基于B/S 架构的汽车工程数据云平台的设计与实现

2023-12-08白庆平万鑫铭程端前

汽车工程学报 2023年6期

白庆平，冯毅，万鑫铭，周佳，程端前

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

随着当今计算机信息技术的迅猛发展，计算机的应用逐步从最初简单的科学计算向海量数据处理转变。计算机在汽车工业中的应用也从简单的辅助制图向CAD、CAE、CAM 等计算机辅助技术参与新产品开发的全流程转变［1］，而数据和信息流成为整个产品开发周期中关键的驱动力。

汽车设计是基于大量的实践经验与理论基础相结合的系统工程，涉及专业广、参与单位多、开发周期长且制造过程和工艺流程复杂，在整个设计研发及制造过程中产生了大量种类多、关系复杂的数据，而这些数据在各阶段的应用角度不尽相同。高质量的产品设计离不开企业长期积累的经验和数据，国外在近百年的造车历史中通过竞品分析、试验和设计等过程的不断积累，形成了一些优秀的模型数据、材料数据、试验数据等知识数据管理平台，如拥有800 多款汽车解析数据的A2mac1，美国的ASM International 和MatWeb、德国的Key to Steel、瑞士的Total Materia、日本的NIMS 等可进行数据管理、分析和挖掘的汽车材料数据库等［2］，而我国的汽车研发起步较晚，车用芯片和操作系统、新工艺和新材料应用、发动机和变速器等关键技术，尤其是汽车工程数据的管理和重用与发达国家仍存在较大差距［3］。虽然近些年国内部分主机厂对工程数据的重视程度越来越高，汽车工程数据也有了一定的积累，但由于缺少专业的系统管理，暂未形成规范的知识体系，造成大量宝贵数据和经验的丢失或变成了“死数据”，未能为产品优化和新产品研发提供有力的数据支撑，这在一定程度上成为制约我国汽车产业快速发展的重要因素［2-4］。

1 平台设计

为解决汽车企业工程数据尤其是竞品分析数据、结构数据、材料数据的管理痛点，搭建数据管理平台，以轻量级3D模型为载体搭载车身信息、总成信息、零部件信息、材料信息及资料库等相关工程数据，实现碎片数据的格式化、结构化归集，用户可快捷、准确地查询所需数据或对后台数据进行加工和挖掘，从而形成支撑汽车开发的重要信息。

1.1 功能设计

1.1.1 模型管理

汽车工程数据中，三维模型数据占较大比重，模型数据承载了设计结构、装配逻辑关系、断面信息、零件属性信息等众多关键信息。三维模型通常来自CATIA、NX、Creo、SolidWorks 等不同的设计软件，模型文件一般都较大，需硬件配置较高的工作站安装专业3D 设计软件才能打开，整个过程耗时较长，给后期模型结构查看带来较大困扰。因此，本文开发了轻量级图形引擎，可将不同格式三维模型高压缩比转换为统一格式，同时支持零部件装配关系、物料清单（Bill of Material，BOM）结构、零件属性信息的继承，用户可快速在常见浏览器中进行模型查看操作，获取所需结构的相关信息。

1.1.2 数据导入与加工

汽车工程数据体量较大，传统“文档式”管理数据的方式存在效率低、差错率高、数据检索难且利用率低、无法进行数据挖掘及保密性差等缺点。要有效组织、管理工程数据，需设计文件自动归档入库及数据模板文件的自动解析录入功能，以保证数据库中数据的完整性和准确性，在减轻数据管理员工作压力的同时降低人为差错率，实现数据的有序、格式化存储，为后继数据预处理和挖掘打下基础。通过既定规则提取相应材料生产过程数据所生成的屈服强度分布曲线来进行材料稳定性分析，也可通过后台数据库多表联查生成材料仿真卡片，极大地方便了设计人员进行材料选材及轻量化设计［5］，如图2所示。

图2 数据加工实例

1.1.3 文件管理

汽车设计制造过程中除了大量与三维模型强相关的文件如零部件设计变更文档、工艺技术路线、样件评审报告等外，还有大量与项目相关的文件如成本核算报告、标准文件、产品检验体系评价报告、项目总结报告等需要统一管理，平台预留数据库接口支持项目文件的存储和操作，常见PDF 文件、图片文件、视频文件及Office 文件的在线查看等，实现项目相关文件全管理。

1.1.4 用户管理

系统在应用过程中会涉及多部门、多类型人员操作，为保证系统良好、稳定地运行，平台支持用户信息查询、用户修改、用户删除、用户增加、用户角色分配等管理操作。

1.2 模型轻量化技术

汽车研发过程中，三维模型已成为各类信息最直观的核心载体，企业的产品开发及生产也呈扁平化趋势，企业间、企业内部的信息交流日益频繁。而不同企业间的三维设计平台不尽相同，甚至同一家企业内部存在多种三维设计软件，如很多企业造型设计用达索公司的CATIA，NC 编程加工用西门子公司的NX，这必将为企业间及企业内部的数据共享和交互带来不必要的麻烦［5］。

为实现三维模型数据快速浏览及相关信息的准确查阅，需突破专业三维设计软件限制及查阅主机高配置需求。本文开发轻量级模型查看工具——VIM （Vehicle Information Modelling）图形引擎，在保证三维模型细节特征尽可能完整的情况下，图形引擎可实现prt、stp、CATPart、CATProduct 等常见格式三维模型的高压缩比转换，转换后的文件仍保留详细的几何模型信息、零部件属性信息、装配层级关系等，且零部件可与BOM 结构实现强关联，从而实现装配结构或模型可视化的多模式快速检索。图形引擎架构如图3所示。

图3 图形引擎架构

为实现模型在平台上的可视化展示，需先将模型上传至服务器，云端服务器部署的VIM图形引擎将上传的模型进行轻量化转换后生成包含三维模型结构数据和属性数据的VIM数据包，用户可在普通电脑上用常见的浏览器进行模型查看和信息查询。

1.3 平台架构设计

为解决三维模型类型多、多版本兼容性较差的难题，尤其在汽车开发制造后期，三维模型以快速查看为主要需求，稳定性高、适应性更强、硬件配置要求更低的B/S（Browser/Server）架构将是该平台设计的优选架构。该架构下主要的事务处理在后端专业服务器端，用户可在普通电脑端的浏览器上对数据库进行访问和操作，大大节约了工作站的购置成本及模型操作的等待时间。B/S 架构如图4所示。

图4 B/S架构

图5 系统架构

平台采用了表示层、业务层和数据层组成的业务结构。数据层主要是数据管理服务器，提供多种数据接口，可以从不同数据源获取数据后，按照既定的统一数据标准转换处理之后存储在云端数据库，方便应用层实时获取。应用层主要是Web服务器，用于接收表示层的作业请求，到数据层中获取相应数据，再通过处理之后，返回到表示层作可视化展示。表示层则是可接入互联网且安装了支持WebGL 绘图协议浏览器的终端，如电脑、笔记本电脑、MR/AR智能设备、智能手机等。

1.4 数据库设计

目前，系统开发最常用的数据库分为关系型数据库和非关系性数据库，关系型数据库通常采用关系模型来表达，由二维表及二维表之间的关联关系形成的数据组织构成，具有逻辑关系清晰易理解、通用SQL语言操作方便、数据完整性和一致性较好等特点。而非关系型数据库通常是分布式的，以键值对进行后台存储，不局限于固定的结构，可根据需求增加相应的键值对，可扩展性较好［6］。

表1 数据库对比

考虑汽车工程数据量级相对较小，数据类型相对固定，有较多的数据表格需要解析处理，且需长期保存，需通过各种数据关系进行相对复杂的查询，数据较固定，数据表设计好后不会有较大的结构调整。因此，选择关系型数据库中稳定性较强的PostgreSQL 为系统数据库。常见汽车工程数据汇总，见表2。

1.5 权限系统设计

为保障平台数据的安全性和准确性，有效、可靠、可拓展的权限管理方案就成了平台建设的关键要素［2］。权限控制的主要目的是验证用户访问平台资源的合法性，即控制系统资源的访问权限，如防止非授权用户访问平台资源、限制不同用户的平台信息访问范围、防止部分授权的用户对受保护的资源非法访问等，权限管理系统对整个平台的安全级别起关键作用［7］。目前，多数系统采用基于角色的访问控制方法（Role-Based Access Control，RBAC），通过引入角色将用户与权限分离，从而弱化用户与权限的关系，细分的权限直接分配给角色而非用户，通过给用户匹配已有角色，用户便继承了角色所有权限，很大程度上降低了同类用户权限管理工作量，同时满足职能交叉型用户权限管理需求［8-9］。根据角色权限控制模型的思路，首先按需将系统的权限分配给不同角色，然后根据用户的职位和岗位需求不同为其分配一个或多个角色，用户岗位变动后也可以在角色间切换，系统调整后也可将新的权限赋予角色，而且必要时可将角色权限进行回收。这些都真实模拟了现实项目团队权限管理的过程，满足数据管理需求［10-12］。

2 平台测试

为测试平台功能设计及运行稳定性，对平台界面、表单、数据库链接、子系统和安全性等进行了全面测试，重点测试了图形引擎压缩转换、模型操作效果及数据管理。经验证，平台可实现测试数据的快速解析及入库、后台数据的多表联查及数据加工、报表可视化显示、用户及权限的多级精细化管理，同时实现了模型约4%～12%的高压缩率转换，见表3。