协同工程CAD系统的集成模型和实现方法

随着社会的进步和经济的不断发展，超大型项目和跨国界项目日益增多，参加项目设计的技术人员数量也随之增加。这些技术人员可能处在不同的地域，而项目设计本身却要求设计人员之间密切地进行联系与交流。这就形成了一个矛盾，要求CAD系统给予解决。传统的CAD系统显然无法满足这一要求，而计算机支持的协同设计则可以较好地解决这些问题。特别是在多媒体协作CAD环境下，多个设计者通过联网的计算机进行图形、图像、文字和声音的交流、讨论方案、协同工作，可以大大提高设计质量和进度。而实现这一协作的基础就是计算机网络和多媒体技术。


协同设计系统的技术发展

CSCW(Computer Supported Cooperative Work)的概念是 Iren Greif和Paul Cashman在1984年提出的。经过近20年的研究发展，CSCW技术在军事、医疗、教育、商业、金融、生产制造等诸多领域得到了广泛的应用。目前比较成熟的系统有消息系统、桌面会议系统、会议室系统、协作编著和讨论系统等。
协作工程设计是计算机支持协同工作CSCW的一个分支。一般来说，协作式建筑设计系统要求具有群体工作、动态、并行、异地及同步和异步等功能。
实现和完善协作式设计系统需要解决的关键技术问题有如下一些：
高速并且能达到一定效果的多媒体通信网络及协议；
同步问题；
具有基于内容检索的分布式多媒体数据库和超文本技术；
CSCW的控制机制和友好的多用户界面。
目前，国外已经有一些比较成熟的协同设计系统，如德国 Fraunhofer图形研究所在1994年开发的分布式CAD系统“Distribution Sketchpad”，该系统利用了CSCW思想，在一定程度上支持多个合作者的协同设计。在国内，已经有一些实验系统建成，如清华的“综合业务多媒体通信终端和系统”、英华公司的“协作98” 以及西安交大的“DMCS系统”等。在建筑工程领域，各国也在利用Internet进行协同设计的研究。
建筑领域工程设计在现实配合中可能出现的问题主要表现在两个方面：
同一工程项目中不同工种间的相互配合与协作问题；
同一工种不同成员间的相互配合与协作的问题。
对于这些问题，传统的解决方法是将相关人员召集在一起，当面协调、解决问题。因为问题或矛盾总是在不断地出现，整个设计期间也就需要不断地交流协调和解决。即使这样，因种种客观条件的限制，有的矛盾仍得不到及时协调，遗漏下的一些问题很可能直到施工时才被发现，给工程带来一定的损失和延误。
协同式建筑设计系统可以较好地解决以上问题。在协同设计系统中，建筑设计要求的协同功能主要包括同步、异步和发布公告。
公布信息功能可通过设置公告牌来实现。因为信息公布的对象是有选择性的，所以系统应提供选择相关设计人员的设置。同步实时问题可采用“白板”技术解决。对不同工种间的配合和同一工种不同成员间的协作问题，均可看成是不同模块的集成问题，可采用数据集成方法解决。
在建筑工程的设计阶段，一般是各专业采用各自相应的 CAD系统分别进行设计。为完成一项设计任务，需要重复输入大量的数据，而且很难保证数据的一致性和冗余量。虽然目前也有部分集成化软件能在不同专业间实现部分数据的交流和传递，但设计过程中可能出现的各专业间协调问题仍然无法解决。而协同式建筑设计系统可及时传递设计信息，较好地解决这类问题。图1是建筑工程中不同工种间的协同设计模式。





协同CAD系统的设计
前面分析了协同式设计系统的模型和系统设计所需的相关技术。下面将对模型和技术实现进行具体讨论。

1．协作式建筑设计集成模型

目前，在我国建筑工程设计领域中，一般采用直接绘制二维图的方式来设计工程项目。这种方式在对建筑物某一处进行修改时，需要进行一系列相关修改。例如改变了一处窗户，需分别对该窗户的平、剖、立面图进行修改，费工费时。若采用三维集成设计模型，则可从模型上直接获得各视图及各专业的设计信息，大大提高设计质量和效率（图2）。



在这里，中间模型应为动态数据模型，各专业设计人员通过中间模型处理器对模型进行操作，建立和修改与本专业相关的各种信息。各专业的设计内容可放在本专业的“层”上，其他专业的设计人员可参考它们，但不能对其进行修改。中间模型的运用可使设计信息得到及时交流和传递，更好地解决协同设计中不同专业间的相互协作问题。

2．数据集成与共享

协作式建筑设计系统需解决的另一个关键问题是数据转换和共享。它主要包括两方面的含义：其一是异地设计采用不同应用软件时，生成文件之间的数据转换与共享；其二是不同工种之间的数据传递和共享，即把不同专业、不同功能的CAD系统，如建筑、结构、给排水、暖通设计以及制造、有限元分析、工艺设计规范化和信息管理等系统有机地结合起来，用统一的执行控制程序规范各种信息的传递，保证系统内信息流的畅通，并协调各CAD子系统有效地运行。这也称为建筑工程CAD集成。
对于第一种情况，可以利用中间数据文件来实现数据转换。而对协同设计中不同专业间的信息共享和集成问题，可采用建立中性数据库的方法，把应用程序中被处理的全部数据放在数据库中，由数据库管理系统通过统一的界面进行管理(图3)。



3．协作式建筑设计系统平台结构

为满足协同设计的要求，可以采用客户机/服务器、浏览器/服务器结构，它们分别适用于局域网小范围和互联网大范围的协同工作。
为了摆脱重复劳动，可以采用组件方式将系统设计成开放式的。通过可重用组件，简化群件的设计及开发工作，这种组件化即插即用的结构可使各功能模块满足不同领域的应用需求。
通过参考其他领域CSCW的应用研究，建筑工程协作设计系统考虑采用ActiveX组件技术、Java技术和动态主页发布技术，并将它们集成在一起以实现CSCW工作状态下的复杂任务通信（图4）。



交谈区和图像阅读区采用了ActiveX技术，并为用户提供了开放的二次开发接口。白板区包含一定的平面绘图区域，在该区域进行的画笔操作将传输到应用此系统的其他客户端，所有成员共享一个数据集合，彼此同时见到共同绘制的作品。
该系统采用主页发布技术组织页面，使应用服务器可以接收用户的输入，并依据用户的输入信息返回页面，让用户页面始终保留最新的信息。

需要注意的是，工程设计数据库模型不应预先设定，而应随着设计过程的进行不断变化和扩充。

4．协同工程设计的工作规则

在异地网络环境中进行工作或协同设计，所遇到的麻烦远比面对面交流时所遇到的麻烦多。例如，对方操作的不可知性、发言权的控制问题、参与者是否诚实参与、在集体参与时会议进程的控制等。在现实设计环境中，人们可以轻易地辨认参与者的真实身份，知晓中途离会人员的情况，所以在协同设计环境中，也应该显示出人员的属性和去留情况。可以利用会议参与者状态显示器来反映参与人员的动向，同时必须将用户的操作以文件形式保存在系统中。
“发言权”问题是协同设计要考虑的另一个重要方面。为了能清楚完整地表达出每位操作者的意图，在同一时刻只能允许一位参与者进行操作或发言。在最“坏”情况下，某人可能长时间占有发言权，出现霸占会议进程的情况。
此外，在协同设计系统中，因表达的信息种类较多，需传递的数据消息也很多，因此必须对大量的网络消息进行定义和解释，以顺利地在输入输出端完成消息和操作之间的转换。
当然，协同设计中难免会出现多个设计者同时对同一对象进行操作的情况。另外，由于存在网络传输或处理所产生的延迟，可能产生各节点对象表现不一致的情况，例如某位设计者编辑的文件可能是另一位设计者刚刚删除的文件。对这一问题，可以采用“加锁”的方法保证共享数据的一致性，即不允许设计者对另一位设计者正在访问的模块进行浏览以外的其他任何操作。
协同设计是通过网络进行的，因此安全问题十分重要，既要防止设计人员因误操作删改别人的文件，也要防止不相关人员的非法进入。目前可采用身份认证、访问控制和加密等措施予以解决。

结论与展望

如何让CSCW系统更好地满足人们的协同需求，以适应社会各领域的要求是一项长期的任务。当然，要达到真正及时有效地交流信息，还有赖于相关技术的进一步发展，如网络传输音频、图形及图像的速度、数据库技术中基于内容检索的实现等。但无论如何，CSCW技术已经取得了重大进步，建筑工程协同设计也取得了一定的研究成果，并且符合工程设计发展的趋势。随着相关技术的进步和协同设计的真正实现，将会使工程设计变得轻松并可以大大提高设计效率。

协同设计系统的技术发展

CSCW(Computer Supported Cooperative Work)的概念是 Iren Greif和Paul Cashman在1984年提出的。经过近20年的研究发展，CSCW技术在军事、医疗、教育、商业、金融、生产制造等诸多领域得到了广泛的应用。目前比较成熟的系统有消息系统、桌面会议系统、会议室系统、协作编著和讨论系统等。
协作工程设计是计算机支持协同工作CSCW的一个分支。一般来说，协作式建筑设计系统要求具有群体工作、动态、并行、异地及同步和异步等功能。
实现和完善协作式设计系统需要解决的关键技术问题有如下一些：
高速并且能达到一定效果的多媒体通信网络及协议；
同步问题；
具有基于内容检索的分布式多媒体数据库和超文本技术；
CSCW的控制机制和友好的多用户界面。
目前，国外已经有一些比较成熟的协同设计系统，如德国 Fraunhofer图形研究所在1994年开发的分布式CAD系统“Distribution Sketchpad”，该系统利用了CSCW思想，在一定程度上支持多个合作者的协同设计。在国内，已经有一些实验系统建成，如清华的“综合业务多媒体通信终端和系统”、英华公司的“协作98” 以及西安交大的“DMCS系统”等。在建筑工程领域，各国也在利用Internet进行协同设计的研究。
建筑领域工程设计在现实配合中可能出现的问题主要表现在两个方面：
同一工程项目中不同工种间的相互配合与协作问题；
同一工种不同成员间的相互配合与协作的问题。
对于这些问题，传统的解决方法是将相关人员召集在一起，当面协调、解决问题。因为问题或矛盾总是在不断地出现，整个设计期间也就需要不断地交流协调和解决。即使这样，因种种客观条件的限制，有的矛盾仍得不到及时协调，遗漏下的一些问题很可能直到施工时才被发现，给工程带来一定的损失和延误。
协同式建筑设计系统可以较好地解决以上问题。在协同设计系统中，建筑设计要求的协同功能主要包括同步、异步和发布公告。
公布信息功能可通过设置公告牌来实现。因为信息公布的对象是有选择性的，所以系统应提供选择相关设计人员的设置。同步实时问题可采用“白板”技术解决。对不同工种间的配合和同一工种不同成员间的协作问题，均可看成是不同模块的集成问题，可采用数据集成方法解决。
在建筑工程的设计阶段，一般是各专业采用各自相应的 CAD系统分别进行设计。为完成一项设计任务，需要重复输入大量的数据，而且很难保证数据的一致性和冗余量。虽然目前也有部分集成化软件能在不同专业间实现部分数据的交流和传递，但设计过程中可能出现的各专业间协调问题仍然无法解决。而协同式建筑设计系统可及时传递设计信息，较好地解决这类问题。图1是建筑工程中不同工种间的协同设计模式。