消息通信来实现的。消息是协 同设计系统的基本通信单元。协同工具间使用原语进行交互。原语是指服 务提供者和服务使用者交互作用的原子行动的描述，它描述服务提供者和 使用者一次原予交互作用的功能和各参数的意义。为保证规范性、可读性 和将来的可扩展性，使用x m l 来表示元语。 基于a g e n t 的协同设计系统相比基于w e b 技术的网络协同设计系统，有 了一定的改善和进步，但仍然存在着一些不足。因此有些研究工作是将这 两者的优点结合来进行“羽n 2 3 设计信息交互方式 目前的大多数研究方案，在异构三维c a d 平台设计信息的交互时，多为 采用了网络电子白板的方式。在产品设计过程中，经常需要不同部门的人 员进行讨论，尤其是在产品的概念设计阶段，非数据计算、通过思考、推 理及判断来解决的创新活动是较多且重要的。对小型企业可把大家召集在 一起进行讨论，但对很多大型企业，各部门比较分散，如果经常召集在一 起讨论，是一件费时费力的事情。因此，借用传统的c i i n e n t s e r v e r 模式 下的网络白板的概念，用a c t i v e x 技术开发了一个在b s 模式下可用的网络 电子白板a c t i v e x 控件。这一控件实现了多用户文字交谈功能，为用户提供 一个实时的文字交流环境；多用户图形绘制功能，为用户提供一些简单的 图形绘制功能，用户在概念设计阶段，可以通过这些功能绘制一些草图来 表达他们的设计思想：多种文档导人功能，用户可以根据需要导人g i f 、j p e g 青岛大学硕士学位论文 等图形文件、t x t 文本文件以及o x f 图形交换文件。在用电子白板进行协同 设计的过程中，要求各用户之间具有可靠的连接，因此，采用了面向连接 的字节流套接字模式( s t r e a - - m s o c k e t ) 的t c p i p 协议。电子白板实现协同 设计可以有集中式和分布式2 种。集中式方法就是某些功能位于一台服务器 上，其他用户通过网络获取服务，其特点是所有信息相对一致，但是网络 负担较重。分布式方法是采用对等模型，各站点的地位平等，功能是分布 的，只有需要协同的信息和数据才通过网络传输，减轻了网络的负担。其 特点是保持数据的一致性比较困难，但适应性广，适合于大范围分布的群 组工作方式。结合上述2 种方式和b s 模式的特点，在设计控件的时候采用 客户机应用服务器数据库服务器三层结构模式，将共享信息置于服务 器上，客户机上保留常用数据的一个副本。当某个用户进行一次操作后， 客户机并不立即更新本地数据，而是先把修改请求传递给服务器，服务器 更新全局数据后再向相应的客户机发出修改通知，各客户机接收到修改通 知后才更新本地数据。因为服务器与客户机之间传送的只是需要更新的数 据及简单的操作指令，这样既可减少网络信息流量，又易于维护数据的一 致性。 网络电子自板的优点就是实现起来相当简单，网络传输的实时性好， 传输信息量少等。但是网络电子白板有一个最大的缺陷，就是不能在异构 c a d 平台间进行设计信息的直接交互，而是在协同设计人员通过网络电子白 板进行充分协商达成一致后，然后在各自的c a d 平台上重新绘制相应的设计 内容，这样，一些操作的复杂性就转交给了网络协同设计人员，在设计效 率的有着一定的缺陷。 与网络电子白板相对应，还有另外的一种方式，就是在协同设计时， 设计信息的交换是在异构c a 砰台同直接进行的。也就是说，进行网络协同 设计的各个设计人员，可以在自己的c a d 平台上直接进行修改和协商设计内 容，在设计完成后，最终的设计就是当前c a d 平台中的内容，与网络电子白 板相比，对于设计效率有了很大的提高于改善。这种方法的关键所在就是， 1 4 第二章国内外研究现状 把协同设计工程中任何一方的修改，直接反应到其他的所有设计参与者的 c a d q z 台中，这就需要建立一种异构c a d 平台间设计信息交换的方法。“们“5 1 2 4 产品数据交换标准 目前的产品信息在各系统之间的集成现在主要采用标准格式交换法， 如i g e s 标准、p d d i 标准、p d e s 标准和s t e p 标准等。建立统一的产品数据交 换标准是实现网络协同设计、c a d c a m 技术集成化的必要条件。 但鉴于当前存在的数据交换标准都或多或少的存在着一定的问题，再 加上各个三维c a d 软件对相关标准的支持也并不统一和完善，因此，像i g e s 、 p d d i 、p d e s 和s t e p 等标准的应用并不能完全解决异构c a d 平台间的网络协同 设计问题。 当今存在的数据交换标准的不足主要有以下几点： ( 1 ) 以i g e s 为代表的产品数据交换标准，尽管在支持几何数据的交换方+ 面已达到实用程度，但它只支持物理层上的数据交换，难以满足信息集成 的需要； ( 2 ) 发展中的s t e p 尽管克服了i g e s 的不足，从理论上解决了同时支持物- 理层和逻辑层的数据交换，即实现信息交换的方法，但由于其刚刚起步， 在其资源的定义、程序实现、面向具体应用领域的参照模型的建立、特征 造型的实施以及对象库的管理和使用等许多方面还远没有达到实用程度； ( 3 ) 难以进行产品信息的统一管理、同步性维护、冗余控制和全局优化 创成： ( 4 ) 靠数据交换难以实现建立在满足下游开发活动约束及特定外部过 程约束的智能决策支持机制。 ( 5 ) 可扩展性差。 通过归结，可以看出，其主要问题就是：描述信息不完备、有信息丢 失的情况、冗余信息较多、信息量大且不利于网络传输、设计意图信息描 述不完整、无法实现尺寸驱动等。 针对以上情况，现今的国内外不少相关的解决方法，一般都是建立自 青岛大学硕士学位论文 己的描述方法，采用中性格式描述记录设计信息。当仍然没有从根本上完 全解决所有问题。本文就是主要针对以上情况，来建立一种可以完整描述 设计信息的语义描述模型，不仅要包括几何信息，还要包括设计历史、约 束、参数化在内的设计信息，并保证较低的信息冗余度，易于扩展，易于 网络传输的要求。川1 n 。3 2 5 本章小结 要真正实现网络协同设计，特别是基于异构c a d 平台的网络协同设计， 存在很多的工作需要解决，到目前为止，国内外已经有很多的研究工作和 解决方案，从不同角度探讨了其中一些问题。本章就是对一些具有典型代 表意义的方案加以介绍。但在该领域中仍然有一些问题有待解决，或解决 方案有待改进，本论文就是在这方面进行了一些工作，解决了其中三维 c a d 产品数据管理与交换的问题，有关的具体内容在下面章节中加以详 述。 1 6 第三章理论阐述与描述模型的建立 第三章理论阐述与描述模型的建立 本文所要解决的问题是建立一种c a d 图形信息及设计意图语义的描述 模型，通过该模型可以将三维c a d 软件的设计数据进行有效的网络传输， 以解决三维实体设计模型网络传输数据量大，网络负担重，系统不能及时 响应的问题，以及设计意图的完整保留问题。 3 1 建立模型的理论基础 3 1 1 特征造型技术 1 、特征造型的分类： 目前，在市场上有多种三维c a d 软件，国外的主要有： u n i g r a p h i c s ( u g ) ，s o l i d e d g e 、m d t 、s o li d w o r k s 、c i m a t r o n 、p r o e n g i n e e r 、 i d e a s 等；国内的主要有：高华c a d 、c a x a 电子图板和c a x a - m e 制造工程 师、g s c a d 9 8 、金银花系统、开目c a d 等。对于以上各个通用的三维c a d 软件，基本上都是基于特征造型技术的。从理论体系的发展过程来看，特 征造型不是处于实体造型之上的一种新的造型手段，而是以实体造型为基 础并综合了曲面、线框、二维打样等多种技术而又着力于满足工程应用需 求的一种崭新的产品设计模式。而实体造型技术产生的实体模型仅提供产 品的几何形状信息，而没有提供完整的产品信息；其所存储信息不具备高 级的工程意义，不便工程设计应用和推广；利用实体造型软件构造好产品 几何模型后，要对它进行设计惨改很不方便，其操作语义明显低于工程人 员的设计层次。所以实体模型与理想的产品模型仍有较大差距。从这方面 来看，基于特征的造型系统是显著的面向产品和工程应用的。盯n 盯乜“ 在基于特征的设计中，设计人员不再用具有纯几何意义的集合元素， 而是用产品功能要素等来设计。特征的引用直接体现了设计意图，使得建 立的产品模型容易为别人理解和组织生产，设计的图样更容易修改，设计 人员可以将更多的精力用在创造性的构思上。 1 7 青岛大学硕士学位论文 另外一种比较流行的特征定义是“特征是显示识别产品形状特点的实 体集，使产品能够在高层次概念的基础上进行交换”。在c a d c a m 领域，特 征必须满足以下条件：特征必须是一个实体的具体构成或产品信息的携带 者；具有一定的几何形状；具有工程意义；特征的性质是可以预料的。 对于各个三维c a d 软件，其特征造型技术的具体实现，各自之问有着 许多的差异，这也正是造成异构c a d 平台间进行交互协同设计困难的主要 原因。作者通过对一些主流三维c a d 软件造型技术进行分析总结的基础上， 通过对其公性的抽象，去除各个c a d 平台的特殊性，发现三维c a d 软件中 最通用的实体特征造型方式可分为四类：旋转特征、拉伸特征、扫掠特征 以及放样特征：而最为通用的曲面特征可以分为两类：扫掠曲面和拉伸曲 面，作者将这四类实体特征以及两类曲面特征作为主要对象进行研究。 2 、设计意图：- 特征造型技术能够直接体现设计意图，而设计意图又主要体现在三个 方面：设计过程( 也可称作设计历史) 、约束和参数化。下面就各个方面加 以阐述。 设计过程： 设计过程，也称设计历史，就是特征建立的先后时间顺序，在不同的 三维c a d 软件中，一般都是由特征生成树来记录和表征的。图3 1 和 图3 2 则为一个零件分别在s o l i de d g e 和s o l i dw o r k s 中的特征生成树： 第三章理论阐述与描述模型的建立 圈3 1s o l i de d g e 下的特征树 圉3 2s o l l d w o k s 下的特征 约束：在这里，约束主要是指拓扑约束，也就是拓扑元素之间的垂直、 平行、相等、同心、共线、贴合等关联，这是进行参数化尺寸驱动时， 能够保证图形整体形状的所在。可以说，约束，也就是拓扑约束，是 设计意图中的一个非常重要的部分。 参数化：参数化是基于变量化约束( 也称为几何约束) 的，是尺寸驱 动的基础，变量化约束主要指几何元素的尺寸，比如长度、直径、角 度等等。参数化，有时也可称之为变量化，两者没有严格意义上的区 分，是指给变量化约束指定一个变量名称，或者由系统默认生成一个 变量名称，并把该变量名称，也就是该变量化约束，与其他的变量名 称之间建立一定的映射关系，例如一个变量名称为x ，而另一个变量名 1 9 青岛大学硕士学位论文 称为y ，而变量x 、y 之间存在着这样的映射关系：x = 2 * y ，通过这种 方式，变量x 、y 之间建立了联系，当我们改变变量x 的值时，变量y 的值也会随之发生相应的改变，并且该改变是依从于x 、y 之间的映射 公式的；反之，当我们改变变量y 的值时，变量x 的值也会随着y 值 的改变而依据它们之间的映射公式来发生相应的改变。我们把这种方 法称之为参数尺寸化驱动。几乎所有的当今的三维c a d 软件，都普遍 支持参数化驱动。一般地，我们把基于变量化约束的设计方法统称为 参数化方法。基于变量化约束的c a d 系统用变量化约束来表达产品模 型的形状特征，定义一组参数以控制设计结果，从而能够通过调整参 数来修改设计模型，并能方便地创建系列在形状或功能上类似的设 计方案。参数化设计允许设计人员在整个设计过程期间都髓通过对产 品中所存在的约束参数进行任意的修改来驱动产品的外形，直到得到 满意的结果。驱动过程中对这些变量化约束参数的解算则是参数化中 的核心技术。 可以说，参数化是与变量化约束结合在一起的，其直接体现，就是 参数是直接依附于变量化约束的，变量化约束是参数化尺寸驱动的基 础。并且同时，在进行参数化驱动时，又离不开拓扑约束的支持，以 保持设计模型的整体形状。 3 1 2x m l 中d o m 技术的使用： 当我们编写访问和处理x m l 文档中数据的程序时，最为常用也是最重 要的工具就是d o m ( d o c u m e n to b j e c tm o d e l ，文档对象模型) 技术。d o m 的目的就是对x m l 文档内容和结构提供程序访问，包括从文档读取数据， 以及通过添加新元素等来修改数据和改变结构。不管使用的是何种编程语 言，都可以调用d o m 来执行所需的任务。同样地，不管使用的是何种x m l 解析器，只要它支持d o m ，都可以调用d o m 来访问和处理x m l 文档 可以将d o m 描述为一个a p i ，因为它提供一个应用程序可以调用处理x m l 2 0 第三章理论阐述与描述模型的建立 文档的接口。 下面，将简单介绍d o m 的基础组件： d o m 技术和树状模型 描述x m l 文档的一个方法就是使用树状模型，在树状模型中，文档的 所有东西( 包括元素、属性、处理指令、注释等等) 都是节点，包括一个 表示文档本身的根节点和所有直接或者间接从根节点分支而来的其他节 点。传统上，x m l 树中都是根节点在上面。状模型的一部分就是概念“遍 历树”，可以从文档树的任何地方开始遍历( 通常从根节点开始) ，遍历节 点和分支可以到达树中的任何位置。 d o m 使用概览。下面简单介绍d o m 的使用过程：创建d o m d o c u m e n t 对象的一个实例，该对象位于d o m 层次结构中的顶层；将x m l 文档加载 到d o m d o c u m e n t 对象中。x m l 文件可以从磁盘加载，或者在编写a s p 时从r e q u e s t 对象加载；使用d o m 的对象，属性和方法来获得有关文档内 容和结构的信息，以及根据需要修改文档的内容和结构；如果文档作了修 改，将它保存到磁盘或r e s p o n s e 对象