基于角色的协同设计

基于角色的协同设计（精选11篇）

基于角色的协同设计 第1篇

计算机支持的协同工作主要是指:地域分散的一个群体借助计算机及其网络技术,通过共同协调与协作来完成一项任务[1]。CSCW技术是实施先进制造的重要支持技术。现代产品的设计过程越来越复杂,充分体现了知识密集性和通讯密集性的特点[2]。而且由于市场竞争激烈,产品设计不仅要求好、要求快,还要求新,因此不同领域、不同地域的专家共同协作完成设计任务的方式也成为一种普遍的设计方式[3]。基于CSCW理论的网络化产品协同设计技术支持多设计主体在异地异构环境下协同式的设计,具有提升团队工作效率的潜力,为多个设计主体之间的强强联合提供了一种切实可行的解决方案。

本研究采用一种新的C/S与P2P相结合的组网方式,探讨基于角色的协同设计。

1基本概念

基于角色协同设计包含两个基本概念,即角色和基于角色协同。在协同设计过程中,参与者所扮演的角色是协同设计取得成功的重要因素。一些传统的计算机支持的协同工作系统确实也使用了角色概念。然而,这些系统应用的角色概念大都是感性的、未经过清晰准确定义的。

1.1角色

大部分传统CSCW系统以在网络中实现虚拟的面对面协作的环境为目标。然而,事实证明这些努力并未像预期中的那样成功[4]。在提高协作效率方面仍有待探索。基于角色协作正是关于这方面的创新。

在传统的CSCW系统中,角色概念大致有以下几类定义:

(1) 角色是一组操作权的集合;

(2) 协同系统中的角色是与特定的人有关的。如设计师、开发者、外围用户、员工、管理人员等;

(3) 角色是与特定的存取控制权相对应的,一个角色对应特定对象的存取控制权。

总之,在传统的CSCW系统中并没有一个被普遍认可的角色定义。因此,基于角色协同设计的首要任务是阐明角色概念及相关机制。

在CSCW或相关领域都有角色概念。虽然不是每个领域都有“角色”的精确定义,但都支持以下观点:角色是用户需求、人类工作模式、系统功能之间的桥梁。协作系统中的角色应该有利于人们协作。在协作系统中,需要用户去充当角色,协作系统应该更加关注人的因素。因此可以说角色是协作关系中占据某个位置的人,此人在该位置上享有特定的权利且承担相应的责任。

1.2基于角色的协同

角色是人们交互和协作的中介。通过该中介,用户只需关注交互的角色而不是交互的人,使协作更自然。角色协商是建立协作环境的前提条件。协作的过程可以描述如下:

第1步:角色协商。确立协作中各方的角色,如果不能达成一致,则退出。

第2步:角色分配。每个人被赋予一个或多个角色。如果不能达成一致,则退出。

第3步:操作角色。每个人执行自己的角色直到协作结束。

2基于角色的协同设计模式

2.1C/S与P2P通讯模式

C/S结构具有较强的事务处理能力,能实现复杂的业务流程。C/S结构要求应用开发者自己去处理事务管理、消息队列、数据的复制和同步、通信安全等系统级的问题。在服务器端集中管理数据,数据独立性高。而且客户端实现与服务器的直接相连,没有中间环节,响应速度快。尽管采用C/S技术开发系统难度高,但其发展历史“悠久”,从技术成熟度及软件设计、开发人员的掌握水平来看,C/S技术应是更成熟、更可靠的。因此,在保证数据一致性、维护协同人员的基本信息(IP、端口)等方面,采用C/S结构,具有较高的安全性、可行性和可靠性。

P2P不同于C/S或B/S等传统模式的通信技术,它最大的特点是用户之间可以直接进行文件交换、数据下载、共享资源或协同工作等。Internet上任意两台PC都可以利用P2P技术建立实时的联系。与C/S和B/S服务器模式相比,P2P具有以下优势:

(1)对中心资源(如服务器等)的要求降低,节约了成本;

(2)增加了系统的柔性,避免了因一个节点故障导致整个网络不能使用的问题;

(3)P2P模式在信息发布、更新、互动性和即时性等方面较传统方式效率更高。

因此,P2P方式适用于协同设计人员之间的同步协同设计活动。任何两个协同人员之间,在最初通过中央服务器初始化连接后,不再需要通过中央服务器,而是直接进行实时通讯、共享资源、协同工作等。P2P通讯模式,如图1所示。

2.2基于角色的协同设计网络模型

协同设计系统应该有利于设计人员解决设计问题,而不应成为协同的障碍[5]。首先,从技术方面看,CSCW系统的目标是要提供一个在效果上尽可能接近实际面对面协同的协同环境。协同者要求在CSCW系统运行的网络上,信息的交换必须高效、快速,并要求信息共享以完成协同任务。包括数据共享(如文件共享)、桌面共享(如普通可视信息)等对所有协同成员共享。其次,从可用方面看,CSCW系统的目标是要提供一个至少在某些方面比面对面协同更加高效的协同环境。用户对通过CSCW系统协作得到的结果满意。在有CSCW系统的情况下,协作者的工作效率应该比在没有CSCW系统时更高。基于角色协同设计网络模型有助于实现以上所述各方面。该模型具体结构,如图2所示。

在该模型中,各个协同人员可以通过局域网或PSTN/ISDN/ADSL等方式进入Internet,登录到中心服务器。中心服务器主要负责文件管理、协同人员的基本信息管理(伙伴IP地址、简介等)、协同人员注册、登记、身份验证、初始化伙伴之间的端对端的连接等服务。协同人员之间要进行通信,必须通过服务器来建立连接,以后的信息交互就不必再通过服务器,而是以P2P方式进行信息的传递和交互。

2.3基于角色的协同设计

在协同系统中,协同人员可能充当多个角色:

(1) 对中央服务器来说,协同人员是一个普通客户端的角色,该角色可以建立从客户端到中央服务器的连接,并可以上传设计成果、下载任务信息与资源。

(2) 由于具体的同步协同设计过程并未使用中央服务器,而是在协同人员之间直接建立连接并完成设计任务的。因此在建立同步协同时,需要经过角色协商,确定协同服务的建立者角色和参与者角色。角色确定后,每个协同人员按照分配到的角色参与协同设计。协同服务的建立者角色需要选择需要设计的任务或者需要批注的模型文件,并有权赋予(或者收回)任何一个协同参与者的控制权(或者参与权)。协同服务的参与者角色根据实际情况控制协同活动或者观看协同过程。

基于以上角色、网络模型和有关协同设计的讨论,基于角色协同设计的客户端采用了代理技术(Agent)[6]。代理实体既要处理用户与中央服务器之间的交互,又要处理与其他协同人员之间的交互。因此各个代理实体实质上是一组角色的集合。代理实体结构,如图3所示。

2.3.1 项目管理

采用项目管理的方式可以较好地把握协同设计的进展,高效地管理协同资源。在建立新项目时,项目管理人员在中央服务器上为每个协同人员分配任务与资源。当协同人员登录到中央服务器后,可以从服务器上获取要完成的任务和相应的资源。项目建立完毕后,即可进入任务调度、运行阶段。协同人员之间进行并行化、网络化协同设计。与此同时,项目管理人员对协同人员的任务执行情况进行监控与结果评价;项目完成后进入后置处理,如保存任务完成相关信息。

2.3.2 产品信息共享

产品设计信息包括产品模型信息和产品结构信息,产品模型信息主要包括产品单元几何、工艺等信息;而产品结构信息主要包括产品单元之间的聚集、约束等关系。

网络化协同设计中,参与的设计主体来自各个领域,采用CAD系统存在异构性。VRML作为一种通用化的图形表达方式,可实现Internet上基于三维产品模型的可视化协同,而且,许多主流CAD软件也支持VRML,从而使得VRML成为支持协同设计的一种切实可行的解决方案。

在基于P2P和VRML的产品模型信息共享环境下,协同设计主体可以协同浏览来自不同CAD系统的VRML格式的几何模型,可以对这些模型进行虚拟装配、约束检测、修改、评价、协商,然后将协同设计信息返回到协同人员原有的CAD系统中,协同人员可在自己的CAD系统中进行修改、细化设计工作,这种方式实现起来比较简单,符合人的思维习惯,即与讨论式设计方式一致,先讨论确定方案,然后具体改进设计。而且,这种方式既保证了协同设计所需信息的共享,又避免了多种异构CAD系统之间集成的难度,是一种切实可行的网络化协同设计方式。

产品结构信息通过XML产生器建立产品结构信息文档(XML文档),该文档包含了产品结构聚集、约束、关联等关系,并保存于中央服务器。所有属于该项目组的协同人员可以下载,并通过XML解析器解析XML文档,并浏览产品结构树,通过产品结构树查询和搜索关联信息,构建约束网络,进行设计协同。此外,可以对产品结构信息的XML文件进行加密。

2.3.3 协同设计

网络化协同设计需要构建一种良好的网络化协同设计环境,支持设计主体之间进行设计交流,从而完成设计任务。基于角色协同设计模式设计,如图4所示。

按照该模式的设计,项目负责人负责项目管理,协调各个任务之间的进度,保证产品信息的一致性。同时,协同人员登录到中央服务器后,获取分配到自身的任务;然后根据任务信息,召集同组人员,建立该任务的同步协同设计服务。由于同步协同设计服务是建立在协同人员这一端的,且其他协同设计参与者都直接连接到协同服务所在的客户端,因此即使多个协同设计任务同时运行,也不会大幅增加中央服务器的负担,且多个协同任务之间不会相互干扰。

3应用实例

关于基于角色协同设计的研究成果,已经成功应用于基于Web的汽车产品方案设计平台的开发。

协同人员可以通过各自的Agent交互门户,运用系统提供的信息交互工具(如语音、文字、上传、下载、白板等工具)进行产品设计信息、设计思想的交互,并按时反馈设计结果进行评价,以便完成进一步深入的设计。

4结束语

本研究介绍了实施协同设计的必要性,分析了实现高效率的协同设计所面临的困难,提出了基于角色的协同设计模式。该模式解决了异地设计人员之间的协同工作问题,明确了角色概念,确定了角色协商过程。实践表明,该方案简单,易于实现,实际应用效果理想。

参考文献

[1]SHI Mei-lin,XIANG Yong,YANG Guang-xin.Thery&Application of Computer Supported Cooperative Work[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2000.

[2]田凌,童秉枢.网络化产品协同设计的理论与实践[J].计算机工程与应用,2002,38(5):3-6.

[3]沈军营,金烨,严隽琪,等.异地产品开发研究[J].计算机集成制造系统CIMS,2000,6(4):6-11.

[4]FRANCIS T.Role mechanisms in collaborative systems[J].International Journal of Production Research,2006,44(1):181-193.

[5]STUERZLINGER W,ZAMAN L,PAVLOVYCH A,et al.The design and realization of CoViD:a system for collabora-tive virtual 3D design[J].Virtual Reality,2006,10(10):135-147.

基于角色的协同设计 第2篇

摘要：现代教育正处在变革中，进行家校合作、整合来自各方的教育力量形成合力，以促进学生的发展一直是当今教育的热点。教师角色在家校合作中也在发生着隐性的变化。本文以协同教育为着眼点，构建理想的教师角色，结合教师角色现状分析存在的问题，完善家校合作中的教师角色。

关键词：协同教育；家校合作；教师角色

一、教师在协同教育理念下的理想角色

（一）协同教育理论下的家校合作

1971年德国物理学家哈肯提出了“协同”这一概念，并论述了协同理论。这一理论主要阐述原本不平衡的开放系统如何通过内部协同作用与外界进行能量交换，最后达到平衡的状态，实现从无序到有序这一过程。哈肯给这一理论起名“协同”的原因之一在于所研究的对象是由许多子系统联合形成的，之二在于这一理论需要不同学科进行合作。正如哈肯所说“系统各要素间通过非线性相互作用而产生某种协同与竞争，从而推动系统的自组织不断演进，是协同学的精髓所在。”①

“协同教育”正是协同理论在教育领域中的移植。在协同教育理论中，学校教育系统、家庭教育系统、社会教育系统是其中的子系统。这三大系统各自的活动主体在性别、年龄、文化背景以及个体的意志、情感、认知等方面都不相同，即通过非线性的相互作用，产生协同或是竞争，最大化的实现教育的合力。“通过家庭、学校、社会的交流和信息共享，对学生进行全面关怀，改善亲子、师生和社群关系，促进学生的全面发展。”②三大系统各自的组成成员不同，角色分担不同。根据其不同立场，协同教育又可分为：协同家庭教育、协同学校教育和协同社会教育。其中“协同社区教育”即家庭和学校合力对社区教育进行协同，三种教育系统通过各自的媒体手段进入到其他系统中形成教育的合力。

图表1协同教育产生的过程③

协同教育理论为家校合作提供了理论支撑，勾勒出家校合作的蓝图。在这一理论下，每一个系统有平等的地位和自身特有的角色。学校教育由专业人员承担，有明确的目的、严密的组织计划，是以促进学生身心发展为目标的社会实践活动。家庭教育则是以血缘为纽带，是教育的起点和基点，奠定孩子的人生观和价值观。二者有不同的职责，互不干扰、不能替代，通过双方的媒体手段相互渗透，形成可持续发展的家校合作以实现协同效应。

（二）理想的教师角色

在这一理想状态下，“教师”这一作为学校教育系统重要组成部分的成员，成为了联系学校和家庭的重要纽带。只有对自身在体系中所扮演的角色做出明确的定位，才能更好的履行角色所应承担的责任和义务。教师在协同教育视角下的家校合作中扮演着具体策划人、组织者、参与者。除了学校中的教师角色，在家校合作中的教师同时还是家长的朋友、交流对象、指导者、推行者、活动资源开发者。④

作为沟通者，教师负责与家长进行沟通和交流。沟通的目的是协同社区教育――促进学生个体全面发展，成为更好的“社会人”。那么这个沟通就要涉及到学生个体发展的全方位。同时家长群体的社会地位不同、性格差异较大，还需要掌握沟通的技巧，随机应变。

其次作为推行者，教师负责推进家校合作，需要具有全面、科学的家校合作知识，拓展学校媒体，促进家长与学校的沟通及合作。

再次作为参与者，教师群体是家校合作活动的成员，与家长群体的关系是平等的。

二、教师在家校合作中的角色现状

1970年美国国会颁布《中小学教育法案》将家长参与学校的权利正式纳入联邦教育的法规，在制度上保证了家校合作；《美国2000年教育法案》中提出扩大择校范围到公立与私立学校之间，保证了家长选择学校的权力；在《美国2000年：教育战略》中对家长提出一系列具体要求以促进规范化的家校合作。美国各种在联邦政府的规定下由纷纷出台了有关家校合作的法案促进家长参与学校教育。英国《家长参与学校教育法》、法国《教育指导法》中都对家长参与学校提出具体、明确的要求。每一个政策性文件的颁布不仅意味着家长参与学校的权利得到巩固和明确，也意味着教师角色的隐性转变，但对教师角色转变的研究国外学者关注较少。国内在家校合作方面的起步较晚，政策上并未作出相应的规定。在学术领域，有关家校合作的研究主要集中在对当前家校合作中存在问题的探讨，对教师角色的研究非常少。

马忠虎博士针对家校合作提出“以家为本”和“以校为本”两种模式。本文从教师的视野对家校合作中教师角色进行探讨。笔者针对教师在家校合作中的角色问题设置了问卷，向沈阳、长春两地四所学校共100名班主任发放问卷。四所学校为：长春市公立小学一所、长春市公立中学一所、沈阳市公立小学一所、沈阳市公立中学一所。笔者访谈了四所学校中共20名班主任，通过问卷调查及访谈的形式，发现目前我国教师在家校合作中扮演的角色主要表现在以下几个方面。

（一）沟通能力欠缺

在对教师沟通能力现状进行问卷调查时，发现当前家校合作中教师在以“沟通者”角色出现时存在沟通能力欠缺的情况。主要表现在缺乏沟通技巧的相关知识，越是年轻的教师在与家长沟通时越缺乏自信，然而年轻教师又大多是班主任，这使家校合作很容易陷入困境。“教师尤其是班主任特别不喜欢听家长侃侃而谈，老师本来就累了一天了，能跟家长说说孩子的问题是负责，最不喜欢家长喋喋不休一堆话唱主角。”李老师这样说。可以看出，在家校沟通的过程中，教师与家长的地位并不平等。在采访中笔者发现很多教师在与家长沟通时缺少相应的沟通技巧，比较容易情绪化。“和家长沟通时很多老师都比较情绪化的。比如一次开家长会前做准备工作老师都挺忙挺烦躁的，这时候正好有一个家长打来电话请假，我当时劈头盖脸把家长说了一顿。”李老师这样说。在问卷调查中发现，大部分教师在校并没有进行专门的沟通训练，这使得教师与家长的沟通缺乏系统的指导。“当家长侃侃而谈的时候，教师一般会打断，沟通一般利用我自己的休息时间，不想听家长说太多的话。”然而不善于聆听的沟通达到的效果也会欠佳。

教师认为家长在与教师的沟通中家长应侧重于询问孩子在学校的表现，教师在家校合作中的重要作用是“反馈”学生的在校表现。而作为教育领域的专业人员，教师在与家长的沟通中对普及教育常识性知识的意识相对较少。很多教师对家校互动活动的形式了解甚少，主要集中在“家长会”一种形式。根据兰根布伦纳的理论，家校合作分为三种层次：家长作为支持者和学习者是第一层次，家长作为学校活动的自愿参与者是第二个层次，家长作为学校教育决策参与者是第三个层次。目前从教师的角度看，沟通还只停留在“反馈”学习表现这一层次，所以从教师角度来讲，家校合作层次还比较低。从表格4中可见，家校互动的内容扔停留在较低层次的电话沟通及家长会上，教师对吸收家长进入学校活动则较为排斥。从协同教育视角下看“沟通者”这一角色，教师目前所承担的任务不全面。

协同教育视角下的家校合作中，教师是以“参与者”的身份出现的，但在当前家校合作中，教师却是合作中的主导者。采访中有老师坦言“与家长沟通主要就是希望家长配合老师的工作，大多数老师与家长沟通都不客气的，白天面对学生要尽量控制脾气态度和蔼，如果碰到无理家长还要忍让老师就要累死了”、“如果老师对家长客气，家长反过来就会‘欺负’老师，反倒是面对有威严的老师家长才会‘客气’”。有这样观点的老师在采访中数量并不少，可以看出，在家校合作中，教师更多的时候是以“主导者”的身份存在。教师、家长两个群体在对话时位置并不平等。采访中发现，对待家长的“平等”程度随着教师工作年限的增加而减小，即越是成熟的教师对家长态度越习惯以领导、命令为主，而非平等沟通。

三、转变家校合作中的教师角色

教师角色是以一定的教学目标为前提，以一定的教学任务为基础，根据教学实践的变化进行调整的。在协同教育视角下的家校合作中，教师承担着沟通者、推行者、参与者等角色。从目前情况看，教师作为沟通者尚缺乏必要的沟通技巧，学校方面应组织相应的培训，对教师沟通进行系统的训练。与此同时，教师应学习家校合作方式，改变家校合作的思维，将家校合作的层次向上推进，以家长委员会的形式参与到学校具体运作、方向决策等方面。同时在合作交流中，教师应摆正自己的位置，以平等的心态与家长进行沟通，切莫让家校沟通成为教师的“一言堂”和“展示台”。

注释：

①Haken.Information and Self-organization：A macroscopic approach tocom?Cplexsystem[M].Springer?CVerlag，1988.②李运林.协同教育是未来教育的主流[J].电化教育研究，2007，09：5-727.③李运林.协同教育是未来教育的主流[J].电化教育研究，2007，09：5-727.④马忠虎.对家校合作中几个问题的认识[J].教育理论与实践，1999，03：26-32.参考文献：

基于角色的协同设计 第3篇

关键词：移动学习；协同创新；MVC；学习偏好推荐；流媒体

中图分类号：TP311

移动学习是数字化学习的扩展，具有移动性、高效性、广泛性、交互性、共享性、个性化等学习特征。学习者不再局限在电脑前，可以“随时、随地、随身”，“短、平、快”地进行学习。因此，它是21世纪教育技术的新进展，代表着教育技术新的发展方向[1]。

把协同创新与移动学习相结合，可以在学习中培养学生的团结协作的能力，利于学生个性化的发展。移动学习环境下的教学模式能够更加充分地发挥教师的主导性和学生的主体性[2]。

1 项目技术架构

项目采用M-V-C架构，移动终端主要基于Android，IOS系统，服务器端使用主流的Microsoft.NET多层架构体系开发，具有良好的兼容性。平台在通信机制上以传统的同步通信为主，在需要更新局部数据或处理一些简单的数据传递时则采用Ajax异步通信技术。

为了降低系统的耦合性，提高系统的实用性和灵活性，对系统的页面逻辑、业务逻辑和数据逻辑进行分层。集合当前的Web技术，实现了业务逻辑和页面表示的分离，数据持久化的linq，对数据进行缓存，SpringFramework完成系统的业务逻辑。[2]。

2 设计目标

项目应达到如下要求：（1）产品的跨平台性。产品可以安装部署到Android，IOS，WInPhone等多种硬件平台和操作系统环境；（2）产品支持多种数据库。以轻松在MYSQL，SQL SERVER，ORALCE等数据库上移植使用；（3）系统具有多种方式的查询统计功能，学习资源并以丰富的图形、图表的方式直观的显示；（4）采用MVC模式。满足移动学习需要，可以随时随地进行数据采集与处理，不限制客户平台，同时要保证数据安全性；（5）采用语义及推荐技术，智能地根据用户的知识能力推荐相应的学习资源；（6）系统性能优异。通过合理使用内存镜像缓存、數据库连接缓存等技术来极大地提高性能、提高系统的访问速度。

最终项目具有高复用与可移植（Reuse and transplant）；移动学习（Mobile Learing）；协作（Collaboration）；个性化推荐（Recommend）的应用系统。

3 系统功能模块设计

系统分客户端和后台管理系统，客户端主要基于ANDROID，IOS平台，用户可以通过WEB在线或移动智能设备完成资源管理、资源检索、用户管理、系统备份、发布模板，管理和资源发布等功能。移动在线作业、考试、答疑、笔记、求助、相互评价等协作学习。此外还有手机报定制、学习推送、短信提醒功能。后台主要用.NET技术在网络上架构一个教学资源平台[3]。

最终项目应具有以下特点：以学生为中心，给学生强烈的拥有感，学生可以自主学习变被动为主动，有效激发学习者的兴趣；强调学生之间的协同创新、随时随地的提问、师生及时的答疑、可以组队共同完成任务，参加头脑风暴。对完成的项目进行相互评价，有效培养学生的团队合作与创新精神；基于成熟的无线网络技术，让移动学习拥有随时便捷的学习环境；实现资源、经验的共享，学习活动具有情景交互性；题库内容、学习人员、学习时间易于掌控，随需而变；支持手机用户异地多方同步学习；有效的解决了集中组织学习与个人工作繁忙之间的矛盾，轻松开展教育与学习活动。

4 关键技术

4.1 视频点播技术的实现。课程视频的存储与播放是关键技术之一，课程视频首先要进行技术上的压缩，减少存储容量的同时保证视频的清新度，然后存储在云平台，播放时采取流媒体的形式进行内容的分发[4]。

4.2 不同技术标准设备之间的兼容问题。为了实现在不同技术标准的移动设备之间的兼容，需要在服务器端的统一数据接口与Web层的连接处设计一个格式转换层，以实现后台处理统一的XML数据与客户端多样化的表现格式之间的转换。格式转换层的工作过程是：通过Web服务器的请求来识别客户端设备类型，然后调用相应的格式转换器将系统形成的XML数据转换成相应的HTML、WML以及其它数据格式，然后通过Web服务器返回给客户端。

4.3 基于学习偏好的推荐。学习偏好是指用户在学习过程中倾向的学习方式，如兴趣导向、进度导向、学习策略导向等。根据用户的学习偏好，当用户正在进行学习时，系统将能个性化地向用户推荐相关学习元。

5 结束语

设计、开发基于协同创新的移动学习系统，它将有助教学模式的改革与发展，有利于促进学习者的自学和远程教育的快速发展。从宏观上看，有助于扩大网络学习的规模，对建立终身学习型社会具有重要意义。对各高校来说，移动教学的应用可以促进教育信息化，特别是提升当前教学资源库，精品资源共享课建设的质量和信息化水平。对学习者的意义在于能够实现学习者任何时候、任何地点进行学习的梦想。

参考文献：

[1]刘珍芳.移动学习是现代教育技术发展的新方向[M].中国电化教育，2005（09）.

[2]吴兵，董清爽.协同式学习环境下移动学习系统设计研究[M].科技信息，2009（29）：517-518.

[3]武玉坤.基于Android移动学习平台的设计[M].计算机光盘软件与应用，2013（01）.

[4]王琴，王军，基于移动云计算的移动学习研究[M].制作业自动化，2013（35）.

作者简介：韦存存（1979-），男，广西柳州人，教师，硕士，研究方向：语义智能、数据挖掘、移动应用；朱书架（1993-），男，浙江温州人，软件技术专业在读学生。

作者单位：浙江工商职业技术学院计算机应用研究所，浙江宁波 315012；浙江工商职业技术学院，浙江宁波 315012

基于角色的协同设计 第4篇

协同过滤推荐算法是目前研究和应用最为广泛的推荐技术之一, 它可忽略项目对象本身的内容问题, 能既应用在可计算的文本领域和非结构化的复杂对象领域, 如电影、音乐和图书等。协同过滤推荐如同现实中的口碑一样, 可发现用户可能感兴趣的新内容, 而不局限于用户原有的感兴趣内容。

形成用户的最邻近用户集是协同过滤推荐算法中最为关键的一步, 但协同过滤推荐算法存在稀疏性问题, 以稀疏的打分产生用户间的相似性可能并不准确, 从而影响了算法的准确性。针对这一问题, 本文提出了一种改进的协同过滤推荐算法。并通过实验比较了本算法和传统CF算法的精确度。

1 问题的提出

协同过滤推荐算法是基于用户对项的评分作为学习用户偏好并产生推荐的, 但用户的评价打分常常十分稀疏。用户对项的评分, 作为用户对资源项的偏好表达, 但同时, 用户的系统行为也是偏好表达的一种。用户会对自己认为合适的资源进行点击然后浏览, 这是一个基本偏好的筛选过程。“收藏”操作将表明用户对某一信息资源的关注与并存在偏好。查询则是用户明确自身偏好资源而在系统中进行查找的过程。

以日志记录用户操作行为, 把浏览行为、页面的点击操作、收藏以及查询行为等, 与对应1～4的分值关联起来, 则可建立新的修正的I-U评分矩阵。

另一方面, 在协同过滤推荐的算法, 如slope one算法, 是以用户共同打分项的打分情况猜测用户对目标未打分项的打分, 假定存在用户X, Y和A都已对Item 1打分, 且用户X, Y也对Item2打分, 那么用户A对Item2可能会打多少分呢?

根据Slope One算法, 应该是:4-[ (5-3) + (4-3) /2]=2.5。但这一算法默认了用户对Item2的打分倾向是相似甚至是相同的, 是可允许通过其他任意用户的打分来预测评分。但如果用户之间的打分倾向并不同, 这个式子就不成立了。

slope one算法容易陷入一个逻辑的死循环, 计算用户的相关性并预测评分是根据相似用户的评分来计算。故本文认为, 在计算用户相似性时, 不能忽略影响用户偏好或评分倾向的一些重要而稳定的属性。以用户之间存在着共同的明确而稳定的属性进行不同用户群的划分, 由此产生的用户群称之为角色。在这影响用户评分倾向的稳定属性下, 同一角色的用户之间具有良好的关联和相似的偏好特征。

以这一思想, 定义约束权重系数K来计算用户相似度sim。相同角色时, K为1;不同角色时, 取用户之间评分的项的交集比例来作为K的值, K∈[0, 1]。在多评分数据下, 两用户即使角色不同, 如果共同评分项较多, K也越接近1, 同样可成为相似用户。则权重系数K的计算式为:

其中, Cij为用户i和j共同评分项相交的集合, Ci+Cj为用户已评分项的并集。

2 改进的CF算法描述

输入:m个用户对n个项的评分, 用户行为产生的对项的评分, I-U评分矩阵;分角色用户相似度sim, 用户评分项的并集和共同评分项的交集, 相似阈值θ, 推荐首选项数N。

输出:用户的Top-N推荐。

算法过程:

(1) 根据用户行为以相应评分值修正用户的I-U评分矩阵。

(2) 应用修正的皮尔逊相关系数计算任意用户之间相似约束系数K的值, 并以KRia代替Ria根据式 (2) 计算用户i和j的相似度sim (i, j) , 比较sim (i, j) 与θ大小, 把满足sim (i, j) >θ的相似度以Top-N排序, 产生最邻近用户集V。

(3) 由集V中用户对当前项i的评分, 采用平均加权法来计算预测评分并产生推荐结果, 根据式 (3) 计算目标用户u对项i的预测评分Pui。

(4) 对Pui进行Top-N排序, 把首选N项推荐给用户。

3 验证实验

3.1 测试数据集

下载MovieLens提供的公共测试数据集ml来验证算法的有效性。该数据集由6040个用户对3900部电影评价打分产生约100万个评分数据, 它含有用户信息表、电影信息表和评分信息表。其中用户信息表包含角色划分的职业类型属性。

为了测试本文算法的有效性, 实验共进行两次, 分别选择职业 (Occupation) 代号为7的679个行政管理者 (executive/managerial) 涉及3276部电影, 一共有104561个评分数据的“测试集1”和代号为17的502个技术工程师 (technician/engineer) 涉及3196部电影, 共72816个评分数据的“测试集2”进行相关数据测试。

测试实验采取缩小的测试数据集, 但分析在传统算法下的推荐数据情况, 满意的推荐结果较集中在相同背景下的用户之间, 因而数据集有效。

在进行测试实验时, 要进行数据的稀疏度计算, 低稀疏度的数据产生的预测评分才是可靠的。

稀疏度=所有已评分值的数目/用户数资源数 (4)

3.2 推荐算法质量的度量指标

本文采用平均绝对误差MAE作为度量指标。当MAE值越小, 推荐的质量越好, 它的计算公式为:

MAE=[∑undefined|pi-qi|]/n (5)

其中, pi为用户的预测评分值, qi为用户的实际评分值, n为预测项的个数。

3.3 实验结果

对数据进行预处理, 把每个数据集以八二比例分为两部分, 80%部分作为训练base集, 20%部分作为测试test集。“测试集1”的数据稀疏度为4.7%, “集2”为4.5%。

对两测试集计算MAE值, 分别与传统CF算法下的MAE值比较, 得到结果如图1和图2所示。

两实验均选取10到35个最近邻居, 间隔为5。从实验可看出本文提出的算法具有较小的MAE, 具有更高的推荐质量。

4 结束语

本文从评分数据稀疏问题和最近邻计算出发, 讨论了I-U评分矩阵的修正问题和仅依靠用户打分是否能成为最近邻的问题。并提出了改进的方法, 以用户行为对应分值替代方式修正了I-U评分矩阵并以权重系数K约束最近邻用户的计算, 使得推荐算法能更好地产生最邻近用户集。实验结果表明, 本算法较显著地提高了推荐质量。

参考文献

[1]王茜, 杨莉云, 杨德礼.面向用户偏好的属性值评分分布协同过滤算法[J].系统工程学报, 2010 (04) .

[2]黄晓斌.基于协同过滤的数字图书馆推荐系统研究[J].大学图书馆学报, 2006 (1) .

[3]PROF DR, NEUHOLD E J.Personalization and User Profiling&Recommender Systems[C].WIAM Informations ManagementProseminarSS, 2003LVA-Nr.400298.8.

[4]KIN BM, LIQ, PARK C S, et al.A new approach for combiningcontent-based and collaborative filters[J].Journalof Intelligent In-formation Systems, 2006, 27:79-91.

[5]周敏, 周继鹏, 丁光华.PSL:针对大规模数据应用的并行Slope One算法[J].科学技术与工程, 2010 (3) .

[6]SARWAR B, K ARYPIS G, KONSTANJ, et al.Item-Based Col-laborative Filtering Recommendation Algorithms[C].Proc of the10thInt’l World Wide Web Conf, 2001:285-295.

[7]BREESE J, HECKERMAN D, KADIE C.Empirical Analysis ofPredictive Algorithms for Collaborative Filtering[C].Proc of the14th Con on Uncertaintyin Artificial Intelligent, 1998.

基于角色的协同设计 第5篇

关键词：众筹模式；增材设计；价值协同创造

1 设计众筹的研究背景

在“大众创业、万众创新”的时代背景之下，大量创新个体不断涌现。创意项目有利于企业转型和技术创新，但资金短期是小微创业者面临的关键问题，[1]将众筹、众包、众创紧密结合的设计模式因此而产生。[2]

众筹（Crowdfunding）的字面含义即大众筹资集资，通常是从很大数量的互联网社区参与者中筹集资金。众筹一般由发起人、支持者以及平台构成，基于社会化媒体的互联网金融模式有力支持创业、创新和创意。[3]从21世纪初期开始，众筹作为一种创业模式已获得了高速发展。仅在2012年一年中，全球范围内有超过一百万个的众筹项目被开展。

虽然在线众筹发展迅速，但针对设计众筹模式的研究还相对较少。一项有关众筹参与者行为和心理的研究表明，通过使用相关支持工具可以提升项目创造者和支持者的动机。[4]Gerber和Hui建议基于一系列完整的原则来促进参与者彼此联系。[5]但是，这些先前研究主要涉及众筹项目管理，并不能对众筹模式的迭代提出建设性意见。

2 众筹的一般模式

理论上的众筹可以被定义成为两种类型，一种叫作“奖励众筹”，另一种叫作“股权众筹”。本文的研究环境完全是基于奖励众筹的，它一般包含两种模式：AON和KIA。

AON（All-or-Nothing）模式意为“所有或没有”，它是一种被广泛应用并能有效集资的众筹形式。KIA（Keep-it-all）模式意为“保留所有”，即不管筹资多少，资金都将能被发起人使用。AON模式是目前全球范围内最为普遍的众筹模式。以全球最流行的AON众筹平台Indiegogo为例，基于该模式，项目创立者按照三个步骤去完成他们的小微创业。在开始阶段，他们是将已设计的产品提交为众筹项目。然后，该创业产品会被发布到众筹网站的平台上，其他的具体工作也将同时被实施。在两过程之后，如果所筹集的资金总量在截止日期之前完成了预定目标，創立者将获得所有资金；反之，项目将被终止，所有资本将被直接返。

3 基于增材设计的价值协同创造

3.1 增材设计与协同创造的介绍

增材制造技术又被称为3D打印技术，它是一种逐层增加材料而生成三维实体的技术。增材设计是“面向增材制作的设计”的简称。在传统的“面向制造的设计”中，设计者需要不断调整他们的设计，用以适应制造上的难点。增材制造技术提供了一个重新思考的契机——利用其独特功能尤其是免开模生产的特征可以在形状、尺寸、层次结构等方面使产品性能最优化。

“协同创作”是一种注重消费体验与互动关系的商业策略。它可以促使企业和消费者产生共同认可的产品并实现多边的价值。在增材设计领域，一批新兴小微创业者在近几年利用互联网和计算机图形技术，开发了面向3D打印的在线设计应用程序。通过在线交互操作，消费者可以在企业提供的开放性框架中修改符合个人偏好。在完成设计后，消费者需要在线提交并购买产品。公司将在随后的数天内完成产品的3D打印并交付。

3.2 基于增材设计的价值协同创造的项目案例

“神经系统”设计工作室由美国麻省理工学院两位毕业生创立于2007年。它将包括3D打印、生成式设计建模、渲染交互式3D图像等在内的新兴科技运用于设计创新，因此被视为集科学、技术与艺术为一体的先锋实践者。

“细胞周期”是“神经系统”设计工作室所发布的首个在线设计应用程序。它是一款网页端设计应用程序，用于创作可被3D打印的细胞状模型。用户对基础模型进行一系列设计与修改，将其转化为具有复杂样式的结构。操作这款应用程序是一种非常有趣的体验，消费者可以在动态过程中进行自由设计，并将设计结果定义为首饰、灯罩、雕塑等产品。

3.3 增材设计案例的赢利模式

“细胞周期”的赢利模式包含如下五步操作流程：第一，设置模型属性。它包括：产品类型、图案层数等。第二，设计产品样式。用户通过三组变量控制模块对产品进行塑形、扭曲、细分。第三，选择产品尺寸。该程序为用户预置了一组美式标准的尺寸。第四，选择产品材料和色彩。可供用户选择的材料包括塑料和金属。第五，确认产品价格与物流周期，并进行线支付。在两周之内，这款完全由用户创作设计的产品将被3D打印并快递派送。项目创造者因此赢利。

4 研究结论

基于增材设计的价值协同创造可以被认定为众筹的新模式。因为它具备众筹的显著特征——由项目创始人发起，通过互联网连接投资者并促使他们付费，来实现赢利。作为一种新的众筹模式，基于增材设计的价值协同创造还具有如下的新特征：

第一，互动式交流。基于增材设计的价值协同创造可以实现发起人和支持者的互动。通过网站界面，这比传统模式中单向发布信息要有效。第二，多样性选择。对比普通模式仅能提供单一产品，基于增材设计的价值协同创造有提供无数种产品的可能，刺激了投资者的消费。第三，流程详细且清晰。基于增材设计的价值协同创造保证所有环节都是透明的，这增加了支持者对风险和收益的认识，提高了支付信心。

参考文献：

[1]罗仕鉴，胡一.服务设计驱动下的模式创新[J].包装工程，2015（12）：1-4.

[2]黄玲，周勤.创意众筹的异质性融资激励与自反馈机制设计研究——以“点名时间”为例[J].中国工业经济，2014（7）：135-147.

[3]焦微玲，刘敏楼.社会化媒体时代的众筹：国外研究述评与展望[J].中南财经政法大学学报，2014（5）：65-71.

[4]Hui.J，Greenberg.M，Gerber.E . Understanding crowdfunding work：implications for support tools[A] . CHI'13 Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems[C] . Paris，2013：889-894.

基于角色的协同设计 第6篇

关键词：角色协同,工作流,毕业论文,管理系统

1 引言(Introduction)

本科毕业论文是本科生的一门重要实践课程,也是大部分教师和教学管理人员每年都要面临的一项烦琐工作。从出题、选题,再到写作与指导、评审与答辩等,整个过程都需要教学管理人员、教师、学生投入大量的精力。传统的本科毕业论文指导与管理工作存在以下主要问题:

(1)师生协同不足:学生离校实习、教师无固定办公地点等,导致学生与教师见面不易,信息沟通不畅,师生交流不充分。由于教师工作比较繁忙,每个教师要同时指导多名学生,导致学生和教师很难在工作时段内同时有空闲时间来进行面对面地指导,难以实现老师与学生之间的互动,教师对学生论文评阅效率低下。

(2)工作压力大:本科毕业论文整个工作流程的工作环节多,参与人员多,时间跨度长,业务流程繁杂,工作量庞大,工作烦琐、易重复。

(3)信息化程度低:本科毕业论文各个工作环节会产生阶段文档,而且前后各阶段文档之间有着密切的关联关系;大量的打印文档不利于师生对文档的查阅、保存,且不环保。即使使用电子文档,但未建立关联关系,不利于收集、查询和统计。

(4)监管力度不足:传统毕业论文写作与指导过程缺乏有效的监管力度,难以保证师生按时完成各项工作。缺少第三方监管本科毕业论文写作与指导过程的完整记录,难以解决导师与学生之间就论文完成情况及论文质量相互推卸责任的问题。

针对上述问题,国内研究者们提出了不同的毕业论文管理系统,文献[1—4]建立了基于WEB方式的论文管理系统,文献[5]提出了基于本体的论文管理系统,文献[6]提出了基于工作流的论文管理系统,但是这些研究在师生协同、提高工作效率、加强监督方面仍存在不足。因此,本文提出一种角色协同的工作流模型;根据模型中的系统工作流状态,利用时间和事件触发机制,对用户指派角色、对角色指派权限,再通过各个角色之间的协同,完成毕业论文各项工作,解决传统人工方式的论文管理工作中存在的问题,提高工作效率、减轻工作压力、增强监管力度、提高论文管理工作的信息化水平。

2 相关知识(Related work)

角色:是相关权限命令的集合,使用角色的主要目的是简化权限管理,角色主要由权限和用户构成[7]。

协同:就是打破资源(如人、财、物、信息和流程等)之间的各种壁垒和边界,使它们为共同的目标而进行协调的运作,通过对各种资源最大的开发、利用和增值以充分达成共同的目标[8]。

工作流:是指一类能够完全自动执行的经营过程,根据一系列过程规则,将文档、信息或任务在不同的执行者之间进行传递与执行[9]。作为计算机支持的协同工作研究的一个重要方向,工作流管理的主要目标是通过调用有关的信息资源与人力资源来协调业务过程中的各个环节,使之按照一定的顺序依次进行,从而实现业务过程的自动化。工作流技术通过将工作分解成为良好的任务、角色,按照一定的规则和流程来执行这些任务并对它们进行监控,以达到提高办事效率、降低工作成本的目的[10]。

时间触发机制[11,13]是指将时间域分成离散的时间间隔,将消息的传输分配在一定的时间间隔内完成。

事件触发机制[12,13]是指在工作流程中,根据其他事件的发生而产生相应动作(称为触发动作)干预工作进程。

3 角色协同的工作流模型(The role-collaborativeworkflow model)

本节首先对角色协同的工作流模型(Role-collaborativeWorkflow Model,Rc W)进行描述,然后基于该模型进行建模。

3.1 模型的组成元素

角色协同的工作流模型由用户主体、角色主体、任务主体、系统工作流状态、访问权限、角色指派、权限指派和角色协同这八个元素组成。下面将分别对这八个元素进行描述。

用户主体:是指提出指派角色请求的实体,使用符号u表示,用户主体的集合使用符号U表示。

角色主体:是指提出指派权限请求的实体,使用符号r表示,角色主体的集合使用符号R表示。在本科毕业论文的整个工作当中,存在着教学管理人员(教学院长、系主任、教学秘书)、教师(指导老师,交叉评阅老师,答辩老师)以及学生这些不同的角色,所以论文管理系统中的角色主体集合表示为:

公式(1)中,M表示管理员,T表示教师,S表示学生。

任务主体:是指接受r访问的实体,也是工作流各个环节的核心,使用符号t表示,任务主体的集合使用T表示。论文管理系统中的任务主体集合围绕着论文展开,表示为:

系统工作流状态:是指Rc W模型在整个论文工作流程(如图1所示)中,r访问t时的快照,使用符号s表示,系统工作流状态集合使用符号S表示,包含r访问的对象t和访问时间time两个元素。论文管理系统中的系统工作流状态集合表示为:

访问权限:是指r访问工作流中任务主体的方式,使用符号p表示,访问权限的集合使用符号P表示。论文管理系统中的访问权限集合表示为:

角色指派:是指在系统工作流状态下对u指派r的方式,使用符号UA表示。Rc W模型中,同一个u能够被指派多个r,但是在同一s状态下,一个u只能被指派一个r,因此角色指派由s决定。角色指派函数表示为:

权限指派:是指在系统工作流状态下对r指派p的方式,使用符号PA表示。Rc W模型中,不同的r访问的t不一样,对t的访问权限也不同,且同一r在不同的s状态下,对t的访问权限也不同,因此,权限指派由s决定。权限指派函数表示为:

角色指派和权限指派都由s决定,s的状态由s中的两个元素t和time决定,s中的元素time是被分成离散的时间间隔,t的触发被分配在一定的时间间隔内完成,这样就应用到了时间触发机制的原理。例如在开题报告提交时间结束时,则激活论文写作与指导阶段的工作流程中的t,开始初稿的提交;在论文定稿提交时间结束时,则冻结论文写作与指导阶段的工作流程中的t。

同时在Rc W模型中,部分流程的ti的触发等待着ti-1事件的完成来激活自身状态。不同的用户角色访问不同t,则被指派不同权限,这样就应用到了事件触发机制的原理。例如学生在论文初稿tk提交完成后,触发导师指导评阅论文初稿tk+1的工作进程;导师在论文初稿的评阅tk+1提交完成后,激活学生提交修改稿tk+2的工作进程。

因此角色指派和权限指派都考虑到了时间和事件触发机制。

角色协同,是指在Rc W模型中,各个角色主体之间打破时间、空间、物质等资源之间的各种壁垒和边界,使他们为完成共同目标而进行协调的运作,通过对各种资源最大的开发、利用和增值以充分达成共同目标,使用符号RC表示。角色协同函数表示为:

在毕业论文管理系统中,大部分工作需要教学院长、系主任、教学秘书、教师和学生等这些角色之间的协同RC来完成。例如,导师与学生之间协同完成论文的指导与写作,最终完成共同目标——论文定稿的完成。

这样,Rc W模型可以表示为八元组:

Rc W模型运行的充分必要条件为:不存在u无法被指派r,不存在r无法被指派p,不存在t无法被访问。

3.2 角色协同的工作流模型

基于Rc W模型的组成元素,根据RBAC96[14]的框架对Rc W模型进行建模,在Rc W模型中添加了会话集和约束集,如图1所示。

Rc W Model:

U:用户主体集合;R:角色主体集合;

T:任务主体集合;P:访问权限集合;

Sessions:会话集——各主体之间的会话;

Constrains:约束集——约束各主体之间的指派关系。

OP={execute},操作集合

P=OP×T~Constrains(S)

,用户与角色的指派关系

roles(u):U→2R~Constrains(S),对用户指派角色的函数映射。

,角色与权限的指派关系

per: R→2P~Constrains(S),对角色指派权限的函数映射。

在Rc W模型中,为确保用户角色指派的正确性,根据用户与角色的指派关系和用户指派角色的函数映射,设计了用户角色指派算法。如下所示。

在Rc W模型中,为确保角色权限指派的正确性,根据角色与权限的指派关系和角色指派权限的函数映射,设计了角色权限指派算法。如下所示。

根据Rc W模型,实现基于Rc W模型的毕业论文管理系统。下一节对该系统和传统人工方式进行应用研究比较与结果分析。

4 应用研究与结果分析(Application studies andresults analyzes)

为了验证基于Rc W模型的本科毕业论文管理系统在解决传统人工论文管理方式中存在的问题的实用性,基于角色协同的工作流模型的本科毕业论文管理系统已在西南大学外国语学院试运行,网址:http://202.202.121.101/pdms。

对于传统的人工论文管理的方式,通过外国语学院教务管理人员提供的信息,收集整理了2011—2013年这三届西南大学外语学院本科毕业论文管理工作的数据。

对于系统进行论文管理的方式,通过系统对论文管理工作整个流程的完整记录,收集整理了2014届外语学院毕业生通过本系统完成毕业论文的数据。

对于传统人工方式和系统方式的各项数据,主要从以下几个方面进行比较与分析。首先,在完成各个相同阶段的管理工作耗时进行了比较,结果如表1所示。

说明:在统计提交任务书、开题报告和论文定稿人数的时候,如果有未提交的,还需要列出未按时提交论文稿件的学生名单。目前为止,2015届毕业生的论文工作完成了一部分,只有部分数据。2011—2013的数据是由外国语学院的教务管理人员提供的,2014—2015的数据是通过系统操作20次的平均值。

然后,在各个阶段论文稿件的按时提交比例方面进行了比较,结果如表2所示。

说明:由于传统人工方式无法对论文指导过程进行记录,传统人工方式在论文指导过程中无数据。修改稿在论文指导过程中,论文稿件有多次提交的情况,在表中使用的数据是修改稿第一次提交和第一次评阅的数据。2011—2013的数据是由外国语学院的教务管理人员提供的,2014的数据是系统记录的。

由表1中的数据可以看出,通过本系统进行本科毕业论文相关工作,极大地减少了工作时间,提高工作效率,同时减轻了教学管理人员的工作量。由表2的数据分析可以明显看出,在通过使用进行本科毕业论文相关工作时,本科论文过程中各项工作的完成率相较于传统模式平均提升了15%,各个阶段完成工作比大幅提升。通过在线提交,在线指导,在线监控论文进程,方便了师生之间论文的写作与指导,同时实现了对论文指导过程的全程记录,对论文指导工作的评价与衡量提供可靠的依据。

论文存储:2011届纸质任务书、开题报告和论文各571份,2012届纸质任务书、开题报告和论文各563份,2013届纸质任务书、开题报告和论文各541份,总占地1.14m3;2014届各种电子版的论文稿件共计9514份,占5.15GB的硬盘容量。纸质论文需要大量的打印,不环保,电子格式的论文稿件存储占地空间小,不需要打印大量的纸质文档,十分环保,且在系统中查找论文稿件十分方便。

在2011—2013年的本科毕业论文工作中,发生学生稿件遗失、需要学生重新提交的情况平均17例;给导师发送论文出错情况平均发生8例;在2014届,由于使用了本系统,未发生上述两种情况。在2011—2013年,学生未按时完成论文,与导师相互推卸责任的情况平均有5例,同时由于无依据可寻,处理此种情况很麻烦;在2014届中发生此种情况三例,直接查看整个工作过程的记录,根据记录处理,十分方便且具有说服力。

5 结论(Conclusion)

基于角色协同工作流模型的本科毕业论文管理系统已初次在西南大学外国语学院使用,运用角色协同和工作流的技术,采用时间触发机制和事件触发机制的原理,较好地解决了传统人工管理方式存在的四大问题,有效地减轻了教学管理人员、教师、学生完成本科毕业论文工作的工作量,提高了本科毕业论文工作的工作效率,取得了较好的教学成果;且系统全程保留了本科毕业论文工作在各个阶段产生的文档和数据,记录了论文指导的整个过程,可以为教师进行论文工作的绩效评估提供依据。

基于BIM的建筑协同设计研究 第7篇

关键词：BIM,协同设计,Revit,操作,制度

1 引言

建筑工程是一项包含多方参与的组织活动, 在项目全寿命期各阶段都会有信息流的相互传输。例如, 暖通专业中设备间、管道井布置必须有建筑专业提供的详细尺寸;水暖管道布置时, 由于需要穿过梁、板、剪力墙等结构构件, 就必须依据结构专业提供的预留洞口位置;暖通专业及时向电气专业提供所有用电设备 (如冷水机组、空调机组) 的电量, 电气专业才能准确计算电容量。在设计过程中, 如果各专业设计人员仅从自身角度考虑问题, 必然会引起设计方案冲突。因此, 为了在设计过程中尽早地解决各专业之间的矛盾, 保证各专业设计人员及时地交换信息、消减冲突, 必须对各专业设计过程进行协调管理。

BIM技术的出现, 给建设工程项目协同设计带来了新思路, 不仅实现了从单纯几何图纸到建筑信息模型的转变, 也提供了从离散分布设计转向协同设计的新模式。基于BIM技术的建筑协同设计是指基于某一BIM平台 (如Revit) , 在设计阶段就考虑施工、材料、装修等后续工序涉及的所有技术规范和变化因素, 使不同利益诉求的项目参与方能同步参与设计工作, 进而整合各方需求, 整体分析信息变化, 保证数据之间的联动性、相关性, 确保设计方案能准确高效地反映各方要求, 从而提高设计的质量和效率。协同设计不再是单纯意义上的设计交流, 而是与BIM融合形成的一种新的设计理念与手段。

伴随着BIM技术在国内的广泛应用, 基于BIM技术的建筑协同设计备受关注, 成为该领域的前沿课题。国内很多学者进行了有针对性的研究, 研究内容多涉及基于BIM技术的协同化设计必要性以及协同平台的初步框架等, 而对于诸如BIM协同方式选择、实施方案设计等应用层面的技术研究较少。基于此, 本文借助于Revit软件, 通过实践操作, 探究BIM协同设计中有关于统一坐标和高程体系、工作集划分和权限设置等软件操作的相关内容, 通过分析BIM协同设计模式较传统设计模式的不同技术特点, 整理明确适用于该模式的应用制度。

2 基于BIM技术的建筑协同设计

跨阶段跨专业的协同设计工作, 涉及到多层次、宽领域的专业协同管理问题, 协同设计准备工作尤为重要。准备工作既包括Revit软件操作层面, 也包括协同工作的组织协调制度层面。

2.1 Revit软件操作层面的协同准备

2.1.1 Revit协同方式的选择

协同设计准备的首要工作就是确定协同工作, 是采用链接还是采用工作集的方式。Revit平台中, 链接是最容易实现的数据级协同方式, 仅需要参与协同的各专业用户使用链接功能将已有RVT数据链接至当前模型即可。工作集是更高级的协同方式, 它允许用户实时查看和编辑当前项目中的任何变化, 但其问题是参与的用户越多, 管理越复杂。基于这一特点, 建议根据项目工作过程的特点, 优先将项目拆分为不同的独立模型, 采用链接的方式链接生成模型, 在独立模型的内部可根据需要再启动工作集模式, 以方便沟通和修改。对于联系非常紧密的工作, 则可以采用工作集的模式, 例如, 多个工程师同时参与同一个项目建筑专业的设计工作, 最终需要合成一个完整的设计项目时, 可以考虑采用工作集的方式, 以便多个建筑师之间及时交流、互通信息。

2.1.2 统一坐标和高程体系

坐标和高程是Revit平台上实现建筑、结构、机电全专业间三维协同设计的工作基础和前提条件。由于在Revit项目中没有坐标原点的概念, 为方便各构筑物和总图场地模型的整合, 必须先借助“在点上制定坐标”的方式为建筑物设定共享坐标体系。Revit通过使用“共享坐标”记录链接文件相对位置, 在重新制定链接文件时, 可以通过使用“共享坐标”达到快速定位的目的, 提高合模的效率和精度;并且, 所有模型文件应采取统一的高程体系, 否则合模后的模型会出现建筑物各专业高程不统一的问题。此外, 还要特别注意设定好建筑物水平方向与总图中城市坐标体系的偏差角度补偿。例如, 包头市建筑项目采用地形图中的包头城市坐标系统和高程系, 通过Revit创建三维模型, 应在模型的某个点设定与包头城市坐标原点的东/西/南/北各向距离, 以及该点所处的城市高程数值, 使之与总图上的这个点位的XY坐标和立面标高值一致, 最后设定模型水平方向和地理正东方向的角度。在统一的高程和高程体系基础上, 设计人员即可通过“原点到原点”的方式链接各专业模型, 保证各类模型之间定位的一致性。

2.1.3 项目样板定制

在Revit中新建项目时, Revit会自动以后缀名为“.rte”的文件作为项目的初始条件, 该“.rte”格式文件又称为“样板文件”, 其功能相当于Auto CAD的.dwe文件。项目样板定义了项目的初始状态, 如项目的单位、材质设置、视图设置、可见性设置、载入的族等信息。合适的项目样板是高效协同的基础, 可以减少后期在项目中的设置和调整, 提高项目设计的效率。

设计人员根据不同项目的特征, 将所需的建筑、结构、机电等构件族在模板中预先加载, 并定义好部分视图的名称和出图样板, 形成一系列项目模板。协同设计团队人员只需要浏览“默认样板文件”, 即可调用指定的样板文件。如在脱水机房项目模板中, 可以预先将常用的退水机、螺杆泵、污泥切割机等必要的构件族载入项目, 基本上可以满足建模乃至出图的要求, 而不用花费大量的精力查询和载入族。

在Revit中创建项目样板有几种方式。其中一种是在完成设计项目后, 单击“应用程序菜单”按钮, 在列表中选择“另存为项目样板”命令, 可以直接将项目保存为“.rte”格式的样板文件。另一种方法是通过修改已有项目样板的项目单位、族类型、视图属性、可见性等设置形成新的样板文件并保存。通过不断地积累各类项目样板文件, 形成丰富的项目样板库, 可以大大提高设计工作的效率。

2.1.4 工作集划分和权限设置

设计工作中, 每一个单体建筑物的设计团队均由不同专业的若干设计人员组成, 而Revit可通过使用工作集来区分模型图元及所属信息, 结合二者的特点, 项目负责人按照专业划分工作集, 将项目参与人员和工作集进行对应, 从而借助“工作集”分配工作任务。Revit的工作集将设计参与人员的工作成果通过网络共享文件夹的方式保存在中央服务器上, 并将他人修改的成果实时反馈给设计参与者, 以便其及时了解修改和变更。工作集必须由项目负责人在开始协作前建立和设置, 并指定共享存储中心文件的位置, 定义所有参与设计人员的调用权限, 不允许随意修改或获取其他工作集的编辑权限。当其他人员需要编辑非本人所属工作集中的图元时, 必须经该工作集负责人员同意。当设计人员完成工作关闭项目文件时, 为防止工作集被其他人员误改, 建议选择“保留对图元和工作集的所有权”选项。

通过打开各工作集中的模型, 设计负责人可以及时了解项目各专业人员的进度和修改情况, 从而避免在传统二维设计中经常出现的由于不同专业间相互交接图纸及图纸频繁更新而导致的专业间图纸版本不一致问题。工作集是Revit中较为高级的协作方式, 软件操作并不十分困难, 需要特别注意设计人员的分配、权限设置以及构件命名规则、文件保存命名规则等。

2.1.5 模型整合

协同设计必然要涉及到模型整合的问题, 而模型整合涉及坐标位置的整合和模型数据、信息的整合。对于设定了共享坐标系的单体模型而言, 模型的整合十分便捷。本文重点探讨关于模型数据、信息的整合问题。

不同的BIM应用软件生成的模型数据格式并不一致, 而且需要考虑多个模型的转换和集成, 目前虽然有IFC/GFC接口标准以及各类软件之间研发的接口 (比如鲁班软件基于Revit研发的Luban Trans-Revit插件) 可以利用, 但是也会造成数据的丢失和不融合。这是目前制约BIM协同设计模式发展的重要症结, 其解决一方面需要设计人员严格遵循相关BIM建模规则和规范, 另一方面也需要工程技术人员通过不断的研发创新, 开发出更优质的数据接口和插件。

2.2 制度层面的协同准备

BIM协同机制是保证整个工程项目顺利进行, 并最终成功实施BIM的关键因素。协同设计过程都有众多的参与方, 如何进行高效的组织协同是关键。基于BIM技术的协同设计模式在一定程度上改变了传统建筑业的业务流和信息流, 推动建筑项目各参与方职责分工的变动和利益责任的重组。因此, 在制定设计协同实施方案前必须就以下问题做出安排:

2.2.1 明确各参建单位层级和职责, 并形成责任矩阵

协同工作涉及设计方、业主、BIM咨询团队、施工方、供应方等单位, 各方职责不同。设计方是基于BIM的建筑协同设计主导者, BIM团队为主要执行团队;业主是主要需求和要求的提出者, 也是各种成果的接收者;咨询团队负责对与BIM相关内容的指导和咨询, 咨询的责任范畴以签订的服务合同为主。考虑到BIM协同对于传统建筑业业务流的改变, 本文重新定义明确了BIM协同设计9条工作流程。上述流程的具体内容以及参与各方的权责划分详见表1。

2.2.2 明确协同工作的组织方案, 形成设计协同流程

(1) 设计阶段协同组织方案

协同的组织应该按照项目BIM实施的组织机构的职责分工, 由业主牵头组织制定BIM协同机制, 由设计方按照实施方案负责具体的BIM工作推进。具体如下:

现状建模:由业主负责牵头组织, 设计院/BIM团队负责现状建模, 各参与方对不同阶段的现状模型进行会审, 会审内容包括现状模型、各阶段的施工方案与现状模型的结合等。

设计建模:设计院/BIM团队负责模型的建立, BIM咨询单位对模型进行审查和评估, 业主对模型进行确认, 并通过工程例会或者远程视频进行3D交底。

设计评审:由业主牵头组织各方评审, 通过设计成果的BIM展示, 辅助评审。

3D协调:业主组织BIM协调例会, 相关参建各方利用BIM模型, 通过会议形式进行工作协商处理, 业主主要负责协调决策和成果确认。

4D模拟:由业主牵头组织施工方、BIM咨询单位、设计院BIM团队等, 确定模拟的内容和时间节点, 由BIM团队负责4D模拟的具体协调和模拟工作, 施工方和监理单位负责方案和实际进度的审核, 4D模拟成果由业主确认。

施工图预算:由BIM团队在BIM模型的基础上, 利用相关软件对工程量进行导出, 由业主牵头组织施工方、监理单位, 以会议形式协调和确定工程量。

(2) 设计阶段BIM协调流程

在设计阶段利用BIM技术进行各专业之间的协同, 可以减少和消除潜在的错、漏、碰、缺等设计问题, 提高设计的效率和出图质量。利用BIM模型的3D可视化特点, 还可以对设计方案进行优化, 例如净高分析、地下空间利用率分析、楼层间节点深化、重点设计节点深化等, 在项目施工前期基本解决可能由于设计而引起的变更问题。

设计阶段BIM协调的具体流程以及各参与方所应承担的主要工作如图1所示。主要流程包括BIM团队基于设计单位提供的概念设计创作BIM模型;设计单位依据“初步设计”方案按照咨询团队提供的“论证方案”来检查“各专业模型”是否符合要求;设计单位根据“确定的协调区域、信息”等内容, 制定协调计划, 由BIM团队配合其完成“碰撞检查”等协调方案, 最终经咨询团队确认“是否碰撞”后, 将方案论证的结论上报业主, 从而形成完整的协调流程。

3 BIM协同设计模式应用推广的注意事项

实现BIM协同设计的广泛应用, 必须以制定统一建模标准、打通数据共享障碍为切入点, 主要包括建模深度、建模规范两个方面。

3.1 细化建模深度要求, 避免数据丢失和信息不对称

建模深度是描述一个BIM模型构件单元从概念化的程度发展到最高层次的演示级精度的步骤。设计人员建模时, 首要任务就是根据项目的不同阶段以及项目的具体目的来确定LOD的等级, 根据不同等级所概括的模型精度要求来确定建模精度。只有基于同一建模深度创建模型, 各专业之间模型协同共享时才能最大限度避免数据丢失和信息不对称。

建模深度等级的另一个重要作用就是规定了在项目的各个阶段各模型授权使用的范围。例如, BIM模型只进展到LOD200, 则该模型不允许应用于设计交底, 只有模型发展到LOD400时才能被允许, 否则就会给各方带来不必要的损失。类似内容需要合同双方在设计合同附录中约定。

3.2 统一BIM建模标准, 确保模型集成后的规范管理

在建筑设计过程中, 不同专业可能应用不同BIM应用软件, 由于执行的建模标准不同, 将不同专业模型集合在一起时, 就需要遵循统一的公共建模规则, 以便最大限度地减少整合后的错误。为了能够准确整合模型, 确保模型集成后能统一归位、规范管理, 保证模型数据结构与实体一致, 就需要在BIM平台软件中预先定义和统一模型楼层结构标准及ID、楼层名称、楼层顶标高、楼层的顺序编码等。除此之外, 还需建立公共的建模规范, 例如, 统一度量单位、统一模型坐标、统一模型色彩、名称等。

在BIM技术深入发展的过程中, 设计人员可以制定项目级的协同设计标准;企业可以根据自身的状况制定企业级BIM协同设计标准;行业可以制定符合行业发展要求的行业BIM标准, 并可建议政府部门制定国家标准。通过逐层制定标准, 实现BIM设计协同乃至行业协作的目标。推动BIM协同设计模式的发展, 还需解决例如缺乏合同示范文本、专业人员短缺等诸多问题, 所有这些问题的逐步解决和完善, 都将依赖于建筑行业各方对BIM系统不断的探索和尝试。

4 结语

协同设计是Revit平台下最高级的管理模式, 借助协同设计模式可以使设计过程乃至整个建造过程优化至各专业、各部门的团队化协同工作。相比于传统2D建筑设计, 基于BIM的建筑协同设计对技术操作、组织协调制度等方面的要求需要适当调整。目前, BI M应用标准体系不健全、合同体系不完整等问题还在一定程度上阻碍BIM协同设计的发展, 但随着建筑行业的深入改革与创新、业内对BIM技术的不断探索, BIM技术必将成为推动建筑业信息化发展的重要助力。

参考文献

[1]姚远.BIM协同设计的现状[J].四川建材, 2011 (1) :193-194.

[2]梅苏良, 周与淳, 等.中国BIM协同设计的现状分析[J].科技创新导报, 2012 (28) :4-5.

[3]刘波, 刘薇.BIM在国内建筑业领域的应用现状与障碍研究[J].建筑经济, 2015 (9) :20-23.

[4]Chotchai C, Wijittra M, etal.Collaborative negotiation behaviors in the construction projects[J].American Society of Civil Engineers, 2011 (3) :109-115.

[5]刘雪原.CAD、BIM与协同研究[J].土木建筑工程信息技术, 2013, 5 (5) :20-25.

[6]肖良丽, 方婉蓉, 等.浅析BIM技术在建筑工程设计中的应用优势[J].工程建设与设计, 2013 (1) :74-77.

[7]李俊卫, 黄玮征, 王旭峰.BIM技术在工程勘察设计阶段的应用研究[J].建筑经济, 2015 (9) :117-120.

[8]薛晓娟, 赵昕, 丁洁民.建筑信息模型在建筑结构一体化协同设计中的应用[J].结构工程, 2011 (1) :14-18.

基于协同技术的消防指挥系统的设计 第8篇

消防指挥系统是警情处理、指挥、调度的手段和保障，主要任务是为接处警指挥人员提供案件处置方案、警情处理、快速指挥调度;它处理过程中(尤其对重特大火灾的处理)要通过许多用户的协作才能完成的。根据分析消防指挥系统是一类典型的协同技术应用系统，同时它也是由一系列的协作任务来共同完成的，如警情信息登录(接警)、通信指挥调度(处警)、案件管理等。

2 定义

协同的定义：

协同的本质就是打破资源(人、财、物、信息、流程)之间的各种壁垒和边界，使它们为共同的目标而进行协调的运作，通过对各种资源最大的开发、利用和增值以充分达成一致的目标。对协同理念的理解包括如下三方面：即“信息网状”、“业务关联”和“随需而应”三大思想。

信息网状思想：

于建立一个立体的、多维的信息获取、共享和使用的环境，无论信息的来源、结构是什么，都可以得到统一的管理;同时协同平台为这些信息节点之间提供了立体化的“网状”关联通道，从任何一个信息节点都可以到达任意的相关信息节点，极大的方便企业获取完整的、真实的信息。

业务关联思想则是提供对各个业务环节进行整合的方案，使得协同平台可以面向整个业务过程来进行管理。表面上看在协同平台中还是采用某个模块或某个功能完成某个业务环节的要求，但随之这个应用可以自动启动其他的关联应用，并完成相关数据的更新，使得企业无需在不同应用平台之间切换便可以完成对业务链的管理。

随需而应思想：

将企业的“人”、“财”、“物”、“信息”和“流程”进行充分的整合。在协同平台中，这些资源可以实现各种关联，当企业由于某个目的触发一个应用的时候，相关的资源可以随之被调动并被自动加入统一管理和协同工作的环境中，从而进行紧密的协调和运作。

3 消防指挥系统协作支持结构模型

根据消防指挥协同工作的层次特点，我们提出并设计了一种层次的基于协作任务的消防指挥系统协作支持结构模型，如下图所示，该结构模型能够支持协作环境中的多个协作任务，提供不同层次的协作支持，来完成对整个接处警任务的协作支持。该模型是具有开放结构的支持平台，它能够容纳不同类型协作任务的共存，并且同时允许用户在不同的协作任务之间进行切换和交换信息。

4 消防指挥中心系统的协作支持方案

在基于协同技术的消防指挥中心中，各用户为了共同完成各种警情的处理和指挥调度而加入协同工作环境，这是系统的总体目标和总任务。每次报警电话(或其他方式)产生一个新的警情，该警情的处理就成为协同环境中的一个子任务;同时每个警情的处理任务又可划分为接警登记、辅助决策、指挥调度等子任务;更进一步划分，又可将接警登记、辅助决策、指挥调度等子任务划分为对每个具体项目进行操作的更细的子任务。这样系统的协同任务形成了一个树形的层次结构，任务划分的越细，协作的粒度就越小，处于叶节点的子任务则是协同工作的最小协作单元。

针对系统的协同任务的层次结构，消防指挥中心系统应该提供相应的协作支持平台。相应的协作支持平台由图2所示的层次形式组成。

从上图中可以看出，系统至少提供了四层的协作支持：

第一层，这是一层面向系统的公共协作支持平台，它负责维护协同工作环境中的用户管理，包括用户的注册，身份及权限的校验，用户当前的工作状态等信息的管理;支持用户的动态加入和退出协同工作环境。同时它又是下一层任务的协作代理，维护协同环境中的警情(任务)列表、每个用户的处理警情列表(加入子任务的情况)和当前正在处理的警情序列号。

第二层，这一层完成对协同环境中的各子任务的协作支持，各子任务也可以看成是协同环境的各个具体的协同应用，因此这一层也可以看成是面向应用的协作支持。在消防指挥中心系统，目前主要的协同应用就是完成对各警情的处理。这一层主要负责维护参加该协同处理的警情的用户列表及各自的角色划分和工作状态情况，支持各用户动态地加入和退出该协同警情的处理。同时它还是下一层协同处警的各个子任务的协作代理。最后有必要对用户在协同处警中的角色划分和加入方式加以说明：

协同接处警的角色划分：

1)接警员：负责报警电话的接听和完成报警内容的计算机录入;

2)调度员：负责完成对接警结果的指挥调度;

3)浏览员：只对警情的内容和处理情况进行浏览，不能进行实际的协同处理;

4)接处警员：具有以上各角色的功能和权利。

加入协同接处警的方式：

1)接警员在接到报警电话的同时产生新的警情，他成为警情的原始参加者;

2)用户在接收到其他协同处警的用户的邀请，愿意接收邀请而加入的;

3)用户主动提出申请加入警情的处理而得到允许的。

第三层，这一层与前面两层不同，它包括了协同警情的各个子任务的协调，也就是对协同警情的共享操作对象的协调。对警情浏览而言，它只需将用户相应的工作状态通知其他的协同用户，并不需要其他更多的协调;对辅助决策而言，它也是叶节点，表明它是该任务的最小协作粒度，在我们的系统中，协同警情同时只有一个用户在做决策，各用户在对决策数据进行操作需要并发控制，它是通过用户申请该警情的决策权令牌来实现的;对接警登记和指挥调度而言，它们是下一层次更细的子任务的协作代理。

第四层，这一层与第三层类似，它提供对更细共享对象的协作支持。对接警登记而言，各接警登记项是最小的协作粒度，对每个登记项通过加锁的方式实现各用户的并发控制;对指挥调度而言，各调度项也是最小的协作粒度。在这一层中，用户对具体共享对象的操作的协调，是通过将用户对共享对象的操作或修改后的内容通知其他的协同工作的用户来实现的。

5 结束语

由于协作支持方案的层次结构，使用户在协同工作环境中的工作方式非常灵活。例如对每个警情而言，它可以由一个用户单独处理完成，也可以通过几个用户协同处理完成;而且几个用户在协同处理同一个警情时，可以是在任一层次的任务上进行协作。这有利于在火警高峰期和紧急警情时，进行高效的应急指挥。

摘要：经济的高速发展,消防指挥中心对消防指挥系统的要求也越来越高,系统能也越复杂,资源的协作性,共享性也越高。该文应用协同技术对消防指挥系统进行设计,在多用户的协作下能够迅速的完成案件处置方案,警情处理,快速指挥调度,快速处理紧急事件。

关键词：协同技术,协作支持,辅助决策

参考文献

[1]Godfreym W T.An integrated app roach for studying archi2tectural evolution[C]//Proc of the10th International Workshop on program Comprehension,2002:1272136.

[2]李健,王计斌.基于对象技术的协同设计研究[J].计算工程与应用,2000(4):1-4.

[3]胡斌,林宗楷.计算机支持的协同设计工作模式的研究[J].计算机辅助设计与图形学学报,2002(5):236-240.

[4]汪瀚,周雄辉.基于计算机支持的协同工作的注塑模协同设计研究[J].机械科学与技术,2005(4).

基于SOPC的软硬件协同设计 第9篇

关键词：SOPC,FPGA:软核处理器,协同设计,软硬件划分

0 引言

可编程器件的片上系统(SOPC),或者说是基于大规模FPGA的单片系统,目标是利用FPGA设计一种较完整的电子系统,这种系统包括嵌入式处理器、接口、硬件协处理器或加速器、DSP、数字通信、存储电路等。

SOPC在电子设计技术上给出了一种软硬件综合解决方案。要求设计者除了了解基本的EDA软件、硬件描述语言和FPGA器件相关知识外,还必须熟悉计算机组成和接口、汇编语言和C语言、DSP算法、数字通信、片上系统构建与测试知识。

1 软核Nios II概述

1.1 Nios II软核处理器

显然,必须具备一个嵌入式处理器是可以进行软件开发的前提,否则硬件功能通过软件实现就无法完成。Nios II系列是Altera推出的第二代软核嵌入式处理器解决方案。其内核是一个32位的RISC处理器,具有共享的通用指令集结构。提供32位处理器基本结构组成,如32位数据和地址总线、可配置的指令或数据cache、支持256条定制指令和支持自定义外设等。

Nios II系列包含了3种独特的内核,可以让设计者在逻辑资源和处理器性能之间综合考虑,设计非常灵活。Nios II支持实现最通用的嵌入式设计,可以建立最合适的处理器、外设、接口和存储器组合方案。开发工具为GNU tools套件,支持C/C++、PASCAL及汇编等语言。

1.2 Avalon总线

Avalon总线是专为基于SOPC的处理器而设计的。Avalon总线规范为描述外设的端口提供了基础。一个基于Avalon总线的典型系统包括许多功能模块。有2种基本访问方式,主端口(Master Port)和从端口(Slave Port)。所有的Avalon端口都是与Avalon总线模块相连从而使得系统各部分能协调工作,实现设计功能。

2 软硬件协同设计

嵌入式系统发展的初期,主要存在2种开发方式。一是针对某一特定的硬件系统进行软件开发;二是根据已有的软件系统实现其具体的硬件结构。

软硬件协同设计出现以后,从系统功能描述开始,将软硬件完成的功能作均衡考虑。在设计实现时,始终保持软件和硬件设计的并行进行。在设计后期对整个系统进行验证,最终设计出满足条件约束的目标系统。

SOPC的核心技术是系统功能集成。设计方法较传统方法有根本改变,即从以功能设计为基础的传统流程转变到以功能组装为基础的全新流程。

软硬件协同设计在实际应用中表现为软硬件协同设计平台的开发。首先对不同的任务目标找到最恰当的设计方案。然后进行软硬件划分,产生硬件描述、软件描述和软硬件边界描述3个部分。

软硬件划分是软硬件协同设计的关键步骤,其基本任务是在满足某些约束的条件下,将系统功能行为“最优地”分配到一定的软硬件系统结构上进行设计规划。SOPC系统中,有以下3种硬件加速方式可以大大提高软件处理速度:① 自定义指令方式;② 自定义外设方式;③ C2H方式。

完整的用户自定义指令包括用户自定义逻辑和软件宏2个部分。使用自定义指令,可以将用户自定义逻辑加入Nios II的算术逻辑单元(ALU)和指令系统中。

自定义外设方式,是指将一些重复使用频率较高的模块,预先通过FPGA设计的方法完成,然后挂接在Avalon总线上。

C2H方式,是指可以将C代码中的某些函数,通过C2H指令,由硬件电路实现,用户不必关心此模块的实现方式及挂接方式。如对下述乘加函数:

若采用传统CPU指令执行方式,所需指令周期将非常大,而采用C2H硬件加速,则本函数只需几个时钟周期即可完成,提升效率非常明显。

3 案例分析

3.1 任务分析

笔者所承担的某大型通信设备中,模拟用户接口板是该设备中所需数量最多的接口板之一,提供多路模拟用户接口,该电路板可以认定为是一个通信系统。

本电路板所包含的功能模块包括: DTMF/MFB模块、脉冲拨号检测模块、 TDM交换矩阵、FSK来电显示、单路有线入口规约CPC信令、维护管理及CC信令等。

3.2 软硬件划分

传统解决方案划分:由专用的分立CPU和DSP(如TI的C54xx和C67xx等)完成软件(包括编解码软件)处理,由FPGA(如Altera的Cyclone或CycloneII等)实现硬件功能。即: ① CPU完成:摘挂机上报、维护管理及CC信令、包格式适配解适配; ② DSP完成:DTMF、CVSD编解码、FSK来电显示、回波抵消; ③ FPGA完成:TDM交换矩阵、CPC信令、摘挂机检测、脉冲拨号检测、TDM适配;

可以看出,由于CPU和FPGA的各自实现方式上的差异,使得有些功能模块需要拆分,才能达到所需性能要求。如适配处理拆分成TDM码流和包格式2种不同处理方式,分别在FPGA和CPU中完成,类似还有摘挂机处理,需要在FPGA中进行检测,而CPU完成上报。这样就增加了许多模块间并不必要的接口。如图1所示。

基于SOPC的软硬件划分:则可以摒弃传统划分方案的CPU和DSP,仅仅依靠FPGA来完成:

硬件部分:TDM交换矩阵、CPC信令、摘挂机检测、脉冲拨号检测、TDM适配;

软件部分:维护管理及CC信令、DTMF、CVSD编解码、FSK来电显示、回波抵消。如图2所示。

3.3 软件系统设计

软件开发:在Nios II IDE创建系统工程。将3.2节中划分的软件设计代码放入。根据各模块需要来确定调度关系。

外设驱动:本案例中,需要的外设包括TIMER、UART、SDRAM、FLASH及自定义外设。以UART和SDRAM为例,利用HAL(硬件抽象层)提供的外设驱动函数,使其正常工作。

UART驱动:Nios II系统中,UART作为SOPC Builder组件库中的一个组件模块包含在开发包中。开发包中定义了UART的数据结构。在Nios II IDE里在所建工程的系统库中,将标准输入输出设置为UART,然后就在软件程序中可以使用printf()、getchar()等输入输出函数直接操作。

SDRAM控制器:以MT48LC8M32B2为例,根据其数据手册,设置位宽、片选、行列、时序等符合手册要求,设置参数。然后设置基址,即可在程序中应用。

3.4 硬件系统设计

模块设计:工程所需的TIMER、UART、SDRAM、FLASH等模块可以直接调用IP核使用,对于TDM交换矩阵、CPC信令、摘挂机检测、脉冲拨号检测、数据适配等模块,属于专用模块。需要在设计之初,用传统FPGA设计方法进行设计,并提供总线接口,以便接入Avalon总线。

SOPC构建:在QuartusII中,打开SOPC Builder,根据对目标任务的分析知其为计算密集型的应用,系统采用快速型的Nios II/f软核。时钟选择外频66 MHz通过FPGA内部PLL倍频到133MHz进行工作。关于各种软核的性能请参阅Altera相关手册。

还需要加入定时器、SDRAM控制器、Flash控制器、UART控制器、并行端口PIO、JTAG UART等组件,同时打开数据和指令cache。

3.5 软硬件协同调试

在NiosII IDE中创建工程,并建立新的系统库。然后编写C程序代码,根据定时器和中断控制,考虑好各主要任务函数的调度问题。 最后Build Project,成功后,选择Debug as Hardware,即可在线进行调试,纠正程序中尚存在的一些问题。程序运行正常后,重新Build Project,生成可执行代码,选择Flash Programmer,下载到指定Flash中,验证目标系统功能。

此时,可以根据FPGA的资源消耗和程序的执行效率情况综合考虑,在资源比较充足的情况下,利用C2H功能,尽量提升系统效率。或将更多的内容纳入软件处理范围,利用编写软件代码借助软核处理器实现。

3.6 系统分析

进行基于SOPC的软硬件协同设计后,所采用的芯片数量大大减少,布线面积、成本、功耗也大大降低。还可以针对不同的需求,进行定制设计,比如,考虑FPGA容量和设计周期,可以保留回波抵消和CVSD编码器2个DSP,而来电显示和DTMF/MFB采用SOPC实现。

4 结束语

基于SOPC的软硬件协同设计技术,可以将传统上需要分立的CPU、DSP、FPGA处理的功能集成到单片大规模FPGA上实现,可以最大限度地完成软件到硬件及硬件到软件的转换。利用硬件加速功能,可以轻松实现一个定制硬件逻辑,完成软件函数到硬件的转化,获得CPU和DSP难以比拟的高处理速度;对于硬件上难于实现的协议处理等功能,则利用软核处理器通过编写软件代码完成。

使用SOPC技术,使得IP核的复用更加简单。当然,如何将各种IP核连接到CPU的总线上依然是一个重点考虑因素。随着SOPC的应用,FPGA的设计规模不可避免地变得庞大。可以利用QuartusII开发环境中的逻辑锁定和增量布局布线2大工具对设计进行优化。同时,内嵌逻辑分析仪SignalTapII使FPGA的调试也更加简单。

综上所述,基于SOPC的软硬件协同设计有着传统软件或硬件设计所无法比拟的优势。因此,有理由相信,熟练掌握和应用该项技术,将对工程开发起到巨大的推动作用。

参考文献

[1]吴继华,王诚.Altera FPGA/CPLD设计高级篇[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[2]潘松,黄继业,曾毓.SOPC技术实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.

基于角色的协同设计 第10篇

关键词：协同设计 模块化 Top-Down 掘进机

中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-00-01

三一重型装备有限公司的掘进机产品为订单式产品，在平台产品基础上，根据客户订单的具体需求进行定制研发和制造。随着市场的不断发展和客户需求的多样化，产品零部件品种呈现爆炸式的增长，导致产品的设计、生产、采购、运输和管理成本很高，并且产品的交货周期也面临着巨大的挑战。因此，三一重装基于PDM系统平台，采用模块化+Top-Down设计方法进行协同设计研究。通过新的研发方法，减少产品零部件品种，提高平台产品的部件重用度，减少部件之间的耦合关系，将客户的变化需求对产品的影响降低，使客户订单分离点尽可能的远离供应商而靠近客户，并通过参数化模型实现产品的快速衍生变型，提高产品的设计效率。

1 协同设计

1.1 协同设计中PDM系统平台作用

PDM系统为公司研发数据存储平台。研发工程师使用PRO/E三维软件开展设计，设计完成的三维模型和二维工程图纸全部检入PDM系统，并通过PDM系统完成校对、标准化、审核直至图纸发布。可以说PDM系统就是一个巨大的数据库，采用模块化+Top-Down设计方法并合理的利用此数据存储平台能极大地提高设计效率。

1.2 协同设计中总体与模块设计

以PDM系统为中介，总体设计师与模块设计师开展协同设计。根据掘进机产品架构定义产品模块，总体设计师设计一级模块的接口，一级模块设计师设计二级模块的接口，然后进行接口的优化整合，建立三维接口骨架库，接口骨架后续用来指导驱动模块的结构设计。在完成接口设计的基础上，总体设计师针对具体掘进机机型进行整体布局，确定掘进机各模块的布置位置、接口位置和模块关键参数等。模块设计师接收总体定义的位置信息和参数要求，并从接口骨架中接收接口条件，开展模块的设计。当总体参数和设计条件更改后，模块只需更新接收的设计信息即可。在此过程中总体设计师与模块设计师完全通过PDM系统平台完成（图1）。

1.3 协同设计的优势

（1）总体设计师与模块设计师通过PDM系统进行数据传递，代替传统设计方法中繁琐的口头和纸面交流，且可以保证数据的准确、唯一。

（2）各模块设计师与总体设计师只需将PROE连接到PDM系统，点击下更新，就可以得到最新的数据，能及时发现设计中存在的问题并在第一时间加以解决。

（3）协同设计为并行设计，且模型采用的是参数化建模，模型可驱动，设计效率较传统设计方法提高显著。

2 结语

在产品开发中采用协同并行设计，不但能提高研发效率、缩短研发周期，同时可确保数据的准确、唯一，让设计师及时查看与之相关的部件设计情况，避免设计冲突。目前公司在掘进机、液压支架等产品中全面推行此方法，找到一条适合企业发展的研发道理。

参考文献

[1]胡建华，支建燊，胡方海.基于Pro/E的掘进机本体部模块化Top-Down设计[J].煤矿机械，2012，33（6）：243—244.

[2]王晨，王宗彦，吴淑芳，等.基于Solid Edge的产品级参数化设计方法研究[J].煤矿机械，2012，33（6）：253—254.

基于协同方式的材料设计软件的开发 第11篇

20世纪50年代以前, 大多数材料的研制模式都是在少量的数据分析基础上开展大量的试错型的实验研究, 直到20世纪90年代, 基于复杂计算的理论与模拟方法才逐步应用于材料研究与研制之中, 在此基础上形成了计算材料学, 并成为目前材料科学最活跃的领域之一。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》已经将“材料设计与制备的新原理与新方法”列为国家重大战略需求的重点发展方向。

对于科研与生产为一体的综合性企业来说, 在生产过程中会涉及到多个工程项目, 而每个项目之下又有多个系列、多批次的材料设计和生产, 每个材料又有成分、组织特性、力学特性、化学特性等多方面的数据。这些材料特性数据很多时候被封存在不同的数据库、应用系统之中, 如此一来, 便形成了一个个的信息孤岛, 企业的各种业务和生产环节也因此被割裂开来, 各个部门按照严密而专业的分工和流程在一个个封闭的“格子间”里进行, 相互之间缺乏应有的关联和协调, 产生了信息滞后、知识利用效率低下、组织应变能力不高等问题。

协同软件的本质就是运用计算机技术, 打破各类资源 (人、信息、流程) 之间的各种壁垒和边界, 将数据进行规范化的存储, 使之为人们的目标而进行协调的运作, 最终达到对各种资源最大程度的开发利用。协同软件以其先进的管理理念和高效的工作平台, 为知识的获取和利用创造了良好的实现环境。事实上, 材料知识管理过程中的信息获取、流转、利用和增值与协同软件在管理和方法上都是相通的, 协同工作可以促进材料数据处理的实践和发展。

可见, 要实现材料专业知识数据的有效开发利用, 企业就应该创建一个开放、共享、协同的实践环境, 让知识的“死水”活起来。而协同软件就可以为数据的深度开发提供一条解决问题的有效途径, 形成一个分工协作进行材料设计的平台。它可以为材料研制过程提供实际层面的支持, 使得材料专业知识来源于工作而应用于工作, 并在应用过程中增值。

2 项目背景

在此发展趋势之下, 北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室从材料设计的工程应用方面考虑, 逐步推进材料设计由理论研究向实用化方向演进。本项目依托航空材料研究院在材料研究方面的深厚基础, 结合当前软件开发的主流技术, 提出了立足企业生产环境、融合协同软件特征的软件设计思路, 开发出一套适应企业实际需要、专业化的材料协同设计软件。

3 软件架构设计

软件整体架构在三层模式之上, 以便实现表示层与逻辑层分离, 逻辑层与数据存储层分离。系统具有较好的通用性与灵活的接口, 方便针对不同类型的合金材料进行二次软件开发, 可以不断的补充完善相应的材料设计功能。

4 软件功能模块

总体功能分为三部分, 如图1所示。

第一部分为基本平台功能, 包括:用户和角色管理、安全和权限管理、日志管理、系统通知、BBS、邮件服务、文档资料管理;

第二部分为项目管理功能, 包括:合金设计项目管理、任务管理、项目进度和状态管理;

第三部分为设计功能, 包括:密度计算、组织预测 (相计算) 、强度预测 (持久性) 、抗氧化耐腐蚀预测、成分设计、性能参数计算比对。

5 系统特点

系统除了汇集多种镍基单晶合金的理论设计功能之外, 还引进了项目管理的思想, 更加注重设计任务的分解、协同和控制。将网络化办公所需的邮件、文档、消息等功能融入合金设计系统, 为企业构筑有效的协同设计工作平台。主要的功能特点如下:

1) 系统基于B/S结构, 客户端零管理, 操作简单方便, 降低维护成本;

2) 细化的权限管理, 可满足用户不同的权限管理要求。系统将身份认证、权限分配及硬件加密认证有机结合起来, 保证系统运行的安全性;

3) 系统支持合金设计项目的创建、设计任务的发起与协作, 从而使设计过程能够得到有效控制;

4) 通过邮件、公告、论坛、消息等信息平台, 提高了设计人员的沟通效率;

5) 对合金成分数据、性能参数等海量数据进行集中存储, 并在此基础上提供灵活的查询功能;

6) 系统具备稳定可靠的合金算法, 并具有良好的可扩展性;

7) 可实现镍基单晶高温合金的微观组织、力学性能、抗氧化耐腐蚀性能的理论设计。

6 主要实现技术

该系统基于微软.net技术开发而成, 采用ASP.NET编程框架, 可以方便灵活的构建和运行基于Web方式的应用程序。

对于核心的材料设计功能, 尽量划小模块的构成, 引入Web Service实现方式, 各类合金算法均按照Web Service方式进行部署, 方便进行合金算法的接口调用。

鉴于各种材料计算的相关算法的复杂性, 为了便于在系统中嵌入其它语言开发的算法模块, 因此核心算法主要以C#为主, 以其他数值计算语言为辅 (如Matlab, C++) 。系统界面如图2所示。

7 关键技术和创新点

可以方便的计算多种性能参数值, 并有选择的进行归一化的存储, 方便在后期合金设计时进行参考。对于部分用于试验研究的合金成分数据, 则可通过灵活调整成分参数范围的方式, 得到与之对应的性能参数值, 并对有价值的数据进行归一化的存储。目前系统支持的材料性能算法如下。

7.1“组织分析”类算法

1) γ相分析法:运用REN法分别计算γ相的平均原子半径、电子密度、电负性与镍元素之差ΔR、ΔE、ΔN, 以及在一定温度条件下的固溶度;

2) γ'相分析法:分别计算γ'相的ΔR、ΔE、ΔN、固溶度指数SI;

3) Phacomp分析法:运用电子空位数法分析计算剩余基体的平均值电子空位数;

4) D电子理论分析法:以合金的成分百分比计算的d轨道的平均能量值、以γ相成分百分比计算的d轨道的平均能量值。

7.2“持久性分析”类算法

从蠕变理论出发, 通过合金强化理论计算与多元回归统计法相结合, 得到合金材料的高温持久强度与成分的定量关系。

7.3“抗氧化腐蚀分析”类算法

通过对抗氧化、腐蚀性能有利的元素和不利元素含量的比值分析, 定性判断合金的抗氧化性能和抗腐蚀性能, 并计算得到抗氧化因子Ko和抗腐蚀因子Kc的值。

7.4“属性计算”类算法

根据线性回归算法, 分别计算合金的γ/γ'相晶格常数、晶格错配度、γ'相体积分数、合金密度以及各种温度指标 (共晶转变温度、液相线温度、固相线温度、γ'相全熔温度) 。

8 结语

充分利用信息技术带来的机遇, 发挥材料计算与模拟在材料设计中的作用, 将材料研制由传统方式向基于知识和理论的设计方式演进, 这类方法的推广将有助于加速我国新材料研制步伐, 节约资源与能源, 降低研制成本。

该软件平台的搭建, 使得合金的理论设计阶段快速向试验阶段转换成为可能, 避免了传统设计过程中事务性工作的繁琐和重复性的劳动, 以及由于协作不畅而造成的低响应速度, 有效的解决了设计经验、知识的持续积累和有效共享问题。该项目已于2011年通过专家组验收并投入使用, 在合金设计项目任务的驱动之下, 最大程度的提升了设计人员的工作效率, 企业效益也因此获得提升。

摘要：新材料的研制模式, 长期以来是在少量数据分析的基础上开展大量的试错型的实验研究, 这就使得新材料的研制效率较低。随着信息技术的发展, 人们在前人研究的基础上积累了大量的材料性能数据, 如何通过信息技术的应用, 充分挖掘这些分布于不同的地域、不同信息系统的原始数据之间的内在关系, 进而为缩短材料设计周期、提高研究效率找出一种新的研究方式和方法。正是基于这一出发点, 提出了将“协同软件”融入到材料设计过程之中, 将大量的、各种类型的材料数据交予不同专业方向的设计者进行分工协作式的开发, 从而为高效率的找出数据间的规律、为材料设计方法的创新进行了有益探索和实践。

关键词：计算材料学,材料设计,高温合金,协同软件

参考文献

[1]乾尧, 李汉康.高温合金[M].冶金工业出版社, 2004.

[2]郭建亭.高温合金材料学 (上册) [M].北京:科学出版社, 2008.

[3]郑耀东, 蔡骞.ASP NET网络数据库开发实例精解[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[4]陈志强.单晶高温合金设计及其应用研究[D].北京航空材料研究院博士论文, 1998.

[5]王建明, 李晓桥, 才庆魁, 等.镍基单晶高温合金γ和γ'相合金元素分布特征[J].铸造, 2005, 16 (5) :60-62.