0 引言

传统上，液压系统都以水作为能量传输的载体。直到20世纪初期，石油的大量及工业化进程的推进，油这种矿物类的流体以优秀的物理及化学特性代替水成为新的传输载体，从而推动了全球范围内液压传动技术的发展。但是随着可持续发展越来越受到人类的重视，研究人员提出要尽量减少油介质所带来的污染，特别是在食品、医疗、冶金、铸造等环境条件要求苛刻领域的应用^[1]。

为了有利于生态环境的保护，研究人员开始寻找绿色环保的流体来替代矿物质油，自此水液压系统及其元件的研究工作飞速发展，水是最得天独厚的自然能源，特别适用于食品、矿井、水下作业机械、水下作业工具、船舶、深潜器及舰艇上^[2]，且随着材料及工艺水平的提升，水介质的缺陷也逐一被解决，从而成为液压发展的重要方向^{[3 -5]}。

水液压传动是通过水作为工作介质实现能量传递的技术，这里所说的水指的是纯天然水（含淡水及海水），即不含任何添加剂的纯水。

纯水介质与传统矿物型油相比具有很大的优势，但也存在明显的缺陷，具体如表 1所示^[6]。

作为水压系统中的核心元件，纯水液压阀是纯水液压技术中的研究重点，由于传统的液压阀、泵等元件都以油介质为设计参考，使得当用来代替传输介质时，往往会出现诸多例如气蚀、泄露等现象，会使整个水压系统处于非正常状态。因此对于纯水液压阀的研究需要充分考虑纯水介质的物理及化学性能，对其中的磨损机理、气蚀特性等关键问题进行深入研究。综合考虑新型材料、工艺、结构等多方面的因素来改进纯水液压阀，从而推动纯水液压技术的发展。

1 协同系统简介

计算机支持的协同工作（Computer supported cooperative work，CSCW）是用以描述如何用计算机支持不同领域或不同学科的科研工作者共同协作的问题，在进入互联网时代的今天，协同系统的应用更显得尤为重要，特别是在新能源水液压系统中，协同系统会大大缩短产品开发周期。而随着科技的不断进步，协同工作从简单到复杂，在通信领域、小数据分析、大数据、人工智能学等领域均取得了一系列成果，从支持内部网小规模的协作已经扩展到跨地域的全世界范围内协作^{[7 -9]}。其中协同系统具有以下特点：

1）全局性。不只是图纸绘制的协同，即从开始阶段、任务发布到信息管理等问题，整个过程都要进行协同。

2）协同性。采用决策方式处理多目标、跨时域、跨地域等问题，可以协调和解决不同领域设计人员之间的冲突。

3）分布性。不同部门所在不同地域，共同修改、编辑同一任务，各种设计资料交互获取、集成等工作。

4）异构性。由于参与设计的各个人员可能不同时域、不同地域、不同软件、不同系统，需要针对此情况进行技术开发，满足系统的异构需求。

协同系统属于交叉学科，技术方面涉及到任务管理、分配、计算、数据传输等诸多方面，图 1展示了协同系统中所涉及的技术。其中本文涉及针对水液压阀的协同设计信息管理系统，就是考虑水液压阀的设计、仿真和优化需求，以及优化等数据输入输出的要求，利用参数化计算进行协同设计的需求等，开发出针对纯水液压阀的原型系统。

2 水液压阀的协同设计管理体系设计 2.1 协同设计信息管理系统方案

在基于互联网的协同设计信息管理系统中，要求系统为设计研发人员提供协同工作的环境，来完成设计、仿真、优化等不同的任务。在协同设计管理中需要各个设计人员参与到此项目中，这样就需要协同设计信息管理中各个模块要保持独立状态，但其间亦可信息交互，目前互联网技术中，由于B/S结构的工作效率高、安全性高、可扩展性强等特点，本文采用此架构来进行系统体系的搭建，具体分为表示层、逻辑层、数据库服务层，如图 2所示。

1）表示层。本层为系统用户提供相应服务，设计人员通过本地自带浏览器登陆本系统，完成其被分配的任务工作。本层主要利用PHP、HTML、JS等语言进行开发。

2）逻辑层。本层主要由多Agent服务器管理系统、多Agent管理接口等组成，是表示层与逻辑层之间的重要桥梁，同时本层也是整个系统的核心层。本层通过对协同信息管理系统中相关服务的建立，既能够实现系统所需的功能，又同时展示出设计需求，通过数据通道传递数据。

3）数据库服务层。本层主要进行数据存储、访问等服务，同时处理系统中关于数据的操作。本层采用分布存储及分类存储的形式，可用不同方式将协同设计数据存入数据库中，并为未来的大数据挖掘及其处理工作做基础架构。

2.2 协同设计信息管理系统功能

各个设计子模块之间的交互是系统中的重点，同时协同信息管理系统所需实现的功能如下：

1）协同方案会签。在设计过程中各个设计人员之间需要进行协同的操作，在讨论完成方案后进行会签等工作，同时在设计过程中还需要在各个部门或各个小组之间完成各部分工作。

2）任务管理。基于网络的系统中，各个人员可能属于不同部门或不同小组。同时各个任务间也可能有所关联，必须处理好这些关系才能更好的进行工作。因此协同任务管理功能必须完成在线管理的各项功能。

3）开放系统。系统中的各个模块要实现无缝连接，这样就要求系统具有高度的开放性，具体表现在2个方面，设计知识及资料的开放性；协同工作中部门间组织协作性。

4）冲突管理。在设计过程中，各个方案、数据、软件版本、文件版本、部门内部等方面都可能存在冲突，需要在系统中对冲突进行管理，控制各版本之间的关系，防止因冲突引起的问题，扰乱正常的设计工作。

2.3 协同设计信息管理系统体系结构

在对系统结构进行设计的过程中，要构建多个子模块，且子模块之间也存在关联，充分考虑系统需求功能后，建立以下系统结构，如图 3所示。协同设计信息管理系统分为用户层、对象层、管理层、数据库层4层结构，每一层结构相互关联。

1）用户层。本层主要是用户需求、研发部门、实验室发布其优化设计任务，能够进行任务资料相关管理。

2）对象层。本层主要是确定设计任务相关对象，包括任务管理对象，开发过程、确定通信工具、软件接口等。

3）管理层。本层主要针对对象层，接收其数据流、信息流、工作流等，将相应数据处理后进行存储，完成优化设计中的各项管理工作。

4）数据库层。本层主要为整个系统提供数据支撑，发送需要展示的数据，同时接收需要存储的数据。

2.4 系统可行性与需求 2.4.1 可行性分析

在建立系统之前，对水液压阀目前的实际开发情况进行调研，进行系统可行性分析。

采用协同系统进行纯水液压阀开发设计，将相关企业、领域专家及研发人员进行集成，为各设计部门提供了良好的设计环境，提高水液压阀质量，缩短其开发周期。充分利用网络资源进行开发，减少因方案不当造成设计阶段出现问题的可能性，减少设计中的交互量，缩短开发周期、提高效率，既可保证开发设计中的准确性，还能为企业生产时提供质量保证。

2.4.2 需求分析

在水液压技术的研究上，只有运用智能制造的管理方式，才能缩短开发周期，提升技术水平。因此，针对水液压阀的协同设计信息管理系统应具有以下几大功能：

1）以Internet或Intranet为平台，实现一个支持水液压阀设计优化的信息管理环境。

2）协同信息管理、任务管理、知识资料管理、数据管理等功能，为设计人员提供参数化设计的计算工具，能实现多地、多用户的信息输入输出、并发访问，保证协同设计能高效有序的进行。

3）可以在系统中组建虚拟工作组，为水液压阀的设计提供支撑，包括设计资料跨地域共享下载、视频资料在线观看及下载等。

4）协同设计过程中控制管理，包括对任务信息、设计小组人员、人员权限等信息进行关键字查询，设计人员权限动态管理等。

根据系统功能的需求分析，建立协同设计信息管理系统主要功能模块，如图 4所示。

3 协同设计信息管理系统的实现 3.1 系统开发技术

协同的概念是网络化技术相对成熟的条件下形成的，故采用先进的技术进行设计，能够满足科研机构及企业研发中心的需求，合理应用相关开发技术不但能提升用户体验，还能提高工作效率，其中软件开发环境如表 2所示。

3.1.1 MVC结构

利用PHP技术进行系统开发是本文重点之一，本文设计了一个MVC（Model-View-Controller）结构用以支持开发纯水液压控制阀的协同设计信息管理系统。MVC结构分为模型层、视图层和控制层3个部分，如图 5所示。并且将模型层、视图层和控制层的代码分离。

模型层是基于PHP开发系统结构的核心。主要负责数据库的操作，该层封装了常用的数据处理功能，包括创建、检索、更新和删除等。模型层的存在会大大降低数据操作的工作量，使得设计人员能够更专注于逻辑的开发。模型层通常面临着SQL注入攻击、URL攻击、欺骗语义表单提交和其他方面的安全威胁。这些威胁由设计人员没有检测和利用系统筛选数据而引起。因此，模型层有必要为开发者提供数据的透明性和强制性的安全检测；同时，应为设计人员提供易于使用和扩展自定义的数据检测机制。本文设计的系统设有防火墙，进入系统各个模块时，均会检测是否存在异常登陆或外界强行登陆状态。

视图层能够实现数据有目的的在界面上显示，也就是UI界面。它可以将用户数据和请求提交给控制层以及模型层。例如在本系统中，“用户注册”功能只接受来自模型层中的数据，然后在视图层中显示出来。最后通过模板解析引擎，将PHP及相关代码混合进模板文件并发送到服务器执行。

控制层主要负责处理模型层与视图层的交互，当网络发送请求时，控制层会收到请求，并指定调用某个模型，再确定将数据显示在某个视图中。值得注意的是，控制层自身只分发请求，并不处理其中的任何数据。

3.1.2 数据库技术

本文所设计的水液压阀协同设计信息管理系统采用关系型数据库MySQL，如图 6所示。关系型数据库是目前普遍采用的技术，实质就是将系统数据存储在数据库中，然后使用服务器脚本SQL查询来获取内容，最后在浏览器中输出HTML格式的数据。在协同设计领域，可以充分发挥其特性，既能够以单独的应用程序应用在客户端服务器网络环境中，也能够作为库的形式嵌入到其他的软件中。而其使用的SQL语言是用类似英语的语法表述集合间的逻辑关系，是目前访问数据库的最常用标准化语言。此外，本系统还拥有Session和Cookie用户登陆功能，使得信息在网络中可以安全传输。

根据纯水液压控制阀的优化需求，进行协同设计信息管理系统数据库的设计，系统访问的时序如图 7所示。

根据以上信息进行了针对纯水液压阀的协同设计信息管理系统的数据库构建，由于系统在本实验室信息平台上搭建，数据表过于庞大，本文中仅列出协同设计信息管理部分的数据表，如图 8所示。

3.2 针对水液压阀的协同设计信息管理系统开发 3.2.1 系统权限管理

由于系统中的设计人员，在其任务中所承担的工作不同，对信息的需求也不尽相同，且任务中的数据均为科学研究数据，对于科研部门极为重要，甚至涉及机密，故对系统的安全性要求较高，需要根据角色建立相应的权限管理机制。根据水液压阀设计具体需求建立用户-角色-权限关系模型、部门-角色结构模型和角色-权限关系模型（见图 9~图 11）。

本系统在使用之初会由超级管理员创建部门管理员账号，分发给各部门负责人或组长，当其进入用户管理子系统，可以进行其负责人员角色的区分操作，不同的人员角色具有相应的操作权限，这样就保证了不同人员可以进行不同级别的操作。超级管理员拥有最高权限，可以查看系统中的全部信息，包括协同任务、协同数据、为组长注册账号等，也可以动态限制组长及其它人员的权限等。组长可以注册或编辑账号，分发其管理的设计人员，设计人员登陆后只能看其本人信息，其他信息无权查看，且不能随意对其自身信息进行删除操作。超级管理员可以添加编辑角色，给予不同角色不同权限，限制该角色可以访问的子系统，规范系统的操作权限。

3.2.2 数据管理模块

数据管理模块是为优化设计中采集更多的数据，来提高仿真优化的准确度，达到消除目前仿真优化软件中主观因素起主导作用的缺陷，以及为未来的大数据分析挖掘做基础性工作。相关人员可以根据自身的权限进行操作，当设计人员进入系统后，可查看并下载相关的任务图纸资料，在本地进行仿真优化等操作。完成仿真优化后，进入数据管理模块中，可以在此查看所有设计任务的数据库，本模块提供关键字等查询方式，在搜索栏输入关键字后，列表会自动更新出所需的任务信息。系统中限制设计人员的权限，只能看到其小组所负责的任务，进入数据详情后，可以上传所完成的仿真优化数据文件，由于仿真优化需要大量的数据作为支撑，为大数据及其数据挖掘作基础工作，故创建此模块以供提升仿真优化的准确性，如图 12所示。

系统支持生成动态图表功能，所生成的图为动态信息表，可自行查阅所有点的信息，以及生成JPG、PNG、PDF多种格式文件如图 13所示。

3.2.3 其他模块

1）任务管理模块是协同信息管理系统中的重要部分，相关人员可以根据自身的权限获取相关任务信息，当出现协同设计需求时，可以根据设计需求添加相关任务信息，如任务名称、任务详情、图纸资料、备注等。本系统提供了关键字等查询方式，在搜索栏输入关键字后，列表会自动更新出所需的任务信息。在添加完任务后可以对任务进行部门分配，将任务分配给相应的部门或小组，具体界面如图 14所示。

2）知识管理模块是针对各种文件资料、视频资料等，此子模块中提供了对这类资料的相关管理功能，包括文件资料的上传、下载、查询，视频资料的上传、下载、查询、在线观看等功能，管理员可以将符合设计实际情况的资料上传到系统中进行管理，如果添加的资料出现错误，可通过编辑界面进行修改。设计人员可在登陆系统下自行通过关键字查询并下载。视频资料更有助于提升效率，管理员可以将相关的视频资料上传到系统中，提供给设计人员进行观看。设计人员可在登陆系统下自行观看或下载。具体界面如图 15所示。