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(shù)據(jù)庫的內容及建庫方法，并詳細分析了具體系統(tǒng)中的庫存一設計控制模塊的實現(xiàn)及其工程數(shù)據(jù)庫的生成和企業(yè)中的項目圖紙管理模塊的工程數(shù)據(jù)庫建立。
5.1工程數(shù)據(jù)管理的引入
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)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(fā)展，企業(yè)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(shù)據(jù)庫（存儲簡單的數(shù)據(jù)信息）對圖形特征數(shù)據(jù)的存儲較為困難，而工程數(shù)據(jù)庫能存儲具有工程特性信息的內容。
為了適應工程數(shù)據(jù)庫管理和應用需求，設計和發(fā)展傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，研究新的可擴充的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為用戶提供強大的系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫均采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，即層次、網(wǎng)狀、關系模型。由于關系數(shù)據(jù)模型具有嚴謹?shù)睦碚�、清晰的概念，因此不少系統(tǒng)都是建立在擴展的關系模型上的，去適應工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的需要。然而由于關系模型將實體與實體間不同的聯(lián)系統(tǒng)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(shù)據(jù)類型不能自然表達復雜的對象結構，因此，工程數(shù)據(jù)庫的功能受到一定的限制。目前人們開始研究新的語義數(shù)據(jù)模型，特別是面向對象的數(shù)據(jù)模型已受到重視。由于這種數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫特別是圖形圖象數(shù)據(jù)庫，是一種很有希望的方法。
基于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)管理，是在數(shù)據(jù)庫技術得到發(fā)展的基礎上，將特定工程數(shù)據(jù)分類、分階段存于數(shù)據(jù)庫，便于數(shù)據(jù)獨立和共享，便于管理和使用。對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結構模型。經過改造和擴展，開發(fā)成更適合于工程應用需要的能有效保證工程數(shù)據(jù)管理的系統(tǒng)，如工程設計知識庫、工程圖形數(shù)據(jù)庫等，在工程應用需求推動下，發(fā)展較快。
機械CAD數(shù)據(jù)主要包括產品設計數(shù)據(jù)、產品模型數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、成組技術編碼數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)等。它應包括物理特性、材料特性、零件規(guī)格、數(shù)學模型、經驗公式的數(shù)學描述、幾何形體描述與幾何尺寸、規(guī)范和標準等，內容極為廣泛。其表現(xiàn)形式除了數(shù)值、文字信息之外，還有大量的幾何圖形信息。其特點是數(shù)據(jù)量大，種類多，結構復雜。
為了適應工程數(shù)據(jù)管理和應用需求，要對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型進行發(fā)展和改造或重新設計新的數(shù)據(jù)模型，通常的方法有：
(l）基于關系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)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(shù)個關系表中，因而可以在RDBMS之上開發(fā)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(shù)據(jù)模型主要有：1）從排除1NF限制出發(fā)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(shù)據(jù)庫，當存取某個對象是無須進行顯式的連續(xù)操作；2）排除1NF限制并允許屬性為函數(shù)或過程既是關系模型在語義方向上的擴充，如POSTGRES系統(tǒng)，它支持關系之間的繼承并允許在關系上定義函數(shù)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(lián)，提出了許多語義數(shù)據(jù)模型，其中SAM模型為CIMS數(shù)據(jù)庫庫設計提供了一個很有力的工具，由于語義數(shù)據(jù)模型的復雜性，語義模型只是被用作數(shù)據(jù)庫設計中的一種概念建模工具；4)面向對象（OO）的數(shù)據(jù)模型，00模型的核心為“抽象數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫（OODB）是隨著面向對象程字設計的技術發(fā)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(shù)據(jù)庫結構的映射
對象是有實體所包含的一組數(shù)據(jù)和施加于這些數(shù)據(jù)上的操作組成的�，F(xiàn)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(huán)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(shù)據(jù)模型，更能反映復雜的現(xiàn)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(tǒng)方法的數(shù)據(jù)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(tǒng)設計的主體，是軟件牙；統(tǒng)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(tǒng)，使軟件系統(tǒng)更易于理解和維護，它的繼承和多態(tài)等技術為軟件復用和擴充創(chuàng)造了條件。采用面向對象方法來設計數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫中的表格字段的具體類型沒有限制，即可以設計層次、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫，又可以診汁關系型和面向對象型數(shù)據(jù)庫。使用統(tǒng)一的面向對象設計技術，可以提高數(shù)據(jù)庫和程序編碼的完整性。面向對象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是把面向對象技術和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術結合集成在一個系統(tǒng)中，支持面向對象數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫在技術上不完全成熟，缺乏統(tǒng)一的國際標準，市場上應用極少。而關系型數(shù)據(jù)庫是在市場上比較流行，經實踐證明成熟可靠的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，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(shù)據(jù)庫結構來多現(xiàn)對象數(shù)據(jù)的存儲和操作。
關系數(shù)據(jù)庫邏輯上是“表”的集合，這種表具有固定列數(shù)和任意的字段數(shù)。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(shù)據(jù)。對象模型到數(shù)據(jù)庫結構的映射就是將規(guī)范化的類屬性、關聯(lián)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(lián)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(lián)映射成表的方法是：首先將關聯(lián)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(guī)律和關聯(lián)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(guī)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(shù)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(tǒng)一為一個類。通過將對象模型到關系數(shù)據(jù)庫表的映射，可以方便地實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的管理。
5.3庫存-設計控制
隨著企業(yè)的不斷發(fā)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(yōu)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(yè)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(yōu)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(yōu)化轉向設計選型最優(yōu)化。對一個企業(yè)來說，設計的最優(yōu)化不一定是最好的選擇，應該將設計的最優(yōu)化向企業(yè)的實際靠攏，即選型通用化，而實現(xiàn)選型通用化需要對設計人員進廳有效的控制。具體實現(xiàn)流程見圖5-3。
在此系統(tǒng)中，選型通用化的過程是對工程數(shù)據(jù)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(shù)不易多（一般＜15）。
5.3.1工程數(shù)據(jù)庫的建立
工程數(shù)據(jù)庫的對象模型選用成熟的關系型數(shù)據(jù)庫。將一個企業(yè)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(jù)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(jù)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(tài)，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(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫的對象模型參數(shù)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(jù)，是對零件拓撲關系的描述。下面以螺栓系列為例，由數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫，建立此類數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫表結構的正確的轉化。
5.4.1E-R圖原理
根據(jù)面向對象（00）的實體建模思想，選擇在現(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)面向對象向數(shù)據(jù)庫E-R模型轉化。E-R模型是描述中實體（Entity）與聯(lián)系（Relationship）的邏輯關系，是現(xiàn)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(lián)系。E-R模型是對現(xiàn)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(jié)，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(xiàn)實世界有三種抽象：
1、分類（Classification)：定義某一概念作為現(xiàn)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(yè)環(huán)境里，大慶油田3的減速機的訂購是一個企業(yè)項目（見圖5-6)，表示大慶油田3的減速機的訂購是企業(yè)項目的一個，具有企業(yè)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(lián)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(guī)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(lián)系轉化為一個關系模式，與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系的屬性轉換為關系的屬性，該關系的碼有三種：
·如聯(lián)系為1:1，則每個實體的碼均是該關系的侯選碼。
·如聯(lián)系為1:n，則關系的碼為n端實體的碼。
·如聯(lián)系為n:m，則關系的碼為諸實體碼的組合。
5.4.2具體實現(xiàn)
對于項目信息管理系統(tǒng)，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(jié)點除根節(jié)點外，有自己的子節(jié)點；每個節(jié)點除最外層子節(jié)點外，有自己的父節(jié)點。在本系統(tǒng)中，項目是整個樹結構的根節(jié)點，而個圖紙內容是最外層子節(jié)點，項目是設備圖紙和小樣圖的父節(jié)點，圖紙、小樣圖又是圖紙內容的父節(jié)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(tǒng)結構綜合出總的E-R圖，再根據(jù)E-R圖轉化規(guī)則，將E-R圖轉化為數(shù)據(jù)模型，最外層子節(jié)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(tǒng)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(jù)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(jù)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(tǒng)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）：
