[科普中国]-工程数据信息系统

工程数据的基本概念数据的定义

在计算机科学中，数据是计算机程序加工处理的对象，这些可以是数字、字符(包括汉字、字母)、符号、图形和声音等。从工程本身来看，数据是用来描述客观实体的某些特征。所谓实体，可以是某些具体的实物，也可是某个抽象的事件、活动，实体的特征称为属性。1

例如：变压器是一个实体，描述变压器的属性有容量、额定电压、额定电流、短路电压、短路损耗、空载电流、接线方式等，这些属性赋予不同数值，就表示一个具体变压器实体，具体数据称为属性值。这些属性就是描述变压器的数据。

数据的类型数据按性质可分为图形数据和非图形数据。图形数据是描述设计对象的几何形体的数据，如结构尺寸等。非图形数据又分为普通数据和标准数据，普通数据包括设计要求，如性能、经济指标等数据，这类数据因对象而异；标准数据是固定不变的，包括设计规范和通用标准。

数据按存取方式又分为静态数据和动态数据。静态数据是固定不变的，即存取方式不允许随时修改，如标准数据；而动态数据是随机产生的，即存取方式允许随时修改变动的数据。

数据间的关系数据间的关系可以从逻辑和物理两个方面描述，同类数据放在一行或一列。每一行都是发电机的属性参数，每一列都是发电机的同一属性。

数据物理描述表明数据在存储器中的存储方式，包括存储单元组织和分布，数据在存储器中的物理结构称数据存储结构。

工程数据的组织形式工程数据的组织形式，一般有以下几种：

1．数据项

数据项是数据中最基本的不可分的数据元素，有时亦称为字段，如表5．1中每台电机的有关数据，如容量、电压、功率因数等，它们都表达了电机的某个属性值。

2．记录

相关的数据项组成一个记录。因此，记录是数据项的集合，表5．1中每行中各个数据项的集合就构成了一个记录。

3．文件

相同性质的记录文件。例如，一个电厂的每台电机的有关数据可组成一个记录，所有该厂的各个电机的记录就组成了这个厂的电机文件。

4．数据库

数据库是一个存储相关数据的集合。是综合数据管理体系。其特点如下：

(1)记录中数据项之间具有清晰的联系和简单的结构；

(2)用户可以直接访问记录或数据项，文件之间可以交叉访问；

(3)数据的逻辑结构和存储结构之间的转换由数据库管理系统完成，因而数据的应用独立于数据的存储。

数据库是一个通用的、综合性的、减少冗余度的数据集合，它按照信息的自然联系来构造数据，把数据本身和数据间的关系都存人数据库，用各种存取方法对数据进行操作，做到数据共享。

工程数据信息系统管理技术工程数据管理模式(1)文件管理系统

工程数据管理技术同事务管理相类似，也是从文件管理系统开始发展起来的。这里的文件系统有两层含义，其一是计算机辅助设计的整个过程，即从设计开始，随之的分析、计算、绘图，均用文件作为相互间传递信息的媒介。其二是面向不同应用的计算机辅助设计作业，以至于不同的系统之间也是以文件的方式来传送信息。

(2)基于数据库管理系统

基于数据库管理系统(DBMS，data base management system)实现工程数据管理的结构如图所示。这种环境适用于先进的系统或CAD工作站，在此环境下用户可开发他们自己的应用程序。一般采用层次结构易于实现对实际物体设计过程的管理，能保证大量数据相互无关，但随着用户或应用的增多，性能会下降。

(3)基于局部区域网络的管理系统

基于局部区域网络(LAN，local area network)的工程数据管理系统的结构如图所示。目前多数CAD工作站均具有这种形式的联网功能。在这种结构下能实现数据的分布处理、资源共享、系统结构灵活、便于扩展、易保证数据无关。

(4)分布式管理系统

为适应远程多用户的需要而发展起来的分布式管理系统如图所示。这是当前工程数据管理系统的一种新技术，这里采用了先进的网络通讯、局部数据库和系统数据库相结合的工作方式，克服了基于局部区域网络进行工程数据管理系统的缺陷，但随之由于无中心数据词典(难以建立这种词典)，又给保证数据的完整性、实现并发管理带来困难，并且当一个节点破坏时常常有需要重新构造系统的危险。

工程数据的特点工程应用中的数据量大、种类多、结构复杂。从数据的性质上看，可分为图形数据和非图形数据；从数据的应用上看，可分为产品定义数据和设计与控制两种类型。其中图形数据既有满足工程绘图的二维数据，又有安装施工所需要的三维设计数据。图形数据一般是网状关系的层次结构，同一种实体可能在不同的应用阶段使用几种不同的表示方法，并且需实现不同的表示方法之间的相互转换。工程应用中的非图形数据可分为三部分。

其一是普通的管理信息，包括需求说明、技术性能、生产计划以及经济核算、报表管理等；

其二是标准数据类型，包括设计规范数据、标准公差、结构要素、材料特性、技术规范等；

其三是对形体和设计过程的语义约束条件。

因此，工程应用数据具有如下特点：

(1)数据形态多样。包括静态的标准数据，工程进程中产生的、动态的过程数据，工程阶段产生的、相对稳定但可能会定期改变的结果数据等。

(2)数据类型繁多。除数据表格外，还有图形数据、算法数据、模糊数据以及不定长或超长的正文数据等。

(3)数据关系复杂。有网状的多对多关系，多层次，多嵌套的关系，甚至这种关系是随机的、不定结构的。

(4)数据修改频繁。工程领域中的数据经历着不断交流、不断反馈、反复试探、反复修改的过程。

数据的文件管理系统CAD作业中的数据记录，可按照使用要求和数据描述方法组织成各种文件，供工程设计过程中使用。数据文件在简单的CAD系统中应用较为普遍。是一种有效的信息存储形式。

文件的类型1．顺序文件

顺序文件是数据处理历史上使用最早的文件，其特点是文件各种数据按存入的先后次序排列。数据以ASCII码的格式存储。

顺序文件的基本优点是连续存取时速度快。如文件第k个记录刚被存取过，下一个要存取的第k+1个记录，这个存取将会很快完成。

当需要对顺序文件中的某个记录进行查找时，只能按数据排列先后次序读写即扫视整个文件，直到所需的的记录被找到为止。当文件很大时，扫描过程很长，降低了查找效率。另外，数据的少量修改是很不合算的。因为顺序文件的结构是与逻辑结构一致的，对顺序文件的任何修改，都要求把整个文件的物理存储重新映射一遍。

2．随机文件

随机文件的输入输出是按随机方式进行的。可直接对磁盘上任何位置的信息进行存取，使存取的灵活性和存取速度有较大的改善。随机文件可比作唱片，只要调节唱针位置、就可指向要播放的歌曲。

随机文件的存储与顺序文件不同，每个随机记录被定义为固定长度。数据以压缩二进制格式存储在磁盘上，比顺序文件节省了磁盘空问。

数据文件的特点文件系统具有实现方便，使用效率高等优点，它提供了一种比较方便的管理技术，但是它也存在某些致命的弱点。

(1)文件只能表示事物，而不能表示事物之间的联系；

(2)文件的数据结构一旦定义便不可改变；

(3)数据维护只能以文件为单位；

(4)以程序为中心的数据管理方式。

工程数据信息数据模型数据库方式是在文件系统的基础上发展起来的新技术，它克服了文件系统的弱点，提供了一种更高级的管理技术，以实现对数据的集中和独立的管理，使数据的存储和维护不受任何用户的影响。

数据库系统的一个核心问题就是如何表示和处理实体间的联系。表示实体及实体问联系的模型称为数据模型。数据模型是数据库系统的核心和基础，每一种数据库管理系统都是基于某种数据模型的。常用的数据模型有层次型、网络型和关系型。

1．层次型

层次型模型是用树型结构来表示实体之间联系的模型，如图左所示，它体现了记录之间“一对多”的关系。层次型模型的特点是结构简单、清晰，适用于记录之间本身就存在一种自然的层次关系，但它难于处理记录之间的复杂联系。

层次型模型必须满足两个条件：一是只有一个根结点；二是根以外的其他结点有且仅有一个父结点。按照层次型模型建立的数据库系统称为层次模型数据库系统。

2．网络型

指事物之间为网络的组织结构，如图右所示，它体现了事物之间“多对多”的关系。如果取消层次模型中的两个限制条件，即可以有一个以上的结点无父结点；至少有一个结点有多于一个的父结点，便形成了网络型模型。因此，层次型模型是网络模型的一种特例。网络型模型能处理事物之间非常复杂的联系，但其模型结构极复杂。按照网络型模型建立的数据库系统称为网状模型数据库系统。

3．关系型

它是以集合中的“关系”的概念为理论基础，把信息集合定义为一张二维表的组织结构，每一张二维表称为一个关系，其中表中的每行为一个记录，每列为数据项。如表5．1表示的电机数据，就构成这种关系型数据模型。

关系型模型的数据结构简单，操作算法成熟、完善。基于关系模型建立的数据库系统称为关系数据库系统。目前国内普遍应用的FoxBASE、FoxPro、Oracle等都是关系数据库系统。

工程数据信息系统(EDIS)在一个数据库系统中，数据库的一切活动，包括库内数据的存储、检索、修改以及数据的安全维护等，都是通过一些软件来实现的。另外，前述的模式描述、关系运算、逻辑结构到物理结构的映射以及其他对数据的操纵和管理等，也要通过相应的程序来实现。

EDIS的基本功能(1)定义功能。包括数据库文件的数据结构的定义、存储结构的定义、数据格式定义和保密定义等。

(2)管理功能。包括系统运行的监督和控制、数据管理、数据完整性和安全性控制、运行操作过程的记录等。

(3)建立或生成功能。包括各种文件的建立和生成。

(4)维护功能。包括数据库的更新或再组织、结构的维护、恢复和性能监视等。

(5)通讯功能。DBMS是在计算机操作系统的支持下建立和使用的，为此必须具备与操作系统联机处理的通讯功能。

EDIS的主要特点(1)对数据实行统一、集中、独立的管理。

(2)应用程序与数据不相互依赖，即数据可独立于应用程序存在，应用程序也不必随着数据结构的变化而修改。

(3)建立检索、增删、修改等操作灵活而方便，具有全屏幕编辑功能等。

(4)在描述数据的同时，也描述数据之间的联系，即数据结构化。

(5)数据共享性好，冗余度低，具有安全性和完整性。

数据库管理方式如图所示。

数据库管理软件常用的数据库管理软件很多，如dBASEIII、FoxBASE、FoxPro、Access等。目前用得比较多的是FoxPro和Access。具体到某个数据库管理软件的操作请参考相关参书，限于篇幅所限，此处不再赘述。

专门服务于CAD工程应用的数据库管理系统称为工程数据库管理系统。

由于数据库要支持从设计到生产的整个过程，因此工程数据是非常多样和复杂的，一般可分为如下四类：

(1)管理型数据。指工程设计中用到的标准数据。如各种技术资料、标准与规范、产品目录及文档、图样管理等。这类数据与普通数据库中的数据基本相同，其特点是数据之间关系分明，数据相对稳定，即使改变也只是改变其值，其存储结构并不改变。

(2)设计型数据。指在设计与制造中产生的数据。如设计的产品结构数据、加工工艺路线数据等。这类数据的特点是具有动态性和复杂性。

(3)图形数据。包括各种工程图表、二维图形、三维几何造型等数据。

(4)各种软件包产生的数据。这类数据指一些独立处理局部设计的工程计算或图形处理软件。如优化设计软件、电力系统与有限元分析软件等。