（机械工程专业论文）基于autocad三维造型实时协同设计的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 并行工程及敏捷制造是2 1 世纪的重要生产模式，网络支持的协同设计甜s c d ) 是并 行工程的重要组成部分，它能使不同地点的设计人员、制造人员以及用户都能同步或异 步的参与设计工作，从而缩短产品开发周期、减少开发成本和提高产品质量。 三维c a d 协同设计系统，由于其具有可视化好、形象直观、设计效率高，大大缩 短产品开发周期，给制造业带来根本性变化等优势，可见其取代传统的纯二维c a d 系 统已成为历史发展的必然。与传统的二维c a d 相比较，开发一个三维c a d 软件所涉及 的知识面较广、更为复杂、开发的难度更大。 本课题是在西南交通大学机械学院计算机可视化研究所研究课题“基于a u t 0 c a d 的异地多点实时协同设计平台”前期研究成果基础之上，实现a u t i d c a d 中三维实体的 协同操作，进一步完善二维实体图形数据的共享与浏览，并将c a d 中三维实体的协同 设计功能有效地嵌入平台中，使得整个协同设计平台功能更加完善。为此本文主要做了 如下工作： 1 利用o b j e c 认r x 2 0 1 0 对a i l t 0 c a d 中三维实体数据进行访问，并得到实体的具体 信息； 2 设计出一种合理的数据库数据存储结构，将得到实体数据进行有效地保存，再根 据s q l 数据库信息创建三维实体； 3 将三维实体协同设计功能有效地嵌入原有平台，并完善操作二维实体的功能； 4 对整个研究过程进行分析，提出经验总结，以及改进建议。 关键词：协同设计；a u t o c a d ；三维造型：o b j e 魄6 瓜x 西南交通大学硕士研究生学位论文第f i 页 a b s 舰c t c o n c l l r r e n te n 西i l e e 血ga n da 百1 em a n u f a c 岫ga r ee s s e n t i a lm a n u 缸t u 血gm a n n e r si l l m e2ls tc e 触l 珥n 咖o r ks u p p o n e dc o l l a b o r a t i v ed e s i 盟( n s c d ) i sa 1 1i l l l p o 舳tp 越0 f c o n c u r r e me n 百n e 翻n g ne 珑l b l e sd 【e s i g n e r s ，m a n u f a c t u r e r s ，趾du s e r st 0p a n i c i p a t ei 1 1t l l e d e s i 印a td i 触p l a c e ss y n c h r o n o u s l y0 ra l s y n c k o r k m s l y - w i mi t sh e l p ，吐l ed e v e l 叩m e n t c y c l eo ft l l ep r o d u c tc a nb es h o r t e i l e d ，l ec o s to fp r o d u c td e v e l o p l m e n tc a i lb ec 此锄d l e q u a l i t ) ro f t h ep l 硼i u 肚c 觚b e 曲p r 0 v e d s i l l c e 吐l e r ea r em a i l ya d v a n t a g e ss u c ha sv i s u a l i z a t i o i l e 伍c i e md e s i g n ，a n d r e d u c i i 坞 d e v e l 叩m 肌tc y c l ei i l 3 dc a ds y s t 咖，砌c hb 血ga b o u tm e 劬d 锄e 砌c h a l l g e sf o r m a i l u f 配t i j r i n gi i l d u s 仃y t h e r e f o r e ，“i sn e c e s s a 巧t l 俄的d i t i 伽脚2 dc a ds y s t i 弧i s s u p e r s e d e db y3 dc a ds y s t 锄b u ta tt l l es 锄et i r n ed e s i 咖n g 锄d 呻l 锄e 疏g i i l3 dc a d s y s t e mw i l lb em o r e 唧l i c a t i 喇锄dd i 伍c u l tc 伽叩a m 培谢m2 dc a d s y s t e m ，1 1 1 i st o p i ci sb a s e d0 np r e 、r i o u sr e s e a r c ha c l l i e v 锄e i l t so f “r i e s e 卸c ho n 仕i er e a l t i i i l e c o l l a b 嘁咖ed e s i 弘p l 舭b a s e d0 na l l t 0 c a d ”计l i c hi sr e s e a r c h e db ym eh l s 椭n eo f c 伽n p u t e r 、，i s u a l i z a t i o no f 廿l em e c h a i l i c a le n 班e e r 证gi l lt l l es 0 1 l m w e s tj i 蜘gu l l i v e r s i 吼 也i st o p i ch 嬲a c l l i e v e d 仕i ec o l l a b o 瑚时v eo p e r a ：c i o no f 曲优- 血n e n s i o n a le 砸够i na u t o c a d ， 如_ 吐l e ri l n p r o v e d 廿1 es h a r i n ga n db r o w s i l l go fm e 帆d i m e n s i 0 i 谢伊a p l l i c sd a 脓，e i n b e d d e d e f 诧c t i v e l ym e 砌1 a b 吼6 v e 砌e s 咖f e a t u r e so f l r e e d i i i l 吼s i o n a l s 0 1 i di i lc a dt 0t l l e p l a 仃o m ，a i l dm a d e 廿1 ew h o l ec o l l a b 训v ed e s i 印咖s o fn l ep l a 仃0 姗m o r ep e r f i e c t t 0 廿1 i se 1 1 dt 1 1 i sp a p e rm a d et 1 1 ef o l l 0 、) l ，i n g w o r k ： 1 a c c e s st l l ed a t ai l lm e 鹏e 枷e 1 1 s i o i l a ls o l i di na u t 0 c a db yo b j e c t a r x2 0l0 ，g e t 廿1 es p e c i f i ci r d 0 m l a l i o no ft 1 1 ce i 】五t i e s 2 d e s i g na 枷0 彻ld 撕b 嬲es t o m g e 鳓m c t u r e ，s t o r en l e 枷t ) rd a t a0 b t 豳e de 佰：c t i v e l y ， c r e a 钯t l l r e e - d j m e i l s i 0 i m le n t j t i e sa c c o r c l i i 培t os q l 也l t a b a s ei i l f o m a 廿o n 3 e m b e dm ec m d e s i 伊传a t i 鹏so ft h r c e - d i i i l e l l s i o n a l 训t i e st om e 嘶曲1 a lp l a t f 0 i m e 行e c t i v e l y 锄di 1 1 1 p r 0 v e 也ef c a ：t u r e so f 细。一d i i n e n t i o n a lo p e r a t i o n 4 a i l a l y s i st h ee i l t i r er e s e a r c hp r c c e s s 锄dp r c i p o s em ee x p 甜e n c e 锄d 抽1 p e n t k e yw o r d s ：r e a l t i l i l e c o l l a b o r a t i v ed e s i 趴；a l 工t o c a d ；t h r e e d i m e n s i o m lm o d e l i i l g ； o b j e c 删 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题提出的背景和现实意义 随着信息共享技术的进一步发展人与人之间的合作变得越来越重要，人们的工作 方式更具有互动性，而地理上的差异使人类社会的协作工作日趋重要。同时，随着通 信技术，计算机技术，分布式处理技术，交互技术和多媒体技术的发展，如何有效利 用计算机网络环境，提高合作效率引起了各位专家和学者的广泛注意【1 1 。随着网络技术， 通信技术和多媒体技术的飞速发展，使开展和应用各种协作系统成为可能，例如，远 程合作研究，电子商务，办公协调，军事系统协作，远程协作等【2 1 。计算机协同工作的 方式会大大提高人与人合作的效率，计算机技术的发展，将不可避免向c s c w 的方向 转变。 因此，在设计产品及产品开发的过程中，保持灵活性至关重要。目前，任何一个 高等院校、工厂、设计院并不能完全独立的完成产品的研究、设计及制造的全过程， 只能是科研院所专家，工厂工程师和各高等院校的学者们在现场完成协调。然而，这 种地理分布的差异使得他们难以实现现场协作，协调和调度任务，所以企业需要利用 网络为中心，充分利用信息技术，实现以网络为基础的协同工作团队模式【3 】。因此，协 同系统已经成为网络协同工作的关键技术，网络化设计及制造是未来生产企业的一大 趋势。 协同设计与并行工程技术是产品的内在要求，也是市场经济的需要。公司与公司 之间及部门与部门之间的协同工作已成为整个企业和经营单位的主要工作方式。越来 越多的企业为提高效率及设计水平开展并行工程，c m s 工程等【4 1 。但是，由于设计， 生产和销售必然存在着地域差异，因此，异地之间的设计和制造成为一个现代企业的 一个重要问题。 当前大部制造行业的图纸都是采用a m 0 c a d 来设计，图纸贯穿设计、生产、加工 制造和总装配整个过程，而设计过程总是跨多专业领域，不同专业领域的专家有各自 的相关经验和知识，要得到最令人满意的设计，这就要求最大限度地共享这些专家的 经验和知识，并可以方便地交流，而协同设计能够实现这个目的，所以研究基于 a u t 0 c a d 下的协同设计具有重要的现实意义。 目前，网络协同与交互是一项实施性很强的技术，然而由于其相关理论尚不成熟， 还存在大量的问题需要解决，大量的关键技术需要攻克。因此，研究其基本理论、技 术和实施方法具有重要的现实意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发展概况 国外对c s c w 系统的研究比较早，在8 0 年代就开始大力研究和发展制造系统的 数字化和网络化技术，并在当时取得了很大的成果，并为如今的c s c w 系统的研究提 供了基础。如：网络化制造、虚拟制造、敏捷制造等先进制造模式和概念、制造系统 的数字化建模与仿真、制造信息传递与安全等方面和数字制造系统的某些子系统已现 雏形【5 1 。 目前，国外对c s c w 系统的应用研究又更近了一步，e d s 公司出品的u g ( u 1 1 i 鲫l l i c s ) 是目前市场上功能最强的产品设计工具之一。u g 的设计协作集成了u g c a d 、标准的会议管理和协作应用( 白板、聊天、文件交换) 。它同时也实现虚拟设计团 队间的实时设计、可视化的协调与通讯。德国f r a l m h o 衙图形研究所开发的d i s t r i b u t i o n s k e t c h p a d 分布式草图协同系统，在一定程度上支持多人合作。它主要应用于视频会议 上对一共享图像进行浏览和评注等，会议成员可以通过创建、工程图和文本来对一张 共享的背景图片进行评注，并能将操作呈现给与会的所有在线用户。它支持图像方式 的协同编辑，但不能支持矢量化图形格式【6 1 。c o l l i d e ( c o l l a b o r a t i v eh l d u s t 五a 1d e s i 盟 e n v 衲姗e n t ) 是一个支持同步共享的三维c a d 原型系统，英国b 1 1 l n e l 大学交互设计研 究中心的n 锄提出了“共享平台 ( s h a r e ds t a g e ) 的概念。这类系统功能简单，通常 限于观察和评注的水平，并不是真正意义上的协同设计系统；波音公司以网络技术协 调分散在世界各地的分支机构和日本三菱重工等进行协同设计与制造，各分公司可以 同时在计算机屏幕上对3 0 0 多万个零件的三维模型进行观察和修改；s o l i d w o r b 公司 为了支持设计人员之间的合作和协同设计，s o l i d w o 舾公司开发了几个相关产品， e 【 阳l ，i n gp r o f e s s i o n a j3 dh l s t a n tw 曲s i t e ，3 dp a r t s n - e 锄n e t 。新加坡国立大学的q i a l l gl 等人开发了w p d s s 系统，它支持基于c a d 的网络协同设计，服务器提供c a d 几何 和工程信息，客户端共享这些信息，对操作过程实时监控，保持协同修改过程中数据 的一致性等。 k e l l t u c k y 大学计算机系的盈a n g 和c h e n 则研究了基于w 曲架构的协同c a d 系统， 通过讨论w 曲协同系统的优点，他们认为计算机网络为协同c a d 应用提供了一个理 想的支持环境【_ 7 1 。还具体地研究了协同用户界面、协同感知支持、同步与异步以及安全 性等技术。s l l a s 仃a 是美国p u r d u e 大学计算机科学系开发的一个分布式设计环境，它加强 了科学和工程设计中的协同工作。若一设计组组员分散于不同地点，可利用此环境来协 同地进行三维几何设计。a r c a d e 是德国f r a u n h o 衔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o p e ni n v e n t o r 场景图的数据共 享，可以实现s t e p 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 和标注功能，但不能实现协同造型和编辑修改。 1 2 2 国内发展现状 国内关于c s c w 的研究较晚。我过最早开始研究c s c w 系统的是清华大学史美林 教授等人，自1 9 9 8 年1 2 月以来，史美林等等人在国家自然基金委员会支持下，己连 续召开了三届c s c w 会议，清华大学、中科院和浙江大学等都发表过有关成果和 科技论文。如四川大学建立了一种基于多a g e n t 技术的c s c d ( c o m p u t 盯s u p p o r t c 0 0 p e r a t i v ed e s i 盟) 模型；南京理工大学提出了e c w s 实现网络化c s c d 制造，并以 m i c r o s o rn e t l i l e e 妇g 为协同支持工具为分散在异地的用户提供一个“你见即我见 的 实时协同工作环境；华南理工大学对基于、，r m l 和j a v a 的虚拟现实协同系统环境进行 了一定的研究等【8 】；中科院计算所c a d 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a g e n t 原型系统1 w a g e n t ； 西北工业大学、上海交通大学和武汉理工大学等在协同设计的理论及实现方面也做了 许多研究工作【8 】。同时，一些大型国家科技项目也开始涉足c s c w 领域，如国家“九 五 重点科技项目“现代计算机信息网络及其应用关键技术研究”便设立了子专题“计 算机协同工作技术 【1 0 】。 西南交通大学机械学院计算机可视化研究所研究了基于a u t o c a d 的点对点的异 地实时协同设计的相关技术，实现了部分2 d 图形数据共享与浏览的设计系统，并采 用分布式和集中式的混合结构，解决了数据过于集中的问题，并能实现添加、修改和 删除功能的数据处理和网络通信，也采用了权限交替解决了权限冲突问题，该系统能够 通过网络进行二维图形是实时设计与讨论，并支持尺寸、块、表格和编辑命令的实时操 作。 1 3 课题研究目标及内容 1 3 1 课题研究目标 课题在西南交通大学机械学院计算机可视化研究所研究课题“基于a u t 0 c a d 的异 地多点实时协同设计平台”前期研究成果基础之上，实现a u t o c a d 中三维实体的协同 操作，进一步完善二维实体图形数据的共享与浏览，并将c a d 中三维实体的协同设计 功能有效地嵌入平台中，使得整个协同设计平台功能更加完善。 1 3 2 课题研究内容 1 ) 利用o b j e c t a r x 2 0 1 0 对a u t o c a d 中三维实体数据进行访问，并得到实体的具 体信息。 2 ) 设计出一种合理的数据库数据存储结构，将得到实体数据进行有效地保存，再 根据s q l 数据库信息创建三维实体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 ) 将三维实体协同设计功能有效地嵌入原有平台，并完善操作二维实体的功能。 4 ) 对整个研究过程进行分析，提出经验总结，以及改进建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章c s c w 及c s c d 概述 2 1 计算机支持的协同工作 2 1 1c s c w 概述及特点 计算机技术的飞速发展使人类进入了一个快速发展的信息时代，一种全新的研究 领域一计算机支持的协同工作c s c w ( c 伽叩u t e rs u p p o n e dc o 0 p e r a t i v ew 6 r k 简称计 算机协同工作) 便应运而生。它的定义为地域分散的一个群体，借助计算机及网络技术， 共同协调与协作来完成一项任务，包括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f 9 1 。它以计算机网络为基础，把信息、通信技术与计算机 及其网络技术相互结合，并涵盖了多媒体技术，社会学，管理学，计算机网络和通讯 技术，心理学和其他学科。它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，从而节省工作人员的时间和 精力，提高群体工作质量和效率。 协同工作这个概念是1 9 8 4 年美国麻省理工学院( m i t ) 的依瑞格里夫和d e c 公司的保尔喀什曼等人在讲述他们所组织的有关如何用计算机支持来自不同领域与 学科的人们共同工作时提出的【10 1 。计算机支持的协同工作的意义在于在计算机支持的 环境下( c s ) ，特别是在网络环境下，一个群体协同完成一项共同的任务( c w ) ，它 的目标是设计出支持各样协同工作的工具、环境与应用系统。 c s c w 系统将多媒体技术、社会科学和网络通信技术紧密的结合起来从而形成了 一种新的计算机系统，并为人类的生活和工作方式提供了一个新的环境，进而满足人 们对信息的越来越多的需求。根据其定义及实现的目标可以概括出计算机支持的协同 设计有如下几种特性【ll 】： 群体性：某种产品的设计及研究需要的参与人数己超过两个相关方面的专家， 而这些设计专家们通常是相互独立的，都有着各自的知识，经验和能力来解决某一领 域的问题。 并行性：这些专家们的设计要达到一个共同的最终目标，他们是独立的、并行 的在各自的岗位上开展协同设计。 动态性：在参与设计时可以动态地增加或减少一些专家，整个协同设计体系结 构也是灵活的，可变的。 异地性：参与此次设计的专家们的地理位置可能存在差异。 协同性：系统中应存在一种机制，它能使专家们能够协同的完成设计，其中应 包括通信协议通信结构，碰撞检测和仲裁等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 2c s c w 系统模型和体系结构 2 1 2 1 系统模型 c s c w 系统目前一般分为4 层模型( 图2 1 ) 。第1 层为“开放系统互联环境“， 其主要目的为提供开放式的通信支撑环境，确保工作信息的有效交流；第2 层是解决 协同工作中的主要工具和主要机制，包括信息共享，信息安全控制和管理组成员等； 第3 层提供各种应用的程序接口，使上下层能够方便的进行交互，并使上层的各种应 用程序同下层的平台具有良好的独立性；第4 层是协同系统在各个领域的具体应用， 针对不同领域提供协作工具的集成，协同应用系统的开发【1 2 】。 图2 1c s c w 典型系统框架 一般来说c s c w 系统中可分为四个基本要素成员角色、共享对象、协作动作 和协作事件。每个c s c w 系统对角色的需求都各不相同，所以成员角色就要进行合理 的角色设定，从而更好的实现各个成员在系统中所起的作用。共享对象是各角色成员 在协同工作过程中一起操作的对象。协作动作主要是指各个角色成员在协同工作的过 程中所实现的协作过程【1 3 】。协作事件是指在协同工作的过程中存在的各种进展、冲突、 变化的状态指示，从而能更好的指导系统对各个成员的动作进行协调。 2 1 2 1 体系结构 c s c w 采用的基本体系结构主要包括集中式、复制式和混合式3 种。 ( 1 ) 集中式结构 集中式方法是遵循客户服务器模式。服务器集中负责整个系统的管理、控制和调 度，所有的事件将被发送给服务器，由服务器按照某种调度方式( 如先来先服务策略 或基于某种优先级的策略) 一次对这些事件进行处理，并将处理结果反馈给与这些事 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 件相应的客户方，由客户方根据这些结果去刷新它所显示的内容【1 4 1 。 这种结构最大的优点在于可以简化事件的调度，因此在保证各种类型对象的一致 性及用户视图的一致性方面不需要做复杂的控制处理。但这种结构只是在那些交互性 不是很强的协同系统中使用，由于结构本身的问题，它可能使客户方的响应速度下降、 服务器繁忙致使整个系统可靠性的降低，甚至瘫痪。本课题中并没有纯粹的采取这种 集中式结构。 ( 2 ) 复制式结构 复制式结构是将集中式结构服务器的功能“下放 到各客户方，各站点在地位上 是对等的，没有主从之分。因此，各个站点都可以维护某种对象，并可以在将用户的 操作转化成相关的事件之后，直接作用与它所维护的对象，即每一个站点都可接收其 他站点传来的事件，并将这些事件作用于它所维护的对象【1 5 】。但是这样会使整个结构 复杂度大大提高，对于每一步调度都需要完备的策略来保证系统的协同性，所以这种 结构适合在交互性比较强而且对系统的要求比较高的协作系统中使用。 ( 3 ) 混合式结构 混合式结构实际上就是将复制式结构与集中式结构进行综合，以发挥其各自的优 点，并避免它们的缺点。混合式结构的协作体系内，允许复制式结构与集中式结构两 种形式的应用共享机制同时存在，系统可以根据应用程序的需要进行选择。在网络环 境较差且数据量传输少时，采用复制式体系共享方式，可有效的保证高效的协作功能； 当用户之间处理的数据较大，且在高宽带的网络环境中，可以不用担心带宽的影响， 采用集中式共享方式，可以实现反应较快的数据交换。两种方式的结合，使系统的运 用更加的灵活，网络适应性更好，可提供更复杂的应用，实现全方位的协作【1 6 】。 2 2 计算机支持的协同设计 2 2 1c s c d 概述及特点 c s c d ( c o m l 叫e rs u p p o n e dc o l l a b a t i v ed e s i g n ) 计算机支持的协同设计是人 们在产品研发阶段中的一项主要应用，也是计算机支持的协同工作的一个重要组成部 分。随着社会的信息化、产品的数字化，市场竞争日趋激烈，在这么一个形势下，一 个企业或是一个团队只有通过不断的开发技术以实现缩短生产周期，提高产品质量， 降低产品成本，提高售后服务等措施来保证生存和发展。但是仅凭个人之力是不足够 的，所以团队的协同设计变得尤为关键，计算机支持的协同设计( c s c d ) 的工具和系 统就显得十分重要，也是一种必然的需求1 1 7 】。传统的产品设计在设计阶段使用顺序模 式，它把一个设计任务分成许多子任务，从而按照预先制定的工作流程有顺序地执行。 但是这种模式往往比较脆弱而刚性，而且需要大量的重复，从而使设计昂贵且耗时， 并且限制了能检验的设计替代选择。所以，计算机支持的协同设计这一个新概念优化 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 工程，会得到较好的产品质量，较短的产品周期，更具竞争力的成本和最终可以更好 地满足客户需求，是科技发展的必然趋势。 c s c d 的主要特征为信息集成、过程集成和组织集成，它把各个学科不同技术的 成员融合在一起对最终目标“产品进行协同设计。通常情况下，都会存在一个 协同数据库作为协同设计的基础，从而实现设计中的信息的交流、管理、处理等操作【1 8 】。 在协同设计的过程中，是由多人参与共同完成，并在计算机支持的网络环境下进行的 产品开发，如图2 2 所示。 图2 2 c s c d 环境与应用 2 2 2c s c d 体系结构 c s c d 系统主要是面向异地协同设计的工作环境，为产品开发提供一个柔性的协 同环境，为共享工作空间下的多用户和多角色协作模型、协同造型技术、媒体通信、 协作活动建模和性能分析提供一个良好的环境，所以c s c d 应具备更高的集成的技术 特性。 首先，需要有一个高性能的网络环境，这样才能使三维数据及多媒体信息得到可 靠正确的传输；其次，c s c d 系统应该能够保证多个事件而正确的并发执行，所以就 需要一种更为可靠的算法来实现处理操作冲突关系和确定目标对象的操作等。第三， 实现应用共享技术【l9 1 。应用共享的目的是扩展已有的大量单用户应用程序，使之由多 个用户共同控制，实现协作。最后，c s c d 系统应当提供进行实时交互的多媒体会议 系统，并具有音频、视频等功能，从而使协同交互更为流畅。 图2 3 即为c s c d 系统组成原理的体系结构图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 3c s c d 系统组成原理的体系结构图 2 3 基于a u t o c a d 的协同设计 本课题是在前一阶段的工作成果基础之上进行更深入的研究，上一阶段的研究主 要是对基于a u t 0 c a d 平台的协同设计的二维方面进行了研究，并取得一定的进展，初 步建立了一个点对点的几何图形实时协同设计原型系统。本课题作为其后续的研究工 作，对a u t o c a d 三维造型协同设计方面进行详细的研究。 2 3 1 系统的模型设计 本课题的研究是基于传统的单用户a u t 0 c a d 的基础上通过网络扩展而形成的支 持多用户的实时协同设计平台。支撑的c a d 平台采用美国a u t o d e s k 公司的产品 a u t o c a d2 0 1 0 ，在协同设计中的数据处理模块是以a u 协c a d2 0 1 0 的二次开发工具 o b j e c 删2 0 1 0 作为应用程序编程接口，通过o b j e c t d 汰x 库函数处理对象的数据，并 将其存储到s q l 数据库中，而用户通过采用a d o 技术实现s q l 数据库的访问。平台 研究的网络支撑环境是互联网和局域网，因此构建的网络通信模块必须支持互联网， 决定采用基于t c p m 的s o c k c t 技术来构建。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 用户界面 立 目 频 视 频 厶 i 议 系 统 事件感知与处理模块 通信模块 a u t o c a d 平台 t c p i p 通信 用户界面 a r x 数据处理模块i 叫事件感知与处理模块 网络图 形数据库 1 1 1 妊：n l 晌昀n e t 通信模块 a u t 0 c a d 平台 t c p i p 通信 音 频 视 频 会 议 系 统 图2 3 实时协同设计工作模式图 如图2 3 所示，本课题的软件代理包含事件感知与处理模块、触数据处理模块 和通信模块。事件感知与处理模块主要捕捉协同设计中的事件，使网络上用户能够互 相感知。灿数据处理模块主要处理三个方面的数据，完成读取a u t o c a d 数据库中 的图形数据并存储到网络数据库，从网络数据库读取对应的数据然后重新生成图形， 最后是管理网络上各用户的权限和信息。通信模块完成消息的网络传输功能。各模块 之间通过接口相互通信，其中事件感知与处理模块与通信模块的通信接口，j 6 妊数据 处理模块与其它用户的通信接口均采用t c p 口协议的s o c k e t 技术。通信的方式主要是 发送消息，消息主要有两大类，一类是a m o c a d 中对象事件，一类是用户申请权限的 消息。接口传递的数据是与之处理相关的消息，根据消息进行数据处理。 为共享a u t 0 c a d 图形数据，本课题在s q ls e 册2 0 0 5 中构建了一个网络a u t 0 c a d 图形数据库，数据库中的每一条记录就包含一个实体的数据。用户与a u t 0 c a d 的每次 交互时，只有少量的图形数据发生变化，只需将改动图形的数据更新到中央图形数据 库，并把这些改变的图形实体一个标识同时保存在对应数据记录中，数据存储后，通 过发送消息方式通知其它用户已发生的操作，而其它用户则剖析和处理消息，根据消 息中的关键字符串，即标识，并依据标识作为关键字，查询对应表中的记录，从记录 中读取相关的数据，经过数据处理模块重新生成图形，从而实现异地图形更新，达到 同步的效果。实际是这种数据每次传输的只是对应实体的一条记录，实体的修改，删 除体现在记录的更新，这样的动态数据格式中还包含网络中唯一的标识数据，以便对 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 实体数据进行动态处理，对于协同平台来说，表中的字段名s n 可以用来唯一的标识所 操作的实体，维护整个网络中实体的一致性，其它的是构成实体的基本几何数据和相 关属性数据。s q l 图形数据库实质上是对a u t o c a d 数据库进行网络的扩展，使网络的 用户都能共享单机a u t 0 c a d 的数据，实现协同平台的视图同步。 2 4 本章小结 本章简要介绍了计算机支持的协同工作( c s c w ) 和计算机支持的协同设计 ( c s c d ) 的概念及体系结构，提供了论文的研究方向，并对前一阶段的研究成果“基 于a u t 0 c a d 实时协同设计平台的研究 的系统平台进行分析研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第三章a c i s 系统架构 3 1a c i s 概述 a c i s 是一个基于面向对象软件技术的三维几何造型引擎，它是美国s p a t i a l t e c h n o l o g ) ，公司的产品，s p a t i a lt e c h n 0 1 0 9 y 公司成立于1 9 8 6 年，并于1 9 9 0 年首次推 出a c i s 。a c i s 一词由英国剑桥博士i a l lb m i d 及其同窗舢a i lg m y e r 、导师c h a r l e sl a l l g 三人的名字的第一个字母再加上s o l i d ( 实体) 的第一个字母组合而成。a c i s 最早的 开发人员来自美国n 鹏es p a c e 公司，而t h r e es p a c e 公司的的创办人来自于s h a p ed a t a 公司，因此a c i s 必然继承了r o m u l u s 的核心技术【2 0 】。a c i s 的重要特点是支持线框、 曲面、实体统一表示的非正则形体造型技术，能够处理非流形形体。 图3 1 为a c i s 体系结构图，a c i s 是用c + + 构造的图形系统开发平台，它包括一 系列的c + + 函数和类( 包括数据成员和方法) ，开发者可以使用这些类和函数构造一个 面向终端用户的2 3 维软件系统。a c i s 通过一个统一的数据结构来同时描述线框、曲 面和实体模型，这个数据结构用分层的c + + 类实现。a c i s 可以向应用程序提供一个包 括曲线、曲面和实体造型的统一开发环境，它提供了通用的基本造型功能，用户也可 以根据自己的特殊需要采用其中的一部分，也可以在这个基础上扩展它的功能。目前 a c i s3 dt o o l b t 在世界上已有3 8 0 多个基于它的开发商，并有1 8 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 0 c a d ，c a d k e y ，m e c h a i l i c a ld e 出0 p ，b m v 0 ，t r i s p e c t i v e s ，t u 而o c a d ，s o l i d m o d e l e r ，v e l l 吼s o l i d 等【2 1 1 。 3 2 应用程序与a c i s 的接口 图3 1 a c i s 体系图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 如图3 2 所示，a c i s 的接口可以通过s c h e m e 接口、a p i ( a p p l i c a t i o np r o c e d u 跏 i i l t e r f 犯e ，应用程序接口) 及其直接接口函数来实现。对于m i c r o s o r 的w i n d o w s 平台， 开发人员也可以在m f c ( m i c r o s o rf o l l i l d a t i o nc 1 嬲s e s ，微软基本类库) 中使用a c i s 接口【2 2 】。 ( 1 ) s c h e m e 接口 a c i s 中的s c h 锄e 接口的主要作用是保证s c h e m e 应用程序与a c i s 系统之间的通 信，它本质上是一些函数的集合，利用这些函数就可以进行一系列的操作，例如访问 a c i s 系统中的数据等。a c i s 系统中存在一个s c h e m e 解释器，它在一个命令窗口中接 收s c h e i n e 命令，最终在显示窗口中显示执行结果【2 3 】。 ( 2 ) a p i 函数 a c i s 的主要接口即为a p i 函数，其主要作用是在a c i s 系统中产生、修改和接收 数据。另外，a p i 函数还具有一些其他功能，如造型、参数错误检查等，可以同一些 应用程序相结合，从而使a c i s 系统更加完善。 ( 3 ) 类的直接接口函数 此种函数不能够支持a c i s 系统的各种应用程序，尽管可以直接调用函数进行造型 功能。另外，此接口不能够保证不同版本的一致性。 图3 2 a c i s 接口 3 3a c i s 结构 a c i s 是按照软件组建技术设计的软件产品，应用程序可以仅仅使用其中的一个组 件，大多情况下为了实现某个目标需要多个组件( 这些组件可以来自s p a t i a l 或第三方 软件) ，这时开发者可以使用他们所需的组件，开发者可以根据自己的平台或应用特点 选择最适合的一个。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 a c i s 提供了很多组件，表3 1 只列出a c i s 的核心组件。 表3 1a c i s 的核心组件 组件( 缩写)描述和注释 a g 样条( a g ) 基本功能( b a s e ) 基本着色( b r ) 混合( b l n d ) 布尔运算( b o o l ) 单元分解( c t ) 构造( c s t r ) 覆盖( c o t ) 欧拉操作( e u l r ) 普通属性( g a ) 内核( k e l 矾) 偏移( o f s t ) 算子( o p e r ) 永久实体号d ( p d ) 蒙皮( s k 玳) 扫琼( s 聊) a g 样条库和接口 所有其他a c i s 组件要用的基本的通用功能 a c i s 支持的着色处理 标准的混合操作 实体的交、并、差运算 将实体块分割成单元集 基本拓扑构造；线框构造和编辑；性质分析( 面积、长度、 质量等性质) 给所有边界覆盖上线框和平面片 扩张，展平，块分割和联系 属性可以被应用程序用来交换数据 基本实体和属性的支持、拓扑和几何实体类、构造几何类、 数学处理类、文件的保存及其回复、历史和回溯的支持 线框和曲面的偏移操作 样条转换 实体的永久标识符 高级曲面组件，包括蒙皮、放样和网格化曲面等由曲线产 生曲面的功能 沿某个路径扫琼一个二维截面 3 4a c i s 的几何和拓扑 几何体( g e o m e 仃y ) 指组成模型的纯粹几何元素，如点、曲线和曲面等，这些元 素独立于它们的空间或拓扑关系【2 4 1 。在a c i s 中，自由形式的几何体以非均匀有理b 样条( m 瓜b s ) 为基础构造。 一 拓扑是指一个模型中的不同实体之间的关系，它描述了几何实体之间的连接方式。 拓扑定义了一个空间位置不固定的浮动模型，如图3 3 所示的圆边和椭圆边，它们拓扑 相等，而几何不等。当拓扑实体和几何实体关联在一起时，它的空间位置才确定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图3 3 拓扑等效 如图3 4 所示，a c i s 模型的边界表示( b r e p ) 是将模型的拓扑结构按层次分解 成下述一些对象： 体( b o d y ) i 块( l u 呻s ) j 壳( s h e l l s ) i 有向边( c o e d g e s ) j 边( e d g e s ) j 顶点( v e r t i c e s ) 图3 4 a c i s 拓扑示意图 体( b o d y ) ：体是a c i s 模型中最高层次的实体，是块( l u m p ) 的集合，典 型的体可以是单一的实心体或者薄片，我们也可以将几个不连接的部分看为一个体， 体可以是线、面或实心体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 块( l u m p ) ：块表示空间中一个有边界的、相互连通的区域，是空间中一维、 二维或三维点连接而成的集合，每一个块都表示与实体中其他的点集不相连的点集。 壳( s h e l l ) ：壳是完全相连的面或者线的集合，它可以界定实体的外部或内部 区域。 子壳( s u b s h e l l ) ：在a c i s 中，为了内部处理的需要将壳用子壳的层次组合 来表示。它是壳的进一步分解，用于提高内部处理算法的效率。 面( f a c e ) ：面是空间几何表面的一个部分。它被一个或多个边( e d g e ) 组成 的环( 1 0 0 p ) 界定的曲面中的连通域。面可以含有零个或者多个由边组成的环，每个环 决定了曲面的内部和外部的划分。 环( l 0 0 p ) ：环是面的边界中互相连接的公共边的集合，它是面的边界中互相连 接的部分。 线( w i r e ) ：线也是边的互联集合，它是没有附着在面上的，不包围某个区间。 有向边( c o e d g e ) ：有向边记录的是边在环中出现的情况，表示面( f a c e ) 或线 ( w i r e ) 中对某个边的引用。 边( e d g e ) ：边是与曲线关联的拓扑，由顶点( v e n i c e s ) 界定。 实体( e n t i t y ) 是a c i s 最基本的对象，它由c + + 类e n t i t y 实现。但是e n t i t y 类本身不表示a c i s 对象，a c i s 中所有表示永久实体对象类又必须从e n t i t y 类派生， 只有这样继承类才可以集成永久实体对象必须的数据和方法。a c i s 系统中不论实体的 类型是否一样，其操作方法均相同，如保存实体至s a r 文件，从s a t 文件中恢复实体， 实体本身的复制与调试功能等。e n t i t y 类一般来说可以派生出三种不同类型拓 扑、几何体及属性，其关系如图3 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 e n t i t y 3 5a c i s 基本造型技术 图3 5 实体对象类的继承关系 3 5 1 用a p i 函数生成基本几何体 t 在a c i s 系统中有多种方法可以生成所谓的七种基本几何体，如表3 1 所示。 表3 1 生成基本几何体的函数 它们包括四种旋转曲面体，包括球体、圆柱体、圆环体及圆锥体，还有3 种多面 体，包括棱柱体、棱锥体及立方体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 3 5 2 布尔运算 几何造型中的几何操作一直被称为布尔运算，布尔运算必须满足闭合、交换、分 配、结合等一致性和完整性定律。任何布尔运算不会产生新的曲面，只是在原有的基 础上生成新的面( f a c e ) 、边( e d g e ) 、顶点( v e r t e x ) 或者曲线( c i 瓜v e ) 等实 体【2 6 】。 a c i s 中的布尔运算对实体执行交、并、差等集合操作，布尔运算的处理对象是模 型的拓扑。布尔运算使用求交器计算体与体之间的交线( 交点或交面) ，并以此来确定 哪些部分要组合起来和哪些部分要去掉。在a c i s 中，参加布尔运算的两个实体的顺序 是十分重要的，为了区分这个顺序，a c i s 把这两个实体定义为主体( b l a n k ) 和客 体( t o o l ) 。根据这个名称约定，在布尔差运算中，客体将