基于互联网络的产品异地协同设计技术研究.doc

甘肃省科技攻关项目：基于互联网络的产品异地协同设计技术研究（2GSD47-A52-002-02）多Agent协同设计中的产品数据交换和共享模型摘 要：产品数据的交换和共享是多Agent协同设计中的关键技术。针对多Agent协同环境的系统结构和数据管理的特殊要求和特点,本文在分析了多Agent协同设计的产品共享模型的基础上，提出了多Agent 协同环境下的分布式产品信息管理结构模型，并分析了产品数据交换和共享的组织模式和实现方式。关键词： 协同设计；代理；数据交换和共享；面向对象数据库（OODB）； 产品模型数据交换标准（STEP）中图分类号：TP309 文献标识码：AData Exchange and Share Model in Multi Agent-based Collaborative DesignRAN Xiang-kun，SHI Guang-tian(School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Gansu Lanzhou 730070,China)Abstract: Data exchange and share is the key to the realization of multi Agent-based collaborative design .According to the special requirement and character of system structure and data management in multi Agent-based collaborative design, this paper brought forward to an distribute product information management model on the base of analyzing the product information model ,and analyzed the organization mode and realization method of data exchange and share in multi Agent-based collaborative design. Key words : Collaborative Design;Agent ; Data Exchange and Share;Object-Oriented Database (OODB );Standard for the exchange of product model data (STEP )一般认为，Agent指在一定环境中连续自主运行的实体，能感知与之相关的环境变化并因此反作用于环境。多Agent系统是由多个Agent形成的松散耦合的网络系统。Agent技术在自治性，交互性，反应性和能动性四个方面的优点，以及Agent体系结构在分布式系统中良好的可扩展性，使它在分布式协同设计领域得到广泛应用。多Agent协同设计涉及到一些关键问题,如产品数据和集合信息如何存储、如何传递给其他组内成员、如何在各个组员之间可视化地描述、如何组织系统允许组员访问这些产品数据和集合信息等,这些都是成功实现产品数据交换和共享必须解决的问题。网络协同设计的数据的特点主要有:产品数据复杂多样,包括图形、图像、文档、图表、公式等;产品数据交换频繁、流量大。产品设计是一个协同工作的创造性集体智慧凝聚的过程，要使设计顺利进行,分布在异地的不同设计小组之间就要经常性地进行数据交换,并且有些形式表达的产品数据是较大的文件，产品数据的一致性要求高,分工合作的不同设计小组之间的设计任务是彼此关联,互相依赖的。如果其中一个数据改变了,相关联的数据必须跟着改变,在Web数据库设计时必须考虑数据的一致性问题,产品数据的并发性访问频繁等问题1。针对多Agent协同环境的系统结构和数据管理的特殊要求和特点,本文在分析了多Agent协同设计的产品共享模型的基础上，提出了多Agent 协同环境下的分布式产品信息管理结构模型，并分析了产品数据交换和共享的组织模式和实现方式。1 多Agent协同设计中的产品共享模型产品模型是产品模型化的过程，它是产品信息的计算机内部表示框架和操作的集合，是产品在其生命周期中的逻辑集合，它提供了表示和存储产品在设计和制造全过程中信息的一种手段，从全局和局部两个层次上提供满足产品设计、制造到装配过程中的各种行为所需要的产品信息。因此，多Agent协同设计中的产品模型应该是一种集成的共享信息主模型，它为产品生命周期中不同环节的各种应用系统提供统一规范的产品数据模型和标准的数据访问方法，它侧重于产品信息表示的标准化表示（集成性）以及产品开发周期中不同信息抽象需求（多视图性）的满足。产品数据和产品定义数据是相关的两个关键性概念。产品数据是关于产品的一个或一组事实、概念和要求的形式化描述，使之适合于人类或自动化作业进行通信、解释和处理，它是一个广泛性的概念，构成主产品模型的基础。产品定义数据是产品数据的一个子集，它是把要制造的具体产品作为物理对象，对其各个特征进行描述和通信所需要的数据，它才是CAX系统处理和交换的对象，真正应用于产品开发生命周期的各个阶段。它以产品数据为中心形成了其在不同方向上的视图。从应用的角度出发，产品模型应围绕产品定义模型进行描述，包括产品几何形状、拓扑、管理、性能、结构、材料、公差等方面的信息，使之能够为产品开发周期中的各设计Agent提供服务。在多Agent协同设计中，产品数据与某具体的设计项目密切相关，产品定义数据局限在产品开发团队的范围之内，其随着过程定义的不同而有着不同的描述。这就构成了系统中动态定义的三重结构2，如图1所示。图1 多Agent协同设计中动态定义的三重结构最上层是项目定义，涉及项目描述及相应的组织构造，将产品开发数据局限在某个具体的范围之内；其下一层为项目的过程定义，涉及任务分解、关系描述和调度等确定问题，其将产品数据从不同的领域、侧面或视图进行分解，从而对应于不同的具体产品定义；而产品定义则作为整个结构的基础层次，它不仅需要表述产品特性、形状、技术要求等固有属性，还应将相关的项目和过程信息包括进来，这才构成了产品定义的完整性描述。该信息应能以标准形式进行表达，并能采用多种方式进行交换，构成基于标准的集成产品信息共享模型。2 多Agent 协同环境下的分布式产品信息管理结构模型各协同设计Agent拥有一个共享的公共产品定义主模型，各产品开发者则在自己的功能视图上对主模型进行操作：包括在指定的约束下设计部件，交互分析讨论和修改设计方案，浏览产品集合数据，根据涉及数据进行加工，装配和定制等。这就需要对分布式产品信息在在逻辑上进行统一的管理，包括数据的存储、获得、共享、交换、映射、修改、可视化等一系列问题。对分布式信息进行综合管理的目的是为各产品开发者提供产品信息存取服务，从服务的功能和粒度上，可分为四种层次：集成共享模型、功能视图、个人工作空间、个人存储空间。集成共享模型是一个基于主模型的全局共享模型；功能视图是主模型的子集，面向某一工作组的应用视图；个人工作空间是工作组中某一成员的个人逻辑工作空间，是用户存储和维护中间设计结果或参考消息。产品开发人员对数据的访问有引用、复制、检入、检出四类手段，均是通过功能视图界面对共享模型进行操作，个人工作空间与权限控制机制相结合，为不同的开发者提供个性化的视图3。从体系结构上来说，多Agent协同设计中的产品数据共享完全基于Internet/Intranet构建，它由客户端的应用管理协调和服务器端的共享管理服务两部分组成，如图2所示。应用管理协调则为各设计单元及CAX系统提供产品数据存取的客户端接口；而共享管理服务为共享产品数据的操作提供分层的控制功能，两者之间通过HTTP协议和相应的Web Service进行通信。图2多Agent协同设计环境下的分布式信息管理结构2.1应用管理协调客户端的应用管理协调主要负责产品数据的创建、修改、显示等操作。文件的创建和修改由封装的建模工具完成，涉及任务开始进行或进行更改时，从集成界面中调用CAD工具，进行建模工作，并通过STEP转换器以AP203的文件形式输出几何数据，同时填入符合主模型要求的其它数据，提交后存入综合数据存储中。而几何形状浏览、配置信息、装配结构作为客户端的可视化控件在浏览器中运行，它们分别于服务器端的可视化Agent进行通信，提取所需的数据进行显示。相应的数据及客户端请求触发均封装在每一设计单元的任务开发界面中，从用户登录开始进行控制。2.2共享管理服务共享管理服务主要分为四部分，包括数据存取服务、可视化服务、数据转换服务、模式映射服务等功能性服务。数据存取服务是其中的核心部分，它直接与STEP数据库和电子仓库相连，作为它们与各通用Agent之间的逻辑中间平台，其根据用户请求进行透明调用，返回所需要的信息，构成广义的产品数据接口。其从三个方面进行控制，以分级元数据和映射机制作为辅助支撑4。最上一层为权限管理层，它根据角色不同为不同设计单元提供不同的映射信息和操作权限，其建立在业务对象的基础上。业务对象是用来描述某一事物某视图的信息，由其属性和逻辑联结的多个业务对象和数据对象组成。在该层中，由领域依赖的元数据对业务对象的属性进行描述，包括与用户视图较易理解的应用领域词汇相关的概念。其下一层为数据标志层，其以分布式数据描述和索引为手段，对应的是数据对象的提取，数据对象用来对产品信息相关的文件或实体进行抽象，其属性由数据依赖的元数据进行描述，该元数据包括了相应数据对象的设计、注册、文档、人员、部件、格式、审批相关的信息，以实现透明的数据调用和呈现。最下一层为STEP服务应用接口，它由模型服务和模型映射标志代理组成。模型服务用来在网络环境下通过软件总线接受来自客户的请求，按照上一层的索引寻找对应的专业映射模型及相关数据，然后发送操作级参数至模型映射代理。该代理完成要求的模型映射操作，将STEP数据按照不同的应用组织，以使模型服务可以按照该映射模式，直接从数据库中取出所需数据。可视化服务是为客户端检视Agent的显示提供基础性的数据加工工作，它可以分为数据准备和数据显示部件。前者接受客户端请求，根据浏览器数据的格式转换为Internet工具更易处理的形式，如将某功能数据集分成配置数据和几何数据，以不同的方式显示；后者则与特定的显示Agent相连，提供相应的浏览服务。数据转换服务涉及到CAX系统产生的数据与符合STEP标准的数据进行双向转换的功能，虽然大部分的CAD工具具有AP203和AP214的转换接口，但在服务器端实现数据转换可进一步促进在集成环境中进行工作，STEP Tools公司已为ACIS Parasolid几何核心开发了相应的STEP转换器。模式映射服务可以将主模型的集成数据根据需要提取相应的数据，如对一个产品信息，包括产品定义、产品配置、文档管理等多种信息，模式映射服务可为该用户映射出所需要的那部分信息，这可相应地减少网上传播量，可使用EXPRESS来实现模式间的转换。服务器端还包括通信协同，对象管理等一些基础性功能，这些功能服务均封装在若干功能Agent中，为客户端提供服务。3 产品数据交换和共享的组织模式可以采取STEP与OODB（Object-Oriented Database）相结合的方式建立多Agent协同设计产品数据交换和共享的组织模型5,以分布式C/S计算机系统为支持平台,如图3所示。关键因素包括STEP标准，面向对象的数据库（OODB）和Servlet。图3 STEP-OODB数据交换模式3.1 STEPSTEP采用统一的产品数据模型以及统一的数据管理软件来管理产品数据,各系统之间可直接进行信息交换,它是新一代面向产品数据定义的数据交换和表达标准。STEP的特点是:它能完整地表示产品数据并支持广泛的应用领域,包括产品生命周期的各个环节;它是一种中性机制,独立于任何CAX(计算机辅助技术)系统;具有多种实现形式,即不仅适用于中性文件,还支持应用模式内的产品数据交换,同时也是实现和共享产品数据库的基础。STEP采用EXPRESS语言描述产品信息模型,EXPRESS是一种形式化的信息建模语言,它吸取了许多模式描述语言的和程序设计语言的功能和特点,它是人机可读语言,它提高了设计人员的理解力并生成了计算机解释应用程序6，7。3.2 OODBOODB是一个相对较新的工程应用程序，在这个区域的数据高度的内部关联,因此关系数据库在许多应用程序中起着重要的作用。OODB系统数据库核心系统包括主控程序、语言解释器、对象关系模型转换器和数据字典。OODB引入了面向对象的数据模型和方法,增加了管理数据内在动态联系的能力,对复杂数据对象的表达能力更强,能够支持多种非常规数据库的应用,而且建模能力和运行性能都显示出比关系数据库更大的优越性和潜力。3.3 ServletServlet是一个与协议无关、跨平台的服务构件,如同Applet集成到WWW浏览器一样, Servlet被集成到服务器中,可以实现网络上远程动态加载,能集成到实现Java服务器API的任何服务器上。Servlet运行于服务器端,它接受客户端的请求,将处理结果返回客户端。在许多大型应用中可以作为Internet技术和Java的中间桥梁。Servlet采用用户服务、业务服务、数据服务三层结构。用户服务,可以是任意支持Java的浏览器,复杂用户界面的处理。4 产品数据交换和共享的实现方式产品数据交换和共享是CAX数据应用中需要解决的中心环节,数据交换不仅发生在不同的CAX之间,也发生在同一CAX的不同版本或不同产品型号之间,甚至是产品的装配与零部件之间等。因此,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、数据交换共享、实时交换性和一致性的关键8。在执行本系统之前,我们作如下的一些定义。定义1:交换的数据类型是指各种CAD用户的3D几何图形、图像、文档、计算参数等。定义2:交换的对象为数据操作所引起改变的数据部分而不是所有的数据。定义3:操作平台可以是Windows、Unix等异类平台。应用本文所提出的数据交换机制和数据动态交换模式可成功实现多Agent协同设计环境下产品数据的实时共享和交互,其过程如下：1)CAD系统用户对需要交换的数据(可以是共享信息,图形,文档等)通过数据交换接口向服务器提出请求。2)服务器受到请求后,通过多级安全认证和数据校验机制,验证请求的合理性,不合理就拒绝请求,合理就执行下一步操作。3)对用户提出的合理的数据交换请求,服务器通过Servlet把交换数据通过STEP标准转换成统一的数据格式。4)数据库管理系统把STEP数据存储到OODB数据库中。5)其它需要这些数据的用户就可以从OODB中提取相应的STEP数据。把这些数据根据数据处理指示信息(应用数据类型标识)或根据自身的处理逻辑作相应的处理,就可以把这些数据还原为实体。这样一个数据交换过程就完成了。该模型具有以下特点:1)整个动态数据交换系统具有唯一的全局模式是一个紧耦合的以OODB数据库为核心的多数据库系统,能够实现用户与服务器、用户与用户之间的图形、数据的实时交互;2)采用多客户/服务器结构,是一个多用户系统具有很好的可扩展性;3)对各用户子数据库可定义输出模式,将数据分为私有和共享两大类,所有共享数据组成全局模式;4)以OODB数据库为核心数据库,各CAD系统用户可同时使用MDBS接口和原来的应用程序接口访问OODB数据库,与OODB数据库实现信息共享和交互。5)具有屏蔽网络环境、网络协议、网络质量的可靠传输机制,具有多级安全认证和数据校验机制,具有不重传、不漏传、断点续传的特性,具有数据压缩加密接口。保证了系统具有良好的安全性、可靠性。5 结论产品数据交换和共享是实现多Agent协同设计的关键技术。根据多Agent协同设计的特点,提出了基于跨平台多种CAD用户的产品数据交换和共享的结构和模式,以OODB数据库为核心的多数据库系统,各CAD系统用户可以同时访问OODB数据库,能够实现用户与服务器、用户与用户之间的图形、数据的实时交互。数据交换只对改变的数据对象进行操作,减小了网络传输的负担,提高了数据交互效率。参考文献：1 罗天洪，陈小安，林利红等.网络协同设计动态数据交换系统J.重庆大学学报，2003，26（12）：1-5 2 张洁，高亮，李培