（计算机软件与理论专业论文）基于cad平台的协同感知系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着信息化进程的深入，计算机支持的协同设计( c s c d ) 正受到日益广泛 的重视，并成为一个研究热点，它的深入研究和推广应用需要解决一系列的技术 难题，而协同感知技术的研究便是其中的关键之一。只有协同感知机制得到解决， 计算机支持的协同设计的应用环境才能有确立的基础，计算机支持的协同设计的 应用系统才能正常运作。 本文以建立一个实时协作、自然交互、强大实用的c a d 系统为目标，并针 对基于博士c a d 平台的协同感知进行了较为深入的研究，主要进行了以下几方 面的工作： 1 、从研究协同设计系统的体系结构入手，提出了一种基于博士c a d 协同设 计系统的联邦式体系结构。并具体讨论了该系统的运作方式以及在版本控制、访 问控制和感知控制方面的思路和方法。 2 、针对协同设计中协同感知技术，分析基于博士c a d 平台的协同感知系统 中感知信息的分类、感知方法等，对基于博士c a d 平台的协同感知系统进行功 能模块的划分。 。 3 、为了满足协同设计系统对实时性的要求，最大限度的减少网络数据交换 的传输量，采用基于“消息”机制的协同感知技术对动态数据进行传输，以提高 系统的响应能力和健壮性。 4 、在原有单机版博士c a d 系统的基础上构建信息处理模块，利用w m s o c k 编程来实现通信模块，实现了多点间协同设计中的图形感知功能。 5 、利用基于c o m 的组件技术，在微软提供的n e t m e e t m ga p i 基础上开发 交谈感知模块，建立起多用户之间的交谈感知，增强系统的人一人交互性能。 实验证明，本文开发的系统有效地结合了本文提及的相关技术，使系统建立 起多用户之间的图形数据和交谈感知能力，满足协同设计系统中的协同感知的需 要，对其它同构协同设计系统的开发具有指导和借鉴意义。 关键字：c s c d ，博士c a d 平台，协同感知，c o m r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fc o l l a b o r a t i o n a w a r e n e s s s y s t e mb a s e d o nc a d p l a t f o r m a b s t r a c t c s c d ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) e m e r g e sa sap r o m i s i n g r e s e a r c ha r e ai nt h er a p i de v o l u t i o no fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y f o rf u r t h e rr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o n , t h e r ea r eas e r i e so ft e c h n i c a lp r o b l e m s s u c ha sc o l l a b o r a t i o n a w a r e n e s si st h em a i no n e o n l yi fc o l l a b o r a t i o na w a r e n e s sb er e s o l v e d , t h e a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to nc s c dc o u l db ee s t a b l i s h e ds t e a d i l y ；t h e n , t h ea p p l i c a t i o n s y s t e mc o u l dw o r kn o r m a l l y a i m e dt o d e v e l o p ac a ds y s t e mo fr e a l - t i m ec o l l a b o r a t i o n , u n f o r c e d c o m m u n i c a t i o na n de a s yt ou s e ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e s0 1 1t h ed e 印r e s e a r c ho f c o l l a b o r a t i o na w a r e n e s sb a s e do nd o c t o rc a dp l a t f o r m t h em a i nw o r k sa r el i s t e da s f o l l o w i n g ： 1 s t a r t e dw i mt h er e s e a r c ho nt h ea r c h i t e c t u r eo f c s c ds y s t e m , t h ea u t h o rp r o p o s e d a r c h i t e c t u r eo fc s c db a s e do nd o c t o rc a dp l a t f o r ma n dd i s c u s s e dt h el l l a n n e r s ， e d i t i o nc o n t r o l ，a c c e s sc o n t r o l ，a w a r e n e s sc o n t r o li nt h es y s t e m 2 a i m e da tr e s e a r c ha c t u a l i t ya n dm e t h o d so fc o l l a b o r a t i o na w a r e n e s s ，t h ea u t h o r a n a l y z e dt h ea w a r e n e s si n f o r m a t i o na n da w a r e n e s sm e t h o d so fc s c db a s e do n d o c t o rc a dp l a t f o r m , t h e nd i v i d e dt h ec o l l a b o r a t i o na w a r e n e s ss y s t e mb a s e do n d o c t o rc a d p l a t f o r mi n t ot w of u n c t i o nm o d u l e 3 t of u l f i l lt h ec a p a b i l i t yo fr e a lt i m e ，a n dr e d u c et h et r a n s m i s s i o nq u a n t i t y , t h e s y s t e ma d o p t e dt h ec o l l a b o r a t i o na w a r e n e s sb a s e do n m e s s a g e m e c h a n i s mt o t r a n s f e rd y n a m i cd a t a 4 b yc o n s t r u c t i n gt h ei n f o r m a t i o n - h a n d l e dm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e b a s e do nw i n s o c kp r o g r a m m i n g , t h ef i n a ls y s t e mr e a l i z e dt h eg r a p h i c sa w a r e n e s s 5 b a s e ao nn c t m e e t i n ga p i ，t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ei sd e v e l o p e db yu s i n gt h e c o mt e c h n o l o g y , w h i c hi m p r o v e dt h ei n t e r a c t i v ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n d f u l f i l l e dt h en e e do f c o l l a b o r a t i o na 闭羽嚣l e s si nr e a l t i m ec o o p e r a t i v ed e s i g n t h ee x p e r i m e n th a sp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a se f f e c t i v e l yv e r i f i e dt h e 糟l a t e d t e c h n o l o g yp r o p o s e di nt h i sp a p e r , w h i c hh a se s t a b l i s h e dt h ec a p a b i l i t i e so fg r a p h i c a n dc o m m u n i c a t i o na w a r e n e s s 。a n df u l f i l l e dt h en e e do fc o l l a b o r a t i o na h 翟碗l e s so f c s c d s o ，i ti sm e a n i n g f u lf o rg u i d m gt ob u i l d o t h e ri s 响o f p i l i cc s c ds y s t e m k e yw o r d s ：c s c d ，d o c t o rc a dp l a t f o r m ，c o l l a b o r a t i o na w a 辟n 髓s ，c o m m 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本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和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 盔鳌 指导教 冽年占月1 日 西北大学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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它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。 一， 学位论文作者签名：李静 扫。7 年6 月f 日 西北大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 立题的意义 第一章绪论 随着世界经济的飞速发展，市场竞争日益激烈，制造业面临着十分紧迫的生 存和发展问题。激烈的市场竞争，对产品提出了t q c s e ( 时间、质量、成本、 服务和环境) 多方面的要求，从而对产品的设计、开发提出了严峻的挑战。因此 能否缩短产品的开发和制造周期、提高产品质量、改善产品性能、降低生产成本 等是一个企业赖以生存的核心。但在具体事实上，由于设计、生产与销售部门可 能分布在相隔较远的地域，有的甚至是在不同的国家，异地之间的协作不可避免， 所以，异地的设计与制造之间的协同成为摆在现代企业面前的一个重要问题。 设计问题是一个典型的具有分布、动态特征的群体求解问题。复杂产品的设 计，如飞机或汽车的设计常常被分解为小的设计问题进行解决，这不仅需要不同 领域的知识和专家经验，更重要的是要有综合和协调这些经验知识的有效机制和 知识来耦合不同专家的设计任务【l 】。信息技术的发展为知识获取提供了条件，但 知识可能分布在不同的人员、不同的区域上，而且随着产品科技含量的提高，知 识的种类和复杂程度也各不相同。随着社会分工的愈来愈细化，而个人的时问精 力有限，难于深入了解各个领域的指示，因此多方专业人员( 可能分属不同的单 位、不同的领域) 参与、配合、协同是设计出优秀的现代产品的现实需求。而网 络已成为信息社会中人们获取和传递知识的一个重要途径，随着各种技术的发 展，通过互联网来进行更广泛的协同已成为可能。 一般的c i m s 系统( 计算机集成制造系统) 和并行工程系统考虑的是企业内 部设计资源、制造资源和管理资源等信息资源集成，目前是为了缩短企业内部的 设计生产周期，改善企业经营管理，对于异地协同设计考虑较少。但是，目前的 大多数系统都是基于i n t e r a c t 环境下的，所以，对于i n t e r n c t 环境下机械产品的 异地协同设计的研究是十分必要和迫切的。 西北大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 ( 1 ) 协同设计平台系统研究 目前，国外对于协同设计平台的研究已经比较成熟，国际上主流的c a d 公 司开发出了能与其公司出品的c a d 软件无缝集成的协同设计平台产品。功能强 大，但是不具备和其它c a d 平台设计模型的兼容性。 t e a mc e n t e r ：t e a m c e n t e r 是业界第一套完整的产品生命周期管理解决方案， 它所提供的以产品为中心的纯w e b 解决方案，能帮助企业更快、更好和更省地 进行新产品开发。它能深入各种业务环境，促进产品知识同其它像e r p 和c r m 这类商业系统之间实现同步，同时整个广义企业能够基于这样的产品知识进行协 同，从而使企业优化了产品生命周期的流程并获得了最大的利润【2 l 。 u n i g r a p h i c s ：e - v i s 协同设计平台采用b s 体系结构为设计人员提供了项目 管理、设计资源管理、中性的c a d c a p p c a m 环境。c a d 模型采用专有的j t 格式，在保证产品信息完整性的条件下大大压缩了模型数据量 3 1 。 a l i b r e ：a l i b r ed e s i g n 协同设计软件中采用基于特征参数化的造型方法。同 时集成了产品数据管理功能，支持同步协同设计和异步协同设计。a l i b r ed e s i g n 有别于传统的c s 结构，是采用点对点的分散式胖客户端结构。利用网络上每一 台计算机的资源进行工作，客户端越多，处理能力越强。该产品完全w m d o w s 界面并且具有强大的数据转换功能【4 1 c o c r e a t ：o n e s p a c e 是一个成熟的、商品化的协同设计软件。o n e s p a c e 的 协同部分使得人们能够通过交互共享设计文档和2 d 3 d 设计模型方案。o n e s p a c e 能够直接打开s t e p ，i g e s 等格式的模型。借助于这个平台，设计人员能够在虚 拟团队中解决设计冲突 5 1 。 ( 2 ) 协同设计关键技术研究 国外在协同设计的关键技术方面也做了大量工作，对于协同感知的研究尤为 深入，实现了协同设计过程中各种感知技术原型系统。 密歇根州大学的j a n g c h y n q - y a n g 开发了名为t e a m s c o p e 的协同系统，系 2 西北大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 统定义了四种感知特征并加以实现，最后总结出团队在协同设计过程中交互感知 的需求【6 j 。 法国圣马丁大学的m a n u e l ek i t s c h p i n h e i r o 等人实现了基于组件的感知系 统。该系统集合了组织知识、活动感知和状态感知，可以方便地加入新的协同感 知组件或者对已有组件升级 t l 。 威斯康星州大学的n s h y a m s u n d a r 和r a j i t g a d h 两人提出了如何将装配体划 分为子单元的规则和方法，设计了协同装配工具的体系结构，最后实现了网络环 境下协同设计模型的浏览查询嗍。 里斯本大学的a n t u n e s m i q u e l 对协同虚拟环境的感知问题做出了面向对象 的抽象，实现了协同虚拟环境中协同管理感知【9 】。 ( 3 ) 网络模型数据交换研究 协同设计过程中，用户之间需要频繁的交换设计信息，因而信息传输的媒介、 组织和交换方法直接影响设计的效率及设计能否顺利进行。c a d 模型数据是协 同设计中可视化协同的数据基础，参与协作的各方需要支持相同的交换标准才能 实现交互概念设计。传统的数据交换标准数据量庞大、没有w e b 使能性质、不 便于构造与解析、语义表达不完善，所以不适合用于支持网络的协同设计。国际 大公司和研究机构制订出适合于网络模型交换的数据标准，主要分为二维数据和 三维数据。 s v g 的全称是可升级矢量图形( s c a l a b l e v e c t o r g r a p h i c s ) ，它是由w 3 c 制 定的基于可扩展标记语言( x m l ) 来描述二维矢量图型的一个开放标准埘。s v ( 3 严格遵从x m l 语法，并用文本格式的描述性语言来描述图像内容，因此是一 种和图像分辨率无关的矢量图形格式。目前p r o t e l ，c a d k e y ，i n t e l l i c a d ，a u t o c a d 等几种二维的c a d 平台都可以输出s v g 格式。 具有国际标准的v r m l ( v m u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，虚拟现实建模 语言) ，v r m l 联盟的目标就是将w e b 3 d 的实现方式标准化【1 。它以灵活的方 式，将二维、三维图形和动画、影片、声音、音乐多种效果调和在一起，形成一 个综合性的单一媒体v r m l 语言实现了网络三维模型的标准化，使得三维模 型在网上交流传输变得更加的方便，而且现在的许多大型的机械产品三维建模软 件都支持v r m l 格式的输出，如p r o e n g i n e e r ，u g ( u n i g r a p h i c s ) ，s o l i de d g e ， 西北大学硕士研究生学位论文第一章绪论 s o l i d w o r k s 等。 v r m l 9 7 发布以后，互联网上的3 d 图形几乎都使用了v r m l 。但是由于技 术的局限性，如带宽不够，需要下载插件浏览，文件量大，真实感、交互性需要 进一步加强等原因，近年来许多制作w e b 3 d 图形的软件公司的产品并没有完全 遵循v r m l 9 7 标准，而是使用专用的文件格式和浏览器插件，在渲染速度、图 像质量、造型技术、交互性和数据压缩和优化上都有胜过v r m l 之处。这样的 产品包括c u l t 3 d ，v i e w p o i n t ，p u l s e 3 d ，f l a t l a n d ，f l a s h ，j p e g 2 0 0 0 等。这些公 司都希望自己的解决方案能成为“事实上的国际标准”。 1 2 2 国内研究现状 ( 1 ) 协同设计平台系统研究 国外对协同设计的研究己经取得了一定进展，部分研究成果己经转化为商品 化软件或正在朝着商品化软件的方向发展。国内对于计算机支持的协同工作和计 算机支持的协同设计的研究开始于1 9 9 4 年，从发表的文章来看，研究工作主要 集中在研究多媒体群体( g r o u p w a r e ) 系统、基于a g e n t 的协同设计和工作流方 面，而且大部分偏重于理论，对于具体的协同设计的应用研究则很少。国内目前 对协同设计的研究主要集中在中国科学院计算机研究所、南京理工大、清华大学、 浙江大学等几个大学和科研单位。 清华大学以史美林教授为代表的c s c w 实验室学术团队，主要致力于 i n t e m e t i n t r a n e t 下以工作流为核心的协同应用开发环境的研究；面向c s c w 的开 放互连互操作系统应用平台集成技术研耕1 2 1 。 中国科学院计算技术研究所c a d 开放实验室的王潜平，林宗楷等对c s c d 的基本概念、内容进行了探讨，并对c s c d 的工作模式进行了研究，提出了建立 高效、可靠的工作模式的原则，以及建立工作模式的方法。 ( 2 ) 协同设计关键技术研究 国内对于协同设计的研究主要集中于协同设计关键技术的研究。实现了多种 协同设计活动关键技术的原型系统，但只是孤立地实现某个协同活动，各原型系 统之间不具备兼容性。 4 西北大学硬士研究生学位论文第一章绪论 浙江大学的何发智博士实现了一个直接支持事实上的工业标准( d w g ) 的 工程图形协同编辑c s c d 蛇s c w 系统原型一w t c o c a d 。该协同系统将当前 c s c w 系统在协作性能方面的长处和传统c a d 系统在图形处理方面的优势有机 地统一起来。构造了协作框架的偏复制式混合体系结构和c o c a dt o o l a g e n t 的 反应式a g e n t 结构1 1 3 1 。 清华大学的赵慧设、董兴辉等也分别设计出来基于w e b 的协同装配系统【1 4 1 。 华中科技大学的吴磊等人实现了一个特殊的批注原型系统，但是该系统只能 读取i n t e r - s o l i d 所生成的三维模型，没有通用性【i 坷。 南京理工大学主要集中于基于多a g e n t 的c s c w 体系结构和支持设计制造 一体化的c s c w 机理的研究。并且在商品化的c a d c a m 平台上，开发出了一 个三维工程图形批注系统，该系统利用w i n d o w sa p i 与图层覆盖的技术实现批 注，其缺点在于批注只能存在于模型的二维快照上【1 6 1 。 中国科学院成都计算机应用研究所提出利用协作感知的敏感性和迟钝性设 计感知通道，通过提高重要信息的敏感度和降低干扰信息敏感度来提高动态信息 的感知效果，促进协同工作效率的提高【1 7 】。 1 3 课题研究背景和主要内容 博士c a d 系统是在九十年代中期开发的我国具有自主版权的c a d c a m 集 成系统中的c a d 子系统。博士c a d 系统是国家九五火炬计划项目，荣获一九 九八年陕西省科技进步一等奖。该系统在全国拥有众多的用户，功能强大，稳定 可靠。 从博士c a d 系统的第一版发布到现在已经十多年过去了。在这期阋，软件 开发的工具，方法，环境都有了很大的变化。计算机辅助设计的技术也有了长足 的进步。单机版的c a d 系统已经不能满足人们对协同设计的要求，因此无论是 在系统的可扩展性，还是在系统的功能性要求方面，都需要对博士c a d 系统进 行一次全面的升级，使其能符合计算机协同设计的要求。本文就是在这样的背景 下产生的 然而，各用户良好的协作感知性是迸行协同设计的根本前提。因为在一个 计算机支持的协同设计系统中，用户只有在对系统全局环境、在场的所有协作者、 西北大学硬士研究生学位论文 第一章绪论 合作任务以及共享对象有了清楚、全面的认识后，才能很好的参与协同设计。协 同感知机制即是为每个协作者建立全局的、一致的协作环境，并在此基础上提供 成员与环境、成员与成员之间的信息交互途径。可见只有协同感知机制得到解决， 计算机协同设计系统才有可能正常运作，这正是本文研究的主要内容。 1 4 论文组织结构 第一章：立题的意义；介绍了计算机支持的协同设计的国内外研究现状；对 本课题的研究背景和主要内容作了简要概述。 第二章：对计算机支持的协同工作和计算机支持的协同设计进行了简要的介 绍，最后提出了基于博士c a d 协同设计系统的体系结构。 第三章：阐述了基于博士c a d 平台的协同感知系统中感知信息的分类、感 知方法、感知功能模块的组成以及相关的关键技术。 第四章：详细介绍了开发基于博士c a d 平台的协同感知系统的方法和过程。 第五章：模拟项目开发小组举行的一次实时协同设计交流会议，验证了系统 的实用性。 第六章：对本文研究工作的总结。 6 西北大学硕士研究生学位论文第二章计算机支持的协同设计 第二章计算机支持的协同设计 2 1 计算机支持的协同工作 2 1 1 计算机支持的协同工作的概念 c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r tc o l l a b o r a t i v ew o r k ) 是指地域上分散的一个群体 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【l 印。c s c w 系统分 类方式很多，常见的是采用时空分类法。按协作方式对时间的要求划分可有同步 方式和异步方式两种。在同步方式时，群体各成员在同一时间进行同一任务的协 作。在异步方式时，群体各成员在不同时间进行同一任务的协作。按协作者地域 分布有异地协作和同地协作两种【1 9 】。由此而将c s c w 分为4 类，如表2 1 所示： 表2 1c s c w 分类及举例 夸 同步异步 同地面对面交流( 会议室、电子板)文件方式、轮流作业、布告系统 异地可视会议系统，远程协作电子邮件，工作流，分布式数据库 目前，对c s c w 的研究主要集中在理论研究和应用系统开发两个方面。理 论研究包括群体协作模式、协作控制机制、协作同步机制、c s c w 模型和体系 结构冲突协调、本体论、分布式人工智能，以及相关的组织协调理论等；应用系 统开发包括电子邮件系统、新闻组和电予公告牌、视频会议工具、白板等。然而， 目前在协同工作理论研究上还缺乏完善的科学和系统方法，因而实际上协同工作 系统本质上还是直觉性的，而不是概念性的 2 0 - ：n 。 2 1 2 计算机支持的协同工作的发展现状 1 9 8 4 年，m r r 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 计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r tc o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 的概念。 随着i n t e m e t 技术的迅速发展，c s c w 的研究已成为国内外学者及软硬件开发商 研究的热点，针对c s c w 的体系结构、协商机制、冲突与协调、公用语言、人 西北大学硕士研究生学位论文第二章计算机支持的协同设计 与人交互界面等方面进行了深入细致的研究 国内对c s c w 的研究相对较晚，从1 9 9 5 年起引入和展开了c s c w 相关领 域的研究 2 2 - 2 3 1 ，从开始对国外c s c w 技术的跟踪介绍，到对协同多媒体系统和 协同编著系统等方面展开初步研究，随着对c s c w 研究和理解的不断加深， c s c w 的理论、关键技术和具体应用开始受到关注并成为研究的热点。并于1 9 9 8 年1 2 月在清华大学举办了第一次全国c s c w 学术会议1 2 4 1 ，该会议每两年举行一 次，第二次于2 0 0 0 年在上海交通大学，第三次于2 0 0 2 年在内蒙古大学举办，这 些会议的成功举办，以及相关论文、系统的不断涌现，标志着c s c w 的研究己 经在我国逐步展开并取得初步成果。 如今，在i n t e m e t n i i g i i 的环境中，知识经济和数字化浪潮给协同科学与 c s c w 带来了新的机遇和挑战，c s c w 将更加迅速地发展成为应用科学，而且 将进一步影响人们的工作方式和生活方式，这就要求我们更深入研究新型群组通 信支持、协作模型、工作流管理、共享媒体空间、异构资源集成、协同系统安全、 多维接口( 包括a p i 、人机接口等) 、虚拟协作环境、协同应用开发、协同心理 问题和法律环境等问题伫5 删。 2 1 3 计算机支持的协同工作的应用 c s c w 的目的是利用多媒体技术和通信技术建立一个协同工作环境，在此 环境中人们可以互相合作，共同工作于一个产品，一个研究领域或一个项目，或 求解学术上的问题。在涉及到共享信息和群体协同工作的，可采用计算机及网络 为技术支持手段的领域都可以采用c s c w ，例如在工业、远程医疗、远程教育、 办公自动化、电子商务与商业、贸易、金融、军事等应用中，c s c w 发挥着越 来越重要的作用。 其中，协同设计便是一个典型的应用，一个复杂产品在概念设计和详细设计 时将涉及到不同专业的知识，需要不同领域的专业人员共同参与。产品设计不仅 仅是设计人员与产品的交互，还包括与其他设计人员及环境的交流，可以看成是 一组有着共同最终目的的群体活动。如一座楼房的设计，就可能涉及到结构工程 师、建筑工程师、电气工程师、管道工程师等多领域的设计人员共同参与计算 0 西北大学硕士研究生学位论文 第二章计算机支持的协同设计 机支持的协同设计能支持群体成员( 包括设计者、生产者、销售者和管理者等) 在产品生命周期中以并行、协同的方式交换产品信息，并对产品设计思想、设计 进程、设计组织和设计信息进行协调与管理，从而提高工作效率，缩短设计周期。 2 2 计算机支持的协同设计 2 2 1 计算机支持的协同设计的概念 计算机支持的协同设计( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，c s c d ) 是c s c w 在协同工作中的应用，它继承了传统的c a d 系统的技术，并在其基础 上发展起来的。但是，c s c d 系统和传统的c a d 系统相比，发生了质的变化。 对于计算机支持的协同设计至今还没有一个权威的定义，但人们普遍同意下 述的观点，即：为了完成某一设计目标，由两个以上的设计主体( 或称专家) ， 通过一定的信息交换和相互协作机制，分别以不同的设计任务共同完成这一设计 目标p 7 l 。计算机支持的协同设计的重要性在于使不同地点的管理人员、设计人员、 施工人员以及用户都能同步或异步地参与设计工作，从而提高设计的质量和效率 网。 2 2 2 计算机支持的协同设计的特点 在传统c a d 中，人们多采用串行迭代的方法，由于设计的各个环节相对独 立，易造成设计的缺陷和隐患。计算机支持的协同设计是将c a d 与c s c w 技术 相结合，但不是简单的结合，它与传统c a d 系统相比，具有如下的特点例： ( 1 ) 多主体性；是指设计活动由两个或两个以上设计专家参与，而这些设 计专家通常是相互独立的，并且各自具有领域知识、经验和一定的问题求解能力 ( 2 ) 协同性；具有一种协同各个设计专家完成共同设计目标的机构，这一 机构包括各设计专家间的通讯协议、冲突检测和仲裁机制。 ( 3 ) 共同性：多设计专家要实现的设计目标是共同的，他们所在的设计环 境和上、下文信息应是一致的。 ( 4 ) 灵活性：参与设计的专家数目可以动态地增加或减少，协同设计的体 系结构也是灵活的、可变的。 9 西北大学硕士研究生学位论文第二章计算机支持的机同设计 ( 5 ) 异地性：设计专家所在的物理位置上可能是分离的。 单机c a d 系统协同设计系统 运行环境单机 网络 系统结构孤立系统分布式系统 设计过程或进程独立运行设计过程或进程要有协调控制 交互和协同 否有 设计数据 单机存储，人工协调对设计数据要进行协同控制 安全性应注意存储安全需要注意访问控制，存储安全和传输安全 2 2 3 计算机支持的协同设计的需求 针对以上对协同设计特点五个方面的概括分析，以及与传统c a d 系统的比 较，我们对协同设计的需求进行进一步的探讨。 协同设计在企业中的需求和应用主要体现在以下几个方面： 具有支持多个小组之间和组内成员之间的协同感知的功能。 具有支持多媒体协同的功能。多个小组之间和组内成员之间可以通过多 媒体来达到同步控制的功能。 具有开放性与柔性。系统应支持多种应用的装入和卸出，不同用户可以 定制和裁剪自己的界面、工作区环境设置和视图显示。 系统具有一致性维护的功能。一致性维护的控制机制和规则可以根据应 用进行选择或编程，尤其要提供冲突不可调和时的一致性控制。 能够提供分布数据的自动映射功能。协同设计中各小组获取产品的不同 特征信息，因此要在各小组间建立产品特征信息的自动转换机制，以便各小组之 间对设计方案的评价与决策，提高协同设计效率。 具有知识库和推理机制共享的功能。 2 2 4 计算机支持的协同设计的应用模式 协同设计人员在地理上分为同地和异地，在时间上分为同步和异步所以协 1 0 西北大学硕士研究生学位论文第二章计算机支持的协同设计 同工作的应用模式分为四种：同地同步协同、同地异步协同、异地同步协同、异 地异步协同。 同地同步协同可以通过人与人之间的自然交流达到协同工作的目的。同地异 步协同可以通过企业的管理机制和办公自动化软件完成。这两种协作模式不属于 本论文的研究范围。协同平台主要提供异地同步协同和异地异步协同的工作空 间。异步协同是一种松散耦合的协同模式，协同者有各自不同的工作空间，可以 在不同时间内进行工作，并且通常不能迅速从其他协作者处得到反馈信息。而同 步协同是一种紧密耦合的协同模式，协作者共享工作空间，在同一时间工作，任 何一个协作者都可以从其他协作者那里迅速得到反馈信息。 参与设计的人员在地域上是分布的，这就决定了协同设计平台要为设计的协 作者提供各种协同感知能力协同感知能力包括：工作空间感知，结构感知，交 谈感知等。工作空间感知是指各个用户拥有协同工作的空间，在此空间中能感受 到其他工作者及其工作。结构感知提供给用户全局任务列表、人员安排、模型管 理感知等，使协同参与者感知设计状态和与其他协作者的相互位置。交谈感知提 供用户之间相互通知和笔谈，感知到其他协同参与者的意见和看法。 本文从第三章开始将会介绍协同设计中的协同感知，并针对博士c a d 系统 基础上如何开发具有协同感知功能的系统进行详细的阐述。 2 3 计算机支持的协同设计的体系结构 2 3 1 协同设计系统的体系结构 协同设计系统的体系结构直接影响系统的构建和运行效率，合理的体系结构 将为产品开发提供适合计算和设计的组织结构。 通常将协同设计体系结构分为集中式结构、分布式结构和联邦式结构l 。 集中式是指一种中央控制的体系结构，存在一个实设或虚拟的中央控制和信 息、知识交流交换的场所。 分布式是无中央控制的体系结构，即每一个参与设计专家或主体无主从、无 主次之分，而且每个设计主体间都存在着一个可能的直接通讯；数据与知识可以 分布于各个设计主体之内，无公共中央数据与知识库；数据和知识也可以集中于 西北大学硕士研究生学位论文第二章计算机支持的协同设计 某一工作区域之中，有利于分布式控制的多个设计主体间的数据交流。 联邦式体系结构采用分布式与集中式相结合的方式，即由几个主设计专家组 成一个分布式设计的体系结构，每一个主设计专家的下属设计专家是采用集中式 设计的体系结构，即设计专家之间是通过主设计专家的控制而完成设计的数据之 间的交换和交流。德国人工智能中心d f k i 的综合设计管理器系统i m c o d 采用 的就是一个实际存在的中央管理设计中心，m i t 的d i c e 项目采用了分布式的体 系结构，p a c t ( p a l oa l t oc o l l a b o r a t i v et c s t b c d ) 项目采用的是联邦式体系结构。 2 3 2 基于博士c a d 协同设计系统的体系结构 本文涉及到的基于博士c a d 的协同设计系统采用的体系结构是联邦式体系 结构，这种结构的示意图如图2 1 所示。 可以看出它是一种由中心节点、域中心节点、普通节点构成的三层结构，并 在中心节点层与域中心节点层之间采用对等控制方式，域中心节点层与普通节点 层之间采用集中控制方式。采用这种结构的前提条件是项目必须可以划分成若干 个相对独立的模块以及存在相对较为集中的若干个开发小组。就本系统的应用领 域和使用者来看这样的前提条件是很容易满足的。 l 中心节点i i 域中心节点h 域中心节点f f 普通节点r _ _ 1 普通节点普通节点r - 1 普通节点 图2 1 基于博士c a d 协同设计系统体系结构 ( 1 ) 基于博士c a d 协同设计系统的体系结构的运作方式 该框架中中心节点层是协调群组问的控制层。先在中心节点层将工程划分为 相对比较独立的几大模块，然后分发给域中心节点层，在中心节点域中心节点 西北大学硕士研究生学位论文第二章计算机支持的协同设计 间形成对等控制方式。一个工程的所有文档都要在中心节点层有一个最新版本的 备份，每个域中心节点层则保存一定时期内本模块的所有版本，但只将最新版本 提交给中心节点层。域中心节点层如果要对非本模块前期版本提出查询申请，根 据该域中心节点层的权限及中心节点层的授权，容许或者拒绝。在这种方式中集 中地体现了c s c d 的协调性，同时也更能描述现实工作中各部门之间的关系与模 式。采用这种方式的优势在于减少了域中心节点层之间的数据交换，从而避免了 不必要的网络拥塞，而前提是各模块之间要具有相互的独立性。 域中心节点层是集中管理某一模块的核心层，把由一个域中心节点和若干个 普通节点组成的结构作为一个组，域中心节点为组长即前面提到的主设计专家， 普通节点为组员即设计专家。组长将模块划分为若干项任务，然后将任务分配给 普通节点层的某一个组员，这样在任意一个时刻每一项任务都至多存在一个组员 对其负责。称该组员是这一任务的作者，而对于特定的组员，可以是一个或多个 任务的作者。 普通节点层是工程项目的具体实现层，完成域中心节点层分派的相应任务， 并对自己感兴趣的部分与其他用户实时地在线协商，共同完成工程中的某一模 块。由于组员任务之间的相关性，要求各组员随时了解其他组员的工作情况，并 根据具体情况调整自己的工作，这样的工作机理决定了域中心节点层普通节点 层结构中将采用集中控制的方式，而在普通节点层之间采用对等方式，保证组员 之间的交互性、协同性。 ( 2 ) 基于博士c a d 协同设计系统的体系结构的版本控制 计算机支持的协同设计系统中版本控制是一个难点，集中式和分布式都有其 独特的版本控制方式。综合应用这两种方式，在基于博士c a d 的协同设计系统 中提出一种“作者修改一组长签字一保存历史一提交最新”的版本控制方式， 某一作者从域中心节点层将自己负责的任务c h e c k - o u t ，并可以有选择性地成为 其他几个任务的评论员，在编辑过程中，作者可以和同组的其他组员进行音视频 或文本形式的私下交流，以便更好地完成本部分任务，评论员实时见到的相关任 务，是作者编辑过程中的中间结果，并非最终版本。当作者认为编辑完毕时，向 域中心节点层组长提交完成后的任务，经组长审议或经组长咨询某些组员意见后 为该项任务做出鉴定，如果认为结果不够理想，可以提出参考意见要求作者重新 西北大学硕士研究生学位论文第二章计算机支持的协同设计 编辑或重新指定作者完成该项任务，并且不对外发布该任务结果，只将编辑后的 文档存入历史记录库，并记录下作者、时间、建议等相关内容；如果结果令人满 意，组长对该项任务签字，并发布到同组的各个组员处，以保证版本的统一性， 同时将结果c h e e k - i n 当前最新版本，在本组模块有一个阶段性成果后，组长将 结果提交给中心节点层数据库，与此同时通知其他组，本组的最新进展，如果其 他组有兴趣了解该部分内容，可以到中心节点层下载相关内容，否则只是保持一 种描述性映像，只有该部分文档的描述并没有文档的实际内容。 域中心节点层保存了本模块所有的开发文档( 历史的、最新的) ，因而版本 控制主要是在这一层中实现，之所以在域中心节点层中进行版本控制而不是在中 心节点层中，主要是基于以下3 点考虑：( 1 ) 如果各个模块的文档都存储在中心 节点层数据库内，势必会引起中心节点层数据量的巨增；( 2 ) 由于各模块的相互 独立性较强，使得一个组内的组员没有必要查看其他组的历史记录，避免了大量 文档来回传输所带来的麻烦；( 3 ) 按模块划分分布式地存储文档的方式加速了组 内成员访问数据库的速度，不必每次都到中心节点层下载相关文档，有利地缩短 了开发周期。由此可以看出域中心节点层是整个系统中最重要的部分，对于其中 的文档必须要求采取一定的措施来保证该层数据的安全性，可靠性。 中心节点层仅提供各模块的最新备份，这样做的优势在于为各模块组提供了 统一的、最新的文档版本，并充分肯定了各组的工作成果。 ( 3 ) 基于博士c a d 协同设计系统的体系结构的访问控制 计算机支持的协同设计系统是多用户、多任务的分布式工作环境，安全性是 首要考虑的问题，造成系统不安全的因素有很多：主观上有系统的稳定性和可靠 性不足，客观上有人员工作失误，操作不当。但对系统安全性影响最大的是人为 地故意攻击破环。因此，计算机支持的协同设计系统需要采取有效的安全防范措 施，防止非法用户进入系统和合法用户对资源的非法使用。 在基于博士c a d 协同设计系统中，访问控制集中在各个域中心节点。访问控 制需要解决三个问题：一是识别与确认访问系统的用户；二是决定该用户对系统 资源的访问级别；三是监控用户的动作，控制对资源的访问。人员分为不同的小 组，负责开发产品的不同部分只有本小组的人员才能改变本小组的产品数据。 在一个小组中，组长将模块划分为若干项任务，然后分配给某一个组员。在任一 “ 西北大学硕士研究生学位论文 第二章计算机支持的协同设计 时刻每一项任务都至多存在一个作者，而其他的组员如果对这一任务感兴趣，可 以成为这一任务的评论员。但是对于特定的任务，只有作者有权对其修改，评论 员只能提出建议和看法，并不允许他对该项任务进行直接编辑。在某个时间用户 实际上都只是在一个工作组中用一个角色来执行任务，即用户的角色与当前活动 组相关，譬如某些角色或是某个用户只在此工作组具有某种特殊权限，因此授予 用户的访问