基于B/S 架構的汽車工程數據云平臺的設計與實現

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的迅猛發展，計算機的應用逐步從最初簡單的科學計算向海量數據處理轉變。計算機在汽車工業中的應用也從簡單的輔助制圖向CAD、CAE、CAM 等計算機輔助技術參與新產品開發的全流程轉變［1］，而數據和信息流成為整個產品開發周期中關鍵的驅動力。

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

1 平臺設計

為解決汽車企業工程數據尤其是競品分析數據、結構數據、材料數據的管理痛點，搭建數據管理平臺，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工程數據，實現碎片數據的格式化、結構化歸集，用戶可快捷、準確地查詢所需數據或對后臺數據進行加工和挖掘，從而形成支撐汽車開發的重要信息。

1.1 功能設計

1.1.1 模型管理

汽車工程數據中，三維模型數據占較大比重，模型數據承載了設計結構、裝配邏輯關系、斷面信息、零件屬性信息等眾多關鍵信息。三維模型通常來自CATIA、NX、Creo、SolidWorks 等不同的設計軟件，模型文件一般都較大，需硬件配置較高的工作站安裝專業3D 設計軟件才能打開，整個過程耗時較長，給后期模型結構查看帶來較大困擾。因此，本文開發了輕量級圖形引擎，可將不同格式三維模型高壓縮比轉換為統一格式，同時支持零部件裝配關系、物料清單（Bill of Material，BOM）結構、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，獲取所需結構的相關信息。

1.1.2 數據導入與加工

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

圖2 數據加工實例

1.1.3 文件管理

汽車設計制造過程中除了大量與三維模型強相關的文件如零部件設計變更文檔、工藝技術路線、樣件評審報告等外，還有大量與項目相關的文件如成本核算報告、標準文件、產品檢驗體系評價報告、項目總結報告等需要統一管理，平臺預留數據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，實現項目相關文件全管理。

1.1.4 用戶管理

系統在應用過程中會涉及多部門、多類型人員操作，為保證系統良好、穩定地運行，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

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

為實現三維模型數據快速瀏覽及相關信息的準確查閱，需突破專業三維設計軟件限制及查閱主機高配置需求。本文開發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特征盡可能完整的情況下，圖形引擎可實現prt、stp、CATPart、CATProduct 等常見格式三維模型的高壓縮比轉換，轉換后的文件仍保留詳細的幾何模型信息、零部件屬性信息、裝配層級關系等，且零部件可與BOM 結構實現強關聯，從而實現裝配結構或模型可視化的多模式快速檢索。圖形引擎架構如圖3所示。

圖3 圖形引擎架構

為實現模型在平臺上的可視化展示，需先將模型上傳至服務器，云端服務器部署的VIM圖形引擎將上傳的模型進行輕量化轉換后生成包含三維模型結構數據和屬性數據的VIM數據包，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 平臺架構設計

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

圖4 B/S架構

圖5 系統架構

平臺采用了表示層、業務層和數據層組成的業務結構。數據層主要是數據管理服務器，提供多種數據接口，可以從不同數據源獲取數據后，按照既定的統一數據標準轉換處理之后存儲在云端數據庫，方便應用層實時獲取。應用層主要是Web服務器，用于接收表示層的作業請求，到數據層中獲取相應數據，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網且安裝了支持WebGL 繪圖協議瀏覽器的終端，如電腦、筆記本電腦、MR/AR智能設備、智能手機等。

1.4 數據庫設計

目前，系統開發最常用的數據庫分為關系型數據庫和非關系性數據庫，關系型數據庫通常采用關系模型來表達，由二維表及二維表之間的關聯關系形成的數據組織構成，具有邏輯關系清晰易理解、通用SQL語言操作方便、數據完整性和一致性較好等特點。而非關系型數據庫通常是分布式的，以鍵值對進行后臺存儲，不局限于固定的結構，可根據需求增加相應的鍵值對，可擴展性較好［6］。

表1 數據庫對比

考慮汽車工程數據量級相對較小，數據類型相對固定，有較多的數據表格需要解析處理，且需長期保存，需通過各種數據關系進行相對復雜的查詢，數據較固定，數據表設計好后不會有較大的結構調整。因此，選擇關系型數據庫中穩定性較強的PostgreSQL 為系統數據庫。常見汽車工程數據匯總，見表2。

1.5 權限系統設計

為保障平臺數據的安全性和準確性，有效、可靠、可拓展的權限管理方案就成了平臺建設的關鍵要素［2］。權限控制的主要目的是驗證用戶訪問平臺資源的合法性，即控制系統資源的訪問權限，如防止非授權用戶訪問平臺資源、限制不同用戶的平臺信息訪問范圍、防止部分授權的用戶對受保護的資源非法訪問等，權限管理系統對整個平臺的安全級別起關鍵作用［7］。目前，多數系統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限分離，從而弱化用戶與權限的關系，細分的權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限，很大程度上降低了同類用戶權限管理工作量，同時滿足職能交叉型用戶權限管理需求［8-9］。根據角色權限控制模型的思路，首先按需將系統的權限分配給不同角色，然后根據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，系統調整后也可將新的權限賦予角色，而且必要時可將角色權限進行回收。這些都真實模擬了現實項目團隊權限管理的過程，滿足數據管理需求［10-12］。

2 平臺測試

為測試平臺功能設計及運行穩定性，對平臺界面、表單、數據庫鏈接、子系統和安全性等進行了全面測試，重點測試了圖形引擎壓縮轉換、模型操作效果及數據管理。經驗證，平臺可實現測試數據的快速解析及入庫、后臺數據的多表聯查及數據加工、報表可視化顯示、用戶及權限的多級精細化管理，同時實現了模型約4%～12%的高壓縮率轉換，見表3。

3 結論

轉換后的模型細節特征基本得以保留，平臺兼容Chrome，Firefox，IE11 和Opera 等常見瀏覽器，支持縮放、移動、旋轉、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）開發的輕量級圖形引擎在保證細節特征基本完整的前提下可實現約10～25 倍的高壓縮比轉換，同時保留了零件屬性信息。

（2）B/S 架構結合輕量級圖形引擎，通過普通電腦安裝常見瀏覽器即可訪問或操作后臺數據庫，模型打開等待時間提升約20 倍，該架構分布性強，維護方便，非常適合汽車工程數據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，實現相關數據及信息的全關聯存儲，符合用戶可視化數據查詢要求，可快速獲取到所需數據。

（4）PostgreSQL 數據庫選型設計滿足汽車工程數據管理特點，能實現多種文件和數據表的快速解析入庫、后臺數據庫的多表聯查、數據加工成所需信息輸出等。

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