工程數據庫發(fā)展

工程領域對數據組織的要求并非現在才有，早在計算機時代之前，工程師已經系統地使用組表(settables)、圖表(picturetables)和工程圖來描述整個系統的流程和結構。在通常的人工方法中，用工程圖表來描述這些信息，工程師之間也用圖表進行交流。工程制圖中，信息意義的理解僅僅依賴于人的知識及認知能力。工程圖表并不是工廠的最終產品，但當需要時，應當是一種輸出形式。這些都涵蓋著工程數據庫的雛型。

計算機輔助設計(CAD)的出現，產生了對大量數據管理兩個方面的迫切需求：一方面是工程用的計算機程序；另一方面是CAD在大型系統中的應用。這些都給數據組織帶來了加倍的困境，即使在計算機程序環(huán)境中，情況也無兩樣。隨著工程用計算機程序能夠逐步處理復雜問題，在磁盤上存儲數據就越來越普遍。但數據的復雜性使之在數據存儲方式上太繁瑣，從而幾乎不可能做到對數據的有效、方便使用。一個簡單的衛(wèi)星總體設計需用軟盤40片至50片，如管理不科學，則更容易給數據組織造成混亂。特別在修改某個數據時，你無法確切地知道數據修改會影響到哪些數據組織的變化和要做哪些相應的修改。

自從1970年E．F．Codd研究員發(fā)表了“大型共享數據庫數據的關系模型”等一系列數據庫論文以來，奠定了關系型的理論基礎，開創(chuàng)了數據庫規(guī)范化理論的新紀元，標志著常規(guī)數據庫技術已進入成熟。這些研究與發(fā)展無疑對工程領域中所遇到的一些困惑提出了較好的解決辦法。

在1985年第四屆國際工程軟件會議上，詳細討論了工程數據庫在集成工程設計中的顯著作用、工程數據庫管理系統(EDBMS)的特點、工程數據庫管理的類型以及它們的術語。這些討論加速了工程領域中對現行的3種模型如何應用到未來的CAD系統中的研究。對圖形數據關系組織、關系信息管理系統設計中關于CAD和交互數據處理的一些方面提出了類型(type)、對象(object)與關系(relation)和函數概念的一個CAD數據模型。

一.工程數據的一致性控制

一致性控制又稱并發(fā)性控制，它是多用戶的數據庫系統必須解決的一個重要問題，它將保證多個用戶同時運行一個數據庫時的正確性。一般在數據庫系統中用戶都是以事務的方式來運行數據庫的，而事務是由若干數據庫語句組成的序列，它們順序地被執(zhí)行，逐步將數據庫的一個狀態(tài)變換到另一個狀態(tài)，保持數據庫的一致性。但是，在多個用戶同時運行各自的事務時，為了提高運行效率，并非簡單地由數據庫管理系統統一來排列一個事務的運行次序，等一個事務完全執(zhí)行完畢之后，再啟動另一個事務的執(zhí)行，而是讓各事務中的語句交錯地執(zhí)行。因為是多個事務同時執(zhí)行，那么這些事務就可能有多種執(zhí)行順序。任何一種順序在邏輯上都是行得通的，但是否符合設計者的意圖就必須確定一種判斷各事務的語句的交錯執(zhí)行是否正確的“一致性控制要求準則”。如果各事務中的語句交錯執(zhí)行的效果，能與將事務一個接一個地串行執(zhí)行的效果一樣，則稱這種交錯執(zhí)行是一種可串行化的事務執(zhí)行。并發(fā)控制的目的是獲得一種可串行化的事務執(zhí)行。

2．長事務處理

工程數據庫與傳統的商用數據庫有著本質的不同。工程數據庫處理事務不可能在幾秒鐘內能完成，它經常進行的是長事務。例如在發(fā)動機設計時，發(fā)動機各部件的設計過程可能持續(xù)時間很長——幾分鐘、幾小時、甚至幾天才能完成。因此要求工程數據庫管理系統提供長事務的功能．妥善解決與長事務有關的并發(fā)、共享和完整性約束等問題。

3．版本管理

工程設計過程具有以下特點：①一個設計過程是一個反復試探的過程，往往對于工程實體的設計采用多種設計方案進行設計比較優(yōu)化；②一個工程實體是分階段進行設計的，各個階段性結果都是有價值的；③對于大部分新產品的設計，往往只是對原產品的某些部分進行改進，特別是對某一型號的產品的模型設計更是如此。因此，各產品之間相同部分的屬性是主要的，不同部分的屬性是次要的。綜上所述，一個產品在設計過程中，由于性能描述方法的不同，設計方案的差異，以及性能要求的差別，在設計的各個不同階段會形成不同設計版本。版本管理的技術就是要解決新版本的生成；統一協調地管理各個版本；有效地記錄各個版本的演變歷史等問題。

4．安全性控制

對于工程數據庫管理系統來說，安全性的控制是十分重要的。可以根據各子系統的不同安全級要求，實現不同程度的安全控制。主要包括以下幾個方面：

(1)設置用戶名和口令以檢查用戶的身份是保證數據庫安全的第一道屏障。以此決定是否允許該用戶登錄和以什么身份登錄。

(2)設置表操作權限，不同用戶對同一表可有不同授權，如讀、寫、刪除。

(3)設置表記錄操作權限，總體用來指揮和協調各子系統的文件如任務書、協調卡、性能結構參數等，這些文件對不同的子系統只授予與各自相關記錄的操作權限。

(4)設置表字段的寫權限，總體用來協調各子系統的文件，要求不同的子系統對這些文件只授予與各自相關的字段的寫入權，如任務書、協調卡需要簽字的字段。

除此之外，還應考慮由于各種設備的故障或操作失誤而遭受的破壞、優(yōu)化查詢等。

5．工程數據字典的維護

工程數據庫在運行過程中，數據庫的狀態(tài)和結構是在動態(tài)變化的。工程設計應用程序在使用工程數據庫期間，經常會對數據庫概念模式進行動態(tài)修改和擴展。在工程設計中，工程數據庫中的設計數據也是逐步完成的，因而在使用過程中，數據庫模式也在相應地改變，直至設計完成，一個“完整的”數據庫才建造起來。所以，對工程數據的數據字典也必須經常進行維護，以便完成模式演變的情況。它主要完成整個工程數據庫系統中數據庫的定義及分布情況，如全局表對應的局部表名和局部表存儲信息。

工程數據庫的特殊性體現在其數據模型及系統功能等方面，如存儲管理、事務管理、版本管理、查詢處理等。與傳統的商業(yè)數據庫相比，工程數據庫的主要特點如下。

(1)數據類型復雜。例如，一個零件可能由成千上萬種不同類型的數據構成，如果用關系模型的表來描述，就需要成千上萬張彼此聯系的表，這在性能和一致性維護上都非常困難。

(2)事務的持續(xù)時間長。工程領域的事務描述一個設計過程，持續(xù)的時問非常長(數小時到幾個月)，對恢復和并發(fā)控制提出挑戰(zhàn)。

(3)版本管理。設計是一種探索性的勞動，需要不斷地嘗試，提出多種方案。因而，版本管理是工程數據庫中一個不可或缺的功能。

因此，除了數據庫的一般功能外，工程數據庫必須要解決復雜工程數據的表達和處理、大量工程數據的訪問效率、數據庫與應用程序的無縫接口等問題，要求工程數據庫必須具有強大的建模能力，高效的存取機制，良好的事務處理功能、版本管理功能，模式進化功能、靈活的查詢功能、網絡和分布式功能等。

由于工程數據的復雜性和管理的特殊要求，目前還沒有很合適的數據模型來描述。實際中的做法是將傳統的數據模型加以擴充以適應工程數據的需要，歸納起來主要有擴充的關系模型、擴充的網狀模型、語義模型、混合模型。面向對象數據模型比較適合復雜數據的表達與處理，工程數據庫的需求是面向對象數據庫系統的研究動因之一。

工程數據庫的功能可歸納如下：

·支持多種工程應用程序。工程數據庫是CAD/CAM集成系統的核心，可支持多種工稻應用程序，并且提供一種繼續(xù)開發(fā)新應用程序的環(huán)境。

·支持動態(tài)模式修改和擴充。由于工程設計過程的基本特點是產生新的數據。為了發(fā)席設計，動態(tài)地修改和擴充數據庫模式的能力是十分重要的。這種修改、擴充模式的能力，應在設計過程中動態(tài)實現，而不要求數據庫模式的再編譯和數據的重新輸入。

·支持工程設計的反復迭代特點。要求工程數據庫適應工程設計的試探、反復和發(fā)展的特點。但值得注意的是，支持工程設計過程的反復、迭代特點，就要求工程數據庫承認和管理暫時不一致的數據庫狀態(tài)。

·具有自動維護數據一致性的能力。

查詢功能要求處理能力強、效率高。在工程數據庫中，為適應實際需要，存在兩種對數據庫進行查詢的方式。

一種是聯想查詢，也就是關系數據庫所采用的查詢方式。即根據用戶提供的條件，在數據庫的當前環(huán)境中查詢檢索符合條件所有對象。

另一種是導航式查詢。由于工程數據庫具有數據量大且數據問關系復雜的特點，而聯想查詢不僅速度很慢，而且對復雜的對象往往很難構成合適的查詢條件。因此，除了聯想查詢外，在工程數據庫中還提供導航式查詢。它主要針對復合對象的查詢。

利用復合對象中對象的層次構成查詢路徑。查詢的路徑可以是很復雜的。查詢過程猶如領航員導航一樣。

實際的工程數據庫查詢處理是兩者在給定應用條件下的合理折衷。

數據庫設計有兩種基本方法：第一種方法是首先產生全局模式，然后由其導出局部視圖；第二種方法是獲取不同用戶的局部視圖，然后將其綜合以形成全局視圖。并行設計等先進現代設計方法對工程數據庫提出了集成化、智能化、標準化和網絡化的發(fā)展要求。在組織若干工程應用的數據時，數據庫網絡的概念變得日益重要。所以，工程數據庫如果不符合集成化和標準化的“一體化”規(guī)范要求，就會成為CAD/CAM集成的障礙。目前，工程數據庫技術的發(fā)展呈現出數據庫技術與多種技術和應用相結合的特點，其源動力有兩種：一種是基于方法論和計算機處理能力的發(fā)展；另一種是與多種技術的結合。前者有面向對象數據庫(OODB)、分布式數據庫(DDB)和多媒體數據庫(MDB)；后者有實例數據庫、知識庫、模糊數據庫等。

總之，智能CAD和設計自動化的向前發(fā)展，必將把知識庫(設計規(guī)則、設計方法、設計經驗等)引入cAD，這就可以使計算機在cAD系統中發(fā)揮更有意義的“專家顧問”作用，而不再是被動的“技術助手”作用。

本書全面系統地論述了工程數據庫系統的理論和技術，其內容分為三大部分：第一部分介紹了與工程數據庫有關的基礎知識，包括工程數據庫發(fā)展史、計算機輔助設計和計算機輔助制造基礎，詳盡論述了工程數據庫與商用數據庫的特點分析，充分展示了工程數據庫的客觀需求等等；第二部分為工程數據庫概論，分別對幾何元素在數據庫中的模式表示、工程數據庫的特性、工程數據庫的各種數據模型、工程數據庫語言、工程數據庫管理系統、工程數據庫的物理組織方法、工程數據庫體系結構、長事務和版本管理、工程數據的完整性安全性檢查等項具體實現技術都作了較詳細的論述．與此同時，還對在集成工程系統中如何嵌入工程數據庫的方法，以及復雜系統通用的設計分析方法(IDEF和IDEF)作了詳細的介紹；最后一部分介紹了具有特色的一些工程數據庫系統，如工程專家數據庫系統、地理數據庫以及6個典型的工程數據庫管理系統。因為工程數據庫涉及到多種學科，本書結合應用對關鍵技術給出了一些解決方法。 本書可作為數據庫研究人員的研究參考書，也可作為研究生和本專業(yè)高年級大學生的教材。

商品化的數據庫系統主要是為了滿足事務管理的要求，其數據庫技術比較成熟，一般稱為商用數據庫系統，如Oracle等。在CAD/CAM系統中，人們希望能夠利用數據庫技術有效地管理工程應用中所涉及的圖形、圖像、聲音等形式更加自然的信息，這時現行商用數據庫系統難以適應的，因此，人們提出了工程數據庫的概念。

所謂的工程數據庫，是指能滿足人們在工程活動中對數據處理要求的數據庫。理想的CAD/CAM系統，應該在操作系統支持下，以圖形功能為基礎、以工程數據庫為核心的集成系統，從產品設計、工程分析直到制造過程中所產生的全部數據都應維護在同一個工程數據庫環(huán)境中。

工程數據處理特點

（1）工程數據的類型和數據結構十分豐富，其相互關聯也十分復雜；

（2）工程數據庫的數據不但要經常修改，其模式也可能經常修改，常常是用戶而不是數據管理員來修改模式，而且常常是動態(tài)修改；

（3）一個工程設計通常要持續(xù)很長時間，這期間不一致的數據也要存于數據庫中；

（4）一個設計存在著多個版本，不同的版本既有區(qū)別又有聯系；

（5）工程數據庫不但要存儲普通數據，還要存儲圖形、約束甚至程序。

（6）同一幾何形體具有多種表示方法，不同方法有不同的用途。

工程數據處理主要功能

（1）支持復雜多樣工程數據的存儲和集成管理；

（2）支持復雜對象（例如圖形數據庫）的表示和處理；

（3）支持變長結構數據實體的處理；

（4）支持多種工程應用程序；

（5）支持模式的動態(tài)模式修改和擴展；

（6）支持設計過程中多個不同數據庫版本的存儲和管理；

（7）支持工程長事務和嵌套事物的處理和恢復等。