協同SaaS平臺的數據安全模型研究—面向農機數字化設計產業鏈

辛國軍

(內蒙古包頭輕工職業技術學院，內蒙古 包頭 014030)

0 引言

在拖拉機齒輪的設計過程中，齒輪輪廓線的生成需要大量的計算過程，輪廓線的繪制也需要通過關系模型來控制，而不同的齒輪有不同的繪制方法，這就加大了齒輪的設計難度。如果采用參數設計方法，這些參數包括齒輪的模數、齒數、壓力角等，通過創建對話框輸入參數的方法直接生產齒輪則可以大大地提高齒輪的設計效率。為了提高設計效率，拖拉機設計制造的企業之間可以通過數據共享的方式分享參數化設計成果，這就需要一個大型的企業間數據庫，而SaaS協同平臺便是一個很好的解決方案。SaaS產業鏈協同平臺可以方便地通過Internet進行部署，不同的企業通過登錄客戶端便可以對參數化設計模塊進行操作，從而滿足拖拉機生產企業群的業務協同需求。

1 現代數字化設計技術及其產業鏈協同SaaS平臺框架

隨著計算機硬件和軟件技術的發展，數字化設計已經從最初的二維平面設計向三維立體設計轉換。三維CAD技術在以往的發展過程中共經歷了4個階段，包括曲面造型、實體造型、參數化建模和變量建模等。

1)曲面造型技術。曲面造型技術是在飛機和汽車工業蓬勃發展的過程中產生的，由于貝塞爾算法的出現，人們可以利用計算機對曲線和曲面進行操作，并開發出了自由曲面造型技術，還推出了CATIA軟件進行三維曲面的造型。曲面造型的出現使設計人員可以不局限于三視圖的設計繪圖，單純利用計算機就可以描繪出產品的主要信息，使產品的研發有了質的飛躍。

2)實體造型技術。隨著數字化設計技術的不斷進步，計算機輔助工程除了可以表達三維表面信息之外，還可以表達實體的一些屬性，如重心、慣性矩和質量等。利用三維數字化設計軟件，還可以計算三維實體模型的應力應變等情況，實現三維實體模型的虛擬設計，為產品的結構優化提供了非常好的方法。

3)參數化技術。隨著數字化設計技術的繼續進步，提出了參數化模型設計。該設計方法主要是基于三維實體模型的特征、尺寸約束和尺寸驅動，可以利用修改尺寸的方法直接得到三維模型，而不用再重新進行建模設計，從而大大提高了零部件的設計效率。

4)變量化技術。變量化技術要求在數字化設計過程中要進行方法的創新，利用最短的時間開發高質量和低成本的產品，從而滿足數字化設計需求。為了實現數字化設計的創新，可以結合SaaS產業鏈協同設計平臺，平臺的建設要求具有前瞻性、穩定性和高效性。其總體的設計框架應從4個方面集成，包括應用集群、SaaS服務架構、SOA應用和J2EE架構。

1)應用集群、分布式部署。平臺是整個數字化協同設計系統的入口，采用集群式的服務可以同時供多個企業并行運行，集群的同時還需要將平臺的主要功能分解，分布式部署到每個應用部分。

2)SAAS服務架構。采用SAAS架構需要以云計算為技術核心，在設計時需要考慮多個用戶的并行計算能力，每個用戶都有自己的獨立區域，為了使數據安全的共享，將每個用戶的數據進行完全獨立，從而實現軟件即服務。

3)基于SOA的服務架構。SOA是一種面向服務的架構體系，是SaaS的技術核心，利用該服務架構可以采用接口的方式將平臺的功能開放，從而解決集成第三方也能夠保證平臺的穩定運行的問題。

4)基于J2EE的技術架構。J2EE是目前最常使用的穩定的技術架構，采用J2EE架構模式可以實現平臺的基礎功能。為了實現平臺的多功能設計需求，還可以綜合多種技術架構。

如圖1所示，在基于SaaS平臺的產業鏈協同數據庫中，企業之間的數據是獨立的，相關企業可以通過關聯的方法實現數據的共享，這種獨立和關聯的存儲數據方法保證了數據的安全性。例如，企業的核心數據可以存儲在自己獨立的數據庫中，確保了數據的隔離性，而一些用戶權限和SaaS定制信息及用戶登錄信息被存儲在共享數據庫中。

圖1 產業鏈協同SaaS平臺框架

2 基于SaaS的數字化設計協同平臺及其安全模型

數字化協同設計和制造技術是提高現代企業和產品競爭力的重要手段，特別是近年來，隨著數字化技術的迅速發展，在很多發達國家已經實現了CAD/CAM的無紙化生產，使整個生產過程完全數字化。數字化協同設計涉及到產品的數字化設計、數字化制造、信息的傳遞與共享及數字化管理等業務，數字化設計制造技術主要經歷了以下4個階段，如圖2所示。

圖2 數字化設計制造技術經歷階段

數字化設計制造首先要經歷的裝備數字化。裝備數字化主要體現在數控機床的出現，并且隨著計算機技術的深度發展，以計算機為基礎的數控技術被廣泛地應用在數字化設計制造過程中，還出現了數控三維坐標測量、工業機器人等先進的設備。數字化設計制造更新了很多加工制造設備，因此這個階段被叫做數字化裝備階段。

云平臺是近年來發展起來的一種服務平臺，包括3個層次的服務：IaaS基礎設置、PaaS平臺、SaaS軟件。其中，SaaS是利用互聯網提供軟件服務的一種模式，該模式將軟件安裝在云端，在終端用戶可以利用云端如Web瀏覽器對軟件進行使用，以虛擬化的方式提供服務，將虛擬服務布置完成后，終端用戶安裝客戶軟件后便可以實現資源的共享。

本設計主要是利用SaaS平臺為各農機設計制造企業提供一種產業鏈協同服務，在設計過程中可以實現企業間的數據共享；但是，這種模式存在較高的安全隱患，因此設計了相關的產業鏈協同SaaS平臺的數據安全模型框架，如圖3所示。在安全模型框架的構建時主要考慮存儲數據的安全性，對存儲數據進行加密和解密業務，具體操作如圖4所示。

存儲的安全模塊利用數據庫的TDE算法來進行編譯，可以為企業間共享的重要數據進行加密服務，防止被攻擊者竊取或者使用人員泄露。TDE算法可以提供較為細致的加密，企業只需要將數據的列進行加密；數據庫便可以創建一個表密鑰TK，然后利用密鑰對重要數據進行加密；而TK的保護也是非常重要的，本次利用盟主企業的EK對TK進行加密來保護TK的安全，將加密的結果{TK}保存到數據庫中，實現加密業務。

圖3 產業鏈協同SaaS平臺數據安全模型框架

圖4 數據存儲安全模型

3 SaaS平臺及其安全性測試

為了驗證基于SaaS的數字化農機產業鏈協同設計平臺對現代農機設計的可行性，以拖拉機的齒輪設計為例，對平臺的參數化協同設計功能以及安全性進行了驗證。

如圖5所示，齒輪是傳統拖拉機和現代重型拖拉機的重要部件，相比傳統的拖拉機，現代重型拖拉機使用了更多的斜齒輪和錐形齒輪等，這就要求協同設計平臺具有復雜齒輪的參數化設計能力。

如圖6所示，為了簡化齒輪的設計，采用參數化設計方程的方法生成齒輪模型，根據齒輪的結構特性在不同的結構位置設置不同的方程，最終可以實現齒輪的快速生成。

如圖7所示，利用參數化設計可以快速地生成不同尺寸的普通的齒輪，但錐齒輪的設計與普通齒輪又有較大的不同，錐齒輪的錐度和成對出現的問題都需要考慮，其設計過程如圖8所示。

圖5 現代重型拖拉機示意圖

圖6 參數化設計方程

圖7 齒輪效果圖

圖8 錐形齒輪參數設計結果

在設置一系列的參數后，利用參數化設計方式生成了錐形齒輪，將參數化設計方法在企業間共享后，各個協同企業間利用SaaS協同設計平臺通過登錄用戶端的方式，便可以使用參數化設計模塊，快速地設計齒輪。

如圖9所示，為了驗證拖拉機企業產業鏈協同SaaS平臺數據安全模型的可行性，以重要數據的平均存儲時間為例，對其加密效率進行了驗證。驗證結果表明：采用直接存儲和加密存儲的時間相當，加密效率較高，從而驗證了方案的可行性。

圖9 數據安全模型可行性驗證

4 結論

為了提高拖拉機齒輪的設計效率，將參數化設計方法引入到了拖拉機齒輪的設計過程中，并將參數化設計模塊使用到農機數字化設計產業鏈協同SaaS平臺上，并針對平臺數據的安全性建立了數據安全模型，從而有效地提高了拖拉機生產企業群的協同設計能力。為了驗證方案的可行性，主要對參數化設計方法和SaaS平臺數據加密的效率進行了驗證，結果表明：采用參數化設計方法可以快速地生成拖拉機的普通齒輪和錐形齒輪，利用數據安全模型存儲重要數據和直接存儲的時間相差不大，從而驗證了方案的可行性。