于加晴，查建中，陸一平，徐文勝，李楠，M. Sobolewski

(1. 北京交通大學(xué) 機械與電子控制工程學(xué)院，北京，100044；2. Computer Science SORCER Lab, Texas Tech University, Lubbock, Texas 79409, USA)

復(fù)雜產(chǎn)品的概念于20世紀(jì)90年代中期提出，是指客戶需求復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、產(chǎn)品組成復(fù)雜、制造過程復(fù)雜和項目管理復(fù)雜的一類產(chǎn)品[1]。對于生命周期長或者復(fù)雜的產(chǎn)品，通常新產(chǎn)品的設(shè)計過程相當(dāng)復(fù)雜，包括若干子設(shè)計過程，需要多種學(xué)科的技術(shù)支持，系統(tǒng)之間的集成更重要。過去傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計理念已不能適用于現(xiàn)代復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計，并行設(shè)計、協(xié)同設(shè)計、多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化等設(shè)計方法相繼出現(xiàn)。以計算機集成制造系統(tǒng)信息集成技術(shù)為基礎(chǔ)，美國國防分析研究院(IDA)于1988年提出了并行工程(Concurrent engineering, CE)，在企業(yè)這一層次上解決了制造業(yè)中如CNC，F(xiàn)MS，CAD/CAPP/CAM，MRPII和PDM 等“自動化孤島”中的信息集成問題。隨著經(jīng)濟全球化不斷發(fā)展，跨行業(yè)、跨區(qū)域、跨國家的聯(lián)邦型虛擬公司快速發(fā)展，公司環(huán)境正經(jīng)歷著一場前所未有的變革，生命周期長或者復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)等任務(wù)則不得不由分布在不同地點的產(chǎn)品設(shè)計工程師、開發(fā)工程師，聯(lián)合其他相關(guān)工程師協(xié)同完成，分布式協(xié)同設(shè)計技術(shù)由此產(chǎn)生。斯坦福大學(xué)設(shè)計研究中心的Cutkosky等是分布式協(xié)同設(shè)計領(lǐng)域的主要開拓者[2]。Xiong等[3]提出了一個基于Web3D技術(shù)的分布式協(xié)同產(chǎn)品訂購系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的二維和三維產(chǎn)品的可視化信息，為虛擬環(huán)境下的顧客提供分布式的協(xié)同產(chǎn)品訂購；胡潔等[4]研究了基于系統(tǒng)論的并行協(xié)同設(shè)計方法，提出了約束網(wǎng)絡(luò)的并行協(xié)同模型的表示方法和一致性檢驗算法以確定參數(shù)的區(qū)間；伍恒等[5]介紹了一個軟件分布式協(xié)同開發(fā)環(huán)境(SDCEE)的分布并行處理技術(shù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和分布并行開發(fā)模型；Wang等[6]研究了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的并行設(shè)計智能系統(tǒng)；武建偉等[7]提出適合分布式協(xié)同設(shè)計的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型以及基于 Web的開放式產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)體系結(jié)構(gòu)；美國 NIST研究所從 1999年進行了產(chǎn)品智能開發(fā)環(huán)境(FIPER)的研究，該協(xié)同工作環(huán)境是一個以SOA為基礎(chǔ)架構(gòu)的網(wǎng)格支持平臺，它以各種設(shè)計資源為服務(wù)提供者,為復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計提供網(wǎng)格支持環(huán)境。美國GE公司成功應(yīng)用了FIPER進行了美國關(guān)鍵武器裝備的開發(fā)。在FIPER基礎(chǔ)之上，Kolonay等[8-9]進一步開發(fā)了 SORCER(Service-oriented computing environment)，并在現(xiàn)有SORCER的基礎(chǔ)之上進行改進、完善和工程應(yīng)用，以開發(fā)分布式智力資源環(huán)境中并行協(xié)同設(shè)計平臺。本文作者基于 SORCER提出了面向復(fù)雜產(chǎn)品的分布式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，并結(jié)合鐵路轉(zhuǎn)向架，將該設(shè)計系統(tǒng)運用于SORCER環(huán)境之中，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架從建立模型、網(wǎng)格劃分、靜力分析、到人工專家服務(wù)的自動化或半自動化的分布式協(xié)同設(shè)計。

1 面向復(fù)雜產(chǎn)品的分布式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)

1.1 SOA的進展

SOA早在1996年就被提出。從本質(zhì)上說，SOA是一種用于構(gòu)建分布式系統(tǒng)的面向接口的軟件構(gòu)架。在SOA環(huán)境中，顧客被稱為服務(wù)請求者，服務(wù)器被稱為服務(wù)提供者。根據(jù)服務(wù)提供者和服務(wù)請求者之間的通信協(xié)議是否可以變化，可將SOA分為2類：SPOA(Service protocol oriented architectures)和 SOOA(Service object oriented architectures)[10]。SPOA中，通信協(xié)議(如web services中的SOAP協(xié)議或CORBA中的IIOP協(xié)議)是固定的，并被服務(wù)提供者和服務(wù)請求者事先得知。因為這種協(xié)議滿足 IDL編譯器，所以SPOA能獨立于編程語言和處理器。根據(jù)分布式計算的八大謬論，分布式計算系統(tǒng)面臨著如何應(yīng)對部分失效和并行性，以及在本地和遠程分布式實體間的網(wǎng)絡(luò)延遲等問題，web services中的SOAP協(xié)議或CORBA中的 IIOP協(xié)議已經(jīng)不能使分布式計算系統(tǒng)變得更加快捷。SOOA中，服務(wù)提供者、服務(wù)請求者和服務(wù)注冊庫是網(wǎng)絡(luò)對象，它們之間可利用任何協(xié)議進行通信。服務(wù)提供者首先產(chǎn)生1個服務(wù)接口的代理對象，并在服務(wù)注冊庫中對其進行注冊，然后，將代理對象存儲到代碼服務(wù)器中。服務(wù)請求者詢問服務(wù)注冊庫以獲取代理對象，服務(wù)請求者通過查找服務(wù)可在服務(wù)注冊庫中找到并下載代理對象，然后，利用它完成對服務(wù)提供者的操作。SOOA構(gòu)架如圖1所示。SOOA具有協(xié)同定位中立、服務(wù)執(zhí)行中立和通信協(xié)議中立3大特點。

圖1 SOOA概述Fig.1 Overview of SOOA

在面向服務(wù)的架構(gòu)中，計算軟件服務(wù)之間一般通過RPC(Remote procedural call)實現(xiàn)相互調(diào)用。RPC是構(gòu)建分布式應(yīng)用的基本調(diào)用方法之一，目前，有各種基于 RPC技術(shù)的商業(yè)化并行支撐平臺和大量的尚處于研究階段的原型系統(tǒng)，如Sun RPC和DCE RPC，CORBA和Microsoft DCOM-ORPC以及Java RMI等。但這些已有的系統(tǒng)或平臺基于客戶機/服務(wù)器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或SPOA基礎(chǔ)架構(gòu)，它們在當(dāng)前動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，缺乏可靠性、穩(wěn)定性和柔性。

Sobolewski[11]開發(fā)的SORCER是一個聯(lián)盟型S2S元計算環(huán)境，它是基于SOOA的一個成功應(yīng)用和創(chuàng)新。在SORCER中，不僅服務(wù)提供者的位置是動態(tài)的，通信協(xié)議是中立的，而且服務(wù)注冊庫的位置也是動態(tài)的，SORCER中的服務(wù)還能根據(jù)服務(wù)請求者的需求動態(tài)地結(jié)成聯(lián)盟以完成面向服務(wù)的編程。SORCER的基礎(chǔ)設(shè)施是基于Jini租約、分布式事件、事務(wù)和發(fā)現(xiàn)/加入?yún)f(xié)議的編程模式，其核心結(jié)構(gòu)見文獻[11]。Jini關(guān)注網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的服務(wù)管理，SORCER則關(guān)注面向服務(wù)的編程和執(zhí)行環(huán)境[12]。

1.2 分布式并行協(xié)同設(shè)計

在產(chǎn)品設(shè)計階段，不僅需要并行地考慮時間維的先后設(shè)計過程(面向裝配、制造等)，還需要協(xié)同地考慮空間維的不同設(shè)計小組的協(xié)作，以及知識維的分布式智力資源環(huán)境?？梢?，產(chǎn)品設(shè)計過程是一個基于分布式智力資源環(huán)境的整體的三維并行協(xié)同過程，即分布式并行協(xié)同設(shè)計。分布式并行協(xié)同設(shè)計思想如圖 2所示，DCCD是一種三維的設(shè)計理念。

(1)空間維：一個開發(fā)團隊之間在空間上應(yīng)該進行相互協(xié)作的設(shè)計活動，設(shè)計的領(lǐng)域包括工程領(lǐng)域和其他相關(guān)領(lǐng)域。

(2)時間維：一項設(shè)計任務(wù)在時間上應(yīng)該并行地進行。如在面向制造的設(shè)計進程中，零件和特征之間同時進行著分解和合成；在面向裝配的設(shè)計進程中，零件和產(chǎn)品之間也同時進行著分解和合成。

(3)知識維：現(xiàn)代設(shè)計是以知識為基礎(chǔ)，以知識獲取為中心，設(shè)計是知識的物化，新設(shè)計主要是依賴外部的智力資源和內(nèi)部的知識儲備[13]。我國存在一批可以支持產(chǎn)品開發(fā)中設(shè)計知識獲取的資源或潛在的資源。這些資源大多存在于科研院所、大專院校、國家和部門的重點實驗室或開放實驗室、工程研究中心等機構(gòu)中。

1.3 面向復(fù)雜產(chǎn)品的分布式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)

面向復(fù)雜產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)該具備以下特性：能為多個合作公司或公司內(nèi)部部門之間提供面向復(fù)雜產(chǎn)品的分布式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)環(huán)境；服務(wù)代理對象和封裝源代碼可以是任何編程語言，并能被該系統(tǒng)所編譯、調(diào)用和配置；能提供一個聯(lián)結(jié)CAD和CAE等各種工程軟件工具的集成框架和一種能遠程實時調(diào)用這些軟件資源的方法；能實時編譯和配置分布于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的服務(wù)資源，即針對不同的客戶需求，動態(tài)地組織這些軟件資源，并形成一個臨時聯(lián)盟環(huán)境以完成某項特定的工作，使各種CAD和CAE軟件資源能動態(tài)地參與到不同的項目工作之中，以建立可靠性和可擴展性的分布式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)；應(yīng)該具備協(xié)同定位中立、協(xié)議中立和服務(wù)執(zhí)行中立，即基于SOOA協(xié)議構(gòu)建。由于該協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)貫穿于整個因特網(wǎng)中，因此，需要考慮并解決網(wǎng)絡(luò)計算的八大謬論。

基于上述分析和需求，提出了基于SORCER基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的面向復(fù)雜產(chǎn)品的分布式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)(Distributed collaborative design system for complex product, DCDSCP)，其設(shè)計思想如圖3所示，它是一個面向服務(wù)的并行工程環(huán)境，共有5層。

圖2 分布式并行協(xié)同設(shè)計思想Fig.2 Approach of distributed concurrent and collaborative design

圖3 面向復(fù)雜產(chǎn)品的分布式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Architecture of distributed collaborative design system for complex product

網(wǎng)絡(luò)和硬件層為所有軟件系統(tǒng)的運行提供硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接。因為網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)的，所以，該層可能會存在暫時失效和遠程調(diào)用產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)延遲。

SORCER核心環(huán)境層為實現(xiàn) SOOA提供基礎(chǔ)機構(gòu)。SORCER核心環(huán)境包括Jini發(fā)現(xiàn)和查找服務(wù)、服務(wù)提供者、應(yīng)用調(diào)度程序等組件。軟件工具能通過這些組件，作為SOOA中的服務(wù)提供者，集成到SORCER環(huán)境中。

分布式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源層不僅為那些基于SORCER的協(xié)同設(shè)計項目提供了各種CAD和CAE服務(wù)，還將廣泛分布在因特網(wǎng)上的諸如 CAPP(Computer aided process planning)和 DFM(Design for manufacturing)等封裝成服務(wù)，并能作為SOOA中的服務(wù)提供者，集成到SORCER環(huán)境中。

臨時服務(wù)聯(lián)盟環(huán)境層能根據(jù)某項需求產(chǎn)生的應(yīng)用，將分布式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源層中的一些服務(wù)集成為一個新的facade服務(wù)，服務(wù)請求者不必再調(diào)用多個服務(wù)，只需調(diào)用facade服務(wù)即可。臨時聯(lián)盟環(huán)境中的這些分布式服務(wù)是松散耦合的，彼此之間依賴性很小，它們能執(zhí)行指定的服務(wù)任務(wù)，并且當(dāng)任務(wù)完成后自動取消臨時聯(lián)盟，然后，根據(jù)需求重新結(jié)合成新的臨時服務(wù)聯(lián)盟環(huán)境。

應(yīng)用層由協(xié)同設(shè)計項目終端用戶的具體應(yīng)用組件構(gòu)成。用戶通過Jini服務(wù)瀏覽器下載服務(wù)接口并對服務(wù)進行發(fā)現(xiàn)和查找。得到臨時服務(wù)聯(lián)盟環(huán)境的響應(yīng)后，將輸入的命令文件上傳到文件站，供服務(wù)提供者執(zhí)行任務(wù)時讀入。服務(wù)提供者通過Jini瀏覽器將任務(wù)執(zhí)行結(jié)果返回給文件站，供用戶下載。

2 鐵路轉(zhuǎn)向架的靜應(yīng)力分析實例

以某機車轉(zhuǎn)向架的靜應(yīng)力分析為例，介紹面向復(fù)雜產(chǎn)品的分布式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)平臺的具體應(yīng)用。

2.1 服務(wù)定義和封裝

機車轉(zhuǎn)向架如圖4所示，其中，(1)～(4)為操作順序。機車轉(zhuǎn)向架的一般設(shè)計進程如圖5所示。通過對轉(zhuǎn)向架一般設(shè)計進程的功能進行分析，定義了4種服務(wù)：3-D參數(shù)化設(shè)計服務(wù)、網(wǎng)格劃分服務(wù)、靜態(tài)強度分析服務(wù)和人工專家服務(wù)，分別由Pro/E，HyperMesh，Ansys和HumanExpert來完成。

Pro/E服務(wù)有2種：自動化的Pro/E服務(wù)和人機結(jié)合的Pro/E服務(wù)，其服務(wù)提供者都是基于ServiceTasker類，且都能執(zhí)行從服務(wù)調(diào)用者傳遞過來的 service context[14]。Pro/E服務(wù)輸入的是封裝在service context節(jié)點上的參數(shù)模型文件，輸出的是生成的或者修改后的幾何模型文件，并將幾何模型文件的URL鏈接封裝在service context的節(jié)點上，同時返回service context給服務(wù)調(diào)用者。

圖4 機車轉(zhuǎn)向架分析實例Fig.4 An analysis example for railway bogie

圖5 機車轉(zhuǎn)向架設(shè)計進程Fig.5 Design process for railway bogie

2.1.1 HyperMesh服務(wù)

通過定義和實現(xiàn)HyperMesh遠程調(diào)用接口以及擴展ServiceTasker類，DCDSCP在SORCER的基礎(chǔ)上開發(fā)了HyperMesh服務(wù)提供者。HyperMesh服務(wù)在這里是一種自動化的服務(wù)提供者，能批處理執(zhí)行HyperMesh所特有的hmexec文件。HyperMesh服務(wù)的輸入和輸出文件都有相應(yīng)的定義好的URL鏈接，這些鏈接被封裝在服務(wù)請求者傳遞過來的 service context節(jié)點上，同時，將封裝后的service context返回給服務(wù)調(diào)用者。當(dāng) HyperMesh服務(wù)被某個應(yīng)用[15]調(diào)用時，HyperMesh服務(wù)提供者首先會分別收到來自調(diào)用者和上一級 HyperMesh服務(wù)提供者的 service context，然后，分別從相應(yīng)的service context中解析并下載 hmexec文件和幾何模型文件到本地文件站，其中：hmexec文件是HyperMesh所特有的命令流文件，一般以HyperMesh的cmf文件為基礎(chǔ)，按命令流的方式完成分析，它可用任何ASCII文件的編輯軟件生成，如WINDOWS平臺的記事本程序；幾何模型文件為上一級Pro/E服務(wù)的結(jié)果文件。通過后臺執(zhí)行HyperMesh所特有的hmexec文件，DCDSCP將網(wǎng)格劃分的結(jié)果文件輸出到本地指定的web服務(wù)文件站中，然后，將這些文件的URL鏈接封裝到service context的節(jié)點中，并將封裝后的service context返回給調(diào)用者。

2.1.2 Ansys服務(wù)

通過定義和實現(xiàn) Ansys遠程調(diào)用接口以及擴展ServiceTasker類，DCDSCP在SORCER的基礎(chǔ)上還開發(fā)了Ansys服務(wù)提供者。Ansys服務(wù)作為DCDSCP的一種典型的自動化服務(wù)提供者，其運行機理和HyperMesh服務(wù)完全相同。但Ansys服務(wù)的命令流文件是APDL (Ansys parametric design language)命令流文件，它是一種通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語言，一般以Ansys的log文件為基礎(chǔ)，按命令流的方式完成分析，它也可用任何ASCII文件的編輯軟件生成。通過后臺調(diào)用Ansys的批處理運行模式，DCDSCP將靜態(tài)強度分析的結(jié)果，如db文件、rst文件、jpg文件、avi文件等，輸出到本地指定的web服務(wù)文件站中，然后，將這些文件的 URL鏈接封裝到service context的節(jié)點中，并將封裝后的service context返回給調(diào)用者。

2.1.3 HumanExpert服務(wù)

人工專家知識在 FEA決策中起著非常重要的作用，DCDSCP通過擴展 ServiceTasker類同樣開發(fā)了HumanExpert服務(wù)提供者。面向機車轉(zhuǎn)向架靜態(tài)強度分析的人工專家服務(wù)的用戶接口界面如圖6所示，它會從來自Ansys服務(wù)的service context中解析并下載靜態(tài)強度分析的結(jié)果文件，經(jīng)過人工專家分析后將自己的分析報告和上述幾個服務(wù)同樣的方式返回給調(diào)用者。

2.2 DCDSCP中的服務(wù)協(xié)同

圖6 人工專家服務(wù)的用戶接口Fig.6 HumanExpert service user interface

圖7 機車轉(zhuǎn)向架設(shè)計分析順序(靜態(tài)強度)Fig.7 Railway bogie design and analysis sequence (static strength)

執(zhí)行某個應(yīng)用任務(wù)有多個服務(wù)提供者參與時，需要協(xié)調(diào)所有參與的服務(wù)，服務(wù)提供者才能按照任務(wù)執(zhí)行所要求的協(xié)同方式工作[15]。SORCER環(huán)境中的Jobber服務(wù)就是來做這件事情的，它根據(jù)某個具體應(yīng)用，解釋和執(zhí)行一個服務(wù)任務(wù)的control context，實時管理服務(wù)提供者的臨時服務(wù)聯(lián)盟，保持臨時服務(wù)聯(lián)盟內(nèi)部共享同 1個 context，Jobber還能替換輸入的context參數(shù)，這樣，服務(wù)提供者就能根據(jù)需求并行或順序的工作。在轉(zhuǎn)向架分析的任務(wù)中，有4個分任務(wù)：Pro/E幾何建模分任務(wù)、HyperMesh網(wǎng)格劃分分任務(wù)、Ansys靜態(tài)強度分析分任務(wù)和人工專家決策分任務(wù)。在執(zhí)行任務(wù)的1次循環(huán)迭代中，相關(guān)實體的調(diào)用順序如圖7所示。當(dāng)4個分任務(wù)順序執(zhí)行完以后，如果不能滿足客戶需求，4個分任務(wù)在時間軸上會存在交叉，從而實現(xiàn)宏觀層次上的并行運行。

在基于SORCER的DCDSCP架構(gòu)中，順序配置了4個分布式的松散耦合服務(wù)提供者，其中，每個分布式服務(wù)都能被服務(wù)請求者動態(tài)地發(fā)現(xiàn)和調(diào)用。當(dāng)被某個應(yīng)用調(diào)用時，這4個服務(wù)會實時地形成臨時的服務(wù)聯(lián)盟，來完成靜態(tài)強度分析任務(wù)。當(dāng)任務(wù)完成，4個服務(wù)會立即脫離臨時服務(wù)聯(lián)盟，與其他服務(wù)一起，在被新的應(yīng)用調(diào)用時，形成新的臨時服務(wù)聯(lián)盟。

2.3 機車轉(zhuǎn)向架靜態(tài)強度分析結(jié)果

根據(jù)前期調(diào)查，在開發(fā)DCDSCP之前，服務(wù)提供端(北京交大車輛所和成都機車研發(fā)中心)和客戶端(長春機車廠)之間完成 1次轉(zhuǎn)向架分析任務(wù)的交接周期平均至少需要2周。而應(yīng)用新系統(tǒng)進行初步測試后顯示，雖然該平臺架構(gòu)還有待完善，但1次轉(zhuǎn)向架分析服務(wù)的平均交接周期已經(jīng)壓縮到5 d以內(nèi)，效率有了明顯提高?？梢姡涸撈脚_架構(gòu)能有效縮短服務(wù)交換周期，更好地支持復(fù)雜產(chǎn)品的異地并行協(xié)同設(shè)計。

3 結(jié)論

(1)提出了分布式并行協(xié)同設(shè)計(DCCD)的概念，用來構(gòu)建面向復(fù)雜產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)。

(2)基于 SORCER，開發(fā)了面向復(fù)雜產(chǎn)品的分布式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)DCDSCP，它能有效地將各種CAD，CAE和CAPP等商業(yè)工程軟件集成并作為服務(wù)提供給協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)。這些服務(wù)可以分布在世界各地，并允許世界各地的用戶實時動態(tài)地發(fā)現(xiàn)和調(diào)用，它們之間是松散耦合的，允許重復(fù)使用。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接失敗時，DCDSCP能復(fù)制服務(wù)提供者并動態(tài)地提供給調(diào)用者。

(3)應(yīng)用DCDSCP系統(tǒng)，服務(wù)請求者無需事先知曉服務(wù)提供者的地理位置，就可通過自己的需求應(yīng)用調(diào)用 DCDSCP中相關(guān)服務(wù)組成的臨時服務(wù)聯(lián)盟；因此，DCDSCP有良好的柔性、可擴展性、穩(wěn)定性和加載平衡性，實現(xiàn)了在分布式動態(tài)環(huán)境中開發(fā)復(fù)雜產(chǎn)品的并行協(xié)同設(shè)計行為。

(4)DCDSCP提供了友好的用戶界面，實例運行結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效縮短服務(wù)交換周期，更好地支持復(fù)雜產(chǎn)品的異地分布式協(xié)同設(shè)計。

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