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计算机辅助设计与图形学学报 2002 14 2 163 167 基于 CSCW 的 CAD 系统协作支持技术与支持工具研究 何发智 1 高曙明1 王少梅2 孙国正2 1 浙江大学 CAD 基于场景和 多媒体人人交互 3 采用最自然的方式来支持人人交互 更依赖于高速多媒体通讯网络等硬件的支持 基于文本和超文本的人 人交互 4 主要采用半结构化方式来支持人人交互 由于 WWW 的快速发展 正向超媒体发展 一些研究虽然采用了 Web 交互 界面 但已经不属于超文本半结构类型 而应归于基于图形的人人交互领域 基于图形人人交互 采用结构化的方法支持人人 交互 虽有一些以 Distributed Sketchpad 为代表的 CSCD 原型系统 协同图形编辑 设计系统等 5 但仍然缺乏将 CSCW 系统优良 的协作性能同传统 CAD 系统强大的图形处理能力 兼容性和开放性结合起来的方法 有待深入研究 现有协作支持工具可以分为两类 通用协作支持工具 例如 Microsoft 的 NetMeeting 利用应用共享机制对单用户应用程 序进行共享 截取单用户系统输入 输出界面 严格地按照 WYSIWIS 方式提供显示级的界面共享 仅支持发言权协作模式 协 作性能差 专用协作支持工具 例如密西根大学的 DistEdit 仅能支持协同文本编辑 而且需要特定第三方通讯软件和编辑器源 代码的支持 6 WebScope 公司基于 web 的 CAD 协作支持工具 具备无线因特网连接能力 但它需要把 CAD 对象 3D 模型 2D 工程图形 转换成 JAVA 对象 AutoDesk 公司为适应 WWW 的快速发展所推出的 DWF 数据格式及其配套的浏览工具 WHIP 仅 能在 web 浏览器上进行单向的 CAD 图形发布 浏览和打印 不能有效支持实时交互协同图形设计 现有协同编辑 绘图系统基本上可以划分为三种类型 协同文本编辑系统又称合著系统 通常集成了文本 简单图形 语音 视频等多媒体信息 白板类系统 例如 CATIA 公司提供的白板工具只能支持对 CATIA 模型所转换的图像进行同步观察和注 解 viewing and annotating 这类系统在将图形格式转换成图象格式时 不仅矢量化信息彻底丢失 而且原有图形数据库的数据 结构和各种扩展数据信息也不复存在 只适用于草拟和批注 协同绘图系统或者改进型白板等系统支持自定义的矢量图形格 计算机辅助设计与图形学学报 2002 14 2 163 167 式 但是所支持的图形对象的类型 对象的属性和图形对象的编辑操作等图形应用功能比起图形 CAD 系统有明显差距 而且与 目前流行 CAD 系统图形数据库格式不兼容 还是难以适应复杂的 CAD 图形设计任务 3 协作支持工具的总体技术路线与关键实施技术 鉴于这种现状 本文提出了直接基于流行商品化 CAD 系统上利用协作支持工具 CoCADToolAgent 开发 CSCD 系统的新思 路 其总体技术路线见图 1 关键实施技术如下 3 1 协作框架及其通讯支持 当前 CSCW CSCD 系统主要采用两类基本协作框架 透明 协作和明确协作 7 前者复用了单用户 CAD 系统的图形处理功 能 兼容了现有 CAD 系统的数据格式 但协作性能差 后者虽 然强调了协作性能 但是应用功能弱 因此 本文提出了一种协 作性能与应用功能并重新的协作框架及其通讯支持方法 1 该协作框架采用一种偏复制式混合体系结构 与完全意 义上的分散式体系结构和严格意义上 Client Server 结构均不同 是一种偏复制式的混合体系结构 将数据 应用和并发控制加以 配置 服务器端采用多服务器结构 由全局信息服务器 通讯转发服务器和文档传输服务器组成 客户端由各个 CoCADToolAgent 组成直接从事协同图形编辑 设计的反应式多 Agent 系统 2 协作支持工具 CoCADToolAgent 采用一种半智能的反应式 Agent 结构 由动作反应器 通讯状态监视器 编辑器状态监视 器 数据库状态监视器 实体对象状态监视器和选择集状态监视器所组成 3 CoCADToolAgent 采用通讯编程方式深入到现有 CAD 系统的内核 从而将协作性能和应用功能结合起来 为此 本文在 二维 CAD 系统和三维 CAD 系统上对此进行了实验研究 首先设计和实施一个物理通讯测试软件 CoCADPing 该程序由三个部分组成 CAD 内核的处理部分包括 CAD 系统内核 的切入点函数 外部函数的调用执行函数 外部函数代码定义加载函数 外部函数的卸载函数 外部函数列表 其中外部函数列表中 定义了名称为 CoCADPing 的过渡函数 char exfun MSG0 CoCADPing 过渡部分包括两个过渡函数 pingMain 和 CoCADPing 其中过渡函数 CoCADPing 被定义在 CAD 内核处理部分的外部函数列表中 通讯处理部分包括 IP 包校验函数 checksum 从 IP 包头中解码析出 ICMP 数据函数 decode resp 填充 ICMP 请求函数 requestfill icmp data 和命令行窗口使用帮助 函数 Usage 编译生成的 CoCADPing 应用的大小为 7k 被 CAD 系统内核加载 并与 CAD 系统内核程序共享地址空间运行 实 验表明 基于 CAD 系统内核的 CoCADPing 展示了同基于操作系统内核的 Ping 一样的物理通讯能力 因此 可以通过通讯编程 手段深入到 CAD 系统的内核 然后研究了客户机 服务器模式下的 CAD 内核的网络通讯问题 在本文进行研究时 CAD 公司提供的模板程序均不支持多 线程的通讯编程 我们通过以下方法实现了 CoCADToolAgent 的通讯状态监视器 修改该模板程序的应用初始化成员函数 协作性能与应用功能相结合的协作框架 系统原型实现 面向对象的图形数据库通讯协议 偏复制式混合体系结构的一致性维护和并发控制 共享图形工作空间的协同感知 多任务及脚色机制 Fig 1 Total technique method 图 1 总体技术路线 计算机辅助设计与图形学学报 2002 14 2 163 167 添加通讯初始化代码 修改该模板程序 VC 集成环境设置方式 增加 AppWizard 阶段所漏掉的通讯特性选项 将基于 MFC 的标准Windows程序的文档视图结构和CAD应用程序结构混合起来 在命令堆栈宏定义中定义启动通讯联结的命令函数 综 合测试的方法是从一个 CoCADToolAgent for AuotCAD 上发出一组图形操作命令 通过通讯转发服务器转发到另一个 CoCADToolAgent for AuotCAD 和一个 CoCADToolAgent for SolidWorks97 上 生成相同的运行结果 综合测试的结果更进一步 验证了 CoCADToolAgent 这种新型协作框袈的正确性 从而为后续的研究奠定了基础 3 2 通讯协议 目前 CAD CAM 系统上下游串行的文件交换方法和应用共享系统的界面像素传输方法的通讯量太大难以有效支持 CAD 协 同应用 因此 CoCADToolAgent 采用 分而治之 和 适时传输 的思想对通讯协议进行整体规划 优化和构造了适合反应式 Agent 处理的通讯协议集 以达到支持实用化工程设计的目的 该协议集包括五个方面的子协议集 1 并发控制协议 CoCADControlProtocol 是整个协议集的重要组成部分 提供了对偏复制式混合体系结构的系统数据的一 致性维护和并发控制的协议支持 2 数据库通讯协议 CoCADDataProtocol 用于发言权协作模式下的协同工作 采用面向图形对象的通讯协议组织方法来映 射和兼容现有工业标准的 CAD 系统图形数据库的数据类型 通过抽象实体通讯协议来提高图形数据通讯传输效率 并保证协议 的稳定性和可扩展性 在图形数据库内核层次上将其操作方式抽象为基本操作 利用 CoCADToolAgent 的数据库状态监视器将 用户的各种复杂操作归一为基本操作 然后通过远程执行消息发送机制在远程加以执行 从而支持各种图形编辑命令和各种编 辑形式 包括用户自定义和将来第三方开发的命令 3 宏命令通讯协议 CoCADMacroProtocol 用于多输入流协作模式下的协同设计 4 通告协议 CoCADNoticeProtocal 用于协同感知中的远程指针共享光标 动态多光标 线型颜色 通知和笔谈等 5 任务协议 CoCADTaskProtocal 提供了对协作任务的管理的支持 包括当前任务信息的查询 任务号的申请 任务登记 用户 注册 登录和退出等 当前 为了调试方便 所有通讯协议按照纯文本来编码发送和接收 如果按照二进制编码并压缩 通讯量可进一步减少 3 3 一致性维护和并发控制 在传统的人机交互式 CAD 系统中 单个用户基本上独占对图形数据库的访问存取 而基于 CSCW 的 CAD 系统支持紧密耦 合的群体工作模式 牵涉到多个用户对共享数据的操作问题 必须保证共享数据在各个站点上的一致性 由于 CoCADToolAgent 要兼容现有 CAD 系统的数据库格式 不能指定图形对象在图形数据库中的全局唯一标识符 而且一 旦添加到数据库之后 不可回退 也不可更改 因此 CoCADToolAgent 采用了一种改进的整体一致性模型和添加操作优先的并发 控制策略 以解决偏复制式混合体系结构的一致性维护和多用户并发冲突问题 1 CoCADToolAgent 对整体一致性模型的改进的基本原则是以数据的一致性作为显示一致性的基础 以保证 CoCADToolAgent 能够兼容现有的 CAD 图形数据库格式 允许共享数据对象的属性存在一定的不一致 这意味着某些实体数据 计算机辅助设计与图形学学报 2002 14 2 163 167 的属性是可变的 但是数据库的结构组成是不变的 以保证用户对数据库的操作不发生错误 既支持透明协作 又支持明确协作 要求协作者有明确协作的意识 能够理解视图上的协作含义 例如实体加锁记号 2 CoCADToolAgent 采用复合技术路线来支持多输入流 发言权和对象锁三种协作模式及其切换 以适应不同设计阶段协 同工作的需要 通过服务器端的通讯转发服务器的序列化机制 对各个站点的宏命令进行一致化处理 然后转发到各个站点 来实现多输入流协作模式 用于协同草拟阶段的快速成型 用自动远程执行消息发送机制和面向对象的图形数据通讯协议来 实现发言权协作模式 以适应任意复杂程度的 CAD 图形操作 并且在发送源和编码阶段进一步减少数据传输量 用于设计中后 期阶段的集中讨论 用对实体和实体集的可见性和可拾取性加锁的方法来实现对象锁协作模式 可用于设计中后期阶段的分 散修改 3 CoCADToolAgent 对整体一致性模型的改进和放宽是一般性的 提供了维护各个复制式数据库拷贝中图形数据库结构一 致性的最基本的方法 用户可以在此基础上根据应用语义适当收紧一下这些放宽的条件 3 4 协同感知 传统交互式 CAD 方法仅支持单个用户的人机交互活动 通过光标 夹点显示 动态导航将操作结果反馈 Feedback 给操作者 这种感知仅仅是针对机器的 而 CSCW 系统要支持人人交互 用户不仅要感知机器的反应 更重要的是要感知其他用户的异地 通馈 Feedthrough CSCW 系统中工作空间总是虚拟的 人工合成的 必须采用相应的技术手段 来支持共享工作空间中人人交互 时的感知问题 CoCADToolAgent 支持工作空间感知 交谈感知 结构感知和以人为线索和中心的感知 1 工作空间感知 CoCADToolAgent 支持基于共享图形工 作空间的协同工作 且深入到现有 CAD 系统的内核 支持实体 对象的颜色 线型感知 在未知原有 CAD 系统源代码的情况下通 过界面耦合方法实现了远程指针 该指针支持各个用户视图的 独立缩放和模拟动态多光标 2 交谈感知 CoCADToolAgent 通过一个集成进来的通知 笔谈辅助工具来模拟协作用户之间的相互通知和聊天 3 结构感知 CoCADToolAgent 提供了任务结构 图层结构 和用户角色结构 支持多任务及脚色机制 通过任务向导机制为 用户提供任务和人员列表及其相互关系的全局信息 4 以 人 为线索和中心的感知 利用协作框架的开放性 从面向对象的图形实体类库中通过继承和重载机制导出一类新 的 具有沉浸感的用户 实体关联数据类型 新类有效继承了原来 实体类的所有基本数据和操作方法 同时又增加了用户属性数 注册用户列表 用户登录 任务信息服务器 任务信息列表 创建任务 创建通讯转发服务器 或者参加任务 1 号任务 通讯转发 2 号任务 通讯转发 服务器 服务器 协作用户 1 协作用户 1 CoCADToolAgent CoCADToolAgent 协作用户 2 协作用户 2 CoCADToolAgent CoCADToolAgent 协作用户 n 协作用户 n CoCADToolAgent CoCADToolAgent 网络通道 1 网络通道 2 Fig 2 Architecture of prototype system and communication support 图 2 原型系统总体结构与通讯支持方案 计算机辅助设计与图形学学报 2002 14 2 163 167 据和相应增加的操作方法 从而支持支持以 人 为线索的各种查询 检索和统计 支持以 人 为中心的 CAD 图形数据文挡的管 理模式 3 5 多任务及脚色机制 传统交互式图形 CAD 系统基本上是一个关于设计对象的建模工具 本身任务机制很弱或者没有 而人人交互的 CAD 系统 不仅要支持传统 CAD 系统的图形处理 而且要支持人人交互和协作功能 任务机制和脚色机制是必须的 CoCADToolAgent 支 持多任务和脚色机制 1 CoCADToolAgent 的协作任务由基本组成属性和操作集组成 基本组成属性由任务 ID 号 CAD 图形文档和协作用户集 其中任务的ID号与通讯转发服务器的端口号关联 基本操作包括申请任务号 创建任务文档 保存任务 结束任务和用户脚色管理 2 CoCADToolAgent 构造了一个任务向导流程来帮助协作用户参加 CAD 图形的协同设计 使得传统单机 CAD 用户可以 很平滑地从单打独斗工作方法过渡到协同工作环境中来 3 系统支持多任务 图 2 为原型系统的总体结构及其通讯支持方案 其中 全局任务信息服务器静态配置 其 IP 地址和端 口号是公开 通讯转发服务器在创建协作任务时动态创建 其 IP 地址取创建该协作任务的站点地址 其端口号与全局信息服务 器任务列表中任务 ID 号相关联 尽管在一个协作任务中 通讯转发服务器是通讯瓶颈 但是由于协作任务及其通讯转发服务器是动态生成的 在共享图形 工作空间的多个协作任务情形下 各个站点之间的通讯是均衡的 有效地利用了现有通讯资源 4 原型系统的实现 CoCADToolAgent 采用了与现有基于通用 CAD 系统开发方法不同的技术思路 不是按照 CAD 公司所推荐的编程方法和模 板程序来开发一个参数化增值模块或者专用模块 而是开发了一个具备网络通讯和协作支持能力的 CAD 系统协作支持工具软 件 Agent 并以该工具 Agent 为核心 将传统交互式 CAD 系统 AutoCAD R14 升级成为支持人人交互的 CAD 图形系统 从而实现 一个基于 CSCW 的 CAD 原型系统 直接支持工业标准的矢量化工 程图形的协同设计 用户首先加载 CoCADToolAgent 并登录到全局任务信息服务 器 然后通过任务向导 TaskWizard 来来查询当前的全局协作信息 选择创建新的协作任务 或者参加已有的协作任务 如果是创建协 作任务 还要创建 CAD 图形文档 创建通讯转发服务器 创建发言 权仲裁 Agent 并将这些协作信息登记到全局信息服务器上 最后 按照相应的协作模式进行工程图形的协同编辑与设计 图 3 为原型系统运行时的一个动态远程指针示例 a 为发送端 a b Fig 3 Implementation of prototype system 图 3 原型系统的一个运行实例 计算机辅助设计与图形学学报 2002 14 2 163 167 b 为接受端 发送端的动态协作信息 协作者 ID 及其光标所在世界坐标位置 可以在接受端被感知到 并且支持各个 CAD 视图的独立缩放 5 结束语 具有开放式 协作式以及智能性和群体性的设计方法和设计工具是当前 CAD 系统的发展方向 分布式虚拟环境下协同工作 的支持技术及支持工具的研究与开发是实现基于 CSCW 的各类系统的关键 本文针对当前 CSCD 系统与方法的不足 提出了一 种直接基于商品化CAD系统上利用协作支持工具CoCADToolAgent开发CSCD系统的总体技术路线和相应有效的实现方法 并 以该 Agent 为核心成功地将一个事实上工业标准的工程图形 CAD 系统提升为网络环境下支持人人交互的 CSCD 原型系统 特 别适合国内广大中小型设计和生产部门 本文研制的 CoCADToolAgent 是一个面向 CAD 系统的专用协作支持工具 比 NetMeeting 之类的通用协作支持工具具有更 好的灵活性和协作性能 此外 本文提出的技术思路还可以推广到 Solidworks 等三维 CAD 系统中去实现协同设计功能 例如用 一个 CoCADToolAgent for SolidWorks 进行三维装配件设计 同时以多个 CoCADToolAgent for AutoCAD 进行零件工作图设计 参考文献 1 Sutherland I E Sketchpad a man machine graphical communication system In Proceedings of AFIPS Spring Joint Computer Conference Detroit Michigan Spartan Book 1963 329 346 2 Cutko