工程數(shù)據(jù)庫(kù)的研究及應(yīng)用

摘要:工程數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)的高效使用，該文主要介紹工程數(shù)據(jù)庫(kù)的基本概況及其體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)工程數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)及發(fā)展前提條件進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞:工程數(shù)據(jù)庫(kù);數(shù)據(jù)庫(kù);體系結(jié)構(gòu);管理功能

中圖分類(lèi)號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)25-7071-02

Project Database Research and Application

CHEN Yi-rong

(China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

Abstract: The project data base can realize the data share，data safety and the data high-effect usage，the go along introducing fundamental project data base general situation and their system structure developing trend，and the technology to project data base and developing premise condition mainly analyses the main body of a book.

Key words: project data base;data base;system structure;manage a function

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用發(fā)展而產(chǎn)生的。從50 年代末開(kāi)始，數(shù)據(jù)管理技術(shù)就一直是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)和研究課題。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)寬，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與其他計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，又產(chǎn)生了許多新的分支學(xué)科，工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)就是數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。

1 工程數(shù)據(jù)庫(kù)及其特點(diǎn)

工程數(shù)據(jù)庫(kù)是適合于CAD、CAM、CIM地理信息處理、軍事指揮、控制通信等工程應(yīng)用領(lǐng)域所使用的數(shù)據(jù)庫(kù)。

工程數(shù)據(jù)庫(kù)是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn):1)具有獨(dú)特的數(shù)據(jù)模型，支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的數(shù)據(jù)類(lèi)型; 2)支持動(dòng)態(tài)的版本管理和集成管理;3)具有豐富的語(yǔ)義關(guān)聯(lián);4)支持日常事務(wù)管理;5)具有友好的用戶(hù)接口和良好的相容性支持。

工程數(shù)據(jù)庫(kù)與管理數(shù)據(jù)庫(kù)很相似，但是存在著本質(zhì)的差別。它們的具體差別如表1所示。

2 工程數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)

1)C/S體系結(jié)構(gòu)

客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器(C/S)體系結(jié)構(gòu)是一種構(gòu)造分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的新技術(shù)，其特點(diǎn)是將數(shù)據(jù)庫(kù)的不同軟件劃分到客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器兩端，并建立網(wǎng)絡(luò)上的客戶(hù)機(jī)P服務(wù)器進(jìn)程通信，使兩端軟件合作完成數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是:①能夠充分利用服務(wù)器的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力等資源; ②系統(tǒng)有較大的靈活性; ③容易提高系統(tǒng)的性能(服務(wù)器性能提高或增加服務(wù)器的數(shù)目可以使系統(tǒng)整體性能提高);④系統(tǒng)連接方便，可以根據(jù)需要隨時(shí)增減用戶(hù);⑤系統(tǒng)有較大的可維護(hù)性，一個(gè)服務(wù)器失效，其他服務(wù)器可以取代其部分功能，仍然保持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

2)B/S體系結(jié)構(gòu)

B/PS 是由傳統(tǒng)的兩層C/S結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)的三層C/S結(jié)構(gòu)在Web上的應(yīng)用，即瀏覽器Web/服務(wù)器(Browser/Web/Server)的三層結(jié)構(gòu)。B/S體系結(jié)構(gòu)是把兩層C/S結(jié)構(gòu)的客戶(hù)事務(wù)邏輯模塊從客戶(hù)機(jī)的任務(wù)中分離出來(lái)，由單獨(dú)的一層來(lái)處理，把任務(wù)均衡地分配給了Web服務(wù)器，這樣客戶(hù)機(jī)的壓力大大減輕了。

在B/S三層體系結(jié)構(gòu)下，表示層( Presenta2tion)、功能層(Business Logic)、數(shù)據(jù)層(Data Ser2vice)被分割成三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元。第一層是表示層:Web瀏覽器。第二層是功能層:具有應(yīng)用程序擴(kuò)展功能的Web服務(wù)器。第三層是數(shù)據(jù)層:數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。在BPS體系結(jié)構(gòu)中，用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器向分布在網(wǎng)絡(luò)上的許多服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，而且極大地簡(jiǎn)化了客戶(hù)機(jī)工作，在客戶(hù)機(jī)上只需安裝、配置少量客戶(hù)端軟件，服務(wù)器將負(fù)擔(dān)更多工作，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)和應(yīng)用程序的執(zhí)行將在服務(wù)器上完成。

3)C/S結(jié)構(gòu)與B/S結(jié)構(gòu)的比較

與C/S相比，B/S的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本低;客戶(hù)端不再負(fù)責(zé)處理復(fù)雜計(jì)算和數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)等關(guān)鍵事務(wù)，只負(fù)責(zé)顯示部分;采用的標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)放的、非專(zhuān)用的，保證了其應(yīng)用的通用性和跨平臺(tái)性;各層之間相互獨(dú)立，任何一層的改變不影響其它層的功能，系統(tǒng)改進(jìn)非常容易，靈活性好;B/S系統(tǒng)在客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器之間增加了一層Web服務(wù)器，可有效地防止用戶(hù)的非法入侵;不存在移植性問(wèn)題;界面統(tǒng)一友好、易于使用。

4)多級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

工程數(shù)據(jù)庫(kù)采用多級(jí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一般的工程數(shù)據(jù)庫(kù)使用三級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，主要有全局公共的數(shù)據(jù)庫(kù)、工程項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)計(jì)庫(kù)，如圖2所示。全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)主要是存放公用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù);工程項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要是存放與該項(xiàng)目相關(guān)的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)好以后，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)儲(chǔ);設(shè)計(jì)庫(kù)是存放設(shè)計(jì)者需要的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)好以后，可以卸載。

3 工程數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)模型

工程數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)模型主要分為三類(lèi): 1)非1NF數(shù)據(jù)模型;2)基于語(yǔ)義的數(shù)據(jù)模型;3)在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型上擴(kuò)充的數(shù)據(jù)模型;4)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型。

非1NF數(shù)據(jù)模型(即擴(kuò)充E-R模型)主要是用一種規(guī)范化條件:子類(lèi)、超類(lèi)、概括、特化等手段，將現(xiàn)實(shí)的事物用數(shù)據(jù)庫(kù)表現(xiàn)出來(lái)。常用的非1NF數(shù)據(jù)模型有兩種:第一種數(shù)據(jù)模型的擴(kuò)充是NF2型，第二種數(shù)據(jù)模型的擴(kuò)充是取消1NF，這兩種擴(kuò)充支持的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)雖然比較少，但它們的查詢(xún)語(yǔ)句易于用擴(kuò)充的SQL來(lái)表達(dá)，便于用戶(hù)使用。

語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型是適應(yīng)更強(qiáng)表達(dá)能力的概念數(shù)據(jù)模型而產(chǎn)生的，它使用七種語(yǔ)義模型循環(huán)、遞歸的描述過(guò)程，把復(fù)雜的數(shù)據(jù)類(lèi)型作為其基本的數(shù)據(jù)類(lèi)型，而且支持統(tǒng)計(jì)操作，從而給設(shè)計(jì)人員提供了很大方便。

在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型上擴(kuò)充的數(shù)據(jù)模型通常包括三種:第一種是關(guān)系和網(wǎng)狀混合模型，第二種是關(guān)系和層次混合數(shù)據(jù)模型，第三種是函數(shù)數(shù)據(jù)模型。前兩種結(jié)構(gòu)都是通過(guò)使用關(guān)系類(lèi)型的多元實(shí)例把大關(guān)系劃分成若干小關(guān)系，由于是用結(jié)點(diǎn)表示的，要求其關(guān)系或數(shù)目固定，因而其靈活性較差。最后一種數(shù)據(jù)模與程序語(yǔ)言和數(shù)據(jù)模擬兩方面有關(guān)，它不是一種結(jié)構(gòu)模式，也不對(duì)應(yīng)固定的實(shí)行手段，它主要基于兩種概念:對(duì)象以及函數(shù)，所以處理起來(lái)相對(duì)較靈活。

面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型是基于對(duì)象、類(lèi)、實(shí)體的數(shù)據(jù)模型，它具有面向的對(duì)象技術(shù)所具有的特性，分為元組對(duì)象結(jié)構(gòu)、集合對(duì)象結(jié)構(gòu)和列表對(duì)象結(jié)構(gòu)。具有計(jì)算完備性、可擴(kuò)充性和持久性。這些特性對(duì)工程數(shù)據(jù)的管理是非常適合的。

隨著數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的不斷的發(fā)展，工程數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)模型也將得到進(jìn)一步的發(fā)展，上面綜述的四個(gè)方面必將在工程領(lǐng)域中不斷有所進(jìn)展。

4 構(gòu)建工程數(shù)據(jù)庫(kù)的工具及產(chǎn)品

CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展很快的工程數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，CAD/CAM 技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著Pentium芯片和Windows NT操作系統(tǒng)的出現(xiàn)并流行，以前只能運(yùn)行在工作站上的CAD/CAM軟件現(xiàn)在也可以運(yùn)行在微機(jī)上。由于微機(jī)的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)比工作站低，性能也不比中低檔工作站遜色，并且windows NT操作系統(tǒng)的安全性與DOS、Windows 3.x、Windows 95/98等操作系統(tǒng)相比有了很大提高。所以，微機(jī)平臺(tái)為普及CAD應(yīng)用創(chuàng)造了絕好的條件。

4.1 CAD/CAM 軟件特性

1) 采用Windows NT操作系統(tǒng)采用Windows NT操作系統(tǒng)是新一代微機(jī)版CAD/CAM軟件的共同特點(diǎn)。現(xiàn)在，個(gè)人計(jì)算機(jī)已經(jīng)具備了與中低檔工作站競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力，再加上其價(jià)格低廉，使得普及CAD應(yīng)用成為可能。Windows平臺(tái)上的新一代CAD/CAM軟件基本上都采用典型的Windows界面和操作規(guī)范，同時(shí)由于DDE和OLE技術(shù)的廣泛應(yīng)用，這些CAD/CAM軟件可以與Windows平臺(tái)的其他軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，也可以在不退出CAD/CAM軟件的前提下嵌入(或鏈接)其他應(yīng)用程序的對(duì)象。

2) 采用COM 技術(shù)

COM(Component Object Model)是國(guó)際上為提高軟件穩(wěn)定性和開(kāi)發(fā)效率而引入的重要技術(shù)。現(xiàn)今推出的Windows平臺(tái)的CAD/CAM軟件都或多或少地應(yīng)用了COM技術(shù)。通過(guò)使用現(xiàn)成的組件，軟件開(kāi)發(fā)商可以避免軟件開(kāi)發(fā)中許多煩瑣和困難的基礎(chǔ)部分，從而可以從較高的起點(diǎn)出發(fā)，大大縮短CAD軟件上市周期，這樣容易取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，使得微機(jī)CAD軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性得以增強(qiáng)。

3) 采用UNIX特性

新一代微機(jī)平臺(tái)CAD軟件充分吸取Unix工作站軟件的精華。諸如參數(shù)驅(qū)動(dòng)、特征造型、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航、二維與三維雙向相關(guān)、STEP標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)圖形顯示等這些比較好的特點(diǎn)已經(jīng)被微機(jī)平臺(tái)軟件吸收。

4.2 流行的CAD/CAM軟件

1) AutoCAD

AutoCAD 是Autodesk公司的主導(dǎo)產(chǎn)品。Autodesk公司的軟件產(chǎn)品已被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、影視制作、視頻游戲開(kāi)發(fā)以及Web網(wǎng)的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)等重大領(lǐng)域。

AutoCAD 是當(dāng)今最流行的二維繪圖軟件，它在二維繪圖領(lǐng)域擁有廣泛的用戶(hù)群。AutoCAD有強(qiáng)大的二維功能，如繪圖、編輯、剖面線(xiàn)和圖案繪制、尺寸標(biāo)注以及二次開(kāi)發(fā)等功能，同時(shí)有部分三維功能。AutoCAD提供AutoL ISP、ADS、ARX作為二次開(kāi)發(fā)的工具。在許多實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域(如機(jī)械、建筑、電子)中，一些軟件開(kāi)發(fā)商在AutoCAD的基礎(chǔ)上已開(kāi)發(fā)出許多符合實(shí)際應(yīng)用的軟件。目前，Autodesk公司已經(jīng)發(fā)布AutoCAD 2000。

2) MDT

MDT是Autodesk公司在PC平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的三維機(jī)械CAD系統(tǒng)。它以三維設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，集設(shè)計(jì)、分析、制造以及文檔管理等多種功能為一體，為用戶(hù)提供了從設(shè)計(jì)到制造一體化的解決方案。MDT主要功能特點(diǎn):①基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型，用戶(hù)可十分方便地完成復(fù)雜三維實(shí)體造型，可以對(duì)模型進(jìn)行靈活地編輯和修改;②基于NURBS的曲面造型，可以構(gòu)造各種各樣的復(fù)雜曲面，以滿(mǎn)足模具設(shè)計(jì)等方面對(duì)復(fù)雜曲面的要求;③可以比較方便地完成幾百甚至上千個(gè)零件的大型裝配;④MDT提供相關(guān)聯(lián)的繪圖功能，提供完整的模型和繪圖的雙向聯(lián)結(jié)。MDT為AutoCAD用戶(hù)向三維升級(jí)提供了一個(gè)較好的選擇。

5 工程數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1) 第一階段是基于主機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

在基于主機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各終端通過(guò)串行通訊接口線(xiàn)路與主機(jī)相連接(一個(gè)終端占據(jù)一條通訊線(xiàn))，一臺(tái)主機(jī)對(duì)系統(tǒng)的各種資源與數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，主機(jī)分時(shí)地對(duì)各終端進(jìn)行掃描訪(fǎng)問(wèn)，用戶(hù)通過(guò)各自的終端與系統(tǒng)交互作用，來(lái)執(zhí)行自己的處理任務(wù)。

這種集中式計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的好處是:管理容易，數(shù)據(jù)的保密與完整容易保證，而且系統(tǒng)建設(shè)成本低，但是它的缺點(diǎn)是對(duì)業(yè)務(wù)變化的適應(yīng)能力、系統(tǒng)的擴(kuò)充性以及可維護(hù)性較差，當(dāng)主機(jī)出了故障就有可能引起系統(tǒng)的癱瘓。2) 第二階段是PC與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，即文件服務(wù)器結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)80年代由于PC機(jī)的廣泛應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，由共享的文件服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)組成的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。在這種應(yīng)用中，所有應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)都集中在共享的文件服務(wù)上，而不是駐留在實(shí)際使用它們的客戶(hù)計(jì)算機(jī)上，當(dāng)用戶(hù)需要時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)就整個(gè)地從文件服務(wù)器上下載到計(jì)算機(jī)上。

在這種結(jié)構(gòu)中，比基于主機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單、用戶(hù)界面友好，并具有一定的可伸縮性。但是系統(tǒng)運(yùn)行效率低下，當(dāng)用戶(hù)數(shù)增多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)載明顯增大。

3) 第三階段為客戶(hù)機(jī)P服務(wù)器方式

PC 機(jī)或工作站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，系統(tǒng)把這些計(jì)算機(jī)設(shè)備劃分為服務(wù)器與客戶(hù)端，以承擔(dān)不同的工作職能，服務(wù)器主要用于信息系統(tǒng)的管理與服務(wù)(一般由能力較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)承擔(dān));客戶(hù)機(jī)主要提供給用戶(hù)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)，具有良好的人機(jī)界面。用戶(hù)只要通過(guò)客戶(hù)機(jī)與網(wǎng)絡(luò)上的任何服務(wù)器預(yù)先建立連接，就可以對(duì)它們進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

4) 第四階段是在CPS 體系基礎(chǔ)上擴(kuò)充的包括客戶(hù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器構(gòu)成的三(多)層結(jié)構(gòu)

三層結(jié)構(gòu)是在客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器體系基礎(chǔ)上的擴(kuò)充，它將客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器系統(tǒng)中各種各樣的部件分為三層服務(wù):

①客戶(hù)端服務(wù)程序:在用戶(hù)計(jì)算機(jī)上提供用戶(hù)界面。

②應(yīng)用服務(wù)器:它駐留在客戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)中心，為任意數(shù)量的客戶(hù)應(yīng)用提供公共的數(shù)據(jù)服務(wù)。

③遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器:提供關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(RDBMS)。每一層服務(wù)在不同的計(jì)算機(jī)上協(xié)同運(yùn)行，并且通過(guò)局域網(wǎng)甚至Internet共享數(shù)據(jù)和相互通訊。

6 結(jié)束語(yǔ)

工程數(shù)據(jù)庫(kù)并非是一個(gè)僅僅存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單信息庫(kù)，因?yàn)檫@實(shí)際上與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有兩樣。工程數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)際上是一個(gè)“以大型數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的、附加在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)之上的、從存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息中獲取數(shù)據(jù)、并能利用這些綜合數(shù)據(jù)為用戶(hù)提供經(jīng)過(guò)處理后的有用信息的應(yīng)用系統(tǒng)”。如果傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的重點(diǎn)與要求是快速、準(zhǔn)確、安全、可靠地將數(shù)據(jù)存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，那么工程數(shù)據(jù)庫(kù)的重點(diǎn)與要求就是能夠準(zhǔn)確、安全、可靠地從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)加工轉(zhuǎn)換成有規(guī)律信息之后，再供管理人員進(jìn)行分析使用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，工程數(shù)據(jù)庫(kù)將深入我們的生活，并為我們高效的工作提供良好的幫助。

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