面向协同分析模型的安全访问控制方法

刘晓平, 季 浩, 吴 敏, 石 慧

(合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

随着网络不断发展和应用,产品研发流程由传统的独立作业逐渐转入协同式的网络化制造模式。协同环境下,模型的CAD设计和CAE分析是在多个部件商相互协作下完成。不同部件的设计者通过共享必要的部件模型信息来互动设计和分析部件模型,增强了部件设计者对整个产品性能的把握,从而减少因模型反复修改而造成人力和物力的浪费,大大提高产品的开发效率。

知识产权是企业的生存之本、发展之源。由于产品的设计、测试和集成可能由多个企业合作完成,甚至同一个零件不同工序的加工也可能在不同企业进行,出于保护各自的知识产权的需要,各个企业又希望保护本企业设计部件的敏感信息,信息安全成为产品协同研发必须要考虑的问题。

文献[1]指出,在CAE分析汽车碰撞安全性过程,保护分析模型敏感信息对设计者的重要性。如何使设计者通过共享最小的模型信息,顺利完成产品的协同开发,是本文研究的主要动机。

访问控制是信息安全保护的一种有效方法,它通过控制系统资源,根据设计者的权限和设计需要,直接共享相关模型信息的方法。文献[2]提出模型信息的多层次动态的安全访问控制模型,实现了产品模型的多粒度访问控制,实现了权限的动态授权管理。文献[3]为解决协同装配设计中敏感信息的保护问题,提出了面向协同装配设计的基于角色显示的技术,结合角色权限与特征的安全等级建立访问矩阵,对模型信息进行访问控制。然而,当前在协同环境下的信息访问控制的研究主要是面向 CAD设计,尚未发现面向CAE分析的访问控制研究。

面向CAD模型简化方法主要是 LOD为简化标准,文献[4]以LOD表示模型简化程度,不同权限的用户可以查阅不同 LOD层次的模型。由于CAD模型的访问控制策略一方面没有考虑模型的物理特征,无法进行模型的有限元分析。在协同产品开发环境中,为进一步支持产品模型的CAD设计和CAE分析,探讨面向CAE分析的访问控制技术具有重要意义。

本文提出一种协同环境下通过多角度模型进行设计和分析的安全控制方法,如图1所示。首先对模型特征识别和分类,再根据设计者的访问目的,选择合理的模型特征简化方法,并过滤与设计或分析无关的多余信息,建立多角度模型,最后结合访问控制机制,根据设计者的权限,分配满足相应设计和分析要求的模型信息。

图1 面向设计和分析的协同访问控制系统

1 多角度模型

1.1 基于特征的建模技术

特征是零件或部件上一组相关联的具有特定形状和属性的几何实体,有特定的设计或制造意义,是CAD/CAE集成系统中产品信息的载体。一般模型的特征包括几何特征和物理属性,几何特征分为正特征和负特征2类:正特征一般导致模型凸起、体积增大,如柱等;负特征则导致模型删减、体积减少,如孔、槽等。

CSG树表示的基于特征建模过程,最终的模型是由基本模型与5个特征之间的布尔运算得到。叶子节点是基本的特征要素,非叶子节点表示的布尔运算。如果特征是正特征,则对特征的操作为并,反之,布尔操作为差。

基于特征的建模方法可以很好地表达产品的完整技术和生产管理信息,通过对象螺纹孔、键、槽等产品的功能要素,直接体现出设计人员的设计意图[5]。

1.2 模型特征处理方法

为了协同CAD设计和分析的需要,设计者之间往往共享相关部件的模型信息,然而包含全部特征细节的模型信息对设计者并不是必要的。

(1)从协同CAD设计角度,往往设计者需要由模型正特征构成的粗略轮廓信息。视觉上通过观察其他相关部件的几何形态,感知整体产品的设计效果,更好地设计自身的模型信息。精细的模型包含过多的特征细节,而且创新相关的重要特征是不允许让其他设计者获取,同时复杂细节也不利于网络传输和图形渲染。

(2)从CAE分析角度,有限元方法是CAE分析的重要方法,待分析模型需要包含几何特征和物理属性,如材料属性、边界条件及载荷等。有些细小几何特征(如安装孔、浅槽等)在有限元分析中不影响分析结果,为了降低分析模型的复杂度和改善网格质量,必须删除。

1.3 保护策略

本文根据设计者的访问目的和权限,通过模型的网格简化和细节特征,简化生成一个多角度模型,用于对敏感信息的隐藏。

(1)用于CAD设计的模型处理方法分为正特征简化和负特征删除。模型外形的轮廓信息主要由模型的正特征展现,所以对正特征采用网格化简得到粗略轮廓[6]。模型的内部细节与负特征有关,通过特征识别出负特征,删除操作完成。

(2)用于CAE分析的模型处理方法分为物理属性过滤和细节特征层次化。物理属性的过滤是针对共享模型的分析类型,保留相关物理属性,删除与分析无关的非几何信息。通过细节特征层次化得到不同分析精度的模型信息,结合细节特征层次化方法实现[7]。

1.3.1 网格简化

网格化简是针对复杂网格模型,用一定误差范围内创建含有少量多边形的简单网格模型来逼近原始模型的方法。

文献[6]提出利用顶点聚类方法,对顶点聚类算法进行改进,提出基于顶点树的动态层次简化方法。文献[8]指出,为了减少模型的存储空间,便于设计者根据访问权限获取相应程度的模型信息,动态LOD多分辨率模型更适用于协同环境下CAD设计。

本文基于顶点聚类方法对模型的正特征进行网格化简。用一个包围盒把模型特征包围起来,通过等分包围盒的各棱边将包围盒等分成若干个小的长方体,所有顶点分别落在这些长方体内。如果某个长方体内有顶点,则把该长方体内的所有顶点删除并生成一个新顶点,这个新顶点通过二次误差度量的方法获得[9]。

重复该过程,自底向上建立特征的顶点树,顶点树中每个点有一个误差值。对特征的简化是通过从顶点树的选择出子树,用该子树的叶子节点构成简化程度后的模型。

1.3.2 细节特征层次化

面向CAE分析的特征简化方法很多,文献[7,10]提出一个基于特征的多分辨率造型方法,通过重新组织特征的造型次序,得到模型的多分辨表示,它也基于单元拓扑表示和可以快速将模型简化到所需要的细节层次。

本文基于文献[7]提出的细节特征简化方法处理用于分析的部件模型信息。首先对特征序列根据具体应用中的重要度进行降序排列,然后重新构造模型构建的顺序,并根据特征顺序互换规则,得到每个特征的有效域信息。最后通过添加特征细节的多少来得到不同细节层次的模型。

不同应用对排列标准有不同的要求,一般可以根据特征的某一属性,如体积、特征表面积、基于视点的特征可见性及特征相关性等进行排序,或由用户自定义标准。如针对结构分析,体积是影响分析结果的主要因素[11]。不同细节层次的模型,如图2所示。

图2 细节特征层次化

2 基于安全控制的多角度模型生成

2.1 安全访问控制方法

目前,针对协同环境下的访问控制研究很多,基于角色访问控制系统中,用户被赋予角色,而权限是被赋给角色,用户通过担任某些角色来获得访问权限,角色是根据组织内为完成不同的任务需要而设定的。

本文采用基于角色的访问控制方法[12],通过访问控制矩阵,实现对多用户之间信息资源共享的控制,提供给适当的访问者最大化的服务,并保护系统资源不受侵犯分析。

2.2 安全访问的多角度模型生成算法

设计者的访问目的分为3种:D、A和D/A。其中,D表示共享模型用于CAD设计;A表示共享模型用于CAE分析;D/A表示共享模型要求既能满足设计的需要,同时满足进行CAE分析。本文根据设计者的访问目的和权限,以及特征的正负属性,结合网格简化和细节特征简化方法,生成面向设计和分析的多角度模型。

同时提出分析和设计需要时,首先参与不同细节层次的模型构建,按特征对分析的重要度进行排列。

此时如果正特征包含在指定细节层次的模型时,因为分析的需要,不需要进行网格简化。反之,为了设计需要,必须进行网格化简,并添加到当前细节层次模型中。

表1所列为访问目的与特征处理方法的对应关系,其中P/N分别表示正特征和负特征。

表1 访问目的与特征处理方法的对应关系

由图1,设计者A和设计者B协作开发产品,设计者B通过申请访问设计者A的模型信息。假设设计者A设计的详细模型为M,设计者B的角色为R,R∈{D,A,D/A}。根据特征处理方法的不同,本文给出多角度模型的生成算法如下:

(1)对模型M进行特征识别,获得特征集F={f1,f2,…,fn}以及每个特征类型 θ(fi),θ(fi)∈ {P,N}。

(2)根据设计者B的访问目的R和特征集F中每个特征类型,通过表1确定每个模型的特征用途和处理方法。

(4)用特征子集FD构建基本模型,顺序添加特征子集FA∪FD/A中的特征,得到不同细节层次的模型,相应的细节程度值记为。

(5)从当前细节层次的模型MA中选出正特征子集。如果将-中的所有正特征进行网格简化,并添加到模型MA中,得到当前细节层次下的不同简化程度模型,记为多角度模型。

3 协同分析模型的安全访问控制

一般因为设计者都是获取其他相关模型的设计信息,所以设计者对共享模型信息只有3个角色:D、A和D/A,不具有写操作,而访问矩阵中对每个特征的权限只有是否获取(read/-)2种。

以图2为例,设计者A访问设计者B的模型信息,该模型的正特征为F0、F2、F4,负特征为F1、F3,以及特征对指定分析重要度的排序为:F0→F2→F1→F4→F3。

为了简单起见,不同角色对模型特征的访问权限设定见表2所列。

表2 不同角色对模型特征的访问权限

根据访问角色的不同,设计者A获得相应不同的多角度模型:

(1)角色为D时,通过将设计者B模型中的负特征删除,以及对正特征的简化得到多角度模型。

(2)角色为A(3)时,设计者B模型要被设计者A用来分析。通过按照F0→F2→F1→F4顺序,重新构造模型得到多角度模型。

(3)角色为D/A(2)时,设计者B模型的特征F0、F2和F1要被设计者A用来分析,按照 F0→F2→F1顺序重新构造模型。由于F4为正特征作为模型的轮廓信息,简化后再添加到新的模型中,进而得到多角度模型,用于协同分析和设计。

结合基于角色的访问控制方法,多角度模型可以在满足共享要求的同时,又能保护设计者的知识产权。

4 结束语

协同环境中产品模型的访问控制具有重大意义,它对于保证产品模型的可用性、完整性、机密性和设计过程的有效性起着关键作用。根据设计者的设计和分析需要,对部件进行合理地简化,是协同环境中有效地保证知识产权和产品质量的先决条件。

本文提出一种多角度模型用于共享模型信息,结合安全访问控制机制,实现在共享模型信息完成设计分析需求的同时,保护设计者的知识产权不被侵犯。然而,在细节特征层次化方法中,需要对特征在应用中的重要度进行降序排列,且基于专业领域知识。下一步将调研和分析相关领域,建立专家系统用于支持特征的排序工作。

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