支持Web协同的轻量化三维设计框架的研究

徐立云,叶 盛,许雄飞,李爱平

(1.同济大学机械工程学院,上海 201804;2.浙江达峰科技有限公司,浙江 杭州 310023)

传统制造业个体化、串行流程的产品开发模式效率低、周期长,使得企业的研发成本过高、无法快速地响应市场需求,失去了竞争力[1].随着计算机技术、网络化通信技术的发展,制造业发生了巨大的变革,网络化制造、虚拟企业、并行工程等先进制造技术与概念纷纷被提出并得到快速的发展.跨专业、跨地域、并行的计算机支持的协同设计(CSCW)开发模式能够有效地解决传统串行设计模式的缺点,大大地缩短产品设计和研发的周期,使企业在短时间内设计开发出市场所需求的产品,提升了企业竞争力.国内外知名企业的产品开发工作已经开始逐渐转向上下游多方协同的并行产品设计模式,并且取得了非常好的效果,如美国波音公司的787飞机项目:实现了135个地点、180个供应商的协同工作,涉及研制、定型、转化到融资等各个流程[2].

在我国,中小型企业的比例占据60%以上,由于受到自身资金、技术和人才等条件的限制,有时无法完成1项产品开发项目的订单任务.它们需要针对1个订单或者1项开发任务,以网络为载体、以信息技术为基础、以知识为纽带来组建动态联盟,在共享企业之间的开发资源的同时发挥自身的核心价值,来共同响应千变万化的市场需求.中小型企业之间组建的动态联盟存在以下几个需要解决的问题:①急迫性与临时性.这种动态联盟往往是由市场机遇驱动的,随着订单的产生而形成,随着订单或任务的结束而消亡[3].②数据异构性.不同企业之间使用的设计软件各不相同,专业三维CAD模型数据编码不统一,只适用于专业软件,不能进行开放式的交流.③三维模型文件容量大,网络传输比较困难,难以实现共享.因此,如何快速构建适用于中小型企业间动态联盟的协同设计环境,迅速组织企业间的设计开发资源,设计开发出性价比高的新产品,是中小型企业发展面临的1个重要挑战和机遇.

因此提出1种支持Web快速协同的轻量化三维设计框架,基于富客户端技术和JT技术实现异地协同设计和模型轻量化,设计开发了1个面向中小型企业的协同设计原型系统,使得中小型企业可以快速响应市场需求,在短时间内构建轻量化的协同设计环境,并通过协同设计系统高效地进行产品设计开发,增强企业的市场竞争能力.

1 协同设计系统关键技术分析

协同设计类型在时间上有同步与分布2种方式,空间上有集中式与分布式2种方式,由此可以根据时间和空间将协同设计类型分为面对面协同、异步协同、同步分布协同和异步分布协同4种.

本文介绍的支持Web协同的轻量化三维设计框架的研究属于同步分布式的交互系统,即多个协同成员在同一时间、不同地点进行设计活动.在Internet环境中,多个协同设计成员分散在不同的局域网或广域网中,基于TCP/IP协议,通过浏览器进行协同设计.

1.1 基于富客户端技术的协同设计模式

1.1.1 取代C/S和B/S的富客户端技术(RIA)技术

传统的系统架构主要分为C/S(Clint/Server)和B/S(Brower/Server)2种:被称为“胖客户端”的C/S架构需要专门客户端安装程序,存在难以实现快速配置部署、跨平台性差等不足;被称为“瘦客户端”的B/S架构虽然不需要专门的安装程序,也不存在跨平台的问题,但它相对于C/S架构,由于H TML页面需要动态刷新的特点,其响应速度相对较低,同时缺少诸如VC++,Eclipse等强大的开发工具.在这样的背景下,本文选用了1种新兴的富客户端技术(RIA)开发协同设计框架.RIA的是1种具有高度互动性和丰富用户体验的网络应用技术,相比于传统的C/S和B/S架构,它传承了B/S架构用浏览器作为客户端的易用性和跨平台性,而且在无需刷新页面的前提下,快速响应系统操作[4,5].

1.1.2 协同设计框架的3层架构

协同设计人员之间是1种既相互独立又相互依赖的关系:相互独立是指设计人员独立地设计开发环境,相互依赖是指设计人员在协同设计过程中需要有信息的共享与交流.这种矛盾的关系是协同设计冲突产生的根源[6].图形共享与协同感知技术可以很好地解决这样的矛盾,消除协同设计的冲突.实时地进行沟通交流,是协同设计系统的首要要求.本文应用RIA技术开发的支持Web快速协同的轻量化三维设计框架是1种基于模型-视图-控制器(Model-View-Controller,MVC)的3层架构,如图1所示.

RIA网络应用有成熟的将文件导入到白板的功能,通过服务器来同步处在不同设计开发环境下的客户端,使用户可以在极短的时间内获取相同的白板内容,将其应用到协同设计中即可以使不同的协同设计人员共享到同一图形.然而,仅仅有共享的图形是无法满足协同设计的要求的,协同设计需要处在异地异构环境中的用户可以实现协同感知,即操作的传输和解释.本文应用RIA网络应用通过MVC的3层架构来实现协同感知:如图1所示,视图层提供了1个应用程序的图形界面,即用户桌面,是人-机交互的接口;控制器层负责监听事件和传递一些专门支持图形界面的服务,即操作的感知与响应;模型层包括了应用程序状态的数据组成.客户端的事件委托交互系统支持视图层和控制层之间一般富客户端互联网应用的交互应用,当网络环境中某一客户端视图中新加入了1个事件,如拖曳图纸,使其几何中心从坐标A移至坐标B,全局控制器监听到这个动作,通过约束使本地控制器控制本地视图进行相应图形界面操作的同时,将该操作以XML数据集(包括操作类型、参数等)的形式,通过HTTP协议传递给服务器端,服务器的视图层接收到XML数据集,将其传递给模型层,控制器则根据模型层中的数据组成进行视图选择,并经过视图层将所选择的视图以XML数据集的形式再传递给网络环境中的其他用户,至此,拖拽图纸操作完成,某一个用户操作通过一系列的系统控制与数据传输在不同的用户之间实现了同步.XML数据集的结构如下所示:

图1 基于“模型-视图-控制器”的3层架构的富互联网应用技术Fig.1 Rich internet applications based on the three-tier architecture of model-view-controller

1.2 JT技术——协同共享数据与其轻量化

同步性是本文协同设计框架的基本要求,然而,三维CAD模型作为协同设计的直接载体,其文件容量大,给网络传输带来很大的负担,过大的模型文件给基于Web的协同设计带来很大阻碍,服务器难以在短时间内通过Internet传输并同步如此大的三维CAD模型,大大降低了协同设计的效率.同时,不同企业使用的CAD软件也各不相同,三维CAD模型的数据编码只使用于专业软件,不能开放式地进行交流[7].因此,本文选用了1个统一的轻量化CAD模型文件——JT,应用于协同设计系统.

JT是1种专门为行业协同制定的文档格式,已经成为汽车行业标准的三维可视化格式,并且是航天航空业、重型设备以及其他机械CAD领域中最重要的三维可视化格式.当前国内中小型企业应用最为广泛的CAD软件如PRO-E,UGS都支持保存CAD模型为JT格式,这就使得在动态联盟中不同的盟员企业可以通过JT,很方便地进行协同设计.JT文档采用了NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)近似代替三维模型中复杂的曲线,包含了业界最佳的压缩方法,面信息(三角形)与高级几何压缩技术一起储存,是1个具有CAD特定节点和属性支持的Scenegraph.JT文档在压缩了源三维模型的同时,保证了其几何信息的忠诚度,而三维模型应用于中小型企业的协同设计中,关键的信息参数是几何信息,其他信息,诸如材料、工艺、精度等在协同设计中都是次要的,因此,用作协同设计的CAD并不是必须包含这些信息.由上所述,JT技术是实现了三维模型轻量化的统一数据共享的载体.

JT技术在其本身优越的数据统一与轻量化优点的基础上,具有相当高的Web友好性,支持网页的查看,可以通过插入ActiveX控件到网页中的方式察看JT文件,基于这样的前提,本文以浏览器作为客户端,以JT文件作为协同设计载体,以RIA技术实现图形共享与协同感知,提出了1种全新的支持Web协同的轻量化三维设计框架.系统原理如图2所示.处在异地异构环境下的动态联盟盟员将各自的大容量的三维CAD模型另保存为JT格式,然后将JT文件导入客户端,服务器在短时间内传输与同步该文件,即完成了图形的共享.因为文件的大小得到了很大程度的缩小,服务器同步耗时几乎为零,消除了协同盟员之间在时间上的隔阂.

图2 轻量化三维CAD模型的协同设计原型系统原理图Fig.2 Lightweight 3D CAD model design prototype system supported web collaboration

2 轻量化三维设计的框架

2.1 系统框架

企业间的合作是由客户订单驱动的,从订单生成到订单结束这个期间,不同的企业在网络化制造平台中,组成1个临时的动态联盟(也称为虚拟企业),面向订单进行协同工作.在这个动态联盟中,称联盟的组织企业或者核心企业为盟主,其他企业为盟员.每个企业都有自己的组织结构和优势团队,在动态联盟中发挥自身的优势,高效地独立完成部分零部件的设计开发工作.同时,盟员之间进行设计上的沟通,盟员与客户进行需求上的沟通.本文支持Web协同的轻量化三维设计框架可以很好地解决企业和企业间、企业和客户间实时沟通的需求.本系统框架如图3所示.在网络化制造平台中,客户发布订单需求,不同的企业用户,如轴承供应商、齿轮供应商等通过网络化制造平台与客户进行协商沟通组建动态联盟.在动态联盟组建之后,供应商各自进行设计开发的同时,通过本系统框架进行沟通与协同设计,直至订单完成.

图3 网络化制造平台框架图Fig.3 Framework of networked manufacturing platform

2.2 权限控制

本框架在基于角色的访问控制(Role-Based Access Control,RBAC)基础上,应用RIA技术对用户权限增加了动态约束,使授权机制更加灵活,更好地体现协同设计自由沟通和交流的原则.协同设计角色分为2类:普通用户角色,主持人用户角色.系统赋予不同角色不同程度的权限,普通用户只有进行实时音频、视频和文字交流的权限;主持人角色拥有对CAD模型操作的权限,包括缩放、拖拽、翻转、查看尺寸、查看剖面等;用户权限的动态约束表现在系统权限是可以自由转换的,如图4所示.普通用户同样以XML数据集的形式通过服务器向主持人用户发送权限请求,主持人有接受和拒绝的选择,服务器再将主持人的响应以XML数据集的形式传给发送请求的用户,客户端对XML数据集进行解释.如果请求通过,则双方权限互换,否则保持原有权限.

图4 系统权限转原理图Fig.4 Conversion system privileges

3 应用实例

在1个汽车车身订单中,汽车车身制造企业通过ASP制造平台,获取该信息并通过一系列的谈判和交流与客户签订了产品开发合同.在制造上设计开发过程中,与客户之间需要经常地就车身结构、外观及尺寸进行沟通,在此,在动态联盟中他们分别扮演盟主和客户的角色.盟主和客户分别以用户的身份登陆到网络化制造平台,然后进入到协同设计系统.盟主提前进入到会议室并创建相应的会议室密码,客户以相应的密码进入到该会议室.此时,盟主拥有主持人权限,客户则拥有一般权限,盟主将需要讨论沟通的三维模型从CAD软件(UGS)中导出或转换的JT文件导入到运行在协同设计原型系统的白板中.服务器同步JT文件使处在异地异构环境中的客户共享到该桌面,基于JT文件轻量化的特性,这个同步的过程耗时几乎为零,客户近乎同时看到导入到盟主白板中的CAD模型.此时,拥有主持人权限的盟主用户通过包括缩放,拖拽,翻转,查看尺寸,查看剖面等操作,借助视频、音频或文字与客户进行交流,当客户需要操作权限时,则向盟主申请,此时权限互换.

用户A对三维CAD模型进行剖面查看操作结束后,用户B即可实时地响应用户A的操作,并将相应的三维模型呈现.

4 结论

在分析了我国中小型企业需求的基础上,本文通过对RIA技术、JT技术的研究,提出了支持Web协同的轻量化三维设计框架,具有一定的现实指导意义,为解决中小型企业协同设计的问题提供了很好的解决思路,提升了企业的竞争力.

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