异构环境下的机械产品协同设计关键技术研究

2016-11-22蒿丽萍田朝平

中国设备工程 2016年15期

关键词：异构客户端管理系统

蒿丽萍，田朝平

（1.内蒙古广播电视大学，内蒙古呼和浩特 010011；2.内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特 010051）

Research and Exploration | 研究与探索·探讨与创新

异构环境下的机械产品协同设计关键技术研究

蒿丽萍1，田朝平2

（1.内蒙古广播电视大学，内蒙古呼和浩特 010011；2.内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特 010051）

异构环境下的协同设计存在着错综复杂的数据交换及信息共享需求。文章针对机械产品协同设计特点及过程，研究了基于Web技术的三层C/S结构的协同设计系统体系结构、STEP标准和XML相结合的动态数据交换机制、分布式异构数据库系统模型及操作过程,以及机械产品远程协同设计系统功能模块。

机械产品；协同设计；体系结构；数据交换；数据库模型

0 引言

随着计算机技术、网络技术的发展以及市场竞争的需求，传统的机械设计已经不能满足现代机械设计和产品开发的需求，机械可靠性优化设计愈来愈多地应用于机械产品设计中，传统的串行产品设计模式正在向并行协同模式转变，基于网络环境远程协同设计是当今机械现代设计领域的研究热点。协同设计中分布于异地的设计主体通常采用异构的CAD系统，系统的异构性妨碍协同设计过程中的数据交换与共享。研究异构环境下的机械产品远程协同设计过程的数据交换共享机制、异构数据库管理系统模型及操作过程等技术，开发协同设计系统，为处于不同地域的设计主体提供异构的协作环境。

1 机械产品网络协同设计特点

1.1 网络协同设计概念

协同设计CACD是以CSCW（Computer Supported Cooperation Work）和并行工程为基础的机械产品设计技术，其概念可以从概念模型、层次模型和过程模型三方面理解。概念模型是对协同设计过程中的设计对象、设计活动以及设计环境相互关系的描述，层次模型将协同设计过程描述为层次维、对象维、周期维和约束维等多维活动空间，过程模型是在不确定状态下设计主体所进行的实现设计目标的活动和决策。机械产品网络协同设计是多学科群组，在跨时空异构的网络环境下，应用现代机械设计理论和计算机辅助设计工具，针对机械产品设计目标，基于设计产品全生命周期的信息需求，通过设计数据交换、共享和相互协调机制，远程协作的开放式设计模式。

1.2 网络协同设计特点

设计主体多元性。协同设计由分布于不同地域、不同企业的具有不同知识背景和专业特长的多学科设计主体远程协作完成；层次角色性。机械产品设计的复杂性和产品结构层次性等，需要针对设计任务进行结构化分解、角色分配和授权，设计主体的层次结构与产品设计分解后的层次结构对应；并发控制和进程管理性。由于协同设计的多主体性和设计任务的可分解性，协同设计往往是多个任务并行执行，通过设计任务的分配与调度，设计数据动态交换以及动态访问控制等进行进程管理；异构性。各设计主体CAD系统很可能执行不同的企业标准、使用不同的操作系统、采用不同的数据模型。

2 机械产品协同设计系统功能体系结构

2.1 协同设计系统体系结构

基于Web的三层C/S结构的协同设计系统体系结构如图1所示，包括客户端服务层、应用服务层和数据库服务层。

图1 协同设计系统体系结构

客户端服务层：客户端服务层由设计主体（Web客户端）和异构应用程序接口组成，设计主体通过客户端与应用服务层进行动态交互，完成客户端和服务器端的信息集成。

应用服务层：应用服务层在协同设计中负责业务处理，由多服务器管理系统、Web/Corba服务器、多Agent服务器、协同数据库服务器等组成。多服务器管理系统起“桥梁”作用，不仅为单个服务器提供服务，而且当多个协同用户协作时，负责管理和协调协同用户间的并发请求；Web/Corba服务器包括基于HTTP协议的Web服务器和基于IIOP协议的CORBA服务器，Web负责接收本地或协同用户的请求并进行分析，驱动多服务器管理系统进行数据处理，然后将结果反馈给用户。CORBA提供面向对象的分布式应用平台，自动调用和共享异构资源；多Agent服务器进行信息处理和转发，由WebAgent、ApplicationAgent和数据库接口Agent等构成，对用户、数据、控制等进行管理；协同数据库服务器通过数据库接口Agent对所有数据库进行连接。应用服务层分为业务处理层、多服务器层和系统服务层等，业务处理层针对具体问题进行业务处理，全面实现系统功能。多服务器层为协同设计提供多服务器管理系统、协同数据库管理系统、Web服务器以及辅助设计工具等。系统服务层为业务处理层和数据库服务层提供设计信息交换接口。

数据库服务层：数据库服务层是协同用户访问数据库的接口，与应用服务层共同完成协同设计过程的业务处理。数据库按分类、分布存储方式进行设计。

2.2 工作原理

用户通过Web客户端提出任务申请，Web服务器收到申请后对其进行分析，并将申请发送给ApplicationAgent；ApplicationAgent收到消息后，将任务申请转化为应用服务器可以执行的命令，若符合执行要求，应用程序执行任务并将执行结果反馈给Web服务器；数据库服务器接受Web服务器对数据库操作请求，对数据库进行相应操作，调用Web数据库中的数据；Web服务器将执行结果反馈给Web客户端。

3 动态数据交换机制

通过动态数据交换机制使异构系统按一定的应用需求对设计资源进行有效地组织和管理，满足协同设计中分布式异构环境中各异构系统间的信息交换与共享。

3.1 XML信息交换语言

XML是Internet环境下通用的信息交换语言，它用统一的方法来描述和交换独立于各应用程序的结构化数据，能在Web客户端上以特定的格式显示设计信息，本系统利用XML作为异构环境中的文档交换格式。XML信息交换过程：①协同用户从本地应用系统提取共享信息，将其转换为XML文档格式，提交给Web/Corba服务器。②Web/Corba服务器利用XML格式转换器将其转换为系统可接收的XML文档格式，通过XML与数据库间的转换接口将共享信息存储到共享数据库中。③Web/ Corba服务器也可从共享数据库中提取协同用户需要的共享信息，进行相应的转换后发送给协同用户。

3.2 STEP动态数据交换标准

STEP是独立于任何CAD系统的中性数据交换机制，能够描述机械产品设计整个生命周期的数据交换与共享的国际标准。STEP动态数据交换格式由数据段和控制段组成。其中，数据段中只包含被更新数据，数据格式是STEP数据格式；控制段包含UserID、实体序列号和编辑命令名等必要的控制信息。

3.3 动态数据交换机制

由于Internet客户端解析STEP中性文件格式非常困难，也就是说，STEP不能很好的支持异构环境下的数据交换和跨领域跨企业的产品信息集成。因此，本文将XML语言和STEP标准结合起来[7]，建立动态数据交换机制，解决STEP在Internet中显示问题。动态数据交换机制数据转换过程：本地CAD用户使用自已的CAD系统基于网络进行产品设计；通过STEP/XML数据转换机制将本地CAD系统数据格式转换为XML数据格式，通过ECAMediator识别更新数据，把更新数据生成XML动态数据交换格式并传送给协同用户；服务器收到异构系统提交的XML文档后，利用XMLSchema将XML文档转换为系统能接收的文档格式，通过XML与数据库的转换接口将数据存入共享数据库中；协同用户收到服务器发送的XML格式共享文档后，转换为应用系统可接受的数据格式，实现产品数据的共享和集成。

4 协同数据库系统模型

4.1 协同数据库管理系统模型

机械产品协同设计数据具有多样性、分布性、数据交换和并发访问频繁等特点，这些特点决定了协同数据库系统是分布式异构数据库系统，需通过数据库管理系统对其进行管理。协同数据库管理系统是在原数据库管理系统的基础上，通过Web服务建立各数据库间的Agent访问代理，实现协同设计中的数据共享。协同数据库管理系统模型如图2。

（1）应用层：由管理员、项目负责人、设计主体及审定专家等组成，通过Agent进行异步或同步数据访问。（2）业务层：通过协同数据库服务器进行业务处理，协同数据库服务器可以是一台单独的服务器，也可以由多台服务器组合。（3）数据库层：由数据库接口Agent和数据库集组成。Agent接口负责访问数据库、本地用户权限检查，将远程查询语句转换成本地数据库语言格式等；数据库集是由分布于协同工作各方的多个数据库构成的集合。

图2 协同数据库管理系统模型

4.2 协同数据库操作过程

为确保异构数据库系统数据的一致性和完整性，通常只允许协同用户远程查询本地数据库，不允许对本地数据库进行更新（删除、插入和修改等）。

查询过程：（1）协同用户通过客户端向协同数据库服务器提交查询语句；（2）协同数据库服务器进行用户身份验证和Agent注册；（3）服务器接收查询语句并将查询语句转换成本地数据库语言格式，进行语法检验，检验正确后，进行查询分解、查询优化和执行查询；（4）将查询结果转换成统一格式（XML格式），合并子查询结果并将最终的全局查询结果返回协同用户。

5 协同设计系统功能模块及系统开发

5.1 系统主要功能模块

机械可靠性优化协同设计系统的主要功能模块包括：（1）项目任务管理。对产品设计项目的任务创建、任务分解、任务分配和设计进程等进行管理。设计主体在权限范围内进行设计并向项目组提交设计方案、上传设计信息，也可以通过此模块查询协同用户提交的设计方案；项目负责人通过此模块进行任务分配和跟踪。（2）产品数据管理。产品数据管理是通过协同数据库管理系统对设计过程产生的各种数据信息进行有效管理。产品数据包括设计产品零部件设计信息、零部件装配结构和关系以及产品模型数据等，所有数据按照一定的数据模型进行描述和访问控制。（3）客户端CAD系统设计。客户端基于Matlab进行CAD系统设计，客户端插件将Matlab软件与协同设计系统进行有效集成，调用协同设计系统提供的服务（登录服务、查看任务列表服务），实现Matlab之间的协同开发。（4）访问控制管理。协同设计过程涉及到多个设计主体的远程协作，每个设计主体在设计过程的不同阶段担当不同的角色，具有不同的访问权限。访问控制管理就是在协同设计过程中进行用户访问管理和角色权限管理，防止非法用户入侵或合法用户越权操作。不仅考虑访问数据的安全问题，而且还需考虑权限的周期时间约束、权限的激活次数限制、动态授权控制等等。（5）协同交流。为设计主体提供交流环境，项目负责人或系统管理员发通知、召开视频电话会议、进行设计方案研讨等；设计主体针对设计主题发表意见或建议，获取自己需要的信息或提出求助需求等；课题组通过系统内设电子邮箱进行交流。

5.2 协同设计系统设计

协同设计系统采用Java语言开发，使用SQLServer做数据库管理系统；客户端使用Matlab进行优化设计系统设计。

5.3 协同设计系统运行

（1）用户身份验证。设计主体登录系统主界面，输入用户名和密码，进行身份验证；身份验证后，系统根据用户授权进入相应的操作界面，进行相应操作。（2）客户端CAD系统。由于机械产品可靠性协同设计过程复杂、任务量大，目前只实现了斜齿轮减速器中的“齿轮”可靠性优化设计。在本地计算机上安装Matlab插件，用户在本地计算机上调用协同设计系统所提供的服务，进行优化设计。设计完成后，将实体模型转换成STEP格式，再进一步转换为XML格式后，上传至服务器，服务器将设计结果发送给本地用户和协同用户。客户端同时显示：本地设计模型窗口、其他用户模型窗口、服务器装配窗口等3个窗口。