基于B/S 架構(gòu)的汽車工程數(shù)據(jù)云平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

白慶平， 馮 毅， 萬鑫銘， 周 佳， 程端前

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

隨著當今計算機信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機的應(yīng)用逐步從最初簡單的科學計算向海量數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)變。計算機在汽車工業(yè)中的應(yīng)用也從簡單的輔助制圖向CAD、CAE、CAM 等計算機輔助技術(shù)參與新產(chǎn)品開發(fā)的全流程轉(zhuǎn)變［1］，而數(shù)據(jù)和信息流成為整個產(chǎn)品開發(fā)周期中關(guān)鍵的驅(qū)動力。

汽車設(shè)計是基于大量的實踐經(jīng)驗與理論基礎(chǔ)相結(jié)合的系統(tǒng)工程，涉及專業(yè)廣、參與單位多、開發(fā)周期長且制造過程和工藝流程復雜，在整個設(shè)計研發(fā)及制造過程中產(chǎn)生了大量種類多、關(guān)系復雜的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在各階段的應(yīng)用角度不盡相同。高質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)計離不開企業(yè)長期積累的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，國外在近百年的造車歷史中通過競品分析、試驗和設(shè)計等過程的不斷積累，形成了一些優(yōu)秀的模型數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)等知識數(shù)據(jù)管理平臺，如擁有800 多款汽車解析數(shù)據(jù)的A2mac1，美國的ASM International 和MatWeb、德國的Key to Steel、瑞士的Total Materia、日本的NIMS 等可進行數(shù)據(jù)管理、分析和挖掘的汽車材料數(shù)據(jù)庫等［2］，而我國的汽車研發(fā)起步較晚，車用芯片和操作系統(tǒng)、新工藝和新材料應(yīng)用、發(fā)動機和變速器等關(guān)鍵技術(shù)，尤其是汽車工程數(shù)據(jù)的管理和重用與發(fā)達國家仍存在較大差距［3］。雖然近些年國內(nèi)部分主機廠對工程數(shù)據(jù)的重視程度越來越高，汽車工程數(shù)據(jù)也有了一定的積累，但由于缺少專業(yè)的系統(tǒng)管理，暫未形成規(guī)范的知識體系，造成大量寶貴數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的丟失或變成了“死數(shù)據(jù)”，未能為產(chǎn)品優(yōu)化和新產(chǎn)品研發(fā)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，這在一定程度上成為制約我國汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要因素［2-4］。

1 平臺設(shè)計

為解決汽車企業(yè)工程數(shù)據(jù)尤其是競品分析數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)的管理痛點，搭建數(shù)據(jù)管理平臺，以輕量級3D模型為載體搭載車身信息、總成信息、零部件信息、材料信息及資料庫等相關(guān)工程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)碎片數(shù)據(jù)的格式化、結(jié)構(gòu)化歸集，用戶可快捷、準確地查詢所需數(shù)據(jù)或?qū)笈_數(shù)據(jù)進行加工和挖掘，從而形成支撐汽車開發(fā)的重要信息。

1.1 功能設(shè)計

1.1.1 模型管理

汽車工程數(shù)據(jù)中，三維模型數(shù)據(jù)占較大比重，模型數(shù)據(jù)承載了設(shè)計結(jié)構(gòu)、裝配邏輯關(guān)系、斷面信息、零件屬性信息等眾多關(guān)鍵信息。三維模型通常來自CATIA、NX、Creo、SolidWorks 等不同的設(shè)計軟件，模型文件一般都較大，需硬件配置較高的工作站安裝專業(yè)3D 設(shè)計軟件才能打開，整個過程耗時較長，給后期模型結(jié)構(gòu)查看帶來較大困擾。因此，本文開發(fā)了輕量級圖形引擎，可將不同格式三維模型高壓縮比轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式，同時支持零部件裝配關(guān)系、物料清單（Bill of Material，BOM）結(jié)構(gòu)、零件屬性信息的繼承，用戶可快速在常見瀏覽器中進行模型查看操作，獲取所需結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。

1.1.2 數(shù)據(jù)導入與加工

汽車工程數(shù)據(jù)體量較大，傳統(tǒng)“文檔式”管理數(shù)據(jù)的方式存在效率低、差錯率高、數(shù)據(jù)檢索難且利用率低、無法進行數(shù)據(jù)挖掘及保密性差等缺點。要有效組織、管理工程數(shù)據(jù)，需設(shè)計文件自動歸檔入庫及數(shù)據(jù)模板文件的自動解析錄入功能，以保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的完整性和準確性，在減輕數(shù)據(jù)管理員工作壓力的同時降低人為差錯率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序、格式化存儲，為后繼數(shù)據(jù)預(yù)處理和挖掘打下基礎(chǔ)。通過既定規(guī)則提取相應(yīng)材料生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)所生成的屈服強度分布曲線來進行材料穩(wěn)定性分析，也可通過后臺數(shù)據(jù)庫多表聯(lián)查生成材料仿真卡片，極大地方便了設(shè)計人員進行材料選材及輕量化設(shè)計［5］，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)加工實例

1.1.3 文件管理

汽車設(shè)計制造過程中除了大量與三維模型強相關(guān)的文件如零部件設(shè)計變更文檔、工藝技術(shù)路線、樣件評審報告等外，還有大量與項目相關(guān)的文件如成本核算報告、標準文件、產(chǎn)品檢驗體系評價報告、項目總結(jié)報告等需要統(tǒng)一管理，平臺預(yù)留數(shù)據(jù)庫接口支持項目文件的存儲和操作，常見PDF 文件、圖片文件、視頻文件及Office 文件的在線查看等，實現(xiàn)項目相關(guān)文件全管理。

1.1.4 用戶管理

系統(tǒng)在應(yīng)用過程中會涉及多部門、多類型人員操作，為保證系統(tǒng)良好、穩(wěn)定地運行，平臺支持用戶信息查詢、用戶修改、用戶刪除、用戶增加、用戶角色分配等管理操作。

1.2 模型輕量化技術(shù)

汽車研發(fā)過程中，三維模型已成為各類信息最直觀的核心載體，企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)也呈扁平化趨勢，企業(yè)間、企業(yè)內(nèi)部的信息交流日益頻繁。而不同企業(yè)間的三維設(shè)計平臺不盡相同，甚至同一家企業(yè)內(nèi)部存在多種三維設(shè)計軟件，如很多企業(yè)造型設(shè)計用達索公司的CATIA，NC 編程加工用西門子公司的NX，這必將為企業(yè)間及企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)共享和交互帶來不必要的麻煩［5］。

為實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)快速瀏覽及相關(guān)信息的準確查閱，需突破專業(yè)三維設(shè)計軟件限制及查閱主機高配置需求。本文開發(fā)輕量級模型查看工具——VIM （Vehicle Information Modelling） 圖 形 引擎，在保證三維模型細節(jié)特征盡可能完整的情況下，圖形引擎可實現(xiàn)prt、stp、CATPart、CATProduct 等常見格式三維模型的高壓縮比轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的文件仍保留詳細的幾何模型信息、零部件屬性信息、裝配層級關(guān)系等，且零部件可與BOM 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)強關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)裝配結(jié)構(gòu)或模型可視化的多模式快速檢索。圖形引擎架構(gòu)如圖3所示。

圖3 圖形引擎架構(gòu)

為實現(xiàn)模型在平臺上的可視化展示，需先將模型上傳至服務(wù)器，云端服務(wù)器部署的VIM圖形引擎將上傳的模型進行輕量化轉(zhuǎn)換后生成包含三維模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的VIM數(shù)據(jù)包，用戶可在普通電腦上用常見的瀏覽器進行模型查看和信息查詢。

1.3 平臺架構(gòu)設(shè)計

為解決三維模型類型多、多版本兼容性較差的難題，尤其在汽車開發(fā)制造后期，三維模型以快速查看為主要需求，穩(wěn)定性高、適應(yīng)性更強、硬件配置要求更低的B/S（Browser/Server）架構(gòu)將是該平臺設(shè)計的優(yōu)選架構(gòu)。該架構(gòu)下主要的事務(wù)處理在后端專業(yè)服務(wù)器端，用戶可在普通電腦端的瀏覽器上對數(shù)據(jù)庫進行訪問和操作，大大節(jié)約了工作站的購置成本及模型操作的等待時間。B/S 架構(gòu)如圖4所示。

圖4 B/S架構(gòu)

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)

平臺采用了表示層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層組成的業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)層主要是數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，提供多種數(shù)據(jù)接口，可以從不同數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)后，按照既定的統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準轉(zhuǎn)換處理之后存儲在云端數(shù)據(jù)庫，方便應(yīng)用層實時獲取。應(yīng)用層主要是Web服務(wù)器，用于接收表示層的作業(yè)請求，到數(shù)據(jù)層中獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，再通過處理之后，返回到表示層作可視化展示。表示層則是可接入互聯(lián)網(wǎng)且安裝了支持WebGL 繪圖協(xié)議瀏覽器的終端，如電腦、筆記本電腦、MR/AR智能設(shè)備、智能手機等。

1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

目前，系統(tǒng)開發(fā)最常用的數(shù)據(jù)庫分為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系性數(shù)據(jù)庫，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫通常采用關(guān)系模型來表達，由二維表及二維表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系形成的數(shù)據(jù)組織構(gòu)成，具有邏輯關(guān)系清晰易理解、通用SQL語言操作方便、數(shù)據(jù)完整性和一致性較好等特點。而非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫通常是分布式的，以鍵值對進行后臺存儲，不局限于固定的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需求增加相應(yīng)的鍵值對，可擴展性較好［6］。

表1 數(shù)據(jù)庫對比

考慮汽車工程數(shù)據(jù)量級相對較小，數(shù)據(jù)類型相對固定，有較多的數(shù)據(jù)表格需要解析處理，且需長期保存，需通過各種數(shù)據(jù)關(guān)系進行相對復雜的查詢，數(shù)據(jù)較固定，數(shù)據(jù)表設(shè)計好后不會有較大的結(jié)構(gòu)調(diào)整。因此，選擇關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中穩(wěn)定性較強的PostgreSQL 為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。常見汽車工程數(shù)據(jù)匯總，見表2。

1.5 權(quán)限系統(tǒng)設(shè)計

為保障平臺數(shù)據(jù)的安全性和準確性，有效、可靠、可拓展的權(quán)限管理方案就成了平臺建設(shè)的關(guān)鍵要素［2］。權(quán)限控制的主要目的是驗證用戶訪問平臺資源的合法性，即控制系統(tǒng)資源的訪問權(quán)限，如防止非授權(quán)用戶訪問平臺資源、限制不同用戶的平臺信息訪問范圍、防止部分授權(quán)的用戶對受保護的資源非法訪問等，權(quán)限管理系統(tǒng)對整個平臺的安全級別起關(guān)鍵作用［7］。目前，多數(shù)系統(tǒng)采用基于角色的訪問控制方法（Role-Based Access Control，RBAC），通過引入角色將用戶與權(quán)限分離，從而弱化用戶與權(quán)限的關(guān)系，細分的權(quán)限直接分配給角色而非用戶，通過給用戶匹配已有角色，用戶便繼承了角色所有權(quán)限，很大程度上降低了同類用戶權(quán)限管理工作量，同時滿足職能交叉型用戶權(quán)限管理需求［8-9］。根據(jù)角色權(quán)限控制模型的思路，首先按需將系統(tǒng)的權(quán)限分配給不同角色，然后根據(jù)用戶的職位和崗位需求不同為其分配一個或多個角色，用戶崗位變動后也可以在角色間切換，系統(tǒng)調(diào)整后也可將新的權(quán)限賦予角色，而且必要時可將角色權(quán)限進行回收。這些都真實模擬了現(xiàn)實項目團隊權(quán)限管理的過程，滿足數(shù)據(jù)管理需求［10-12］。

2 平臺測試

為測試平臺功能設(shè)計及運行穩(wěn)定性，對平臺界面、表單、數(shù)據(jù)庫鏈接、子系統(tǒng)和安全性等進行了全面測試，重點測試了圖形引擎壓縮轉(zhuǎn)換、模型操作效果及數(shù)據(jù)管理。經(jīng)驗證，平臺可實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的快速解析及入庫、后臺數(shù)據(jù)的多表聯(lián)查及數(shù)據(jù)加工、報表可視化顯示、用戶及權(quán)限的多級精細化管理，同時實現(xiàn)了模型約4%～12%的高壓縮率轉(zhuǎn)換，見表3。

3 結(jié)論

轉(zhuǎn)換后的模型細節(jié)特征基本得以保留，平臺兼容Chrome，F(xiàn)irefox，IE11 和Opera 等常見瀏覽器，支持縮放、移動、旋轉(zhuǎn)、剝離及隱藏等常見模型查看操作。模型顯示界面，如圖6所示。

圖6 模型顯示界面

（1）開發(fā)的輕量級圖形引擎在保證細節(jié)特征基本完整的前提下可實現(xiàn)約10～25 倍的高壓縮比轉(zhuǎn)換，同時保留了零件屬性信息。

（2）B/S 架構(gòu)結(jié)合輕量級圖形引擎，通過普通電腦安裝常見瀏覽器即可訪問或操作后臺數(shù)據(jù)庫，模型打開等待時間提升約20 倍，該架構(gòu)分布性強，維護方便，非常適合汽車工程數(shù)據(jù)的管理和低成本共享。

（3）以輕量化壓縮后的三維模型為載體，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)及信息的全關(guān)聯(lián)存儲，符合用戶可視化數(shù)據(jù)查詢要求，可快速獲取到所需數(shù)據(jù)。

（4）PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫選型設(shè)計滿足汽車工程數(shù)據(jù)管理特點，能實現(xiàn)多種文件和數(shù)據(jù)表的快速解析入庫、后臺數(shù)據(jù)庫的多表聯(lián)查、數(shù)據(jù)加工成所需信息輸出等。

（5）整個平臺設(shè)計理念數(shù)據(jù)只保存于后臺服務(wù)器，在極大地方便了數(shù)據(jù)管理的同時還保障了數(shù)據(jù)的唯一性、準確性和安全性，對汽車行業(yè)工程數(shù)據(jù)管理具有較強的參考意義。