（计算机应用技术专业论文）支持异构cad系统同步协同的关键技术研究.pdf

南京师范大学颐士研究生毕业论文摘要 摘要 协同c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 作为c a d 技术与c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ew o r k ) 技术的结合，可以有效地缩短产品开发周期，充分地利用异地资源，降低 产品的设计成本，近年来这方面的研究工作正在不断深入。由于各个商品化c a d 系统之间 从上层的建模操作到底层的数据结构都有较大的不同，这给异构c a d 系统之间的同步协同 设计带来了很大的挑战。为了使异构c a d 系统更好地支持同步协同设计活动。本文从基丁 异构c a d 系统的同步协同设计方法和基于版本复制的一致性维护两个方面开展研究。 根据分布式环境下不同c a d 系统的异构特点，提出了基于宏语义的异构c a d 协作模型， 构建了适合于同步异构c a d 系统语义互操作的体系结构。针对异构c a d 系统间同步协同设 计平台的需求，本文通过研究多种商用c a d 系统的宏文件和建模命令，提出了一种应用于 异构c a d 环境中的基于宏语义命令的同步协同设计方法，使c a d 系统之间的交互层次由产 品数据信息上升到包含设计意图的参数信息。该方法通过宏语义命令在异构c a d 系统间实 时交换系统建模宏命令组来实现同步协同设计。首先定义了宏命令组和宏语义命令，并给出 基于宏语义命令的同步协同设计平台的体系结构；其次根据宏语义命令的构建方法，构建了 兼容各个c a d 系统建模操作参数的以x m l 表示的宏语义命令集；最后给出了宏语义命令和 宏命令组之间的转换方法。 现有的对象复制技术是实时协同图形编辑系统中符合一致性模型的并发控制策略，但难 以解决非几何属性以及三维绘图系统中的并发冲突情况。介绍了一个全新的基于版本复制的 多版本技术，当并发操作发生冲突时，利用简化规则从目标版本派生出叶子物理版本，分别 应用冲突操作到不同的叶子版本，有效地保证了非调和冲突操作的意愿。通过研究多版本技 术的相关支持算法，在算法m o v i c ( m u l t i p l eo b j e c tv e r s i o n si n c r e m e n t a lc r e a t i o n ) 的基础上， 从各个冲突操作的最大共同相容操作着手，提出了基于相容冲突组的快速多版本增创算法 f m v i c ( f a s tm u l t i p l ev e r s i o n si n c r e m e n t a lc r e a t i o n ) ，减少了相容操作的比较次数，缩小了去 冗余操作的范围。 最后本文给出基于宏语义命令的同步协同设计原型系统的实现，并利用这个原型系统完 成了一个同步协同设计实例，从而验证了该方法便于在异构c a d 系统之间进行同步协同设 计，减少了数据转换的耗时量并降低了对网络带宽的要求，提高了实时同步的效果。 关键词：宏语义命令；异构c a d 系统：同步协同设计；版本复制：相容冲突组 南京师范大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e g r a t e d 埘mt h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rs u p p o s e d c o o p e r a t i v ew o r k ( c s c w ) t e c h n o l o g y ，t h ec o l l a b o r a t i v ec a d ，w h i c hi sa b l e t os h o r t e nt h e p r o d u c td e v e l o p m e n tt i m e ，m a k e sb e s tu s eo fr e m o t er e s o u r c e sa n dr e d u c e st h ed e s i g nc o s t ，h a s m a d ear a p i da n df u r t h e rp r o g r e s si nt h ep a s td e c a d e 。t h es y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n a m o n gh e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m sb e c o m e sas i g n i f i c a n tc h a l l e n g eb e c a u s eo ft h eg r e a t d i f f e r e n c eb e t w e e nt h em o d e l i n go p e r a t i o n sa n du n d e r g r o u n dd a t as t r u c t u r e so fd i f f e r e n ts y s t e m s i no r d e rt oe n a b l ei t ，t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e so nt h ea p p r o a c ht oc o n s t r u c t i n gs y n c h r o n i z e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g np l a t f o r ma m o n gh e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m sa n dt h em u l t i v e r s i o n i n g t e c h n i q u eb a s e do nv e r s i o nr e p l i c a t i o nf o rc o n s i s t e n c ym a i n t e n a n c e c o n s i d e r i n gt h eh e t e r o g e n e i t yo fc a ds y s t e m si nd i s t r i b u t e de n v i r o n m e n t s ，ah e t e r o g e n e o u s c a dc o l l a b o r a t i v em o d e lb a s e do nm a c r o s e m a n t i c sa n dt h ea r c h i t e c t u r ef o rs e m a n t i c i n t e r o p e r a t i o na m o n gd i s t r i b u t e dc a ds y s t e m sa r ep r e s e n t e d am a c r os e m a n t i cc o m m a n d s b a s e da p p r o a c ht ob u i l d i n gu pas y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g np l a t f o r mu p o nh e t e r o g e n e o u s c a d s y s t e m si sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ee x t e n s i v er e q u i e m e n t so ft h i st e c h n o l o g y b ya n a l y z i n g t h em o d e l i n gc o m m a n d sa n dm a c r of i l e so fs e v e r a lc o m m e r c i a lc a ds y s t e m s ，t h ed e f i n i t i o n so f m a c r oc o m m a n dg r o u p ( m c g ) a n dm a c r os e m a n t i cc o m m a n d ( m s c ) a l eg i v e na n das e to f m s c sa r ed e v e l o p e d i nt h i sa p p r o a c h ，t h em c g sc o r r e s p o n d i n gt ot h em o d e l i n go p e r a t i o n so f e a c hc a ds y s t e m sa r ee x c h a n g e db ym s ci nt h ef o r mo fx m l m o r e o v e r , t w ok i n d so f t r a n s l a t o r sa l ee s t a b l i s h e d ，w h i c hc a nd e a lw i t ht h et r a n s l a t i o nb e t w e e nm c ga n dm s c t h em u l t i - v e r s i o n i n gt e c h n i q u eb a s e do no b j e c tr e p l i c a t i o ns t r a t e g yc a nm e e tc o n s i s t e n c y m o d e lw h i l et h ec o n f l i c to p e r a t i o n so c c u r r i n gi nt h ec o o p e r a t i v eg r a p h i c se d i t i n gs y s t e m s ( c g e s ) ， b u ti td o e sn o te f f i c i e n t l ys o l v ec o n f l i c tb e t w e e nn o n - g e o m e t r ya t t r i b u t eo p e r a t i o n sa n dc o m p l e x g r a p h i c so b j e c t s an e wd i s t r i b u t e dm u l t i v e r s i o n i n gm o d e lb a s e do nv e r s i o nr e p l i c a t i o n i s p r o p o s e df o rc o n s i s t e n c ym a i n t e n a n c eo fd i s c o r d a n tc o n f l i c t i n go p e r a t i o n sa c c o r d i n g t ot h e c o n f l i c t i n gf e a t u r e sa n dt y p e so fc o n c u r r e n to p e r a t i o n s i nc g e s t o g u a r a n t e ei n t e n t i o no f c o n f l i c t i n go p e r a t i o n s ，l e a f - v e r s i o n sm u s tb er e p l i c a t e df r o mt h eo r i g i n a lv e r s i o nb a s e do nt h e r e d u c es t r a t e g y , a n dt h e na p p l y i n gc o n f l i c t i n go p e r a t i o n st ot h ec o r r e s p o n d i n go b j e c to ft h e d i f f e r e n tr e p l i c a t e dv e r s i o n s t h el e a f - v e r s i o n sc a nb ec r e a t e db ym u l t i p l eo b j e c tv e r s i o n s i n c r e m e n t a lc r e a t i o n ( m o v i c ) a l g o r i t h mi nw h i c ht h ec o m p a r i s o n - n u m b e ro fc o m p a t i b l e o p e r a t i o n si st o om u c h af a s tm u l t i p l ev e r s i o n si n c r e m e n t a lc r e a t i o n ( f m v i c ) a l g o r i t h mb a s e d o nt h ec o m p a t i b l ea n dc o n f l i c tg r o u pi sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h ef i n a lv e r s i o n sc o n s t r u c t e db y t h ef m v i ca l g o r i t h mi st h es a m ea s 也a tc o n s t r u c t e db yt h em o v i ca l g o r i t h m ，b u ti tc a l ld e c r e a s e t h ec o m p a r i s o n - n u m b e ro fc o m p a t i b l eo p e r a t i o n sa n dn a r r o wt h es c o p eo fc o m p a d s o no p e r a t i o n s f o rt h er e m o v i n gr e d u n d a n tv e r s i o n s f i n a l l y , ap r o t o t y p eo fs y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sd e v e l o p e db a s e do n t w oc o m m o n c a d s y s t e m s t h ep r e l i m i n a r yt e s tr e s u l t ss h o wt h ep r o p o s e da p p r o a c hw o r k sw e l lf o ri n t e g r a t i n g v a r i o u sc u r r e n tp o p u l a rc o m m e r c i a lc a ds y s t e m si n t oas y n c h r o n i z e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n p l a t f o r m k e y w o r d s ：m a c r os e m a n t i cc o m m a n d s ( m s c ) ；h e t e r o g e n e o u sc a ds y s t e m s ；s y n c h r o n i z e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；v e r s i o nr e p l i c a t i o n ；c o m p a t i b l ea n dc o n f l i c tg r o u p s i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 。成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：垄丝 日期：2 1 望：兰：圭! 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定 作者签名：互鱼焦 日 期：垄翌壁：篁：旦 南京帅范大学硕一卜研究生毕业论文第一章绪论 1 1 选题依据及意义 第一章绪论 计算机辅助设计( c a d ，c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 技术改变了人们的传统设计方法，从 在图纸上以手工设计方式转向了依靠计算机技术来实现的高效率设计方式，从而大大减少了 人们的重复劳动，提高了人们的设计效率和质量【1 1 。在过去四十多年中，c a d 技术对推动 生产力的发展起到了十分重要的作用。然而，传统c a d 系统主要是面向个人工作而进行设 计的，其重点在于提供强大的图形处理和工程分析计算的功能，而没有充分考虑人与人之间 的交互。随着经济全球化进程的加速，跨行业、跨地区、跨国家的联盟型企业发展迅速，企 业环境发生着深刻变化，许多复杂产品的设计需要由分布在不同地点的产品设计人员和其他 相关人员协同完成，于是分布式协同设计技术应运而生，并且越来越受到工业界的重视【2 3 1 。 计算机网络技术的快速发展则为分布式协同设计技术的发展和应用提供了先决条件。 计算机支持的分布式协同设计是计算机支持的协同工作( c s c w ，c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ew o r k ) 在产品开发过程中的有效应用卜6 1 。在该方式下，分布在不同地点的设计 人员以及其他相关人员通过网络采用各种各样的计算机辅助工具协同地进行产品设计活动， 活动中的每一个用户都能感觉到其他用户的存在，并与他们进行不同程度的交互。 分布式协同设计的特点在于产品设计由分布在不同地点的产品设计人员协同完成；不同 地点的产品设计人员通过网络进行产品信息的共享和交换；通过网络进行设计方案的讨论、 设计结果的检查与修改，使产品设计工作能够跨越时空进行。上述特点使得分布式协同设计 能够较大幅度地缩短产品设计周期，降低产品开发成本，提高个性化产品开发能力1 7 】。协同 设计的实质在于通过交换共享关于产品设计的信息和知识，从而提高产品设计过程中决策的 正确率，减少返工次数，加速决策的过程，进而提高设计的效率。 分布式协同设计研究开始于2 0 世纪9 0 年代前后，斯坦福大学设计研究中心的c u k o s k y 等 是这一领域的主要开拓者。现有研究工作大体上可分为异步协同设计、同步协同设计、协同 装配设计等。从总体上看，对于协同设计技术的研究已经从起步阶段转入攻坚阶段，急需对 分布式协同设计中的一些深层次问题开展研究；并期待取得突破。这些问题包括【) l ： ( 1 ) 基于异构c a d 系统的同步协同设计方法； ( 2 ) 同步协同设计中保证高响应性和并行性的并发控制方法： ( 3 ) 对现有c a d 软件的深层次改造，使其能够更好地支持分布式协同设计。 随着产品开发的全球化发展趋势，需要跨地区在异地进行协同设计的产品日益增多。不 同企业或同一企业的不同部门需要在不同c a d 系统间进行协同设计。这就需要一种能够有 效地支持异构c a d 系统同步协同设计的方法。在同步协同设计系统中，因为各个c a d 系 统之间的建模操作和数据结构都不样，所以实现一个异构c a d 系统间的同步协同设计平 台要比实现同构c a d 系统间的同步协同设计平台更为困难。为支持自由、自然的交互，协 同设计系统应当满足交互实时性、协作分布性和操作无约束性【s ，9 j ，为此必须采用全复制式 的系统结构。其中保证各个复制数据视图的一致性是这类系统的关键技术之一。传统的并发 控制策略，如加锁和序列化都无法真正达到“自然、自由交互”的目标。在研究现有方法的 基础上，提出新的同步协同设计模式和并发控制方法，使之能够有效地支持在异构c a d 系 统之间构建同步协同设计平台，不仅具有重要的学术价值，同时也具有广阔的应用前景。 本论文通过对异构c a d 系统同步协同设计的研究，提出了基于宏语义的异构c a d 协作 南京师范大学硕t 研究生毕业论文 第一章绪论 模型；针对构建异构c a d 系统同步协同设计平台的需求，提出了基于宏语义命令的同步协 同没计方法，以实现异构c a d 间的协同- 作；研究基于版本复制的多版本技术，提出简化 规则以减少版本复制的版本数；通过分析多版本技术的相关支持算法，提出了基于相容冲突 组的快速多版本增创算法，提高了多版本技术中各个版本的生成效率；在两个商用c a d 软 件p r o e n g i n e e r 和u n i g r a p h i c s 的基础上进行深层次改造，使其支持同步协同设计。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 协同c a d 系统 协同设计系统的类型是多种多样的，根据各个站点在协同中的地位和分布情况，协同设 计系统可以分为集中式协同设计系统和复制式协同设计系统，以及混合式协同设计系统；根 据各个站点中采用的c a d 系统的相似与否，可以分为同构系统和异构系统。在实际应用中， 可以根据具体需要采用不同的协同设计系统，如复制式异构同步协同设计系统。 早期的协同c a d 系统大部分都是异步协同设计系统。异步协同设计是一种松散耦合的 协同工作。其特点是多个协作者在分布集成的平台上围绕共同的任务进行协同设计工作，各 自有不同的空间，可以在不同的时间内进行工作，但通常不能迅速地从其他协作者处得到反 馈信息p j 。其代表性的工作有：斯坦福大学的c u t k o s k y 领导的s h a r e 项目和m a d e f a s t 项 目【10 】；加州大学伯克利分校的w r i g h t 等人研究开发的c y b e r c u t 系统f l ；k i m 等人开发的 c y b e r v i e w 系统等u 2 1 。 而同步协同设计是一种紧密耦合的协同工作，多个协作者在相同的时间内，通过共享工 作空间进行设计活动，并且任何一个协作者都可以迅速地从其他协作者处得到反馈信息。因 此近年来，其正在成为协同设计领域研究的热点之一。这方面的代表性研究工作主要有：韩 国的l e e 等人开发的基于w e b 的协同特征造型系统n e t f e a t u r e tj 3 l ；荷兰d c l r 大学b i d a r r a 等开发的基于特征的协同建模系统w e b s p i f f t 1 5 1 ；德国的l u k a s 等人研发的t o b a c o 1 6 1 和香港的c h a r t 等人开发的c s m 系统m j 。 集中式的同步c a d 协同设计系统采用客户机服务器结构，其中服务器用于放置共享的 建模系统和中心模型，负责提供建模服务，生成中心模型；客户端则主要负责建模操作的交 互输入和模型显示。集中式的同步c a d 协同设计系统的代表工作主要有：荷兰d e l f t 大学 b i d a r r a 等开发的基于特征的协同建模系统w c b s p i f f t l 4 l 副；美国c o c r c a t e 公司开发的协同 c a d p l m 应用系统o n e s p a c c n e t t l 8 】。w e b s p i f f 是一个典型的集中式协同系统，服务器集 成了w e b 和造型功能，客户端是基于j a v a 3 d 的显示终端。用户基于客户端的显示模型和部 分特征信息向服务器提供特征操作。当服务器接收到用户操作之后，执行该操作得到结果实 体。w e b s p i f f 先将精确结果模型转换为图像文件传输给客户端，以便用户能及时的对结果 进行预览。之后，再将精确结果模型转换为显示模型，并将该模型整体传输到客户端进行更 新并显示。商品化的集中式协同系统o n c s p a c e n e t 是一个支持产品开发组成员之间在线协同 的轻量级协同工具。它提供了一整套方案，使设计组织间能够通过w e b 进行知识共享。该 系统客户端为o n e s p a c c n e t 模型浏览器，能够让用户对工程数据进行精确的协同可视化、查 询和标注。集中式的同步协同设计系统的优点是系统结构简单、并发控制容易，但也存在网 络负载重、通信延迟明显、中心服务器易成瓶颈等问题。 复制式的同步建模系统采用在每个站点都放置建模系统和存储共享模型的方法，通过使 所有站点同步执行相同的建模操作，生成同样的三维模型，进而实现同步协同建模。复制式 的同步c a d 协同设计系统的代表性工作主要有：英国n a m 等人开发的c o l l i d e 环境【l 巩羽j 2 南京师范大学硕 研究生毕业论文第一章绪论 和s y c 0 3 d 系统i 2j 1 ：德国的l u k a s 等人研发的t o b a c o 1 6 l 和美国l r n p a c t x o f f 公司开发的i ) ( s p e e dv 5 平创珏】。c o l l i d e 环境是为多个协同用户使用独立的c a d 系统提供接口的插件程 序，s y c 0 3 d 则是在c o l i i d 基础上设计的基于复制式结构的同步协同设计系统。t o b a c o 系统中客户端的能力得剑增强，具备了操作处理的能力。而服务器则作为初始联络的手段， 不再具有造型操作处理能力。t o b a c o 采用f l o o rc o n t r o l 盼方法进行并发控制，通过在站点 之间传递c a d 命令来更新结果模型，并通过任务管理器和历史纪录来辅助协同过程。复制 式同步协同建模的优点是网络负载轻、站点的交互功能强、响应速度快，其主要不足在于系 统结构复杂、不同建模系统之间的语义通信和数据通信困难、并发控制困难等。 对于现有的协同设计系统来说，虽然在具体实现中运用的技术各有不同，但就其构建方 式来说主要有三种，现总结如下： ， ( 1 ) 协同用户界面共享系统 这种方式基于单用户c a d 系统，辅助以n e t m e e t i n g 、s h a r e v i s i o n 等为代表的视频会议 系统或应用共享工具实现协同观察。这是“单一系统+ 协同工具”的模式，属于通用的应用 级共享。设计系统本身并没有为用户提供内在的协同控制机制，只是利用协同工具提供的功 能，通过交换控制权实现对应用程序的共享，截取屏幕的图像并传输给其他用户。使设计者 看到对方的操作。其优点是技术路线简单，几乎可以直接利用任何已有单用户软件的全部静 态功能和资源，快速实施协同设计。缺点是只能实现w y s i w i s ( w h a t y o us e ei sw h a tis e e ) 方式的共享，缺乏并行控制功能，难以真正实现并行。同时图像方式数据传输量大，丢失了 图形元素的矢量信息，难以利用c a d 的一些高级功能。因此，该方法灵活性、协作性差， 通常只是协同观察级别的共享，是协同设计中较低级的一种形式。 ( 2 ) 全新构造的协同设计原型系统 这种方式采片j 全新的体系结构，重新构建系统模型和相关的运行控制机制，从根本上对 传统c a d 软件的结构和方法进行变革。由于这种方式的最终目标是构建面向协同设计的原 型系统，因此，一旦建成会取得良好的效果，最终形成的系统将更符合协同设计的需求。由 于其系统结构、控制方法和产品模型均按照多用户并行协同设计的需要重新设计，可以支持 多种协作方式、提供更高的群体工作效率。但目前这类系统通常主要注重设计者之间的交互 环境问题，而忽略了c a d 基本功能的实现，产晶建模功能较差。 ( 3 ) 基于单用户系统功能扩展的协同设计系统 这种方式使用单用户系统提供的开发接口，进行协同功能的增值开发，实现较为高级的 协同设计系统。这种方式通常利用c a d 平台提供的功能截取用户操作，并进行相应处理( 如 转换和打包) ，然后再发给相关设计者，接收方根据传来的信息执行相应的动作。其优点是 利用单用户c a d 系统的功能简化开发，可以实现几何模型的共享、图形方式的产品数据交 换，具有比w y s i w i s 更高级的协同造型等功能。但目前多数系统都是针对某一个商用单用 户系统和特定的应用背景开发的，如何支持异构单用户系统之间的实时操作一直是一个难 点，而且开发平台的灵活性和可扩展性相对比较差。当协同设计者使用其它未开发的c a d 系统或者由于c a d 平台的升级导致原有的开发接口不被支持，协同功能的模块将无法应用 到该平台，系统开发者需要对该系统的协同功能进行重新开发。 1 2 2 协同透明技术 实时群组编辑设计系统是c s c w 领域的研究热点，很多研究者借助群组编辑设计系统 来研究协同应用中的各种问题。这种主要用于学术研究而专门开发的支持协同工作的群组编 辑设计原型系统是基于协同感知( c o l l a b o r a t i o na w a r e n e s s ) 的，如g r o v e 2 3 1 f f = l lr e d u c e l 2 4 1 。 但由于协同感知系统的功能远远不及商用的单用户软件，而且其缺乏很好的兼容性，所以其 3 南京师范大学硕上研究生毕业论文 第一章绪论 实用性不强，不能广泛地被一般用户所接受。 为了解决上述问题，协同透明( c o l l a b o r a t i o nt r a n s p a r e n c y ) 技术应运而生。协同透明技 术是指通过一些协同机制共享已有的单用户应用软件，这些协同机制对于系统和开发者是未 知的或透明的。它使得用户可以在不修改单用户应用程序源码的前提下，直接利用现有的单 用户软件进行协同工作。协同透明技术使用户避免了放弃其熟悉的单用户软件而重新学习一 种新的群组软件使用方法的尴尬，可以方便地投入到实际应用中。 协同透明技术的研究开始于2 0 世纪6 0 年代末，至今为止协同透明系统已经历了三代革 新。第一代是1 9 7 5 年的n l s 【2 5 】屏幕共享系统，通过共享整个屏幕来实现协同工作，此类协 同透明系统被称为屏幕共享。屏幕共享要求用户协同工作时共享整个屏幕，单用户缺乏安全 性和灵活性。 第二代是九十年代末的窗口应用共享系统，其不再共享整个屏幕，仅共享个别窗口的内 容或一个应用程序的所有窗口。此类系统试图具有通用性( 不考虑应用和协同的特定语义) ， 使任何单用户软件在不需要额外工作的前提下都能够实现协同透明。大部分的协同透明系统 是在x w i n d o w 平台上建立起来的，如r a p p o r t t 2 6 1 ，d i a l o g o 2 7 1 ，x t v 2 引，s h a r e d x 2 9 1 。x w i n d o w 平台定义了一个具有网络感知功能的图形协议，它能将显示工作从进程中单独分离出来。此 协议为实现协同透明提供了一个简单可行的方法，通过截取、过滤并分发服务器端的相关显 示给多个客户端，即可实现窗口共享。 第三代的协同透明系统试图开发在某种层次上的基于语义的应用共享。g u t e k u n s t t 3 0 l 提 出了一个基于自由策略的集中式协同透明系统，其将处理事件的策略与必要的机制区分开 来，并分别以控制代理和系统代理的形式来实现。控制代理和系统代理共同构成一个应用共 享系统，具有极强的灵活性。f l e x i b l ej a m m 3 i 】开发了应用层语义，使用了特定的j a 、，a 类， 当一个单用户软件被共享时，分析应用的二进制代码，决定是否用一些多用户版本来替代单 用户组件。h a o t 3 2 1 提出的系统能够使用户根据不同的环境动态地实现共享应用，执行并发语 义操作，用户将一组底层输入事件抽象映射为一个语义操作，当一个语义操作被执行时，它 被翻译成相应的输入序列，并在所有应用程序的同一上下文中被回放。 协同透明系统目前主要分为文字编辑和图形设计两大类，它具有分布性、操作共享、并 行性、人与人交互等特点。近几年协同透明编辑和设计系统研究重点主要包括如何解决异构 协同透明系统的同步交互、基于复制结构的并发控制和一致性维护、共享数据模型和操作、 多用户接口技术等问题。 l i 于2 0 0 2 年提出的智能协同透明系统( i c t ，i n t e l l e g e n t c o l l a b o r a t i v e t r a n s p a r e n t ) 1 3 3 , 3 4 1 是基于中性操作命令来解决异构问题的协同透明编辑系统的代表，它很好地解决了文本编辑 器的异构问题。其在分布式环境下的每个站点的异构单用户应用程序中均嵌入一个协作代 理，i c t 代理分布于单用户应用软件和操作系统之间。i c t 代理中的事件捕捉和重放部件和 操作系统密切关联，它需要将抽象操作映射为各个不同单用户软件在操作系统级别的事件序 列，这个工作量是非常惊人的。因此，目前i c t 系统只实现了单用户软件的有限的功能。 与基于中性操作命令的i c t 机制不同，基于状态差异方法的协同透明系统i c t 2 ”，3 6 】不需要 捕捉和分析操作系统级的事件，它只需要简单的g e t s t a t e 和s e t s t a t e 接口即可得到和重置异 构单用户应用软件的当前状态，再通过状态差异算法得到特定时间段内用户所作的操作和发 生的事件。由于i c t 2 - 的实质是基于状态的一种协作过程，所以用户编辑时可以使用任何命 令，但其有两点局限性： ( 1 ) 它不能实现细粒度的实时性； ( 2 ) 由于此方法是基于状态差异的，异构单用户编辑系统中编辑文档的字体和格式等方 面必须相同，所以给实际应用带来很多不便。 4 南京师范大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 1 2 3 异构c a d 数据交换技术 目前异构单用户c a d 软件进行协同交互的研究主要分为三个层次：以共享应用工具为 代表的c s c w 信息交互，共享应用工具根据共享白板机制或动态显示抓屏机制来传输共享 界面，这种层次的交互信息量大，仅具有感知功能：以s t e p 为代表的中性数据交互层次， 这种层次上的交互实现简单，但交互信息量大。实时性差且不具有高层意图：以操作信息为 代表的语义信息交互层次。三个层次使异构单用户c a d 软件交互信息内容由环境信息转向 产品信息，再转向操作信息，提高了远程交互的语义性和实时性。如何在第三个层次上高效 地支持异构单用户c a d 系统同步协同设计已成为当前研究的重点。 s t e p 标准由于具有较强的数据表达能力，而且能够描述产品生命周期中几乎所有与产 品相关的信息，因此被作为产品数据交换标准的首选。在此基础上，一些学者研究开发了各 种应用环境下的分布式协同设计平台。c h a o p 7 1 针对不同c a d c a m 系统提出了一个数据交 换系统框架，通过c a d 数据格式解析器把不同格式的文件转换成中性的s t e p 文件格式， 来解决设计文件共享问题。z h a n g 3 s 】提出一种基于s t e p 数据交换的i n t e r a c t 服务机制，以 支持虚拟企业数据共享。x u 【3 9 】等为分布的企业提供了一个具有w e b 功能的p d m 系统，不 同c a d 系统产生的文件首先转换成s t e p 兼容的数据格式，然后保存在面向对象数据中， 处于不同地点的用户可以访问这些数据及其相关信息。基于s t e p 中性数据交换的方法忽略 了产品设计的过程，缺乏完整的语义信息描述，不能很好地支持实时同步协同设计。 在异构c a d 系统协同设计环境中，应该从更高层次的设计语义方面实现异构c a d 系 统间的互操作。目前许多c a d 系统都采用了语义设计的方法进行产品设计，为异构c a d 系统间实现语义协同互操作创造了条件。储备 4 0 1 研究了工程c a d 产品远程设计的类实时交 互技术，提出了c a d 操作命令交换标准( s t e c ，s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fc o m m a n di n c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，并以c o r b a 中i d l 语言定义了工程c a d 系统与s t e c 之间的映 射，使c a d 系统的交互层次上升到操作语义信息。陈纯4 2 】等人研究了协同c a d 系统的 操作语义共享技术，给出了操作语义的定义和描述方法、操作语义的识别技术以及基于本体 的映射模型，在此基础上提出了一种基于操作语义共享的c a d 协同框架。但是由于s t e c 和操作语义共享技术都只以单个的a u t o c a d 系统命令模式为基础研究，因此没有真正实现 异构c a d 系统间的实时交互。韩国d o n gs e o u l 大学g u k h e o nc h o i 教授【4 凡删提出基于宏文 件数据交换方法，使其可以传递c a d 模型的建模参数信息和设计意图，但它无法实现实时 的协同交互设计。l im i n 4 5 羽】针对异构c a d 系统间同步协同设计平台的需求分析，提出一 种基于中性建模命令的同步协同设计平台的构建方法，该方法是通过中性建模命令在异构 c a d 系统间实时交换系统建模操作以实现同步协同设计的。但这个方法是基于c a d 系统二 次开发工具所提供的a p i 来实现捕获操作、获取参数信息及执行操作功能的，其需要针对 提供此功能的c a d 系统进行大量的二次开发工作，具有一定的局限性。 1 2 4 并发控制 为了满足及时响应的要求，同步协同设计系统一般采用复制式结构，每个用户在自己的 复本上工作以保证响应速度。在这种结构下，为了保证所有复本的一致性，因此引入了并发 控制算法。同步协同设计系统中，协作感知是多用户进行协同工作的基础，用户对共享对象 的操作应立即被其他参与协同工作的片! j 户所感知【4 引。另外，协同设计系统是以支持人与人 交互为目的的人机交互系统，比其它分布式系统需要更多地考虑入的因素。因此，并发控制 机制的选择需要考虑到对用户协同工作的影响以及用户接口的表现形式。许多学者对实时协 5 南京师范大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 同系统并发控制以及一致性维护方面进行了深入研究，提出了诸多并发控制方法和模型。目 前的并发控制机制主要有以下几种： ( 1 ) 令牌机制 在协同设计系统中各个站点之间维护一个令牌，只有得到令牌的用户才能对设计文档进 行操作。用户操作前必须首先获得令牌，任何时候最多只能有一个用户拥有令牌，编辑共享 文档，其他用户只能观察活动用户的操作结果或者等待活动用户释放令牌。既然任何时刻最 多存在一个活动用户，系统不支持并发操作，也不存在因并发操作而导致的操作冲突，一致 性得以保证。缺点是阻碍了信息的自然流动，不支持并行的交互操作。如果把令牌交由外部 合作协议控制，则仍然可能导致操作冲突，因为用户可能错误地运用规范或者不遵从规范。 令牌机制局限于单活动用户就能满足协同需要的场合，而不适合以多用户并发操作为特征的 协同交互环境。 ( 2 ) 锁机制 锁机制【4 9 】是在数据库系统以及协同应用系统中常用的并发控制技术。锁机制提供对共 享数据对象的加锁( 1 0 c k ) 和解锁( u n l o c k ) 操作，以实现并发操作的串行化。加锁的方法 就是在用户对某一对象、图形或区域进行编辑之前，首先将这个对象、图形或区域加锁，以 防止其他用户同时对这个对象进行操作。加锁机制支持同一时间内多个用户同时操作不同的 对象，但是多个用户不能同时操作同一个对象。尽管通过加锁可以防止冲突的产生，但同时 也会频繁地打断用户当前所进行的工作并且会造成许多不必要的额外开销。运用锁机制进行 一致性维护存在两个关键问题：锁的粒度和锁的乐观程度【5 们。锁的粒度是指锁定对象的大 小。锁的粒度越小，锁的数量越多，开销越大，同步程度高；反之，开销小，同步程度差。 基于对象的协同图形编辑系统一般将锁的粒度设为图形对象。根据锁的获取和释放方式，锁 可分为悲观锁和乐观锁。悲观的锁机制在申请得到批准前，不允许对共享对象进行任何操作， 而乐观的锁机制在得到批准之前可先获得一个实验锁，允许用户继续操作，如果锁的申请得 到确认，实验锁将被确认为正式锁，否则目标对象需要返回到操作执行前的状态。悲观锁虽 然可以完全避免操作冲突，但延迟时间长；乐观锁的响应速度较快，但发生冲突时的处理比 较复杂。目前研究人员提出了一些智能的锁机制，尽量在自然方式下实现加锁的并发控制过 程。 文献 5l ，5 2 提出了一种基于相对位置的乐观锁机制并发控制算法，该算法引入了编辑 锁和读锁，并对加锁的起始位置和编辑操作位置用相对位置表示，当锁申请成功将被写进锁 表或者操作被发送到各协作节点时，再把它们转换成绝对位置。加锁的粒度可根据编者的需 要任意选择，编者在加锁请求获得确认前，可预先进行编辑操作，该算法既保证了数据维护 的一致性又具有快速响应性。g r a c e l 允许用户协调自己的活动，并假定操作冲突很少发 生。由于g r a c e 采用一致性维护策略，其使用的锁机制【5 6 】与其它传统的锁机制不同， 仅用于减少冲突的可能性，这种锁机制是自由的。p r o s p e r o ，7 】容许不一致性的存在，并给出 两条一致性保证原则和一个承诺保证机制，只有接受