（工程力学专业论文）数字化协同设计平台及远程实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，伴随着产品设计的复杂化及互连网通信技术的日趋成熟，传统的单人单机 c a d c a e 串行式设计已显得力不从心，很难适应市场快速产品更新的竞争需求，对于 一个成熟产品的设计通常涉及到多种学科的专业知识；即使对于产品的某一个设计方 面，由于设计者们考虑问题的角度不同而设计出多种不同版本的解决方案；因此，各领 域内的设计者们及企业部门之间需要及时的交换及反馈意见，从而提高产品设计质量， 缩短设计周期。计算机支持的协同工作( c s c w ：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 ew o r k ) 正是利用计算机技术，网络通讯技术以及人机接口技术，将时间上分离、空间上分布而 工作上又相互依赖的多个协作成员有机地组织起来，以共同完成某一项任务的分布式计 算机环境【l 】，以期在并行工程的环境下，产品的开发达到多学科专家的协同工作，形成 一种群组工作模式。目前c a d c a e 协同设计的理论研究很多，但成型的协同c a d c a e 设计平台系统却很少，而且大多是单以集中或分布控制方式【2 j 为主，二者各有其优缺点。 本文在对计算机支持的协同工作理论进行研究的基础上，对集中和分布控制方式网 络系统模型进行了剖析，综合了两种控制方式的优点，提出并实现了一种基于混合控制 方式的c a d c a e 协同设计平台。该系统平台下可实现模型数据文件的组织管理、设计 任务的动态调度、远程建模、异地显示、语音交互、文本聊天、文件的p 2 p 式传输，从 而为从事c a d c a e 设计工作的工程师们提供了一个虚拟的即时交互设计环境。主要研 究工作如下： 综合集中和分布控制方式的优点，构建了中央服务器节点服务器一节点的网络体系 结构，即集中式管理、分布式设计。 模型数据文件的管理，采用了一种树型结构来对整个设计生命周期内的各个设计阶 段不同版本的模型数据文件进行组织管理，并在此基础上实现了任务的动态调度。 对图像的压缩及传输技术进行了研究，并在协同设计过程中，实现了图像的增量式 压缩传输。 采用基于令牌的控制机制，使得在同一节点服务器内的设计群组内任一时刻只有唯 一的用户享有对模型的修改权限。 针对有限元模型文件大的特点，实现文件的p 2 p ( 点对点) 式传输，有效的提高了 传输效率，解决了网络的带宽瓶颈及服务器的系统资源瓶颈问题。 基础图形库的构建，包括杆、梁、约束、荷载、剪力图、弯矩图、扭矩图在任意空 间位置的绘制。 关键词：c s c w ；协同设计；树型结构；中央服务器；节点服务器；令牌控制机制 数字化协同设计平台及远程实现 d i g i t a lc o l l a b o r a t i v ed e s i g np l a t f o r ma n d i t si m p l e m e n t a t i o ni n t e l e c o m m u t i n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t r a d i t i o n a lc a d c a eb a s e do ns i n g l e u s e ra n ds i n g l e m a c h i n ei s b e c o m i n gb a c k w a r da n dn o ta d a p t e dt oc o m p e t i t i o ni nr a p i d l yd e v e l o p i n gp r o d u c t ，a l o n g 、i t h d e v e l o p m e n to fc o m p l i c a t e dp r o d u c td e s i g na n dm a t u r i n gn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n d e s i g no f o u t s t a n d i n gp r o d u c tr e l a t e st om u l t i d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g e ：e v e nt h o u g hi ns a m er e s p e c to f p r o d u c td e s i g n ，s o l u t i o no fv a r i o u sv e r s i o n si sd e s i g n e db yd e s i g n e r sb e c a u s eo ft h e i rd e f e r e n t v i e w p o i n ti nc o n s i d e r i n gp r o b l e m a c c o r d i n g l yd e s i g n e r sa n de n t e r p r i s e sd e p a r t m e n ti na l l f i e l ds h o u l de x c h a n g eo rf e e db a c ki d e a si nt i m e ，i no r d e rt oi m p r o v ep r o d u c tq u a l i t ya n d a c c e l e r a t ed e v e l o p m e n tc y c l e s 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 ew o r k ( c s c w ) i s d i s t r i b u t e dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n tb ym a k i n gu s eo f c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，n e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo rm a n - m a c h i n ei n t e r f a c et e c h n o l o g y ，u p o nc s c wm a n y c o l l a b o r a t i v em e m b e r si n t e r d e p e n d e n ti ns e p a r a t et i m eo rd i s t r i b u t e ds p a c ea r eo r g a n i z e da n d a c c o m p l i s ha s s i g n m e n ti no r d e rt ob u i l daw o r k i n gm o d eb a s e do ng r o u pw h i c h i sc o m p o s e do f m u l t i - d i s c i p l i n a r ye x p e r t si nc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g t h e r ea r et o om u c ht h e o r e t i cr e s e a r c hi n t h ef i e l do fc o l l a b o r a t i v ed e s i g nf o rc a d c a e ，b u tm a t u r ec o l l a b o r a t i v ed e s i g np l a t f o r mf o r c a d c a ei sr a r ea n dc o m m o n l yw o r kb a s e do nc e n t r a l i z e do rd i s t r i b u t e dc o n t r o lm o d e t h i sp a p e ra n a l y s e sn e t w o r ka r c h i t e c t u r eb a s e do nc e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e dc o n t r o l m o d eo nt h eb a s i co f t h e o r e t i cr e s e a r c ha b o u tc s c w ，a n dp r e s e n t sac a d c a ec o l l a b o r a t i v e d e s i g np l a t f o r n lb a s e do nh y b r i dc o n t r o lm o d ea f t e rs y n t h e s i z i n gt h e i ra d v a n t a g e s o r g a n i z a t i o n m a n a g e m e n to fm o d e ld a t af i l e s ，d y n a m i cs c h e d u l i n go fd e s i g na s s i g n m e n t ，t e l e c o m m u t i n g m o d e l i n g ，d i s p l a yi nd i f f e r e n tp l a c e ，c h a tb ys o u n d o rt e x t ，a n dt r a n s m i t t i n gf i l e sb yp 2 pa r e r e a l i z e du p o nt h ep l a t f o r m s ot h e r ep r o v i d e sv i r t u a la n di n t e r a c t i v ee n v i r o n m e n to fr e a l t i m e o nt h a td e s i g n e r sm a ya c c o m p l i s ha s s i g n m e n ti nc o l l a b o r a t i v ed e s i g nf o rc a d c a e t h em a i n r e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： o nt h eb a s i co fa b s o r b i n gt h ea d v a n t a g e so fc e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e dc o n t r o lm o d e ，t h e n e t w o r ka r c h i t e c t u r e “c e n t r a ls e r v e r - n o d es e r v e r n o d e ”i sb u i l t ak i n do ft r e e s t r u c t u r ei sa d o p t e ds ot h a tm o d e ld a t af i l e si na l ls t a g e so rd i f f e r e n t v e r s i o n so fl i f e c y c l ec a nb eo r g a n i z e d ，a n dt h a td y n a m i cs c h e d u l i n go fd e s i g na s s i g n m e n tc a n b er e a l i z e d 一i i 大连理工大学硕士学位论文 i nt h ec o u r s eo fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，s t u d yi m a g ec o m p r e s s i o nt e c h n o l o g ya n di m a g e t r a n s m i s s i o n ，a n dr e a l i z ec o m p r e s s e da n di n c r e m e n t a li m a g et r a n s m i s s i o n o n l yo n ed e s i g n e rc a nm o d i f yt h em o d e li nt h eg r o u p a tt h es a m et i m eb ya d o p t i n gt o k e c o n t r o lm e c h a n i s m t h ep 2 pf i l e st r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e da c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ef i n i t ee l e m e n t m o d e l ，s ot h a tt r a n s m i t t i n ge f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e da n dt h a tt h ep r o b l e mo fn e t w o r k b a n d w i d t hb o t t l e n e c k sa n ds e r v e r ss y s t e mr e s o u r c e sc a nb er e s o l v e d b u i l dt h eb a s eg r a p h i cd a t a b a s e ，a n dd r a wg e o m e t r i cs h a p e s ，s u c ha sb a r ，b e a m ， c o n s t r a i n t ，l o a d ，s h e a r i n gf o r c eg r a p h ，b e n d i n gm o m e n tg r a p h ，t o r q u em o m e n tg r a p h k e yw o r d s ：c s c w ；c o t t a b o r a t i v ed e s i g n ；t r e e - s t r u c t u r e ；c e n t r a ts e r v e r ；n o d e s e r v e r ；t o k e nc o n t r o im e c h a n i s m i i i - 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：茜媾亿1 办同他计予台反连花咖 作者签名：【翌堕监日期：亟型2 年三月三日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 随着网络通讯技术及计算机技术的发展，i n t e m e t 互联网做为全球性的计算机网络， 已成为人们学习、生活、生产获取信息来源的不可或缺的重要途径，i n t e m e t 是一个信 息的海洋( 图1 1 ) ，通过i n t e m e t ，人们可以查阅电子书籍、发电子邮件、网络交友、 玩在线网络游戏、下载各种软件，甚至在网上购物、炒股、网上办公、网上多媒体会议、 远程教学及网上医疗，网络还提供了政府、学校和公司企业等机构的详细信息和各种不 同的社会信息及各种信息的发布平台。这些信息的内容涉及到社会的各个方面，包罗万 象，几乎无所不有。您可以坐在家里而了解到全世界正在发生的事情，也可以将自己的 信息发布到i n t e m e t 上。不论何时何地，人们只需利用电脑、手机、p d a 等数字化网络 通讯设备，就可以通过网络很方便的进行信息交流，可以说i n t e m e t 为我们构建了一个 网络的虚拟社会，信息交流、意见反馈已成为利用网络的一个重要方面。人与人之间的 信息交流是一个复杂多样化的过程，交流的方式可以是文字、语音、视频及远程控制等， 交流的对象可以是办公室内的同事，也可以是大洋彼岸的异国好友，人们总是希望通过 网络来听见对方、看见对方、感知对方，甚至进行网络上的协作办公。在信息交流的整 个过程中，人是交流过程的主体，计算机及网络是交流过程的中问媒介，信息交流的途 径可以表示成：人( 信息输入) 计算机- 网络 计算机 人( 信息输出) ，因此，传 统的“人机交互 最终通过网络实现了即时的“人人交互i j j 。 人机交互( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，简写h c i ) ：是研究关于设计、评价和实 现供人们使用的交互计算系统以及有关这些现象进行研究的科学。早在上个世纪5 0 年 代初，就有专家学者专门从事人机交互工程学方面的研究，1 9 6 0 年，l i k l i d e rj c k 首次 提出人机紧密共栖( h u m a n c o m p u t e rc l o s es y m b i o s i s ) 的概念，被视为人机界面学1 4 j 的启蒙观点；1 9 7 0 年，相继成立了两个h c i 研究中心：英国的l o u g h b o c o u g h 大学的 h u s a t 研究中心和美国x e r o x 公司的p a l oa l t o 研究中心；2 0 世纪8 0 年代初期，学术 界相继出版了六本专著，对最新的人机交互研究成果进行了总结，人机交互学科逐渐形 成了自己的理论体系和实践范畴的架构。理论体系方面，从人机工程学独立出来，更加 强调认知心理学以及行为学和社会学的某些人文科学的理论指导；实践范畴方面，从人 机界面( 人机接口) 拓延开来，强调计算机对于人的反馈交互作用。2 0 世纪9 0 年代后 期以来，随着高速处理芯片，大容量存储设备，以及各种高级语言的出现，多媒体技术 和i n t e m e tw e b 技术的迅速发展和普及，人机交互的研究重点放在了智能化交互【5 j ，多 数字化协同设计平台及远程实现 模态( 多通道) - 多媒体交互，虚拟交互以及人机协同交互等方面，也就是放在以人为 在中心的人机交互技术方面。人机交互的发展过程大致可以分为以下几个阶段： 图11i n t m 估t 互联阿 1 、 早期的手工作业阶段，程序都是以0 或1 的序列来表示的，程序员直接使用 的是机器指令，无需翻译，从纸带或纸卡打孔输入即可执行得到结果。 2 、 作业控制语言及交互命令语言阶段，汇编语言及其它各种高级语言的问世使 作业人员从繁重晦涩的编写机器指令中解放了出来，编写程序的人也不必再是计算机硬 件方面的专家，通常一条语句直接可以翻译成若干条机器指令，而翻译的工作交由编译 嚣来完成t 但此时的程序一般都是按照已经编写好的代码以命令行的方式运行：在程序 运行期间。用户能够参与的操作十分有限，交互性很差。 3 、 图形用户界面阶段( o r a p h i c a l u s e r i n t e r f a c e ，g u i ) ，与早期计算机使用的 命令行界面相比，图形界面对于用户来说更为简便易用，与计算机进行交互的方法不再 是输入命令行的指令，而是通过窗口、菜单、鼠标按键等简单的操作即可完成相对复杂 的功能，即便是不懂编程、不懂命令行指令甚至对计算机不是很熟悉的普通用户来说， 操作也只是点击几下鼠标等很简单的事情。 4 、 网络用户界面阶段，以超文本标记语言h t m l 及超文本传输协议h t t p 为 主要基础的网页浏览器是这个阶段的代表，由它形成的w w w 网已成为i l a t e m c t 的支柱。 大连理工大学硕士学位论文 这个阶段，人们更关注的不仅仅是和眼前的计算机进行交互，更重要的是通过网络同远 程计算机或他人进行交互、协作。i n t e m e t 互联网的发展是极其迅速的，人们获取信息， 发布信息的方式、渠道呈多元化，信息交流的速度也呈几何级数增长，新的技术不断涌 现，如搜索引擎、远程控制、聊天工具、网上银行等。 5 、多通道、多媒体智能人机交互阶段，以虚拟现实【6 】为代表的计算机系统拟人 化和以手持电脑、智能手机为代表的计算机的微型化、随身化、嵌入化，是当前人机交 互的两个重要发展趋势。利用人的多种感觉通道和动作通道( 如语音、手写、姿势、视 线、表情等输入) ，以并行、非精确的方式与计算机进行交互，可以提高人机交互的自 然性和高效性。 计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，缩写为c s c w ) 正 是前面提到的网络用户界面阶段的一个分支领域，主要研究如何通过网络尽可能便利、 快捷、高效、自然的实现人人交互的问题，c s c w 的概念最早于1 9 8 4 年由美国麻省理 工i r e ng r e i f 与迪吉多的p a u lc a s h m a n 在成立有关“科技在团队工作中扮演角色之工作 坊 中提出，大致概括为以下三个方面： 1 、表示电脑辅助团队工作( c o m p u t e r s u p p o r t e dt e a m w o r k ) ，以团队观点出发， 目的在于辅助团体工作之过程。 2 、表示电脑辅助合作工作，着重“合作”之观点。在社会心理学中，被解释为许 多人为达到一共同目标， 3 、表示电脑辅助有系统的活动( c o m p u t e rs u p p o r tf o ro r g a n i z e da c t i v i t i e s ) 。此观点 强调解决一个任务，通常需要兼顾合作与个人的工作元素，因此强调一个c s c w 的解 释，若完全忽视个人工作，其定义是不正确的。 c s c w 对包括c a d c a e 技术在内的计算机技术各个方面的发展产生了巨大的影 响，传统的单机单用户c a d c a e 主要是以串行式设计工作模式来实现信息的集成，产 品设计的每个阶段相对隔离，只能体现当前阶段设计者的个人意图，即使设计中有明显 的缺陷甚至错误，也很难保证得到及时的修正；当此阶段的设计任务完成后抛给下一阶 段的设计者时，该设计者或者在此非良性基础之上继续进行设计，或者反馈给上一阶段 的设计者。 而对于一个较为复杂的产品设计，通常是将设计的不同方面或不同阶段分别交给不 同的设计人员或设计部门来完成，待所有的设计任务都完成后，再最终将设计的结果进 行整合、调试，这样势必会带来诸多问题，如各模块之间的啮合性、数据兼容性、优化 参数反馈性等；因此，我们更希望尽可能在产品设计的早期阶段就及时的发现上述的问 数字化协同设计平台及远程实现 题，这就要求无论从产品设计质量或是产品设计周期来考虑，都必须做到无论当前的设 计任务是什么，都要从满足整体设计的角度来进行设计。 计算机技术、网络通讯技术、多媒体技术的发展为设计人员和部门之间提供了进行 协同设计的可能，参与设计的人们可以通过各种第三方即时通讯软件或工具实时的与他 人进行沟通、交换意见、文件共享、数据整合等并及时的对设计的模型进行修改，但这 里明显存在一个问题，对于协同设计过程中，可能需要很多种不同商家不同标准的软件 或工具来一起合作，很明显，这样做效率将十分低，数据的兼容性也很难得到保证。因 此，构建一种集成的c a d c a e 虚拟协同设计环境具有极其重要的现实意义；协同设计 环境的构建基本要考虑如下问题：各种c a d c a e 软件的接口、模型数据的兼容标准及 数据文件的组织管理、整个协同设计过程中任务的调度、协同设计环境的网络体系结构、 协同设计人员之间实时交互方式、用户权限的设定及访问控制策略、良好的人机界面。 1 2 基于网络的c a d o a e 协同设计系统 传统c a d 系统软件已经被广泛应用，并日趋成熟。随着计算机支持的协同工作 c s c w 的出现和快速发展，如何利用现有的c a d 系统，进而实现网络协同功能是以后 c a d 发展的趋势。协同设计c s c d ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ed e s i g n ) 是c s c w 技术在c a d 领域的具体应用。它是在制造全球化的背景下，随着信息技术、计算机技 术的迅速发展涌现出的一种新技术，由异地分布的同个或多个企业，采用并行协同设计 的思想来进行新产品开发的新型设计方法。 所谓协同就是指各方相互配合或一方协助另一方做某事，从而可以使设计群体相互 支持、相互依赖、取长补短；同时可以缩短设计周期、优化设计方案等等。 一个良好的c a d 设计需要在设计的每一个环节都能考虑到各种各种的因素。单个 的设计人员在设计过程中很难从各个角度进行全方位的考虑，同时也很难避免由于个人 理解的偏差造成设计失误，因此我们需要多领域的专家参与、配合、协同起来进行设计， 这样就形成了一种群组的工作方式。专家们在网络上使用计算机进行工作，协作的进行 设计和开发。 但目前计算机辅助设计在群体协同设计方面所做的研究明显还不够。大多数仅仅从 辅助设计的功能开发方面出发，很少考虑设计群体之间的协作，因此设计师们不能充分 发挥计算机作为辅助设计工具的优势，使设计群体之间的协作及协同还只能通过传统的 简单方式来进行。这样，设计的效率及质量都很难得到保障。 大连理工大学硕士学位论文 研究人员已经注意到了协同工作及网络技术对设计环境的冲击，计算机支持的协同 设计已经成为设计领域中的一个重要的课题。许多调查已经开始研究在计算机网络中使 用新技术进行信息共享和信息交流的可行性，其中一些通过把异构的应用软件混合起来 i s j ，来探索提供给开发团队使用的协同产品开发环境。 在早期阶段，计算机支持的协同设计主要研究在一个团队项目中，许多专家之间的 设计信息的管理与共享的方法【9 j 。现在主要研究的是如何提高协同设计者之间进行交互 的方法。协同设计环境中的一个并未被完全开发的领域是3 dc a d 实时交互【l 引。在一个 协同设计环境中，许多设计者需要有效地工作在一起来讨论和修改3 dc a d 输出，而我 们所遇到的大多数的3 dc a d 系统都是单用户的。单用户的c a d 软件系统只支持用户 和操作系统之间的交互，如编辑、建模等，只允许用户和计算机进行信息交互。然而， 任何领域中的产品设计过程都是一个团队工作，都是由不同学科的专家一起协同工作。 紧密的协作会缩短开发周期，加快产品的开发，提高产品的质量，减少投资。在并发工 程( c e ) 方法学、计算机集成建筑( c i c ) 及整合产品开发( i p d ) 中都强调了这一点。 协同c a d 可以使时间上分离、空间上分布而工作又相互依赖的群体协作成员提供 一个“面对面 ( f a c et of a c e ) 和“你见即我见”( w y s i w i s ：w h a ty o us e ei sw h a tis e e ) 的协同c a d 工作环境。在此环境中，人们可以相互协作与交互，共同工作于一个项目、 设计一个方案、研制一个新产品、探讨一个学术或技术问题、进行远程协作会诊。它可 以缩短传递信息的途径，消除人们在时空上相互分隔的障碍，而且还可以节省工作人员 的时间和精力，免去旅途辛苦，从根本上缩短周期、降低成本，提高群体工作的效率。 1 3 相关领域研究现状 1 3 。1计算机支持的协同工作( c s c w ) 研究现状 协同学一词来源于希腊文，意为共同工作，是研究协同系统从无序到有序的演化规 律的新兴综合性学科。协同系统是指由许多子系统组成的、能以自组织方式形成宏观的 空间、时间或功能有序结构的开放系统。 早在上个世纪7 0 年代，德国斯图加特大学物理学家赫尔曼哈肯教授( h e r m a n n h a k e n ) 就提出了“协同学”研究的概念；并于1 9 7 1 年与格雷厄姆合作撰文介绍了协同 学。1 9 7 2 年在联邦德国埃尔姆召开第一届国际协同学会议。1 9 7 3 年这次国际会议论文 集协同学出版，协同学随之诞生。1 9 7 7 年以来，协同学进一步研究从有序到混沌的 演化规律。1 9 7 9 年前后联邦德国生物物理学家艾根将协同学的研究对象扩大到生物分子 方面。 数字化协同设计平台及远程实现 计算机支持协同工作的定义是：“在计算机支持的环境中，一个群体协同工作完成 一项共同的任务。它的基本内涵是计算机支持通信、合作和协调。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。 具体的讲，c s c w 具体的含义是指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。它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。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，如图1 2 所示，是一个典型的基于c s c w 群体协作框架。 i 协同工作人员或部门 i 用户界面 i 应用程序接口 i c s c w 协同工作平台 1 分布环境与服务 i 知识库i“ 协同工作 上 一l 删l i 数据库l 单单掣卒 图1 2 基于c s c w 的群体协作框架 c s c w 的应用领域是十分广泛的：远程教育，网络环境下的协作学习，可以使学生、 教师和专家等从网上获取丰富的资源，同时，远程教育和协作学习是未来人们工作和学 习的一种基本又非常重要的方式和环境；合作科学研究：信息交换、会议系统、合作协 作系统等是提供给科学家之间进行密切的科研合作的有效手段；电子商务在商业、贸易、 金融中的应用；电子政务与各级政府部门的协调和决策支持；医疗应用，远程专家会诊、 远程指导手术等。 大连理工大学硕士学位论文 c s c w 是将计算机科学、心理学、人力工程学、认知科学、社会学等多个学科综合 起来的一个新兴学科，是计算机科学人机交互的一个重要分支，其研究目的是“让人们 一起利用协作共享系统如何进行有效的工作”。c s c w 是群体工作方面的知识与计算机 网络和有关的硬件、软件技术及有关人员和相关技术的结合体，主要有两大部分，一是 群体的工作方式，主要有个人在群体中的作用、工作方式等个人因素；群体的结构、工 作管理等组织因素；组大小、协同时间等群体动态因素。可以看出，这方面的研究不只 是信息科学的任务，更是社会科学的范畴，c s c w 不仅得益于这方面的研究，而且将帮 助并推动社会科学在这方面的研究。二是涉及的技术，包括广域网或局域网，支持协同 工作的硬件、软件等。 c s c w 的主要目的是协同作业与信息共享。目前在实现协作功能时其体系结构基本 上采用应用程序的集中控制方式、分布式r e p l i c a t i o n ( 复制副本) 控制方式( 对等方式) 及混合控制方式。在实现信息共享功能时其体系结构基本上采用紧耦合方式 ( p r e s e n t a t i o n l e v e l 共享方式) 、中耦合方式( v i e w - l e v e l 共享方式) 、松耦合方式 ( o b j e c t l e v e l 共享方式) 。c s c w 目前主要开展了以下几方面的研究工作：基于计算机 为中间媒体的通讯技术、信息访问技术、协作空间技术、信息挖掘技术、协作支持环境 等。c s c w 系统技术的本质是通过研究“w h ，即“w h e n ( 时间) 、“w h e r e ( 空 问) 、“w h o ”( 协作者) 、“w h a t ( 对象) 、“h o w ( 方式) 来达到协同作业与 信息共享的目的，从而达到在i n t e r n e t 网络上的人人交互的目的【l6 ， j 。 计算机的发展从大型主机到通过网络互连的机器群体，走出了一条从相互没有联系 或联系困难的独立计算机到相互可连接、互操作、甚至协同工作的计算机群体的道路， 计算机协同工作是计算机发展的必然趋势。计算机应用领域的拓宽和对群体协同工作的 支持必须建立在广泛的用户群基础上，只有当大量的用户都可以方便的使用计算机时， 计算机才可能深入人们的工作和生活，并影响到人们的协作方式，提高人们的协作效率。 在二十一世纪，c s c w 将会构成我们人类工作和生活的一种基本环境和方式。而今 天业已流行的互联网i n t e m e t 和在其上发生着的事件也日益显示出这种强劲趋势。这样 一组数字可以充分反映出这种趋势：全世界i n t e m e t 用户从1 9 9 4 年的3 0 0 万到1 9 9 8 年 的1 5 3 亿，仅用了4 年时间发展了1 5 亿用户，电视机和收音机则分别经过长达1 3 年 和3 8 年时间才达到5 0 0 0 万用户。i n t e r a c t 的采用不仅使它之前的所有技术都黯然失色， 而且将对人类社会产生深刻的影响，而c s c w 在i n t e r a c t 环境下将发挥更有效的作用。 数字化协同设计平台及远程实现 1 3 2 多媒体视频会议系统发展现状 近年来，随着视频采集技术、压缩技术、网络传输技术的迅猛发展，作为c s c w 的 一个分支应用领域，多媒体视频会议系统及相关技术日趋完善，并得到了广泛的应用。 早在7 0 年代初期，美国紧急状态办公室( o e p ) 就委托m u r r a yt u r o f f 开发一套计算机 会议工具来取代当时正在用的远程会议设备。t u r o f r 为此开发了一个叫做e m i s a 的 系统，全称是e m e r g e n c ym a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e ma n d r e f e r e n c ei n d e x 。 多媒体视频会议系统是指两个或两个以上不同地方的个人或群体，采用多媒体技术 通过传输线路及多媒体采集设各，将声音、影像及文件资料互传，实现即时且互动的沟 通与写作，以实现会议目的的系统。 视频会议系统可以分为会议室系统和桌面系统【l 。会议室系统已基本成熟，也得到 一定的使用，如p i c t u r e t e l 、c l i 、g t 等公司推出较为完整的会议室系统，它采用专用 的设备和专用技术来实现音频信号的获取、编码、传输、解压缩、和播放，需要建立专 用会议网络来传输视频音频信号，通过专用的m c u ( m u l t i p o i n tc o n t r o lu n i t ) 设备来实 现多点会议，价格较高，对协作功能的支持比较困难。而桌面系统采用开放技术通用设 备构成，在通用的桌面平台上通过通用的板卡来实现视频及音频信号的获取、编码、传 输、解压缩和播放，利用已建成的计算机通信网络来实现传输，因此价格较低，桌面系 统可充分利用通用桌面上丰富的应用，可较好支持电子白板和应用过程共享等协作应 用。 桌面系统按照它所使用的网络环境可分为l a n 、i s d n 、i n t e r n e t 等网络环境上 的产品，不少厂商都推出了l a n 和i s d n 网络环境上的产品，如i n t e l 的p r o s h a r e 、s u n 的s h o w m e 、i b m 的p e r s o n t o p e r s o n 、s g i 的i n p e r s o n 和a p p l e 的q u i c k t i m ec o n f e r e n c i n g 等等。同时也有一些i n t e r n e t 网络环境的产品推出，有c o m e u 大学的c u s e e m e 、 w h i t e p i n e 公司的e x t e n d e d c u s e e m e 以及其他的相关产品如m b o n e ( m u l t i c a s tb a c k b o n e ) 和m a v e n ( 音频会议产品) 等。另外，还有一些公司进行a t m 网络环境中的视频会议 系统的产品开发，如f v c 公司的m o s ( m e d i ao p e r a t i o ns y s t e m ) 、v c a c h e 、v - n i c 、 v s w i t c h 和v g a t e 产品系列等。它们大都实现了音视频交互功能、电子白板和应用程 序共享，并通过采用m u l t i c a s t 技术或r e f l e c t o r 技术来实现初步的多点通信功能，另外， 许多聊天通讯软件或远程控制软件也内嵌了桌面会议的功能。 所用的以上这些多媒体视频会议产品都是在同样的环境下( 同构环境) 实现交互与 协作功能的。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 3 异构环境下协同交互技术的研究现状 目前市场上流行的产品大多都是在同类硬件产品与同类软件平台上展开协同工作 与信息共享等的研究的。现有的产品都是网络相关及平台相关的，即使遵守 h 3 2 0 ，t 1 2 0 ，h 3 4 3 等国际标准的产品，也是平台相关的，也就是产品的适用范围都是同 构环境。使用同构环境的产品不能在异构环境下使用。 随着i n t e m e t 网络的不断发展，加入i n t e m e t 网络的交互设备种类越来越多，如t p c 、w o r k s t a t i o n 、终端、苹果机、h p c 、p d a ，机顶盒及其它数字设备等，在这些硬件 设备上使用的操作系统的种类也越来越多，如：w i n d o w s 3 1 9 5 9 8 n t ，m a c i n t o s h ，u n i x ， l i n u x ，w i n d o w sc e ，i n f e m o ，j a v ao s 等。由此可看出，由这些设备与操作系统构成的 整体必定是异构的。在异构环境下，w e b 技术能较好的解决信息浏览问题，j a v a 技术 与w e b 技术的结合能较好的解决小应用程序之间的交互问题，但是到目前还没有一种 成熟的技术解决网络上能进行协同工作与信息共享问题。 19 9 6 年，美国国家标准局( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yl a b o r a t o r y ，n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 的o k i m 研究院与o l dd o m i n i o n 大学的h a b d e l w e h a b 教 授提出了对异构环境下的协同工作进行研究，对一些技术问题进行探讨，但到目前还没 有形成一个完整的体系，也没有推出商品化的产品。目前，国内西安交通大学和荷兰埃 因霍温大学i p o 研究所合作针对i n t e m e t 网络带宽较窄的实际情况，提出o p 通道技术， 在减少交互过程数据传输量的前提下，采用分布式复制副本方式可以保证异构环境下协 同交互系统的正常运行。 1 3 4c a d c a e 协同设计平台研究现状 对于协同c a d 的研究，国外起步较早。早期的协同c a d 大部分都是异步协同设 计系统，是一种松散藕合的协同工作，其特点是：多个协作者在分布集成的平台上围绕 共同的任务进行协同设计工作，但各自有不同的工作空间，可以在不同的时间内进行工 作，但通常不能迅速地从其它协作者处得到反馈信息。其代表性的工作有斯坦福大学的 c u t k o s k y 领导的s h a r e 项目和m a d e f a s t 项目；加州大学伯克利分校的w r i g h t 等人 研究开发的c y b e r c u t 系统；k i m 等人开发的c y b e r v i e w 系统等。而同步协同设计是 一种紧密藕合的协同工作，多个协作者在相同的时间内，通过共享工作空间进行设计活 动，并且任何一个协作者都可以迅速地从其它协作者处得到反馈信息。因此近年来，其 正在成为协同设计领域研究的热点之一。代表性研究工作主要有t 韩国l e e 等人开发 的基于w e b 的协同特征建模系统n e t f e a t u r e ，荷兰d e l f t 大学b i d a r r a 等开发的基于 数字化协同设计平台及远程实现 特征的协同建模系统w e b s p i f f ，德国的l u k a s 等人研发的i o b a c o 和香港的c h a n 等人开发的c s m 系统等。 虽然国内对计算机支持的协同设计及其相关课题的研究相对国外较晚，但同样取得 了一定的成绩。其代表性的工作有南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心开发的 基于w e b 的异步协同c a d 系统- - w e b s u p e r m a n ；浙江大学的高曙明等人利用协同工 具c o c a d t o o l a g e n t 在a u t o c a d 上二次开发的协同c a d 系统；清华大学精密仪器 与机械学系设计并实现了一个开放的、分布式的机械性能协同设计环境d c m d e ；南京 理工大学c