（机械制造及其自动化专业论文）网络协同设计基于stepoodb动态数据交换研究.pdf

重庆大学硕士学位论文fr 文摘要 摘要 数据交换在网络协同设计中占有特别重要的地位，是实现数据集成、数据交 换苁享、实时交换性和一致性的关键。目前，网上的异地设计系统主要是异步系 统，之所以不能实现同步，主要是因为采用的数据交换方式是文件交换，设计中 传输了大量的冗余数据，4 i 适合协同设计系统通过i n t e r n e t 进行数据交换，因为图 形文件一股很大，再加上现在网络带宽较小的限制，在协同设计中来回传输图形 文件将花费大量的网络传输时间，设计者之间实时交互设计数据将变得很困难， 最终导致不能满足系统实时性要求。 分析了网络协同设计动态数据交换叶t 所涉及的数据转换、数据传输、数据操 作，提出基于s t e p o o d b 的动态数据交换模式，o o d b 数据库为系统核心数据 库，s t e p 为产品数据交换标准，各c a d 系统用户可同时访问o o d b 数据库，实 现信息其享和交互。在实现跨平台异类c a d 系统之间动态数据交互和数据的实时 一致性方面作了初步的探索。 本文所涉及的内容得到了国家自然科学基金项目共享模型驱动的异地实时 协同设计方法和技术研究( 项目编号5 0 1 7 5 1 1 3 ) 的资助，主要进行了以下几方丽 的工作： 总结了协同设计的发展及其研究现状，探索了网络环境的实时协同设计所 涉及的关键技术，提出了嘲络环境下实时协同设计动态数据交换系统结构，并着 重阐述了数据交换过程中的数据交换格式、实时性、一致性、互操作、数据管理、 版本管理、并发控制等问题及其解决方案。 分析产品数据交换标准以及工程数据库管理系统领域的o o d b 的基础上， 提出了基于s t e p o o d b 模式的网络协同设计动态数据交换组织模型、数据交换 机制以及数据交换过程。 对客户端动态产品数据交换接口、s t e p x m l 解析、o o d b 管理及并发控 制等三个关键部分的软件实现作了具体的描述，完成了相关部分的源代码编写。 在p r o e2 0 0 0 i 为客户端，o r a c l e 数据库及j s p 服务器为支撑的w e b 环境 下，对基于s t e p o o d b 的动态产品数据交换系统进行了初步的测试和验证。 关键词：网络b j , 同设计，动态数据交换，s t e p ，o o d b 重庆火学硕士学位沦文 英文摘要 a b s t r a c t d a t ae x c h a n g ei s e s p e c i a l l yi m p o r t a n ti nn e t w o r k s u p p o r tc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ， a n di st h ek e yt od a t ai n t e g r a t i o n ，d a t ae x c h a n g e & s h a r e ，d a t ar e a lt i m ee x c h a n g e ，a n d d a t ac o h e r e n c e a tp r e s e n t ，m o s to ft h e s e p a r a t ed e s i g ns y s t e m s a r e a s y n c h r o n o u s s y s t e m st h a tc a n n o tf r e e l ys y n c h r o n i z ew h i l e t h e i rd a t ae x c h a n g em o d e li sf i l et y p ea n d t h e r ei sm u c ho fr e d u n d a n td a t ai nt h ed a t at r a n s m i s s i o n t h e s ef l a w sc a n n o ta d a p tt o c o l l a b o r a t i v ed e s i g ns y s t e me x c h a n g ed a t at h r o u g hi n t e r a c tb e c a u s eo ft h a tg r a p h i c sf i l e i so f t e nt o o l a r g ea n dp r e s e n tw e bb a n d w i d t hi s al i t t l en a r r o ww h i c hc a u s et ot h e g r a p h i c s f i l ed a t ai n o u ta taw o r k s t a t i o ns p e n d i n gm u c ho ft i m ea n dd a t ae x c h a n g e b e t w e e nd e s i g n e r sb e i n gv e r yd i f f i c u l t s ot h i sc a n n o tm e e tt h ed e m a n d so fr e a lt i m e s y s t e m t h i sp a p e rh a da n a l y z e dt h ed a t ae x c h a n g e ，d a t at r a n s m i s s i o na n dd a t ap r o c e s so f d d ei nn e t w o r k s u p p o r tc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，a n db r o u g h tf o r w a r dd d em o d e lb a s e d i ns t e p o o d b o o d bi st h e k e yd a t a b a s e ，s t e p i su s e da st h ed a t ae x c h a n g e c r i t e r i o n ，a n de a c hc a d u s e rc a l la c c e s st h eo o d ba tt h es a m et i m es or e a l i z et h ed a t a e x c h a n g ea n ds h a r e i n s e p a r a t es y s t e m s a l s o ，t h i sp a p e rh a d m a d ea e l e m e n t a r y r e s e a r c hi nt h ef i e l do f r e a l i z i n g r e a lt i m ed d ea n dd a t ac o h e r e n c eb e t w e e n a s y n c h r o n o u sc a ds y s t e m sa n dm u l t i p l yo p e r a t i n gs y s t e m s t h i sp r o j e c th a db e e na s s i s t e db yt h en s f c ( n o 5 0 1 7 5 1 1 3 ) ，a n dm a i n l yi n c l u d e t h ef o l l o w i n g t o p i c s ： s u m m a r i z e dt h e p r e s e n t r e s e a r c hs t a t u si nt h ef i e l do f n e t w o r k s u p p o 九 c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，p r o b e di n t ot h ek e yt e c h n o l o g yo fr e a lt i m ec o l l a b o r a t i v ed e s i g n b a s e do ni n t e m e t i n t r o d u c e dt h ec o n s t r u c to fd d eo fr e a lt i m en e t w o r k s u p p o r t c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，a n de s p e c i a l l ye x p o u n d e do nt h ed a t ae x c h a n g ef o r m ，r e a lt i m e ， c o h e r e n c e ，i n t e r o p e r a t e ，m a n a g e m e n t ( d a t aa n dv i s i o n ) ，a n dc o n c u r r e n c yc o n t r o ld u r i n g t h ec o u r s eo fd a t ae x c h a n g e t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fd a t a e x c h a n g ec r i t e r i o n ，p r e s e n t e d d d eo r g a n i z a t i o n m o d e l ，m e t h o do fd a t ae x c h a n g ea n dp r o c e s so fd a t ae x c h a n g ei nn e t w o r k s u p p o r t c o l l a b o r a t i v ed e s i g nb a s e do nt h em o d e lo fs t e p o o d ba n de n g i n e e r i n gd a t a b a s e 0 0 d b e x p o u n d e dt h ed e t a i l so ft h r e eb a s i cp a r t s ：c l i e n ta c c e s so fd d e ，s t e p x m l r e s o l u t i o n ，o o d bm a n a g e m e n ta n dc o n c u r r e n c ec o n t r 0 1 h a df i n i s h e dt h er e l a t e dp a r t i i 重丛查堂堡主堂垡堡塞 墨兰塑鉴 c o d e s i nt h ew e bc o n d i t i o no fp r o e2 0 0 0 ib e i n gc l i e n tb a s e d o no r a c l ed a t a b a s ea n dj s p s e i - v e r ，t e s t e da n dv a l i d a t e dt h ed d es y s t e m o fs t e p o o d b k e y w o r d s ：n e t w o r k s u p p o r tc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，d d e ，s t e p , o o d b i i i 重庆大学硕士学位论文 l绪论 1 1 课题的背景、来源及意义 】1 课题的背景 制造业是国民经济和综合国力的支柱行业 1 1 ，世界制造业的实践证明，工业化 国家的财富中有6 0 8 0 是制造业创造的【2 1 。制造业的发腥有助于增强社会赖 以生存和发展的物质基础，提高综合国力，不断改善人们的物质文化生活水平 同时制造业的发达程度制约着其他行业的发展。 随着信息技术、材料技术、新能源技术等新技术与制造技术的相互交叉、渗 透与融合，使传统意义上的制造技术在原有基础上得到质的飞跃，形成了当代的 先进制造技术。当前，随着全球信息网络的建设和完善，固际竞争和卧作氛倒的 进一步形成和发展，制造企业在全世界范围内的重组和集成进一步加速，制造业 全球化必然是2 l 世纪的一个重要发展趋势，这将更加促使先进制造技术得到更快 的发展。 近年来，随着以i n t e m e t i n t r a n e t 兴起为代表的网络应用技术的快速发展和臼 益成熟，设计活动突破了时间和空间上的制约，逐步达到以计算机支持的协同工 作为特征的高度并行、分布、开放和协刷的工作模式，从而推动产品设计及其相 关议题的研究从信息集成深入到过程集成【3 1 4 】 5 ，进而上升到组织集成( 或称企业 集成、动态联盟) 。随着对设计过程本质的深入认识，协同设计被认为是最能体现 并行工程思想的一利，实现途径。 当前，工业企业正面临着市场全球化、制造国际化和产品需求多样化的新挑 战，各企业问围绕着时问、质量和成本的竞争越来越激烈。因此，出现了一系列 先进制造技术、制造系统和新的生产管理方法，如并行工程、敏捷制造、虚拟现 实技术、及时生产、精良生产等，所有这些先进制造技术和系统都与c a d 系统的 发展与应用密切相关。近年来，对c a d 技术的研究越来越引起了许多科研院所的 大力关注以及资金投入，特别是作为其核心之一的协同设计更是研究的热点。 由于激烈的市场竞争，现代制造业在经营运作中广泛采用总承包商与众多子 承包商、零件供应商合作提供优质服务的方式，以此来以最快的速度响应用户的 需求。尤其在大型设备的开发中，不进行适当的分解与协同，不可能顺利完成任 务1 6j 。随着i n t e r n e 的迅猛发展，上网企业的剧增，迫切需要基于网络的异地产 品丌发方法的研究。我们认为，基于网络的协同设计的要求是：建立便于共同理 解的产品数据和讲同产品丌发工作模式；支持跨异构平台的数据互操作：支持信 息资源的动态调配；支持多用户决策的孙调与优化。为了满足产品协同开发的需 畦庆大学硕十学位沦文 求，企业基于i n t e r n e t 互联网络，利用计算机集成制造系统、并行工程口 、敏捷 制造等现代全球制造技术米提高产品创新开发能力。这样在生产上表现为伞球性 供应链，而在设计上则表现为相关企业群体的异地咖同设计。在计算机技术、网 络通信技术和多媒体技术的支持下，人们已经能够克服距离、时间、异种计算机 设备等的阻碍，可以“虚拟同地”地一起工作和交流，形成一种分布式协同：i 二作 方式。这种工作方式也是协同c a d c a m 系统的工作方式，将这种工作方式同传统 的c a d c a m 系统结合，即可形成一个异地协同c a d c a m 系统。美国敏捷制造企业 论坛从1 9 9 4 年t 1 月起开展了“最佳敏捷实践参考基础”研究，其中敏捷制造的 第一个参考技术就是集成的产品和过程开发【8 】。欧洲的e s p r i ti i 计划中的e u r o c o o p 项目就是为了开发能够支持分布式协同工作的系统 9 】。洲国家自1 9 9 6 年起每 年召开一次设计中的切、同工作( c s c wi nd e s i g n ) 的国际会议，讨论设计中的协 同工作问题。协同设计的优势是在产品开发早期实现方案的协调和设计决策的优 化，全面消除产品生命周期中由于初期阶段的错误而造成的更改，方便对类似产 品进行再设计。它除了具有群体性、分布性和动态性的特点外，还具有并行性的 特点。 1 1 2 课题的来源 在【习家自然科学基金项目共享模型驱动的异地实时协同设计方法和技术研 究( 项目编号5 0 17 5 1 1 3 ) 的资助下，本文提出“网络协同设计基于s t e p o o d b 动 态数据交换研究”这一课题作为硕士学位论文的题目。 1 1 3 课题的意义 c s c w 技术给人们带柬了协作方式的变革，全球化计算机网络使得实时交互协 同设计成为可能。不同的设计人员、不同的设计组织、不同的工作部门人员之间， 均t 实现资源芡享，实时交互协同参与、合作设计，避免不必要的重复工作，提 高人们协同工作的整体效率，有助于发挥员工的创造精神和主动参与意识，从而 提高设计的质量，缩短设计开发周期，降低设计开发成本，进而达到提高企业核 心竞争力的目的。 本课题主要在现有协同设计的研究成果以及调研相关文献资料的基础上，较 为深入地归纳总结了网络协同设计的相关理论，提出了在网络协同设计中采用基 于s t e p o o d b 模式的动态数据交换技术，其的目的和意义是： 对现有有关协同设计的研究成果做了深入的研究。目前，网上的异地设计 系统主要是异步系统，之所以不能实现同步，主要是因为采用的数据交换方式是 文件交换，设计中传输了大量的冗余数据，不适合协同设计系统通过i n t e r n e t 进 行数据交换，凶为图形文件一般很大，再加上现在网络带宽较小的限制，在协同 设计中来回传输图形文件将花费大量的网络传输时间，设计者之间实时交互设讣 重庆大。硕士学位论文 数掘将变得很困难，最终导致不能满足系统实时性要求。基于此，本文提出了采 用动态数据变换技术解决同步问题，从而保证数据传输的实刑、陛问题。 网络协同设计中，理想的情况是用户使用现有的不同的商用c a d 软件以 及不同的操作系统参与协同设计。出于现有商用c a d 软件各自使用不同的数据格 式，要实现异构系统之间的信息实时交互和处理，本义提出了采用s t e p 标准作为 统一的产品数据交换标准，同时采用o o d b 数据库作为系统核，心数据库，各c a d 系统用户可同时访问o o d b 数据库，实现信息共享和交互，并且很好地保证了设 计过程中设计数据和设计结果的一致性。 山于历史原因及不同的开发目的，各c a d c a m 软件的内部数据记录方式和 处理方式不尽相同，开发软件的语言也不完全一致，因此，c a d c a m 的数据交换与 共享是目前面；临的重要课题。本文提出了基t - s t e p o o d b 模式的动态数据交换 技术，为解决网络协同设计关键难题进而最终实现网络协同设计做了有益的探索， 丰富了网络协同设计理论和研究开发思路。 根据网络协同设计的特点，基于s t e p o o d b 模式的动态数据交换技术为 基础，提出了采用p r o e2 0 0 0 i 为客户端、o r a c l e 数据库及j s p 服务器为支撑的 解决力案，对基于s t e p 一0 0 b b 的动态产品数据交换系统进行了仞步的测试和验证。 在以上研究工作的基础上，较为系统地完善了网络协同设计动态数据交换方 法和实现的技术，力求推动有关协同设计基础性研究的进展。 1 2 本文的主要研究内容 本文主要内容有： 通过澜研，较为完整地阐述了网络协同设计的定义及其特点、发展历程、 研究现状，刚络协同设计系统的功能需求、体系结构、协同工作模式以及实现网 络协同设计的关键技术问题。 较为详细地论述了网络协同设计中产品数据交换所涉及的数据交换核心 问题、数据交换标准、实时性、一致性、安全性，数据交换的并发控制和响应， 版本控制等关键问题及其解决方案。 系统地介绍了产品数据交换标准s t e p 的体系结构及其实现形式，面向对 象数据库0 0 d b 的解决方案，提出了基于s t e p 一0 0 d b 模式的动态数据交换机制及其 系统结构。 采用p r o f 2 0 0 0 i 为客户端、o r a c l e 数据库及j g p 服务器为支撑，初步实 现了该文提出的动态数据交换系统的丌发，很好地保持了数据的实时一致性，对 该文提出的系统进行了初步测试和验证。 重庆人学硕l 学位论文i 绪论 1 3 本文的研究条件 重庆大学机械传动国家重点实验室为本课题提供的研究条件是： 硬件环境： i n t e lp i v2 0 ，a m d k 7 ，s u nu l t r a3 0 2 5 0 3 d 和s u nu l t r a17 0 e 3 d 工作站。 软件环境： 操作系统：w i n d o w s2 0 0 0a d v a n c e ds e r v e r ，n t 4 0w o r k s t a t i o n ，w i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n ，w i n d o w s 9 8 ，s u n o s5 5 1 和s o l a r i s2 6 ； c a d 软件：a u t o c a d 2 0 0 0 ，p r o e2 0 0 0 i ，i - d e a sm a s t e rs e r i e st m 6 0 等； 协同交流工具软件：m i c r o s o f t 公司的n e t m e e t i n 9 3 o ； 开发工具：o b j e c t a f b x 2 0 0 0 ，n e t m e e t i n gs d k ，v c t t 6 0 ，j a v a ，o r a c l e ， j s p 等： 浏览器软件：i n t e r n e t e x p l o r e r 6 0 和h e t s c a p e 5 7 4 。 网络环境： 以i n t e lp i i l 5 0 0 作为网络服务器，并配有i n t e l 5 1 0 t 型交换机，此局域网通 过重庆大学校园网c q u n e t 的主节点联入因特网。 d 重庆大学硕士学位论文2 网络西同设计综述 2 网络协同设计综述 2 1 前言 随着c s c w 技术的发展，应用领域对c a d 软件提出了采用并行工程设计方 法米提高设计生产效率，缩短产品开发周期的新要求。网此，开发支持多用户协 同设计工作的c a d 系统，以满足越来越多的产品设 f 的需求是c a d 系统开发的一 个必然的发展方向。 协同设计c a d 系统可支持多个设计者并行设计、协同完成设计丌发任务。设 计者町通过共享设计成果或在同一设计区上合作完成设计任务，即以异步或同步 合作设计方式进行设计。协同设计的核心是数据其享，包括设计成果的共享、用 户操作的共享等。而协同设计中最主要的工作就是解决数据共享、并发控制、坍 同感知、数据的致性保证、多用户界面等问题。 为此，本章总结了协同设计的发展及其研究现状，探索了网络环境的实时协 同设计所涉及的关键技术，提出了网络协同设计系统功能需求、体系结构和协同 工作模式，并着重阐述了数据交换过程中的数据交换实时一致性、互操作、动态 数据交换格式、并发控制与版本管理等问题及其处理方案。 2 2 网络协同设计概论 2 2 1 计算机支持的协同设计的定义及特点 协同设计的协作系统通常由成员( f o l e ) 、共享对象( s h a r e do b j e c t ) 、协作 活动( a c t i v il y ) 和协作事件( e v e n t ) 四个基本元素组成。成员角色描述了群体成 员在协同工作过程中所起的作用，由于在协作系统中成员角色的差别较火，须对 其进行合理的划分。共享对象是在协作过程中各成员操作的对象：协作活动用米 指示协作的进展过程和状态的变化，用于规范协调各成员的行为；协作事件指协 作成员共同完成某一项工作。 为了解决传统串行设训+ 的缺陷，多年来，人们经过探索研究提出了很多新方 法，如c i m s 、并行工程、敏捷工程、虚拟设计等新的概念和设计方法。 协同设计是建立在上述研究成果的基础上，提出在计算机协同工作环境中， 通过对复杂结构产品设计过程的重组、建模优化，建立产品协同设计开发流程； 并利用现代p d m 、c a d c a m c a p p 、虚拟设计等集成技术和工具，进行系统化的协同 设计工作模式。协同设计不但体现了现代设计技术，也体现了现代管理技术。其 主要特点是： 协同设计的核心思想足，“品的体系优化建模和开发过程集成，即从产品设 重庆人学硕k 学位论文2 网络协同设计综述 计开始就考虑到产品开发后期可能出现的问题及对策。 串行设计阶段可能出现的问题较多，有些问题冲突严重。基于协同设计思 想进行设计，可以通过结构重组，将以前不同时间段的问题，如后续的制造过程、 安装过程、使用过程中以及维修废弃环节出现的问题提前到设计阶段来考虑。这 样，可以尽可能地减少由于产品丌发顺序、时间等问题而引起的后续问题。 对于那些复杂变错、跨时域、多目标的问题，协同设计采用“协同决策” 的方法进行处理。 在技术方值i ，协同设计在继承了许多优秀技术与方法，j z l 3 c l m s 、p d m 多 媒体技术等基础上提出了“计算机支持下的协同技术”和面向协同设计的 c a d c a m c a p p 集成等设计理念。 在产品设计期间，协同设计能很好地处理产品生命周期中各个环节的关系， 充分地体现了互相合作、资源共享、协同决策的价值，从而消除了传统串行设计 过程中存在的“抛过墙式”的现象。 2 2 2 协同设计的发展历程 协同设计( c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) 始于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 s e dc o l l a b o r a t i v ew o r k ) 。c s c w 的思想是1 9 8 4 年由g r i e f 和 c a s h m a n 提出的t l , 它是指分布在异地的某群体中的人员，在计算机的帮助下， 得到一个虚拟的共享环境，交互磋商，快速、高效地共同完成一项任务。c s c w 的研究涉及计算机技术、人工智能、认知科学、行为科学等诸多领域。按应用功 能分类，c s c w 可以分为消息系统、多用户编辑与写作系统、群体决策支持系统、 计算机桌面会议系统、c a s e 、远程学习和医疗系统等。 c s c w 概念提出的1 0 多年，随着计算机技术的迅猛发展，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 的系统结构、协商机制、 冲突与协调、公用语言、人一人交互界面等方面已经进行了深入细致的研究。 在国外，由于某些政府、科研机构及大公司的资助，一些科研院所进行了面 向工程实际的协同设计的研究。其中比较有代表意义的有： 自2 0 世纪9 0 年代初，b o e i n g 公司开发b o e i n 9 7 7 7 时，为方便分布在异地的 设计人员和节省时间、缩短设计周期，进行了名为f l y t h m 的项目研究”】。f l y t h r u 的发展为设计人员提供了异步协商的手段，并节省了大量的资金。 德国f r a u m h o f e r 图形研究所在1 9 9 4 年开发的分布式c a d 系统“d i s t r i b u t i o n s k e t c h p a d ”，该系统利用了c s c w 思想，在一定程度上支持多个合作者的协同设 计。 美国s t a n f o r d 大学联合l o c k h e e d 、e i t 及h p 进行的p a c t 项目 13 1 ，用f 研究 大规模、分布式并行工程系统。此项目较为系统地研究了分布式协同设计的问题。 6 重庆大学硕士学何论文 2 网络协同设计综述 c t a l kd e s i g nr e v i e w - - b ya d v a n c e dc o l l a b o r a t i v es o l u t i o n s ( a c s ) ，是一个支 持异地协同设计的系统。它提供的功能有：集成视频音频会议功能，协作者可以 实时交流；提供对图形的标注和手厕线交互功能，并使与会者都能看到其他人对 图形所作的改动：集成对a u t o c a d 文件格式的支持；用户的安全检查等。 近几年，w e n - p a ll u 等人在研究c i m 技术时提出了利用广域网的通信功能实 旌t e l e m a n u f a c t u r i n g 的概念。 e d d y m r o j a s 提出了以w e b 为中心的工程合作设计环境。 g s e l i g e r 等人提出一种将不同公司的工程师集成为虚拟增值小组进行复杂产 品的设计制造的系统。 研究和开发快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r e ) 技术的美国3 d 公司，已开始用 i n t e m e t 和客户联系，实现原型的s t l ( s t e r e o l i t h o g r a p h ) 格式的c a d 文件传输， 向客户提供网上报价服务和向用户报告服务进展状况，降低了企业的成本，提高 了企、l k 的服务快捷程度。 c i a u d i ae c k e r ta n da d r i a nd e m a i d 通过对许多欧共体不同类型的纺织企业的调 查分析，研究了毛制品t 2 y l k 没计+ 的本质及其设计人员问存在的f u j 题，提出了纺织 工业采用并行设计的框架以及应注意的问题。 t o n ir o b e r t s o n 分析探讨了多媒体远程教学软件在早期的研制开发原型系统的 产品化过程中协同设计的一些问题【l ”。 此外，一些公司已推出视频会议系统的产品，如l i v e l a n 、p r o s h a r e 以及 s h o w m e 等等，并在制造、办公自动化和商业等不同领域的应用中取得了良好的经 济效益 1 5 】【1 6 】【”1 。 2 2 3 协同设计的研究现状 基于网络的各种先进制造技术正在呈现蓬勃发展的景象。作为先进制造技术 的支撑，网络化产品协同设计已经成为产品设计领域的研究热点。现有研究成果 表明，我国在c s c w 支撑技术及其实现机理方面开展了大量的工作，并且取得了 不少研究成果。但是，同国外同行相比，我国在计算机支持的协同设计的理论、 方法及其关键技术的研究方面还有较大差距，在有关协同设计中的深层次问题如 协同设汁中的过程控制模型的建立和管理、分布式协同问题求解、协同设计信息 共享、协同设计巾各种计算机辅助工具软件的组织等问题还有待深入研究。 通过刘人量文献资料的调研，笔者将协同设计国内外研究现状总结如下： 国内研究的重点相对集中在：基于网络环境的协同设计的“项目”和“数据” 及“过程”管理，以及协调和冲突的解决，适应协同的数据库、服务的构成和管 理，研究多是从“系统”的角度进行探讨，而且还多处在方法论证( 述) 和基础 性的研究探索阶段。研究能实现实时协同设计的有关技术关键和纲f ，相对较少。 重庆火学硕士学位论文 2 网络协同设计综述 国外研究除“项目”、“过程”及“数据”管理等外，也研究协同殴计的关键 环节，但尚未完成产成品模型实时协同操作的方法及技术的实用化研究和开发， 模型数据的交换仍然是静态的，因而并无商业化的能用_ 丁异地实时协同设计的成 熟技术与产品。而相对成熟的是利用客户机服务器的方式，或浏览器朋霞务器的模 式，把网络作为信息库，资源库，通过链接的方式或浏览方式，把产品信息上传 或下载，即基于w e b 的产品数据及资料的存储和信息发布网络化设计。此外，还 有基于多媒体工具支持异地设计方面的研究，共享的实际是白板二维图形( 图片) ， 并非三维模型。 2 - 2 4 网络协同设计定义及其特点【l s 】 概括地讲，网络协同设计( n e t w o r k s u p p o r tc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，n c d ) 是指借 助计算机技术、网络技术、数据通信技术、多媒体技术、工程数据库管理技术、 软件工程等实现多人协作共同完成某项设计任务的过程。从技术实现的角度来讲， 网络协同设计是管理的过程、通信处理的过程、环境共享的过程，同时也是协同 工作的过程。刚络支持的协同设计是c s c w 的概念和技术在产品开发过程中的具 体应用，它同时又是并行丁程的关键技术之一。网络支持的协同设计的重要性在 丁使升i 同地点的管理人员、设计人员、施工人员以及用户等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。这就要求协同设计软件在具有传统c a d 软件功能以及分布式功能的基础上，对系统的结构和系统内各功能模块加以改造 甚至是添加新的模块，并引入新的理论和技术，以提供更加有效的协同手段。使 设计群体及其所用的工具( 软件工具) 发挥其最佳效果。一般认为，它具备的特 点有： 群体性 群体性足指设讣活动由两个或两个以上设计人员参与，而这些设计人员通常 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。 并行性 多设计人员要实现的设计1 7 i 标是共同的，他们所在的设计环境和上下游的信 息也是一致的。 动态性 参与设计的人员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、呵变的。 异地性 设计人员所在的位置物理上可能是分离的。 协同性 具有一种协同各个设计人员完成共同设计目标的机制，包括通信协议、通信 重庆人学硕士学位论文2 网络协同设计综述 结构、冲突检测与仲裁等。 2 2 5 网络协同设计系统功能需求9 啦o 网络化设计与制造以及并行工程的核心足进行一体化设计，强调产品设计及 其相关过程同时交叉进行，即在设计阶段就要考虑制造、装配等下游活动所涉及 的所有环节和因素。因此，涉及产品整个生命周期的各个不同部门的小组成员必 须协同工作，即在产品设计阶段，彳i 但设计小组成员之间进行讨论、协调产品的 设汁任务，而且其他部门如工艺、制造、质量等小组要参与产品设计工作，如对 产品设计方案提出修改意见等等，使设计尽可能一次成功。因此，网络环境的协 同设计系统应具有以下特点： 协同的层次性 网络协同设计的实施涉及到多个学科小组人员的协同工作，因此协同不仅在 小组内部成员之间进行交互协同，而且小组间也需要协同工作。 同步与异步并存 网络协同没计可以分为：组间协同和组内协同。组内成员的工作紧密联系， 协同一般要求同步进行；而组间的设计工作有可能需要隔一段时间才进行协同， 所以协同可以异步进行。 用户工作区的动态定制与裁减 设汁中小组内成员在产品设计中对不同的侧面感兴趣，在不断地改动自己的 工作区裁减与界面定制，凼此彳i 同用户之问的产品信息和界面映射关系在经常地 改变。同时，小组问所关心的问题不问，所以其界面和工作区设置截然不同。 支持多媒体 设计中的多媒体分为两大类：感知多媒体和应用多嫘体。感知多媒体指用户 之问通过多媒体信息( 如键盘的输入、鼠标的动作以及图像、声音等信息) 进行 交互，这些信息一般可以直接在用户问传输，并能被对方感知，以理解对方行为 意图和环境状况等；应用多媒体指有应用软件产生的多媒体信息( 如由应用软件 产生的图形、图像和声音等) ，也称为虚拟多媒体，它们一般在共享应用层由用户 进行协同计算得到的结果。 分布式知识库共享和信息映射 协同设计下的多学科小组具有各自特征的专家知识，并由各小组进行维护。 不同的知识库需要不同的推理机制和特性信息映射机制，以便不同学科小组对产 品及其相关过程设计方案进行评价与决策。 山于网络协同设计系统需要协同的内容比较广泛，因此网络协同设计系统比 一股的c s c w 系统要复杂得多，其功能需求如下： 支持多小组之间和组内成员之间的曲恫感知 重庆大学碗士学位论文 2 网络协同设汁综述 支持多媒体的协同 具有感知多媒体的同步控制功能，以支持感知的力 度。 具有丌放性与柔性 系统应支持多种应用的装入和卸出，不同用户可以 定制和裁减自己的界面和 二作区环境设置以及视图显示。 一致性维护 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，尤其要提供产品设计卜冲突不可调和的一致性控制。 分布数据的自动映射 网络协同设计中各小组获取产品的不同特征信 息，凼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。 知识库和推理机制共享 2 2 6 网络协同设计系统的体系结构 我们认为，个网络协同设计系统远比一个单纯c a d 系统复杂。首先，它应 该是运行在删络环境下；第二，各c a d 系统是自制的、任务是分工的；第三，各 c a d 系统之间围绕设计而进行交互和协同；第四，设计过程或进程要有协调控制： 第五，对设计数据、版本和结果要进行协同控制。因此，要考虑对各子系统的数 据库进行协同控制与管理，即建立种“数据库的协同管理系统”或简称“协同 数据库”。这样， 我们就可以给出其如图2 1 所示的组成原理的体系结构。根据 这种体系结构结合实际任务与需求组建网络协同设计系统。 图2 1 网络协同设计系统组成体系结构 f i 9 2 1t h es y s t e ms t r u c t u r eo f n c d 一般地讲，组建的n c d 系统应具备下列集成的技术特性： 高速宽带网络，保证三维的、多媒体信息数据的正确可靠传输。 三维高性能c a d 工作站，能进行异地数字化设计和数字化装配。 提供进行实时交互的计算机多媒体会议系统，具有音频、视频、白板、共 1 0 重庆大学颁十学位论文2 网络协同设计综述 享应用功能。 以具有智能和动态特性的工作流管理系统( i d w f m s ) 米实现设计过程或 进程的协调控制和管理。 建立一种“数据库的协同管理系统”对分布式异构数据库、设计数据、版 本和结果进行协同控制和管理。 2 2 7 网络协同设计系统的协同工作模式 在网络协同设计系统中，分布在不同地点承担不同子任务的设计者之间的交 互通信和协商要贯穿在整个设计过程中，从j “品的需求分析、创意起，子任务的 分配和设计执行过程，工程设计的完成等各个阶段都需在并行工程环境协同技术 的支持下实现不同级别的通信和协商。一般地，我们可以根据各子任务和子系统 在各个不同设计阶段相互关系耦合的紧密程度，把协同分成松散耦合、中度耦合 及紧密耦合等三类。 松散耦合协同设计模式 各子任务之间的耦合比较松散，如果用“通信阻抗”这一概念来描述他们之 间的通信耦合松紧程度的话，那么，在这种情况下，比较高的“通信阻抗”是可 以接受的。所谓“通信阻抗”是指网络延迟、协议差别、格式变换等造成的通信 困难程度。因为，各子任务之问的信息交换往往是只在问题求解的开始和结束阶 段进行数据流的输入输出，重覆一次的通信周期又比较长，通信带宽比较低。松 散祸合协同设计的一种最基本的方式，往往只要求设计者从一个软件程序中获取 数据信息然后作为另一个软件程序的输入，相互之间的交互较少或没有，最高级 的方式只不过是要求这个过程是自动进行的。松散耦合协同设计模式是走向并行 工程的最初一步。从技术卜i 讲它可以直接从现有的分布式工程环境中获得，它可 用于那些不需要进行大量的通信但相互相关的工程设计任务中。 中度耦合协同设计模式 各子任务之问有中等程度的耦合，“通信阻抗”不能太大。因为，在解决问题 过程中各子任务之问要进行信息交换，而不只是在开始或结束，通信耦合相对来 说比较紧密。计算机支持工具要用来自动地管理各方之间的信息转换和传输：如 交互大多数是隐藏在接口程序里，网络的位置对用户是不大可见的，虽然接口工 具必须感知它的存在；在各方进行通信时，肯定会有许多变换，但都隐藏在计算 机工具里等。然而，仍然还存在着冗余和数据一致性问题，以及用户在某种程度 上感知到网络的延迟。在中度耦合协同设计系统中可用一个共享数据库作为各子 任务问的通信媒体，但需要解决好数据库访问的冲突问题。 紧密耦合协同设计模式 在这种模式中，一个设计任务往往是按层次结构划分成许多相互问关系密切 霞庆大学硕十学位论文2 网络协同设计综述 的子任务，他们在并行工程的环境中执行。层与层之间通过接口或代理( a g e n t s ) 进行交互，各子任务之间不仅有频繁的信息交换，而结果也相互有影响，因此这 是一种耦合很紧密的协同设计，要求其“通信阻抗”很小，特别对那些进行实时 协同设计的系统。 2 _ 2 8 网络协同设计系统关键技术 异地实时同步网络协同设计急待解决的难题很多，异地网络协同设计系统涉 及的关键技术也很多，概括地讲，包括：异地智力、物质资源建模与管理；异地 分如式作业调度模型；任务冲突解决；支持异地协同设计的三维可视环境的建立； 异地产品模型数据的动态实时转换、传输：产品模型数据的异地修改；异地过程 监控模型：基于网络的异地协同工作机制；异地设计与制造的产品模型数据管理 系统；安全防范机制等。 2 3 网络协同设计中产品数据交换 2 - 3 1 产品数据交换的核心问题 在网络协同设计中，产品数据交换的几个核心问题包括： 产品数据和信息如何存储 嘲络协同设计中需要管理和访问大量的产品和零部件信息，而且这些信息是 很重要的。在协同设计中，产品模型数据能与其他功能( 如质量、存储状况) 的 数据相互连接，因此数据库管理系统被认为是很有必要的。我们在决定使用d b m s 时，问题仍然停留在应该使用哪种类型的d b m s 以及在选定的d b m s 中产品和零 部件信窟、如何存储。 产品数据和信息如何传递给其他组内成员 由于我们在考虑产品_ 月：发的时候，最重要的信息来自产品数据，通常可将产 品信息数据结构分为专用结构和开放结构。专用数据结构是指c a d 格式的文件如 p r o e 或者是d x f 格式的文件，这样的数据结构易于数据在同类组织中传递。但 是它们有三点不足：第一，不论是数据提供者还是使用者，只访问同一c a d 软件 的情况是很少的。当访问多种c a d 软件时就必须在各种数据格式之间进行多重转 换，使之规范化，浪费很多时间和精力。第二，这些专用格式在实质上是c a d 格 式，它们通常不把制造加工方面给考虑进去使之成为一个完整的产品数据结构。 第三，它们实质上是静态描述，不允许3 d 图形的交互和动画。 产品数据和信息如何在各组员之间可视地描述 当所有参与者都在同一平台和访问同一c a d 系统时，可视化描述相对简单。 然而，当访问异类c a d 系统时，就会出现一些问题。这时，通过w w w 访问的 信息在文本格式和静态2 d 图形巾总是专有的，一般认为不能像交互式3 d 图形那 重庆人学硕士学位论文 2 网络协同设计综述 样有效地描述零件和产品。因此问题仍l 【_ 】是所