工程數(shù)據(jù)庫發(fā)展

工程領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)組織的要求并非現(xiàn)在才有，早在計(jì)算機(jī)時(shí)代之前，工程師已經(jīng)系統(tǒng)地使用組表(settables)、圖表(picturetables)和工程圖來描述整個(gè)系統(tǒng)的流程和結(jié)構(gòu)。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(jìn)行交流。工程制圖中，信息意義的理解僅僅依賴于人的知識(shí)及認(rèn)知能力。工程圖表并不是工廠的最終產(chǎn)品，但當(dāng)需要時(shí)，應(yīng)當(dāng)是一種輸出形式。這些都涵蓋著工程數(shù)據(jù)庫的雛型。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了對(duì)大量數(shù)據(jù)管理兩個(gè)方面的迫切需求：一方面是工程用的計(jì)算機(jī)程序；另一方面是CAD在大型系統(tǒng)中的應(yīng)用。這些都給數(shù)據(jù)組織帶來了加倍的困境，即使在計(jì)算機(jī)程序環(huán)境中，情況也無兩樣。隨著工程用計(jì)算機(jī)程序能夠逐步處理復(fù)雜問題，在磁盤上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)就越來越普遍。但數(shù)據(jù)的復(fù)雜性使之在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式上太繁瑣，從而幾乎不可能做到對(duì)數(shù)據(jù)的有效、方便使用。一個(gè)簡(jiǎn)單的衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)需用軟盤40片至50片，如管理不科學(xué)，則更容易給數(shù)據(jù)組織造成混亂。特別在修改某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，你無法確切地知道數(shù)據(jù)修改會(huì)影響到哪些數(shù)據(jù)組織的變化和要做哪些相應(yīng)的修改。

自從1970年E．F．Codd研究員發(fā)表了“大型共享數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的關(guān)系模型”等一系列數(shù)據(jù)庫論文以來，奠定了關(guān)系型的理論基礎(chǔ)，開創(chuàng)了數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論的新紀(jì)元，標(biāo)志著常規(guī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)已進(jìn)入成熟。這些研究與發(fā)展無疑對(duì)工程領(lǐng)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(guó)際工程軟件會(huì)議上，詳細(xì)討論了工程數(shù)據(jù)庫在集成工程設(shè)計(jì)中的顯著作用、工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(EDBMS)的特點(diǎn)、工程數(shù)據(jù)庫管理的類型以及它們的術(shù)語。這些討論加速了工程領(lǐng)域中對(duì)現(xiàn)行的3種模型如何應(yīng)用到未來的CAD系統(tǒng)中的研究。對(duì)圖形數(shù)據(jù)關(guān)系組織、關(guān)系信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)于CAD和交互數(shù)據(jù)處理的一些方面提出了類型(type)、對(duì)象(object)與關(guān)系(relation)和函數(shù)概念的一個(gè)CAD數(shù)據(jù)模型。

一.工程數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須解決的一個(gè)重要問題，它將保證多個(gè)用戶同時(shí)運(yùn)行一個(gè)數(shù)據(jù)庫時(shí)的正確性。一般在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中用戶都是以事務(wù)的方式來運(yùn)行數(shù)據(jù)庫的，而事務(wù)是由若干數(shù)據(jù)庫語句組成的序列，它們順序地被執(zhí)行，逐步將數(shù)據(jù)庫的一個(gè)狀態(tài)變換到另一個(gè)狀態(tài)，保持?jǐn)?shù)據(jù)庫的一致性。但是，在多個(gè)用戶同時(shí)運(yùn)行各自的事務(wù)時(shí)，為了提高運(yùn)行效率，并非簡(jiǎn)單地由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一來排列一個(gè)事務(wù)的運(yùn)行次序，等一個(gè)事務(wù)完全執(zhí)行完畢之后，再啟動(dòng)另一個(gè)事務(wù)的執(zhí)行，而是讓各事務(wù)中的語句交錯(cuò)地執(zhí)行。因?yàn)槭嵌鄠€(gè)事務(wù)同時(shí)執(zhí)行，那么這些事務(wù)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(shè)計(jì)者的意圖就必須確定一種判斷各事務(wù)的語句的交錯(cuò)執(zhí)行是否正確的“一致性控制要求準(zhǔn)則”。如果各事務(wù)中的語句交錯(cuò)執(zhí)行的效果，能與將事務(wù)一個(gè)接一個(gè)地串行執(zhí)行的效果一樣，則稱這種交錯(cuò)執(zhí)行是一種可串行化的事務(wù)執(zhí)行。并發(fā)控制的目的是獲得一種可串行化的事務(wù)執(zhí)行。

2．長(zhǎng)事務(wù)處理

工程數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)的商用數(shù)據(jù)庫有著本質(zhì)的不同。工程數(shù)據(jù)庫處理事務(wù)不可能在幾秒鐘內(nèi)能完成，它經(jīng)常進(jìn)行的是長(zhǎng)事務(wù)。例如在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的設(shè)計(jì)過程可能持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)——幾分鐘、幾小時(shí)、甚至幾天才能完成。因此要求工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供長(zhǎng)事務(wù)的功能．妥善解決與長(zhǎng)事務(wù)有關(guān)的并發(fā)、共享和完整性約束等問題。

3．版本管理

工程設(shè)計(jì)過程具有以下特點(diǎn)：①一個(gè)設(shè)計(jì)過程是一個(gè)反復(fù)試探的過程，往往對(duì)于工程實(shí)體的設(shè)計(jì)采用多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)比較優(yōu)化；②一個(gè)工程實(shí)體是分階段進(jìn)行設(shè)計(jì)的，各個(gè)階段性結(jié)果都是有價(jià)值的；③對(duì)于大部分新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，往往只是對(duì)原產(chǎn)品的某些部分進(jìn)行改進(jìn)，特別是對(duì)某一型號(hào)的產(chǎn)品的模型設(shè)計(jì)更是如此。因此，各產(chǎn)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(gè)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中，由于性能描述方法的不同，設(shè)計(jì)方案的差異，以及性能要求的差別，在設(shè)計(jì)的各個(gè)不同階段會(huì)形成不同設(shè)計(jì)版本。版本管理的技術(shù)就是要解決新版本的生成；統(tǒng)一協(xié)調(diào)地管理各個(gè)版本；有效地記錄各個(gè)版本的演變歷史等問題。

4．安全性控制

對(duì)于工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來說，安全性的控制是十分重要的?？梢愿鶕?jù)各子系統(tǒng)的不同安全級(jí)要求，實(shí)現(xiàn)不同程度的安全控制。主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)設(shè)置用戶名和口令以檢查用戶的身份是保證數(shù)據(jù)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(shè)置表操作權(quán)限，不同用戶對(duì)同一表可有不同授權(quán)，如讀、寫、刪除。

(3)設(shè)置表記錄操作權(quán)限，總體用來指揮和協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的文件如任務(wù)書、協(xié)調(diào)卡、性能結(jié)構(gòu)參數(shù)等，這些文件對(duì)不同的子系統(tǒng)只授予與各自相關(guān)記錄的操作權(quán)限。

(4)設(shè)置表字段的寫權(quán)限，總體用來協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的文件，要求不同的子系統(tǒng)對(duì)這些文件只授予與各自相關(guān)的字段的寫入權(quán)，如任務(wù)書、協(xié)調(diào)卡需要簽字的字段。

除此之外，還應(yīng)考慮由于各種設(shè)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(shù)據(jù)字典的維護(hù)

工程數(shù)據(jù)庫在運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)是在動(dòng)態(tài)變化的。工程設(shè)計(jì)應(yīng)用程序在使用工程數(shù)據(jù)庫期間，經(jīng)常會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫概念模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改和擴(kuò)展。在工程設(shè)計(jì)中，工程數(shù)據(jù)庫中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)也是逐步完成的，因而在使用過程中，數(shù)據(jù)庫模式也在相應(yīng)地改變，直至設(shè)計(jì)完成，一個(gè)“完整的”數(shù)據(jù)庫才建造起來。所以，對(duì)工程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)字典也必須經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)，以便完成模式演變的情況。它主要完成整個(gè)工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的定義及分布情況，如全局表對(duì)應(yīng)的局部表名和局部表存儲(chǔ)信息。

工程數(shù)據(jù)庫的特殊性體現(xiàn)在其數(shù)據(jù)模型及系統(tǒng)功能等方面，如存儲(chǔ)管理、事務(wù)管理、版本管理、查詢處理等。與傳統(tǒng)的商業(yè)數(shù)據(jù)庫相比，工程數(shù)據(jù)庫的主要特點(diǎn)如下。

(1)數(shù)據(jù)類型復(fù)雜。例如，一個(gè)零件可能由成千上萬種不同類型的數(shù)據(jù)構(gòu)成，如果用關(guān)系模型的表來描述，就需要成千上萬張彼此聯(lián)系的表，這在性能和一致性維護(hù)上都非常困難。

(2)事務(wù)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。工程領(lǐng)域的事務(wù)描述一個(gè)設(shè)計(jì)過程，持續(xù)的時(shí)問非常長(zhǎng)(數(shù)小時(shí)到幾個(gè)月)，對(duì)恢復(fù)和并發(fā)控制提出挑戰(zhàn)。

(3)版本管理。設(shè)計(jì)是一種探索性的勞動(dòng)，需要不斷地嘗試，提出多種方案。因而，版本管理是工程數(shù)據(jù)庫中一個(gè)不可或缺的功能。

因此，除了數(shù)據(jù)庫的一般功能外，工程數(shù)據(jù)庫必須要解決復(fù)雜工程數(shù)據(jù)的表達(dá)和處理、大量工程數(shù)據(jù)的訪問效率、數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用程序的無縫接口等問題，要求工程數(shù)據(jù)庫必須具有強(qiáng)大的建模能力，高效的存取機(jī)制，良好的事務(wù)處理功能、版本管理功能，模式進(jìn)化功能、靈活的查詢功能、網(wǎng)絡(luò)和分布式功能等。

由于工程數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和管理的特殊要求，目前還沒有很合適的數(shù)據(jù)模型來描述。實(shí)際中的做法是將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型加以擴(kuò)充以適應(yīng)工程數(shù)據(jù)的需要，歸納起來主要有擴(kuò)充的關(guān)系模型、擴(kuò)充的網(wǎng)狀模型、語義模型、混合模型。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型比較適合復(fù)雜數(shù)據(jù)的表達(dá)與處理，工程數(shù)據(jù)庫的需求是面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究動(dòng)因之一。

工程數(shù)據(jù)庫的功能可歸納如下：

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

·支持動(dòng)態(tài)模式修改和擴(kuò)充。由于工程設(shè)計(jì)過程的基本特點(diǎn)是產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。為了發(fā)席設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)地修改和擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫模式的能力是十分重要的。這種修改、擴(kuò)充模式的能力，應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)，而不要求數(shù)據(jù)庫模式的再編譯和數(shù)據(jù)的重新輸入。

·支持工程設(shè)計(jì)的反復(fù)迭代特點(diǎn)。要求工程數(shù)據(jù)庫適應(yīng)工程設(shè)計(jì)的試探、反復(fù)和發(fā)展的特點(diǎn)。但值得注意的是，支持工程設(shè)計(jì)過程的反復(fù)、迭代特點(diǎn)，就要求工程數(shù)據(jù)庫承認(rèn)和管理暫時(shí)不一致的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)。

·具有自動(dòng)維護(hù)數(shù)據(jù)一致性的能力。

查詢功能要求處理能力強(qiáng)、效率高。在工程數(shù)據(jù)庫中，為適應(yīng)實(shí)際需要，存在兩種對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢的方式。

一種是聯(lián)想查詢，也就是關(guān)系數(shù)據(jù)庫所采用的查詢方式。即根據(jù)用戶提供的條件，在數(shù)據(jù)庫的當(dāng)前環(huán)境中查詢檢索符合條件所有對(duì)象。

另一種是導(dǎo)航式查詢。由于工程數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)量大且數(shù)據(jù)問關(guān)系復(fù)雜的特點(diǎn)，而聯(lián)想查詢不僅速度很慢，而且對(duì)復(fù)雜的對(duì)象往往很難構(gòu)成合適的查詢條件。因此，除了聯(lián)想查詢外，在工程數(shù)據(jù)庫中還提供導(dǎo)航式查詢。它主要針對(duì)復(fù)合對(duì)象的查詢。

利用復(fù)合對(duì)象中對(duì)象的層次構(gòu)成查詢路徑。查詢的路徑可以是很復(fù)雜的。查詢過程猶如領(lǐng)航員導(dǎo)航一樣。

實(shí)際的工程數(shù)據(jù)庫查詢處理是兩者在給定應(yīng)用條件下的合理折衷。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)有兩種基本方法：第一種方法是首先產(chǎn)生全局模式，然后由其導(dǎo)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(shè)計(jì)等先進(jìn)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)工程數(shù)據(jù)庫提出了集成化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展要求。在組織若干工程應(yīng)用的數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)的概念變得日益重要。所以，工程數(shù)據(jù)庫如果不符合集成化和標(biāo)準(zhǔn)化的“一體化”規(guī)范要求，就會(huì)成為CAD/CAM集成的障礙。目前，工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)庫技術(shù)與多種技術(shù)和應(yīng)用相結(jié)合的特點(diǎn)，其源動(dòng)力有兩種：一種是基于方法論和計(jì)算機(jī)處理能力的發(fā)展；另一種是與多種技術(shù)的結(jié)合。前者有面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(OODB)、分布式數(shù)據(jù)庫(DDB)和多媒體數(shù)據(jù)庫(MDB)；后者有實(shí)例數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、模糊數(shù)據(jù)庫等。

總之，智能CAD和設(shè)計(jì)自動(dòng)化的向前發(fā)展，必將把知識(shí)庫(設(shè)計(jì)規(guī)則、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等)引入cAD，這就可以使計(jì)算機(jī)在cAD系統(tǒng)中發(fā)揮更有意義的“專家顧問”作用，而不再是被動(dòng)的“技術(shù)助手”作用。

本書全面系統(tǒng)地論述了工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的理論和技術(shù)，其內(nèi)容分為三大部分：第一部分介紹了與工程數(shù)據(jù)庫有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括工程數(shù)據(jù)庫發(fā)展史、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造基礎(chǔ)，詳盡論述了工程數(shù)據(jù)庫與商用數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)分析，充分展示了工程數(shù)據(jù)庫的客觀需求等等；第二部分為工程數(shù)據(jù)庫概論，分別對(duì)幾何元素在數(shù)據(jù)庫中的模式表示、工程數(shù)據(jù)庫的特性、工程數(shù)據(jù)庫的各種數(shù)據(jù)模型、工程數(shù)據(jù)庫語言、工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、工程數(shù)據(jù)庫的物理組織方法、工程數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)事務(wù)和版本管理、工程數(shù)據(jù)的完整性安全性檢查等項(xiàng)具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)都作了較詳細(xì)的論述．與此同時(shí)，還對(duì)在集成工程系統(tǒng)中如何嵌入工程數(shù)據(jù)庫的方法，以及復(fù)雜系統(tǒng)通用的設(shè)計(jì)分析方法(IDEF和IDEF)作了詳細(xì)的介紹；最后一部分介紹了具有特色的一些工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如工程專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)庫以及6個(gè)典型的工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。因?yàn)楣こ虜?shù)據(jù)庫涉及到多種學(xué)科，本書結(jié)合應(yīng)用對(duì)關(guān)鍵技術(shù)給出了一些解決方法。 本書可作為數(shù)據(jù)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(jí)大學(xué)生的教材。

商品化的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要是為了滿足事務(wù)管理的要求，其數(shù)據(jù)庫技術(shù)比較成熟，一般稱為商用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如Oracle等。在CAD/CAM系統(tǒng)中，人們希望能夠利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)有效地管理工程應(yīng)用中所涉及的圖形、圖像、聲音等形式更加自然的信息，這時(shí)現(xiàn)行商用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)難以適應(yīng)的，因此，人們提出了工程數(shù)據(jù)庫的概念。

所謂的工程數(shù)據(jù)庫，是指能滿足人們?cè)诠こ袒顒?dòng)中對(duì)數(shù)據(jù)處理要求的數(shù)據(jù)庫。理想的CAD/CAM系統(tǒng)，應(yīng)該在操作系統(tǒng)支持下，以圖形功能為基礎(chǔ)、以工程數(shù)據(jù)庫為核心的集成系統(tǒng)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析直到制造過程中所產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)都應(yīng)維護(hù)在同一個(gè)工程數(shù)據(jù)庫環(huán)境中。

工程數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)

（1）工程數(shù)據(jù)的類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)十分豐富，其相互關(guān)聯(lián)也十分復(fù)雜；

（2）工程數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)不但要經(jīng)常修改，其模式也可能經(jīng)常修改，常常是用戶而不是數(shù)據(jù)管理員來修改模式，而且常常是動(dòng)態(tài)修改；

（3）一個(gè)工程設(shè)計(jì)通常要持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，這期間不一致的數(shù)據(jù)也要存于數(shù)據(jù)庫中；

（4）一個(gè)設(shè)計(jì)存在著多個(gè)版本，不同的版本既有區(qū)別又有聯(lián)系；

（5）工程數(shù)據(jù)庫不但要存儲(chǔ)普通數(shù)據(jù)，還要存儲(chǔ)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(shù)據(jù)處理主要功能

（1）支持復(fù)雜多樣工程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和集成管理；

（2）支持復(fù)雜對(duì)象（例如圖形數(shù)據(jù)庫）的表示和處理；

（3）支持變長(zhǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)體的處理；

（4）支持多種工程應(yīng)用程序；

（5）支持模式的動(dòng)態(tài)模式修改和擴(kuò)展；

（6）支持設(shè)計(jì)過程中多個(gè)不同數(shù)據(jù)庫版本的存儲(chǔ)和管理；

（7）支持工程長(zhǎng)事務(wù)和嵌套事物的處理和恢復(fù)等。