SaaS模式下的產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)

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   隨著全球經(jīng)濟一體化進程不斷加快，我國制造業(yè)正承受著來自國內(nèi)外市場的激烈競爭，其競爭主要是圍繞在質量、時間、成本和服務方面。為了能在競爭中求得生存，我國制造業(yè)正在加快其信息化、數(shù)字化、快速化進程，以增加自身的競爭力。在我國的經(jīng)濟構成中，中小型企業(yè)量大面廣，是我國制造業(yè)的重要組成部分。目前，全國工商注冊登記的中小企業(yè)占全部注冊企業(yè)總數(shù)的90％，大約提供了75％的城鎮(zhèn)就業(yè)機會。中小型企業(yè)成為了我國制造業(yè)企業(yè)中一支不可忽視的力量。但是在我國一些中小型制造企業(yè)由于其經(jīng)濟和技術實力的限制，企業(yè)信息化難以實施，所以推廣中小型制造企業(yè)信息化是我國制造業(yè)信息化工程的一項重要內(nèi)容。

    云計算是利用互聯(lián)網(wǎng)高速傳輸能力，將個人計算機或服務器上的數(shù)據(jù)處理過程轉移到互聯(lián)網(wǎng)中由成千上萬臺普通工業(yè)標準服務器組成的超級計算群上，以獲得高速的數(shù)據(jù)處理能力。云計算能即時、快速地響應用戶的需求，可快速伸縮，提高設備使用率，降低使用成本，減少IT基礎設施的風險。云計算現(xiàn)已被制造業(yè)企業(yè)廣泛所接受，其優(yōu)勢已被廣為流傳。

    目前，提供云計算解決方案的廠商大約分為三個層面：IaaS（Infrastructure as a service，基礎設施即服務）、PaaS（Platform as a service，平臺即服務）、SaaS（Software as a service，軟件即服務）。

    SaaS作為云計算的一種類型，是一種新興的軟件服務模式。其網(wǎng)絡基礎設施和軟硬件工作平臺由軟件提供商搭建，前期的實施與后期的維護也都由其提供，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)購買使用所需的信息化服務，無需安裝維護，可大幅降低一次購買軟件的風險，以及構建硬件基礎設施的費用，進而幫助中小型制造企業(yè)推進其信息化進程。

    廣大中小企業(yè)還普遍面臨產(chǎn)品研發(fā)能力不足，因此迫切需要利用先進設計模式及相關技術，快速整合社會資源，提升企業(yè)的綜合競爭能力。傳統(tǒng)快速設計軟件是定制開發(fā)，其成本較高、開發(fā)周期長，有時候甚至購買的軟件無法使用造成了資源浪費。SaaS模式下的系列產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)可為用戶提供低成本、易獲取的在線產(chǎn)品設計服務。產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)是建立在產(chǎn)品數(shù)字化信息模型之上，可顯著提高產(chǎn)品設計質量和效率，增強企業(yè)對市場的快速響應能力。

    綜上所述，開展“SaaS模式下的系列產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)”的研究與開發(fā)，可以較低的成本加快中小型制造業(yè)信息化、數(shù)字化、快速化步伐，提升企業(yè)的產(chǎn)品設計和制造水平，為我國中小企業(yè)綜合競爭力的重要支撐。

1 SaaS模式系統(tǒng)構架

    1.1 四級成熟度

    根據(jù)SaaS應用軟件是否具有可配置性、高性能和可伸縮性等特性，SaaS成熟度模型被分成四個等級，通常被稱為“成熟度”。每一個等級都比前一個等級增加以上三種特性中的一種。

    （1）Level 1（第一級）：定制開發(fā)

    第一級成熟度軟件為多次開發(fā)，軟件提供商為每個用戶開發(fā)一套獨立的軟件，并為其部署。SaaS應用軟件Level 1除了在商業(yè)模式上與傳統(tǒng)軟件不同外，在軟件應用架構方面幾乎沒有差別。

    （2）Level 2（第二級）：可配置

    二級成熟度模型與第一級成熟模型相比較具有可配置性，可以靈活的配置來響應客戶的不同需求，從而降低了開發(fā)成本。在Level 2模型中軟件部署架構依然是沒有太大變化：為每一個客戶獨立部署一個運行實例，但是不同的實例實際上運行的是同一份代碼。

    （3）Level 3（第三級）：高性能的多租戶架構

    第三級成熟度模型是基于產(chǎn)品配置而建立的模型，通過模型的不同配置來實現(xiàn)租戶個性化需求，多個租戶可以同時對一個運行實例進行配置設計。Level 3作為一種多租戶單實例的應用架構，可以有效降低軟件運行所產(chǎn)生的維護成本，有效發(fā)揮SaaS的規(guī)模效應。

    （4）Level 4（第四級）：可伸縮性的多租戶架構

    Level 3模型的架構的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是集中式的，隨著租戶的數(shù)量不斷增加，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)也會不斷的增長，當數(shù)據(jù)規(guī)模達到系統(tǒng)所承受的最大限度時，這種架構的運營成本勢必會增加，不利企業(yè)的發(fā)展。第四級成熟度模型成功的解決了上述問題，它增加了一個中間層，用于將各個租戶分配到各個運行實例上，這樣做可以解決由于大量用戶訪問產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，導致系統(tǒng)維護的困難。這是一種多用戶多實例的應用架構。在這一級，租戶的數(shù)量可以無限制增加。

    從應用架構的角度來說，同時具備可配置性、高性能和可伸縮性的第四級成熟度的SaaS模型是最理想的應用架構。但不是成熟度越高的SaaS應用模型就越好或者越能夠取得成功，具體到每個應用應該選擇哪一個級別的SaaS成熟模型，需要綜合考慮如下因素：①產(chǎn)品所面向的客戶群的特征與需求；②產(chǎn)品的租戶數(shù)量級別；③軟件應用的實現(xiàn)成本。綜合考慮這三個因素，本文將選擇第三級成熟度的SaaS應用模型進行對構架SaaS模式下的系列產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)。

    1.2 SaaS模式下的數(shù)據(jù)庫的構架設計

    SaaS服務模式下的應用軟件相較于傳統(tǒng)的軟件應用最大的創(chuàng)新之處在于它的多租戶性。多個租戶同時使用一個軟件運行實例，租戶間的業(yè)務數(shù)據(jù)既有隔離又有共享，尋求數(shù)據(jù)隔離與共享之問的平衡點是一個很重要的問題。針對SaaS軟件應用的多租戶的特點，在數(shù)據(jù)庫構架方面有三種備選方案分別是：獨立數(shù)據(jù)庫、共享數(shù)據(jù)庫，隔離數(shù)據(jù)架構、共享數(shù)據(jù)庫，共享數(shù)據(jù)架構。

    （1）獨立數(shù)據(jù)庫：指一個租戶對應一個專用的數(shù)據(jù)庫，每當一個租戶創(chuàng)建的時候，系統(tǒng)就為其分配一個專用的數(shù)據(jù)庫。

    （2）共享數(shù)據(jù)庫，隔離數(shù)據(jù)架構：是在一個服務器上，用一個數(shù)據(jù)庫來存儲不同租戶的信息。每個租戶都有一套自己的表，這些表被包含在同一個Schema描述的表組中。每當一個租戶被創(chuàng)建的時候，系統(tǒng)自動為該租戶創(chuàng)建一套表，并把這套表與租戶特定的Schema關聯(lián)起來。上層的應用可以訪問這個Schema里面的表或者創(chuàng)建新的表。這種方式比較適用每個租戶的數(shù)據(jù)庫不多時。

    （3）共享數(shù)據(jù)庫，共享數(shù)據(jù)架構：在一個服務器上，用同一個數(shù)據(jù)庫來儲存多個租戶的信息，并將這些信息都存儲在同一個套表中。在這種方式下，一個數(shù)據(jù)表中可能包含了多個租戶的數(shù)據(jù)記錄，通過ID號碼區(qū)別不同租戶間的數(shù)據(jù)。這種方案適合于希望以最少的服務器為最多的租戶提供服務，并且接受以犧牲隔離級別換取成本。

    現(xiàn)有的三種數(shù)據(jù)庫構架方案，都有各自的優(yōu)點與缺點，獨立數(shù)據(jù)庫的隔離級別、安全性都最高，共享級別最低，相應的成本也是最高的；共享數(shù)據(jù)庫、共享數(shù)據(jù)架構雖然擁有成本最低的優(yōu)勢，但是軟件的安全性和數(shù)據(jù)的隔離級別都不高。SaaS服務模式中數(shù)據(jù)庫構架方案主要取決于產(chǎn)品的定位和租戶對數(shù)據(jù)安全的接受程度。

2 系統(tǒng)開發(fā)與實例

    2.1 系統(tǒng)環(huán)境

    開發(fā)語言：Java、JavaScript、Html、Visual Basic 6.0。

    數(shù)據(jù)庫：SQL Server 2000。

    應用服務器：Apache2.28+PHP5.2.6+MySQL 5.0.51b。

    其他軟件： Solidworks2010、Office、PDMWorks Workgroup等。

    2.2 系統(tǒng)框架

    選用第三級成熟度，以共享數(shù)據(jù)庫，共享數(shù)據(jù)架構，建立基于SaaS模式的產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)，其框架結構如圖1。

    客戶層是集成設計平臺的最終體現(xiàn)形式。用戶通過人機交互界面向數(shù)據(jù)庫服務器提交設計參數(shù)，交互界面具有良好的用戶信息提示，可以實現(xiàn)半自動化操作。用戶通過PDM客戶端或PDM查閱器審閱文檔。表現(xiàn)層包括：用戶登陸控制、用戶信息加密/解密。

    配置層包括：用戶信息配置、用戶功能配置。

    控制層包括：參數(shù)容錯、數(shù)據(jù)并發(fā)處理、用戶管理、權限管理、部件權限與角色匹配、項目管理。

    應用程序層包括：參數(shù)設置、概念設計、詳細設計、模型驅動、工程圖調整、工藝統(tǒng)計、參數(shù)文檔管理、快速報價。它是SaaS軟件的核心部分，主要是進行程序數(shù)據(jù)的處理以及修改這些數(shù)據(jù)的業(yè)務規(guī)則，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設計與快速報價。

    數(shù)據(jù)模式配置層包括：該層具有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)表的增加與刪除、數(shù)據(jù)庫的增加與刪除、數(shù)據(jù)記錄的增加與刪除、數(shù)據(jù)庫維護等功能。為后期系統(tǒng)的使用提供更多具有適應性的功能。

    數(shù)據(jù)庫包括：參數(shù)數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化模型庫、標準件庫、配置方案庫、工程知識庫。參數(shù)數(shù)據(jù)庫，主要存儲產(chǎn)品設計參數(shù)、設計人員信息和版本信息等數(shù)據(jù)；參數(shù)化模型庫，存儲已有模塊化模型作為將來的設計模板；配置方案庫主要存儲根據(jù)已有模塊可實現(xiàn)的配置方案；工程知識庫包括實施快速設計時所需的工程知識，如工程師經(jīng)驗知識、客戶需求方面的知識等。

  2.3 多租戶實現(xiàn)

    SaaS服務模式軟件與傳統(tǒng)軟件模式最本質的區(qū)別在于其多租戶性。實現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離，是使軟件達到SaaS服務模式的三級成熟度的核心問題，即實現(xiàn)多租戶模式。

    系統(tǒng)采用共享數(shù)據(jù)庫和共享數(shù)據(jù)構架的方式進行構架數(shù)據(jù)庫。這種數(shù)據(jù)庫構架運行維護費用最低，并且支持租戶數(shù)量最多，但是數(shù)據(jù)隔離程度差。為了防止多租戶環(huán)境下用戶數(shù)據(jù)混亂或讀到其他用戶的信息，本文采取在用戶注冊時，給每個用戶增加一個Tenant ID。用戶在使用軟件的過程中，每產(chǎn)生的一條記錄，就在前面增加與之相應的Tenant ID記錄。這樣可實現(xiàn)租戶間數(shù)據(jù)的隔離，表的結構如圖2。

    2.4 配置實現(xiàn)

    2.4.1 租戶信息配置實現(xiàn)

    在軟件使用過程中，每個用戶儲存的信息都是各不相同的，這包括相同信息的內(nèi)容不同，和信息需求項的不同，比如工程圖中每個租戶在企業(yè)信息的那個欄都需要設定自己的圖標和企業(yè)的信息。這就需要對租戶的數(shù)據(jù)進行擴展。實現(xiàn)多租戶模式下數(shù)據(jù)的擴展，可以通過縱向的數(shù)據(jù)擴展方法，即通過建立多租戶管理表、數(shù)據(jù)業(yè)務表、字段配置表，并將這三個表有效的結合，將每條原記錄數(shù)據(jù)的每個擴展字段都保存成一條擴展數(shù)據(jù)行，配置數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)擴展表中的記錄關聯(lián)起來就構成了擴展數(shù)據(jù)記錄，這可避免資源浪費和表業(yè)務結構的破壞，如圖3。業(yè)務數(shù)據(jù)表中存儲的是與租戶相關的業(yè)務數(shù)據(jù)；配置數(shù)據(jù)表中存儲的主要是租戶需要擴展的字段名及其存儲類型；數(shù)據(jù)擴展表中存儲的主要是租戶擴展字段的值。

    2.4.2 租戶功能配置實現(xiàn)

    SaaS服務模式是支持多租戶的，但每個用戶對軟件的功能需求都是不盡相同的，所以系統(tǒng)應該盡量包括用戶所需求的功能，使用戶在使用過程中能“按需使用、按需付費”。實現(xiàn)功能配置的第一步應該是將整個系統(tǒng)進行功能分解，分解為互相獨立的子功能，再將所有功能疊加起來，形成系統(tǒng)的全部功能。產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)可按照系統(tǒng)功能和產(chǎn)品的結構進行細化，系統(tǒng)的子功能包括：模型驅動、工程圖優(yōu)化、參數(shù)化文檔管理、快速報價等；再細化到產(chǎn)品的結構可分為：主梁模型驅動、主梁工程圖優(yōu)化、主梁參數(shù)化文檔管理、主梁快速報價等。用戶按照所選擇的功能進行付費。為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能配置性，采用四級表結構，如圖4。

    租戶信息表中存儲著租戶的相關信息；租戶功能配置表存儲著租戶的功能配置信息；主功能表中存儲著系統(tǒng)的主要功能；子功能表中存儲著系統(tǒng)的子功能。將配置表分成四級結構，主功能與主功能的次級功能分開，可方便后期對系統(tǒng)功能的擴展。

    2.5 構建網(wǎng)頁

    系統(tǒng)采用給租戶設定IP進行相關的數(shù)據(jù)保存、模型驅動和工程圖調整的多工作站點的并行工作原理，為系統(tǒng)提供多租戶協(xié)同化設計的硬件基礎；通過用戶身份鑒別、操作過程監(jiān)控、基于角色的訪問控制技術實現(xiàn)多企業(yè)、多工作人員協(xié)同任務多層次的訪問控制；利用事務處理、鎖機制消除多租戶同時操作一張表時的沖突；采用ftp標準協(xié)議構建ftp文件傳輸?shù)恼军c。

    利用WampServer 5集成環(huán)境，在windows下安裝A-pache、Mysql、PHP集成服務器軟件，構建Web服務器開發(fā)運行環(huán)境。Web服務器是實現(xiàn)網(wǎng)絡中的信息發(fā)布、資料查詢、數(shù)據(jù)處理等應用搭建的基本平臺。構建的基于PHP的起重機設計平臺網(wǎng)站主要包括：首頁、新聞中心、產(chǎn)品中心、下載中心、聯(lián)系我們等內(nèi)容。用戶可以通過該網(wǎng)站了解軟件的主要功能、使用方法以及行業(yè)的相關新聞。

    2.6 多租戶管理模塊構建

    2.6.1 租戶管理模塊

    租戶管理模塊主要包括：新用戶注冊、過期用戶刪除、用戶量統(tǒng)計。

    （1）新租戶注冊

    為便于軟件使用后的信息反饋，租戶的注冊信息應該真實可靠，其信息應包括：用戶名、密碼、郵箱賬號、工作單位、聯(lián)系電話、身份證號等相關信息。用戶注冊后，可以免費使用指定功能模塊30天時間。

    （2）過期用戶刪除

    過期用戶刪除模塊用于刪除試用期限已到，但沒有升級權限的過期用戶。其中刪除的信息包括：用戶創(chuàng)建的項目、產(chǎn)品，提交的產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息。

    （3）用戶數(shù)量統(tǒng)計

    租戶數(shù)量統(tǒng)計用于統(tǒng)計平臺租戶的數(shù)量、一個時間段內(nèi)租戶數(shù)量、在線租戶數(shù)據(jù)、租戶的激活狀態(tài)等信息。

    2.6.2 權限管理模塊

    （1）軟件計費模塊

    新注冊的用戶只有基本功能模塊斜梯的設計權限，如果希望獲得更多的功能模塊的權限，需要繳納一定的軟件租用費用，以獲得相關功能模塊的激活。系統(tǒng)的計費功能是根據(jù)產(chǎn)品功能模塊所定義的資費規(guī)則，然后執(zhí)行相應的計價處理，其界面如圖6。各功能模塊統(tǒng)一標價，租戶可以按照自己的需求選擇相應的功能模塊進行繳費、激活，過期未繳費的租戶信息將被自動刪除。

    （2）管理員授權激活

    租戶在提交相關功能模塊應用申請并繳費后，管理員根據(jù)租戶的申請授予軟件相應功能模塊的激活權限。

    （3）用戶權限激活

    租戶在收到權限激活的通知后，根據(jù)相關的提示進行權限激活。在權限激活后，租戶可以進行相關功能模塊的操作。

    2.6.3 項目管理模塊

    系統(tǒng)采用項目管理的方法對租戶的項目進行管理。租戶在軟件使用過程中按照“項目—產(chǎn)品—部件”的順序，首先創(chuàng)建項目，主要包括項目名稱、工號、合同號、審查、會簽、主任設計師、設計員等信息，設置的信息可以在工程圖和BOM表中體現(xiàn)出來，其中帶“*”的是不須要設置的；其次是根據(jù)客戶的功能需求，以項目為單位創(chuàng)建產(chǎn)品，主要包括：項目名稱、起重量、起重機名稱、跨度、工作級別、產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品代碼、創(chuàng)建者、創(chuàng)建時間、產(chǎn)品改觀設置等信息，最后根據(jù)租戶的權限選擇相應部件的參數(shù)設置界面進行參數(shù)設置，然后將設置的數(shù)據(jù)提交到服務器進行數(shù)據(jù)儲存。

    2.7 橋式起重機快速設計的實現(xiàn)

    橋式起重機快速設計過程為；首先進行產(chǎn)品需求功能分析；根據(jù)產(chǎn)品需求功能分析確定橋式起重機的概念模型；在分析產(chǎn)品的結構特征基礎上，確定設計計算參數(shù)、模型驅動的主從參數(shù)、尺寸之間的關聯(lián)，以建立產(chǎn)品概念模型；構建系列橋式起重機的結構模型，并儲存在PDM和數(shù)據(jù)庫中；在產(chǎn)品結構模型的基礎上，根據(jù)已經(jīng)確定的產(chǎn)品主從參數(shù)，按照快速設計原理，用VB編程工具調用SolidWorks的API編制產(chǎn)品詳細設計程序包括：參數(shù)設計、產(chǎn)品三維模型驅動、工程圖優(yōu)化、零部件工藝信息統(tǒng)計，技術路線如圖7。

    在進行快速設計的過程中，（1）進入新建工程，選擇需要的參考代號，設置子代產(chǎn)品的圖號、合同號，完成對產(chǎn)品基型模型進行完全復制。（2）設置總裝以及各零部件的驅動參數(shù)，并將其保存到參數(shù)庫中，如圖8為橋架總裝驅動參數(shù)設置過程。（3）利用新設置的參數(shù)驅動基型模型，完成子代產(chǎn)品三維模型智能驅動、二維工程圖自動優(yōu)化，參數(shù)報告自動生成，工藝信息的自動統(tǒng)計。如圖9和圖10為橋架基型和子代橋架結構模型。

    2.8 橋式起重機快速報價實現(xiàn)

    在已有產(chǎn)品快速設計結果的基礎上，進行產(chǎn)品直接成本的估算，包括電氣部分、機構部分、金屬結構部分、運輸安裝費用、外購件成本計算，各個部分的價格由設計人員手動輸入，五部分價格計算匯總可得到產(chǎn)品的直接成本，這部分是產(chǎn)品價格估算的核心。在輸入運輸安裝的價格時要充分考慮產(chǎn)品運輸?shù)木嚯x、產(chǎn)品的起重噸位和跨度。采用模糊邏輯。的概念對企業(yè)自身狀況、競爭對手情況、外部環(huán)境狀況、目標客戶情況估計等間接成本進行量化，即將語義元素映射成模糊值，計算產(chǎn)品的間接成本。最后將產(chǎn)品的直接成本和產(chǎn)品的間接成本進行綜合，可得到產(chǎn)品的報價價格。產(chǎn)品報價的價格可以作為產(chǎn)品的一個屬性值，通過產(chǎn)品快速設計系統(tǒng)與產(chǎn)品模型一起存入PDM系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫中。圖11為產(chǎn)品快速報價的流程圖。

    3 結論

    為了服務于廣大缺乏設計能力的中小型制造企業(yè)，本文將快速設計系統(tǒng)構架在SaaS服務模式下，實現(xiàn)了系統(tǒng)多租戶、可配置特性。系統(tǒng)以橋式起重機為實例，以SolidWorks 2010為軟件開發(fā)平臺，并利用Visual Basic6.0對其進行二次開發(fā)，完成了SaaS模式下快速設計系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了多租戶單實例的橋式起重機快速設計，可為中小型起重機制造企業(yè)提供在線技術支持服務，同時加快其信息化進程，提高橋式起重機的設計效率。