基于HLA框架的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境及交互管理技術(shù).pdf

1、復(fù)雜產(chǎn)品往往是由分布在不同地點(diǎn)、具有不同領(lǐng)域知識(shí)的多個(gè)企業(yè)或部門共同設(shè)計(jì)完成。隨著多媒體技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展,以及新技術(shù)的不斷引入,計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同設(shè)計(jì)從根本上改變了傳統(tǒng)單機(jī)作業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)方式,發(fā)展為支持群組中人人交互、共同決策的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境,成為復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)和進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段。協(xié)同設(shè)計(jì)加強(qiáng)了企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)間的交流與合作,充分發(fā)揮了群組優(yōu)勢(shì),提高產(chǎn)品開發(fā)效率,降低產(chǎn)品開發(fā)成本,增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。<

2、br>　　 國(guó)內(nèi)外有關(guān)協(xié)同設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用主要集中在協(xié)同設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)、交互方式和管理技術(shù)等方面。但是當(dāng)前協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的兩類協(xié)作框架及其技術(shù)路線均存在不足,以NetMeeting為代表的應(yīng)用共享系統(tǒng),雖然復(fù)用了單用戶CAD系統(tǒng)的圖形處理功能,兼容了現(xiàn)有CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式,但只能提供發(fā)言權(quán)協(xié)作模式,僅支持界面協(xié)作,協(xié)同性比較差；以分布式交互環(huán)境建立的CSCD原型系統(tǒng)以及協(xié)同圖形編輯系統(tǒng),雖然強(qiáng)調(diào)了協(xié)作性能,但在圖形處理能力、數(shù)據(jù)的兼容

3、性、開放性等方面與現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)相比還有明顯差距,應(yīng)用性比較弱。因此,有必要結(jié)合CAD系統(tǒng),在現(xiàn)有的分布式交互仿真軟件體系規(guī)范的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建方法,建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、開放性的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。
　　 本文針對(duì)傳統(tǒng)CSCD系統(tǒng)中的兩類基本協(xié)同設(shè)計(jì)框架及其技術(shù)路線的不足,通過分析復(fù)雜產(chǎn)品在實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)中面臨的問題和高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)在工程協(xié)同設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用,提出了一種基于HLA的實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)體系框架,定義了三

4、類具有不同權(quán)限和職能的聯(lián)邦成員:設(shè)計(jì)邦員、管理邦員和監(jiān)測(cè)邦員。在此框架的基礎(chǔ)上,為了實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)一致性、互操作性和并發(fā)控制,對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)管理中的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究,提出了一些新的技術(shù)思路和方法。在基于HLA通用技術(shù)框架的基礎(chǔ)上,通過集成現(xiàn)有的CAD系統(tǒng),將傳統(tǒng)人-機(jī)交互CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥?人交互功能的CAD圖形協(xié)同編輯原型系統(tǒng)。
　　 論文的主要內(nèi)容如下:
　　 (1)研究了基于高層體系結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)系

5、統(tǒng)框架的構(gòu)建方法及聯(lián)邦成員的組織結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)流程。
　　 研究和分析HLA在軍事和工程領(lǐng)域中的應(yīng)用,總結(jié)了使用HLA進(jìn)行分布式交互仿真的建模方法。在理論研究方面,重點(diǎn)剖析高層體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范和特點(diǎn),基于通用設(shè)計(jì)理論中的域映射原理和聯(lián)邦開發(fā)與執(zhí)行模型(Federation Developmentand Execute Process Model,FEDEP)的聯(lián)邦建模方法,從軟件工程角度考慮,利用UML,面向?qū)ο蟮慕７椒ê蛷V泛的系統(tǒng)

6、描述能力,提出了一種基于HLA的復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法,研究了協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)中聯(lián)邦成員的基本組織結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)流程,為協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境的構(gòu)建提供了一種通用的思路和方法。
　　 (2)研究了基于HLA的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及邦員間的互操作機(jī)制。
　　 通過分析三大分布式組件技術(shù)在構(gòu)建協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)存在的不足,針對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn),出于互操作性和可重用性等因素的考慮,采用HLA作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用技術(shù)框架,構(gòu)建一種基于H

7、LA的聯(lián)邦式實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境CoFedCADEnv_HLA,并分別從邏輯結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。
　　 邏輯結(jié)構(gòu)方面,采用了多平臺(tái)、分領(lǐng)域的組件技術(shù)建立了分布式協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境。描述了基于HLA的復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架由復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)、協(xié)同控制平臺(tái)和驗(yàn)證/優(yōu)化平臺(tái)三種功能平臺(tái)組成,給出了面向協(xié)同設(shè)計(jì)的復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型,提出了復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型由更新數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和功能數(shù)據(jù)四個(gè)模塊組成。通

8、過分析模型中四個(gè)數(shù)據(jù)模塊間的信息關(guān)系,描述了每種平臺(tái)的功能及組成。
　　 功能結(jié)構(gòu)方面,提出了用邦員功能模塊化的方法構(gòu)建了協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),將當(dāng)前CSCD系統(tǒng)在協(xié)作性能方面的優(yōu)點(diǎn)同傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)在圖形處理方面的優(yōu)勢(shì)有機(jī)地結(jié)合起來,構(gòu)造了一個(gè)具有高度柔性、開放性、便于系統(tǒng)自治和管理的協(xié)作框架。
　　 在以聯(lián)邦成員(Federate)為核心的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中,給出了工程協(xié)同設(shè)計(jì)領(lǐng)域中聯(lián)邦和聯(lián)邦成員的基本作用,并在各功能平

9、臺(tái)中分別定義了具有不同權(quán)限和職能的聯(lián)邦成員:設(shè)計(jì)邦員、管理邦員和監(jiān)測(cè)邦員,構(gòu)建了每類邦員具體的邏輯結(jié)構(gòu),介紹了聯(lián)邦成員功能模塊間的邏輯關(guān)系和構(gòu)成聯(lián)邦成員每一模塊的具體功能,研究了邦員間實(shí)現(xiàn)互操作的機(jī)制和方法。
　　 (3)基于HLA中的保守時(shí)間管理策略,提出了應(yīng)用于CoFedCADEnv_HLA的基于邦員的時(shí)間推進(jìn)管理模型TimeAdvMod Fed。
　　 分析了協(xié)同設(shè)計(jì)過程中由于并發(fā)操作可能產(chǎn)生的一些數(shù)據(jù)不一致性問題

10、,以及解決這些問題的方法,詳細(xì)總結(jié)了并發(fā)控制的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,說明了協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中采用時(shí)間管理的必要性。將HLA中的時(shí)間管理理論引入?yún)f(xié)同設(shè)計(jì)過程中并發(fā)控制的算法建模中,提出了一種應(yīng)用于基于HLA的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境的時(shí)間管理策略。系統(tǒng)中采用一種保守的時(shí)間推進(jìn)機(jī)制,通過分析每種平臺(tái)中邦員的職能,設(shè)置其相應(yīng)的時(shí)間管理機(jī)制和時(shí)間推進(jìn)方式,給出了由管理邦員和設(shè)計(jì)邦員協(xié)同推進(jìn)系統(tǒng)邏輯時(shí)間的實(shí)現(xiàn)過程,保證邦員接收事件的時(shí)序性和收發(fā)數(shù)據(jù)的一致性,避免了并發(fā)操作沖

11、突的發(fā)生。
　　 (4)建立了基于邦員訪問控制的角色管理模型RoleCtrlMod_Fed和發(fā)言權(quán)控制的仲裁算法模型FloorCtrlMod_DFed,實(shí)現(xiàn)了發(fā)言權(quán)控制下的一致性維護(hù)。
　　 由于設(shè)計(jì)邦員加入到協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的項(xiàng)目組中時(shí),已經(jīng)確定了其擁有設(shè)計(jì)權(quán)限的產(chǎn)品對(duì)象,因此為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)邦員間的協(xié)同工作,詳細(xì)研究了協(xié)同設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)邦員產(chǎn)品對(duì)象設(shè)計(jì)權(quán)限轉(zhuǎn)換的規(guī)則和方法。
　　 系統(tǒng)地分析了協(xié)同設(shè)計(jì)過程中聯(lián)邦成員角

12、色應(yīng)具有的特點(diǎn),提出了基于邦員訪問控制的角色管理模型RoleCtrlMod_Fed,分析總結(jié)了邦員角色對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目權(quán)限,提出了利用定義的五元組實(shí)現(xiàn)基于邦員角色的訪問控制技術(shù)。
　　 探討了產(chǎn)品對(duì)象的實(shí)例屬性與設(shè)計(jì)邦員的所有權(quán)關(guān)系,基于HLA所有權(quán)管理服務(wù),提出了一種具有搶占模式和放棄模式的發(fā)言權(quán)控制機(jī)制,并利用數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務(wù)完成固定項(xiàng)目組內(nèi)設(shè)計(jì)邦員訂購與發(fā)布數(shù)據(jù)的收發(fā)。通過分析總結(jié)邦員角色對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目權(quán)限和發(fā)言權(quán)控制模式,提出了一

13、種發(fā)言權(quán)控制的仲裁算法模型FloorCtrlMod_DFed,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)邦員發(fā)言權(quán)控制的一致性維護(hù)。
　　 (5)提出了用于設(shè)計(jì)邦員動(dòng)態(tài)注冊(cè)(加入或退出)的控制管理模型DynRegMod_DFed,維護(hù)了設(shè)計(jì)邦員動(dòng)態(tài)注冊(cè)后的初始數(shù)據(jù)一致性。
　　 探討了協(xié)同設(shè)計(jì)過程中沖突協(xié)調(diào)的方法,提出了一種基于設(shè)計(jì)邦員的實(shí)時(shí)通信協(xié)議和操作鎖定機(jī)制。通過計(jì)算與分析事件邏輯計(jì)數(shù)器位于不同位置時(shí),記錄事件所需要的交互次數(shù),得出了一種在設(shè)計(jì)邦員

14、的臨界區(qū)設(shè)置事件邏輯計(jì)數(shù)器記錄設(shè)計(jì)邦員內(nèi)外部事件隊(duì)列中事件的有效方法,解決了設(shè)計(jì)邦員內(nèi)、外部隊(duì)列中事件即時(shí)記錄的問題。
　　 進(jìn)行了設(shè)計(jì)邦員動(dòng)態(tài)注冊(cè)的可行性分析,研究了設(shè)計(jì)邦員動(dòng)態(tài)加入或退出項(xiàng)目組的可行性方法和過程,提出了利用邦員的時(shí)間推進(jìn)模型TimeAdvMod_Fed和事件邏輯計(jì)數(shù)器原理完成設(shè)計(jì)邦員動(dòng)態(tài)注冊(cè)的控制管理模型DynRegMod_DFed,維護(hù)設(shè)計(jì)邦員動(dòng)態(tài)注冊(cè)后初始數(shù)據(jù)的一致性。
　　 以船舶總體設(shè)計(jì)為例,

15、給出了基于HLA的協(xié)同設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)的應(yīng)用方案,以及設(shè)計(jì)邦員操作事件接口的程序?qū)崿F(xiàn)和運(yùn)行實(shí)例。
　　 綜上所述,本文針對(duì)企業(yè)中船舶舾裝設(shè)計(jì)的實(shí)際特點(diǎn),圍繞協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本框架、協(xié)同智能設(shè)計(jì)、交互管理技術(shù)等關(guān)鍵問題展開了理論和應(yīng)用方面的研究,提出了基于邦員的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法,構(gòu)建了一種基于HLA的聯(lián)邦式實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境CoFedCADEnv_HLA,根據(jù)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架的特點(diǎn)定義了三類具有不同職能的聯(lián)邦成員。在CoF

16、edCADEnv_HLA基礎(chǔ)上,對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)交互管理中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。利用基于邦員的時(shí)間推進(jìn)模型TimeAdvMod_Fedb保證了設(shè)計(jì)邦員操作事件的序列化,避免了并發(fā)操作沖突:利用基于邦員訪問控制的角色管理模型RoleCtrlMod_Fed和發(fā)言權(quán)控制的仲裁算法模型FloorCtrlMod_DFed,實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)邦員間的產(chǎn)品對(duì)象發(fā)言權(quán)的轉(zhuǎn)換；利用設(shè)計(jì)邦員動(dòng)態(tài)注冊(cè)(加入或退出)的控制管理模型DynRegMod_DFed