协同SaaS平台的数据安全模型研究—面向农机数字化设计产业链

辛国军

(内蒙古包头轻工职业技术学院，内蒙古 包头 014030)

0 引言

在拖拉机齿轮的设计过程中，齿轮轮廓线的生成需要大量的计算过程，轮廓线的绘制也需要通过关系模型来控制，而不同的齿轮有不同的绘制方法，这就加大了齿轮的设计难度。如果采用参数设计方法，这些参数包括齿轮的模数、齿数、压力角等，通过创建对话框输入参数的方法直接生产齿轮则可以大大地提高齿轮的设计效率。为了提高设计效率，拖拉机设计制造的企业之间可以通过数据共享的方式分享参数化设计成果，这就需要一个大型的企业间数据库，而SaaS协同平台便是一个很好的解决方案。SaaS产业链协同平台可以方便地通过Internet进行部署，不同的企业通过登录客户端便可以对参数化设计模块进行操作，从而满足拖拉机生产企业群的业务协同需求。

1 现代数字化设计技术及其产业链协同SaaS平台框架

随着计算机硬件和软件技术的发展，数字化设计已经从最初的二维平面设计向三维立体设计转换。三维CAD技术在以往的发展过程中共经历了4个阶段，包括曲面造型、实体造型、参数化建模和变量建模等。

1)曲面造型技术。曲面造型技术是在飞机和汽车工业蓬勃发展的过程中产生的，由于贝塞尔算法的出现，人们可以利用计算机对曲线和曲面进行操作，并开发出了自由曲面造型技术，还推出了CATIA软件进行三维曲面的造型。曲面造型的出现使设计人员可以不局限于三视图的设计绘图，单纯利用计算机就可以描绘出产品的主要信息，使产品的研发有了质的飞跃。

2)实体造型技术。随着数字化设计技术的不断进步，计算机辅助工程除了可以表达三维表面信息之外，还可以表达实体的一些属性，如重心、惯性矩和质量等。利用三维数字化设计软件，还可以计算三维实体模型的应力应变等情况，实现三维实体模型的虚拟设计，为产品的结构优化提供了非常好的方法。

3)参数化技术。随着数字化设计技术的继续进步，提出了参数化模型设计。该设计方法主要是基于三维实体模型的特征、尺寸约束和尺寸驱动，可以利用修改尺寸的方法直接得到三维模型，而不用再重新进行建模设计，从而大大提高了零部件的设计效率。

4)变量化技术。变量化技术要求在数字化设计过程中要进行方法的创新，利用最短的时间开发高质量和低成本的产品，从而满足数字化设计需求。为了实现数字化设计的创新，可以结合SaaS产业链协同设计平台，平台的建设要求具有前瞻性、稳定性和高效性。其总体的设计框架应从4个方面集成，包括应用集群、SaaS服务架构、SOA应用和J2EE架构。

1)应用集群、分布式部署。平台是整个数字化协同设计系统的入口，采用集群式的服务可以同时供多个企业并行运行，集群的同时还需要将平台的主要功能分解，分布式部署到每个应用部分。

2)SAAS服务架构。采用SAAS架构需要以云计算为技术核心，在设计时需要考虑多个用户的并行计算能力，每个用户都有自己的独立区域，为了使数据安全的共享，将每个用户的数据进行完全独立，从而实现软件即服务。

3)基于SOA的服务架构。SOA是一种面向服务的架构体系，是SaaS的技术核心，利用该服务架构可以采用接口的方式将平台的功能开放，从而解决集成第三方也能够保证平台的稳定运行的问题。

4)基于J2EE的技术架构。J2EE是目前最常使用的稳定的技术架构，采用J2EE架构模式可以实现平台的基础功能。为了实现平台的多功能设计需求，还可以综合多种技术架构。

如图1所示，在基于SaaS平台的产业链协同数据库中，企业之间的数据是独立的，相关企业可以通过关联的方法实现数据的共享，这种独立和关联的存储数据方法保证了数据的安全性。例如，企业的核心数据可以存储在自己独立的数据库中，确保了数据的隔离性，而一些用户权限和SaaS定制信息及用户登录信息被存储在共享数据库中。

图1 产业链协同SaaS平台框架

2 基于SaaS的数字化设计协同平台及其安全模型

数字化协同设计和制造技术是提高现代企业和产品竞争力的重要手段，特别是近年来，随着数字化技术的迅速发展，在很多发达国家已经实现了CAD/CAM的无纸化生产，使整个生产过程完全数字化。数字化协同设计涉及到产品的数字化设计、数字化制造、信息的传递与共享及数字化管理等业务，数字化设计制造技术主要经历了以下4个阶段，如图2所示。

图2 数字化设计制造技术经历阶段

数字化设计制造首先要经历的装备数字化。装备数字化主要体现在数控机床的出现，并且随着计算机技术的深度发展，以计算机为基础的数控技术被广泛地应用在数字化设计制造过程中，还出现了数控三维坐标测量、工业机器人等先进的设备。数字化设计制造更新了很多加工制造设备，因此这个阶段被叫做数字化装备阶段。

云平台是近年来发展起来的一种服务平台，包括3个层次的服务：IaaS基础设置、PaaS平台、SaaS软件。其中，SaaS是利用互联网提供软件服务的一种模式，该模式将软件安装在云端，在终端用户可以利用云端如Web浏览器对软件进行使用，以虚拟化的方式提供服务，将虚拟服务布置完成后，终端用户安装客户软件后便可以实现资源的共享。

本设计主要是利用SaaS平台为各农机设计制造企业提供一种产业链协同服务，在设计过程中可以实现企业间的数据共享；但是，这种模式存在较高的安全隐患，因此设计了相关的产业链协同SaaS平台的数据安全模型框架，如图3所示。在安全模型框架的构建时主要考虑存储数据的安全性，对存储数据进行加密和解密业务，具体操作如图4所示。

存储的安全模块利用数据库的TDE算法来进行编译，可以为企业间共享的重要数据进行加密服务，防止被攻击者窃取或者使用人员泄露。TDE算法可以提供较为细致的加密，企业只需要将数据的列进行加密；数据库便可以创建一个表密钥TK，然后利用密钥对重要数据进行加密；而TK的保护也是非常重要的，本次利用盟主企业的EK对TK进行加密来保护TK的安全，将加密的结果{TK}保存到数据库中，实现加密业务。

图3 产业链协同SaaS平台数据安全模型框架

图4 数据存储安全模型

3 SaaS平台及其安全性测试

为了验证基于SaaS的数字化农机产业链协同设计平台对现代农机设计的可行性，以拖拉机的齿轮设计为例，对平台的参数化协同设计功能以及安全性进行了验证。

如图5所示，齿轮是传统拖拉机和现代重型拖拉机的重要部件，相比传统的拖拉机，现代重型拖拉机使用了更多的斜齿轮和锥形齿轮等，这就要求协同设计平台具有复杂齿轮的参数化设计能力。

如图6所示，为了简化齿轮的设计，采用参数化设计方程的方法生成齿轮模型，根据齿轮的结构特性在不同的结构位置设置不同的方程，最终可以实现齿轮的快速生成。

如图7所示，利用参数化设计可以快速地生成不同尺寸的普通的齿轮，但锥齿轮的设计与普通齿轮又有较大的不同，锥齿轮的锥度和成对出现的问题都需要考虑，其设计过程如图8所示。

图5 现代重型拖拉机示意图

图6 参数化设计方程

图7 齿轮效果图

图8 锥形齿轮参数设计结果

在设置一系列的参数后，利用参数化设计方式生成了锥形齿轮，将参数化设计方法在企业间共享后，各个协同企业间利用SaaS协同设计平台通过登录用户端的方式，便可以使用参数化设计模块，快速地设计齿轮。

如图9所示，为了验证拖拉机企业产业链协同SaaS平台数据安全模型的可行性，以重要数据的平均存储时间为例，对其加密效率进行了验证。验证结果表明：采用直接存储和加密存储的时间相当，加密效率较高，从而验证了方案的可行性。

图9 数据安全模型可行性验证

4 结论

为了提高拖拉机齿轮的设计效率，将参数化设计方法引入到了拖拉机齿轮的设计过程中，并将参数化设计模块使用到农机数字化设计产业链协同SaaS平台上，并针对平台数据的安全性建立了数据安全模型，从而有效地提高了拖拉机生产企业群的协同设计能力。为了验证方案的可行性，主要对参数化设计方法和SaaS平台数据加密的效率进行了验证，结果表明：采用参数化设计方法可以快速地生成拖拉机的普通齿轮和锥形齿轮，利用数据安全模型存储重要数据和直接存储的时间相差不大，从而验证了方案的可行性。