系列化產品工程信息的建立與管理
【本章摘要】本章首先分析了管理系列化產品信息的工具―工程數據庫的內容及建庫方法，并詳細分析了具體系統中的庫存一設計控制模塊的實現及其工程數據庫的生成和企業中的項目圖紙管理模塊的工程數據庫建立。
5.1工程數據管理的引入
隨著現代工業的發展，現代工業的整體分工與合作的日益完善，特別是標準化和通用化技術的發展，企業產品的系列化工作就變得日益重要。而對產品信息的管理也變得很重要，并且，由于系列化產品之間在特征尺寸和圖形表達上都具有一定的共性。如何有效地記錄這些信息，特別是應用到圖形驅動中，普通的數據庫（存儲簡單的數據信息）對圖形特征數據的存儲較為困難，而工程數據庫能存儲具有工程特性信息的內容。
為了適應工程數據庫管理和應用需求，設計和發展傳統的數據模型，研究新的可擴充的數據庫系統，為用戶提供強大的系統和良好的人機界面。目前，主要的做法有：使用構造DBMS生成器；使用擴展關系模型（混合模型）；使用語義模型；打破關系約束的NF，模型；面向對象模型。
由于歷史的原因，早期的工程數據庫均采用傳統的數據模型，即層次、網狀、關系模型。由于關系數據模型具有嚴謹的理論、清晰的概念，因此不少系統都是建立在擴展的關系模型上的，去適應工程數據庫系統的需要。然而由于關系模型將實體與實體間不同的聯系統一按關系處理，犧牲了不少語義信息，加之關系模型的面向記錄的模式以及單一的數據類型不能自然表達復雜的對象結構，因此，工程數據庫的功能受到一定的限制。目前人們開始研究新的語義數據模型，特別是面向對象的數據模型已受到重視。由于這種數據庫模型具有較強的語義建模能力，它的許多特點非常適合工程數據庫特別是圖形圖象數據庫，是一種很有希望的方法。
基于數據庫管理系統來實現工程數據管理，是在數據庫技術得到發展的基礎上，將特定工程數據分類、分階段存于數據庫，便于數據獨立和共享，便于管理和使用。對于傳統的數據庫結構模型。經過改造和擴展，開發成更適合于工程應用需要的能有效保證工程數據管理的系統，如工程設計知識庫、工程圖形數據庫等，在工程應用需求推動下，發展較快。
機械CAD數據主要包括產品設計數據、產品模型數據、圖形數據、材料數據、成組技術編碼數據、測試數據等。它應包括物理特性、材料特性、零件規格、數學模型、經驗公式的數學描述、幾何形體描述與幾何尺寸、規范和標準等，內容極為廣泛。其表現形式除了數值、文字信息之外，還有大量的幾何圖形信息。其特點是數據量大，種類多，結構復雜。
為了適應工程數據管理和應用需求，要對傳統的數據模型進行發展和改造或重新設計新的數據模型，通常的方法有：
(l）基于關系數據庫的數據模型：RDBMS要求所有關系表均滿足1NF，因而用關系表達復雜對象時，對象實體的各屬性需要分拆在數個關系表中，因而可以在RDBMS之上開發一附加層，專門完成“關系←→對象”的互換工作，從而使實體外部對象與內部對象之間能自然映像。
(2）新一代數據模型主要有：1）從排除1NF限制出發而提出的NF，模型，NF2從結構上對關系模型進行了擴充，允許屬性既可以是原子類型也可以是關系本身，因此能表達“表中表”，可以將層次結構的對象作為一個整體存于數據庫，當存取某個對象是無須進行顯式的連續操作；2）排除1NF限制并允許屬性為函數或過程既是關系模型在語義方向上的擴充，如POSTGRES系統，它支持關系之間的繼承并允許在關系上定義函數和運算符，從而大大提高了復雜對象的建模能力；3）為了表達各種復雜的語義關聯，提出了許多語義數據模型，其中SAM模型為CIMS數據庫庫設計提供了一個很有力的工具，由于語義數據模型的復雜性，語義模型只是被用作數據庫設計中的一種概念建模工具；4)面向對象（OO）的數據模型，00模型的核心為“抽象數據類型＋繼承性＋對象標識符”，采用00模型的模型的面向對象的數據庫（OODB）是隨著面向對象程字設計的技術發展而應運而生。OODBMS支持復雜對象、對象標識和對象繼承、對象的封裝性、層次結構的類或型、具有計算完備性和可擴充性等。
5.2對象模型到關系數據庫結構的映射
對象是有實體所包含的一組數據和施加于這些數據上的操作組成的。現實世界中所有概念實體被模型化為對象。對象描述的所有的概念實體，從簡單到復雜的實體，允許把復雜對象表示成一個循環遞歸的對象，而且每個對象是唯一可標識的。基于對象和類的概念，使之能建立高度結構化的數據模型，更能反映復雜的現實世界的語義關系。
面向對象是一種新的程序設計方法學，它吸收了傳統方法的數據抽象，信息隱蔽，模塊化等思想，強調以對象作為問題分析、系統設計的主體，是軟件牙；統與客觀世界之間自然的對應關系。面向對象方法按照人們習慣的思維方式建立問題模型和構造系統，使軟件系統更易于理解和維護，它的繼承和多態等技術為軟件復用和擴充創造了條件。采用面向對象方法來設計數據庫，對數據庫中的表格字段的具體類型沒有限制，即可以設計層次、網狀數據庫，又可以診汁關系型和面向對象型數據庫。使用統一的面向對象設計技術，可以提高數據庫和程序編碼的完整性。面向對象數據庫系統是把面向對象技術和傳統的數據庫技術結合集成在一個系統中，支持面向對象數據模型和對象操作、集合操作一體化，適合于工程中的應用。但是從目前的技術和市場上看，面向對象數據庫在技術上不完全成熟，缺乏統一的國際標準，市場上應用極少。而關系型數據庫是在市場上比較流行，經實踐證明成熟可靠的數據庫管理系統，與高級詳言的接口已經建成。因此，可以通過將對象模型映射成關系型數據庫結構來多現對象數據的存儲和操作。
關系數據庫邏輯上是“表”的集合，這種表具有固定列數和任意的字段數。表的列名稱可直接與對象模型中的屬性相關，行可以對應于類實例和鏈，各個表的行列交叉點用來存儲基本類型的數據。對象模型到數據庫結構的映射就是將規范化的類屬性、關聯關系和歸納關系映射成具體特定結構的一張或多張表棒型，對象的存儲就是實例的屬性值、關聯表示值和歸納表示值存入相應的表中。
每個類都可映射成一張或多張表，圖5-1是點類映射成表的例子。
關聯映射成表的方法是：首先將關聯的二個類映射成各自的表，然后再用二個類的標識屬性作成關鍵字，構成一張索引表。
聚集的映射規律和關聯相似。用聚集可以描述復雜對象。圖5-2是直線到表時射的一個例子。繼承是面向對象中的一個重要的方法。繼承的常規映射方法是原位法，它將父類和子類都在原位映射成相應的表，父類和子類通過關鍵字來表示對象標識，這種方法邏輯上清晰且可擴展，但涉及的表較多。繼承到表映射方法還有“上升法”和“下降法”。上升法是將父親的屬性“下降”復制到各個子表中從而省去父表，該方法適合于父類屬性較少，具體應用中知道應診尋找哪個子類實例的場合。下降法是將各個子類的屬性都“上升”復制到父表中從而省去所有子表，父表中包括含了描述父類所有屬性的字段。該方法適合于父類屬性較多，子類個數和屬性較少的場合。例如，尺寸類和線形尺寸類、角度尺寸類等尺寸之間的關系為繼承，可通過上升法統一為一個類。通過將對象模型到關系數據庫表的映射，可以方便地實現工程數據的管理。
5.3庫存-設計控制
隨著企業的不斷發展，產品系列及其種類的增多，倉庫零件或原材料的庫存量也隨之變地越來越大。一般地，我們可以將庫存分為三類：常用類，不常壓類和不用類。常用類指使用頻率很高的零件集合：不常用零件是指使用頻率很較底的零件集合；不用類是指由于一些客戶的特殊需求，并且設計人員在設計時僅從理論上的最優化的可行性而沒有考慮到零件種類的可能增多，導致在一些以后可能永遠用不上的零件集合。
隨著庫存量的增多，企業積壓資金也越來越大，而事實上，很多種類的零件根本沒有必要購買，完全可以用其他類型的零件進行代替。對零件選型的控制主要是對設計人員在零件選型過程中，讓設計人員優先選用常用零件，其次是倉庫已有的零件，最后才是新零件，從而減小不必要的庫存費用。
實質上，這是設計人員在設計思維的一個轉變：設計最優化轉向設計選型最優化。對一個企業來說，設計的最優化不一定是最好的選擇，應該將設計的最優化向企業的實際靠攏，即選型通用化，而實現選型通用化需要對設計人員進廳有效的控制。具體實現流程見圖5-3。
在此系統中，選型通用化的過程是對工程數據庫的有條件檢索，而整個過程是一個迭代的結果，當然，從實用的角度來看，迭代次數不易多（一般＜15）。
5.3.1工程數據庫的建立
工程數據庫的對象模型選用成熟的關系型數據庫。將一個企業中庫存的零件分為常用零件、非常用零件以及新購零件。事實上，根據新購零件的使用頻繁度，一部分將列入常用零件，另一部分將列入非常用零件。
劃分常用零件與非常用零件的依據是：詳細劃分各種系列產品中對應的零件，分為常用要求和非常用要求二種狀態，常用要求下對應下的零件集合為常用零件：非常用要求下對應下的零件集合，減去常用零件集合為非常用零件，即扣除常用零件便得非常用零件。具體過程見圖5-4。
在工程數據庫中，數據庫的對象模型參數有：零件名、零件類型、零件特性尺寸、是否常用、零件輔助尺寸、零件的幾何形狀。其中，零件特性尺寸是確定具體類型的要素，而零件的幾何形狀是零件圖形單元的繪制的依據，是對零件拓撲關系的描述。下面以螺栓系列為例，由數據模型向表結構進行轉換，從復雜的結構層層轉化為單一的結構，進行詳細的敘述，見圖5-5。
5.4項目信息管理
項目信息管理模塊中的信息存儲一種典型的關系型 工程數據庫，建立此類數據庫的核心是對其E-R（實體-關系）圖的描述以及由E-R圖向數據庫表結構的正確的轉化。
5.4.1E-R圖原理
根據面向對象（00）的實體建模思想，選擇在現實世界里存在的實體（object)乍為研究對象，充分利用實體的內部特性和實體與實體之間的關系。而其數學化描述既是，詳細描述實體的內部屬性、內部屬性之間的關系以及實體與實體之間的關系，在這個實現過程中，重要的是合適的選擇實體對象，保證屬性和關系描述全面、清晰，進一步實現面向對象向數據庫E-R模型轉化。E-R模型是描述中實體（Entity）與聯系（Relationship）的邏輯關系，是現實世界在經過選擇、命名、分類等抽象工作后在信息世界的具體反應。在E-R圖中，長方形表示實體型；橢圓表示實體的屬性；菱形表示實體間的聯系。E-R模型是對現實世界的一種抽象。一般地講，所謂抽象是對實際的人、物、和概念的人為處理。它抽取人們關心的共同特性，忽略非本質的細節，并把這些特性用各種概念精確的加以描述。這些概念組成了某種模型。E-R模型對現實世界有三種抽象：
1、分類（Classification)：定義某一概念作為現實世界中一組對象的類型，這些對象具有某些共同的特性和行為。它抽象了對象值和型之間的“is numberof”的語義。在E-R模型中，實體型就是這種抽象。例如在企業環境里，大慶油田3的減速機的訂購是一個企業項目（見圖5-6)，表示大慶油田3的減速機的訂購是企業項目的一個，具有企業項目共同的特性和行為：項目號，項目名，項目開始時間，項目結束時間以及項目費用等。
2、聚集（Aggregatopm）：定義某一類型的組成部分。她抽象了對象內部類型和成分之間“is part of”的語義。在E-R模型中若干屬性的聚集組成了實體的就這種抽象。如圖5-7。
3、概括（Generalization)：定義類型之間的一種子集聯系。它抽象了類型之間的“is ubset of”的語義。例如項目是個實體型，機械類項目也是實體型，化工類項目也是實體型。機械類項目、化工類項目均是項目的子集。我們把項目稱為超類（Superclass)，將機械類項目、化工類項目成為項目的子類（Subclass)，見圖5-8。
由E一R圖向關系模型的轉換規則：
(a）一個實體型轉換為一個關系模式。實體的屬性就是關系的屬性，實體的碼就是關系的碼。
(b）一個聯系轉化為一個關系模式，與該聯系相連的各實體的碼以及聯系的屬性轉換為關系的屬性，該關系的碼有三種：
·如聯系為1:1，則每個實體的碼均是該關系的侯選碼。
·如聯系為1:n，則關系的碼為n端實體的碼。
·如聯系為n:m，則關系的碼為諸實體碼的組合。
5.4.2具體實現
對于項目信息管理系統，有自己的特殊性，從邏輯結構上說，他是一個典型的樹型結構，每個節點除根節點外，有自己的子節點；每個節點除最外層子節點外，有自己的父節點。在本系統中，項目是整個樹結構的根節點，而個圖紙內容是最外層子節點，項目是設備圖紙和小樣圖的父節點，圖紙、小樣圖又是圖紙內容的父節點，見圖5-9。
對于這種特定的結構，要從最高層起，層層推進，由E-R模型和系統結構綜合出總的E-R圖，再根據E-R圖轉化規則，將E-R圖轉化為數據模型，最外層子節點完全屬性的，是完全依附對象的，它沒有E-R模型，具體做法：
1、列出最高層的E-R模型。在“項目信息管理”系統里，以項目為研究起點，詳細分析它的每一個屬性。同圖5-7。
2、根據圖5-9，第二層的E-R模型有設備圖紙和小樣圖模型，分別見圖5-10a和圖5-10b。
3、根據圖5-9，第三層的E-R模型是小樣圖圖紙模型，見圖5-11。
4、綜合E-R模型和系統的樹形結構以及實體對象之間的關系，總的E-R圖如下（圖5-12）：
