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基于Web服务的注塑模CAE研究与应用 |
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作者：陈可 张宜生 梁书云 李德群 |
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摘要：分析了Web服务的架构，介绍了注塑模CAE系统结构的特点和发展过程，根据注塑模CAE系统现阶段面对的困难，提出采用Web服务架构来解决，并阐述了采用Web服务架构的优越性。基于Web服务的注塑模CAE原型系统已经用于教学网络系统中。
关键词：Web服务；注塑模；CAE；流动模拟；UDDI；简单对象访问协议；WSDL
1 引言
近几年计算机网络的飞速发展，带来了许多新的机遇。通过Internet企业之间可以直接进行商务往来，从而降低了企业交易成本，扩大了商业伙伴范围。但在计算机网络发展过程中也遇到了许多新的技术问题，由于一直没有统一的标准来规范企业间的合作行为，使得异构应用系统的交互成本对于许多企业而言仍然过高，而且只能适用于特定的环境。以CAE系统为例，出现了CAE系统与CAD，CAM，PDM等系统的集成问题。Web服务的出现，很好地解决了这一问题。
2 从Web应用到Web服务的技术发展
2 1 Web服务的基本概念
在概念上Web服务的结构不是什么新的技术，它的出现要早于Java和Web。通过TCP/IP，IIOP，RPCs或者CGI向服务器发出请求，获得相关的服务都可以称作Web服务。HTTP协议已经使用得非常普遍。XML非常简单，是统一的数据语言，可以让数据在不同的系统和平台之间进行传递。Web服务使用了这些Internet标准来实现应用系统中资源的创建、发现和调用。将应用中的组件改造成Web服务，企业提供了一个定义和发布这些组件的标准方法，其他企业可以寻找并请求这些组件提供的服务。
IBM在关于Web服务的教程中这样定义：Web服务是新一代的Web应用。它们是自包含的，可以描述自己提供的服务，可以在网络中发布，可以在Web中定位和调用的模块化应用。Web服务提供的功能既可以比较简单，也可以包含非常复杂的商业逻辑。当Web服务部署以后，其他应用就可以发现和请求这些服务。
在结构上，Web服务是以服务为中心的。这里就需要一个服务的提供者、服务的消费者，有时还有可能需要相关服务的代理。服务提供者在Web上发布自己可以实现的服务信息，响应消费者提出的服务请求。服务代理者是一个中间人，负责搜索服务提供者提供的服务，将这些服务信息进行分类登记。在Web服务中，SOAP标准负责定义如何请求服务，UDDI负责发布和发现服务，WSDL标准负责自我描述服务信息，XML是数据信息的统一格式。
2 2 Web服务的特点
Web服务的结构决定了Web服务有如下特点：
(1)普遍性
Web服务通过HTTP与XML通信。因此，任何支持这两项技术的设备都可以访问Web服务。
(2)构散耦合
Web服务彼此是构散耦合的，连接中的任何一方均可更改执行机制，却不影响应用程序的正常运行。
(3)易实现性
Web服务不像现有的分布式计算系统具有复杂的接口，许多厂商包括IBM和Microsoft也提供大量的免费工具来快速生成和部署Web服务。同时，现有的JavaBean和COM组件系统很容易转向以Web服务的方式提供服务。
(4)互操作性
任何Web服务可以与其他Web服务交互。
(5)广泛支持性
几乎所有的厂商都支持SOAP协议和相关的Web服务技术。
Web服务的这些特点使我们在注塑模CAE的研究与开发过程中为已经出现的和预计将来可能出现的很多问题找到了一个接近完美的解决方法。
3 Web服务的技术基础
3.1 XML文本标记语言
XML是Ｗ3C制定的文本标记语言规范，它是严格定义的结构化数据，可以用来定义和描述数据。XML是与显示无关的数据表示语言，所以XML还支持各种设备和显示环境的自动转换，开发者不必为不同尺寸的设备准备不同的内容和数据。XML的优越性不仅仅在于表现和描述数据，更重要的在于它采用文本标记的形式定义各种可交换数据结构，并且可以利用标准的网络协议进行传输。正因为这些特性，XML实际上代表了平台中性和进行网络计算的趋势。XML是推动整个Web服务架构实现的原始动力，它是Web服务得以实现的技术基础。Web服务所依赖的其他协议规范都是以XML为标准来描述和表达的。因此，正是XML推动了整个网络计算模式和商业模式的巨大变革。
3.2 SOAP(Simple Object Access Protocol)
SOAP(简单对象访问协议)是一种基于XML的协议，它定义了对平台独立的传递XML数据和访问远程对象/服务的标准方式。它包括以下三个部分：
(1)一个描述消息的内容和如何对这些内容进行处理的信息封装，称为信封；
(2)一套完成的数据编码规则，定义应用相关的数据类型的序列化机制；
(3)一个描述远程过程调用和相应的标准。
3.3 UDDI(Universal Discovery and Discovery Integration)
在2000年9月，Arabi，Microsoft，IBM提出了一个方案：建立Web服务中资源的登记和发现的标准，这就是UDDI规范。简单地说，UDDI定义了一个白皮书(联系信息的目录)和Web服务的黄页(提供这些服务的提供者的分类信息)。今天许多公司开始支持这个规范并且共同来完善这个规范。在UDDI规范的第一个版本中，定义了访问公共服务的结构。这个规范主要包含一个XML计划，这个XML计划定义了基于SOAP的登记和发现服务的相关协议、相关的API规范。根据www.uddi.org的定义：UDDI的目的是建立一个面向全球的、与平台无关的、开放式框架的体系，能够让业务系统服务可以被找到，它定义了在Internet中如何互操作，并在全球统一的注册信息库中共享信息。
3.4 WSDL(Web Services Description Language)
WSDL是Microsoft公司的SDL(ServicesDescription Language)和IBM公司的ＮＡＳＳＬ(Network Access ible Services Specification Language)结合并被W3C接纳后形成的标准。WSDL为服务提供者提供了以XML格式描述Web服务请求基本格式的标准方法。WSDL用来描述一个Web服务能做什么，它的位置在哪里，如何调用它等。UDDI注册描述了Web服务的绝大多数方面，包括服务绑定的细节。WSDL可以看作是UDDI服务描述的子集。
4 基于Web服务构架的注塑模CAE系统
注塑模CAE系统一般分为以下三大模块：
(1)前处理模块它用来进行建立分析制品的几何模型，定义浇口，设计流道，选择塑料材料和设置工艺条件等工作。
(2)分析模块根据前置处理中设定的条件按照一定的算法模拟现实，进行流动分析、保压分析等。分析模块是整个注塑模CAE系统的核心，同时也是其中最复杂、最耗时、最耗系统资源的部分。
(3)后处理模块它显示流动分析和保压分析等分析结果，包括成型和保压过程中流动前沿位置、压力场、温度场、剪切力场、剪切速率场等物理量的分布，提交结果报告和改进意见等。
4.1 传统注塑模CAE系统的结构及其特点
传统的注塑棱CAE系统如图1所示。
图1 传统注塑模CAE系统
传统的注塑模CAE系统大都是建立在工作站之上的CAE系统。它通过前处理、有限元分析、后处理三个步骤实现对产品模型的有限元分析，能快速、方便地帮助用户判定设计方案的合理性，指导产品设计和开发。这种方式各个部分相互独立，操作简单方便，但也存在一些投资大、数据共享性差、系统升级及信息交流不方便、不支持远程的设计开发等缺点。
同时，传统的注塑摸CAE系统将三个模块紧密结合在一起，无法实现分布式和开放式的应用。现有的注塑模CAE系统一般都是针对特定的操作系统，采用特定的语言开发的，即使将各个模块做成了相互之间松散耦合的组件形式，也存在着跨平台、跨开发语言等一系列问题。
4.2 注塑模CAE系统的发展方向
随着计算机网络的发展，基于网络的虚拟制造技术正在快速发展，出现了基于Internet/Intranet的注塑模CAE系统应用方案，如图2所示。它的整体思路是充分利用网络带宽优势，将用户界面与后台分析分开，用户界面提供参数设计、产品实体信息录入、结果的显示等；而负责前、后置处理和有限元分析的模块放置到服务器上，分析数据由服务器统一管理。这样就形成了一个基于网络的集成式有限元分析系统与客户端开放式的用户界面共同组成的CAE系统。
图2 基于Internet/Intranet的注塑模CAE系统
这种将分析模块独立出来放置于服务端的思路是一个很大的进步。它有这样的特点：它使得用户在使用注塑模CAE系统时，不再需要给每一套注塑模CAE系统都配置一台高性能的计算机。因为耗时、耗资源的有限元分析模块放置在专门的服务器上进行计算，如有需要甚至可以若干服务器集群进行分布式的分析运算，以提高分析速度；同时，数据在服务器端统一管理，方便实现数据共享；而且这种机制适合于远程开发，企业将CAE系统服务器放至某个位置，任何远程用户只要能上网并有权限就可以进行实时远程分析和结果查看。
4.3 注塑模CAE系统在发展过程中的问题
注塑模CAE系统从发展到现在，出现了系统结构紧耦合程度高、重用性不高、规范不够标准、受到特定语言或者特定操作系统的限制等问题，使得在与CAD，CAM，PDM等系统集成的时候，出现这样或者那样的问题。即使勉强做到了集成，也由于规范的不同，几乎不可能做到通用。而且，由于系统结构的脆弱，一旦某一方有改变，有可能导致骨牌似的结果，使得整个系统出现大的改动，甚至崩溃。
当今的企业系统采用分布式对象系统中构件模型的开发方式，这已成为当今的潮流。基本构件化技术即软件的部件化，可根据需要将其组合成软件成品或产品的技术。构件本身的开发所具有的重要特征是可重用性。同时，提倡构件技术的重要前提是要遵循一定的标准规范，据此才能确保用各种方法实现构件重用或相互重用的工作。开发可重用且性能优良构件的必备条件是采用疏耦合的结合条件，尽量避免构件间密耦合的程度。而这个任务，就由Web服务来完成。
4.4 基于Web服务构架的注塑模CAE系统
正是基于以上这些考虑，结合注塑模行业的需求，我们提出在有限元分析、参数管理、用户数据管理和专家系统模块中采用Web服务构架，如图3所示。
图3 基于Web服务构架的注塑模CAE系统
采用这种方案的注塑模CAE系统，很好地解决了一些已经出现的和预计将来会出现的问题。它具有以下特点：
(1)容易实现
这一点是由Web服务的特点决定的。由于Microsoft，SUN，IBM等公司的大力推广，现在已经有大量的免费工具来快速生成和部署Web服务，而且能将已有的系统很容易地转向以Web服务的方式提供服务。这样就不需要对已有的分析模块、专家系统模块等进行代码重新编写，只需做极其少的修改或包装转变为可供各种软件调用的标准组件，极大地降低了开发成本。这一点对于已经投入了大量的时间和精力的企业尤为重要。
(2)轻松实现与其他系统的集成
Web服务一旦发布，就能够被需要用到这个服务的应用找到，并根据它所提供的说明使用它提供的服务。因此，这个服务可以很轻松地被集成到其他系统中。假如服务的实现有改变，使用这个服务的应用不需要任何改变，这就为系统实现与CAD，CAM，PDM等系统的集成创造了所有需要的条件。
(3)实现了与开发语言无关、与操作系统无关
由于采用HTTP与XML通信，就没有了特定语言和特定操作系统的限制。因此，我们的分析服务、材料参数服务等，就可以实现为使用任何语言开发的位于任何平台下的应用提供服务。
5 结束语
Web服务提出了一种新的面向服务的体系结构，它结合了面向组件方法和Web技术的优势。Web服务就像一个黑匣子，可以被任何应用系统、在任何地方动态访问，而不必考虑服务的具体实现。Web服务突出的优势就在于它不像传统的组件技术那样依赖特定的对象模型协议(如DCOM，RMI，COBRA等)，而是利用通用的Internet协议和数据格式来实现服务的访问，如HTTP传输协议、XML数据格式。而Web服务的请求方也可以基于任何平台，使用任何编程语言，只要它们能遵照Web服务接口的定义发送和接收消息。所以利用Web服务框架结构，能帮助企业抛开各类应用系统的对象体系、运行环境、开发语言等技术方面的束缚，打破企业间的界限。它将对注塑模CAE系统，甚至注塑模行业的发展产生重大影响。
参考文献：
[1]林恩德，张宜生，等 基于Internet/Intranet的注塑模CAE系统的研究与应用[J].计算机工程与应用，2002，(7)：66 68.
[2]张宜生，周华明，李德群 基于实体模型的三维真实感流动保压模拟的研究与开发[J].计算机应用与软件，2001，(4)：13 17.
[3]张宜生，梁书云，李德群 开发基于Web的模具PDM原型的关键技术[J].锻压技术，2001，(2)：52 55.
[4]柴晓路 Web服务架构与开放互操作技术[M].北京：清华大学出版社，2002
[5]IBM WebServices Architecture Team. Web Services Architecture Overview[R].2000.
[6]Web Services Architecture Usage Scenarios[EB/OL]. http://ww.w3.org/2002/ws.
作者简介：
陈可(1979 )，男，硕士研究生，从事企业数字化制造技术的应用研究；张宜生(1951 )，男，教授，从事CAD/CAE/PDM技术和企业网络信息技术应用研究；梁书云(1961 )，女，高级工程师，从事计算机与自动化技术研究；李德群(1946 )，男，教授，从事注塑成形模拟技术研究。(end)
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(11/20/2004) |
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