（计算机软件与理论专业论文）异构数字化系统互操作关键技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着计算机、网络以及制造业的不断发展；人们对数字化产品有着更广泛以 及更深层次的追求，数字化产品的设计也变得越来越复杂，以至于单一的数字化 系统无法设计满足客户的需要，产品设计者必须通过多种学科领域下的数字化系 统进行协同设计，才能设计出满足客户需求的产品。数字化系统协同工作导致在 设计与制造环节各种异构平台的数据交换必须进行频繁的信息交换与共享。但由 于异构系统所处领域的不同，异构系统之间的数据结构存在较大差异，导致目前 的数据传递方法还不能有效地应用于异构系统的协同设计。因此，如何实现异构 数字化系统的互操作成为当前研究的热点问题。论文针对该问题展开研究，其主 要工作为： 1 ) 提出基于分层语义的互操作体系架构。针对异构系统接口之间的差异导致 数据信息传递的低效性问题，提出分层语义模型转换异构系统接口，设计 满足c a d c a e p d m 系统功能操作需求的中性接口规范，并结合w e b s e r v i c e s 集成框架技术设计分层语义模型接口，达到异构系统之间数据传 递的高效性。 2 ) 提出基于本体的异构数字化互操作设计方案，解决异构数字化系统功能操 作接口统一表示问题。针对不同学科领域和领域内不同平台产品的功能存 在的差异性，设计了共享本体与局部本体的分层体系结构。通过构建局部 本体封装领域内部各种系统平台的可调用功能，利用共享本体描述特定领 域向其他领域开放的互操作功能集合，使用x s l t 技术实现相同领域内不 同异构系统之间产品设计特征之间的局部本体转换。 3 ) 实现基于w e bs e r v i c e s 的异构数字化系统互操作原型系统。针对 c a d c a e p d m 系统协同设计的特点，定义基于语义的多层次互操作接 口，构建分层语义模型以及各层次接口的消息通讯机制，结合w e bs e r v i c e s 集成框架技术设计特有的中性语义接口规范，封装不同领域的互操作功 浙江大学硕士学位论文摘要 能，实现s o l i d w o r k s 、u g - n x 与a u t o c a d 、f l u e n t 以及t e a m c e n t e r 系统 之间的功能互操作。 本文最后将研究成果应用于特定的c a d c a e 伊d m 系统中，分别对进行二次 开发，应用w e bs e r v i c e s 传递设计数据信息，以验证于可行性。 关键词：功能互操作，本体论，w e bs e r v i c e s ，分层语义模型，中性接口规范 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e c o m p u t e r , n e t w o r ka n d t h e m a n u f a c t u r i n g s e c t o r sc o n t i n u o u s d e v e l o p m e n t ，p e o p l eh a v em o r ee x t e n s i v ea n dd e e p e rp u r s u i tt ot h ep r o d u c t s d i g i t a l p r o d u c td e s i g nh a sb e c o m e m o r ec o m p l e x ，as i n g l ed i g i t a ls y s t e mc a nn o tb ed e s i g n e d t om e e tt h en e e d so fc u s t o m e r s i no r d e rt od e s i g nt h ec o m p l e xp r o d u c t st om e e t c u s t o m e rd e m a n d ，p r o d u c t s d e s i g n e r sm u s tb eu s i n gav a r i e t yo f d i s c i p l i n e su n d e rt h e d i g i t a ls y s t e mt od ot h ec o - d e s i g n d i g i t a ls y s t e m st ow o r k i n gt o g e t h e rr e s u l t e di nt h a t a l lk i n d so fh e t e r o g e n e o u sp l a t f o r mm u s tf r e q u e n t l ye x c h a n g et h ei n f o r m a t i o nb e t w e e n t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e h o w e v e r , b e c a u s et h ef i e l do fh e t e r o g e n e o u ss y s t e m si ss o d i f f e r e n t ，h e t e r o g e n e o u sd a t as t r u c t u r ee x i s t sg r e a t e rd i f f e r e n c e s t h ec u r r e n tm e t h o d o fd a t at r a n s m i s s i o nc a nn o tb ee f f e c t i v e l ya p p l i e dt ot h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g n e d h e t e r o g e n e o u ss y s t e m s t h e r e f o r e ，h o wt oa c h i e v eh e t e r o g e n e o u sd i g i t a ls y s t e m i n t e r o p e r a b i l i t yb e c o m e sah o ti s s u eo fc u r r e n tr e s e a r c h ，t h ep a p e rs t u d yt h i sp r o b l e m a n dr e s e a r c hn e wm e t h o dt os o l v ei t i t sm a i nw o r ki s ： t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ea r c h i t e c t u r eb a s e do nl a y e r e ds e m a n t i cm o d e l a g a i n s t t h ei n e f f i c i e n tb e t w e e nd a t at r a n s m i s s i o n ，a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n t e r f a c e so ft h e h e t e r o g e n e o u ss y s t e m s ，t h ep a p e rp r o p o s e sl a y e r e ds e m a n t i cm o d e lt ot r a n s l a t et h e i n t e r f a c e so fs y s t e m s ，a n dd e s i g n st h en e u t r a li n t e r f a c es p e c i f i c a t i o nf o ri n t e g r a t i o no f c a d c a e p d ms y s t e m a n dt h e n , u s i n gt h ew e bs e r v i c e st od e s i g nt h el a y e r e d s e m a n t i cm o d e l ，g e tt h eh i g he f f i c i e n c yd u r i n gt h ed a t at r a n s m i s s i o n b a s e do nt h eo n t o l o g y , t h ep a p e r d e s i g n s t h ea r c h i t e c t u r eo ff u n c t i o n a l i n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e nh e t e r o g e n e o u ss y s t e m s t h em e t h o ds o l v e st h eh e t e r o g e n e o u s d i g i t a ls y s t e mi n t e r f a c e s a g a i n s tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n tp l a t f o r m si n d i f f e r e n td i s c i p l i n e sa n da r e a s ，t h ep a p e rd e s i g ns h a r e do n t o l o g ya n dl o c a lo n t o l o g y t h r o u g ht h el o c a lo n t o l o g y , p a p e rp a c k a g e st h es e r v i c e sb e t w e e ni n t e r n a ls y s t e m si n s a m ea r e a ，a n du s e ss h a r e do n t o l o g yt od e s c r i b et h eo t h e ra r e a s s e r v i c e ss e t a n dt h e n ， u s ex s l tt ot r a n s l a t et h ei n t e r n a ls y s t e m s l o c a lo n t o l o g yi nt h es a m ea r e a u s ew e bs e r v i c e st oc o n s t r u c tt h e p r o t o t y p es y s t e mo ft h ei n t e g r a t i o no f 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e r o p e r a b i l i t yb e t v l r e e nh e t e r o g e n e o u sd i g i t a ls y s t e m s b yt h ef e a t u r eo fc o - d e s i g n b e t w e e nc a d c a e p d m ，t h ep a p e rd e f i n e st h em u f f i n t e r f a c e sb a s e do ns e m a n t i c ， c o n s t r u c t st h el a y e rs e m a n t i cm o d e la n dt h ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m a n dt h ep a p e r u s e sw e bs e r v i c e s i n t e g r a t i n gt e c h n o l o g yt o d e s i g ns p e c i a l n e u t r a li n t e r f a c e s p e c i f i c a t i o n , a n dp a c k a g e st h es e r v i c e si nd i f f e r e n ta r e a a tl a s t , t h ep a p e ra c h i e v e s t h ef u n c t i o n a li n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e ns o l i d w o r k s ，u g - n xa n da u t o c a d ，f l u e n ta n d t e a m c e n t e rs y s t e m f i n a l l y , i no r d e rt ov e r i f yt h er e s e a r c hr e s u l t sf e a s i b i l i t y , t h ep a p e ra p p l i e si tt ot h e s p e c i a lc a d c a e p d ms y s t e m s d u r i n gt h ed e s i g n i n gp r o c e s s ，t h ep a p e ru s e st h e s y s t e m s s e c o n dd e v e l o p m e n ta n dw e bs e r v i c e st ot r a n s m i tt h ei n f o r m a t i o nb e t w e e n d i f f e r e n ts y s t e m s k e y w o r d s ： f u n c t i o n a li n t e r o p e r a b i l i t y , o n t o l o g y , w e bs e r v i c e s ，l a y e r e ds e m a n t i c m o d e l ，n e u t r a li n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n 浙江大学硕士学位论文 图目录 图目录 图1 1 语义w e b 的体系结构3 图1 2w e bs e r v i c e s 集成框架概念模型图4 图1 3w e bs e r v i c e s 体系结构图一6 图2 1 分层语义模型1 9 图2 2 消息通信机制2 0 图2 3 互操作体系结构图( 虚线框为定义的中性接口规范) 2 2 图3 1o w l 组成实例一2 4 图3 2 数字化系统功能互操作本体系统结构2 6 图3 3s o l i d w o r k s 产品结构树图2 8 图3 4 三维c a d 系统与二维系统c a d 功能互操作流程图3 2 图3 5 三维c a d 系统与c a e 系统功能互操作流程图一3 3 图3 6 三维c a d 系统与p d m 系统功能互操作流程图3 5 图3 7t e a m c e n t e r 系统数据局部本体( 矩形为标记，椭圆为标记属性) 3 6 图3 8p d m 系统功能共享本体( 矩形为标记，椭圆为标记属性) 3 6 图4 1 三维c a d 与异构数字化系统互操作集成框架3 9 图4 2 中性功能调用流程一4 8 图4 3f l u e n t 调用c a d 造型功能一4 9 图4 4 依据s o l i d w o r k s 修改后f l u e n t 得到的模型对比图5 0 图4 5c a d 软件中调用p d m 功能5 l 图4 6 删除操作执行之前，s o l i d w o r k s 模型以及对应t e a m c e n t e r 信息5 1 图4 7 删除操作执行之后，s o l i d w o r k s 模型以及对应t e a m c e n t e r 信息5 2 i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。 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，也不包含为获得滥姿盘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：献签字日期：砷8 等6 月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥鎏盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘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和传播，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) 学位论文作者虢讽式 签字日期：测睁g 月g 日 导师签名： 州琢 签字日期：】嘏年6 月影日 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究现状 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 随着复杂产品多学科协同设计需求的增长，对产品设计的协同环境和功能互 操作提出了更高的要求，由于复杂产品的研制往往需要不同学科人员的共同协 作，例如航空发动机的研制涉及气动分析、结构设计、强度分析、热传导分析、 工艺设计、工装设计等，在协作过程中不同学科人员不可避免地使用不同的 c a d c a e p d m 等系统，系统之间的集成和互操作成为提高产品设计效率的关键 技术之一。因此针对企业需求和数字化发展趋势，研究数字化系统间互操作方法 对于提高多学科协同设计效率和信息共享程度，缩短产品研制周期都具有重要的 理论意义和实用价值。 数字化系统集成是先进制造领域的一个研究热点。如何在不同c a d 系统之间 进行数据交换是最先开始的研究问题。数据交换主要利用中性文件格式进行数据 的问接交换。典型的中性文件格式s t e p 、i g e s 、v d a f s 、s a t 等标准【卜3 1 。为 了解决已有标准只能进行几何信息和拓扑信息的交换，而不能对参数、约束、特 征、造型历史等设计语义信息的交换这一问题，研究人员又展开了特征参数信息 交换的研究。第二版s t e p 中添加了对参数、约束、造型历史等产品设计过程信 息的支持【4 】。a n d e r s o n 提出了实体模型构造历史( s m c h ) 模式f 5 1 ，以解决基于历史 的造型数据转换问题。c h o i 6 】提出一种基于宏参数的c a d 零件模型交换方法，通 过交换造型命令序列实现数据模型互操作。欧阳应秀等以w e bs e r v i c e 为架构， 实现c a d 系统分布式协同工作的框架集成【7 1 。潘吟飞等提出基于优先权控制的分 层式协同设计过程模型，构建基于w e b 服务的c a d 网络化协同设计框架【引。近 几年来，研究人员发现异构系统之间不仅要解决数据集成问题，更要解决功能互 操作问题。和数据集成不同，功能互操作需要解决异构数字化系统的功能互补问 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 题，例如在c a d 系统中集成c a e 系统的分析计算能力或者p d m 系统的产品数 据管理能力。功能互操作引起了工业界的广泛兴趣。在三维c a d 与c a e 互操作 方面，a n s y s 公司推出了一个仿真技术集成平台w r o r l ( 1 ) e n c h 集成环境，以 实现c a d 与c a e 的设计与分析协同需求。美国c a d n e x u s 公司开发了一套为 c a e 转换c a d 三维数据的公共接口c a p r i ，在将c a d 数据转换成c a e 用的面 片( f a c e t ) 数据后，能自动对数据问题进行修正。h a i m e s 等提出一种复合几何模型 表示方法，通过实体造型方法，用于c a e 系统中动态网格划分和多领域的综合 分析【9 】。陈明等已成功将m o n o c a l 程序集成到c a t i a 的操作界面中，扩展 c a t i a 的c a e 能力【1 0 】。在三维c a d 与p d m 互操作方面，苏少辉等基于事件特 性表技术实现面向大批量定制设计的c a d 系统与p d m 系统的集成【1 1 】。李海峰等 通过定义实体约束和关联管理构建面向三维c a d 的p d m 系统【1 2 】。a u t o d e s k 公 司开发的p l m 系统_ p r o d u c t s 仃e 撇提供了产品生命周期管理的功能，对同样 出自a u t o d e s k 公司的三维设计软件i n v e n t o r , m d t 等提供了很好的管理支持。三 维c a d 软件s o l i d w o r k s 也已经将c a e 和p d m 系统兼容于三维c a d 系统中。 1 1 2 数字化系统功能互操作概述 数字化系统之间的互操作，是指异构环境中两个或两个以上的数字化系统， 尽管它们实现的功能、执行的环境和所基于的数据模型不同，但可以进行相互通 信和协作，并完成某一特定的产品开发活动。从互操作层次上划分，数字化系统 的互操作可以分为两个层次：低层次上的数据互操作和高层次上的功能互操作。 其中，数据互操作主要是传统意义上的几何数据交换，而功能互操作是指数字化 系统的某些功能可以被其他系统所共享和直接调用，例如，c a e 系统可以直接调 用三维c a d 系统的参数化造型功能，修改模型几何尺寸，从而实现反复迭代的 设计优化过程。因此，功能互操作不同于数据互操作，它能够实现更加紧密的异 构系统功能集成，是一种深层次的集成方式。 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 3 本体知识介绍 语义w e b 被称为第三代w e b 、下一代w e b ，由b e m e r sl e e 第一次提出，目标是 使得w e b 上的信息是计算机可理解的，从而实现机器自动处理信息。语义w e b ( s e m a n t i cw e b ) 的目标是使得w e b 上的信息具有计算机可以处理的语义，满足智能 软件代理( a g e n t ) 对w w w 上异构和分布信息的有效访问和检索 1 3 - 1 4 】。b e r n e r sl e e 同时提出语义w e b 的体系结构： r u l e s t r u s t p r o o f d a l a l o g i c d i g i t a l s e l f - d a t a o n t o l o g yv o c a b u l a r y；i g n a t u r d e s c d r d f 十r d f s c h e m a 0 e x m t 斗n s 手：x m l s c h e m a u n i c o d eu r 薹 图1 1 语义w e b 的体系结构 其中，核心层为x 1 垤l ，r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) ，o n t o l o g y ，这 三层用于表示w e b 信息的语义 1 5 1 。从上面的结构和定义可以知道语义w e b 信息组 织和描述上一个重要区别是它注重对信息语义的刻画和在此基础上的联系，而其 中本体( o n t o l o g y ) 是组织、抽象的基本方式【1 6 1 。 在计算机领域，本体旨在克服计算机系统之间“语义鸿沟”，其概念源于哲学， 即“对世界上客观存在物的系统地描述”。按照这个定义，它和具体对事物的理 解以及描述的具体语言等无关【1 - 18 1 。随着作为信息抽象和知识描述的工具被信息 科学领域广泛采用【19 1 ，关于本体许多人给出了不同的理解，普遍接受的本体定义 为：“本体是概念模型的明确的规范说明”。这个定义包含四个主要方面 2 0 - 2 1 】： 概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ：客观世界的抽象模型。 明确( e x p l i c i 0 ：概念及它们之间联系都被精确定义。 1 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 形式化( f o r m a 1 ) - 精确的数学描述。 共享( s h a r e ) ：本体中反映的知识是使其使用者共同认可的。 本体包括该领域计算机可用的基本概念和概念之间的关系，它对某一领域及 领域问知识进行编码，由此实现知识重用。在进行知识表达时，本体论对信息抽 象的方式近似于语义w e b ，都可以采用带标记的有向图来标志，但本体论更侧重 于表示特定领域整体的内容，本体建模的基本元素一般有：类、关系、函数、公 理和实例。 1 1 4w b bs e r v i c e s w e bs e r v i c e s 的体系结构是一种分布式的、用来促进跨平台的点对点程序间的 通信。要解决这种通信，最重要的就是要将紧密耦合的应用程序变成松散耦合的 应用程序。w e bs e r v i c e s 的体系结构就是为了实现松散耦合应用而提出的，它由 简单对象访问模型发展而来，把所有的应用实体都抽象成服务，包括三个角色和 三个基本操作以及对应的标斛2 2 1 。概念模型为下图： ，、 ( 服务代壤 ) 发汐凑 9 图1 2w e bs e r v i c e s 集成框架概念模型图 1 ) w e bs e r v i c e s 角色： 服务提供者( s e r v i c ep r o v i d e r ) ：从商务角度来看，服务提供者是服务所有 者，主要功能是创建和提供业务服务或系统功能，并向消费者提供零售 服务；从体系结构上看它是提供服务的平台，发布自身系统服务，并对 自身服务的请求信息进行响应。 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 服务请求者( s e r v i c er e q u e s t e r ) ：从商务角度来讲，它是需要获取某种业务 服务的客户方，例如购买者、购买者代理、供给商等。服务请求者根据 服务注册表搜寻或查找所需的服务。从体系结构上看服务请求者是寻找 并调用服务的客户端应用程序。 服务代理( s e r v i c eb r o k e r ) ：是指用来存储服务描述信息的信息仓库。服务 代理是信息或业务服务交换的门户，负责为服务提供方发布服务，为服 务请求方查询服务，并且讲获取服务的信息绑定给请求方。 2 ) w e bs e r v i c e s 操作： w e bs e r v i c e s 的中心思想就是发布、查找与绑定。服务提供者提供服务，同时 利用服务代理发布服务，服务请求者通过服务代理查询服务，根据查询结果调用 服务。在这过程中，服务提供者就需要在服务注册库中发布自己的服务信息，包 括服务的相关描述和调用接口。服务请求者首先到注册库去查找，并根据找到的 注册信息得到服务接口和提供服务的位置，使用服务。 发布( p u b l i s h ) ：服务提供者需要将服务进行一定的描述并发布到注册服务 器上。在发布操作中，服务提供者需要通过注册服务器的身份验证才能 对服务描述信息进行发布和修改。 查找( f i n d ) ：服务请求者根据注册服务器提供的规范接口发出查询请求， 从而获取自己需要的服务相关信息。查找操作一般有以下两种模式：一 种是浏览模式( b r o w s ep a t t e r n ) ，即服务请求者可以根据通用的分类标准来 浏览或者通过一些关键词来搜索，逐步缩小查找范围，直到找到满足需 求的服务，其查找结果是通常是一系列服务的集合；另一种是直接获取 模式( d r i l ld o w np a t t e r n ) ，就是通过唯一的关键词直接得到特定服务描述 信息，查找结果是唯一的。查找操作一般在服务请求者的程序设计阶段 和运行阶段使用。在程序设计阶段，主要通过查找来获得服务的接口描 述；在运行阶段，则是使用查找来检索服务的绑定和位置信息。 绑定( b i n d ) ：服务请求者通过查找得到服务信息之后，分析从注册服务器 中得到的服务绑定信息，例如服务的访问路径、服务调用的参数、返回 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 结果、传输协议、安全要求等，对自己的系统进行响应配置，进而可以 远程调用服务提供者所提供的服务。 发布服务描述、查询服务描述、绑定和调用服务是使用w e bs e r v i c e s 必须的 三个操作。它们可以单独使用，也可以交替、重复的使用。另外还有服务、服务 描述两个操作。所有这些操作和角色共同的构成了w e bs e r v i c e s 的体系结构。 图1 3w e bs e r v i c e s 体系结构图 w e bs e r v i c e s 是创建可互操作的分布式应用程序的新平台。w e bs e r v i c e s 的主 要目标是跨平台的可互操作性。为了达到这一目标，w e bs e r v i c e s 是完全基于 x m l 、x s d 等独立于平台、独立于软件供应商的标准的。 w e bs e r v i c e s 在应用程序跨平台和跨网络进行通信的时候是非常有用的。w e b s e r v i c e s 适用于应用程序集成、b 2 b 集成、代码和数据重用，以及通过w e b 进行 客户端和服务器的通信的场合。 1 1 5 存在问题 尽管功能互操作已经引起了学术界和工业界的广泛兴趣，但是已有研究缺少 6 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 统一的互操作接口标准。现有的研究及应用主要集中于不同格式数据模型转换、 异构系统间信息共享、及简单的查询功能调用等互操作问题，实现方法相对简单， 且没有涉及多系统、多领域、深层次功能共享问题，无法根据不同应用动态提供 不同层次的互操作机制，而这些正是现代产品全生命周期开发所急需的。工业界 提出的方法主要是针对某些特定系统间的互操作，主要解决的也只是特定三维 c a d 到c a e p d m 的单向互动阿题。为此，本文将针对这些问题进行深入研究， 实现三维c a d 与c a e 、p d m 等数字化系统在数据和功能上的多层次、双向互动 的紧密集成。 目前，在数字化应用和发展中遇到了以下的集成技术问题： r 1 ) - - 维c a d 与c a e 系统的功能集成问题 为了支持复杂产品的协同设计，三维c a d 与c a e 之间的集成也越来越紧密。 目前的软件系统能够实现c a e 从三维c a d 系统中获取实体几何数据、主要是通 过s t e p 、i g e s 、xt 、s a t 等中性格式。但是，在实际应用中，中性格式数据 交换会产生数据丢失、曲面破损等问题。因此，有些c a e 系统开发了与三维c a d 系统一对一的专用接口，这些都是数据层的集成和交换。 但是，目前的三维c a d 与c a e 集成并不能满足一些实际应用( 如设计优化) 的需求和发展的需要，问题表现在两个方面： 三维c a d 模型数据的即时更改问题。当c a e 工程师已检测出模型形状 参数出现问题，需要及时修改，这可能需要直接操作三维c a d 功能，但 由于专业背景的不同，c a e 工程师并不能及时地更改问题信息，必须通 过专业的三维c a d 工程师才能修改必要的c a d 模型信息，这样浪费了 大量的时间和人力。 三维c a d 与c a e 之间的数据关联丢失。目前三维c a d 与c a e 系统之 间的功能互操作，主要采用中性文件数据转换的方式，但在这个过程中， 无论是c a d 工程师还是c a e 工程师可能都需要对数据进行定义和修改。 而简单的中性文件并不能保证在优化过程中保存这些数据修改的操作记 录，导致工程师必须进行重复的操作。 7 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 ( 2 ) 三维c a d 与p d m 系统的功能集成问题 为了实现产品全生命周期的统一管理，需要实现三维c a d 系统与p d m 系统 的紧密集成和互操作。目前的软件系统能够实现p d m 系统从三维c a d 系统获取 产品结构、属性信息和几何模型文件，并在p d m 系统中管理产品结构、b o m ， 浏览几何模型，并进行审批和标注。 但是，目前的三维c a d 与p d m 集成还不能满足实际应用的发展需求，问题 表现在两个方面： 数据管理信息与模型数据的一致性。由于所处应用领域的不同，导致c a d 系统与p d m 系统的数据结构存在极大的差异性，c a d 系统自身的数据 管理通常采用的是设计特征方案，而p d m 系统数据并不设计具体的设计 过程，只是针对每个设计阶段及产品用料进行管理。所以为了使p d m 系 统对c a d 模型数据进行管理，必须添加额外的扩展属性。 由于特定c a d 系统模型数据本身存在差异性，导致p d m 系统数据管理 的设计局限性。也就说，特定的c a d 系统只能设计特定的p d m 系统与 其进行双向集成，而对其他c a d 系统都不能做到这一点。 ( 3 ) - - 维c a d 与二维c a d 系统的功能集成问题 虽然三维c a d 是数字化设计的主要手段和发展趋势，但是为了满足加工制 造和企业间协作的需求，还是需要二维工程图。因此，当今的大多数三维c a d 系统都提供了二维工程图功能，并实现了二维三维的完全关联。但是这些系统的 工程图功能相对于专业的二维c a d 软件来说，还存在不足，主要表现在两个方 面： 不符合我国国家标准和制图规范，国外的三维c a d 系统在这方面一般都 做得不太好，用这些系统出图后还需要不少的人工修改，才能符合制图 标准。 很多工程师已经习惯使用a u t o c a d 软件的操作方式，例如命令行等，其 它系统的二维工程图模块在软件可用性方面远没有做到a u t o c a d 那么细 致、方便、好用。 8 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 因此，在实际应用中，很多企业希望将三维c a d 与二维c a d 软件结合起来 协同工作，例如利用s o l i d w o r k s 优秀的参数化功能进行3 d 造型，并转到a u t o c a d 出图，利用a u t o c a d 方便和规范的二维制图功能，在工程师熟悉的二维环境中 进行编辑标注工作。这里s o l i d w o r k s 和a u t o c a d 之间集成也要求做到双向互动。 s o l i d w o r k s 模型投影生成二维图形，传递给a u t o c a d ，并保持三维二维 数据之间的关联性。用户可以在a u t o c a d 中进行尺寸标注，编辑明细表。 当s o l i d w o r k s 模型更改时，a u t o c a d 图纸的几何信息和明细表将自动更 新，而用户添加的尺寸标注也要做到自动更新，不能丢失关联。 同时，如果允许用户在a u t o c a d 中直接修改模型的关键标注尺寸，二维 修改后，三维s o l i d w o r k s 模型应能自动修改更新。 归结起来，以上三方面提出的应用需求，都是围绕三维c a d 系统与其他的数 字化系统之间的功能互操作问题。目前，不同c a d c a e p d m 系统之间的集成一 般是单向集成、数据集成，缺乏双向、互动的功能互操作。 1 2 研究意义 针对异构系统之间的多专业协同和功能集成的应用需求，提出基于分层次的 异构系统互操作集成框架，并采用w e bs e r v i c e s 实现了c a d c a e p d m 软件之问 的功能互操作。研究解决异构数字化系统问的功能接口不一致问题，给出与具体 异构系统无关的中性接口规范，并且具有良好的有可扩展性。研究实现产品设计 分析一体化，对于提高产品设计效率具有显著作用。 近年来，实现数字化软件系统的紧密集成和功能互操作是工业界的发展趋势。 数字化系统的互操作问题成为制约多学科协同设计的关键问题之一，本文的研究 成果将为解决该类问题提供解决途径。因此不同的互操作都具有潜在的用户，市 场前景好。 在三维c a d 和c a e 互操作方面：复杂产品，如飞机、航空发动机、汽车等， 仿真分析是设计阶段的一个重要内容，本文提供的互操作机制将使得这些应用领 域的用户充分共享不同学科的功能。 9 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 在三维c a d 和p d m 互操作方面：本项目提供的互操作机制能够更好地支持 自顶向下的复杂产品设计方法，自顶向下的产品设计是未来的发展趋势。 在三维c a d 和二维c a d 互操作方面：国内外的用户需求( 机械行业、土建行 业) 还是很强烈的，特别是一些中小企业用户，本文提出并实现的异构二维c a d 和三维c a d 的互操作，可以为这类用户提供解决手段。 数字化技术必须和行业和专业技术结合才能发挥巨大作用，因此经济效益将 通过行业的使用间接获得，可以提高设计效率、提高设计质量、缩短研制周期。 1 3 研究内容及论文结构 本文主要研究三维c a d 系统与c a e 、p d m 、二维c a d 系统之间的功能互 操作机制，以实现三维c a d 系统与这些数字化系统之间的紧密功能集成。主要 研究内容包括：三维c a d 系统的局部本体知识库的创建，基于o w l ( w e b o n t o l o g yl a n g u a g e ) ) 蜀部本体知识库的表示和组织；共享本体知识库及元数据存储 库的构建与表示；三维c a d 互操作接口的分层次定义与表示：基于语义面向服 务的互操作接口实现机制等。同时，针对现有的c a d 、c a e 、p d m 、二维c a d 主流软件系统，提出一套三维c a d 系统与异构数字化系统之间的互操作集成方 案，并开发出一个多系统集成系统原型。 技术创新点如下： ( 1 ) 采用本体知识表示和本体映射的方法，解决三维c a d 系统功能和接口与 其他数字化系统的异构性问题； ( 2 ) 定义基于语义的多层次互操作接口，并采用w e bs e r v i c e s 实现面向服务的 互操作集成框架。 根据需完成的研究内容，论文内容相应地分为五章，各章内容安排如下： 第一章介绍数字化系统功能互操作技术的研究背景、研究意义以及与本文研 究内容相关的理论研究( 比如本体论、面向服务的互操作集成技术等) 。然后还简 要介绍本文的目前存在的问题以及研究意义。 第二章叙述数字化系统功能互操作系统集成系统的体系结构，设计基于语义 1 0 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 的多层次互操作接口，运用w e bs e r v i c e s 实现基于分层次的异构系统互操作集成 框架。 第三章阐述数字化系统功能互操作集成系统的本体设计模式，在数字化系统 功能互操作机制中运用本体论，利用本体及其建模工具来构建局部本体，并设计 各数字化系统的共享本体。同时利用本体映射方式来组织整个互操作框架。 第四章介绍数字化系统功能互操作集成系统的集成设计。基于w e bs e r v i c e s 平台，运用c c + + 进行s o l i d w o r k s u g - n x a u t o c a d f l u e n t t e a m c e n t e r e n g i n e e r i n g 的二次开发，封装系统功能，实现异构系统之间的协同工作 第五章总结与展望。总结了本论文的工作，并且讨论了进一步的研究内容。 浙江大学硕士学位论文第2 章数字化系统功能互操作集成系统的体系结构 第2 章数字化系统功能互操作集成系统的体系结构 传统的数字化系统工作采用的是相互独立的系统，各系统可能安装于不同的 计算机、企业的不同部门，甚至是异地的多个企业中，彼此之间相互独立且各自 高度集成。这种传统的构建方式使各个数字化系统相互独立地装在一台或几台计 算机上，其完成一个产品的设计、模拟、制造过程比较简单，当然也无法实现协 同设计和协作分析。为适应网络化制造的发展要求，提高协同工作的效率，数字 化系统集成应朝着组件化、模块化、可伸缩的方向发展，主要表现在利用标准化 的应用程序和资源服务接口，实现应用程序之间或者程序和资源之间的信息交 换，可在原有基础上随意添加其他功能或资源等。因此网络环境下的数字化系统 功能互操作，是在原有的系统中应用计算机网络技术，将c a d 、c a e 、p d m 工 作场所做地理位置的分离，相对独立的c a d 系统c a e 系统和p d m 系统，通过 网络形成相互协同的工作流程。 2 1i n t e r n e t 服务系统的设计 根据c a d c a e p d m 系统协同工作的流程，结合i n t e m e t 以及软件系统的体 系结构，本文采用c s ( c l i e n t s e r v e r ) 架构作为系统的构架基础。 c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构，即大家熟知的客户机和服务器结构。它是一种软件系 统体系结构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到c l i e n t 端和s e r v e r 端来实现，降低了客户端和服务器端的通讯开销。目前许多应用软件 系统都是c s 形式的两层结构，由于现在的软件应用系统正在向分布式的w e b 应 用发展，w e b 和c l i e n t s e r v e r 应用都可以进行同样的业务处理，应用不同的模块 共享逻辑组件。c s 体系结构采用的是开放模式，能充分发挥客户端p c 的处理 能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器。 1 2 浙江大学硕士学位论文第2 章数字化系统功能互操作集成系统的体系结构 2 1