基于HLA框架的协同设计环境及交互管理技术

【摘要】： 复杂产品往往是由分布在不同地点、具有不同领域知识的多个企业或部门共同设计完成。随着多媒体技术、通讯技术和计算机网络技术的出现和快速发展,以及新技术的不断引入,计算机支持的协同设计从根本上改变了传统单机作业的产品开发方式,发展为支持群组中人人交互、共同决策的协同设计环境,成为复杂产品开发和进行创新设计的重要技术手段。协同设计加强了企业内部和企业间的交流与合作,充分发挥了群组优势,提高产品开发效率,降低产品开发成本,增强了企业的竞争能力。 国内外有关协同设计的研究和应用主要集中在协同设计的体系结构、交互方式和管理技术等方面。但是当前协同设计系统的两类协作框架及其技术路线均存在不足,以NetMeeting为代表的应用共享系统,虽然复用了单用户CAD系统的图形处理功能,兼容了现有CAD系统的数据格式,但只能提供发言权协作模式,仅支持界面协作,协同性比较差；以分布式交互环境建立的CSCD原型系统以及协同图形编辑系统,虽然强调了协作性能,但在图形处理能力、数据的兼容性、开放性等方面与现有的CAD系统相比还有明显差距,应用性比较弱。因此,有必要结合CAD系统,在现有的分布式交互仿真软件体系规范的基础上,进一步完善协同设计系统构建方法,建立一个标准的、开放性的协同设计平台。 本文针对传统CSCD系统中的两类基本协同设计框架及其技术路线的不足,通过分析复杂产品在实时协同设计中面临的问题和高层体系结构(HLA)在工程协同设计领域的应用,提出了一种基于HLA的实时协同设计系统体系框架,定义了三类具有不同权限和职能的联邦成员：设计邦员、管理邦员和监测邦员。在此框架的基础上,为了实现协同设计中的数据一致性、互操作性和并发控制,对协同设计管理中的若干关键技术进行了深入研究,提出了一些新的技术思路和方法。在基于HLA通用技术框架的基础上,通过集成现有的CAD系统,将传统人-机交互CAD系统转变为具有人-人交互功能的CAD图形协同编辑原型系统。 论文的主要内容如下： (1)研究了基于高层体系结构的协同设计系统框架的构建方法及联邦成员的组织结构和实现流程。 研究和分析HLA在军事和工程领域中的应用,总结了使用HLA进行分布式交互仿真的建模方法。在理论研究方面,重点剖析高层体系结构的规范和特点,基于通用设计理论中的域映射原理和联邦开发与执行模型(Federation Development and Execute Process Model, FEDEP)的联邦建模方法,从软件工程角度考虑,利用UML面向对象的建模方法和广泛的系统描述能力,提出了一种基于HLA的复杂产品协同设计系统体系结构的构建方法,研究了协同设计系统中联邦成员的基本组织结构和实现流程,为协同设计环境的构建提供了一种通用的思路和方法。 (2)研究了基于HLA的协同设计系统的体系结构及邦员间的互操作机制。 通过分析三大分布式组件技术在构建协同设计系统时存在的不足,针对协同设计的特点,出于互操作性和可重用性等因素的考虑,采用HLA作为系统设计的通用技术框架,构建一种基于HLA的联邦式实时协同设计环境CoFedCADEnv_HLA,并分别从逻辑结构和功能结构两个方面对协同设计系统的体系结构进行描述。 逻辑结构方面,采用了多平台、分领域的组件技术建立了分布式协同设计环境。描述了基于HLA的复杂产品协同设计系统框架由复杂产品设计平台、协同控制平台和验证／优化平台三种功能平台组成,给出了面向协同设计的复杂产品数据模型,提出了复杂产品的数据模型由更新数据、结构数据、管理数据和功能数据四个模块组成。通过分析模型中四个数据模块间的信息关系,描述了每种平台的功能及组成。 功能结构方面,提出了用邦员功能模块化的方法构建了协同设计系统的体系结构,将当前CSCD系统在协作性能方面的优点同传统CAD系统在图形处理方面的优势有机地结合起来,构造了一个具有高度柔性、开放性、便于系统自治和管理的协作框架。 在以联邦成员(Federate)为核心的协同设计环境中,给出了工程协同设计领域中联邦和联邦成员的基本作用,并在各功能平台中分别定义了具有不同权限和职能的联邦成员：设计邦员、管理邦员和监测邦员,构建了每类邦员具体的逻辑结构,介绍了联邦成员功能模块间的逻辑关系和构成联邦成员每一模块的具体功能,研究了邦员间实现互操作的机制和方法。 (3)基于HLA中的保守时间管理策略,提出了应用于CoFedCADEnv HLA的基于邦员的时间推进管理模型TimeAdvMod_Fed。 分析了协同设计过程中由于并发操作可能产生的一些数据不一致性问题,以及解决这些问题的方法,详细总结了并发控制的设计准则,说明了协同设计环境中采用时间管理的必要性。将HLA中的时间管理理论引入协同设计过程中并发控制的算法建模中,提出了一种应用于基于HLA的协同设计环境的时间管理策略。系统中采用一种保守的时间推进机制,通过分析每种平台中邦员的职能,设置其相应的时间管理机制和时间推进方式,给出了由管理邦员和设计邦员协同推进系统逻辑时间的实现过程,保证邦员接收事件的时序性和收发数据的一致性,避免了并发操作冲突的发生。 (4)建立了基于邦员访问控制的角色管理模型RoleCtrlMod_Fed和发言权控制的仲裁算法模型FloorCtrlMod_DFed,实现了发言权控制下的一致性维护。 由于设计邦员加入到协同设计系统的项目组中时,已经确定了其拥有设计权限的产品对象,因此为了实现设计邦员间的协同工作,详细研究了协同设计过程中设计邦员产品对象设计权限转换的规则和方法。 系统地分析了协同设计过程中联邦成员角色应具有的特点,提出了基于邦员访问控制的角色管理模型RoleCtrlMod_Fed,分析总结了邦员角色对应的项目权限,提出了利用定义的五元组实现基于邦员角色的访问控制技术。 探讨了产品对象的实例属性与设计邦员的所有权关系,基于HLA所有权管理服务,提出了一种具有抢占模式和放弃模式的发言权控制机制,并利用数据分发管理服务完成固定项目组内设计邦员订购与发布数据的收发。通过分析总结邦员角色对应的项目权限和发言权控制模式,提出了一种发言权控制的仲裁算法模型FloorCtrlMod_DFed,实现设计邦员发言权控制的一致性维护。 (5)提出了用于设计邦员动态注册(加入或退出)的控制管理模型DynRegMod_DFed,维护了设计邦员动态注册后的初始数据一致性。 探讨了协同设计过程中冲突协调的方法,提出了一种基于设计邦员的实时通信协议和操作锁定机制。通过计算与分析事件逻辑计数器位于不同位置时,记录事件所需要的交互次数,得出了一种在设计邦员的临界区设置事件逻辑计数器记录设计邦员内外部事件队列中事件的有效方法,解决了设计邦员内、外部队列中事件即时记录的问题。 进行了设计邦员动态注册的可行性分析,研究了设计邦员动态加入或退出项目组的可行性方法和过程,提出了利用邦员的时间推进模型TimeAdvMod_Fed和事件逻辑计数器原理完成设计邦员动态注册的控制管理模型DynRegMod_DFed,维护设计邦员动态注册后初始数据的一致性。 以船舶总体设计为例,给出了基于HLA的协同设计原型系统的应用方案,以及设计邦员操作事件接口的程序实现和运行实例。 综上所述,本文针对企业中船舶舾装设计的实际特点,围绕协同设计系统的基本框架、协同智能设计、交互管理技术等关键问题展开了理论和应用方面的研究,提出了基于邦员的协同设计系统体系结构的构建方法,构建了一种基于HLA的联邦式实时协同设计环境CoFedCADEnv_HLA,根据协同设计系统框架的特点定义了三类具有不同职能的联邦成员。在CoFedCADEnv_HLA基础上,对协同设计交互管理中的一些关键技术进行了研究。利用基于邦员的时间推进模型TimeAdvMod_Fedb保证了设计邦员操作事件的序列化,避免了并发操作冲突；利用基于邦员访问控制的角色管理模型RoleCtrlMod_Fed和发言权控制的仲裁算法模型FloorCtrlMod_DFed,实现协同设计过程中设计邦员间的产品对象发言权的转换；利用设计邦员动态注册(加入或退出)的控制管理模型DynRegMod_DFed,实现了设计过程中设计邦员的即插即用。