面向分布式汽车安全性协同设计的网格应用中间件系统

摘要

本发明公开一种面向分布式汽车安全性协同设计的网格应用中间件系统，包括：有限元模型装配服务模块、仿真监控服务模块、结果分解服务模块，所述有限元模型装配服务模块自动将参与协同设计的各方所提供的CAE模型进行装配，以便最终形成一个可求解的整车CAE数字模型；所述仿真监控服务模块实现汽车碰撞的有限元计算功能、计算过程控制功能，计算检测功能以及有限元模型验证功能；所述结果分解服务模块实现对碰撞结果的拆分功能，上述三个模块相互关联，或独立运行。本发明通过对整体有限元模型的合理分割，及求解结果的抽取技术，隐藏了关键技术，从而解决了协同各方对知识产权的保密性需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机应用技术领域的系统，具体是一种面向分布式汽车安全性协同设计的网格应用中间件系统。

背景技术

随着全球化生产形式的普及，整车商与部件商之间协同设计成为汽车制造业人士普遍关注的问题。尤其是汽车的安全性设计，此类设计主要涉及CAE(计算机辅助分析)分析过程，而CAE建模技术是协同各方极力保护的知识产权，一方面是因为进行碰撞安全性仿真的有限元模型包含大量需保密的信息，如建模技术、材料的本构关系以及车辆的几何信息等。另外，当部件商同时与多个整车商合作时，此部件商不容许获得整车数据；或者，当两个互相竞争的部件商同时为一个整车商提供服务时，部件商也不希望对方获取自己的产权信息。目前在汽车制造领域广泛采取整车商为部件商提供整车模型，部件商根据此模型设计并添加部件模型，最终形成求解模型。这种方式显然不能满足对知识产权保密的需求。然而，当多个成员共同参与一个项目时，消息必须可以在成员间传递，以达到信息共享的目的。因此，如何使各协同方共享最少的信息而顺利实现协同成为一个关键性的问题。这也使得如何实现该类协同的解决方案变得更具挑战。

目前的协同设计系统多采用分布式计算技术构建，如CORBA(公共对象请求代理体系结构)、DCOM(分布式组件对象模型)、J2EE(Java2平台企业版)等，由这些技术构造的分布应用程序只限于定制的静态域，协同环境中的硬、软件环境基本不变，资源共享受到静态域的限制。近年兴起的网格技术主要解决的问题是资源共享以及动态多机构虚拟组织的协同问题求解。网格协议OGSI(开放网格服务基础结构)和新一代的网格协议WSRF(Web服务资源框架)都以Web服务技术为基础。该技术不受资源的静态域限制，适应于在动态的环境中实现全部资源共享和多方设计人员的协作交互。已有越来越多的应用使用网格技术来构建，包括医疗系统、物理应用系统、天文应用系统等。

经对现有技术的文献检索发现，Gerlicher等在CDVE(design，visualization，and engineering)，2006：164-173上发表文章“A Framework for Real-TimeCollaborative Engineering in the Automotive Industries”(“面向汽车实时协同设计的架构”，国际协同设计、可视化与工程会议录，2006：164-173)，该文应用CSCW(计算机支持的协同工作)技术提出的协同架构基于整车商与部件商对模型信息的全部共享，当参与协同的各方对其模型信息有保密性需求的时候，显然，这种架构是不合适的。并且该架构只针对汽车电子设计领域，并不支持相对复杂的CAE协同设计。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提出一种面向分布式汽车安全性协同设计的网格应用中间件系统，使其为开发通用的汽车碰撞安全性协同设计系统提供了规范化的基本应用服务，该应用中间件系统中的服务通过对整体有限元模型的合理分割，及求解结果的抽取技术，隐藏了关键技术，从而解决了协同各方对知识产权的保密性需求。

本发明通过以下技术方案实现的，本发明包括三部分：有限元模型装配服务模块、仿真监控服务模块、结果分解服务模块。其中：所述有限元模型装配服务模块自动将参与协同设计的各方所提供的CAE模型进行装配，以便最终形成一个可求解的整车CAE数字模型。该模块接受来自远程应用的具有XML(可扩展标识语言)编码格式的SOAP(简单对象访问协议)服务请求信息，经有限元模型装配服务处理，生成整车模型文件。然后该模块又自动调用仿真监控服务模块中的模型验证功能，来验证生成模型的正确性。经验证合格的整车模型将通过基础网格中间件系统提供的传输协议被返回给调用此服务的应用端。如果整车模型不正确，则返回给上层应用出错信息，以便上层应用根据此信息修改原模型。

所述仿真监控服务模块实现汽车碰撞的有限元计算功能、计算过程控制功能，计算检测功能以及有限元模型验证功能，其计算、控制功能主要通过仿真监控服务提供的API接口实现。该模块的输入信息为可求解的有限元模型，以及控制求解的必要参数，如CPU个数、最大求解时间等。输入的有限元模型可以由有限元模型装配服务模块提供，当然也可以由远程应用通过基础网格中间件系统提供的协议直接提供。控制参数通过具有XML编码格式的SOAP信息传输。该模块的输出信息为求解的结果文件，以及求解过程的描述信息文档。

所述结果分解服务模块实现对碰撞结果的拆分功能。此模块的输入为碰撞结果文件，以及待拆分的部件描述信息。结果文件可以通过基础网格中间件系统提供的传输协议完成文件的传输，也可以接受仿真监控服务模块输出的结果文件；部件模型信息通过具有XML编码格式的SOAP信息传输。该模块依据由结果分解服务实现的拆分算法对输入的结果文件进行处理，得到各部件的结果文件。结果文件通过基础网格中间件系统提供的传输协议返回至服务调用端。

在实际应用时，各模块根据具体要求，既可以相互关联，又可以独立运行。它们之间通过各模块提供的API接口互相连接，与外界应用通过XML格式的SOAP信息来连接。也可以由远程应用通过SOAP信息单独调用某个服务模块，以完成某一方面的应用。

本发明应用中间件系统运行于SOA(面向服务架构)的网格体系中。基础中间件系统必须具有OGSA(开放网格服务体系)或WSRF的网格体系结构，以服务的形式为网格应用中间件系统及网格应用系统提供服务接口，例如以上提及的文件传输协议。服务的形式可以是网格服务或Web服务。集成环境下的底层操作系统需具有HTTP协议的网络操作系统，支持局域网与广域网运行环境。

所述的有限元模型装配服务，是整车商与部件商之间在进行协同汽车碰撞安全性协同设计时，为了实现各自模型信息的保密性，整车与部件需要在互相透明的情况下实现无干涉的装配。解决的途径是整车商只为部件商提供待设计部件的环境模型(包括CAD与CAE模型)，部件商根据此模型设计部件的CAD模型。然后，部件商根据整车商为其制定的建模规则，在已完成的CAD模型基础上划分网格、施加约束以建立CAE模型。该模型应含有与整车的接触与连接信息。最后通过JAVA语言将ASCII形式的部件CAE模型与整车CAE模型合并成为一个完整的具有求解格式的整车CAE数字模型。在部件商设计过程中，只得到了部件环境模型，而且模型装配过程不需第三方干预，因而最大程度的保护了整车商的建模信息，实现了对知识产权保护的功能。

所述仿真监控服务是对常用有限元求解器封装的实现。该服务模块需要选择特定的求解器对其进行有限元求解计算，而且，求解过程需要具备可控性，也就是说要有计算监控功能。因此服务含有求解状态的显示、暂停计算、停止计算、重启计算等功能的接口API。

所述结果分解服务模块，其结果分解服务是指，在协同设计过程中，为了保护各自的知识产权，对于整车计算结果也要根据协同设计中各成员扮演的角色进行分解，以便各个参与协同的组织获得其自身模型所产生的计算结果。

所述结果分解服务，对于ASCII(美国信息互换标准代码)编码形式的结果文件，如节点的运动信息，部件的能量信息，需根据部件所属的ID号范围，应用JAVA语言对总的结果文件进行字符流操作。具体是以ID号为关键字在结果文件中提取相关部件、单元、节点的信息，然后重新构造一个只含该部件信息的结果文件，并将提取到的信息写入。该结果文件格式保持与总结果文件格式一致，以便支持通用的后处理系统。

所述结果分解服务，对于Binary(二进制)编码形式的结果文件，如应力、应变、动画信息，使用反求的方法进行结果分解。具体是，使用JAVA语言对ASCII形式的部件环境CAE模型与部件CAE模型进行字符流操作，提取部件的全部模型信息、环境模型的部件、单元、节点、材料信息，以及部件与环境的连接信息，以便组成反求CAE模型。接着从总计算结果中提取环境模型上所有节点在x、y、z三个方向上的位移信息。然后将此位移信息以边界条件的形式施加在反求CAE模型上。最后通过调用仿真监控服务，求解新生成的反求CAE模型，所得二进制编码形式的结果文件就是只含部件信息的结果文件。

本发明应用中间件系统的有限元模型装配服务以及结果分解服务都体现了汽车安全性协同设计过程中协作方对其自身知识产权保护的需求，从而拓宽了协同的应用范围。所述的仿真监控服务集成了在汽车安全性分析中常用的有限元求解器接口，具有一定的通用性。

本发明与现有技术相比最大的不同是实现了汽车安全性协同设计过程中协作方对其自身知识产权保护的需求。该应用中间件使得汽车部件商与整车商在协同设计的过程中，最大程度的保护了各自的技术细节，能够让厂家之间“放心”地合作，从而拓宽了协同的应用范围。另外，本发明应用中间件也包含了汽车安全性设计系统需要具备的常用功能模块，如求解计算服务，从而简化了开发此类系统的复杂程度，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例中的整车有限元模型。

图2为本发明实施例中车门以及其环境模型。其中：a)车门环境有限元模型，b)车门有限元模型。

图3为本发明结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图3所示，本实施例包括有限元模型装配服务模块、仿真监控服务模块、结果分解服务模块。上述三个模块相互关联，或独立运行，它们之间通过各模块提供的API接口互相连接，与外界应用通过可扩展置标语言格式的SOAP信息来连接，或者由远程应用通过SOAP信息单独调用某个服务模块，以完成某一方面的应用。

所述有限元模型装配服务模块自动将参与协同设计的各方所提供的CAE模型进行装配，以便最终形成一个可求解的整车CAE数字模型，该模块接受来自远程应用的具有可扩展置标语言编码格式的SOAP服务请求信息，经有限元模型装配服务处理，生成整车模型文件，然后该模块又自动调用仿真监控服务模块中的模型验证功能，来验证生成模型的正确性，经验证合格的整车模型将通过基础网格中间件系统提供的传输协议被返回给调用此服务的应用端。如果整车模型不正确，则返回给上层应用出错信息，以便上层应用根据此信息修改源模型。

所述仿真监控服务模块实现汽车碰撞的有限元计算、计算过程控制，计算检测以及有限元模型验证，其计算、控制功能通过仿真监控服务提供的API接口实现，该模块的输入信息为可求解的有限元模型，以及控制求解的参数，控制参数通过具有可扩展置标语言编码格式的SOAP信息传输，该模块的输出信息为求解的结果文件，以及求解过程的描述信息文档。

所述结果分解服务模块实现对碰撞结果的拆分，此模块的输入为碰撞结果文件，以及待拆分的部件描述信息，结果文件通过基础网格中间件系统提供的传输协议完成文件的传输，或者接受仿真监控服务模块输出的结果文件，部件模型信息通过具有可扩展置标语言编码格式的SOAP信息传输，该模块依据由结果分解服务实现的拆分算法对输入的结果文件进行处理，得到各部件的结果文件，结果文件通过基础网格中间件系统提供的传输协议返回至服务调用端。

本发明适用于大多数具有SOA架构的汽车安全性协同设计系统，以及相似的CAE远程协同设计系统中。以下给出具体应用实例的描述。

如图1、图2所示，本实例应用场景为车门生产商与整车商之间的汽车安全性协同设计，资源商提供计算资源与数据存储资源。运行环境以Windows XP Professional为底层操作系统，VEGA GOS(织女星网格，简称VEGA)作为基础网格中间件系统(该中间件系统由中国科学院计算所在Globus Toolkit基础上自主开发而成，使用基于SOA的OGSA网格体系结构，SOAP为分布式系统间的通讯协议，此套软件可以通过织女星网站公开获得)，应用系统的形式为汽车安全性协同设计的Portal应用。

根据本实例的具体应用场景，所述各模块通过各自拥有的API接口互相通讯，以实现整车商与车门部件商之间的汽车安全性协同设计。

首先，处在异地的整车商与车门部件商分别通过应用portal向有限元模型装配服务模块提供各自模型，这一过程通过VEGA拥有的文件传输服务模块进行。然后该模块又自动调用仿真监控服务模块中的模型验证功能，来验证生成模型的正确性。经验证合格的整车模型将通过VEGA提供的文件传输服务模块返回给整车商。如果整车模型不正确，则返回出错信息，以便整车商根据此信息修改源模型。

然后，所得到的整车有限元模型，以及控制求解的参数(CPU个数、最大求解时间)通过VEGA传递给仿真监控服务模块的求解计算功能。本实例使用显示有限元求解器LS-DYNA接口完成计算。其输出信息为求解的结果文件，包括动画文件D3PLOT，文本文件nodout，以及求解过程的描述信息文档message。

最后，这些结果文件，以及车门部件ID信息通过VEGA作为输入参数传递给结果分解服务模块。该模块分别对动画文件D3PLOT，以及文本文件nodout按照所提供的车门部件ID，将车门结果从完整的结果文件中分离出来。根据结果类型的不同，该服务使用两种分解方法。

对于nodout结果文件，根据部件所属的ID号范围，应用JAVA语言对总的结果文件进行字符流操作。具体是以ID号为关键字在结果文件中提取相关部件、单元、节点的信息，然后重新构造一个只含该部件信息的结果文件，并将提取到的信息写入。该结果文件格式保持与总结果文件格式一致，以便支持通用的后处理系统。

对于D3PLOT结果的分解。使用JAVA语言对ASCII形式的部件环境CAE模型与部件CAE模型进行字符流操作，提取部件的全部模型信息、环境模型的部件、单元、节点、材料信息，以及部件与环境的连接信息，以便组成反求CAE模型。接着从总计算结果中提取环境模型上所有节点在x、y、z三个方向上的位移信息。然后将此位移信息以边界条件的形式施加在反求CAE模型上。最后通过调用仿真监控服务，求解新生成的反求CAE模型，所得D3PLOT结果文件就是只含部件信息的结果文件。

本发明的特点为：体现了汽车安全性协同设计过程中协作方对其自身知识产权保护的需求。本发明不仅适用于单部件商与整车商的模型合成，也适用于多个部件商与同一整车商协同进行有限元仿真计算的环境；不仅针对汽车领域的安全性协同设计，同样适用与相似的CAE远程系统设计系统中。