趙飛宇

(1.中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢理工大學(xué) 數(shù)字制造湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

0 引言

工業(yè)軟件是工業(yè)領(lǐng)域知識軟件化的結(jié)晶，同時也是我國航空航天、汽車工業(yè)等高端裝備制造業(yè)的命脈[1]。工業(yè)軟件貫穿于整個制造型企業(yè)的產(chǎn)品全生命周期管理(Product Lifecycle Management, PLM)，其中包括“產(chǎn)品設(shè)計(jì)→性能分析→工藝規(guī)劃→制造仿真”的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造(digital design and manufacturing)過程[2]，從企業(yè)內(nèi)部到外部，是實(shí)現(xiàn)客戶、供應(yīng)商和合作伙伴互聯(lián)的供應(yīng)鏈協(xié)同(supply chain collaboration)過程[3]，甚至是從幾何造型、制造語義特征、運(yùn)行仿真、行為/規(guī)則、事件、傳感/傳輸?shù)榷嗑S度耦合的數(shù)字孿生建模(digital twin modeling)過程等[4]。因此，工業(yè)軟件推動了現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展，正在變革和重塑制造業(yè)。發(fā)展自主可控的制造業(yè)核心工業(yè)軟件，對我國實(shí)現(xiàn)智能制造具有支撐引領(lǐng)作用，是推動我國現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展、擺脫工業(yè)技術(shù)“卡脖子”困境、使中國由“制造大國”走向“制造強(qiáng)國”的必由之路。

作為工業(yè)軟件完整產(chǎn)業(yè)鏈中的核心基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design, CAD)軟件能夠利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助工程技術(shù)人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。二十世紀(jì)60年代初，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成為了一門專門的學(xué)科并日漸成熟。同時，交互式圖形處理技術(shù)、分層存儲符號數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新思想不斷提出，為CAD軟件的應(yīng)用和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[5]。1982年，美國Autodesk公司研發(fā)的AutoCAD軟件成為第一個能夠在PC上運(yùn)行的二維CAD軟件[6]。隨著計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)(Computer Aided Geometric Design, CAGD)、布爾運(yùn)算(Boolean Operation)等幾何造型技術(shù)的發(fā)展，誕生了Parasolid和ACIS兩大三維CAD內(nèi)核，也孕育出諸如SolidWorks、NX、Creo、Solid Edge、CATIA等商業(yè)化的三維CAD軟件，實(shí)現(xiàn)了從線框建模、表面建模、實(shí)體建模到參數(shù)化特征建模的變遷。CAD軟件可促進(jìn)產(chǎn)品由概念設(shè)計(jì)向原型設(shè)計(jì)精確映射，是提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、縮短研發(fā)周期、提高勞動生產(chǎn)力的重要手段，同時也是企業(yè)提升產(chǎn)品研發(fā)能力、創(chuàng)新能力和管理水平的重要條件。因此，CAD軟件的自主化、智能化水平，是體現(xiàn)一個國家工業(yè)軟件綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。

目前，主流的商業(yè)化CAD軟件大都遵循C/S(client/server)架構(gòu)運(yùn)行，用戶需安裝客戶端軟件，并于本地的PC或Mac運(yùn)行。但在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)時代的大背景下，遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)的需求日益凸顯，加上機(jī)械產(chǎn)品多品種、變批量和高度復(fù)雜性的特征，對CAD軟件提出了更高的要求。在智能制造的發(fā)展背景下，CAD軟件所面臨的問題主要體現(xiàn)在以下4點(diǎn)：

(1)針對遠(yuǎn)程實(shí)時協(xié)同設(shè)計(jì)的支持不夠 隨著企業(yè)規(guī)模的日益壯大，復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)所牽扯的工程技術(shù)人員遍布世界各地。目前，大多數(shù)企業(yè)通過搭建產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)(PLM)或產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management, PDM)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品資源共享和使用，使異地的工程技術(shù)人員對產(chǎn)品CAD模型能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程修改。然而，當(dāng)前協(xié)同設(shè)計(jì)模式并不支持異地人員在同一三維空間中實(shí)時共享、使用、編輯和渲染產(chǎn)品CAD模型，無法從根本上改善協(xié)同設(shè)計(jì)的人機(jī)交互性，也無法從根本上滿足并行工程(Concurrent Engineering, CE)的需求。

(2)不支持基于移動終端的CAD模型編輯 隨著5G技術(shù)驅(qū)動移動終端的快速發(fā)展，使得CAD軟件具備了由PC或Mac向移動終端(iPhone，iPad或Android設(shè)備)遷移的客觀條件。然而，當(dāng)前基于移動終端的CAD軟件APP功能大都停留在遠(yuǎn)程在線審閱和瀏覽，不支持在移動終端對CAD模型進(jìn)行復(fù)雜使用、編輯和渲染，導(dǎo)致CAD模型的價值無法得到進(jìn)一步釋放，進(jìn)而削弱了企業(yè)在生產(chǎn)、營銷、維修以及供應(yīng)商等下游環(huán)節(jié)的交流協(xié)作性。

(3)CAD軟件對計(jì)算機(jī)硬件要求較高 每一代CAD軟件技術(shù)的變革都會影響企業(yè)硬件資源的調(diào)整。隨著CAD功能的逐步豐富，對計(jì)算機(jī)硬件資源的需求也越來越高，尤其是基于圖形處理器(Graphics Processing Unit, GPU)的矢量計(jì)算性能。同時，伴隨著企業(yè)產(chǎn)品的升級，產(chǎn)品CAD模型也會愈發(fā)復(fù)雜，尤其是針對大型裝配體CAD模型的三維渲染，硬件資源跟不上，會極大地影響產(chǎn)品的研發(fā)周期。

(4)模型數(shù)據(jù)文件兼容性難以保障 CAD軟件在高、低版本模型數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換時存在較大的數(shù)據(jù)兼容性問題。目前，大多數(shù)主流CAD軟件的模型數(shù)據(jù)文件兼容機(jī)制為“向下兼容”，即高版本CAD軟件兼容低版本CAD模型數(shù)據(jù)文件，反之則不支持。該方式導(dǎo)致未升級的低版本CAD軟件無法打開高版本的模型數(shù)據(jù)文件，無形中增加了企業(yè)的軟件維護(hù)成本。

綜上所述，雖然目前針對復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變，但所使用的工具并未跟進(jìn)，這種局面需要打破，行業(yè)也亟需變革。隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、WebGL[7]等前沿技術(shù)的誕生與發(fā)展，促使現(xiàn)代CAD軟件正逐漸由傳統(tǒng)基于C/S模式的本地客戶端軟件，向基于B/S(browser/server)模式的云架構(gòu)CAD軟件發(fā)展。云架構(gòu)化也是未來工業(yè)軟件的發(fā)展趨勢，對于推動我國實(shí)施國家軟件重大工程，加快工業(yè)技術(shù)軟件化，具有重大意義。

本文旨在對云架構(gòu)CAD軟件及其關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行綜述分析。在系統(tǒng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，介紹了云架構(gòu)CAD軟件的內(nèi)涵和特征，討論了云架構(gòu)CAD軟件的基本架構(gòu)。通過分析在云架構(gòu)CAD軟件研究領(lǐng)域的相關(guān)代表文獻(xiàn)，對軟件即服務(wù)(Software as-a Service, SaaS)云計(jì)算服務(wù)、3D模型輕量級可視化、三維幾何造型以及CAD模型數(shù)據(jù)交換4大主要關(guān)鍵技術(shù)，以及基于3D打印云平臺的在線3D建模和基于云的工業(yè)級產(chǎn)品設(shè)計(jì)兩大應(yīng)用模式展開了論述與總結(jié)，并依托5G和數(shù)字孿生等前沿領(lǐng)域，進(jìn)一步探討了智能制造背景下云架構(gòu)CAD軟件的技術(shù)挑戰(zhàn)與趨勢，以期為我國研發(fā)自主可控的云架構(gòu)CAD軟件提供幫助。

1 云架構(gòu)CAD軟件內(nèi)涵與體系架構(gòu)

1.1 云架構(gòu)CAD軟件的概念

云架構(gòu)CAD軟件作為一種由互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)深度融合應(yīng)運(yùn)而生的新型工業(yè)軟件，目前仍然沒有一個統(tǒng)一的定義，不同的專家學(xué)者以及各大CAD軟件廠商對其理解各不相同。目前具有代表性的定義總結(jié)如下：

原SolidWorks創(chuàng)始人Jon Hirschtick和John McEleney認(rèn)為，云架構(gòu)CAD軟件是一套將CAD、數(shù)據(jù)管理、協(xié)作工具和實(shí)時分析結(jié)合在一起的產(chǎn)品開發(fā)云平臺，支持將利益相關(guān)者連接在一個統(tǒng)一且安全的云工作空間中，使產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以有更多的時間進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免被軟件和文件的運(yùn)行、管理所困擾[8]。

PTC公司認(rèn)為，旗下基于SaaS的云架構(gòu)CAD軟件Onshape能夠?qū)?qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、協(xié)作工具和實(shí)時分析結(jié)合在一起，非常適合遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)靈活的公司，使工程師可以在任何地方，任何時間，任何設(shè)備上協(xié)同工作[9]。云架構(gòu)CAD軟件須具備以下5個方面的特質(zhì)：①實(shí)時設(shè)計(jì)視圖和協(xié)作工作流，以進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)審閱和并發(fā)設(shè)計(jì)編輯；②內(nèi)置的版本控制和數(shù)據(jù)管理，無需單獨(dú)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)；③帶有編輯部件的同步物料清單(Bill of Material, BOM)表；④強(qiáng)大的REST API，可改善整個系統(tǒng)的集成；⑤支持基于角色的訪問，AES-256加密等安全性配置。

Autodesk公司認(rèn)為，云架構(gòu)CAD軟件是一種可在本地瀏覽器中或通過Web或移動應(yīng)用程序運(yùn)行，無需像傳統(tǒng)CAD軟件一樣安裝在本地計(jì)算機(jī)上。它們的大多數(shù)功能與傳統(tǒng)CAD軟件相同，但軟件更新是通過遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，通常每月或每年訂購獲取[10]。

Dassault公司認(rèn)為，云架構(gòu)化的3DEXPERIENCE工業(yè)軟件套件能夠在獨(dú)立的云平臺上將業(yè)務(wù)的各個方面整合在一起，以增強(qiáng)協(xié)作，改善執(zhí)行力并加速創(chuàng)新[11]。

Simense PLM Software公司認(rèn)為，云架構(gòu)CAD軟件等SaaS工業(yè)軟件通過云桌面提供了多種部署模型。隨著工業(yè)軟件由本地端向SaaS軟件發(fā)展，用戶能夠隨時隨地訪問云架構(gòu)化的應(yīng)用程序，支持企業(yè)在研發(fā)團(tuán)隊(duì)、供應(yīng)商和客戶的全球網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)展，協(xié)作并提高生產(chǎn)力[12]。

山大華天軟件有限公司首席技術(shù)官&技術(shù)研究院院長梅敬成博士認(rèn)為，云架構(gòu)CAD軟件就是在線建模CAD軟件。云架構(gòu)CAD軟件可以部署在公有云，也可以部署在私有云，具有云存儲、云計(jì)算、云服務(wù)、跨平臺的云端協(xié)同特點(diǎn)，尤其是可以在國產(chǎn)操作系統(tǒng)上部署和使用，非常適合于自主可控要求高的工業(yè)領(lǐng)域[13]。

可以看出，針對云架構(gòu)CAD軟件在工業(yè)軟件體系中的應(yīng)用需求與覆蓋范圍，其相關(guān)的定義在描述上雖然存在一定的差異，但是都圍繞著“云架構(gòu)化”與“CAD”兩個核心概念展開。從狹義上講，云架構(gòu)CAD軟件是一種秉承SaaS的云計(jì)算服務(wù)模式，無需安裝客戶端程序，直接運(yùn)行于Web瀏覽器或移動APP中，能夠?yàn)槠髽I(yè)提供完全云化的產(chǎn)品遠(yuǎn)程實(shí)時設(shè)計(jì)審閱、交流和協(xié)同編輯服務(wù)的協(xié)同CAD軟件。從廣義上講，云架構(gòu)CAD軟件可拓展為以“共享群智，遠(yuǎn)程協(xié)同”為驅(qū)動的，提供對產(chǎn)品全生命周期過程中的設(shè)計(jì)、仿真、制造和維護(hù)等環(huán)節(jié)的完全云架構(gòu)化的服務(wù)，是未來CAD軟件的發(fā)展趨勢。

1.2 云架構(gòu)CAD軟件的特征

綜合目前針對云架構(gòu)CAD軟件研發(fā)所涉及的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域研究成果，以及已形成的商業(yè)化CAD軟件產(chǎn)品所具備的功能特點(diǎn)，將云架構(gòu)CAD軟件所具備的特征總結(jié)為如下5點(diǎn)：

(1)遠(yuǎn)程實(shí)時協(xié)同化 云架構(gòu)CAD軟件允許一個研發(fā)團(tuán)隊(duì)中身處異地的不同設(shè)計(jì)人員同時存在于一個虛擬三維環(huán)境中，對產(chǎn)品CAD模型進(jìn)行實(shí)時查看、編輯和渲染，使得設(shè)計(jì)人員能夠借助不同的終端和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對云端的同一個產(chǎn)品CAD模型實(shí)時進(jìn)行修改和操作的過程，強(qiáng)化了在共享、使用、修改基礎(chǔ)上的實(shí)時操作性，能夠從根本上滿足并行工程的需要，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)模式。

(2)移動終端跨平臺化 云架構(gòu)CAD軟件不僅支持直接通過Web瀏覽器訪問，還支持在手機(jī)和平板電腦(iPhone，iPad或Android設(shè)備)系統(tǒng)中進(jìn)行跨平臺設(shè)計(jì)和編輯，包括所有CAD模型編輯和數(shù)據(jù)管理功能。設(shè)計(jì)人員在移動終端不僅可以審閱和瀏覽模型，還可以進(jìn)行深入的CAD應(yīng)用操作，在移動終端也能夠編輯同樣復(fù)雜的CAD模型文件。這使得CAD模型的價值能夠釋放到生產(chǎn)、營銷、維修以及供應(yīng)商等下游環(huán)節(jié)，增強(qiáng)了交流協(xié)作性。

(3)削弱對計(jì)算機(jī)硬件要求 云架構(gòu)CAD軟件從根本上改變了企業(yè)對計(jì)算機(jī)硬件定期或不定期迭代升級的需求，所有的CAD圖形處理均基于云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)，大幅度降低了對本地計(jì)算機(jī)硬件，尤其是GPU硬件矢量計(jì)算性能的要求。同時，隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，云架構(gòu)CAD軟件在處理超大型裝配體模型方面的能力也逐漸提升。

(4)提升產(chǎn)品數(shù)據(jù)安全型與兼容性 云架構(gòu)CAD軟件能夠?qū)崟r為企業(yè)和用戶提供最新版本的云端CAD建模、仿真以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理服務(wù)，確保企業(yè)和用戶始終使用的是最新版本的CAD軟件，所創(chuàng)建和生成的CAD模型以及相關(guān)文件數(shù)據(jù)也是最新版本，并支持實(shí)時云端存儲與調(diào)用，確保了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的安全性與兼容性。

(5)支持基于角色訪問的拓展功能集成 云架構(gòu)CAD軟件能夠支持集中式用戶身份驗(yàn)證，并建立統(tǒng)一的許可機(jī)制與增值服務(wù)購買機(jī)制，支持不同用戶根據(jù)自身需求，將CAE、CAM、PDM等附加組件拓展至個人賬戶中，并通過REST API開發(fā)出符合用戶個性化、定制化需求的集成式產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能。

1.3 云架構(gòu)CAD軟件體系框架

云架構(gòu)CAD軟件體系架構(gòu)描述的是云架構(gòu)CAD軟件的結(jié)構(gòu)形式及其各組成模塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是技術(shù)實(shí)施和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提與基礎(chǔ)。目前，專門針對云架構(gòu)CAD軟件的體系架構(gòu)研究相對較少，大部分文獻(xiàn)僅就實(shí)現(xiàn)云架構(gòu)CAD軟件的某一個或幾個模塊，提出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架。如在基于Web的三維建模與虛擬仿真領(lǐng)域，PUREVDORJ等[14]提出一種基于Web的三維模型協(xié)同參數(shù)化設(shè)計(jì)框架，在服務(wù)端通過數(shù)據(jù)融合構(gòu)建三維實(shí)體模型，并借助WebGL在客戶端Web瀏覽器中渲染，支持異地設(shè)計(jì)人員協(xié)同三維參數(shù)化建模;SUN等[15]針對砂型鑄造過程，建立了基于Web的VR-Casting砂型鑄造虛擬仿真系統(tǒng)，其組成框架包括用于管理虛擬物體的3D模型模塊、用于組織交互流程的協(xié)同定位模塊以及用于渲染逼真效果的3D渲染模塊;SHENG等[16]研發(fā)了一款針對3D打印云平臺中進(jìn)行3D建模的CAD軟件——三維模方，其架構(gòu)中的在線3D建模通過Three.js庫實(shí)現(xiàn)，Web服務(wù)器通過Node.js建立。在協(xié)同設(shè)計(jì)與可視化領(lǐng)域，KOSTIC等[17]研發(fā)了基于Web的CAD系統(tǒng)VirCADLab，其框架中采用X3DOM技術(shù)融合各類CAD程序的核心執(zhí)行邏輯，支持遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)與虛擬裝配任務(wù);MWALONGO等[18]提出一種基于WebGL與WebSocket協(xié)議的動態(tài)分子數(shù)據(jù)實(shí)時可視化編輯框架，數(shù)據(jù)編碼技術(shù)用于向?yàn)g覽器傳輸輕量級三維圖形數(shù)據(jù)，支持科學(xué)家們異地協(xié)同分析和編輯動態(tài)分子數(shù)據(jù);XIE等[19]提出一種基于Web瀏覽器的3D打印零件數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺框架，其包括客戶端、工作站端和服務(wù)端，其中工作站端通過LAN實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，服務(wù)端采用服務(wù)器級計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)云計(jì)算，三方終端通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。此外，WU等[20-21]，以及西南交通大學(xué)CAD工程中心孫林夫教授課題組的潘華等[22]、國艷群等[23]、余洋等[24]和楊靜雅等[25]分別針SaaS平臺下基于特征的CAD數(shù)據(jù)交換、多源信息動態(tài)集成安全、數(shù)據(jù)管理、面向產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的數(shù)據(jù)安全和配件庫存儲信息安全等不同應(yīng)用需求，構(gòu)建了相應(yīng)的體系框架，為研發(fā)基于SaaS平臺的云架構(gòu)CAD軟件提供了思路。

云架構(gòu)CAD軟件的研發(fā)涉及基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、SaaS云計(jì)算服務(wù)、CAD模型輕量級可視化、幾何造型、幾何約束求解、局部容差建模、CAD模型數(shù)據(jù)交換等多方面因素的耦合與集成。雖然專家與學(xué)者提出的各種云架構(gòu)CAD軟件體系架構(gòu)層次不一、覆蓋內(nèi)容各異，但是都能夠總結(jié)為“基礎(chǔ)設(shè)施→數(shù)據(jù)傳輸→數(shù)據(jù)協(xié)同集成→數(shù)據(jù)交換→建模與可視化→應(yīng)用服務(wù)”為主線的體系架構(gòu)，如圖1所示。

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層 云架構(gòu)CAD軟件用戶通過互聯(lián)網(wǎng)獲取工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的軟件化服務(wù)(如三維建模、存儲和數(shù)據(jù)庫等)，依賴于各類云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的高效協(xié)同運(yùn)作?；A(chǔ)設(shè)施層的搭建涉及工業(yè)資源虛擬化和數(shù)據(jù)云存儲兩個核心問題。在工業(yè)資源虛擬化方面，借助VMware/Hyper-V/第三方云平臺等對工業(yè)資源進(jìn)行抽象，對每一種硬件資源提供統(tǒng)一的管理邏輯和接口;在數(shù)據(jù)云存儲方面，針對私有云和公有云兩個云架構(gòu)CAD軟件的不同應(yīng)用場景，分別建立互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center, IDC)，為用戶提供互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)平臺服務(wù)(如虛擬主機(jī)、虛擬郵件等)以及各種增值服務(wù)(如負(fù)載均衡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等)。

(2)數(shù)據(jù)傳輸層 針對云架構(gòu)CAD軟件所面向的遠(yuǎn)程分布式用戶群體在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中所產(chǎn)生的模型、BOM、圖紙、文檔等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，有選擇性地通過互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線局域網(wǎng)或工業(yè)無線傳感網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳遞和交換，確保遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與時效性。同時，針對數(shù)據(jù)上云而帶來的數(shù)據(jù)隱私安全問題，建立面向SaaS平臺的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)動態(tài)集成安全數(shù)學(xué)模型，在確保數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)完整性的前提下，利用非對稱加密技術(shù)、數(shù)字簽名技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸保密性和發(fā)送信息的不可抵賴性，從而提升云架構(gòu)CAD軟件的數(shù)據(jù)安全性。

(3)CAD數(shù)據(jù)協(xié)同集成層 云架構(gòu)CAD軟件所產(chǎn)生數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多源異構(gòu)化的特性，在數(shù)據(jù)協(xié)同與數(shù)據(jù)集成方面主要包含動態(tài)發(fā)布和動態(tài)推送兩個方面。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的動態(tài)發(fā)布通過將異構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)映射功能、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換功能、查詢適配接口、數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、動態(tài)注冊功能封裝成信息發(fā)布工具來實(shí)現(xiàn);而多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的動態(tài)推送通過智能推送引擎實(shí)現(xiàn)，由事件驅(qū)動智能推送引擎對數(shù)據(jù)查詢命令進(jìn)行解析及分解，并協(xié)同化、實(shí)時化地推送給用戶。該機(jī)制不依賴集中控制來完成異構(gòu)數(shù)據(jù)的歸一化操作以及信息的注冊與發(fā)布，使其形成統(tǒng)一的資源池，并支持動態(tài)可擴(kuò)展。

(4)CAD數(shù)據(jù)交換層 在數(shù)據(jù)交換層面，采用多租戶模式構(gòu)建CAD模型數(shù)據(jù)交換機(jī)制。該機(jī)制中，不同的CAD數(shù)據(jù)交換應(yīng)用程序虛擬化到云環(huán)境中，使其成為各種單個CAD數(shù)據(jù)交換服務(wù)，進(jìn)而集成到云架構(gòu)CAD軟件中，為多個用戶提供服務(wù)，圖1中的字母X表示任意的CAD系統(tǒng)。該服務(wù)包含4個級別：①服務(wù)搜索級別,在云環(huán)境下搜索所需要的數(shù)據(jù)交換服務(wù)；②服務(wù)驅(qū)動級別,自動調(diào)用所需要的數(shù)據(jù)交換服務(wù)；③服務(wù)注冊級別,協(xié)助數(shù)據(jù)交換服務(wù)提供方將其服務(wù)注冊到云架構(gòu)CAD軟件中；④服務(wù)管理級別,在云架構(gòu)CAD軟件中管理和維護(hù)數(shù)據(jù)交換服務(wù)，如服務(wù)更新、服務(wù)狀態(tài)(聯(lián)機(jī)或脫機(jī))切換等。

(5)CAD建模與可視化層 云架構(gòu)CAD軟件其本質(zhì)為CAD軟件，因此CAD建模與可視化是根本。參考B/S架構(gòu)CAD軟件，其大致可分為4大功能服務(wù)：零件建模服務(wù)、裝配體建模服務(wù)、工程圖繪制服務(wù)、輕量級可視化處理服務(wù)。零件建模服務(wù)包括融合構(gòu)造實(shí)體幾何(Constructive Solid Geometry, CSG)與邊界表示(Boundary Representation, B-Rep)兩種模型數(shù)據(jù)表示形式的實(shí)體建模、特征建模、自由曲線/曲面建模、局部容差建模、模型檢索等服務(wù);裝配體建模服務(wù)包括3D幾何約束求解、智能裝配、3D運(yùn)動仿真等服務(wù);工程圖繪制服務(wù)包括投影變換、尺寸標(biāo)注、產(chǎn)品制造信息(Product Manufacturing Information, PMI)標(biāo)注等服務(wù);輕量級可視化處理服務(wù)是考慮到云架構(gòu)CAD軟件運(yùn)行于Web瀏覽器中，須在輪廓保真的前提下，使模型數(shù)據(jù)呈現(xiàn)輕量級特性，以滿足在Web瀏覽器中渲染與處理高效性、實(shí)時性的要求，其包括對大規(guī)模三角面片網(wǎng)格的精簡、細(xì)分、渲染、LOD層次優(yōu)化、定幀繪制、視域與遮擋剔除等服務(wù)。

(6)應(yīng)用服務(wù)層 云架構(gòu)CAD軟件為SaaS軟件，其支持通過多種終端設(shè)備(包括移動終端)進(jìn)行訪問，包括PC、Mac、移動電話和工作站等。訪問方式為直接通過Web瀏覽器訪問特定域名，由用戶輸入賬號、密碼登錄其個人賬戶，直接在Web瀏覽器中進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真和制造，包括目前主流的各種Web瀏覽器(如Chrome、Firefox、Opera、Edge、IE等)。

2 云架構(gòu)CAD軟件關(guān)鍵技術(shù)

2.1 SaaS云計(jì)算服務(wù)

SaaS是一種通過Internet提供軟件的模式，用戶無需購買軟件，而是向提供商租用基于Web的軟件，來管理企業(yè)經(jīng)營活動。SaaS模式大大降低了大型工業(yè)軟件的使用成本，軟件托管于服務(wù)器上，減少了客戶的管理維護(hù)成本，可靠性更高，是云架構(gòu)CAD軟件的主要研發(fā)和運(yùn)行模式。針對SaaS云計(jì)算服務(wù)的學(xué)術(shù)研究，主要集中在面向SaaS平臺的多源信息協(xié)同集成以及云設(shè)計(jì)/制造服務(wù)模式。

2.1.1 面向SaaS平臺的多源信息協(xié)同集成

在面向SaaS平臺的多源信息協(xié)同集成領(lǐng)域，潘華等[22]研究了面向產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同SaaS平臺的多源信息動態(tài)集成安全技術(shù)，建立了多源信息動態(tài)集成安全的數(shù)學(xué)模型，并提出了面向產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同SaaS平臺的多源信息動態(tài)集成安全解決方案;國艷群等[23]研究了基于開放架構(gòu)的SaaS服務(wù)平臺數(shù)據(jù)管理技術(shù)，以優(yōu)化緩存管理策略的思路解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)訪問問題;余洋等[24]提出了面向產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同SaaS平臺的數(shù)據(jù)安全模型，分別利用傳輸安全模塊和存儲安全模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的安全傳輸與存儲;楊靜雅等[25]研究了汽車產(chǎn)業(yè)鏈SaaS平臺配件庫存信息集成安全技術(shù)，構(gòu)建了SaaS平臺多源配件信息動態(tài)集成安全模型，并對模型進(jìn)行了抽象數(shù)學(xué)描述;FAN等[26]提出一種信息集成的結(jié)構(gòu)化環(huán)境，可以為SaaS服務(wù)提供增強(qiáng)的個性化質(zhì)量和性能?？梢钥闯?，面向SaaS平臺的多源信息集成技術(shù)得到了廣泛的研究，但目前的研究范圍局限于對數(shù)據(jù)和文本文件等多源信息進(jìn)行集成，針對三維CAD模型文件所包括的三維圖形信息、特征信息、PMI信息等研究甚少；另外，在面向云架構(gòu)CAD軟件協(xié)同設(shè)計(jì)過程所產(chǎn)生實(shí)時信息的集成技術(shù)方面還有待突破。

2.1.2 面向SaaS平臺的云設(shè)計(jì)/制造服務(wù)模式

在面向SaaS平臺的云設(shè)計(jì)/制造服務(wù)模式領(lǐng)域，REZAEI等[27]等提出一種SaaS云化語義交互式操作框架，顯著地提升了在云計(jì)算環(huán)境中SaaS軟件語義交互性操作的有效性;CALVO等[28]開發(fā)了一款SaaS云架構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，其包括三維建模器、結(jié)構(gòu)分析求解器、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)求解器和圖形文檔渲染器，并開發(fā)了CAD模塊的初步版本，支持以DXF格式輸出二維圖紙;ABTAHI等[29]提出一種質(zhì)量驅(qū)動的SaaS云設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)，通過將云環(huán)境下用戶對產(chǎn)品的質(zhì)量反饋信息轉(zhuǎn)化為技術(shù)設(shè)計(jì)要求，提升了產(chǎn)品的市場競爭力;李伯虎等[30]提出一種智能工業(yè)系統(tǒng)的智慧云設(shè)計(jì)技術(shù)，研究了智能工業(yè)系統(tǒng)持續(xù)演化運(yùn)行模式、智能算法統(tǒng)一描述框架，以及基于虛實(shí)融合的智能算法模型訓(xùn)練及遷移方法;SHENG等[31]提出一種面向生產(chǎn)線數(shù)字孿生虛擬模型云設(shè)計(jì)的輕量化3D網(wǎng)格模型虛擬裝配方法，解決了輕量化3D網(wǎng)格模型由于缺乏B-Rep數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)而導(dǎo)致的裝配約束表達(dá)與求解困難的問題，借助WebGL實(shí)現(xiàn)了輕量化3D網(wǎng)格模型的特征識別和虛擬裝配。此外，文獻(xiàn)[14-15]和文獻(xiàn)[17]也分別就SaaS云設(shè)計(jì)中的協(xié)同參數(shù)化設(shè)計(jì)、制造虛擬仿真和協(xié)同虛擬裝配等方面進(jìn)行了研究?？梢钥闯?，雖然相關(guān)學(xué)者取得了一定的成果，但是針對復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)體模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、特征建模、幾何約束求解等基礎(chǔ)核心技術(shù)的研究，仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。

2.2 3D模型輕量級可視化

3D模型輕量級可視化技術(shù)是將表征3D數(shù)字模型的各類數(shù)據(jù)在Web瀏覽器中實(shí)現(xiàn)3D可視化的關(guān)鍵技術(shù)。鑒于Web瀏覽器中進(jìn)行3D渲染以及遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)驅(qū)動模型數(shù)據(jù)輕量化的要求，其對于研發(fā)云架構(gòu)CAD軟件所牽扯的CAD模型云端輕量級可視化具有重大意義。針對3D模型輕量級可視化的學(xué)術(shù)研究，主要集中在3D模型輕量化幾何處理算法以及3D渲染仿真可視化兩個方面。

2.2.1 3D模型輕量化幾何處理算法

在3D模型輕量化幾何處理算法領(lǐng)域，劉云華等[32]提出一種精度可控的三維CAD網(wǎng)格模型，其采用曲面內(nèi)部插值與邊界曲線插值相結(jié)合的輕量化分類細(xì)分算法來實(shí)現(xiàn)模型精度調(diào)整，可滿足三維CAD系統(tǒng)對模型精度可控、減少網(wǎng)格數(shù)量的需要;LIU等[33]提出一種基于智能信息精簡的大規(guī)模裝配體模型輕量化處理算法，從零部件(包括子裝配體和零件)、特征和外觀幾何3個級別(從粗到精)精簡三維CAD模型的數(shù)據(jù)量，并運(yùn)用諸如組件壓縮、特征簡化和孔洞接縫等3D圖形學(xué)處理技術(shù)，最終采用一個外殼模型表征裝配體的整體輪廓;WEN等[34]基于漸進(jìn)網(wǎng)格(Progressive Meshes, PM)提出一種相似度感知的3D網(wǎng)格數(shù)據(jù)約簡方法，稱為輕量級漸進(jìn)網(wǎng)格(Lightweight PM, LPM)，通過挖掘3D模型中的相似組件，在刪除冗余組件后生成剩余每個組件的PM表示，并使用稱為輕量級場景圖的結(jié)構(gòu)來組織所有處理后的數(shù)據(jù);NGUYEN等[35]提出一種基于三角形網(wǎng)格表示和邊界表示(B-rep)相結(jié)合的三維CAD模型輕量級表示方法，并研究了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及從B-Rep數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成該模型的數(shù)據(jù)交換方法，對于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)具有重要意義;KWON等[36]提出一種面向大規(guī)模工廠設(shè)計(jì)的3D模型適應(yīng)性輕量化處理方法，通過定義語義級別(Level of Semantics, LOS)簡化具有各種語義特征的CAD模型，其精簡程度可達(dá)到80%以上;薛俊杰等[37]提出一種復(fù)雜產(chǎn)品三維模型輕量化服務(wù)構(gòu)建方法，采用改進(jìn)模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出與空間索引生成方法，能夠在模型輕量化過程中保留復(fù)雜產(chǎn)品模型裝配樹與標(biāo)注信息，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于面片密度的自適應(yīng)面片簡化算法,能夠在滿足誤差要求的條件下對幾何模型面片進(jìn)行自適應(yīng)簡化?？梢钥闯?，目前針對3D模型輕量化處理技術(shù)的研究，更多地集中在面向Web瀏覽器環(huán)境下模型流暢渲染的網(wǎng)格精簡、網(wǎng)格細(xì)分、網(wǎng)格層次細(xì)節(jié)優(yōu)化等3D數(shù)字幾何處理算法上，雖然已經(jīng)取得了豐富的研究成果，并且在某些領(lǐng)域得到了應(yīng)用，然而針對特征建模、NURBS自由曲面建模等云架構(gòu)CAD軟件需要具備的核心建模功能，CAD模型數(shù)據(jù)表示需要融合三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與B-Rep拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，目前針對該類3D模型的輕量化處理研究仍然較少，需要相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者進(jìn)行更為深入的研究。

2.2.2 3D渲染仿真可視化

在3D渲染仿真可視化領(lǐng)域，XU等[38]提出一種結(jié)合建筑信息可擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(Industry Foundation Classes, IFC)和WebGL技術(shù)在Web瀏覽器中創(chuàng)建3D可視化BIM模型的方法，研究了將IFC特定屬性編碼轉(zhuǎn)換為OBJ三維格式文件的轉(zhuǎn)換方法，并基于WebGL設(shè)計(jì)了三層結(jié)構(gòu)可視化平臺，能夠在Web瀏覽器中穩(wěn)定地渲染BIM模型;ZHOU等[39]提出基于Web3D的大型復(fù)雜網(wǎng)格模型輕量級可視化框架S-LPM，其包括一個基于Dijkstra算法的網(wǎng)格分割操作和一個基于體素的重復(fù)檢測/刪除操作，上述兩種幾何運(yùn)算大幅度減少了通過Internet傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，提升了傳輸速度，并通過轉(zhuǎn)換對齊部分的傳輸數(shù)據(jù)，能夠在Web瀏覽器中顯示完整的3D模型;LIU等[40]提出用于Web3D場景協(xié)作渲染動態(tài)可視化的框架Cloud Baking，其中云渲染器使用全局照明(Global Illumination, GI)信息渲染場景實(shí)現(xiàn)，而Web瀏覽器端渲染器僅使用環(huán)境照明來渲染場景，并將其與從云渲染器中接收到的GI映射進(jìn)行混合，以生成最終場景，該方式允許用戶與Web場景進(jìn)行交互式操作，并將全局照明計(jì)算等繁重的計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移到云端執(zhí)行;陳中原等[41]提出面向Web3D數(shù)據(jù)約簡的基于八叉樹的輕量級場景結(jié)構(gòu)，通過對3D場景進(jìn)行分離和層次劃分，對模型單元進(jìn)行匹配剔除，對八叉樹進(jìn)行結(jié)構(gòu)變換，最終建立自頂向下的輕量級場景結(jié)構(gòu)，最大程度地降低3D場景的數(shù)據(jù)量;周文等[42]提出支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM)學(xué)習(xí)框架下的Web3D輕量級模型檢索算法，首先對模型進(jìn)行簡化處理，投影三維模型為多個視點(diǎn)圖像，其次使用支持向量機(jī)在草圖數(shù)據(jù)集上學(xué)習(xí)規(guī)則，并根據(jù)規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的視點(diǎn)圖像分類，獲得最佳視點(diǎn)圖像，最終對視點(diǎn)圖像提取梯度直方圖特征并進(jìn)行K-means聚類和索引，獲得三維模型的特征字典;邵威等[43]提出一套視點(diǎn)無關(guān)的Web3D協(xié)作式全局光照渲染系統(tǒng)，其由負(fù)責(zé)全局光照的云渲染器和負(fù)責(zé)直接光照的Web渲染器構(gòu)成，并將用戶行為作為計(jì)算全局光照范圍和頻率重要參考依據(jù)，以解決Web3D動態(tài)光照實(shí)時渲染問題。上述3D渲染仿真可視化領(lǐng)域的研究成果，均為研發(fā)云架構(gòu)CAD軟件奠定了良好的理論基礎(chǔ)。同時，針對云架構(gòu)CAD軟件所面向的CAD模型尖銳特征較多的特性，目前仍然缺乏一定的研究基礎(chǔ)，需要在后續(xù)的研究工作中更多地關(guān)注。

2.3 三維幾何造型

對于三維CAD軟件而言，三維幾何造型是最核心且重要的功能，尤其是1985年，Samuel Geisberg博士創(chuàng)建了PTC公司，提出了“全參數(shù)化三維建模”思想以及Pro/Engineer軟件，改變了過去CAD軟件沒有尺寸參數(shù)驅(qū)動的歷史，更加符合設(shè)計(jì)人員的構(gòu)思習(xí)慣。如今的三維CAD軟件無不采用基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計(jì)的參數(shù)化特征建模思想，并逐步拓展到云架構(gòu)CAD系統(tǒng)的研發(fā)中。

2.3.1 幾何造型內(nèi)核

CAD軟件實(shí)現(xiàn)幾何建模的核心在于幾何造型內(nèi)核(Geometric Modeling Kernel)的研發(fā)。1973年，Ian Braid從劍橋大學(xué)畢業(yè)，并于1974年和他的導(dǎo)師Charles Lang及同窗Alan Grayer創(chuàng)辦了Shape Data公司，基于Fortran語言開發(fā)出第一代實(shí)體造型商品系統(tǒng)Romulus，此即為當(dāng)今幾何造型內(nèi)核巨頭Parasolid的前身[44]，Parasolid已成為當(dāng)前CAD系統(tǒng)中性能最穩(wěn)定的通用幾何開發(fā)平臺之一。1986年，美國的Spatial Technology公司以波音公司于1980～1985年開發(fā)的CAD系統(tǒng)TIGER為基礎(chǔ)，推出了ACIS內(nèi)核[45]。2000年，Dassault收購了Spatial Technology公司，為CATIA軟件基于ACIS內(nèi)核進(jìn)行研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，而后Dassault將CATIA V5軟件的底層平臺獨(dú)立出來，發(fā)布了其自主內(nèi)核CGM Modeler[46]。PTC公司則完全自主研發(fā)了PTC Creo GRANITE內(nèi)核[47]，為旗下的Creo軟件(原Pro/Engineer軟件)的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。而法國Matra Datavision公司則另辟蹊徑，基于著名的EUCLID軟件推出了一套開源幾何造型內(nèi)核Open CASCADE，簡稱OCC[48]，其提供了點(diǎn)、線、面、體和復(fù)雜形體的顯示和交互操作，為中小型企業(yè)開發(fā)自主化CAD/CAM軟件提供了便利。

目前，采用Parasolid內(nèi)核的CAD軟件主要有SIEMENS PLM Software旗下的NX和SolidEdge，以及Dassault旗下的SolidWorks軟件。采用PTC Creo GRANITE內(nèi)核的CAD軟件主要是PTC研發(fā)的Creo軟件。1993年，Autodesk與Spatial Technology簽約，在ACIS內(nèi)核的基礎(chǔ)上開發(fā)出MDT三維參數(shù)化特征設(shè)計(jì)系統(tǒng)，而在2000年左右，Autodesk購買了ACIS源代碼并經(jīng)過自主研發(fā)與迭代升級，推出了旗下的CAD軟件Inventor，其所采用的自主內(nèi)核與ACIS差異已十分明顯。同樣，作為Dassault旗下的CAD軟件，CATIA并非基于CGM Modeler內(nèi)核研發(fā)，而是擁有獨(dú)立自主的幾何造型內(nèi)核。而采用OCC內(nèi)核的主要為諸如FreeCAD等開源低成本小型CAD軟件。

由此可知，在CAD軟件發(fā)展的早期，Parasolid和ACIS內(nèi)核憑借穩(wěn)定的性能以及相對獨(dú)立的發(fā)展模式，孕育出了一批又一批的商業(yè)化CAD軟件，同時也擁有了廣泛的行業(yè)認(rèn)可度以及市場占有率。而隨著各大CAD軟件逐步邁入成熟期，以及市場競爭的日益激烈，如今主流的商業(yè)化CAD軟件廠商普遍希望自家產(chǎn)品擁有獨(dú)立自主的幾何造型內(nèi)核，以提升產(chǎn)品的核心競爭力。目前，諸如Parasolid、ACIS等主流內(nèi)核均未發(fā)布其面向云架構(gòu)CAD軟件的商業(yè)化解決方案，反而是一位名叫Michael Molinari的程序員在GitHub中發(fā)布了一項(xiàng)基于容器技術(shù)(Docker)的項(xiàng)目FC-Docker[49]，成功地將基于OCC內(nèi)核的FreeCAD軟件改造為支持Web瀏覽器訪問的云架構(gòu)CAD軟件，其幾何造型、3D渲染等工作均能夠在服務(wù)端完成。

2.3.2 張量積曲面建模與特征建模

對于現(xiàn)代CAD軟件而言，研究幾何造型內(nèi)核的核心思想在于，采用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對CAD模型相關(guān)信息進(jìn)行組織和描述，確保所創(chuàng)建CAD模型的準(zhǔn)確性、完整性和唯一性，便于快捷地存儲和處理。自CAD軟件誕生以來，三維幾何造型技術(shù)經(jīng)歷了從線框、曲面、實(shí)體到特征的變遷，時至今日，張量積曲面建模和特征建模仍然是現(xiàn)代CAD軟件最為核心的建模方式。

張量積曲面建模(tensor product surface modeling)是指采用張量積曲面作為CAD模型數(shù)據(jù)表示。目前，比較有代表性的張量積曲面有Bezier曲面[50]、B樣條曲面、非均勻有理B樣條(Non-Uniform Rational B-Spline, NURBS)曲面[51]。Bezier曲面具有局部控制能力不足、多段曲面不能光滑連接等缺陷，而B樣條曲面相較于Bezier曲面具有一定的局部控制能力，卻不能精確描述含有圓錐曲線和二次曲面的機(jī)械零件;NURBS曲面通過在一般B樣條曲面中引入權(quán)因子w，實(shí)現(xiàn)了對初等曲線、解析曲線曲面的統(tǒng)一數(shù)學(xué)描述，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)也將NURBS作為定義工業(yè)產(chǎn)品幾何形狀的唯一數(shù)學(xué)表達(dá)形式，而在著名的WebGL圖形庫Three.js中，已經(jīng)開發(fā)出針對Bezier和NURBS曲面在Web瀏覽器中建模與渲染的解決方案[7]，其對于在云架構(gòu)CAD軟件中開發(fā)NURBS曲面建模功能，具有借鑒意義。

特征建模(feature modeling)基于實(shí)體建模(solid modeling)的概念發(fā)展而來，其在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上抽取具有工程語義要素的“特征”，以對CAD模型進(jìn)行具有工程語義描述和操作[52]。隨著PTC提出“全參數(shù)化三維建?！彼枷?，使得特征建模過程融入了尺寸參數(shù)和幾何約束的因素，不僅更符合設(shè)計(jì)人員構(gòu)思習(xí)慣，還有助于創(chuàng)建尺寸精度更高且符合工程實(shí)際要求的CAD模型。

綜上所述，現(xiàn)代CAD軟件三維建模往往采用“NURBS曲面建模+特征建?！钡男问?，所創(chuàng)建的CAD模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)部基于CSG方式存儲特征參數(shù)并記錄建模過程，基于B-Rep方式存儲形體數(shù)據(jù)信息。然而，為滿足Web環(huán)境對云架構(gòu)CAD軟件所創(chuàng)建特征模型傳輸、處理與渲染高效性和快速性的要求，針對三維幾何造型的理論方法研究需要更加關(guān)注模型數(shù)據(jù)在確保輕量化的前提下，保留“NURBS+特征驅(qū)動”的屬性，這也為云架構(gòu)CAD軟件的幾何造型內(nèi)核研發(fā)提出了更高的要求。

2.3.3 基于模型的定義(MBD)

基于模型的定義(Model Based Definition, MBD)是現(xiàn)代CAD軟件向“全三維設(shè)計(jì)”時代邁進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)[53]，MBD技術(shù)的發(fā)展使得CAD模型能夠表達(dá)零件完整的設(shè)計(jì)信息、工藝信息、產(chǎn)品屬性以及管理信息。而針對云架構(gòu)CAD軟件研究MBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)，不但能夠充分發(fā)揮云架構(gòu)CAD軟件作為SaaS工業(yè)軟件在支持產(chǎn)品全生命周期云端協(xié)同設(shè)計(jì)與維護(hù)領(lǐng)域的天然優(yōu)勢，而且對于所創(chuàng)建CAD模型進(jìn)一步邁向數(shù)字孿生層級虛擬模型具有重要價值。

目前，針對云架構(gòu)CAD軟件研究其MBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)，首先需要突破在Web環(huán)境中實(shí)現(xiàn)CAD模型產(chǎn)品制造信息(PMI)以及幾何公差(Geometric Dimensioning and Tolerancing, GD&T)的三維可視化技術(shù)。LIPMAN等[54]提出一種使CAD模型幾何信息、PMI以及GD&T信息在STEP文件中表示的方法，用于在下游的CAM軟件中檢查STEP文件中PMI以及GD&T信息的一致性，然而該方法僅適用于傳統(tǒng)的CAD/CAM客戶端軟件;汪耀[55]研究了一種面向Web的MBD模型顯示瀏覽方法，提取NX軟件所創(chuàng)建MBD模型的幾何信息、PMI以及GD&T信息并封裝為WebGL可直接解析的JSON文件，同時解決了PMI以及GD&T信息與其所關(guān)聯(lián)CAD模型空間位姿一致性的問題;HALLMANN等[56]從STEP AP242標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式文件中提取CAD模型PMI以及GD&T信息，并將其與CAD模型對應(yīng)的STL格式文件進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終通過WebGL進(jìn)行在線3D渲染。融合后的模型數(shù)據(jù)可用作設(shè)計(jì)、仿真、制造以及檢驗(yàn)的接口，有助于PLM流程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性;王曉旭[57]結(jié)合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種MBD模型數(shù)據(jù)輕量化處理方法，基于改進(jìn)的非遞歸深度優(yōu)先遍歷算法和改進(jìn)的自適應(yīng)哈夫曼壓縮算法對MBD模型按需求進(jìn)行提取，解決了云端存儲的MBD模型傳輸?shù)奖镜貞?yīng)用中面臨的數(shù)據(jù)量大、渲染幀率低、傳輸速度慢等問題。上述成果均為在云架構(gòu)CAD軟件中實(shí)現(xiàn)MBD模型的可視化提供了研究思路。

以MBD模型驅(qū)動的遠(yuǎn)程協(xié)同方法研究，也是云架構(gòu)CAD軟件中MBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)。SHI等[58]開發(fā)了基于Web Service的計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)(Computer Aided Process Planning, CAPP)和制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)集成平臺i-Plane，實(shí)現(xiàn)了異地設(shè)計(jì)人員針對飛機(jī)零部件MBD模型的協(xié)同可視化與實(shí)時討論;CAMBA等[59]提出一種將攜帶有PMI以及GD&T信息的CAD模型在PLM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步通信的方法，為實(shí)現(xiàn)基于MBD模型的產(chǎn)品云端協(xié)同設(shè)計(jì)、審閱以及修改提供了同步通信的技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理;周新杰等[60]根據(jù)產(chǎn)品全生命周期不同階段的需求實(shí)現(xiàn)不同MBD標(biāo)注，形成諸如設(shè)計(jì)模型、工藝模型等不同類別MBD模型，重塑數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造流程，實(shí)現(xiàn)基于MBD模型的PLM協(xié)同。由此可知，MBD技術(shù)已成為PLM全流程中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)同操作的主流方向，這與云架構(gòu)CAD軟件所具備的設(shè)計(jì)協(xié)同化、功能集成化相契合，后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)放在云架構(gòu)CAD軟件中MBD模型輕量化數(shù)據(jù)表示，以及云—端協(xié)同的MBD模型實(shí)時繪制技術(shù)方面。

2.3.4 幾何約束求解

幾何約束求解(Geometric Constraint Solving, GCS)被認(rèn)為是CAD自動化幾何造型的核心問題。目前，眾多CAD軟件均以SIMENSE PLM Software公司的DCM(dimensional constraint manager)作為幾何約束求解器，包括SolidWorks和NX等。在國內(nèi)，諸如中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院的高小山教授研究團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系的孫家廣院士研究團(tuán)隊(duì)、華中科技大學(xué)CAD中心的陳立平教授研究團(tuán)隊(duì)和浙江大學(xué)CAD/CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的董金祥教授研究團(tuán)隊(duì)等均從不同角度、不同層面開展了針對幾何約束求解領(lǐng)域的研究工作[61-62]。然而，由于國內(nèi)研發(fā)自主化CAD軟件的驅(qū)動力不足，導(dǎo)致尚未出現(xiàn)完全自主的商業(yè)化幾何約束求解器，大都停留在原型系統(tǒng)。

針對幾何約束求解問題，當(dāng)今主流的策略大致可分為：數(shù)值求解法、符號代數(shù)法、圖論法。數(shù)值求解法的本質(zhì)是求解含有幾何圖元信息的方程組，其基本思想是“分而治之”，將大規(guī)模約束系統(tǒng)分解為獨(dú)立可解的子約束系統(tǒng)集合進(jìn)行求解，而對于不能再分解的子系統(tǒng)則采用數(shù)值方法進(jìn)行求解[63]。符號代數(shù)法能夠有效解決數(shù)值求解法執(zhí)行效率較低、初值敏感度較高的問題，其具有良好的分解性能，能夠確定幾何約束方程組的求解順序，比較典型的有Wu-Ritt特征列法[64]和Grobner基方法[65]，雖然相較于數(shù)值求解法，符號代數(shù)法可以對約束屬性做出有效判斷，但是求解速度較慢，其執(zhí)行的時間和空間復(fù)雜度均較高，對于云架構(gòu)CAD系統(tǒng)的高效率運(yùn)行而言均為不利的因素。而在圖論法領(lǐng)域，OWEN[66]針對具有循環(huán)約束屬性的幾何約束系統(tǒng)，提出三角分解法，并基于該理論開發(fā)了著名的幾何約束求解器(Dimensional Constraint Manager, DCM)。目前，DCM已被公認(rèn)為最成功的商業(yè)化幾何約束求解器，它將基于自底向上的圖論法方法作為約束求解的核心方法。圖論法具有理論嚴(yán)謹(jǐn)、效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合云架構(gòu)CAD軟件所面臨高并發(fā)、欠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因此，針對云架構(gòu)CAD軟件的幾何約束求解研究，應(yīng)該對現(xiàn)有圖論法研究成果進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)與優(yōu)化，尤其是在降低求解算法計(jì)算復(fù)雜度、基于幾何約束圖動態(tài)更新機(jī)制的在線增量求解[67]等領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注。

2.4 CAD模型數(shù)據(jù)交換

在基于云的設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，不同的協(xié)作伙伴廠商通常使用不同的CAD軟件生成不同類型CAD模型數(shù)據(jù)，因此需要研究使不同類型CAD模型數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)低損甚至無損的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，即產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換(Product Data Exchange, PDE)。IBM公司曾經(jīng)發(fā)起過一項(xiàng)產(chǎn)品全生命周期開放標(biāo)準(zhǔn)OSLC，其使用“語義網(wǎng)”定義數(shù)據(jù)表示、系統(tǒng)和PLM軟件的活動域[68]，OSLC可以被認(rèn)為是一種早期的PDE機(jī)制。針對CAD模型數(shù)據(jù)交換領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究，主要集中在基于幾何的數(shù)據(jù)交換機(jī)制以及基于特征的數(shù)據(jù)交換機(jī)制兩個方面。

2.4.1 基于幾何的數(shù)據(jù)交換機(jī)制

在PDE領(lǐng)域，基于幾何的數(shù)據(jù)交換機(jī)制(Geometry-Based Data Exchange, GBDE)于1985年左右在學(xué)術(shù)領(lǐng)域被首次提出，現(xiàn)已在工業(yè)界獲得成功應(yīng)用，如1994年版的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)頒布的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(Standard for the Exchange of Product model data, STEP)能夠?qū)-Rep形式的CAD模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[69]。如今，幾乎所有商業(yè)化CAD軟件均支持基于STEP格式的CAD模型數(shù)據(jù)交換。然而，GBDE會丟失能夠反映CAD模型設(shè)計(jì)意圖的特征、CSG樹、尺寸參數(shù)以及幾何約束等信息，導(dǎo)致GBDE機(jī)制較難支持云端協(xié)同產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境下基于特征的建模、檢索、重用，以及CAD、CAE和CAM的集成化。

2.4.2 基于特征的數(shù)據(jù)交互機(jī)制

鑒于GBDE存在數(shù)據(jù)交換后容易丟失特征、CSG樹、尺寸參數(shù)以及幾何約束的問題，近十年來，基于特征的數(shù)據(jù)交換機(jī)制(Feature-Based Data Exchange, FBDE)正逐漸在學(xué)術(shù)界和工業(yè)軟件領(lǐng)域得到關(guān)注和研究。例如，為了建立FBDE的標(biāo)準(zhǔn)，ISO TC 184/SC4于1995年開始基于WG2(零件庫)和WG3(應(yīng)用協(xié)議)的參數(shù)小組項(xiàng)目，該小組于1997年被移至新的WG12(集成資源)中。其中，ISO 10303-55所發(fā)布的STEP標(biāo)準(zhǔn)提供了建模歷史數(shù)據(jù)交換機(jī)制[70]。然而，目前針對FBDE的研究，無論是宏命令方法(Macro-command)，還是通用產(chǎn)品表示方法(Universal Product Representation)，主要思路仍然集中于在對CAD模型幾何形狀保留的前提下恢復(fù)其建模歷史數(shù)據(jù)，對于特征參數(shù)的交換傳遞研究甚少，導(dǎo)致特征識別后所重構(gòu)CAD模型特征參數(shù)丟失。

在Web環(huán)境下，CAD模型數(shù)據(jù)交換服務(wù)領(lǐng)域也取得了一定的學(xué)術(shù)研究成果，如CHEN等[71]使用Web服務(wù)技術(shù)，基于中性建模命令和CAD軟件的API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同CAD軟件之間的模型數(shù)據(jù)交換;KIM等[72]提出了基于并行策略的CAD模型檢索服務(wù)方法WSC(Web services for CAD)，當(dāng)基于WSC檢索裝配模型數(shù)據(jù)時，可以使用并行Web服務(wù)降低檢索時間成本;LI等[73]研究了基于Web的零件庫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了零件庫在企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)之間的信息共享;WANG等[74]提出一種面向服務(wù)且支持交互式操作的云制造系統(tǒng)，以及一種用于分布式交互操作制造平臺(Distributed Interoperable Manufacturing Platform, DIMP)的協(xié)同產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換機(jī)制;WU等[20]提出一種面向服務(wù)的FBDE架構(gòu)，其中FBDE被注冊為服務(wù)，提出了面向服務(wù)的FBDE的P2P方法，并詳細(xì)討論了P2P體系結(jié)構(gòu)中FBDE即服務(wù)的技術(shù)問題。此外，WU等[75]還提出一種面向云端協(xié)同設(shè)計(jì)的新型安全化產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換機(jī)制CBCD，并提出一種用于安全機(jī)制的基于網(wǎng)格的幾何變形方法，在保留源模型敏感信息的同時，能夠最大程度降低數(shù)據(jù)交換錯誤率。

上述Web環(huán)境下CAD模型數(shù)據(jù)交換服務(wù)的研究，對于在云架構(gòu)CAD軟件中實(shí)現(xiàn)不同類型CAD模型數(shù)據(jù)交換具有一定的積極意義。同時，針對云架構(gòu)CAD軟件SaaS架構(gòu)的特性，仍需在以下3方面進(jìn)行更深入的研究：①云架構(gòu)CAD軟件需要提供分布式云設(shè)計(jì)服務(wù)，因此需要研究去集中式架構(gòu)化、去中性文件化的CAD模型數(shù)據(jù)交換機(jī)制，以適應(yīng)其作為SaaS軟件云端運(yùn)行的需求;②針對目前CAD模型數(shù)據(jù)交換方法研究中所呈現(xiàn)的特征參數(shù)丟失問題，需要研究以特征參數(shù)驅(qū)動的CAD模型數(shù)據(jù)交換方法;③如何將基于云的CAD數(shù)據(jù)交換任務(wù)發(fā)布為細(xì)粒度的Web服務(wù)，并發(fā)布給云端協(xié)同設(shè)計(jì)過程中具有不同數(shù)據(jù)交換需求程度的用戶，也是云架構(gòu)CAD軟件相較于傳統(tǒng)CAD軟件在數(shù)據(jù)交換中的不同之處，需要進(jìn)一步地研究。

3 云架構(gòu)CAD軟件應(yīng)用場景

3.1 基于3D打印云平臺的在線3D建模

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，以“互聯(lián)網(wǎng)+3D打印”服務(wù)模式為基礎(chǔ)的3D打印云平臺應(yīng)運(yùn)而生。用戶可直接通過Web瀏覽器訪問平臺，并創(chuàng)建3D打印模型，借助平臺提供的多種變形設(shè)計(jì)服務(wù)，創(chuàng)建滿足用戶身份感和歸屬感的高度個性化定制3D打印模型。下面介紹幾款典型的基于3D打印云平臺的在線3D建模軟件，并通過所列舉的8種典型建模功能對各軟件進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 幾款典型的基于3D打印云平臺的在線3D建模軟件功能對比

3.1.1 TinkerCAD

TinkerCAD是由Autodesk公司開發(fā)的一款基于Web瀏覽器的3D建模工具[76]，如圖2所示。其UI界面色彩鮮艷，建模過程如同搭建積木，支持對簡易的3D幾何體進(jìn)行建模以及空間變換，支持對多種3D模型進(jìn)行布爾運(yùn)算以創(chuàng)建更為復(fù)雜的3D模型，并且還支持對軟件所預(yù)定義3D模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，適合青少年進(jìn)行在線3D建模且用于3D打印制作，降低了3D建模門檻。

同時，TinkerCAD還自帶社區(qū)功能，方便用戶上傳自身設(shè)計(jì)的3D模型到社區(qū)中，供他人分享使用。TinkerCAD作為面向3D打印云平臺在線3D建模軟件，目前已成為該領(lǐng)域的標(biāo)桿級別軟件，其對于提升大眾親身參與3D打印產(chǎn)品個性化定制的積極性，吸引非專業(yè)人士親身參與3D打印產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，真正實(shí)現(xiàn)基于3D打印云平臺的眾創(chuàng)模式，具有積極意義。

3.1.2 3DTin

3DTin是一款完全基于Web瀏覽器運(yùn)行的3D打印產(chǎn)品個性化建模軟件，由一位印度軟件工程師Jayesh Salvi研發(fā)而成，后被加拿大一家3D打印初創(chuàng)公司Lagoa收購，其開創(chuàng)了基于Web的在線建模先河[77]。3DTin支持對基本幾何體進(jìn)行建模以及空間變換，支持導(dǎo)入和導(dǎo)出STL格式模型，支持對模型進(jìn)行顏色和材質(zhì)的修改，同時還支持體素建模，從而進(jìn)一步激發(fā)了用戶創(chuàng)建個性化3D模型的潛力，如圖3所示。與TinkerCAD類似，3DTin所具備建模功能簡單易學(xué)，注重激發(fā)用戶的3D設(shè)計(jì)創(chuàng)意，適合青少年和非專業(yè)人士親身參與3D打印模型個性化定制，其與3D打印云平臺集成之后，有助于推動3D打印眾創(chuàng)模式。

3.1.3 GeekCAD

GeekCAD是一款面向中小學(xué)生參與3D打印的在線3D創(chuàng)意建模軟件[78]。該軟件直接運(yùn)行于Web瀏覽器中，尤其適合中小學(xué)生提高空間思維能力，并且可以將所設(shè)計(jì)模型與他人在社區(qū)中分享。除了和TinkerCAD同樣所具備的基本幾何體建模、布爾運(yùn)算建模、模型導(dǎo)入/導(dǎo)出等功能之外，GeekCAD最大的特色在于支持草圖特征建模(如拉伸、掃掠、旋轉(zhuǎn)等)，其操作過程與工業(yè)級CAD軟件類似，但區(qū)別在于所生成3D模型仍為三角網(wǎng)格模型而并非B-Rep實(shí)體特征模型，如圖4所示。GeekCAD定位于中小學(xué)建模教育軟件，其操作方式簡單易學(xué)，適宜部署在3D打印云平臺中以供3D打印創(chuàng)意建模教學(xué)使用，對于提高中小學(xué)生空間思維能力，吸引更多的中小學(xué)生成為3D打印創(chuàng)客，具有積極的推動作用。

3.1.4 三維模方

三維模方是由武漢理工大學(xué)盛步云教授團(tuán)隊(duì)所獨(dú)立自主研發(fā)的一款面向3D打印的在線三維創(chuàng)意建模軟件[16]。該軟件集成于3D打印云平臺“DD打印網(wǎng)”之內(nèi)，完全基于Web瀏覽器端運(yùn)行。該軟件不僅支持基本幾何體建模、布爾運(yùn)算建模、草圖特征建模等基本功能，其最大的特色在于支持?jǐn)?shù)位板、Leap Motion等人機(jī)交互設(shè)備的接入，實(shí)現(xiàn)手繪、手勢體感等人機(jī)自然交互建模操作，如圖5所示。團(tuán)隊(duì)通過研究主流網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，開發(fā)了支持外圍設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時采集、上傳以及Web瀏覽器端可視化的下位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了外圍設(shè)備接入Web應(yīng)用軟件的新模式，不僅進(jìn)一步降低了青少年和非專業(yè)人士基于3D打印云平臺親身參與3D打印模型個性化定制的門檻，還較大程度地提升了建模過程的趣味性。

3.2 基于云的工業(yè)級產(chǎn)品設(shè)計(jì)

相較于3D打印創(chuàng)意建模，工業(yè)級產(chǎn)品設(shè)計(jì)對云架構(gòu)CAD軟件提出了更高的要求，不僅需要軟件具備傳統(tǒng)CAD軟件所具備的特征建模功能，還需要支持本文1.2節(jié)所總結(jié)的5類特征，包括遠(yuǎn)程實(shí)時協(xié)同化設(shè)計(jì)、移動終端跨平臺化、對計(jì)算機(jī)硬件要求較低、數(shù)據(jù)安全性與兼容性、支持基于角色訪問的拓展功能集成。下面介紹幾款典型的面向工業(yè)級產(chǎn)品設(shè)計(jì)的云架構(gòu)CAD軟件，如表2所示。

表2 幾款典型的工業(yè)級云架構(gòu)CAD軟件特征對比

3.2.1 AutoCAD在線版

著名的二維CAD軟件AutoCAD推出其在線版(AutoCAD Web App)，如圖6所示。其能夠在Web瀏覽器或者移動APP中運(yùn)行，無需安裝在本地計(jì)算機(jī)上，能夠?qū)崿F(xiàn)客戶端軟件的絕大多數(shù)功能，其軟件更新是通過遠(yuǎn)程服務(wù)器更新實(shí)現(xiàn)的，用戶可以通過定期訂購以獲取更新[79]。該軟件能夠在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域產(chǎn)生積極價值：首先，AutoCAD在線版支持跨平臺遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)，支持工程技術(shù)人員在不同設(shè)備上繪制、編輯和查看CAD設(shè)計(jì)圖紙，在確保團(tuán)隊(duì)成員實(shí)時獲取最新設(shè)計(jì)結(jié)果的同時，增強(qiáng)企業(yè)在生產(chǎn)、營銷、維修等下游環(huán)節(jié)的交流協(xié)作性；其次，通過AutoCAD在線版能夠?qū)崟r跟蹤項(xiàng)目、共享文件以及了解項(xiàng)目進(jìn)度，簡化了工程技術(shù)人員繪制、審閱和修訂設(shè)計(jì)方案的工作流。

3.2.2 Fusion 360

Fusion 360是Autodesk公司所推出基于云的CAD/CAM/CAE工業(yè)軟件套件，支持產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)，允許設(shè)計(jì)師在任何設(shè)備上隨時立即共享、查看項(xiàng)目數(shù)據(jù)，管理版本以及查找使用位置和分享觀點(diǎn)[10]。該軟件同樣能夠在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域產(chǎn)生積極價值：首先，借助Fusion 360的協(xié)同設(shè)計(jì)功能，能夠提升工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工作效率，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作交流性；其次，F(xiàn)usion 360支持CAE仿真優(yōu)化與CAM刀具路徑生成功能，在云端打通“設(shè)計(jì)→仿真→制造”的完整工作流。如圖7所示為采用Fusion 360在移動終端以及Web瀏覽器中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時協(xié)同設(shè)計(jì)與交流的工程實(shí)際場景。

3.2.3 JSketcher

JSketcher是由一位名叫Val Erastov的程序員開發(fā)的基于JavaScript代碼的3D參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件[80],目前其代碼托管于GitHub，可進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械零件的在線設(shè)計(jì)(如圖8)。JSketcher僅需要依賴JavaScript代碼執(zhí)行，因此可以直接運(yùn)行于Web瀏覽器中，其包括幾何約束求解器、2D草圖繪制器和3D實(shí)體建模器。該軟件的實(shí)際價值在于，其僅需要Web瀏覽器解析JavaScript代碼即可實(shí)現(xiàn)在線三維建模，軟件開源且呈現(xiàn)輕量級特性，加載速度快，非常適合工業(yè)領(lǐng)域的中小型企業(yè)基于該原型系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，滿足不同企業(yè)的特定需求。然而，該軟件目前并不支持遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)，這也在一定程度上削弱了其作為云架構(gòu)CAD軟件的協(xié)同屬性。

3.2.4 Onshape

2015年，由SolidWorks創(chuàng)始人Jon Hirschtick和John McEleney帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了完全基于Web瀏覽器運(yùn)行的SaaS云架構(gòu)CAD軟件Onshape[8,9]，目前已被PTC公司收購，成為PTC旗下SaaS工業(yè)軟件的解決方案。該軟件具備主流三維CAD軟件幾乎所有的基于特征的參數(shù)化3D建模功能，并且支持異地協(xié)同設(shè)計(jì)。同時，Onshape還支持對CAE以及CAM功能的定制化功能集成，方便不同用戶結(jié)合自身需求對軟件進(jìn)行模塊化定制，如圖9所示。該軟件作為工業(yè)級云架構(gòu)CAD軟件的標(biāo)桿產(chǎn)品，對于推動工業(yè)軟件上云、用云以及云架構(gòu)化，具有重要意義：首先，Onshape支持工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)的云端異地協(xié)同設(shè)計(jì)，并且支持移動終端跨平臺化運(yùn)行，不僅強(qiáng)化了團(tuán)隊(duì)成員在CAD模型共享、使用、修改基礎(chǔ)上的實(shí)時操作性，還進(jìn)一步釋放了CAD模型在生產(chǎn)、營銷、維修以及供應(yīng)商等下游環(huán)節(jié)的價值，從根本上滿足了并行工程的需要；其次，Onshape大幅削弱了本地計(jì)算機(jī)硬件對CAD圖形處理的性能要求，大部分圖形處理可基于云計(jì)算技術(shù)在服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)，從根本上改變了企業(yè)對計(jì)算機(jī)硬件定期或不定期迭代升級的需求;此外，Onshape能夠始終為企業(yè)提供最新版本的軟件服務(wù)，數(shù)據(jù)在云端實(shí)時存儲與調(diào)用，確保了企業(yè)數(shù)據(jù)的安全性與兼容性。

3.2.5 CrownCAD

在國產(chǎn)自主化工業(yè)軟件領(lǐng)域，由華云三維科技有限公司研發(fā)了完全自主可控的新一代基于云架構(gòu)的三維CAD軟件CrownCAD[13]，支持在云端進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)等產(chǎn)品設(shè)計(jì)及創(chuàng)意工作，并且支持一鍵生成工程圖，還支持針對主流三維CAD模型的數(shù)據(jù)交換服務(wù)。工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)可以基于CrownCAD在云端進(jìn)行遠(yuǎn)程辦公和多人協(xié)同設(shè)計(jì)，其效果如圖10所示，團(tuán)隊(duì)成員對CAD模型進(jìn)行瀏覽、編輯、標(biāo)注、評審等操作時，系統(tǒng)會實(shí)時更新CAD模型，并同步到團(tuán)隊(duì)每一位成員的賬號，能夠有效提升團(tuán)隊(duì)產(chǎn)品研發(fā)的效率。

4 云架構(gòu)CAD軟件的技術(shù)挑戰(zhàn)與趨勢

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，云架構(gòu)CAD軟件的研究與應(yīng)用正面臨如圖11所示的技術(shù)挑戰(zhàn)。廣度上，云架構(gòu)CAD軟件需要從最初的機(jī)械產(chǎn)品云端三維設(shè)計(jì)，逐步拓展和延伸到產(chǎn)品仿真分析、制造、維護(hù)、服務(wù)等環(huán)節(jié)中，最終覆蓋產(chǎn)品全生命周期管理;深度上，云架構(gòu)CAD軟件需要依托虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality/Augmented Reality, VR/AR)[81]、人機(jī)交互(Human Computer Interaction, HCI)[82]、知識工程(Knowledge Engineering, KE)[83]等AI領(lǐng)域的飛速發(fā)展，逐步向5G驅(qū)動的云—端協(xié)同實(shí)時高保真繪制、多模態(tài)信息感知驅(qū)動的人機(jī)自然交互式建模等研究領(lǐng)域過渡，推動其向更高層次的協(xié)同化、智能化發(fā)展，最終向基于云的數(shù)字孿生虛擬融合建模邁進(jìn)[84]，實(shí)現(xiàn)面向制造物聯(lián)的智能設(shè)計(jì)與制造[85]。

4.1 復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品云端協(xié)同設(shè)計(jì)

復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品具有較強(qiáng)的行業(yè)屬性(如航空航天、汽車、輕工機(jī)械等)和專業(yè)特性(工藝性、成套性、高速度、高精度等)，并且為了適應(yīng)制造業(yè)自動化、智能化發(fā)展的趨勢，新一代復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程不再僅僅關(guān)注于產(chǎn)品的三維建模，而是需要多領(lǐng)域?qū)W科知識更緊密協(xié)調(diào)的集成化研發(fā)。然而，當(dāng)前主流的云架構(gòu)CAD軟件仍然更加關(guān)注于對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行三維幾何造型，缺乏將仿真優(yōu)化、電氣設(shè)計(jì)、自動控制、運(yùn)行維護(hù)等多領(lǐng)域工程技術(shù)知識融入軟件的集成化、一體化研發(fā)過程中。

因此，需要發(fā)揮云架構(gòu)CAD軟件支持云端協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，研發(fā)支持CAE、CAM、PDM等集設(shè)計(jì)、仿真、制造、數(shù)據(jù)管理為一體的云架構(gòu)CAD軟件，整合不同學(xué)科背景的工程技術(shù)人員，協(xié)同完成復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作。一方面，需要總結(jié)和歸納形成集設(shè)計(jì)、仿真、制造、數(shù)據(jù)管理等多領(lǐng)域技術(shù)于一體的SaaS軟件架構(gòu)，并抽象出在云環(huán)境中開發(fā)、部署和運(yùn)維時的基本原理。另一方面，需要研究面向復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品云端協(xié)同設(shè)計(jì)的多領(lǐng)域知識統(tǒng)一建模方法，確保產(chǎn)品在云端協(xié)同設(shè)計(jì)過程中精度、功能、性能等屬性之間的統(tǒng)一性。

4.2 5G驅(qū)動的云—端協(xié)同實(shí)時高保真繪制

云架構(gòu)CAD軟件作為完全基于云環(huán)境運(yùn)行的SaaS工業(yè)軟件，其數(shù)據(jù)處理與渲染依賴于云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，使得設(shè)計(jì)人員能夠在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)云端協(xié)同設(shè)計(jì)。然而，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境往往面臨著帶寬不統(tǒng)一，請求高并發(fā)，甚至不明網(wǎng)絡(luò)攻擊等多方面不利因素的耦合干擾，導(dǎo)致采用云端渲染處理再傳輸?shù)絎eb瀏覽器或移動終端的3D圖形繪制模式會給云端服務(wù)器帶來巨大的高并發(fā)計(jì)算壓力。該壓力輕則影響工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)的效率，重則可能醞釀工程事故，造成嚴(yán)重后果。

5G通信，即第五代移動通信技術(shù)(5th Generation Mobile Networks)，作為最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，具有覆蓋廣泛、低延遲和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，能夠使云架構(gòu)CAD軟件中三維CAD模型的云—端協(xié)同實(shí)時高保真繪制成為可能，為云架構(gòu)CAD軟件提供面向分布式異地協(xié)同設(shè)計(jì)的信息高速公路。因此，需要以5G通信技術(shù)為驅(qū)動力，研究云—端協(xié)同的CAD模型實(shí)時高保真繪制原理，將運(yùn)行在單一GPU上的3D圖形繪制流水線，借助5G通訊映射到本地或遠(yuǎn)程的多個GPU上來高效協(xié)同繪制三維CAD模型，真正做到CAD模型設(shè)計(jì)與渲染的高保真、低延遲協(xié)同。

4.3 多模態(tài)信息感知驅(qū)動的人機(jī)自然交互式建模

多模態(tài)自然人機(jī)交互是下一代人機(jī)交互的發(fā)展趨勢。當(dāng)前，無論是基于客戶端的傳統(tǒng)CAD軟件，還是已經(jīng)上線運(yùn)行的云架構(gòu)CAD軟件，大都采用“鼠標(biāo)+鍵盤”操作的人機(jī)交互方式，需要操作者經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)后方能熟練掌握軟件使用技巧，在應(yīng)對復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時建模效率低下。而多模態(tài)自然人機(jī)交互能夠感知并耦合視覺、聽覺、觸覺等多模態(tài)信息，隨后基于人工智能處理算法形成知識，并通過專家系統(tǒng)檢索形成個性化的CAD操作反饋，大幅度提升復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

因此，為使云架構(gòu)CAD軟件向著更高層次的智能化工業(yè)軟件邁進(jìn)，一方面需要研究面向CAD軟件操作的多模態(tài)信息表示和耦合技術(shù)，通過理解不同模態(tài)數(shù)據(jù)信息的語義并映射到同一計(jì)算空間中，形成個性化的CAD操作反饋以提升設(shè)計(jì)效率。另一方面，考慮到多模態(tài)信息的采集依賴于計(jì)算機(jī)外部硬件，需要研究多模態(tài)信息數(shù)據(jù)邊緣計(jì)算與云架構(gòu)CAD軟件服務(wù)端云計(jì)算的協(xié)同聯(lián)動機(jī)制，減輕云計(jì)算負(fù)荷，提升軟件響應(yīng)速度。

4.4 基于云的數(shù)字孿生虛擬融合建模

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，需要構(gòu)建制造資源物理實(shí)體在虛擬空間中的精確數(shù)字化映射，即創(chuàng)建幾何造型、制造語義特征、運(yùn)行仿真、行為/規(guī)則、事件、傳感/傳輸?shù)榷嗑S度信息融合的數(shù)字孿生虛擬模型，即數(shù)字孿生建模。當(dāng)前，云架構(gòu)CAD軟件所創(chuàng)建的數(shù)字化3D模型仍然僅能夠反映幾何造型以及部分制造語義特征，而諸如SolidWorks和NX等成熟商業(yè)化CAD軟件所創(chuàng)建MBD模型，其對于制造資源物理實(shí)體的全生命周期信息表示，仍然不足以支撐其作為數(shù)字孿生層級的虛擬模型。

因此，為充分利用云架構(gòu)CAD軟件自身作為SaaS工業(yè)軟件的特點(diǎn)，需要研究融合制造資源物理實(shí)體多維度、全生命周期屬性，且滿足云架構(gòu)CAD軟件云端高效傳輸、處理、渲染的CAD模型數(shù)據(jù)表示方法，使CAD模型數(shù)據(jù)表現(xiàn)出面向制造物聯(lián)網(wǎng)的信息物理融合特質(zhì)，讓云架構(gòu)CAD軟件成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代構(gòu)建基于云的數(shù)字孿生模型的強(qiáng)有力工具。

5 結(jié)束語

在工業(yè)軟件領(lǐng)域上云、用云、云架構(gòu)化的趨勢下，以云架構(gòu)CAD軟件為代表的新型工業(yè)軟件，正引發(fā)全球制造業(yè)產(chǎn)業(yè)形態(tài)和制造模式的重大變革。本文通過梳理國內(nèi)外云架構(gòu)CAD軟件領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了云架構(gòu)CAD軟件的概念和特征，闡述了SaaS云計(jì)算服務(wù)、3D模型輕量級可視化、三維幾何造型、CAD模型數(shù)據(jù)交換等關(guān)鍵技術(shù)，以及其在基于3D打印云平臺的在線3D建模和基于云工業(yè)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析了云架構(gòu)CAD軟件面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)與趨勢。云架構(gòu)CAD軟件的研究和應(yīng)用還處于初級階段，在智能設(shè)計(jì)和智能制造驅(qū)動的大背景下，結(jié)合5G、AI、數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步推動工業(yè)技術(shù)軟件化、智能化，仍是后續(xù)研究面臨的重大挑戰(zhàn)。