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2007-01-29 21:49:49
基于
Internet的计算机网络协同设计与制造的ASP平台及其整合Cheng Wu,Tianyuan Xiao
中国，北京，清华大学，国家CIMS工程研究中心
摘要
用于计算机网络协同的设计与制造的ASP平台已经被开发出来。在本文中，介绍了该平台的架构和几个关键的问题。然后，说明了包括壳设计在内的FIA和FEI。最后，演示了两个典型的应用事例。
关键词：ASP平台，协同设计，FIA，FEI，网络化制造
1.导论
为了满足顾客和市场各种各样的需求，新的一代制造模式和管理方法必须能够快速响应而且要具有更好的柔性。信息技术已经对制造模式的各个方面产生了显著的冲击并且还会继续影响它。因此，现代工业正在从以机器为特征的传统技术向以信息为特征的数字技术转移。快速发展的信息网络技术已经为新概念的认知和制造模式的建立提供了更加有效的方法。
到2000年截止，中国的电子信息企业是各种各样IT系统的整合者，例如CAX，ERP等等。在一家企业或者一个集团式公司，这种整合关注于信息与流程，以及合作伙伴之间共享一些工业资源。
然而，绝大部分的中小型企业需要更加高效的交互式信息服务，从而取代各种IT系统。例如，从“只用你来建设”到“购买它作为一种服务”。因为是小规模且简单的管理模式，他们不必要也不需要创建和大企业一样的信息系统。同时，他们正处于增长期，他们的管理模式，管理规模，管理目标和产品经常变化。因此，他们的信息系统必须拥有快速调整以适应变化的需求的能力。另外，由于缺乏资金，技术和人才来构建，维护和运行信息系统，他们抵抗风险的能力是非常弱的。
2. CIMS工程研究中心的相关工作
众所周知，中国的所有企业中，99%是中小型企业（产值小于1亿且员工少于300），他们创造了全部产值的40%。这样的制造环境区分了东方和西方核心工业区，区域经济等的特色。如何加速中小企业的信息化进程，集中工业园和区域经济，是国家制造业信息化的关键。
信息化推动工业化已经成为一种国家政策。它已经成为所有政府的使命。政府不仅要指导信息化，而且促进信息化。当前政府能够加强工业信息化的基础设施，收集当前优质资源。网络化制造是国家制造业信息化的关键。
从2000年开始，国家CIMS研究过程研究中心主持了网络化制造技术的研究。包括以下的项目：
l 北京网络化制造关键技术及架构的研究，北京市工程技术基金支持
l 北京网络化制造系统的关键技术研究和方案设计，国家863工厂项目基金支持
l 基于ASP的产品协同设计与开发平台的关键技术研究，北京市工程技术基金支持
l 面向网络化制造的ASP平台的开发与应用，国家863工程项目基金支持
l 网络化制造服务平台集成技术的研究与应用，北京市工程技术基金支持
以及几个典型的应用项目：
u 中关村科技园电子工业区ASP网络化制造平台
u ASP的网络化制造蓓蕾孵化服务测试床
u 医用心血管绞痛介入治疗系统的网络化协同设计
u 公路清扫工具的协同开发，sany集团
本文首先介绍清华大学的基于ASP的产品协同开发平台。然后说明FIA和FEI。最后演示两个典型实例。
3.基于ASP的协同开发平台
根据工业协会提供的ASP定义，ASP是指关注应用的服务供应商，通过数据管理中心和网络，出售或者出租一对多共享模式应用程序的供应商。
图1 应用服务供应商（ASP）
AS的主要特征是它的多种服务器创造了多样的需求，多样应用模式，共享资源，经济模式和复杂的安全与管理模式。本文主要讨论基于ASP的协同平台。
该协同平台基于工具软件中心和数据资源中心。它提供资源共享功能，并且支持产品联合开发的协同操作。该平台是由常用资源中心组成的三个功能模块：管理层次，合作层次，任务实施层次。平台的功能如图2所示。
图2 合作式产品开发平台架构
管理层是最顶层，它提供用户管理，工程管理以及与产品合作开发相关的工作流程管理。合作层是中间层，它提供网络化制造环境的特殊功能，包括：远程工具和数据资源共享，信心交换工具集成等。工具软件资源中心提供工具软件，如CAD，CAM，CAE，PDM和计算机辅助装配软件。常用数据资源中心提供标准零件库，工艺库，产品模型库，设计参数库等。自适应的PNG格式的图片压缩和解压，采用了PNG格式以及立体曲线修改技术。只需要
从软件实现的观点来看，该平台分为四层：网络浏览器，网络服务器，局域网控制代理和应用服务器。它使用基于J2EE的JAVA开发，所以它可以运行在多种操作系统上，如windows2000/2003,windows XP,UNIX,LINUX,而且除了WEB浏览器之外，它对服务器没有额外要求。
4.ASP平台的联合集成
在过去的几年里，在北京有超过5个的基于ASP的网络化制造服务平台被搭建起来了。因为缺乏通用的集成标准，平台之间的相互连接，相互通信和相互操作是非常困难的。结果导致多平台之间的协同困难，这是因为共享不同资源比较困难。同时，平台供应商想扩展更多的功能，但是单个平台不能够包含所有种类的服务资源，因此，平台应该是被集成的。北京市工程技术基金支持的《面向网络化制造的服务平台集成技术研究和应用》项目已经实现，它定位构建支持多平台的多领域服务的架构，以实现每个平台既可以集成起来运行，也可以单独运行。而且还是在不影响其它平台的情况下，自由的加入和退出联合平台。
面向网络化制造的联合集成架构已经被细分，涉及到HLA和GLOBUS技术。FIA不是一个真实的系统，而是一种集成结构的标准，它可以实现不同平台之间的相互连接和和相互通信，以及重要的相互操作。
联合体是一种分布式系统，该系统由许多能够相互影响的部分组成。每一个部分都是一个实际的ASP制造平台或者应用程序。FEI则是FIA接口具体指定服务的软件实现。联合执行体是一个虚拟的世界，通过特定部分和相关的系统，依靠联合管理系统建立，以满足实现相互操作的要求。联合管理系统有6个重要的功能组成：联合体管理，资源管理，搜索管理，价格管理以及安全管理。集成的3个ASP平台的实例如图3所示。
图3 FEI实现的例子
基于FEI的联合体集成实现的关键技术包括以下部分：
n 利用声明管理和数据分配管理的思想，实现数据过滤和“匹配”，实现信息资源的动态传送。
n 用于共享资源分配的服务发送技术，它利用拓扑学对共享资源进行分类和传输，并且能够平衡服务的发送结果和响应时间。
n 基于文件结构模式和广播搜索模式的跨平台复合搜索技术。
n 联合体集成平台的安全和认证技术，它通过把用户ID地址转换为统一的ID，以避免其它平台获得服务器的信息。
n 动态共享资源的数据同步与检测技术。
集成的权限管理，包括并且遵循与WTO模式相关的互惠贸易协议。
5.典型项目
基于ASP的协同设计与制造平台已经应用到200多家企业。典型应用实例如下：
5.1心绞痛X射线成像医疗系统的网络化协同开发
C手臂系统是机器人手臂中的一个装置，它以其基本零件的形状命名，广泛应用于心绞痛X射线成像医疗系统。高安全性和对操纵的适应能力是医疗产品的特殊需求，但是，手臂运动的随机性大，大范围和多自由度造成了手臂研制困难。运动设计中的一个主要问题是在不损失比较大的运动范围的情况下防止碰撞。
图4给出了该系统的研究目标的草图。如图所示，设计目标包括许多可移动部件和总共8个自由度，所以，如果不对运动作正确的约束，操作时将会发生许多碰撞。
图4 研究目标的草图
C手臂系统的运动碰撞分析以及它的有效性已经在基于ASP平台下的PRO/E和PRO/MECHANIC下被协同地开发出来了。并且，基于数字化原型的实际产品也已经开发出来了。它表明，协同化设计与制造更加高效，低成本，低人力资本和资源消耗，相对于物理实验，该方法更加准确。
5.2高速公路清扫车辆的协同化虚拟开发
我国的高速公路总长度在全世界排第二位，但总体上来说，我国在高速公路清扫车辆的制造方面没有期望中的好。它们有许多缺点，如：速度太低，清理速率太低，不够舒适等。开发告诉且高效的清扫车辆已经非常迫切。
利用清华大学的CIMS工程研究中心的CFD，通过协同化设计平台，开发团队SANY和清华大学已经模拟了灰尘吸入系统的溢出区域，并且已经开发出了虚拟的原型车辆。
图5 高速公路清扫车辆
在虚拟原型车的设计结果的基础上，实际的原型车已经被开发出来了。实际的原型车的测试结果显示，各个方面的指标均达到了预期的值，而且一些关键方面的指数已经超过了国家标准的要求。清扫效率，最高清扫速度和最大吸入颗粒等已经超过了同类的家用产品。该设计已经申请了专利，实现了我国告诉公路清扫车的开创式开发。
6.结论
分析了基于Internet的公共制造服务平台并且对技术解决方案进行了分别讨论。实现了基于ASP的协同设计与制造平台，解决了一些关键的技术问题，包括：
u 高效率和低传输负载的先进图象压缩与传输技术。依靠有限的Internet带宽就能够实施交互式三维设计。
u 多模型驱动技术，多人协同设计的同步技术
u 协同化进程中资源共享的冲突解决技术，网络化软件的共享技术等
u 利用HLA，WEB服务和GLOBUS，开发了ASP平台集成的分布式集成结构。实现了不同ASP平台之间的相互连接，相互通信和相互操作。
中小型企业能够共享先进的制造装备和软件，从而在不用高昂费用购买设备和软件，架构网络的情况下，实现了信息化。基于分布式集成的ASP平台使得协同化设计与制造简单而且高效，提升了中小型企业的开发能力。
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作者简介:
Wu Cheng, the Professor of Tsinghua University,
Xiao Tianyuan, the Professor of
include CIMS, Virtual Manufacturing, Modeling and
simulation, Networked Manufacturing.
