研究目的和意义

研究目的和意义 第1章 绪论 1 第1章 绪论 1.1 研究目的和意义 目前以交互式图形系统和工程计算为主的主流CAD系统，仅能支持单个设计者的独立设计和人机交互。即使某些具有分时、多用户的分布式功能的CAD系统，基本上只提供人与机器的交互能力，很少考虑设计者之间协同工作问题，仅仅只是增加了单个用户数目，均不能明显地支持群体工作，仍然是一个面向个体工作的CAD软件。随着计算机支持的协同工作Computer Supported Cooperative Work CSCW的出现和快速发展，CAD不仅仅是一个设计计算、图形处理和智能推理的工具，而且又是一个支持群体间通讯和协作的“人人交互”的工具，从而跨越CAD技术的鼻祖、MIT的I. E. Sutherland博士在其具有里程碑意义的Sketchpad系统中所提出的“人机通讯”的CAD基本框架1，必将对跨世纪的CAD技术产生重大影响。 但是当前CSCW/CSCD系统的两类基本协作框架及其技术路线均存在不足和问题，以协同图形编辑系统为例:以NetMeeting为代表的应用共享系统，虽然复用了单用户CAD系统的图形处理功能、兼容了现有CAD系统的数据格式，但只能提供发言权协作机制，仅支持界面协作，因此，协作性能差;以Distributed Sketchpad为代表的CSCD原型系统以及白板、协同图形编辑系统，虽然强调了协作性能，但是在图形处理能力、数据的兼容性、开放性等方面与现有的CAD系统相比还有明显差距，因此，应用功能弱。 鉴于这种现状，本文首先提出了一种协作性能与应用功能相结合的协作框架。然后结合一个基于CSCW的CAD系统协作支持工具软件CoCADToolAgent的开发，研究了其中若干关键问题的解决方法。最后以该Agent为核心实现了一个直接支持DWG格式的工程图形协同编辑的CSCW/CSCD系统原型，并在“南京港机厂CAD网络化工程”和“轮胎式起重机智能化CAD/CAM系统”项目的工程图协同编辑中进行了初步应用。 CoCADToolAgent所支持的DWG格式在机械、建筑等行业中应用极为广泛，已经成为事实上的工业标准，特别适合广大中小型设计/生产部门，而且本文所提出的一些技术思路还可以推广到Solidworks等三维CAD系统中去。 武汉理工大学博士学位论文 2 1.2 相关研究的文献综述 从CAD系统的实现方法来说，已经经历了四个发展阶段，目前正向第五个阶段发展，表1-1所示为这五阶段的发展历程及实现方法。其中，60年代初，CAD技术的鼻祖、美国MIT的I. E. Sutherland博士率先推出了试验性质的、二维人机通讯图形设计原型系统Sketchpad，开辟了交互式计算机图形学和CAD技术的新纪元，在CAD发展史上具有里程碑意义1。无独有偶，进入九十年代以后，德国Fraunhofer图形研究所开发了一个用于并行工程会议系统、支持分布式草图勾画、广域远程CSCW/CSCD原型系统Distributed Sketchpad2。 表1-1:CAD实现技术的发展回顾 阶段 时间 发展历程 实现方法评述 第一阶段 60年代 CAD基本实现 例如Sketchpad系统 第二阶段 70年代 单功能CAD 例如TurnKey系统 第三阶段 80年代 开放的、集成化CAD 基于数据库的单机集成，支持人机交互，例如AutoCAD系统 第四阶段 90年代 开放的、分布式、集成化CAD 基于数据库的网络集成，支持人机交互和机机交互，例如Pro/E 第五阶段 90年代中后期 开放的、分布式、集成化、协同工作CAD 基于协同工作的网络集成，支持人机交互、机机交互和人人交互，原型系统有Distributed Sketchpad等 根据并行工程集成机制和生命周期中各种分析工具的集成程度，并行工程的实现方法可以分为三类345:小组化方法、计算机方法和计算机支持的协作方法。见表1-2。一方面，并行工程涉及到多个功能领域中的许多不确定或难以形式化描述的知识，因而各计算机并不能完全代替多学科小组中的专业人员， 只能在一定程度上辅助设计者的并行工程设计。因此，小组化方法和先进的计算机 集成支持环境相结合，形成计算机支持的协作方法是必然趋势。其相关领域包括计 算机支持的协同工作CSCW、群件GroupWare、工作流管理Work Flow Management等。另一方面，早期的CAD/CAE/CAPP/CAM系统的集成是诓肥莸幕希 缁赟TEP的CAD/CAM集成的研究，主要实现产品不同开发阶段中各系统之间 的数据转换，是一种基于信息集成的串行模式。 然而随着近年来兴起的以 Internet/Intranet为代表的网络应用技术快速发展武汉理工大学博士学位论文 3 和日 益成熟，设计活动突破了时间和空间上的制约，逐步达到以计算机支持的协同工作 为特征的高度并行、分布、开放和协同的工作模式，从而推动产品设计及其相关议 题的研究从信息集成深入到过程集成345，进而上升到组织集成(或称企业集成、动 态联盟)。 表1-2:并行工程及其实现方法 分类 实现方法 评述 小组化方法 来自 产品生命周期中的各个学科的设计专家组成多功能小组，利用计算机多媒体通信技 术，通过多功能小组的密切讨论来进行产品及其相关过程的设计，完全依靠人工方 式来驱动并行工程及其设计过程。 最实用化， 但效率低 计算机化方法 通过系统 化收集、表达、集成和协调并行工程知识，将产品生命周期各个阶段的设计任务、 约束和知识映射成一系列计算机Agent，试图用纯粹的计算机过程来自动化地进行并 行工程设计。 最理想化， 但难以实现 计算机支持的协作方法 是指并行工程小组 成员在基于计算机集成网络的协同工作环境下，进行产品本身的设计和与产品设计 相关过程的设计。它既保留了小组化方法方法依靠多学科小组成员共同工作的优点，又可以将一些成熟的分析方法和设计工具集成到系统中来，其Agent既包括计算机 Agent又包括人类专家Agent，通过人机交互、机机交互和人人交互方式来实现并行 工程。 是目前有效而且可行的方法 1 CSCW的提出和发展概述 1984年麻省理工学 院MIT的Iren Greif和数字设备公司DEC公司的Pual Cashman组织了一个讨论会。与 会者来自不同学科，但是都有一个共同的兴趣。这就是探讨人们是如何工作以及在 技术上如何支持人们的工作。与会者创造了 “计算机支持的协同工作Computer Supported Cooperative Work CSCW”这个词汇来描述这种共同的兴趣。十几年以后， 成千上万的研究和开发人员被吸引到这一领域678。 美国和欧洲在CSCW领域处于 领先地位。ACM主办的CSCW系列会议，从1986起每两年在北美召开一次，是CSCW领域水平最高的会议。欧洲一些研究机构所组织的E-CSCW系列，从1989年开始， 每两年在欧洲各国轮流召开，也具有较高的学术水平，正好与ACM的CSCW系列形 成互补，见表1-3。 表1-3:美国ACM的CSCW系列和欧洲E-CSCW系列国际会议 会 议名称 时间 地点 程序委员会主席 论文数 CSCW’86 1986.12.0305 Austion I. Greif 35 CSCW’88 1988.092629 Portland I. Greif 33 武汉理工大学博士学位论文 4 E-CSCW’89 1989.09.1315 London J. Bowers amp S. Benford 23 CSCW’90 1990.10.0710 Los Angelos F. Halasz 32 E-CSCW’91 1991.09.2427 Amsterdan L. J. Bonnon 24 CSCW’92 1992.10.3111.4 Toronto R. Kraut 48 E-CSCW’93 1993.09.1317 Milan C. Simone 24 CSCW’94 1994.10.2226 Chapel Hill T. W. Malone 39 E-CSCW’95 1995.09.1014 Stockholm Y. Sundblad 21 CSCW’96 1996.11.1620 Bosten G. M. Olson amp J. S. Olson 48 E-CSCW’97 1997.09.0711 Lancaster W. Prinz 24 CSCW’98 1998.11.1418 Seattle C. Neuwirth amp S. Greenberg 40 E-CSCW’99 1999.09.1216 Copenhagen M. Kyng 24 CSCW2000 2000.12.0206 Philadelphia W. Kellogg amp S. Whitt N/A 国内关于CSCW的研究源于分布式多媒体领域，清华大学、国防科技大 学、南京大学最早开始了对会议系统和协同编辑系统的研究9。从1995年开始全面引进CSCW的研究背景、基本概念、系统结构、关键技术及典型应用。《计算机世界》报于当年9月出版了由中科院计算所CAD开放实验室组织的CSCW专题综述10。同年《通讯学报》和《软件世界》杂志也介绍了国外一些有代表性的CSCW方面的研究1112。1998年12月34日在清华大学成功主办了第一次全国CSCW学术会议13，标志着CSCW研究已经在我国逐步开展起来并取得初步成果。 2 CSCW产生的历史原因和研究焦点 J. Grudin1415总结了自从计算机发明以来50多年间计算机理论研究和应用实践，从历史发展的角度论述了CSCW产生的社会因素和技术因素:计算机对人类工作的支持分为四个级别，而且首先经历了对大型组织机构和单用户的支持，然后才逐步开始对工作组和项目级别的支持，见表1-4。 表1-4:计算机对人类工作的支持 年代 支持级别 社会因素 技术因素 60、70年代 组织机构级Organization 根据冷战时期国防定制，如军工产品的计算机集成制造系统、国防军事信息系统 主机系统 80年代 单用户级 Single-user 直接从货架上购买的通用商业系统，例如字处理、电子表格、绘图软件等 PC机 工作组级Workgroup 是指支持不超过6个人之间的协同工作 90年代 项目级Project 则是指面向6个人以上的协同工作 联网的PC机 根据全美研究机构和发展商统计资料，CSCW和群件主要针对的是工作组武汉理工大学博士学位论文 5 级和项目级，面向的是由工作站和PC机组成的分布式协同工作系统注。 目前CSCW的研究领域基本上可以归结为两个层次:协同工作理论研究包括群体标准语言、协作机制、冲突协调、本体论等和协同工作系统实践包括设计系统、编著系统、会议系统、仿真系统、诊断系统等。在协同工作理论研究这一层次上，还缺乏完善的的科学和系统的理论方法，本质上还是直觉性的，而不是概念性的1617181920。 因此，正如J. Grudin所说的那样，尽管有关CSCW的定义、内涵和外延还难以统一和规范，甚至连CSCW的名称本身都存在争议，CSCW还是得到迅速发展。 3 CSCW与群件 CSCW覆盖了所有计算机环境下的协同工作，而工作组工作groupwork和群件groupware通常可以用作CSCW的代名词，一般来说不会产生异议。当然，如果一定要琢磨CSCW、群件和工作组工作的之间的细微差别的话，可以认为21: 1 群件是为工作组工作提供支持的计算机系统，通常指的是实时的、基于计算机的软件硬件系统; 1 而CSCW则是工作组工作的理论基础和技术方法，是研究应用该项技术的学术领域，通常研究的是开发群件之类工具的基础理论和技术方法以及这些工具和技术的心理、社会和组织影响。 4 CSCW与并行工程 尽管CSCW和CE关于群体工作的研究的出发点有所不同，但在概念上和方法上显然存在交错重迭，存在明显的共同点: 1 二者都是交叉学科研究，都强调发挥群体优势来解决问题，强调团体协作的重要性，需要并行、交互和密切合作的多功能小组方法; 1 在共同的总体目标驱动下，多个参与者从事相互关联的活动; 1 需要一个消解冲突的机制; 1 需要在不同的用户中共享信息和领域知识。 CE和CSCW的主要区别在于开发活动的侧重点不同: 1 CSCW面向过程，试图揭示群体工作认知学知识和人人之间的关联; 1 CE更多地在于信息集成，为不同的关键部门提供多种决策支持; 1 CE对于数据的表达有标准和具体的规范要求，并且更多地注重支持协同工 注 欧洲倾向于开发大型的组织机构级的CSCW系统，显然超出J. Grudin关于CSCW属入工作组级和项目级的提法 武汉理工大学博士学位论文 6 作的基础设施和环境，而CSCW更多考虑多功能小组成员的个性、状态、熟练程度和专长。 5 CSCW与Agent 90年代中后期，Agent概念的回归，主要是人们认识到人类智能的本质是一种社会性的智能，人类的绝大多数活动都涉及多个人构成的社会团体2223。然而，严格AI/DAI意义上的主体Agent，其研究基本上都处于起步阶段24，无论是在理论上还是在实践中都存在巨大的挑战25。因此，目前关于Agent的研究有着泛化的趋势，即Agent既可以是一个“计算机”概念，也可以是一个“自然人”概念2627。 不同的研究领域对Agent有着不同的侧重点，基本上可以分为三类，见表1-5。尽管这种分类有些模糊，甚至是交叉的，却反映了目前有关Agent研究的实际应用水平，即某种在特定环境中、面向特定应用领域、采用特定实现手段的、具有特定模式的Agent。这三种类型的Agent在CSCW/CSCD系统的研究和实践都得到不同程度的体现282930313233。 表1-5:Agent研究现状 类别 研究领域 评述 主体类 人工智能、分布式人工智能 BDI(信念-愿望-意图)模型是主体的基础理论 认知式主体(沿袭符号人工智能的世界模型和规划方法)和反应式主体(刺激-应答的行为模式)是主体的两种基本结构形式 代理类 分布式系统、交互式系统 体现了分布式和交互式系统体系结构中的各种代理机制，具有系统组织者、通讯转发者、经纪人、界面代理、个人助手等含义，其中移动式Agent(Mobile Agent)是当前的研究热点 对象类 软件工程，面向对象技术和分布式对象技术 类似于具备了一定智能性、主动性和通讯协作功能的对象模型，面向Agent的程序设计(AOP)有望成为继面向对象程序设计(OOP)之后的又一个新的软件设计方法。 6 CSCW in Design 计算机支持的协同设计是计算机支持的协同工作的一个重要研究领域和应用方向3435。 1991年ACM通讯《COMMUNICATIONS OF THE ACM》以“参与设计Participatory Desig PD”为主题，介绍了来自欧洲(特别是北欧)的研究和开发机构在机电系统设计中如何将包括最终用户在内的多学科人员进行协同工作的36，工程项目的协同设计将成为CSCW应用所面临的一种巨大挑战37。1993年IEEE的《Computer》和1996年Elsevier的《Computer Aided Design》各自武汉理工大学博士学位论文 7 出版一份计算机支持/辅助并行工程的专辑，集中多篇文章对有关并行工程的集成设计方法、数据管理、特征建模、协同设计和多源设计、以及对下游制造工程的集成方法进行了研究和探讨3839。1998年Elsevier的《Computer Aided Design》出版了一份“以网络为中心的CAD Network-Centric CAD”专辑，对基于网络的分布式CAD技术进行了研究40。1998年国际CSCW杂志《Computer Supported Cooperative Work》出版了一期专刊，从“参与设计”的角度探讨了协同设计问题41424344454647。1998年国际杂志《Design Science and Technology》则组织出版了一份明确地冠以“计算机支持的协同设计CSCD”为主题的专辑，对CSCD的体系结构、CSCD中的交互式系统、CSCD中的多媒体、因特网上的CSCW系统、协同设计的认知模型、CSCD中的基于实例的推理和学习技术、CSCD中的定性推理和CSCD中的Agent技术进行了研究48。计算机支持的协同设计CSCWIDCSCW in Design国际研讨会，自1996年起每年召开一次，主要从计算机支持的协同工作、人人交互和协作的角度研究设计中的CSCW技术，同时也包括一般的CSCW技术，是目前CAD和CSCW结合最为紧密的研究盛会，见表1-6。 表1-6:CSCW in Design的国际研讨会 会议名称 时间 地点 会议主席 论文数 CSCWID’96 1996.5.811 Beijing Zongkai Lin 75 CSCWID’97 1997.11.2628 Bangkok Pansak Siriruchataong 100 CSCWID’98 1998.7.1517 Tokyo Shuichi Fukuda 67 CSCWID’99 1999.9.2910.1 Sophia Jean-Paul Bathes 79 CSCWID’2000 2000.11.2912.2 HongKong Stephan Chan N/A 国外在协同设计系统研究和实践中处于领先地位的是欧美等国，这得益于他们在包括CSCD在内的CSCW领域进行了较广泛的研究。例如德国Fraunhofer图形研究所的Distributed Sketchpad系统2、澳大利亚悉尼大学建筑与设计科学系MATE系统49、美国普渡大学的Shastra系统505152、美国麻省理工学院智能工程系统实验室的DICE系统5354、美国麻省理工学院CAD实验室的DME项目55、美国斯坦福大学的大型智能化分布式协同设计系统PACT项目5657、美国国防高级研究项目署DARPA资助下的MADE58、美国CATIA公司的CAD系统协作支持工具59、美国Spectra图形公司Spectragraphics的TeamSolutions系统60、美国惠普公司的Co-CAD系统6162、美国WebScope公司基于Web的CAD协作支持工具,,〕等。 国内在计算机支持的协同设计及其相关议题的研究中处于领先地位的是中武汉理工大学博士学位论文 8 科院计算所CAD开放实验室642832653366676869707172和浙江大学CADampCG国家重点实验室73747576，其它高校也进行这方面的研究777879。武汉理工大学物流系CAD/CAE研究所自1996年起跟踪国内外发展动态，从事了相应的研究808182，本文的工作是其中的一个研究方向83。 本章将从CSCW的角度，即从计算机支持的人人交互、通讯和协作的角度，对这些研究的总体技术层次、存在的问题和不足进行分析，从而确定本文的研究基点。 1.3 协同设计中协作支持技术的总体研究层次 本文参照1959年MIT在开始对CAD技术进行研究时所提出的传统CAD系统的三大目标及其在随后40年中的实现程度，对照CSCW方面的研究，分析了CSCD系统的研究层次及相应的协作支持技术，分别见表1-7和表1-8。 表1-7:传统CAD系统的目标及其实现程度 传统CAD系统目标 实现程度 实现技术 人机对话 完全实现 利用各种文本命令、菜单、对话框技术 基于图形的人机对话 基本实现 可视化、虚拟现实在内的各种2D、3D图形技术 模拟人类设计专家 部分实现 各种智能CAD技术，困难重重，还有相当长的路需要走 表1-8:CSCD系统的研究层次及相应的协作支持技术 CSCD系统 研究层次 协作支持技术 基于场景和多媒体人人交互 更多地依赖于高速通讯网络和多媒体硬件等软硬件环境的支持，因此，如果软硬件条件能保证的话，可以构造一个分布式虚拟现实的协同工作环境 方法一:应用共享方法，让多个用户共享一个单用户的文本处理程序，但只能提供发言权协作方式，仅支持显示级的界面协作 方法二:类似于笔谈系统，可以实现多输入流的序列化并发控制，支持显示级和数据级共享 基于文本 和超文本的人人交互 方法三:通过Web浏览器/服务器结构在Internet/Intranet上实现，响应速度慢 基于图形 人人交互 方法一:应用共享方法，让多个用户共享一个单用户的CAD程序，只能提供发言权协作方式，仅支持显示级的界面共享 武汉理工大学博士学位论文 9 方法二:协同图形编辑系统，类似于改进型白板系统，可以提供多种协作模式，支持数据级共享，但是难以保证图形的处理能力和图形数据库的兼容性 目前还缺乏将CSCW系统优良的协同工作能力同传统CAD图形系统强大的图形处理能力结合起来、并且能兼容现有流行CAD图形格式的方法，有待学术界和工程界的深入研究，这正是本文将要研究的问题 基于知识模拟人类设计专家群体 有些初步摸索，但是协同设计的计算机自动化实现，采用基于知识共享的协作模式，还有待协同科学与理论、人工智能/分布式人工智能、并行工程等方面的突破 基于场景和多媒体通兜娜巳私换ゲ捎米钭匀坏姆绞嚼粗С秩巳私换ィ纾好拦斩纱笱У腟hastra系统是一个基于PC的多媒体协同设计系统，支持Client/Server方式和点到点方式通讯 505152;美国麻省理工学院智能工程系统实验室CAIRO系统作为DICE的子部分为DICE提供多媒体通讯环境，解决媒体同步、会议管理及支持54;国内中科院计算所的语音工具Jphone是一个利用JAVA语言为主开发的、基于因特网、用于并行工程会议系统的协同工作支撑工具68;浙江大学集成了多媒体通讯功能的CCAD系统73。这类系统(或者工具)尽管在一定程度上有待CSCD软件算法的改进，然而更多地依赖于高速通讯网络、多媒体，甚至虚拟现实等硬件环境的支持84。 基于文本的人人交互采用半结构化的方式来支持人人交互，基于超文本的人人交互，主要采用基于文本的半结构化方式来支持人人交互，原则上也可以采用结构化方式来支持，最好的应用方式是将Web和数据库系统或者PDM系统连接起来，对所需设计数据进行搜索和查询，来支持协同设计798586。 基于图形的人人交互采用结构化的方法支持人人交互，有许多类似于白板或者改进型白板的CSCD原型系统、协同图形编辑系统259697071727677949598 99100101，但是目前仍然缺乏将CSCW系统优良的协同工作能力同传统CAD系统强大的图形处理能力结合起来的方法，不能直接支持工业标准的CAD图形数据库格式，难以工程化，有待学术界和工程界的深入研究，这正是本文将要研究的问题。 基于知识共享的研究有些初步摸索。例如:美国斯坦福大学的大型智能化分布式协同设计系统PACT项目56，采用知识查询操作语言KQML和标准的知识互变格式KIF用于智能Agent间的通信。PACT的研究表明，对于并行工程本体论Ontology研究是最为困难的，当然关于本体论的研究本身就是人工智能领域最前沿和最热点的问题57;国内中科院计算所和法国UTC大学联合进行的分布式智能设计环境DIDE研究6428，在此基础上构造了一个多Agent协同工作环境(MACE)32。由于意识到认知式Agent智能化方面的难度33，中科武汉理工大学博士学位论文 10 院计算所更加注重从计算机支持的人人交互的角度，利用多媒体技术和基于图形的交互技术来研究CSCW/CSCD系统。因此，就目前现状而言，用认知式Agent模拟和取代人类设计专家群体，采用基于知识共享的协作模.