基于Internet的图案创作系统协同设计的实现

基于Internet的图案创作系统协同设计的实现张迎*鲁东明浙江大学计算机学院杭州310027摘要：以一个基于Internet的图案创作协同设计系统(C-CART)的实现为例，构件图案创作协同设计的系统结构，同时给出一种协同感知体系的设计及其在该系统中的实现，提出了一种以冲突树结构来解决协同冲突的方法。关键字：CSCW,图案创作冲突树协同感知RealizationofCollaborativePatternDesignSystemBasedonInternetZhangYing,LuDongmingCollegeofComputerScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou,310027Abstract:ThispaperemploysanexampleofcollaborativepatterndesignsystemthatbasedonInternet.Putsforwardakindofcollaborativeawarenesssystemdesignmethod.Furthermore,itgivesoutasolutioncalledconflicttreetosettlecollaborativeconflict.Keywords:CSCW,patterndesign,conflicttree,collaborativeawareness1.引言信息技术和网络环境的发展，使得图案设计者可以通过Internet进行分布式的图案辅助设计、效果浏览，在此基础上，可以进行网上定制。因此，以计算机技术和网络通讯技术为基础来支持和加强设计者间协同工作效率和质量的需求显得日益迫切。图案协同设计的研究对于轻纺行业有着重要意义。在此趋势下图案设计的网络化服务模型应运而生，而其中一个重要问题便是图案设计师在网上产生协同操作的处理。以此为目标，本文实现的是对一个大型网络化图案创作系统（C-CART）的协同设计部分。该系统实现中遇到的关键问题是如何实现高可靠性的感知，并高效的解决冲突问题。介绍一种在该系统中的使用的协同感知设计，并提出了一种以冲突树结构来解决协同冲突的方法。2.图案协同设计系统框架2.1.常见协同体系结构图案协同设计系统的最终目标不仅仅是解决如何用计算机去支持单个设计者完成他自己的那部分设计工作，系统关注的重点更多地在于如何用连成网络的计算机系统去支持多个人构成的设计群组，通过分工协调和随时随地的交流与协作去共同完成同一个复杂的图案设计任务。目前在各种协同工作系统中广泛采用的体系结构包括集中结构、复制结构和混合结构三种[1]。集中结构包括一个或多个集中式的服务器及多个与服务器交互的客户。客户将负责与用户的交互，例如它可以从服务器获取某些对象的状态，并以某种方式将这些对象显示给用户。同时它还可以将用户对这些对象的处理转化成系统能够识别并处理的事件，并将这些事件传送给服务器进行处理。系统中所有事件及对象将由集中式的服务器来维护与管理。最终由客户方根据服务器的处理结果刷新显示内容。复制结构实际上是将集中式结构中服务器的功能发布到客户方，系统中各站点同时具有双重身份，各站点在地位上是对等的，它们都可以维护某种对象，并可以在将用户的操作转化成相应事件之后，直接将这些事件作用于它所维护的对象。于此同时这些事件将以组播的方式发送到其他相关站点进行同样处理。混合结构综合复制结构与集中结构。与复制结构类似，参与协作的各站点也各自维护目标对象的一个拷贝。能够在本地完成的各种处理将在本地立即执行。而对于那些可能造成不一致的事件，才借助于集中式的服务器进行统一的调度，降低系统的一致性控制的复杂程度。2.2.C-CART图案创作协同设计的体系结构考虑到在Internet上图案协同设计的实际需要和三种体系结构的优缺点，在图案创作协同设计中我们采用了一种特定的偏复制的混合结构，这种混合结构与通常意义上的混合结构有较大的区别。C-CART的偏复制的混合结构体现在：系统的图案数据具有两种版本：在各个分布站点上的动态运行版本和在服务器上相对持久的备份版本。用户角色和权限信息的存放：在服务器上的相对稳定拷贝和各站点上的动态拷贝。对于协同控制的底层会议中在线用户情况由服务器集中管理。为避免集中式结构带来的服务器瓶颈问题和响应速度问题，每个站点均保留动态的图案文档备份，各文档间的一致性维护和并发控制由站点自行管理而不通过服务器的统一调度。图1便为C-CART图案协同设计系统的体系结构。图1C-CART图案协同设计体系结构从图中我们看到服务器主要负责一些综合信息的管理，如图案文档的版本管理，用户、角色及设计任务的管理以及设计组成员在线情况等的管理。这些信息均存放在一个集中的数据库服务器GDB（GlobalDatabase）中。每个协同站点分别有一个LDB（LocalDatabase），其中保存了诸如用户权限等服务器对应于相应站点的信息子集。在每个站点我们设置了一个具有反应性的智能体Agent。智能体是协同环境中系统的感应器与处理器，它将有利于增加协同设计的智能性，提高协同设计系统站点间协作的效率和质量。每个站点的智能体是以内部状态、外部环境为依据，做出各种反应动作。智能体在蛰伏状态时，尽管没有做出动作，仍然是活动的，随时可以被内部、外部环境的各种变化所唤醒。在图案协同设计中，该智能体用于实现对协同环境中本站点人机界面产生的动作以及外部环境中其他站点的协同消息和数据进行捕捉，根据不同信息的类别自主地进行判断，选择相应的方法对站点做出反应和适应性地调整。3.C-CART实现的关键技术3.1.协同感知体系设计要提高图案网上创作的效率，特别是高响应性，首先得及时正确地捕捉到系统中各种用户的使用情况。一个协同系统中的用户若能方便地感知到与自己工作进展相关得其他协作者的工作情况，包括场景、意图等信息将能大大地提高工作效率。研制协同系统中方便、灵活的工作空间感知处理方法，是达到这一目的重要手段。感知(Awareness)[2]定义为一种知识,对某种事实的认知。协作感知是关于协同工作的一种知识和认知。协作感知处于协同工作应用接口这一层次上。在实现方法上,体现形式为感知部件(Widgets),接口形式为同步和异步接口。由此可见,工作空间感知的实现更依赖于具体应用语义。根据工作空间的基本感知元素可知,工作空间感知涉及角色的状态、行为、事件以及能力等信息。工作空间的感知信息涉及的内容和种类都比较多,数据量比较大,对通信的要求也比SiteNInternetServer文档管理用户、角色、任务管理会议设计组管理GDBSite1用户界面协同事件处理协同设计工具AgentLDB用户界面协同事件处理协同设计工具AgentLDB较高。一般而言，目前协同感知包括对他人身份的感知，对他人时间、空间的感知以及对他人行为的感知[3]。在C-CART系统中，考虑的感知信息包括以下几个方面：1、身份：成员注册，获准进入系统，并且取得相应的使用权限。2、时间：包括注册时间，进入使用时间以及退出系统的时间。3、空间：各种用户操作涉及的图案层次，远程光标的位置，最近操作的位置。4、行为：对远程信息的感知，操作手段包括远程光标的控制，声音的信息。C-CART中感知信息的获取经历了三个必不可少的阶段：首先是相关信息的收集；其次是将收集来的信息进行分布存储；最后分布信息在所有合作者界面上的合理呈现。因为在一个实用的CSCW系统中，不可能把所有能感知到的信息数字化，所以我们在这三个步骤中，都加入了用户对信息主观的自由选择命令接口。本系统的工作模式采用的是紧耦合方式。每个成员看到相同的共享信息及相同的窗口显示，任何成员的变化都要及时反馈到所有的成员窗口。在该模式中，人-人交互过程中的协同感知通过成员的操作及对操作的结果来表达。紧耦合模式中由于人们在完全相同的环境中，因此对协同感知比较容易实现。它强调成员之间对操作的感知，利用适当粒度的感知信息将操作结果或操作过程显示给其他成员。图2C-CART中协作感知的分层结构在C-CART系统中，对于协作感知的实现，我们提出一种分层的体系结构，如图2所示。其中客户端只包含表现逻辑，是通过应用服务器来访问数据库的，它是一个可视化的用户使用界面，集成了各种协同和交互工具，主要负责客户端数据的收集和用户事件的获取；而协同应用服务器主要是存放和管理在协同过程中的动态信息、处理各个客户端之间的通信和同步、负责数据层与表示层之间的数据传输、进行事务处理等；而协同数据库[4]，主要是存放一些基本的静态的管理信息。为了实现动态协同感知，在应用服务器和每个客户端都驻留一个协同感知代理。其中应用服务器中的协同感知代理还维护着一个感知表和一个通知服务器。感知表存放着所有在线用户的当前动态的状态信息，比如用户名称、所处位置、动作和所关心的问题等等；通知服务器则把应用服务器所接收到的信息转发给相关的协同工作参与者，使他们可以实时感知到其他用户的状态变化。该分层的感知结构对于提高C-CART系统的响应性起了一定的作用，主要体现在对动态和静态数据的处理上采取分布式高利用率策略，但在大型的图案CAD系统中并不能保证系统的最终协同工作效果，仍然需要一种高效的冲突解决思路。3.2.C-CART系统的冲突解决方法：为了提高系统的高响应性和可扩展性，冲突的解决是至关重要的。基于偏复制混合结构所构件的系统面临的最大挑战就是如何解决协同设计中出现的冲突问题。在Internet环境下，偏复制结构的采用使协同设计能获得如同在单机上进行设计的系统响应速度，用户可以在权限允许的范围内对设计对象进行随心所欲的创作。然而，正是因为对协同设计的限制很少使得多个用户的操作就更容易发生冲突。因而，在预防措施无法避免冲突的情况下，就需要在事后进行高效的冲突检测以及有效的冲突控制和解决。在协同设计系统中，用户往往希望通过系统的主动控制达到预先防止冲突产生的目的，而不是不加控制，在冲突发生后再由感知表感知结果表感知守护进程感知表感知结果表感知守护进程感知守护进程通知服务器服务器感知表应用服务器协同感知代理客户端1协同感知代理客户端1协同感知代理用户来协商解决。要避免冲突操作的发生，包括图案协同设计C-CART在内的协同系统中主要选用以下几种方式[5]：利用对用户角色的控制，通过对不同用户操作权限的设置来减少或避免冲突操作的发生。一般来说，一个图案在协同设计的过程中，一个图层或某一图层上的绘图区域往往仅有一个用户拥有修改权。系统可以通过对图层、绘图区进行划分，以及给相应设计者进行授权来防止对同一个对象冲突操作的产生。当然，这是一种理想的情况。用户的角色可能会分为普通设计者、图案设计负责人、项目管理人等。这时候，图案设计负责人就可能与绘图区域设计者同时拥有对区域内对象的修改权。此时冲突操作就不可避免了。依靠公共协议或对其他协同设计用户行为的感知来避免冲突。这只能是在高速高可靠网络系统中可以采用的一种预防冲突的手段。采用floor控制（同一时间只有一个用户对某一对象拥有修改权）来防止用户发出冲突操作。由以上冲突避免的方法可见，冲突避免只是防止冲突问题发生的一种手段，预先很难完全避免冲突的发生。一个协同设计系统的冲突问题的解决往往需要综合采用用户修改操作权限设置和远程用户行为感知等技术。本系统就是同时采用用户角色控制和floor控制。当不同站点的操作发生冲突后，在冲突得到解决之前，本系统可以有效地保护用户的操作意图。很显然，如果两个冲突操作均作用于同一个对象版本，我们就无法保持用户的操作意图。例如，操作Oa、Ob同时发生，Oa与Ob又都作用于同一个目标对象G，那么结果会导致两个用户意图的冲突。在冲突情况下，要保护用户意图唯一的方法就是由同一个对象派生出多个版本，使不同的操作分别作用于对象的不同版本上。同时，不存在任何冲突的操作会作用于对象的同一个版本。C-CART系统针对每个协同操作对象都生成一棵冲突树，树结构的一个示例如图3所示：图3冲突树结构在C-CART系统中远程操作的接收存在延时，因而一个站点检测到冲突操作