网络化协同系统分析与设计

薛永献，王宏伟，李晓昕

（1.驻马店职业技术学院 河南 驻马店 463000；2.郑州市信息技术学校 河南 郑州 450000）

协同设计系统[1]是希望借助协同合作的方式，设计出更符合消费者需求的产品，降低产品开发成本、缩短研发周期、提高企业竞争力。传统的协同设计，由于受地理位置限制，当参与协同设计的人员分别在不同地点时，就不易进行意见沟通与信息交换。随着网络的普及，信息交换与传递的方式有了很大改变，而Internet的广泛应用，进一步改变了使用者接口与协同设计产品的方式。

设计协同主要在于提供一个整合设计的环境，目的是提供一个跨平台的设计接口，以网络化的协同设计模式减少整体的设计成本。基于网络的协同设计系统可以让涉及产品发展过程中的所有相关人员，包括设计者、制造者、供货商、行销人员等，都可以同时参与产品的开发，并相互沟通讨论，而不受地理位置的限制，即使身处不同地点的相关人员，也可以经通过互联网同时进行产品的设计与修改。

1 协同设计模型

Kvan等[2]提出紧密耦合（close coupled）和疏松耦合（loosely coupled）两种协同设计模型，紧密耦合模型指的是在设计过程中，多人同时针对某一项工作讨论设计，成员彼此能实时了解对方的想法，这种方式由于不知道工作到底是由谁完成，因此不能做效果评估；疏松耦合式模型则比较接近真实的情况，每个人根据其专业领域，参与应该负责的部分，设计过程就是一个工作流程，采用这种方式，设计人员不必在同一时间同一地点进行协同设计。

紧密耦合协同设计模型其重点在于同时让多人进行在线设计工作，因此使用的技术除了要能在线显示设计内容外，还需要多项辅助信息沟通接口，如视频会议、语音传输、白板等或多媒体沟通接口辅助途径[3]。而疏松耦合协同设计模型为工作流程式协同设计，可以将设计工作依执行顺序规划为顺序流程模式，主要重点在于流程执行控制与管理校核机制，使用者只需依序完成任务内容即可。

在近几年的发展中，协同产品设计能力的演变有两个主要的趋势：一方面厂商不断强化整套协同设计解决方案的能力，或结合具有互补功能的系统，使得协同产品设计系统的功能涵盖面更广，这反而使得系统更为复杂、庞大，而且开发成本更高；另一方面学者不断进行各种不同平台下协同设计技术能力的研究，希望能提升协同设计的效率与能力，而却往往忽略了系统的通用性及实用性。

通过对国内外目前主要的协同设计系统综合分析可以看出：

1）系统的运行模型多偏向紧密耦合协同设计模型，针对疏松耦合模型而设计的并不多；

2）目前Unix/Linux平台应用日渐普遍，而在协同设计系统的跨平台特性，尚有加强的空间；

3）系统为扩展其应用面，模块的规模都很大，因此不易切割成小模块单独使用，开发和使用该系统需要花费较多的时间与较高的成本；

4）除了PTC Windchill解决方案有自建CAD系统外，系统设计上多是结合多种类的CAD系统，以提供协同设计沟通与管理平台为主要设计方向，因此强调的重点在于协同设计沟通接口的建立与整合；

5）针对中小型协同设计环境制作的系统不多，厂商购置系统成本过高，难以达到普及与提升产业营运效率的目标；

综上，设计开发一个跨平台、系统模块小、成本低、疏松耦合类型、适合中小型企业运行环境的协同设计系统成了亟待解决的重要问题。

2 协同设计系统方案

2.1 系统设计概念框架

对于组态式的疏松耦合协同设计模型而言，主要考虑的重点有3个部分：

1）组态式产品的资料定义模型。

2）疏松耦合协同设计流程运行机制的设计。

3）协同设计参与者的角色与权限管理。

这3个层面（产品定义、流程机制与权限管理）的整合与通用性框架的设计，是评估一个协同设计系统的重要参考。

因此，本文定义了组织行为模型（organizational model）、协同产品数据模型（product data model）、协同设计流程模型（process model）等三模型的系统框架，如图1所示。组织行为者模型主要是定义使用者角色与权限，用以界定使用者与可执行模块的关系；协同产品定义模型主要是定义产品的结构方法与验证条件，包含两个主要的部分：动态产品定义模型与配置管理机制；协同设计流程模型主要是定义协同设计工作流程的架构与案例的执行、监控，包含3个主要的部分：设计流程定义机制、设计流程运行机制与设计流程监控机制。各部分的运行机制将在后续文中详细说明。

图1 协同设计概念性架构Fig.1 Framework of collaborative design

文中设计的系统从概念性框架中，规划出包括帐户基本数据管理、帐户与权限管理、产品配置管理、协同设计流程设计、协同设计流程监管、执行协同设计等六项主要功能模块。

2.2 系统运行平台

图2为系统运行平台环境，本系统采用客户端、伺服端、资料端三层式架构，这是在综合考虑系统负荷平衡、系统效能与资料安全性等因素下，最常用的设计。

图2 三层式系统运作平台Fig.2 Operation platform of three layer system

2.2.1 客户端

通常客户端与伺服端的类型可以分为两种[4]：强客户端（thick client）与弱伺服端（thin server）、弱客户端（thin client）与强伺服端（thick server）。文中在客户端与伺服端主要交易的内容为产品资料与使用者需求，并不需要很大的网络带宽和快的传输速度。因此，在考虑伺服端的易维护性与降低设备的维护成本，且目前网络传输速度不断增加下，采用弱客户端与强伺服端框架。在客户端只要使用一般操作系统内置的浏览器接口，就可正常运行。

2.2.2 伺服端

伺服端的运行方法主要有两种型式[5]：复制模型与集中模型。复制模型是依客户端需求将设计资料复制至客户端执行，修改后，再回传更新伺服端数据。这种运行模型主要用于长距离协同设计，却会造成资料一致性的重大问题。而集中模型是运算集中于伺服端，特点是可维持数据的整合性。本文采用集中模型建构伺服端，主要是提供客户端的交易内容及存取资料端的设计资料。

2.2.3 资料端

采用具有跨平台能力的Oracle关系数据库，与伺服端以ODBC、JDBC与Socket联机，让外部的应用程序可以通过这些机制存取数据库的数据，数据库储存的内容包含所有协同设计数据、产品配置、使用者权限数据等。对客户端而言，并不知道数据端服务器的位置，这可增加系统的安全性。

2.3 组织行为模型

组织行为模型定义了使用者帐户与权限的管理，以及使用者登入权限的验证[6]。帐户与权限管理主要是依使用者任务性质，赋予不同的权限资格，以限制其可使用的模块；使用者登入权限的验证则只是用以确定使用者可执行模块接口的项目。本系统的组织行为者角色，主要包含有系统管理者、规则库维护者、工作流程设计者、工作流程监督者、工作流程执行者等五种。各依角色不同，赋予不同权限，其角色、权限、执行功能对照。

3 结 论

本文分析并设计了基于网络的疏松耦合式协同设计系统基本框架，针对协同设计平台的开发，建立的模块化、基于网络的协同设计系统的通用模型，能够改善企业与企业间在线协同产品开发的困难局面，增强产品协同研发效率。

[1]Liu Y，Shi Y，Xu G.Supporting group awareness in collaborative design[C]//The Sixth International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design，2001：36-40.

[2]Kvan T.Collaborative design：what is it？ [J].Automation in Construction，2000（9）：409-415.

[3]Wang L，Shen W，Xie H， et al.Collaborative conceptual design-state of the art and future trends[J].Computer-Aided Design，2002（34）：981-996.

[4]Shyamsundar N，Gadh R.Collaborative virtual prototyping of product assemblies over the internet[J].Computer-Aided Design，2002（34）：755-768.

[5]Zhou J，Lin G.Implementation of collaborative design environment based on single user CAD systems[C]//Third International Conference on Knowledge-Based Intelligent Information Engineering Systems，1999.

[6]李剑，沈连婠，刘衡，等.基于网络的多用户协同设计CAD系统[J].新技术新工艺，2011（10）：39-41.

LI Jian，SHEN Lian-guan，LIU Heng，et al.A Web-based Collaborative CAD system for multiple user design[J].New Technology&New Process，2011（10）：39-41.