劉曉平, 季 浩, 吳 敏, 石 慧

(合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展和應(yīng)用,產(chǎn)品研發(fā)流程由傳統(tǒng)的獨(dú)立作業(yè)逐漸轉(zhuǎn)入?yún)f(xié)同式的網(wǎng)絡(luò)化制造模式。協(xié)同環(huán)境下,模型的CAD設(shè)計(jì)和CAE分析是在多個(gè)部件商相互協(xié)作下完成。不同部件的設(shè)計(jì)者通過共享必要的部件模型信息來互動(dòng)設(shè)計(jì)和分析部件模型,增強(qiáng)了部件設(shè)計(jì)者對(duì)整個(gè)產(chǎn)品性能的把握,從而減少因模型反復(fù)修改而造成人力和物力的浪費(fèi),大大提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。

知識(shí)產(chǎn)權(quán)是企業(yè)的生存之本、發(fā)展之源。由于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、測(cè)試和集成可能由多個(gè)企業(yè)合作完成,甚至同一個(gè)零件不同工序的加工也可能在不同企業(yè)進(jìn)行,出于保護(hù)各自的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的需要,各個(gè)企業(yè)又希望保護(hù)本企業(yè)設(shè)計(jì)部件的敏感信息,信息安全成為產(chǎn)品協(xié)同研發(fā)必須要考慮的問題。

文獻(xiàn)[1]指出,在CAE分析汽車碰撞安全性過程,保護(hù)分析模型敏感信息對(duì)設(shè)計(jì)者的重要性。如何使設(shè)計(jì)者通過共享最小的模型信息,順利完成產(chǎn)品的協(xié)同開發(fā),是本文研究的主要?jiǎng)訖C(jī)。

訪問控制是信息安全保護(hù)的一種有效方法,它通過控制系統(tǒng)資源,根據(jù)設(shè)計(jì)者的權(quán)限和設(shè)計(jì)需要,直接共享相關(guān)模型信息的方法。文獻(xiàn)[2]提出模型信息的多層次動(dòng)態(tài)的安全訪問控制模型,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品模型的多粒度訪問控制,實(shí)現(xiàn)了權(quán)限的動(dòng)態(tài)授權(quán)管理。文獻(xiàn)[3]為解決協(xié)同裝配設(shè)計(jì)中敏感信息的保護(hù)問題,提出了面向協(xié)同裝配設(shè)計(jì)的基于角色顯示的技術(shù),結(jié)合角色權(quán)限與特征的安全等級(jí)建立訪問矩陣,對(duì)模型信息進(jìn)行訪問控制。然而,當(dāng)前在協(xié)同環(huán)境下的信息訪問控制的研究主要是面向 CAD設(shè)計(jì),尚未發(fā)現(xiàn)面向CAE分析的訪問控制研究。

面向CAD模型簡(jiǎn)化方法主要是 LOD為簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn),文獻(xiàn)[4]以LOD表示模型簡(jiǎn)化程度,不同權(quán)限的用戶可以查閱不同 LOD層次的模型。由于CAD模型的訪問控制策略一方面沒有考慮模型的物理特征,無法進(jìn)行模型的有限元分析。在協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境中,為進(jìn)一步支持產(chǎn)品模型的CAD設(shè)計(jì)和CAE分析,探討面向CAE分析的訪問控制技術(shù)具有重要意義。

本文提出一種協(xié)同環(huán)境下通過多角度模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析的安全控制方法,如圖1所示。首先對(duì)模型特征識(shí)別和分類,再根據(jù)設(shè)計(jì)者的訪問目的,選擇合理的模型特征簡(jiǎn)化方法,并過濾與設(shè)計(jì)或分析無關(guān)的多余信息,建立多角度模型,最后結(jié)合訪問控制機(jī)制,根據(jù)設(shè)計(jì)者的權(quán)限,分配滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)和分析要求的模型信息。

圖1 面向設(shè)計(jì)和分析的協(xié)同訪問控制系統(tǒng)

1 多角度模型

1.1 基于特征的建模技術(shù)

特征是零件或部件上一組相關(guān)聯(lián)的具有特定形狀和屬性的幾何實(shí)體,有特定的設(shè)計(jì)或制造意義,是CAD/CAE集成系統(tǒng)中產(chǎn)品信息的載體。一般模型的特征包括幾何特征和物理屬性,幾何特征分為正特征和負(fù)特征2類:正特征一般導(dǎo)致模型凸起、體積增大,如柱等;負(fù)特征則導(dǎo)致模型刪減、體積減少,如孔、槽等。

CSG樹表示的基于特征建模過程,最終的模型是由基本模型與5個(gè)特征之間的布爾運(yùn)算得到。葉子節(jié)點(diǎn)是基本的特征要素,非葉子節(jié)點(diǎn)表示的布爾運(yùn)算。如果特征是正特征,則對(duì)特征的操作為并,反之,布爾操作為差。

基于特征的建模方法可以很好地表達(dá)產(chǎn)品的完整技術(shù)和生產(chǎn)管理信息,通過對(duì)象螺紋孔、鍵、槽等產(chǎn)品的功能要素,直接體現(xiàn)出設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖[5]。

1.2 模型特征處理方法

為了協(xié)同CAD設(shè)計(jì)和分析的需要,設(shè)計(jì)者之間往往共享相關(guān)部件的模型信息,然而包含全部特征細(xì)節(jié)的模型信息對(duì)設(shè)計(jì)者并不是必要的。

(1)從協(xié)同CAD設(shè)計(jì)角度,往往設(shè)計(jì)者需要由模型正特征構(gòu)成的粗略輪廓信息。視覺上通過觀察其他相關(guān)部件的幾何形態(tài),感知整體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效果,更好地設(shè)計(jì)自身的模型信息。精細(xì)的模型包含過多的特征細(xì)節(jié),而且創(chuàng)新相關(guān)的重要特征是不允許讓其他設(shè)計(jì)者獲取,同時(shí)復(fù)雜細(xì)節(jié)也不利于網(wǎng)絡(luò)傳輸和圖形渲染。

(2)從CAE分析角度,有限元方法是CAE分析的重要方法,待分析模型需要包含幾何特征和物理屬性,如材料屬性、邊界條件及載荷等。有些細(xì)小幾何特征(如安裝孔、淺槽等)在有限元分析中不影響分析結(jié)果,為了降低分析模型的復(fù)雜度和改善網(wǎng)格質(zhì)量,必須刪除。

1.3 保護(hù)策略

本文根據(jù)設(shè)計(jì)者的訪問目的和權(quán)限,通過模型的網(wǎng)格簡(jiǎn)化和細(xì)節(jié)特征,簡(jiǎn)化生成一個(gè)多角度模型,用于對(duì)敏感信息的隱藏。

(1)用于CAD設(shè)計(jì)的模型處理方法分為正特征簡(jiǎn)化和負(fù)特征刪除。模型外形的輪廓信息主要由模型的正特征展現(xiàn),所以對(duì)正特征采用網(wǎng)格化簡(jiǎn)得到粗略輪廓[6]。模型的內(nèi)部細(xì)節(jié)與負(fù)特征有關(guān),通過特征識(shí)別出負(fù)特征,刪除操作完成。

(2)用于CAE分析的模型處理方法分為物理屬性過濾和細(xì)節(jié)特征層次化。物理屬性的過濾是針對(duì)共享模型的分析類型,保留相關(guān)物理屬性,刪除與分析無關(guān)的非幾何信息。通過細(xì)節(jié)特征層次化得到不同分析精度的模型信息,結(jié)合細(xì)節(jié)特征層次化方法實(shí)現(xiàn)[7]。

1.3.1 網(wǎng)格簡(jiǎn)化

網(wǎng)格化簡(jiǎn)是針對(duì)復(fù)雜網(wǎng)格模型,用一定誤差范圍內(nèi)創(chuàng)建含有少量多邊形的簡(jiǎn)單網(wǎng)格模型來逼近原始模型的方法。

文獻(xiàn)[6]提出利用頂點(diǎn)聚類方法,對(duì)頂點(diǎn)聚類算法進(jìn)行改進(jìn),提出基于頂點(diǎn)樹的動(dòng)態(tài)層次簡(jiǎn)化方法。文獻(xiàn)[8]指出,為了減少模型的存儲(chǔ)空間,便于設(shè)計(jì)者根據(jù)訪問權(quán)限獲取相應(yīng)程度的模型信息,動(dòng)態(tài)LOD多分辨率模型更適用于協(xié)同環(huán)境下CAD設(shè)計(jì)。

本文基于頂點(diǎn)聚類方法對(duì)模型的正特征進(jìn)行網(wǎng)格化簡(jiǎn)。用一個(gè)包圍盒把模型特征包圍起來,通過等分包圍盒的各棱邊將包圍盒等分成若干個(gè)小的長(zhǎng)方體,所有頂點(diǎn)分別落在這些長(zhǎng)方體內(nèi)。如果某個(gè)長(zhǎng)方體內(nèi)有頂點(diǎn),則把該長(zhǎng)方體內(nèi)的所有頂點(diǎn)刪除并生成一個(gè)新頂點(diǎn),這個(gè)新頂點(diǎn)通過二次誤差度量的方法獲得[9]。

重復(fù)該過程,自底向上建立特征的頂點(diǎn)樹,頂點(diǎn)樹中每個(gè)點(diǎn)有一個(gè)誤差值。對(duì)特征的簡(jiǎn)化是通過從頂點(diǎn)樹的選擇出子樹,用該子樹的葉子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成簡(jiǎn)化程度后的模型。

1.3.2 細(xì)節(jié)特征層次化

面向CAE分析的特征簡(jiǎn)化方法很多,文獻(xiàn)[7,10]提出一個(gè)基于特征的多分辨率造型方法,通過重新組織特征的造型次序,得到模型的多分辨表示,它也基于單元拓?fù)浔硎竞涂梢钥焖賹⒛Ｐ秃?jiǎn)化到所需要的細(xì)節(jié)層次。

本文基于文獻(xiàn)[7]提出的細(xì)節(jié)特征簡(jiǎn)化方法處理用于分析的部件模型信息。首先對(duì)特征序列根據(jù)具體應(yīng)用中的重要度進(jìn)行降序排列,然后重新構(gòu)造模型構(gòu)建的順序,并根據(jù)特征順序互換規(guī)則,得到每個(gè)特征的有效域信息。最后通過添加特征細(xì)節(jié)的多少來得到不同細(xì)節(jié)層次的模型。

不同應(yīng)用對(duì)排列標(biāo)準(zhǔn)有不同的要求,一般可以根據(jù)特征的某一屬性,如體積、特征表面積、基于視點(diǎn)的特征可見性及特征相關(guān)性等進(jìn)行排序,或由用戶自定義標(biāo)準(zhǔn)。如針對(duì)結(jié)構(gòu)分析,體積是影響分析結(jié)果的主要因素[11]。不同細(xì)節(jié)層次的模型,如圖2所示。

圖2 細(xì)節(jié)特征層次化

2 基于安全控制的多角度模型生成

2.1 安全訪問控制方法

目前,針對(duì)協(xié)同環(huán)境下的訪問控制研究很多,基于角色訪問控制系統(tǒng)中,用戶被賦予角色,而權(quán)限是被賦給角色,用戶通過擔(dān)任某些角色來獲得訪問權(quán)限,角色是根據(jù)組織內(nèi)為完成不同的任務(wù)需要而設(shè)定的。

本文采用基于角色的訪問控制方法[12],通過訪問控制矩陣,實(shí)現(xiàn)對(duì)多用戶之間信息資源共享的控制,提供給適當(dāng)?shù)脑L問者最大化的服務(wù),并保護(hù)系統(tǒng)資源不受侵犯分析。

2.2 安全訪問的多角度模型生成算法

設(shè)計(jì)者的訪問目的分為3種:D、A和D/A。其中,D表示共享模型用于CAD設(shè)計(jì);A表示共享模型用于CAE分析;D/A表示共享模型要求既能滿足設(shè)計(jì)的需要,同時(shí)滿足進(jìn)行CAE分析。本文根據(jù)設(shè)計(jì)者的訪問目的和權(quán)限,以及特征的正負(fù)屬性,結(jié)合網(wǎng)格簡(jiǎn)化和細(xì)節(jié)特征簡(jiǎn)化方法,生成面向設(shè)計(jì)和分析的多角度模型。

同時(shí)提出分析和設(shè)計(jì)需要時(shí),首先參與不同細(xì)節(jié)層次的模型構(gòu)建,按特征對(duì)分析的重要度進(jìn)行排列。

此時(shí)如果正特征包含在指定細(xì)節(jié)層次的模型時(shí),因?yàn)榉治龅男枰?不需要進(jìn)行網(wǎng)格簡(jiǎn)化。反之,為了設(shè)計(jì)需要,必須進(jìn)行網(wǎng)格化簡(jiǎn),并添加到當(dāng)前細(xì)節(jié)層次模型中。

表1所列為訪問目的與特征處理方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中P/N分別表示正特征和負(fù)特征。

表1 訪問目的與特征處理方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖1,設(shè)計(jì)者A和設(shè)計(jì)者B協(xié)作開發(fā)產(chǎn)品,設(shè)計(jì)者B通過申請(qǐng)?jiān)L問設(shè)計(jì)者A的模型信息。假設(shè)設(shè)計(jì)者A設(shè)計(jì)的詳細(xì)模型為M,設(shè)計(jì)者B的角色為R,R∈{D,A,D/A}。根據(jù)特征處理方法的不同,本文給出多角度模型的生成算法如下:

(1)對(duì)模型M進(jìn)行特征識(shí)別,獲得特征集F={f1,f2,…,fn}以及每個(gè)特征類型 θ(fi),θ(fi)∈ {P,N}。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)者B的訪問目的R和特征集F中每個(gè)特征類型,通過表1確定每個(gè)模型的特征用途和處理方法。

(4)用特征子集FD構(gòu)建基本模型,順序添加特征子集FA∪FD/A中的特征,得到不同細(xì)節(jié)層次的模型,相應(yīng)的細(xì)節(jié)程度值記為。

(5)從當(dāng)前細(xì)節(jié)層次的模型MA中選出正特征子集。如果將-中的所有正特征進(jìn)行網(wǎng)格簡(jiǎn)化,并添加到模型MA中,得到當(dāng)前細(xì)節(jié)層次下的不同簡(jiǎn)化程度模型,記為多角度模型。

3 協(xié)同分析模型的安全訪問控制

一般因?yàn)樵O(shè)計(jì)者都是獲取其他相關(guān)模型的設(shè)計(jì)信息,所以設(shè)計(jì)者對(duì)共享模型信息只有3個(gè)角色:D、A和D/A,不具有寫操作,而訪問矩陣中對(duì)每個(gè)特征的權(quán)限只有是否獲取(read/-)2種。

以圖2為例,設(shè)計(jì)者A訪問設(shè)計(jì)者B的模型信息,該模型的正特征為F0、F2、F4,負(fù)特征為F1、F3,以及特征對(duì)指定分析重要度的排序?yàn)?F0→F2→F1→F4→F3。

為了簡(jiǎn)單起見,不同角色對(duì)模型特征的訪問權(quán)限設(shè)定見表2所列。

表2 不同角色對(duì)模型特征的訪問權(quán)限

根據(jù)訪問角色的不同,設(shè)計(jì)者A獲得相應(yīng)不同的多角度模型:

(1)角色為D時(shí),通過將設(shè)計(jì)者B模型中的負(fù)特征刪除,以及對(duì)正特征的簡(jiǎn)化得到多角度模型。

(2)角色為A(3)時(shí),設(shè)計(jì)者B模型要被設(shè)計(jì)者A用來分析。通過按照F0→F2→F1→F4順序,重新構(gòu)造模型得到多角度模型。

(3)角色為D/A(2)時(shí),設(shè)計(jì)者B模型的特征F0、F2和F1要被設(shè)計(jì)者A用來分析,按照 F0→F2→F1順序重新構(gòu)造模型。由于F4為正特征作為模型的輪廓信息,簡(jiǎn)化后再添加到新的模型中,進(jìn)而得到多角度模型,用于協(xié)同分析和設(shè)計(jì)。

結(jié)合基于角色的訪問控制方法,多角度模型可以在滿足共享要求的同時(shí),又能保護(hù)設(shè)計(jì)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

4 結(jié)束語

協(xié)同環(huán)境中產(chǎn)品模型的訪問控制具有重大意義,它對(duì)于保證產(chǎn)品模型的可用性、完整性、機(jī)密性和設(shè)計(jì)過程的有效性起著關(guān)鍵作用。根據(jù)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)和分析需要,對(duì)部件進(jìn)行合理地簡(jiǎn)化,是協(xié)同環(huán)境中有效地保證知識(shí)產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品質(zhì)量的先決條件。

本文提出一種多角度模型用于共享模型信息,結(jié)合安全訪問控制機(jī)制,實(shí)現(xiàn)在共享模型信息完成設(shè)計(jì)分析需求的同時(shí),保護(hù)設(shè)計(jì)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。然而,在細(xì)節(jié)特征層次化方法中,需要對(duì)特征在應(yīng)用中的重要度進(jìn)行降序排列,且基于專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)。下一步將調(diào)研和分析相關(guān)領(lǐng)域,建立專家系統(tǒng)用于支持特征的排序工作。

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