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基于开放数据结构及构件的c a p p 系统研究 摘要 计算机辅助工艺设计( c a p p ) 一直是制造业关注的焦点。c a p p 作为c i m s 的一个关键环节，对其实用性和适用性提出了越来越高的 要求。原有的c a p p 系统一般是为多个企业共同使用的通用c a p p 系 统，但是，由于产品工艺的复杂性以及各个企业的历史情况、习惯、 特点等的不同，让企业被动地去适应这个系统，暴露出c a p p 应用系 统柔性低、数据共享性差等一系列问题，不能满足企业制造环境复杂 化和动态性的要求，阻碍了我国制造业的快速和深入发展。 为此，本论文提出了基于开放数据结构及构件的c a p p 系统研究。 它将开放数据结构和软件构件技术应用于c a p p 系统，把系统各个功 能模块设计成以即插即用方式重用的软构件，通过c a p p 系统框架构 件组装成为应用系统。这种开发模式能减少软件开发的成本和周期， 提高软件产品的质量和开发效率；同时，通过构件的组装、改装、升 级可满足用户不断变化的需求和对系统的多方面功能要求。 本课题以企业c a p p 系统的研究与设计为背景，主要在两个方面进 行了研究：一是开放数据结构，设计了开放数据结构的一般文件格式， 最后应用到具体实例中，建立了基于开放数据结构的c a p p 系统文件格 式设计；二是构件技术的研究，提出了c a p p 领域构件设计原理和基于 功能驱动的构件库管理总体设计方案，详细设计了c a p p 工艺构件并通 过程序测试，同时建立了一个c a p p 构件库管理系统。 关键字：c a p p ，开放数据结构，构件，构件库 c a p ps y s t e mr e s e a r c hb a s e do no p e n d a t a s t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t a b s t r a c t c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ( c a p p ) i sa l w a y st h ei m p o r t a n t f o c u so ft h em a n u f a c t u r i n g a l o n gw i t ht h ea p p l i c a t i o na n dd i s s e m i n a t i o n o ft h ec o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya tt h ee n t e r p r i s e ， c a p p ，w h i c hi st h ek e yl i n ko ft h ec o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ( c i m s ) ，r a i s e s m o r ea n dm o r es u p e r n a lr e q u i r e m e n t s t h e i n t r i n s i cc a p ps y s t e mi sc o m m o n l yt h ea l l p u r p o s ec a p ps y s t e mt h a ti s u s e db ym u l t i e n t e r p r i s e st o g e t h e r h o w e v e r ，d u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h e p r o d u c ta n dt h ed i f f e r e n c eo fe n t e r p r i s e sh i s t o r y 、h a b i t 、f e a t u r ee t c ，t h e e n t e r p r i s ei sf o r e e dt oa d a p tt ot h i ss y s t e m ，w h i c hc a u s e sas e r i e so f q u e s t i o n ss u c ha sf l e x i b i l i t ya n dd a t as h a r e s ot h i s c a p ps y s t e mc a n n o t m e e tw i t ht h ec o m p l e x i t ya n dd y n a m i c so ft h em a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t o ft h ee n t e r p r i s e ，a n dc o u n t e r a c t sf a s ta n dd e e pd e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n go fourc o u n t r y t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dc a p ps y s t e mr e s e a r c hb a s e do ，n 。o p e n d a t a s t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t t h es y s t e mc h a n g e sa l lk i n d so f f u r l c t i o n a l m o d u l e si n t o s o f tc o m p o n e n ti nr e u s ew i t hp l u ga n dp l a ym o d 6 1 t h i s d e v e l o pm o d e lc a nr e d u c es o f t w a r ed e v e l o pc o s ta n dp e r i o d i ta l s oc a n i m p r o v ep r o d u c t s q u a l i t ya n dd e v e l o pe f f i c i e n c y f u r t h e r m o r e ，i tc a n s a t i s f i e st h ec l i e n t s d i f f e r e n td e m a n d sa n dt h er e q u i r e m e n tt ot h es y s t e m f u n c t i o nb yt h ec o m p o n e n t sr e u s e 、r e f i ta n du p g r a d e t h et a s km o s t l yh a sar e s e a r c hi n t ot w oa s p e c t s ：o n e 1 s o p e n d a t a s t r u c t u r e t h i sp a p e rg i v e sac l e a rd e f i n i t i o nt oo p e nd a t a s t r u c t u r e ， s e t su pc a p pd e s i g nf r a m eb a s e do no p e nd a t a - s t r u c t u r ea n da p p l i e st o t h ec a s e t h eo t h e ri sc o m p o n e n ta n dc o m p o n e n t - b a s e i tb r i n g sf o r w a r d t h ec o m p o n e n td e s i g np r i n c i p l eo fc a p pd o m a i na n dc o m p o n e n t b a s e c o l l e c t i v i t yd e s i g ns c h e m eb a s e do nf u n c t i o nd r i v e ，a n dd e s i g nc a p p c o m p o n e n t s i nd e t a i l s f i n a l l yi tf o r m sac a p pc o m p o n e n t b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：c a p p ，o p e nd a t a - s t r u c t u r e ，c o m p o n e n t ，c o m p o n e n t b a s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果a 据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金月b 些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：否灸腱 签字日期。奶年了月岁自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目0 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定j 有担保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金卫 工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用髟印、缩 。1 。一 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 缎收泛 签字日期：撕7 月岁苗 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名懒 签字日期：功鸪年7 月j 日 电话 邮编 致谢 本人论文是在导师朱家诚副教授的悉心指导和亲切关怀下完成 的，在此，谨表示诚挚的敬意和衷心的感谢! 三年来，我不仅从他那 里学到了许多的专业和基础知识，更为重要的是，朱老师严谨求实的 治学态度、不断探索新知的开拓精神以及诲人不倦的工作作风，使我 深受启迪和教育。朱老师的循循善诱、谆谆教导使我的知识和技能水 平都得到了很大提高，使我终生受益! 同时还要衷心感谢我的师母许 林老师在我三年读研期间给我的母亲般的关怀和帮助! 在此一起向恩 师和许老师表示我崇高的敬意和深深的谢意! 同时也要衷心感谢教研室的周美立教授、董玉革教授、王纯贤副 教授、汪进副教授、吴天星副教授以及王勇老师给我各方面的指导和 帮助! 感谢机械原理及零件教研室的其他所有老师在我读研期间给予 的诸多帮助! 感谢我的女友董新昕在生活、学习及其它各个方面给我的无微不 至的关心和照顾3 感谢教研室的杨正宇、宋晖、徐丰羽同学以及同寝室的唐玮、张 鹏、杜世昌、蒋克荣以及詹松给我的帮助和鼓励! ， 最后，还要深深感谢我的父母和我的哥哥! 感谢所有支持及帮助 过我的亲人、同学和朋友们! 张连廷 2 0 0 3 年6 月 1 1引言 第一章绪论 商业社会的激烈竞争、用户需求的日益个性化和以计算机、网络 通讯为代表的信息技术的飞速发展使制造业正向着以最快的速度、最 低的成本、最好的质量来响应全球范围内市场需求的方向发展。市场 竞争刺激技术的发展，技术的发展又加剧市场的竞争，正是这种良性 循环促使各种计算机辅助技术以及先进制造技术内涵与外延的进一步 扩展和深化。 计算机辅助工艺设计( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 是先进制造技术的核心技术之一，是实现计算机集成制造系统 ( c i m s ) 、并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 乃至敏捷制造( a g i l e m a n u f a c t u r i n g ，a m ) 、智能制造( i n t e l l i g e n tm i n u f a c t u r i n g ， i m ) 的重要基础性技术。c a p p 负责确定产品制造过程及产品制造所需的制 造资源、制造时间等，是连接产品设计与制造的桥梁，并对产品质量 和制造成本具有极为重要的影响。 从六十年代末提出c a p p 概念以来，国内外对c a p p 的深入研究 已经持续进行了三十多年，其最直接的成果是产生了为数众多的c a p p 原型和实用的应用系统以及大量的相关技术文献。这些文献从各个角 度阐述对某些具体的c a p p 理论、技术、方法以及应用的研究j 近年 来，在相关软件技术、网络通讯技术以及先进制造技术发展的带动下， 人们对c a p p 概念的理解已经完全突破了其字面含义，c a p p 的研究和 应用因此也进入了一个新的历史阶段，c a p p 系统的规模、复杂性和适 用范围也空前的膨胀起来。c a p p 系统正在向制造工艺信息系统 ( m a n u f a c t u r ep r o c e s si n f o r m a t i o ns y s t e m ，m p i s ) 的方向发展，制造 工艺信息系统是x p p m 的集合，其中p p m 是工艺规划和管理( p r o c e s s p l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t ) 的缩写，x 是集成( i n t e g r a t e d ) 、并行 ( c o n c u r r e n t ) 、敏捷( a g i l e ) 、分布式( d i s t r i b u t e d ) 、智能化( i n t e l l i g e n t ) 、 动态( d y n a m i c ) 等的英文首字母的总和，代表工艺规划和管理在不同 环境下的应用模式【1 1 。 但是，由于工艺设计与管理自身的一些特点，c a p p 许多“瓶颈” 问题至今仍然没有得到根本性解决，这表现在尽管已有很多的c a p p 系统开发出来，但是它们所产生的效应并没有达到原先所期望的那样。 这种现象不仅严重制约c a p p 的应用推广，而且会对先进制造技术的 进一步发展产生负面影响。对业已存在的c a p p 系统及文献的回顾和 总结，不仅可以分析影响c a p p 发展的本质问题，为现阶段c a p p 的 研究与开发充当借鉴，而且最为重要的是可以为c a p p 今后的发展提 供一些新的思路和方向。 1 2c a p p 发展综述 1 2 1c a p p 的发展现状 计算机辅助工艺设计( c a p p ) 是多种先进技术相结合在工艺设计上 的综合应用。它的研究始于6 0 年代后期，而将其正式命名为c a p p 则 是在发展史上具有里程碑意义的美国计算机辅助制造国际组织于1 9 7 6 年所推出的c a m i sa u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 系统。c a p p 的出现 不仅彻底改变了手工编制方式和对人的依赖，而且显著提高了编制工 效，缩短了工艺设计周期，避免了不必要的差错为实现工艺过程优 化创造了条件。到目前为止，对于c a p p 的理论研究和实际应用已取 得了长足的进步。c a p p 技术研究到现在，经历了3 0 多年的时间，综 观这段历程，可以将c a p p 技术分为以下三个具有代表性的发展阶段： 1 、基于成组技术的派生式c a p p 系统 这是第一代c a p p 系统，有两种代表性的设计模式：检索式和派 生式( v a r i a n t ) 。 检索式c a p p 系统早在6 0 年代末就出现了，它的基本原理是通过 检索，获取零件的标准工艺规程，然后在此基础上进行编辑修改来生 成新零件的工艺规程。在检索式的基础上，派生式c a p p 系统发展成 为具有不同程度的修改、编辑和自动筛选功能的系统，融合了部分创 成式的原理和方法。派生式c a p p 系统原理简单，针对性强，可以大 幅度地提高工艺编制速度，能在一定程度上保持工艺的一致性。因此 实用性较强。但是，派生式系统在开发上存在一些缺点，如准备工作 量大、动态适应性低等。 2 、基于人工智能技术的创成式c a p p 系统 这是第二代c a p p 系统，两种代表性的设计模式是：刨成式 ( g e n e r a t i v e ) 和专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 创成式系统的研究与开发始于7 0 年代中期。在此阶段，创成式 c a p p 系统的基本原理是将决策逻辑植入程序代码中，依靠决策树和决 策表的方法，通过逻辑判断来产生零件的工艺规划。由于创成式系统 生成工艺结果一致性好、设计过程自动化程度高以及高柔性等优点， 因此很快得到普遍重视，被认为是有前途的方法。但是，由于系统对 生产环境与加工对象的针对性强，因而难以适应零件类型和生产环境 的变化，应用范围很窄。同时由于工艺设计过程本身所具有的复杂性 和不确定性，设计这样的系统技术难度大，丌发费用高。 到8 0 年代，人工智能( a i ) 、专家系统等研究成果应用到c a p p 系统的研究和开发中，研制出了基于知识的( k n o w l e d g e b a s e d ) 创成 式c a p p 系统或c a p p 专家系统。其中，c a p p 专家系统主要由知识库 和推理机组成，其工作原理根据设计零件的数据信息，运用推理机在 知识库的支持下进行逻辑推理来生成工艺规划。8 0 年代后期，人工神 经元网络技术、遗传算法、模糊推理以及基于实例的推理等被引入 c a p p 的研究中，使c a p p 系统的多样性和智能性有了长足的发展。 总的来说，这一阶段的c a p p 系统在追求智能化方面获得了很大 的进步，但是由于片面强调工艺设计的自动化，而忽略人在工艺决策 中的作用，因而系统实用性不足，且开发难度大。 在这样的现状下，综合型c a p p 系统产生了，它在派生和创成两 种原理的基础上发展起来，兼具两者的优势。在系统开发过程中，将 工艺设计过程中一些成熟的、变化少的内容用派生原理设计，而将经 验性强、变化大的内容用创成式原理进行决策，从而避免了派生式系 统的局限性和创成式系统的高难度 2 - 3 1 。 一 3 、基于网络、数据库技术的分布式、构件化c a p p 系统。， 随着计算机软件开发技术和网络技术的发展，第三代c a p p 系统 的特征呈现网络化、工具化和可重构性。它在前两代c a p p 技术基础 上采用最新的网络技术和分布式系统理念，构架三层的系统体系结构， 同时运用面向对象的构件开发技术，向工具化的方向发展，并且充分 运用人机优势，增强系统的实用性。 有关构件技术的c a p p 系统的研究是一个较新的研究领域，正处 于不断发展中，本论文将对这一领域进行探索性的研究。 1 2 2c a p p 系统的发展趋势 c a p p 的发展历经多年，尽管在生成原理、系统结构、决策方法等 方面取得了很大的进步，开发了为数不少的c a p p 软件系统，但随着 制造业信息化要求的不断提高，c a p p 的技术还将不断地深化发展，它 的发展以制造业的发展为先导，主要从以下方向来进行： 1 、集成化 随着制造技术和自动化程度的不断提高，计算机集成制造是现代 制造业的发展趋势，作为集成系统中的一个单元技术，c a p p 系统集成 化也是必然的发展方向。在并行工程思想的指导下实现 c a d c a p p c a m 的全面集成，进一步发挥c a p p 在整个生产活动中的 信息中枢和功能调节作用，这包括：与产品设计实现双向的信息交换 与传送，c a d c a p p ；与生产计划调度系统实现有效集成，c a p p p p s ； 与质量控制系统建立内在联系，c a p p c a q 。 2 、智能化 人工智能技术在c a p p 系统中的应用是c a p p 研究的重要方向， 该技术为c a p p 的智能化提供全面的技术支持。其中，人工神经网络 技术的应用可解决传统c a p p 系统中最困难的知识提取问题，而模糊 理论的应用对工艺设计中的不确定性推理方法进行决策，提高决策的 合理性。这些技术还会继续成为c a p p 系统研究的热点。 3 、工具化 传统专用型c a p p 系统虽然针对性强，但由于开发周期长，缺乏 商品化的标准模块，适应性差，很难适应企业的产品类型、工艺方法 和制造环境的发展和变化。因此进一步研究和开发可重构的工具化 c a p p 系统，提高c a p p 系统的适应性也成为这一领域研究的热点。如 平台型c a p p 系统，它把系统的功能分解成一个个相对独立的工具， 用户可以通过友好的用户界面根据本企业的情况进行工具组合，。针对 不同的应用环境，形成面向特定的制造环境和工艺习惯的具体的c a p p 系统；也可以将开发平台提供给用户，使用户可以进行c a p p 系统的 二次开发，在开发平台上构造符合用户需要的c a p p 系统。从理论上 讲，它可以适应各种应用环境，具有较好通用性和柔性；而且由于还 具有二次开发能力，能适应企业内部发生的较大的变化。随着软件构 件技术的出现，研究基于构件重构技术基础上的工具化c a p p 系统， 实现系统功能“即插即用”，将推动c a p p 工具化的进程。 1 3c a p p 发展中存在的若干问题 从c a p p 的发展过程以及对各阶段研究特点的分析中可以看出， 经过三十多年的发展，7 国内外在c a p p 的理论研究与工程实践都取得 了长足的进展，c a p p 在企业中的重要性已经得到广泛承认。但是总的 来说，尤其是从企业应用角度来说，长期以来c a p p 并没有发挥其应 有的重要作用，这与c a p p 研究和开发所消耗的资金与力量很不相称。 究其原因，这主要由以下几点问题导致的： 首先，是由于工艺过程设计本身的特点决定的。工艺过程设计是 公认的典型复杂问题，它贯穿并影响企业的整个生产过程，是经验性 很强且随应用环境变化而多变的决策过程。企业应用环境中影响工艺 的因素错综复杂，动态变化，而工艺过程设计又对该应用环境具有极 大的依赖性，这就必然导致c a p p 系统很难完全适应企业应用的需求。 其次，c a p p2 1 2 程化应用基础也较为薄弱。c a p p 应用一直存在着 应用目标片面、应用范围窄、适应性差、工程化程度低、系统开发效 率低面费用高等问题。虽然近些年来，在c a p p 实用化等方面的研究 有所突破，但是上述问题并没有得到根本性的解决。所以对比现今如 c a d 、c a m 、m i s 、p d m 、e r p 等其它企业计算机辅助及应用系统， c a p p 在系统丌发与应用以及商品化等方面存在较大的差巨。 再者，虽然近年来相关网络技术、软件技术、集成技术与建模技 术等的发展曰新月异。但是这些新技术、新方法、新理论以及新概念 对c a p p 领域的渗透则相对缓慢，这使现存的c a p p 系统在开发技术 和手段上显得相对落后。加之许多企业对c a p p 的理解依然停留在传 统的观点上，认为c a p p 系统仅是一个独立的单元技术，只要满足工 艺设计部门需求即可，缺乏从系统集成等全局角度来考虑问题，这种 低起点则更加加重了c a p p 开发技术和手段的落后卜、”。 最后，也是较为重要的一点。目前，我国已经开发的很多c a p p 系统是通用的c a p p 系统，很多企业被动地去适应同一个c a p p 系统， 但是，由于产品工艺的复杂性和各个企业的历史情况、习惯、生产特 点等的不同，所以c a p p 应用系统柔性低、数据共享性差。 1 4课题来源及研究意义 产品的多样化及更新换代的日益频繁是现代社会高速发展的标志 之一，这就为制造业适应激烈的市场竞争提出了更新更高的要求。企 业只有能够对市场需求做出快速反应，在第一时间内生产出高质量的 产品满足社会的需要，习。能在激烈的市场竞争中立于不败之地。而传 统的各自为政的、封闭式的设计和制造组织模式己远远满足不了这种 需求，只有将设计部门、工艺规划部门、制造部门联为个有机的整 体，实现产品设计、工艺规划和加工等过程的全面计算机化、自动化 和集成化才能满足这种需要。 计算机辅助工艺设计( c a p p ) 一直是制造业关注的重点。随着计算 机应用技术在企业中的推广和应用，c a p p 作为c i m s 的一个关键环 节，对其实用性和适用性提出了越来越高的要求。本课题来源于对多 个企业的c a p p 系统的研究和分析，掌握了目前我国开发出来的c a p p 系统一般是通用的c a p p 系统，让企业被动地去适应同一个系统，但 由于各个企业的历史情况、企业习惯、特点等的不同以及企业产品的 复杂性和不确定性，这样的c a p p 系统不能满足企业的需要，柔性低 且数据的共享性差，不能满足企业制造环境复杂化和动态性的要求， 阻碍了我国制造业的快速和深入发展。面对需求的复杂多变，开放数 据结构和软件构件技术将是解决这些问题的一个很好的解决方案。 为了提高c a p p 系统的柔性和数据的共享性，为此，本文进行了 基于开放数据结构及构件的c a p p 系统的应用研究，通过定制开发模 式来满足企业的需求。本论文主要在两个方面对c a p p 系统进行了探 讨和研究，为了满足数据可共享性，本论文对c a p p 工艺数据采用开 放数据结构的文件格式，便于在不同的企业之间、不同的系统之间进 行工艺数据和信息的快速和整体移植，同时又保证了数据和信息的完 整性：为了提高c a p p 系统的柔性，我们提出了基于构件的c a p p 系 统研究，将各类功能模块设计成以即插即用方式重用的软构件，每个 功能单一的模块是一个小构件，通过系统框架将各个功能构件集成起 来组成c a p p 系统。这种开发模式能减少系统开发的成本和周期，提 高软件产品的质量和开发效率：同时，通过构件的组装、改装、升级 可满足用户不断变化的需求和对系统的多方面功能要求，可以很快地 完成系统的二次开发。因此，基于开放数据结构及构件的c a p 只系统 研究具有很高的理论研究价值和现实的实用价值峭j 。 一。： 1 5论文各章节安排 本论文各章安排如下： 第一章绪论 综述c a p p 发展的历史、现状和发展趋势，以及本课题的来源及 研究意义。 第二章开放数据结构和软件构件的相关技术及概念 本章介绍了开放数据结构的基本概念，软件构件技术的基础知识 以及c a p p 系统的一些基本内容。 第三章开放数据结构的c a p p 系统文件格式设计 介绍了基于开放数据结构的c a p p 文件格式设计，并以杭州依维 柯汽车变速器厂汽车变速器的工艺数据来应用说明。 第四章c a p p 构件及构件库设计 介绍了构件的设计、构件编程环境及构件库的总体设计思想，实 现了工艺卡显示构件并设计了c a p p 构件库管理系统。 统。 第五章基于开放数据结构及构件的c a p p 系统设计 利用开放数据结构技术和软件构件技术设计了一个c a p p 应用系 第六章结束语 对全文进行了总结，并对今后的工作进行了展望。 第二章开放数据结构和软件构件的相关技术及概念 2 1引言 本文在研究基于开放数据结构及构件的c a p p 系统时，要涉及到 开放数据结构和软件构件技术两方面的计算机知识。由于开放数据结 构是一种新型的数据组织模型，它对各类数据和信息进行有效的管理 与组织；同时软件构件技术也属于较新的研究领域，这两个方面必然 关联到许多新的概念、思想和观点，并与多种成熟软件技术与方法息 息相关、相互影响。因此，本文认为，在开展基于开放数据结构及构 件的c a p p 系统研究之前有必要将这些相关的概念、思想进行集中论 述，以为今后的研究奠定基础。这些内容包括：开放数据结构的产生 和使用环境及应用领域、软件构件的概念和研究的主要内容、c a p p 系统类型、组成及设计步骤。 2 2 开放数据结构技术 开放数据结构( o p e nd a t a s t r u c t u r e ，简称o d s ) 是一种对各种信 息和数据进行有效管理的新型的数据组织模型，其目的是为了便于应 用程序的开发和数据仓库的共享和重用。 + 2 2 1开放数据结构产生和使用环境 软件中数据操纵和管理工具的膨胀与扩大产生了大量不兼容的信 息与数据，每种软件处理这些信息和数据的方式都不尽相同，因此开 发人员和用户深受分散软件中不可访问和不兼容的数据的折磨。因而， 开放数据结构成了解决企业信息和数据仓库的一大难题，原因如下： 1 、任何现有软件都不能满足多任务商业开发过程中的所有需求， 并且，有些软件不能提供预定的功能和性能，即缺乏可预知性，因此 需要集成具有开放数据结构的工具。 2 、企业希望使用软件直接从数据仓库环境中获得和提取数据，因 此数据的存储应独立于应用程序和各种系统工具，这样才具有较高的 柔性，便于数据的管理和分析。 3 、大型企业往往有跨地域、跨行业的子公司，它们难以忍受使用 单一的数据库系统、应用程序和工具。开放数据结构是为全局信息目 录和数据提供一致视图的较好的解决方案。 为了集成企业范围内的不同开发工具和知识库，开放数据结构共 享环境( 如图2 1 所示) 必须提供一致的共享方法，使得数据能够被 一致地存储、管理、集成和全局访问。 数据源 图2 1开放数据结构图 协调分布在多种数据仓库中的数据是数据管理中最重要的一步， 而建立企业级的中心知识库则是实现的基本途径和关键所在。一个成 功地满足不同的开发商共享数据的集成工具框架必须满足以下要求： 1 、提供定义数据的结构和语义的通用规范，规范必须具有一致性 和技术独立性，要能被整个业界接受。 2 、通用规范应以一种标准语言发布，便于为各种工具和人们所理 解和利用。 、3 、通用规范要以一种简洁、统一的格式发布，便于各开发商在多 平台上采用多种技术来实现。 4 、通用规范支持多开发商的实现方案需要一一种在异构产品间交换 数据的机制，使得终端用户可以采用即捅即用的方式集成产品【9 、1 。 2 2 2 开放数据结构应用领域 数据存在于企业的各个工具和应用程序中，下面列出几个应用开 放数据结构管理和交换的重要领域。 1 、应用开发 这是一个数据集成的重要领域。软件丌发是一个多阶段的流程， 它常包括几个不同的工具，而集成这些工具是一个挑战，尤其当来自 不同的开发商时。 2 、数据建模和没计 数据建模和设计是个全面访问、多版本同步的多个开发者合作 的过程，它的一个重要部分是元数据的可查找性。这主要由数据字典 和元数据报表来支持。 3 、包应用 通常我们需要定制化的特色以满足具体企业需要，这应该确保应 用程序以及划它的修改是可控制的，这样定制化特色才能够重新应用 于软件的修订版本】。 2 3 软件构件技术研究 2 3 1 软件构件的基本概念 构件( c o m p o n e n t ) 是一组按一定技术规范封装的、可重用的软件 模块，是组织系统的基本单位。关于软件构件的概念目前大致有两种 观点： l 、狭义观的软件构件是：一种_ 进制形式的可重用软件块，具有 即插即用的特性；它遵循二进制外部接口标准，内部实现细节对用户透 明；软件构件通过“软件总线”进行交互。 2 、广义观的软件构件是：指可重用的软件单元，可以彼厨来构造 其它软件。它可以是被封装的对象类、一些功能模块、软件框架、软 件系统模型、软件的文档，如可重用的分析件、设计件等。在面向对象 的程序设计中，构件类相当于类机制，构件就是由类生成的类实例一一 对象j 在传统的程序设计中构件相当于过程和其所使用的封装体1 个 模块或1 个程序模块，系统分析件和系统设计件，只要符合能重用原则 就可以做成构件。 2 3 2 基于构件的软件丌发技术 9 0 年代软件丌发技术的一个重要进展就是构件化。这是由于现在 的软件规模越来越大，+ 一个系统要完成的功能很多，因此软件复用和 集成更加具有非同寻常的意义。7 i 发和使用可复用构件是提高软件生 产力、提高软件质量、降低开发成本的现实有效的途径。基于可复用 构件的丌发技术己经成为当前软件开发技术的主流。 构件技术是面向对象技术的一个发展。构件与对象的最基本的不 同点是： 一个对象是源代码的一部分或肯是一个规范，用来执行应用 程序的一部分；而构件不仪仅是一个规范，也不定是需要编译刊能 使用的一部分源代码，而是可实际运行的软件模块。另外，构件7 其 它可复用软件模块的区别在于，构件既能在设计时使用或修改，也可 往执行时使用或修改。一个软件构件能够有效地嵌入其他丌发商的软 件之中。在很多情况下，软件丌发者需要那些已经制造好的直接可以 拿术使用的功能模块，这就形成了一个需求庞大的软件构件市场。打 个比方，现在的软件t 业的形势，就如同几十年前人们用分离的电子 管或品体管搭建复杂电路一样。显然将一个一个的电子管或晶体管搭 建成一个实现某功能的电路是比较耗时、耗力的，而利用集成芯片( i c ) 就能快速组建一个功能相当复杂的电路扳，同时其可靠性也大得多。 软件构件在软件生产中的作用就如同i c 一样。 构件技术的基本思想在于，创建和利用可复用的软件构件来解决 j 皿用软件的外发问题。与面向对象编程语古不同，构件技术是一种更 高层次的对象技术。它独立于语占，面向应用程序，只规定构件的外 在表现形式，面不关心其实现方法。它既可用面向对象编程语言实现， 也司用非面向对象编程语占实现。只要遵循构件技术的规范，各个软 件7 r 发商就可以用自己方便的语言去实现构件，应用程序的开发人员 就有u j 能实现在计算机配件领域早已经实现的梦想：挑选构件，组合 新的应用软件。这样的应用软件系统不再是一种固化的整体性系统， 而是通过构件问相互提出请求和返回服务结果的协同丁作机制沫达到 系统曰标，同r , j - 由于构件自身的灵活性所带来的由构件的整个应用系 统的灵活性和对外部扰动的较好的适应性。0 推动构件技术发展的最大动力之一是软件复用，构件技术是目前 发展最快的软件复用技术。基于构件的软件开发技术是一种社会化的 软件丌发方法，它使得丌发者可将由不同语言、不同供应商丌发的构 件组合在一起来构造软件系统。 构件技术必须解决的几个问题包括： 1 、构件的抽取。为了实现构件复用，构件必须具有一定的、面向 领域的通用性，构件所提供的功能能为多个功能使用。因此构件的抽 取、功能的定义将是要解决的第一个问题。由于构件技术是在面向对 象技术慕础上发展起来的，加上面向对象技术自身的抽象、继承、刮 装特性，那么采用面向对象的系统分析方法进行构件的抽取就比较合 适了。 2 、构件的没计。为了使定义的构件能在彳i 同开发环境被不同的软 件丌发者使用，那么构件应具有个较为通用的接口定义。一个面向 特定领域的较为通用的接口可以处理领域内的大多数功能请求。这罩 所蜕的接口是指实现构件功能所对应的一个个函数( 或方法) 的参数 列表，即输入那些参数，返回什么结果集或值。接口与功能的实现是 十h 分离的，具有相同接f 1 的构件可b j , 有完全不同的实现方法。可复用 构件的设计原则之一就是：根据接口，而不是根据接口的实现来设计 构件。 3 、构件的互操作。构件经过分析、设计之后，需要将构件实现， 这样才能真正为软件开发者所使用，那么随之而来的一个问题就是不 同 发环境下用不同编程语言丌发出来的构件的互操作。如果不同构 件问不能互操作，每个开发商升发出来的构件公限于某种特定的编程 环境，这将大大限制构件的复用，同时构件问不能互操作，电大大限 制了利用不同的可复用构件制造更大的可复用构件和利用不同的可复 用构件构造新系统1 2 。 2 3 3 构件技术研究的主要内容 在软件领域内进行构件研究，其 要内容包括： 1 、构件获耿：根据领域需求设计构件或从已有系统中挖掘提取构 件； 2 、构件模型研究：主要研究构件自身的本质特征以及构件吼的相 瓦作用关系；：， 3 、构件的归类及管理：研究构件的分类标准以及构件库系统的建 立和管理等问题。 2 4 、 c a p p 基础知识 2 4 1 c a p p 系统类型 从冗前曰内外c a p p 技术的发展来看，主要有三类c a p p 系统： l 、派生式c a p p 系统 派生式c a p p 的工作原理是利用零件的结构利工艺相似性，通过检 索和修改零件族主样仟的标准工艺而获得当前零件的工艺规程。在派 生式c a p p 的数据库中存储有各类标准1 艺。由于标准工艺是工艺人 员事先拟定的，其t 序工步问的逻辑关系已经确定，而对标准工艺的修 改仅仅是一系列的删减操作，不会改变工序或工步原来的排列顺序。所 以从本质上讲这类系统是 种数据检索系统。根据零件信息的描述与 输入方法不同，派生式c a p p 系统又分为糕于成组技术( g t l 的派t 卜式与 暴丁特征的派生式c a p p 系统。派尘式c a p p 系统的工作原理图如图 2 2 所示。 幽2 - 2派生cc a pp 系统工作原理框剧 2 、创成式( 生成式) c a p p 系统 创成式c a p p 系统中不存入任何工艺过程方案、它是将工艺决策知 识用决策表、决策树或公理模型等技术米实现。当输入当f i ；j - 零件的有 哭信息后，系统可以模仿工艺人员的手工编制过程，利用决策逻辑和制 造丁程数据信息做出各种工艺决策。创成式c a p p 由于其知识库需要 包含所有的工艺决策逻辑加j ：工艺设计过程的多样性及复杂性，要实 现能够自动排序的完全创成式系统的难度太大至今也没有丌发出来。 上述系统只能箅作半创成型，即系统中包含有一部分决策逻辑莉其关 键部分工序、1 二步的排序则采用标准工艺法来实现，或通过人机交互， n 勺方j 来完成。创成式c a p p 系统的工作原理如图2 3 所示。 3 、知识基( k b ) c a p p 系统 一t 成 一加=_块 一叫平漩一 o 。顺 一 造息j j，j、 糍引l+裂善耄#”出，jl 从8 0 年代中后期到9 0 年代初期，知识基( k b ) c a p p 系统( 专家 系统) 得到广泛应用。这些系统与以往系统的显著区别在于，它们具有 一个将工艺知识与经验以产生式规则表示的知识库和模拟工艺设计专 家进行二 艺决策的推理机。在专家系统中，工艺专家编制工艺的经验和 知识存在知识库中，并可以方便地通过专用模块增删和修改，提高了系 统的适应性和通用性。对知识库中工艺生成逻辑可进行查询和修改。 而以自然形式存放的工艺知识通过知识编辑模块，成为一种直接供推 理机使用的数据结构，以加速运行。推理机从文件库中读取零件制造特 征信息，经过逻辑推理，生成工艺文件输出并存入文件库。但实践证明专 家系统还存在着几大突出问题：知识的脆弱性、推理的单调性和知识获 取的“瓶颈”等。知识基c a p p 系统工作原理如图2 4 所示【l9 1 。 幽2 - 4知识基c a p p 系统工作原理图 2 4 2c a p p 系统组成 一般c a p p 系统的基本结构从功能上可以分为五个部分：零件信 息的输入、工艺诀策、工艺数据知识库、人机界面、工艺文件输出 编辑。 1 、零件信息的输入 零件信息是系统进行工艺设计的对象和依据，由于计算机尚不能 像人一样直接识别零件图上的信息，因此建立相关的数据结构描述并 输入零件信息是c a p p 技术的基础问题之一。图纸信息的描述与人机 交互式输入，从c a d 系统直接输入零件信息，图形扫描及识别技术的输 入方式，c a p p 系统零件信息模型。 2 、工艺决策 。 薏冀曼是c a ? p 系统的控制指挥中心。其作用是，以零件信息为 篓耄煮黑麓耋? 置的顺序或逻辑，调用有关工艺数据蕞荔j i ! i ，釜荐墓妥 的比较、计算和决策，生成零件的工艺规程。 。+ 三荨竺篓7 多，# 库是c a p p 系统的支撑工具。它存储了工艺设计所 茎娄竺塞竺三兰数据和规程。合理地组织并管理这些信童，是：二；篆 统中的重要问题。 。“ 。；人多奎、要， 堡堡耸用户的操作平台。包括系统菜单、工艺设计的 耋雾二三墓数据伽识的输入和管理界酬及工艺孬晶立禁_ 磊釜羔 管理界面等。 一。”1 ” 。兰篓：全? p 系釜都包含大量的工艺文件，管理和维护这些文件是系 雾篓妻要内容。工艺文件的输出包括工艺文件的格式化点票：、芸釜_ 2 4 3 c a p p 系统设汁步骤 ，系统需求分析 厂! 2 、工艺标准化 r j 【一 3 、系统功能设计 r 】l 4 、系统详细设计- 一二二 7 、编写程序、编制文档 二二 8 、程序测试 图2 5 c a p p 系统开发流程剀 c a p p 系统随规模大小不同，其开发难度也不尽相同，并且在具体 步骤划分以及每个阶段的设计内容也有较大差别，但是系统开发过程 还是基本相同的。根据软件工程学的设计思想理念，本文给出了一般 c a p p 系统开发的流程图，如图2 5 所示。它显示了c a p p 系统的一般 开发阶段，整个过程贯穿从上向下的设计方法。分别说明如下： 1 、系统的需求分析 需求分析就是确定系统的设计目标，确定所设计的系统要完成哪 些工作。对于c a p p 系统来说，就是要确定零件的种类、工艺类型以 及用户的特殊要求等，同时要求写出详细的需求说明书，一般来说 c a p p 系统越大说明书则越详细。 2 、工艺标准化 这是c a p p 系统开发的基础工作，由工艺设计人员和程序开发人 员来共同完成。工艺标准化的目的主要是：使较大范围内相似零件上 的同一类型加工表面，在相同的生产条件下的工序工步标准化( 包括 加工方法和加工余量分配，设备，工、夹、刀、量具和切削参数选择 原则，加工过程描述用语和语句格式规范化，工艺规程和工序图格式 标准化等) 。 3 、系统的功能设计 所谓功能设计是指计算机程序必须完成的工作，也就是为z 满足 系统需求以及用户的使用方便必须完成的所有工作。系统各珊能模块 的确定是功能设计的主要任务。在这一过程中我们要经常使