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《计算机辅助设计与图形学学报》2002,14(2):163~167基于CSCW的CAD系统协作支持技术与支持工具研究
何发智1)高曙明1)王少梅2)孙国正2)1)（浙江大学CAD&CG国家重点实验室杭州310027）2)（武汉理工大学物流技术与设备CAD/CAE研究所武汉430063）摘要计算机支持的协同工作(CSCW)给CAD技术带来重大发展,但仍然存在许多问题.其中之一是缺乏将协作性能同应用功能有机结合的方法.本文对此进行了探索.在分析了现有协作支持技术,工具和系统不足的基础上,提出了用协作支持工具软件CoCADToolAgent改造商品化CAD系统来开发CSCD系统的新思路和总体技术路线,给出了通讯支持,协议,一致性维护和并发控制,协同感知,任务和脚色机制的有效的实现方法.作为本方法的一个应用实例,成功地将传统人机交互式CAD系统AutoCAD转变为网络环境下支持人人交互的CSCD原型系统.作为专用协作支持工具,CoCADToolAgent比NetMeeting之类的通用协作支持工具具有更好的协作性能.该方法可推广到三维CAD系统.关键词计算机支持的协同工作,计算机辅助设计,计算机支持的协同设计,协同支持,Agent中图法分类号TP391ResearchonCollaborationSupportTechnologyandToolforCSCWbasedCADSystemHEFa-Zhi1)GAOShu-Ming1)WANGShao-Mei2)SUNGuo-Zheng2)1)(StateKeyLaboratoryofCAD&CG,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027)2)(InstituteofLogisticsandEquipmentCAD/CAE,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063)AbstractComputersupportedcooperativework(CSCW)hasledtomanyadvancesinCADtechnologies.However,problemsstillremain.Oneoftheseproblemsisthedifficulttocombinebothstrongcollaborationperformanceandpowerfulapplicationfunctionincomputersupportedcooperativedesign(CSCD)system.Thispaperexploressolutionstothisproblem.WepresentanewapproachtodevelopedCSCDsystembasedonsingleuserCADsystem.WeusedanovelcollaborationframeworkmaintainthebenefitsofCSCWtransparencyandawarenesswhilerelievingtheirdisadvantages.ThekerneloftheframeworkreliesonCoCADToolAgent,asoftwareagent.Thecommunicationsupport,protocol,consistencymaintenanceandconcurrentcontrol,collaborationawareness,collaborationtasksanduserroleshadbeenimplemented.Asaninstanceofthisapproach,weusetheCoCADToolAgenttotransformthecommercial2DCADsystem–AutoCADintoaCSCDprototypesystem.AsaspecialcollaborationtoolforCADapplications,CoCADtoolAgentwasmoreflexibleandbettercollaborationperformancethangeneralcollaborationtool,suchasMicrosoftNetMeeting.Theapproachcanbeextendedto3DCADsystem..KeywordsComputersupportedcooperativework,ComputerAidedDesign,ComputersupportedCooperativedesign,CollaborationSupport,Agent
本文研究得到高等学校骨干教师基金资助.何发智,男,1968年生,博士后,主要研究方向CAD/CSCW.高曙明,男,1964年生,教授,博导,主要研究方向CAD/CAM/特征技术/协同设计.王少梅,女,1944年生,教授,博导,主要研究方向CAD/CAM/物流技术.孙国正,男,1938年生,教授,博导,主要研究方向CAD/CAE/优化技术/物流技术.《计算机辅助设计与图形学学报》2002,14(2):163~1671引言设计活动不仅具备创造性和智能性,而且具备群体性和协作性.目前以交互式图形系统和分析计算为主的CAD系统,仅能支持单个设计者的独立设计和人机交互.随着计算机支持的协同工作(CSCW)的出现和快速发展,CAD不仅是一个设计计算,图形处理和智能推理工具,而且又是一个支持群体间通讯和协作的”人人交互”工具.本文在分析了协同设计中相关协作支持技术研究现状和现有协作支持工具和协同图形编辑/设计系统存在的问题和不足的基础上,提出了一种用协作支持工具软件CoCADToolAgent改造商品化CAD系统来开发CSCD系统的新思路和总体技术路线,并给出有效的关键实施技术.作为本方法的一个应用实例,成功地将传统人机交互式CAD系统AutoCAD转变为网络环境下支持人人交互的CSCD原型系统,直接支持工业标准的矢量图形的协同设计,从而兼顾了协作性能和应用功能.2相关协作支持技术分析1959年MIT在开始对CAD技术进行研究时[1],提出传统CAD系统的三大目标:人机对话,基于图形的人机对话和模拟人类设计专家.从CAD技术40年的发展来看,人机对话的基本目标已经完全实现,模拟人类设计专家的高级目标在特定领域部分或者简单实现,而基于图形的人机交互则得到广泛应用,并不断发展.同样,在计算机支持协同设计(CSCD)领域,基于图形的人人交互协作技术也是现阶段一个重要的研究方面,这是由于:①基于知识共享的协作模式来模拟人类设计专家群体.有些初步的探索[2],用认知式Agent模拟和取代人类设计专家群体,目标相当高,还有待人工智能和协同科学的的突破;②基于场景和多媒体人人交互[3].采用最自然的方式来支持人人交互,更依赖于高速多媒体通讯网络等硬件的支持;③基于文本和超文本的人人交互[4].主要采用半结构化方式来支持人人交互.由于的快速发展,正向超媒体发展,一些研究虽然采用了Web交互界面,但已经不属于超文本半结构类型,而应归于基于图形的人人交互领域;④基于图形人人交互.采用结构化的方法支持人人交互,虽有一些以DistributedSketchpad为代表的CSCD原型系统,协同图形编辑/设计系统等[5],但仍然缺乏将CSCW系统优良的协作性能同传统CAD系统强大的图形处理能力,兼容性和开放性结合起来的方法,有待深入研究.现有协作支持工具可以分为两类:①通用协作支持工具.例如Microsoft的NetMeeting,利用应用共享机制对单用户应用程序进行共享,截取单用户系统输入/输出界面,严格地按照WYSIWIS方式提供显示级的界面共享,仅支持发言权协作模式,协作性能差;②专用协作支持工具.例如密西根大学的DistEdit仅能支持协同文本编辑,而且需要特定第三方通讯软件和编辑器源代码的支持[6].WebScope公司基于web的CAD协作支持工具,具备无线因特网连接能力,但它需要把CAD对象(3D模型/2D工程图形)转换成JAVA对象.AutoDesk公司为适应!,仅能在web浏览器上进行单向的CAD图形发布,浏览和打印,不能有效支持实时交互协同图形设计.现有协同编辑/绘图系统基本上可以划分为三种类型:①协同文本编辑系统又称合著系统.通常集成了文本,简单图形,语音,视频等多媒体信息;②白板类系统.例如CATIA公司提供的白板工具只能支持对CATIA模型所转换的图像进行同步观察和注解(viewingandannotating).这类系统在将图形格式转换成图象格式时,不仅矢量化信息彻底丢失,而且原有图形数据库的数据结构和各种扩展数据信息也不复存在,只适用于草拟和批注;③协同绘图系统或者改进型白板等系统支持自定义的矢量图形格《计算机辅助设计与图形学学报》2002,14(2):163~167式.但是所支持的图形对象的类型,对象的属性和图形对象的编辑操作等图形应用功能比起图形CAD系统有明显差距,而且与目前流行CAD系统图形数据库格式不兼容,还是难以适应复杂的CAD图形设计任务.3协作支持工具的总体技术路线与关键实施技术鉴于这种现状,本文提出了直接基于流行商品化CAD系统上利用协作支持工具CoCADToolAgent开发CSCD系统的新思路,其总体技术路线见图1,关键实施技术如下.3.1协作框架及其通讯支持当前CSCW/CSCD系统主要采用两类基本协作框架:透明协作和明确协作[7].前者复用了单用户CAD系统的图形处理功能,兼容了现有CAD系统的数据格式,但协作性能差.后者虽然强调了协作性能,但是应用功能弱.因此,本文提出了一种协作性能与应用功能并重新的协作框架及其通讯支持方法.(1)该协作框架采用一种偏复制式混合体系结构,与完全意义上的分散式体系结构和严格意义上Client/Server结构均不同,是一种偏复制式的混合体系结构,将数据,应用和并发控制加以配置.服务器端采用多服务器结构,由全局信息服务器¸通讯转发服务器和文档传输服务器组成.客户端由各个CoCADToolAgent组成直接从事协同图形编辑/设计的反应式多Agent系统.(2)协作支持工具CoCADToolAgent采用一种半智能的反应式Agent结构,由动作反应器,通讯状态监视器,编辑器状态监视器,数据库状态监视器,实体对象状态监视器和选择集状态监视器所组成.(3)CoCADToolAgent采用通讯编程方式深入到现有CAD系统的内核,从而将协作性能和应用功能结合起来.为此,本文在二维CAD系统和三维CAD系统上对此进行了实验研究.首先设计和实施一个物理通讯测试软件CoCADPing,该程序由三个部分组成:①CAD内核的处理部分包括CAD系统内核的切入点函数,外部函数的调用执行函数,外部函数代码定义加载函数,外部函数的卸载函数,外部函数列表,其中外部函数列表中定义了名称为CoCADPing的过渡函数,char*exfun[]={/*MSG0*/CoCADPing};②过渡部分包括两个过渡函数pingMain和CoCADPing,其中过渡函数CoCADPing被定义在CAD内核处理部分的外部函数列表中;③通讯处理部分包括IP包校验函数checksum,从IP包头中解码析出ICMP数据函数decode_resp,填充ICMP请求函数requestfill_icmp_data和命令行窗口使用帮助函数Usage.编译生成的CoCADPing应用的大小为7k,被CAD系统内核加载,并与CAD系统内核程序共享地址空间运行.实验表明,基于CAD系统内核的CoCADPing展示了同基于操作系统内核的Ping一样的物理通讯能力,因此,可以通过通讯编程手段深入到CAD系统的内核.然后研究了客户机/服务器模式下的CAD内核的网络通讯问题.在本文进行研究时，CAD公司提供的模板程序均不支持多线程的通讯编程,我们通过以下方法实现了CoCA