SaaS模式下的产品快速设计系统

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   随着全球经济一体化进程不断加快，我国制造业正承受着来自国内外市场的激烈竞争，其竞争主要是围绕在质量、时间、成本和服务方面。为了能在竞争中求得生存，我国制造业正在加快其信息化、数字化、快速化进程，以增加自身的竞争力。在我国的经济构成中，中小型企业量大面广，是我国制造业的重要组成部分。目前，全国工商注册登记的中小企业占全部注册企业总数的90％，大约提供了75％的城镇就业机会。中小型企业成为了我国制造业企业中一支不可忽视的力量。但是在我国一些中小型制造企业由于其经济和技术实力的限制，企业信息化难以实施，所以推广中小型制造企业信息化是我国制造业信息化工程的一项重要内容。

    云计算是利用互联网高速传输能力，将个人计算机或服务器上的数据处理过程转移到互联网中由成千上万台普通工业标准服务器组成的超级计算群上，以获得高速的数据处理能力。云计算能即时、快速地响应用户的需求，可快速伸缩，提高设备使用率，降低使用成本，减少IT基础设施的风险。云计算现已被制造业企业广泛所接受，其优势已被广为流传。

    目前，提供云计算解决方案的厂商大约分为三个层面：IaaS（Infrastructure as a service，基础设施即服务）、PaaS（Platform as a service，平台即服务）、SaaS（Software as a service，软件即服务）。

    SaaS作为云计算的一种类型，是一种新兴的软件服务模式。其网络基础设施和软硬件工作平台由软件提供商搭建，前期的实施与后期的维护也都由其提供，用户可以通过互联网购买使用所需的信息化服务，无需安装维护，可大幅降低一次购买软件的风险，以及构建硬件基础设施的费用，进而帮助中小型制造企业推进其信息化进程。

    广大中小企业还普遍面临产品研发能力不足，因此迫切需要利用先进设计模式及相关技术，快速整合社会资源，提升企业的综合竞争能力。传统快速设计软件是定制开发，其成本较高、开发周期长，有时候甚至购买的软件无法使用造成了资源浪费。SaaS模式下的系列产品快速设计系统可为用户提供低成本、易获取的在线产品设计服务。产品快速设计系统是建立在产品数字化信息模型之上，可显着提高产品设计质量和效率，增强企业对市场的快速响应能力。

    综上所述，开展“SaaS模式下的系列产品快速设计系统”的研究与开发，可以较低的成本加快中小型制造业信息化、数字化、快速化步伐，提升企业的产品设计和制造水平，为我国中小企业综合竞争力的重要支撑。

1 SaaS模式系统构架

    1.1 四级成熟度

    根据SaaS应用软件是否具有可配置性、高性能和可伸缩性等特性，SaaS成熟度模型被分成四个等级，通常被称为“成熟度”。每一个等级都比前一个等级增加以上三种特性中的一种。

    （1）Level 1（第一级）：定制开发

    第一级成熟度软件为多次开发，软件提供商为每个用户开发一套独立的软件，并为其部署。SaaS应用软件Level 1除了在商业模式上与传统软件不同外，在软件应用架构方面几乎没有差别。

    （2）Level 2（第二级）：可配置

    二级成熟度模型与第一级成熟模型相比较具有可配置性，可以灵活的配置来响应客户的不同需求，从而降低了开发成本。在Level 2模型中软件部署架构依然是没有太大变化：为每一个客户独立部署一个运行实例，但是不同的实例实际上运行的是同一份代码。

    （3）Level 3（第三级）：高性能的多租户架构

    第三级成熟度模型是基于产品配置而建立的模型，通过模型的不同配置来实现租户个性化需求，多个租户可以同时对一个运行实例进行配置设计。Level 3作为一种多租户单实例的应用架构，可以有效降低软件运行所产生的维护成本，有效发挥SaaS的规模效应。

    （4）Level 4（第四级）：可伸缩性的多租户架构

    Level 3模型的架构的数据库系统是集中式的，随着租户的数量不断增加，数据库的数据也会不断的增长，当数据规模达到系统所承受的最大限度时，这种架构的运营成本势必会增加，不利企业的发展。第四级成熟度模型成功的解决了上述问题，它增加了一个中间层，用于将各个租户分配到各个运行实例上，这样做可以解决由于大量用户访问产生大量数据，导致系统维护的困难。这是一种多用户多实例的应用架构。在这一级，租户的数量可以无限制增加。

    从应用架构的角度来说，同时具备可配置性、高性能和可伸缩性的第四级成熟度的SaaS模型是最理想的应用架构。但不是成熟度越高的SaaS应用模型就越好或者越能够取得成功，具体到每个应用应该选择哪一个级别的SaaS成熟模型，需要综合考虑如下因素：①产品所面向的客户群的特征与需求；②产品的租户数量级别；③软件应用的实现成本。综合考虑这三个因素，本文将选择第三级成熟度的SaaS应用模型进行对构架SaaS模式下的系列产品快速设计系统。

    1.2 SaaS模式下的数据库的构架设计

    SaaS服务模式下的应用软件相较于传统的软件应用最大的创新之处在于它的多租户性。多个租户同时使用一个软件运行实例，租户间的业务数据既有隔离又有共享，寻求数据隔离与共享之问的平衡点是一个很重要的问题。针对SaaS软件应用的多租户的特点，在数据库构架方面有三种备选方案分别是：独立数据库、共享数据库，隔离数据架构、共享数据库，共享数据架构。

    （1）独立数据库：指一个租户对应一个专用的数据库，每当一个租户创建的时候，系统就为其分配一个专用的数据库。

    （2）共享数据库，隔离数据架构：是在一个服务器上，用一个数据库来存储不同租户的信息。每个租户都有一套自己的表，这些表被包含在同一个Schema描述的表组中。每当一个租户被创建的时候，系统自动为该租户创建一套表，并把这套表与租户特定的Schema关联起来。上层的应用可以访问这个Schema里面的表或者创建新的表。这种方式比较适用每个租户的数据库不多时。

    （3）共享数据库，共享数据架构：在一个服务器上，用同一个数据库来储存多个租户的信息，并将这些信息都存储在同一个套表中。在这种方式下，一个数据表中可能包含了多个租户的数据记录，通过ID号码区别不同租户间的数据。这种方案适合于希望以最少的服务器为最多的租户提供服务，并且接受以牺牲隔离级别换取成本。

    现有的三种数据库构架方案，都有各自的优点与缺点，独立数据库的隔离级别、安全性都最高，共享级别最低，相应的成本也是最高的；共享数据库、共享数据架构虽然拥有成本最低的优势，但是软件的安全性和数据的隔离级别都不高。SaaS服务模式中数据库构架方案主要取决于产品的定位和租户对数据安全的接受程度。

2 系统开发与实例

    2.1 系统环境

    开发语言：Java、JavaScript、Html、Visual Basic 6.0。

    数据库：SQL Server 2000。

    应用服务器：Apache2.28+PHP5.2.6+MySQL 5.0.51b。

    其他软件： Solidworks2010、Office、PDMWorks Workgroup等。

    2.2 系统框架

    选用第三级成熟度，以共享数据库，共享数据架构，建立基于SaaS模式的产品快速设计系统，其框架结构如图1。

    客户层是集成设计平台的最终体现形式。用户通过人机交互界面向数据库服务器提交设计参数，交互界面具有良好的用户信息提示，可以实现半自动化操作。用户通过PDM客户端或PDM查阅器审阅文档。表现层包括：用户登陆控制、用户信息加密/解密。

    配置层包括：用户信息配置、用户功能配置。

    控制层包括：参数容错、数据并发处理、用户管理、权限管理、部件权限与角色匹配、项目管理。

    应用程序层包括：参数设置、概念设计、详细设计、模型驱动、工程图调整、工艺统计、参数文档管理、快速报价。它是SaaS软件的核心部分，主要是进行程序数据的处理以及修改这些数据的业务规则，实现产品的快速设计与快速报价。

    数据模式配置层包括：该层具有数据存储、数据表的增加与删除、数据库的增加与删除、数据记录的增加与删除、数据库维护等功能。为后期系统的使用提供更多具有适应性的功能。

    数据库包括：参数数据库、参数化模型库、标准件库、配置方案库、工程知识库。参数数据库，主要存储产品设计参数、设计人员信息和版本信息等数据；参数化模型库，存储已有模块化模型作为将来的设计模板；配置方案库主要存储根据已有模块可实现的配置方案；工程知识库包括实施快速设计时所需的工程知识，如工程师经验知识、客户需求方面的知识等。

  2.3 多租户实现

    SaaS服务模式软件与传统软件模式最本质的区别在于其多租户性。实现数据隔离，是使软件达到SaaS服务模式的三级成熟度的核心问题，即实现多租户模式。

    系统采用共享数据库和共享数据构架的方式进行构架数据库。这种数据库构架运行维护费用最低，并且支持租户数量最多，但是数据隔离程度差。为了防止多租户环境下用户数据混乱或读到其他用户的信息，本文采取在用户注册时，给每个用户增加一个Tenant ID。用户在使用软件的过程中，每产生的一条记录，就在前面增加与之相应的Tenant ID记录。这样可实现租户间数据的隔离，表的结构如图2。

    2.4 配置实现

    2.4.1 租户信息配置实现

    在软件使用过程中，每个用户储存的信息都是各不相同的，这包括相同信息的内容不同，和信息需求项的不同，比如工程图中每个租户在企业信息的那个栏都需要设定自己的图标和企业的信息。这就需要对租户的数据进行扩展。实现多租户模式下数据的扩展，可以通过纵向的数据扩展方法，即通过建立多租户管理表、数据业务表、字段配置表，并将这三个表有效的结合，将每条原记录数据的每个扩展字段都保存成一条扩展数据行，配置数据表和数据扩展表中的记录关联起来就构成了扩展数据记录，这可避免资源浪费和表业务结构的破坏，如图3。业务数据表中存储的是与租户相关的业务数据；配置数据表中存储的主要是租户需要扩展的字段名及其存储类型；数据扩展表中存储的主要是租户扩展字段的值。

    2.4.2 租户功能配置实现

    SaaS服务模式是支持多租户的，但每个用户对软件的功能需求都是不尽相同的，所以系统应该尽量包括用户所需求的功能，使用户在使用过程中能“按需使用、按需付费”。实现功能配置的第一步应该是将整个系统进行功能分解，分解为互相独立的子功能，再将所有功能叠加起来，形成系统的全部功能。产品快速设计系统可按照系统功能和产品的结构进行细化，系统的子功能包括：模型驱动、工程图优化、参数化文档管理、快速报价等；再细化到产品的结构可分为：主梁模型驱动、主梁工程图优化、主梁参数化文档管理、主梁快速报价等。用户按照所选择的功能进行付费。为了实现系统功能配置性，采用四级表结构，如图4。

    租户信息表中存储着租户的相关信息；租户功能配置表存储着租户的功能配置信息；主功能表中存储着系统的主要功能；子功能表中存储着系统的子功能。将配置表分成四级结构，主功能与主功能的次级功能分开，可方便后期对系统功能的扩展。

    2.5 构建网页

    系统采用给租户设定IP进行相关的数据保存、模型驱动和工程图调整的多工作站点的并行工作原理，为系统提供多租户协同化设计的硬件基础；通过用户身份鉴别、操作过程监控、基于角色的访问控制技术实现多企业、多工作人员协同任务多层次的访问控制；利用事务处理、锁机制消除多租户同时操作一张表时的冲突；采用ftp标准协议构建ftp文件传输的站点。

    利用WampServer 5集成环境，在windows下安装A-pache、Mysql、PHP集成服务器软件，构建Web服务器开发运行环境。Web服务器是实现网络中的信息发布、资料查询、数据处理等应用搭建的基本平台。构建的基于PHP的起重机设计平台网站主要包括：首页、新闻中心、产品中心、下载中心、联系我们等内容。用户可以通过该网站了解软件的主要功能、使用方法以及行业的相关新闻。

    2.6 多租户管理模块构建

    2.6.1 租户管理模块

    租户管理模块主要包括：新用户注册、过期用户删除、用户量统计。

    （1）新租户注册

    为便于软件使用后的信息反馈，租户的注册信息应该真实可靠，其信息应包括：用户名、密码、邮箱账号、工作单位、联系电话、身份证号等相关信息。用户注册后，可以免费使用指定功能模块30天时间。

    （2）过期用户删除

    过期用户删除模块用于删除试用期限已到，但没有升级权限的过期用户。其中删除的信息包括：用户创建的项目、产品，提交的产品数据信息。

    （3）用户数量统计

    租户数量统计用于统计平台租户的数量、一个时间段内租户数量、在线租户数据、租户的激活状态等信息。

    2.6.2 权限管理模块

    （1）软件计费模块

    新注册的用户只有基本功能模块斜梯的设计权限，如果希望获得更多的功能模块的权限，需要缴纳一定的软件租用费用，以获得相关功能模块的激活。系统的计费功能是根据产品功能模块所定义的资费规则，然后执行相应的计价处理，其界面如图6。各功能模块统一标价，租户可以按照自己的需求选择相应的功能模块进行缴费、激活，过期未缴费的租户信息将被自动删除。

    （2）管理员授权激活

    租户在提交相关功能模块应用申请并缴费后，管理员根据租户的申请授予软件相应功能模块的激活权限。

    （3）用户权限激活

    租户在收到权限激活的通知后，根据相关的提示进行权限激活。在权限激活后，租户可以进行相关功能模块的操作。

    2.6.3 项目管理模块

    系统采用项目管理的方法对租户的项目进行管理。租户在软件使用过程中按照“项目—产品—部件”的顺序，首先创建项目，主要包括项目名称、工号、合同号、审查、会签、主任设计师、设计员等信息，设置的信息可以在工程图和BOM表中体现出来，其中带“*”的是不须要设置的；其次是根据客户的功能需求，以项目为单位创建产品，主要包括：项目名称、起重量、起重机名称、跨度、工作级别、产品名称、产品代码、创建者、创建时间、产品改观设置等信息，最后根据租户的权限选择相应部件的参数设置界面进行参数设置，然后将设置的数据提交到服务器进行数据储存。

    2.7 桥式起重机快速设计的实现

    桥式起重机快速设计过程为；首先进行产品需求功能分析；根据产品需求功能分析确定桥式起重机的概念模型；在分析产品的结构特征基础上，确定设计计算参数、模型驱动的主从参数、尺寸之间的关联，以建立产品概念模型；构建系列桥式起重机的结构模型，并储存在PDM和数据库中；在产品结构模型的基础上，根据已经确定的产品主从参数，按照快速设计原理，用VB编程工具调用SolidWorks的API编制产品详细设计程序包括：参数设计、产品三维模型驱动、工程图优化、零部件工艺信息统计，技术路线如图7。

    在进行快速设计的过程中，（1）进入新建工程，选择需要的参考代号，设置子代产品的图号、合同号，完成对产品基型模型进行完全复制。（2）设置总装以及各零部件的驱动参数，并将其保存到参数库中，如图8为桥架总装驱动参数设置过程。（3）利用新设置的参数驱动基型模型，完成子代产品三维模型智能驱动、二维工程图自动优化，参数报告自动生成，工艺信息的自动统计。如图9和图10为桥架基型和子代桥架结构模型。

    2.8 桥式起重机快速报价实现

    在已有产品快速设计结果的基础上，进行产品直接成本的估算，包括电气部分、机构部分、金属结构部分、运输安装费用、外购件成本计算，各个部分的价格由设计人员手动输入，五部分价格计算汇总可得到产品的直接成本，这部分是产品价格估算的核心。在输入运输安装的价格时要充分考虑产品运输的距离、产品的起重吨位和跨度。采用模糊逻辑。的概念对企业自身状况、竞争对手情况、外部环境状况、目标客户情况估计等间接成本进行量化，即将语义元素映射成模糊值，计算产品的间接成本。最后将产品的直接成本和产品的间接成本进行综合，可得到产品的报价价格。产品报价的价格可以作为产品的一个属性值，通过产品快速设计系统与产品模型一起存入PDM系统和数据库中。图11为产品快速报价的流程图。

    3 结论

    为了服务于广大缺乏设计能力的中小型制造企业，本文将快速设计系统构架在SaaS服务模式下，实现了系统多租户、可配置特性。系统以桥式起重机为实例，以SolidWorks 2010为软件开发平台，并利用Visual Basic6.0对其进行二次开发，完成了SaaS模式下快速设计系统的开发，实现了多租户单实例的桥式起重机快速设计，可为中小型起重机制造企业提供在线技术支持服务，同时加快其信息化进程，提高桥式起重机的设计效率。