（机械制造及其自动化专业论文）机械设计工程数据管理技术的研究与应用.pdf

ii 内 容 摘 要 机械设计工程数据是整个机械产品设计过程中的基础与核心数据， 这些工程数据 具有类型多样、关系结构复杂、模式动态修改、数据量大等特点,采用数据库技术虽 然可以有效地改善数据管理质量，减少数据冗余，提高数据共享，但由于传统的数据 模型无法完全满足实际工程数据存储和管理的需要。为了适应实际应用的需要，人们 提出了多种数据模型以满足不同领域的需求， 这些数据模型或对传统的关系模型进行 扩充，或采用面向对象以及其它各类专用的数据模型，在工程应用中显示出了强大的 生命力。本文主要围绕以下三个方面的内容展开： 首先，探讨了建立一个基于 web 和面向对象关系数据库的机械 cad/cae 数据 管理系统的理论基础和实现技术。在此基础上，提出了采用具有层次特征的面向对象 关系数据库来存储管理机械设计与分析数据， 构造了基于对象数据库的机械工程数据 模型，从而为整个系统的开发奠定了基础。 其次，在分析比较了 odbc、jdbc、cgi、asp、php、jsp、asp.net 等 web 数据库访问技术特点的基础上，利用.net 平台的先进性以及 ado.net 数据库访问 模型，采用了一种在.net 平台下高效的 web 数据库集成与实现模式，即 iis 6.0 + asp.net 2.0 + ado.net + oracle 10g 模式。 最后，运用 asp.net 技术、ado.net 数据库访问模型、oracle 10g 面向对象数 据库、c#编程语言，建立了一个使用可靠、操作简单、运行效率高、易于维护的面 向机械 cad/cae 工程数据的 web 数据库应用系统。 关键词：机械设计 工程数据 数据模型 面向对象数据库 关键词：机械设计 工程数据 数据模型 面向对象数据库 .net 架构 架构 iii abstract mechanical design engineering datas are the basic and kerneled datas in the whole mechanical product design process，these datas have diversity of data type，complexity of data relation and structure，dynamics of model modifiability，large data size etc，it may improve quality of data management efficiently，reduce data redundancy，strength data sharing，but the database based on the traditional data models are not meeting the storage and management of engineer data completely. in order to for the needs of factual application，people bring out many new dodels applied in different fields. these models can be extended relational model，object oriented model and other special data models. these models show high ability of data modeling on complicated data in engineering application area. in the paper，it mainly includes the following three aspect: first，in the paper the theories and realizing technologies to build an engineering data management system based on web and object-oriented database suitable for the mechanical cad/cae field are discussed in detail.allowing for these，constructed the object data model， managed the mechanical engineer data by object-oriented database. the theoretical foundation of total system has been constructed. afterwards，by a comparison of the different web integrated technologies，such as cgi，api，odbc，jdbc，php，asp，jsp and asp.net，a novel and efficient model is adopted for integration and realization of web database. the model can be expressed as iis 6.0 + asp.net 2.0 + ado.net + oracle 10g by applying the benefits of the .net platform and the ado.net data access technique. finally， a web database is developed for mechanical engineering cad/cae data on a basis of synthetically application of the asp.net，ado.net and oracle 10g，and c# language with characters of reliability and efficient in service and easy to be controlled and maintained. key words：mechanical design engineering data data model object-oriented database .net framework i 三峡大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明 确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期： 1 引 言 由于目前各种计算机辅助设计软件（如 pro/e 、ug 等）和计算机辅助工程分析 软件（如 ansys、ansysworkbech、adams、recurdyn 等)都有自己的数据格式， 相互之间难以实现数据共享。为了解决不同 cad、cae 系统间的数据交换和共享问 题，国际标准化组织（iso）制定了产品模型数据交换标准（step） ，作为数据交换 和共享的国际标准。在 step 标准中提出了几种产品数据共享实现的方法，并认为其 中基于数据库和知识库的数据集成方法是实现数据共享的理想方法。但是在 cad/cae 工程应用领域，由于工程设计的复杂性和工程数据所具有的独特性，使得 传统的数据库技术在实际工程应用中时常力不从心。尤其近些年来随着 cad/cae/cam 集成化以及计算机集成制造系统 cims 技术的发展，使得建立于传 统数据模型上的工程数据库管理系统在处理工程数据时暴露出严重不足， 建立新的数 据模型并在其基础上开发出适合工程数据处理需要的工程数据库管理系统 （edbms） ，已成为目前一个亟待解决的课题。 工程数据由于其具有类型多样，结构复杂，模型动态修改频繁，联系密切和数据 量庞大等特点，这就对现有数据库提出了一些特殊的要求，不仅要求其能够存储管理 相关的文本数据，如产品和零件的材质、公差和粗糙度等信息，还要能够存储管理相 关的图形、图像数据，如产品和零部件的二维及三维图形，以及结构和分析信息。传 统的数据模型难以完全满足工程数据描述和存储管理的需要， 为了适应实际应用的需 要，人们提出了多种数据模型以适应不同领域的需求。这些数据模型或对传统的关系 模型进行扩展，或采用面向对象模型以及其它各类专用的数据模型，在工程应用领域 中显示出强大的生命力。 由于机械产品数据的结构具有明显的树状层次结构， 因此扩展现有的关系数据模 型，使其具有面向对象的特点，即建立具有层次特征的对象关系模型，开发出基于 web 和面向对象工程数据库的机械 cad/cae 数据管理系统，可以较好地满足对机 械工程数据的存储管理要求。 2 1 绪论 1.1 工程数据库管理系统的产生与发展 1.1.1 cad/cae/cam 集成概述 一般的 cad/cae/cam 集成是指把 cad、cae、capp、cafd、cam 等各种 功能软件有机地结合在一起， 用统一的执行程序来控制和组织各种功能软件信息的提 取、转换和共享，从而达到系统内信息的畅通和系统协调运行的目的 12。 cad/cae/cam系统集成有信息集成、 过程集成、 功能集成， 目前的cad/cae/cam 系统大多数都停留在信息集成的基础上。 cad/cae/cam 系统集成的关键是信息的交换和共享。根据信息交换方式和共 享程度的不同，cad/cae/cam 系统的集成方案主要有以下四种： 1）通过专用数据接口实现集成 这是一种初级的文件传输的集成方式。利用这种方式实现集成时，各子系统都是 在各自独立的数据模式下工作的，当某两个子系统之间需要数据共享时，需要设计专 用的接口文件将对方的数据格式转换成自身系统的数据格式，方可利用，反之亦然。 这种集成方式原理简单，运行效率较高，但开发的专用数据接口无通用性，不同的 cad、cae、capp、cafd、cam 等系统要开发不同的接口，且当其中一个数据结 构发生变化时，与之相关的所有接口程序都要进行相关的修改。 2）利用标准格式接口文件实现集成 这种集成方式的思路是建立一个与各子系统无关的公共接口文件， 当某一系统数 据结构发生变化时只需修改此系统的前、后置处理程序即可。这种集成的关键是建立 公共的标准格式文件，目前世界上已研制出多个公共标准格式，其中典型的有 iges、 step 等。这种集成方式实现简单，但数据冗余度大，数据独立性差，难于扩充，且 各子系统都需要开发额外的前后处理器。 3）基于统一产品模型和数据库的集成 这是一种将 cad、cae、capp、cafd、cam 等作为一个整体来规划和开发， 从而在企业或是部门内部实现系统纵向高度集成和信息共享的方案。其中，集成产品 模型是实现集成的核心，统一工程数据库是实现集成的基础。各个功能模块通过公共 数据库及统一的数据库管理系统实现数据的交换和共享， 从而避免了数据文件格式的 转换，消除了数据冗余，保证了数据一致性、安全性和可靠性。这是实现系统集成的 一种理想的集成方式。图 1-1 为 cad/cae/cam 集成框架，反映了集成产品模型和 统一工程数据库系统在 cad/cae/cam 集成中的作用。 3 图 1-1 基于统一产品模型和数据库集成的框架 图 1-1 基于统一产品模型和数据库集成的框架 4）基于知识库的集成 应用系统通过知识库管理系统向知识库存取数据， 这是一种更高层次上的系统集 成，实现起来难度很多，而且目前大多数企业也无力承受。 1.1.2 cad/cae 工程数据的特点及其对数据库功能的要求 （1）cad/cae 工程数据的特点 在 cad/cae 集成过程中要利用和生成大量的工程设计和分析数据。 其中， 一部 分是各种数据规范和标准以及产品的技术指标参数， 这些数据是设计过程中选用的静 态数据；另一部分是设计过程中生成的数据，如产品的结构分析、性能分析、图形、 尺寸公差、技术要求、材料热处理等数据，这些数据具有高度的动态性。与一般的商 用数据相比，cad/cae 工程数据有着与其显著不同的特点，具体表现如下： 1）数据结构复杂 机械产品设计中的数据不仅包括结构化数据，还包括图形、 长文本、表格、线图、视频等非结构化数据，而且在设计过程中数量不断增大，类型 不断增多，以及需要不断修改和补充。 2）数据联系复杂 在数据元素之间存在复杂的联系，其中一对多，多对多的联 系比较普遍。这种密切的联系，构成复杂的网状结构，从而使数据模型十分复杂。 3）数据的一致性 工程数据中存在着从产品的初始模型推导出的二次数据，一 旦初始模型被修改，导出数据也就失效，需要重新计算，用新的数据取代失效数据， 以保持数据库中数据的一致性。 4）模式的动态修改 工程设计过程中设计人员建立的几何模型、特征模型的结 构会时常修改，要求工程数据库模式能支持这种动态修改，能进行动态数据的定义、 4 删除和恢复等。 5）数据的使用和管理复杂 由于工程数据类型多样，结构复杂，数据之间语义 联系丰富，数据的使用和管理自然呈现多样化，数据的查找、调用、存储和组织的具 体实现都会随数据类型的不同而不同。 （2）cad/cae 工程数据对数据库功能的要求 由于上述 cad/cae 工程数据的特点，对 cad/cae 工程领域的工程数据库提 出了如下要求： 1）能描述和处理复杂的数据类型 由于工程数据结构复杂，语义关系丰富，因 此 edbms 不仅要能够支持用户定义的复杂数据类型，而且还要能够支持多对多关 系、递归关系等复杂的数据结构的描述。 2）能动态处理模式变化的能力 由于设计过程和工艺规划过程中产生的数据是 不断变化的，要求 edmbs 能够支持动态描述数据的能力，使用户既能修改数据库中 的值，又能修改数据的结构模式。 3）版本控制管理 整个设计是一个设计分析再设计的反复过程。设计 者经常要对设计过程进行回溯，并重新进行新一轮的设计。版本管理应该记录设计过 程的历史数据，使设计回溯到一个合理的阶段，不致使整个设计推翻重来。同时设计 对象的版本管理应能够提供多个设计者并行更新同一设计对象的机制。 4）支持工程设计事物 工程设计事物是长达以小时、天或周计的长事物。长时 间封锁某一设计对象，将会严重影响设计的并行性。在 edbms 中必须解决工程长事 物中对设计对象的封锁、恢复和共享问题。 5）权限控制 工程设计是一个众多设计者共同参与的过程，为了安全起见，访 问设计对象、数据库资源时，对各类设计人员给予了一定的权限范围，可以控制一些 非法用户访问或修改数据库。 1.1.3 现有工程数据库管理系统的不足 工程数据库管理系统的研究和开发工作始于 70 年代末。在发展的开始阶段，一 般仍然采用传统的数据模型，主要是以网状和关系模型为主，同时在用户界面和数据 结构的扩充等方面具有一定的工程应用特点， 这样的系统如挪威工业中心研究所研制 的 tornado 系统和德国 phlips 研究实验室 phidas 系统，它们采用的都是网状 模型，印度科学院自动化学院研制的 arodib 系统采用的是关系模型。另一个方面 是对传统的数据模型进行改进和混合，使它适合工程应用环境，如美国波音公司在 emis 计划中研制 ipip 系统采用的是关系和网状混合数据模型。 虽然这些系统解决了 一些工程数据处理中的问题，但随着应用的进一步扩大，在使用过程中暴露出了以下 的局限性： 5 1）这些 edbms 虽然扩展了对不定长记录的处理能力，但仍只支持有限的简单 数据类型，对于工程领域广泛应用的复杂数据类型，如向量、矩阵、集合、有序集、 时间序列、几何图形、复杂的数学公式和过程等，仍然缺乏有效的支持，而且现有 edbms 大都还不支持用户自定义数据类型。 2）不能有效地描述复杂的数据对象及其之间复杂的关系。这些数据库系统的数 据模型在描述嵌套实体，如设计对象、工程对象以及复杂文档时显得过于简单，而且 也没有提供相应的机制去表达和管理这些实体。 如在工程应用中的产品结构数据是具 有层次结构的复杂数据，一个产品由部件和零件组成，而部件进一步由更小的部件和 零件组成。在数据库操作中应把整个部件数据作为存储操作单位。而在这些 edbms 中，这个负担转嫁给了用户的应用程序。 3）数据模型不含若干常用的语义概念，如像概括和聚集关系。这意味着应用程 序设计者必须在其程序中显式地表示和管理这些关系。 4）缺乏动态模式修改的能力。这些数据库的模式是由数据库管理员（dba）定 义的，模式一旦定义就很难修改，用户的责任只是向数据库中输入数据或从数据库中 检索信息而不涉及数据库的结构。在工程应用中定义数据库模式是用户的责任。随着 设计的发展，数据库的模式不断改变，应能不断地增加新的属性。 5）仅实施简单的约束。在现行 edbms 仅实现了数据类型、值范围等简单的约 束，用户不能定义自己需要的约束条件。在工程应用中需要实现更多的约束，如产品 的标准，设计的规则等。因此需要提供用户定义并处理约束的能力。 6）许多应用程序是用某种算法程序设计语言(cobol，fortran 或 c 等)嵌入 其中的某个数据库语言(如 sql)实现的。而程序设计语言与数据库语言无论在数据 模型上还是数据结构上都是很不相同的，这即为阻抗匹配问题。 由于现有建立于传统数据模型基础上的 edbms 不能满足工程应用的实际需要， 人们不得不探索着建立新的数据模型开发满足工程实际需要的 edbms。近几年对新 的数据模型和数据管理模型的研究是 edbms 的一个重要方向， 并且出现了多种类型 的数据模型和数据管理模型，如：扩展的 e-r 模型、语义关联模型、面向对象数据模 型等。在这些新的模型中，由于面向对象的数据模型描述能力强，易于扩展，不仅能 自然地描述复杂对象的结构特征，而且能刻画对象的行为特征，故被认为是适合于 cad/cae 集成系统中最有希望的新型数据模型。 1.1.4 目前工程数据库研究的热点 工程数据库领域目前主要的研究工作集中在以下几个方面： 1）工程数据库管理系统作为 cims 系统的信息中，是否支持 step 标准是衡量 其通用性的一个重要标准，也是保证工程数据库管理系统具有强大生命力的关键。所 6 以研究新的工程数据库系统，使其支持 step 产品模型数据交换标准，支持用 express 语言描述的产品定义模型，提供 step 模型的标准数据存取接口(standard data access interface，sdai)，使系统内部或系统之间无需进行格式转换就可以实现 产品数据的交换，成为工程数据库领域一个重要的研究方向345。其研究方法主要 是提 express 转换器，建立一定的映射规则，实现将描述实体的 express 模式转 换为数据库的数据描述语言(ddl)，以支持用 express 语言描述的产品定义模型。 2）cims 环境下的多数据库集成和互操作技术的研究。所以研究新的工程数据 库系统，使其支持 step 产品模型数据交换标准，支持用 express 语言描述的产品 定义模型，提供 step 模型的标准数据存取接口(standard data access interface , sdai)，使系统内部或系统之间无需进行格式转换就可以实现产品数据的交换，成为 工程数据库领域一个重要的研究方向。其研究方法主要是提 express 转换器，建立 一定的映射规则，实现将描述实体的 express 模式转换为数据库的数据描述语言 (ddl)，以支持用 express 语言描述的产品定义模型。 3）新的数据模型和数据管理模型的研究，目的是增强建模柔性。目前以面向对 象数据模型为基础，在其上开发新的工程数据库系统成为研究的热点。由于面向对象 数据模型具有强大的数据建模能力，非常适合于描述具有复杂结构的对象，并且易于 修改和扩展， 所以在此基础上开发的新的数据库管理系统成为各种数据库系统 (如多 媒体数据库、空间数据库、图像数据库、主动数据库和工程数据库等)的共同希望。 目前对面向对象数据库展开了广泛的研究，其研究内容集中于对象模型的建立，模型 的形式化基础，查询处理和查询优化，视图机制的表达，对象查询语言，并发控制， 事务管理等方面。 4）为了支持工程应用中规则的表达，支持主动行为，对数据库状态进行监控， 提出了演绎数据库和主动数据库的概念，在工程数据库中加入演绎推理机制。 1.2 采用基于 web 的 edbms 的原因 1.2.1 web 技术与工程数据库管理技术的关系 工程数据存储管理系统（edbms）作为一种应用框架，其对开放性的要求和扩 展性的要求与 web 的开放系统结构相互补充。在 web 技术上构建 edbms 可充分享 受到 web 开放体系带来的优势，增强 edbms 在异构环境的应用。并且随着网络化 虚拟设计模式的迅速发展，产品的设计过程在并行和协同中完成，对于异地的并行协 同设计过程， 已有的工程数据库管理技术不能很好地满足现在全球化产品开发战略发 展的需要。因此，必须根据新的形式，通过 web 技术扩展其功能，使之适应网络化 虚拟设计的产品数据和过程管理，能够支持异地和异构环境的设计分析和制造6。 7 1.2.2 基于 web 的 edbms 的优点 从总体上来看，当前工程数据管理系统产品大多数采用客户机/服务器结构模式 （client/server，c/s） ，c/s 模式是于 80 年代发展起来的一种由客户与服务器合作 完成一个作业的系统平台模式，服务器负责公共数据的存储、多用户的同步等功能， 客户端主要负责与用户的交互，客户端私有数据的管理等。 随着网络技术的发展，90 年代中后期，又出现了一种以 web 技术为基础的新型 平台浏览器/服务器结构模式(browser/server，b/s） ，b/s 模式把传统的 c/s 模式中 的服务器部分划分为数据库服务器和应用服务器，从而构成一个三层结构。文中的数 据管理系统就是采用这种三层结构模式。 （1）当前 c/s 模式的 edbms 或传统的 edbms 主要存在以下几个缺点： 1）不易于分散用户交流 现在跨国企业越来越多，异地工作组之间的合作日益 频繁，因此有效的交流变得非常重要，当前大多数 edbms 只能支持企业内部或局域 网的交流，不能满足当前的需要。 2）系统的开发和维护比较复杂 系统的开发者需要为不同级别的用户设计开发 不同的客户应用程序，并且 c/s 在客户端的软件中包含处理数据的逻辑和结果显示 的功能，数据的处理和结果显示紧密结合，这种密切的联系，使得用户需求的任何变 化，包括处理逻辑或用户界面，都会导致整个程序需要重新编译、安装，使得 c/s 数据库应用系统可维护性差。 （2）基于 web 的 edbms 具有以下几个优点： 1）易于分散用户交流和同步 基于 web edbms 系统允许分散在各地的项目小 组同时工作于同一个项目， 每个小组根据自身的权限能够访问异地小组相应的资料信 息。 这种交流协作使企业能够以最小的代价把异地的许多专业人员聚在一起来完成项 目，促进企业人员的最优化配置。 2）简化了系统的开发和维护 不需要像 c/s 模式系统的开发者那样为不同级别 的用户设计开发不同的可以应用程序，只需要把所有的功能都实现在服务器端，并设 定相应的权限。由于所有功能均能实现在服务器端，升级系统时只需有升级服务器端 即可，不需要升级客户端，即方便又使系统更新具有同步性。 3）较强的跨平台性、用户界面统一、友好 无需安装特定的客户端程序，用户 直接使用浏览器就可以登陆系统，并且由于浏览器的开发均遵守一定的标准，所以不 同平台用户看到的系统界面具有统一性，便于交流。 1.3 cad/cae 数据管理系统与 pdm 的关系 产品数据管理（product data management，pdm） ，是以软件技术为基础，管理 所有与产品相关信息和所有与产品相关过程的技术。pdm 技术是对工程数据管理、 8 文档管理、产品信息管理、技术数据管理、技术信息管理、图形管理以及其它各种名 目的管理技术的综合概括和扩展。 pdm 重要性不言而喻， 从概念上看 pdm 技术可以 管理与产品相关的工程数据， cad/cae 数据管理系统可以看作是 pdm 系统的子集， 但成功实施 pdm 却非易事。实施现有 pdm 产品的问题7-10： （1）目前 pdm 系统的不足： 1）管理模式不匹配（国外 pdm） 虽然国外的 pdm 产品相对而言比较成熟，功能也比较强大，但我国企业与国际 企业相比，管理模式和生产方式不尽相同，在硬件设施、人员素质上也存在比较大的 差距，因此国外成熟的商品 pdm 软件往往不适合国情，大多数国外 pdm 产品在我 国的应用效果并不明显。 2）小型通用，不利于企业实施（国内 pdm） 随着 pdm 的兴起， pdm 受到越来越多的关注。 目前国内一些公司已经开发出了 为数不少的 pdm 软件产品，虽然国内产品在功能上很大提高，但这些公司的 pdm 产品都是通用型的，若要在特定的企业中实施，必须做大量的本地化工作及相应的二 次开发，有的还要同时实施一些配套软件，这些产品的实施上有较大困难。 3）不能满 cae 数据管理问题 针对机械工程领域的技术发展，现有的大多数 pdm 系统，可以较好的对 cad 设计数据、capp 工艺数据以及 cam 制造加工数据等工程数据进行管理，但是对于 分析仿真的 cae 数据、由于其数据结构复杂，数据量大等特点，目前的 pdm 系统 较少涉及，没有进行有效的管理。 (2)cad/cae 数据管理系统与 pdm 的集成 开发一个面向机械工程领域的 cad/cae 数据管理系统， 可以对机械设计与分析 工程数据进行管理和共享，弥补现有的 pdm 系统对 cae 工程数据管理的不足， cad/cae 数据管理系统可以通过以下途径与 pdm 系统进行集成： 1）通过 pdm 系统的工作流管理器集成 把 cad/cae 数据管理系统的项目数据纳入 pdm 工作流，在进行工程分析时可 由 pdm 系统获取 cad 数据以及相关 bom 信息，分析完成后由 cad/cae 数据管 理系统保存分析结果数据 （包括结果演示及分析报告等） ， 修正后 cad 模型文件以不 同版本返回 pdm 系统，也可以在 cad/cae 数据管理系统进行存储和管理。 2）通过 pdm 系统提供的接口集成 目前商业的 pdm 产品都提供有二次开发接口，通过编程，定制功能，使得 pdm 中的 cad 数据与 cad/cae 数据管理系统的 cae 数据关联与共享。 9 1.4 本文的工作 本论文将建立面向对象的工程数据模型， 利用对象关系数据库存储管理工程设计 数据和分析数据，通过网络实现数据信息的共享与交换，并利用 vrml 技术实现三 维模型的在线浏览。主要在以下几个方面进行分析研究： 1）分析机械设计过程中工程数据的本质特性，将工程数据分为三类: 设计分析 型数据，图形数据和管理型数据，在工程数据类型分析的基础上给出工程数据的总体 特征以及与商用数据的区别。 2）分析机械工程数据管理技术，指出设计相应的工程数据库用于存储管理机械 设计工程数据是较佳的选择，并在此基础上，分析工程数据库系统与商用数据库系统 的区别和联系。 3）概括数据库技术的基本理论，对传统数据模型的局限性以及面向对象数据库 的研究现状进行分析， 进而归纳出利用对象关系数据库存储机械设计与分析工程数据 的优点。 4）分析数据访问的基本技术，并对常用 web 数据库访问技术进行分析比较，进 一步对基于.net 架构的数据库访问技术ado.net 做深入研究。 5）开发基于对象关系数据库的机械 cad/cae 数据管理系统。在对象关系数据 库 oracle 10g 中建立机械工程 cad/cae 数据对象模型，存储各类工程数据。以 asp.net 开发 web 应用程序，通过 ado 组件与 oracle 数据库链接，实现数据的查 询、增加、删除等操作。 针对机械工程数据类型复杂、关系密切、动态修改等特点，利用具有面向对象特 性的对象关系数据库 oracle 10g 可以有效进行管理，而 asp.net 以其可视化、面向 对象的优点，利用其丰富的组件可以快速开发满足工程数据管理要求的数据库 web 应用程序， 本文提出的机械 cad/cae 数据管理系统给出了进行工程数据管理的一条 有效途径。 10 2 机械设计工程数据类型及其管理技术 2.1 机械工程数据的定义与分类 机械工程设计是一个非常复杂、艰辛的过程，要经过多个阶段才能完成，涉及的 工程数据类型多样、关系复杂、处理困难。为了能有效地管理这些复杂的工程数据， 必须对工程数据做深入细致的分析11-14。 2.1.1 机械工程数据的定义 在机械行业中，工程数据是指产品生命周期中所涉及到的与产品有关的所有数 据，特别是机械产品的设计与制造过程中使用和产生的数据。产品生命周期是指从产 品的市场调研开始，产生设计任务书，经设计、制造到使用等多个阶段，直到最后产 品报废为止的整个过程，在这个过程中涉及到的与产品有关的数据包括各种报表、材 料属性、标准零部件及其参数、设计的零部件的几何结构和性能参数、产品的使用说 明等等，工程数据与传统的管理型数据有明显的区别，有其自身的特点，必须采用不 同的方法进行管理。由于工程数据类型多样、关系复杂，很难一下全部分清它们的特 性，结合本文针对的机械 cad/cae 领域，在后续的叙述中如无特别申明，这里机械 工程数据特指产品设计与分析过程中的工程数据。 2.1.2 机械工程数据的分类 机械工程数据不仅类型多样、形态复杂，而且处理过程也十分复杂，为了对它进 行有效的存储和管理，必须建立工程数据库系统。为了建立工程数据库系统，不仅要 掌握工程数据的自然属性，而且还要透过工程数据的自然属性，抓住工程数据的本质 进行全面的分析。 按照机械设计与分析工程数据的本质特征进行如下分类： （1）设计分析型数据 设计分析型数据是指在 cad/cae 系统中由工程设计人员的设计处理得到的产 品数据，它包括产品的几何模型数据、分析模型数据和分析结果数据，它们具有如下 特点： 1）具有动态性 这部分数据随着设计过程的进行，它的类型和数值都会不断的 改变，同时它的存取方式也可能会改变。 2）修改频繁性 由于设计是一个反复试探的过程，随着设计的进行，如果设计 者对先前设计的结果不满意，就应作出修改。 3）语义可不一致性 设计过程是多个设计者协同工作的过程。在设计完成之前， 允许各个设计者设计的对象在语义上不一致，但设计完成后必须一致的。 （2）图形数据 图形数据是指以图形形式表现出来的工程图表、二维图、三维图。其中二维图是 11 指平面零件图以及平面装配图。 三维图一般是指造型系统为了直观的表示产品而生产 的三维造型图。所有的图形数据都具有动态性，设计者可以根据各方面的需要进行修 改。图形数据具有两个方面的属性：一方面要反映设计对象的几何属性，另一方面要 反映设计对象的拓扑属性。因此图形数据还可以进一步分为几何数据和拓扑数据。 1）几何数据是指定义设计对象的点、线、面、体几何尺寸的数据。如传动轴的 长度和轴径、齿轮的宽度等。 2）拓扑数据是指描述几何实体间相互关系的数据。这里的几何实体是指构成设 计对象的基本单元。这部分数据能够反映实体间的相互位置及其装配关系。 图形数据由复杂的拓扑关系形成的网状结构，存储处理非常困难。工程设计的中 间结果和最终结果很大一部分是以图形的形式表现出来， 因此对这部分数据的管理是 工程数据库的一个主要内容，同时也是一个有待解决的技术难点。 （3）管理型数据 管理型数据主要是指产品设计过程中所用到的数据资料文档， 它包括各种技术手 册资料、国家标准与设计规范、产品目录文档以及图纸资料文档等。这部分数据一般 是指对设计过程进行管理和控制，对各种设计资料进行管理的数据，它的特点是： 1）数据关系分明 2）数据相当稳定，它的类型一般不会改变，而值可以改变 3）语义一致性 这部分数据具有静态特性，对它的操作主要是查询和检索，有很少一部分值的需 要修改。 这种分类法反映了机械工程数据的本质特征，有利于对机械工程数据的认识，便 于设计合适的物理数据结构对机械工程数据进行有效的存储和检索， 有利于机械工程 数据库系统的物理设计。 分析设计型数据、 图形数据进一步明确它们各自的具体特征， 并将管理型数据与其它数据相区别，可以有效地利用关系数据库管理管理型数据，简 化工程数据库的设计，为工程数据库管理系统的建立提供了一种方法，为解决机械工 程数据管理这个难题提供了基础。 2.1.3 机械工程数据的总体特征 通过对机械工程数据类型的分析，可以得到工程数据具有如下基本特征： （1）数据类型多样性 按照机械工程数据的本质特性区分为设计分析型数据、图形数据和管理型数据。 正是由于机械工程数据类型的多样性，使机械工程数据的管理非常困难。 （2）数据模型的复杂性 由机械工程数据的多样性导致描述机械工程数据的数据模型的复杂性。 为了描述 12 所有的机械工程数据， 必须设计良好的数据模型。 这种数据模型比传统数据模型复杂， 传统数据模型都是利用记录表示各种数据，具有很大的局限性。 （3）具有动态性 机械工程数据具有动态性，主要表现在三个方面： 1）概念模式的动态性 随着设计的进行，设计者可能改变设计对象的整体结构 以及形状，从而导致设计对象概念模式的改变。 2）存储结构的动态性 由于设计对象之间关系的改变，按照设计的物理存储方 式相应地改变它们的存储结构。 3）图形数据的动态性 图形数据随产品结构的改变而改变，并且具有多个版本。 （4）数据量大 机械工程设计涉及到的各种标准数据量就非常庞大， 更不用说由此产生的图形数 据等，使工程数据的数量猛增。 2.1.4 机械工程数据与商用管理数据的区别 通过对机械工程数据类型以及总体特征的分析， 对机械工程数据的特性有了一个 整体的认识。它与商用管理数据有着明显的区别，总结如表 2.1 所示。 表 2.1 机械工程数据与商用管理数据的区别 表 2.1 机械工程数据与商用管理数据的区别 数据类别 比较项目 工程数据 商用管理数据 记录类型 多 少 记录型数据量 大 不太大 关系 复杂 简单 模式 动态为主 静态 随机存取量 大 少 主要查询类型 整体查询多 部分查询多 存期类型 过程存期 系统存期 报表数量 少 多 数据类型 复杂 简单 数据库容量 大 较小 2.2 机械工程数据管理技术 在机械的设计与分析过程中，都要查阅各种标准、规范等相关资料，并产生各个 阶段的结果数据信息，包括图形和数据，这些数据信息如何进行管理，直接影响着 cad/cae 系统的应用水平。随着计算机技术的发展，cad/cae 系统中的信息管理 从文件模式发展为数据库模式，直至目前流行的工程数据库模式。 13 2.2.1 机械工程数据管理技术的发展 （1）文件管理技术 20 世纪 50 年代后期至 60 年代后期，计算机采用文件系统进行数据管理，各种 数据都是以各自独立文件的形式存储， 数据的存储则是通过应用软件按文件名或是文 件的记录标识来完成。文件系统管理方式实现了以文件为单位的数据共享，在一定条 件下，实现起来方便，使用效率高，但存在如下问题： 1）数据冗余 由于不能实现以记录和数据项为单位的数据共享，各个用户都需 要建立自己的文件系统，造成数据大量冗余，不但浪费存储空间，增加硬件开销，而 且容易产生数据的不一致，引发很多严重问题。 2）缺乏数据独立性 由于应用程序和数据文件的数据结构相互依赖，若因需要 而改动了书籍结构，就必须随之改动相关的程序，造成使用上的不当。 3）不能统一管理数据，难以保证数据的完整性和安全性。 由于存在上述问题，文件管理方式只能用于简单的工程应用。 （2）数据库管理技术 随着工程应用的发展，对数据管理方式提出了更高的要求。为解决上述文件系统 存在的问题，出现了数据库技术。数据库技术包括数据库及其管理系统。 数据库技术通过数据库管理系统（dbms）统一管理用户文件，能够解决数据冗 余及数据一致性问题，另外，它把用户观念的逻辑结构从整体逻辑结构中独立出来， 在用户数据的逻辑结构与数据存储结构之间插入一层整体逻辑结构， 使数据存储结构 的变化不影响数据的逻辑结构和应用程序，从而解决了数据的独立性问题，实现了数 据的共享，而且完整性和安全性问题也都得到了相应的解决。 数据库结构一般分为层次模型、网状模型和关系模型，在它们基础上构建的数据 库系统称为传统数据库系统，这些对于管理商用数据和工程中的管理型数据是足够 了，但随着计算机在工程应用领域的深入，对工程应用中的设计分析型数据、图形数 据的管理就有些力不从心了。为此，需要有新的数据管理技术满足工程中各种数据的 管理要求，这就导致了工程数据库的出现。 （3）工程数据库管理技术 工程数据库，是指满足人们在工程活动中对数据管理要求的数据库。工程数据库 系统与传统的数据库系统有很大的差别，主要表现在：支持复杂数据类型、复杂数据 结构，具有丰富的语义关联、数据模式动态定义域修改、版本管理能力及完善的用户 接口等。它不但能管理常规的管理型数据，还能够管理设计分析数据型和图形数据。 由此可见，为了满足当今机械设计工程应用的需要，必须根据具体要求设计出相 应的工程数据库来存储和管理其中的机械设计工程数据。 14 2.2.2 机械工程数据库系统与商用数据库系统的比较 由前面机械工程数据分析知道， 机械工程数据库系统与商用数据库系统具有一定 的区别和联系。 为了建立适合机械 cad/cae 系统的工程数据库系统， 必须分析商用 二者的区别和联系，以利于借鉴商用数据库系统的成功经验建立机械工程数据库系 统。 （1）机械工程数据库系统与商用数据库系统的区别 商用数据库系统已经应用了几十年，形成了一套完善的理论和开发方法，而机械 工程数据库系统的研究和开发还不成熟， 因而要借助商用数据库系统的一些成功而有 效的方法。 因此要从各个不同的角度比较商用数据库系统与机械工程数据库系统的区 别，总结如表 2.2 所示。 表 2.2 商用数据库系统和机械工程数据库系统的区别 表 2.2 商用数据库系统和机械工程数据库系统的区别 系统类别 比较项目 商用数据库系统 机械工程数据库系统 管理对象 1）静态的现实世界；2）实体之间关系 稳定；3）可事先描述、定义；4）初始 装入。 1）设计环境、条件数据；2）设计 对象数据，随设计过程而产生、修 改；3）动态形成的设计成果。 模式性质 1）数据库结构可事先描述、定义；2） 数据库结构基本不变。 1） 描述对象的格式需动态构造； 2） 设计结束后，数据库格式才生成。 数据性质 1）字符和数字描述；2)关系类型少；3） 数据量大；4）数据较稳定。 1）除字符和数字，还有文本、图 形和视频数据；2）实体关系复杂； 3）初始信息量少，但增速很快。 数据库变化 1）数值变化；2）结构变化少；3）用户 修改值，由管理员修改数据类型。 1）数据类型和数据值常变化；2） 用户可存取和改变值和结构。 数据库性能 1)须具有并发、一致和安全性；2）应规 定用户权限来保证数据库的安全性；3） 多用户看同时使用数据库， 为防止冲突， 需对一些数据采取加锁。 1） 多用户下工作； 2 要求相应速度 快；3）应保证数据（值和结构） 能动态修改；4）对数据安全性要 求较弱； 5） 须防止错误的存取； 6） 允许数据暂时的不一致。 用户要求 1）能在一定范围内检索；2）计算数据 量少； 3） 用户可使用操作语言和交互式 图形接口操作，但对交互操作要求不强 烈。 1）能长时间的计算而且计算中信 息量大；2）能支持反复、试探性 的设计过程；3）用户操作主要是 交互式处理，响应速度要快，对用 户接口要求高。 15 处理数据 1）查询、添加、修改和删除；2）每次 处理时间短、涉及记录类型少，而数据 量大。 1）从查询到分析；2）每次出来周 期长，涉及数据类型多，处理数据 量少。 用途 管理数据，录入数据，共享数据。 工程设计与分析 （2）机械工程数据库系统与商用数据库系统的联系 作为不同用途的数据库系统，虽然存在上述诸多差别，但是作为数据集中处理的 数据库系统，它们仍然存在许多相同的地方。 1）数据库系统基本特征相同 它们都符合数据库系统的基本特征， 都能实现数据共享， 保证完整性、 一致性等， 都需要一定的数据模型，都要设计数据库系统的数据模式。 2）数据操作方法有部分相同 它们都要实现数据的增加、删除以及修改和更新，都要提供数据的对外接口，都 要实现与应用程序的数据交换。 3）处理的数据有部分相同 由于机械工程设计要进行有效的管理，机械工程数据中存在管理型数据，这部分 工程数据可以利用商用数据库系统进行处理。 4）存储介质相同 它们都是利用磁盘或磁带进行存储，都要处理物理故障引起的错误，因而都要进 行容错和备份。 5）功能相近 它们都是对数据进行有效地存储和管理， 都要求能够完成相应数据的各种操作和 处理，实现数据的计算机存储和管理。 2.3 数据库管理技术研究 2.3.1 数据库技术基础 （1）数据库技术的基本概念 要掌握数据库技术，必须理解掌握数据库技术的一些基本概念151617。 1）数据、数据处理和数据管理 数据（data）是指描述事物的符号记录，它可以是数字，也可以是文字、图形、 图像、声音、语言等，数据有多种表现形式，它们都可以经过数字化后存入计算机。 数据处理是对数据施加各种有效操作以改变其状态的行为。 数据管理是通过对数据施 加操作使数据保持有序或方便使用的状态。由此可见，数据是基础，是数据处理和数 据管理的对象，数据管理包含数据处理；另外，数据也是数据库中存储的基本对象。 2）数据库、数据