基于B/S 架構(gòu)的汽車工程數(shù)據(jù)云平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(dāng)今計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用逐步從最初簡(jiǎn)單的科學(xué)計(jì)算向海量數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)變。計(jì)算機(jī)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用也從簡(jiǎn)單的輔助制圖向CAD、CAE、CAM 等計(jì)算機(jī)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(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期中關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)力。

汽車設(shè)計(jì)是基于大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(fù)雜，在整個(gè)設(shè)計(jì)研發(fā)及制造過程中產(chǎn)生了大量種類多、關(guān)系復(fù)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(jì)離不開企業(yè)長期積累的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，國外在近百年的造車歷史中通過競(jìng)品分析、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)等知識(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，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(jìn)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(dòng)機(jī)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(dá)國家仍存在較大差距［3］。雖然近些年國內(nèi)部分主機(jī)廠對(duì)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(shí)體系，造成大量寶貴數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)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(tái)設(shè)計(jì)

為解決汽車企業(yè)工程數(shù)據(jù)尤其是競(jìng)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(diǎn)，搭建數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，以輕量級(jí)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(shí)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(zhǔn)確地查詢所需數(shù)據(jù)或?qū)笈_(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)

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(jì)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(jì)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(jì)軟件才能打開，整個(gè)過程耗時(shí)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(jí)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(shí)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(jìn)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(dǎo)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(cuò)率高、數(shù)據(jù)檢索難且利用率低、無法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘及保密性差等缺點(diǎn)。要有效組織、管理工程數(shù)據(jù)，需設(shè)計(jì)文件自動(dòng)歸檔入庫及數(shù)據(jù)模板文件的自動(dòng)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(zhǔn)確性，在減輕數(shù)據(jù)管理員工作壓力的同時(shí)降低人為差錯(cuò)率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序、格式化存儲(chǔ)，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(qiáng)度分布曲線來進(jìn)行材料穩(wěn)定性分析，也可通過后臺(tái)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(jì)人員進(jìn)行材料選材及輕量化設(shè)計(jì)［5］，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)加工實(shí)例

1.1.3 文件管理

汽車設(shè)計(jì)制造過程中除了大量與三維模型強(qiáng)相關(guān)的文件如零部件設(shè)計(jì)變更文檔、工藝技術(shù)路線、樣件評(píng)審報(bào)告等外，還有大量與項(xiàng)目相關(guān)的文件如成本核算報(bào)告、標(biāo)準(zhǔn)文件、產(chǎn)品檢驗(yàn)體系評(píng)價(jià)報(bào)告、項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告等需要統(tǒng)一管理，平臺(tái)預(yù)留數(shù)據(jù)庫接口支持項(xiàng)目文件的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)項(xiàng)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(huì)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(yùn)行，平臺(tái)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(shì)，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(jì)平臺(tái)不盡相同，甚至同一家企業(yè)內(nèi)部存在多種三維設(shè)計(jì)軟件，如很多企業(yè)造型設(shè)計(jì)用達(dá)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(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)快速瀏覽及相關(guān)信息的準(zhǔn)確查閱，需突破專業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件限制及查閱主機(jī)高配置需求。本文開發(fā)輕量級(jí)模型查看工具——VIM （Vehicle Information Modelling） 圖 形 引擎，在保證三維模型細(xì)節(jié)特征盡可能完整的情況下，圖形引擎可實(shí)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(xì)的幾何模型信息、零部件屬性信息、裝配層級(jí)關(guān)系等，且零部件可與BOM 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)模型在平臺(tái)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(jìn)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(jìn)行模型查看和信息查詢。

1.3 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

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(qiáng)、硬件配置要求更低的B/S（Browser/Server）架構(gòu)將是該平臺(tái)設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(shí)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(tái)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(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換處理之后存儲(chǔ)在云端數(shù)據(jù)庫，方便應(yīng)用層實(shí)時(shí)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(qǐng)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(jī)等。

1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

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(dá)，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(diǎn)。而非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫通常是分布式的，以鍵值對(duì)進(jìn)行后臺(tái)存儲(chǔ)，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(duì)，可擴(kuò)展性較好［6］。

表1 數(shù)據(jù)庫對(duì)比

考慮汽車工程數(shù)據(jù)量級(jí)相對(duì)較小，數(shù)據(jù)類型相對(duì)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(jìn)行相對(duì)復(fù)雜的查詢，數(shù)據(jù)較固定，數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)好后不會(huì)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(qiáng)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(jì)

為保障平臺(tái)數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性，有效、可靠、可拓展的權(quán)限管理方案就成了平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵要素［2］。權(quán)限控制的主要目的是驗(yàn)證用戶訪問平臺(tái)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(tái)資源、限制不同用戶的平臺(tái)信息訪問范圍、防止部分授權(quán)的用戶對(duì)受保護(hù)的資源非法訪問等，權(quán)限管理系統(tǒng)對(duì)整個(gè)平臺(tái)的安全級(jí)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(xì)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(shí)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(gè)或多個(gè)角色，用戶崗位變動(dòng)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(shí)可將角色權(quán)限進(jìn)行回收。這些都真實(shí)模擬了現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)權(quán)限管理的過程，滿足數(shù)據(jù)管理需求［10-12］。

2 平臺(tái)測(cè)試

為測(cè)試平臺(tái)功能設(shè)計(jì)及運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)平臺(tái)界面、表單、數(shù)據(jù)庫鏈接、子系統(tǒng)和安全性等進(jìn)行了全面測(cè)試，重點(diǎn)測(cè)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(yàn)證，平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的快速解析及入庫、后臺(tái)數(shù)據(jù)的多表聯(lián)查及數(shù)據(jù)加工、報(bào)表可視化顯示、用戶及權(quán)限的多級(jí)精細(xì)化管理，同時(shí)實(shí)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(xì)節(jié)特征基本得以保留，平臺(tái)兼容Chrome，F(xiàn)irefox，IE11 和Opera 等常見瀏覽器，支持縮放、移動(dòng)、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(jí)圖形引擎在保證細(xì)節(jié)特征基本完整的前提下可實(shí)現(xiàn)約10～25 倍的高壓縮比轉(zhuǎn)換，同時(shí)保留了零件屬性信息。

（2）B/S 架構(gòu)結(jié)合輕量級(jí)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(tái)數(shù)據(jù)庫，模型打開等待時(shí)間提升約20 倍，該架構(gòu)分布性強(qiáng)，維護(hù)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(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)及信息的全關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)，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(jì)滿足汽車工程數(shù)據(jù)管理特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)多種文件和數(shù)據(jù)表的快速解析入庫、后臺(tái)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(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)理念數(shù)據(jù)只保存于后臺(tái)服務(wù)器，在極大地方便了數(shù)據(jù)管理的同時(shí)還保障了數(shù)據(jù)的唯一性、準(zhǔn)確性和安全性，對(duì)汽車行業(yè)工程數(shù)據(jù)管理具有較強(qiáng)的參考意義。