Лекции

Таблица

Соответствие свойств, присущих технологии хранилища данных, и средств стандарта STEP

Свойство Хранилища	Средства стандарта STEP
Данных
Предметная ориентация	Стандарт STEP содержит набор прикладных
	протоколов, относящихся к разным пред-
	метным областям. Для каждого протокола
	формируются словарные метаданные (модель
	SDAI DICTIONARY)
Интегрированность	Стандарт STEP обеспечивает два уровня
данных	интеграции данных:
	за счет ссылок между объектами;
	за счет объединения SDAI-моделей
	в SCHEMA INSTANCE
Инвариантность во	Стандарт STEP позволяет иметь множество
времени	версий одного и того же изделия и для каждой
Неразрушаемость	из версий — различные представления
(стабильность	(детальное, упрощенное и т.д.).
информации)	Одновременное существование множества
	версий позволяет не уничтожать старые
	версии, а добавлять новые. Стандарт STEP
	дает возможность указания даты появления
	каждой версии и временных ограничений
	применяемости версии
Минимизация	Стандарт STEP допускает использование
избыточности	отдельных данных и моделей (SDAI-моделей)
информации	в разделенном режиме

Проведенный анализ показывает возможность построения интегрированной модели изделия по технологии Хранилища Данных с использованием средств стандарта STEP.

Множество томов STEP можно разделить на две большие группы: обеспечивающие инструмент описания предметных областей и описывающие конкретные области.

К основным томам относят тома, содержащие прикладные протоколы, т.е. описания предметных областей. Все остальные тома — это средства для создания прикладных протоколов (методы описания и ресурсы), моделей и обмена данными о них (методы реализации), а также для проверки соответствия прикладных систем стандарту (методы тестирования и наборы тестов). Состав стандарта ISO 10303 (STEP) приведен в Приложении 3.

Стандарт STEP состоит из семи компонентов, каждый из которых имеет свое назначение и играет свою роль при организации информационного обмена (рис. 4.2).

21

Рис. 2.2. Структура стандарта STEP (ISO 10303)

В число компонентов стандарта входят методы описания и реализации, методология тестирования на соответствие, интегрированные ресурсы, протоколы применения, наборы абстрактных тестов, прикладные интерпретированные элементы.

Рассмотрим краткие характеристики основных компонентов стандарта

STEP.

Методы описания STEP предназначены для описания информационных моделей интегрированных ресурсов и протоколов применения

STEP.

Основным методом описания стандарта STEP является язык EXPRESS (ISO 10303-11), представляющий собой формальный язык описания информационных моделей, т.е. язык информационного моделирования.

Язык EXPRESS создан одинаково понятным как для человека, так и для компьютера. Таким образом, с одной стороны, люди могут легко строить информационные модели на EXPRESS, а с другой стороны (за счет формализованное™ языка), возможно создание программных средств для автоматической обработки информационных моделей на EXPRESS и реализации обмена данными, заданными на EXPRESS. Язык EXPRESS является независимым от программно-аппаратной платформы языком. Кроме текстового представления в STEP определено графическое подмножество языка — EXPRESS-G.

Методы реализации. Наряду с заданием информационных моделей изделия основным предназначением стандарта STEP является обмен данными об изделии. Под обменом данными об изделии в стандарте подразумевается хранение, доступ, передача и архивирование данных об изделии, т. е. процессы взаимодействия между различными компьютерными системами. Данными об изделии является содержание определенной информационной модели изделия (протокола применения), описанной на языке EXPRESS. Однако для организации полноценного информационного обмена одной модели недостаточно. Кроме нее необходимы также стандартные механизмы, реализующие процессы обмена данными и позволяющие различным компьютерным системам взаимодействовать между собой. В качестве таких механизмов выступают методы реализации STEP, предназначенные для обмена данными об изделии.

Поскольку методы реализации представляют собой интерфейс между различными компьютерными системами, они не привязаны к какойнибудь из них, а являются независимыми от программно-аппаратной платформы. Методы реализации STEP жестко ориентированы на обмен данными, структура которых описана на языке EXPRESS, что делает методы реализации независимыми от предметной области. В STEP регламентировано два метода реализации: формат обменного файла и программный интерфейс для доступа к базам данных по изделиям.

Методология тестирования на соответствие задает основные принципы тестирования различных программных средств на соответствие стандарту STEP. В конечном итоге стандарт STEP реализуется различными программными средствами. Результатом реализации является обмен данными об изделии при помощи методов реализации STEP (обменного файла или программного интерфейса). При этом STEP не регламентирует алгоритмы, которые должны использовать программные средства для реализации стандарта. Такие алгоритмы — исключительная прерогатива производителя программного обеспечения. В связи с этим возникает проблема проверки соответствия используемого программного средства стандарту STEP, т.е. способности этого программного средства корректно реализовывать обмен данными согласно протоколу применения STEP. Для решения этой проблемы в STEP существует специальный раздел — методология тестирования на соответствие стандарту, представляющая собой набор методов проверки программного продукта на соответствие протоколу применения STEP.

Используемый набор методов проверки программного средства на соответствие STEP зависит от метода реализации обмена данными, используемого в данном программном средстве. Для каждого метода реализации существует свой набор методов про-

23

верки. Однако набор методов проверки на соответствие является инвариантным по отношению к протоколу применения (в силу того, что методы реализации не зависят от предметной области и, следовательно, от протокола применения), реализуемому проверяемым программным средством, и уж тем более по отношению к самому программному средству. Процесс проверки программного средства на соответствие STEP происходит путем проверки выполнения так называемых «тестовых условий», определенных для каждого протокола применения.

Интегрированные ресурсы. Одним из отличий стандарта STEP является наличие в нем теоретической базы представления данных об изделии. Важнейшим ее компонентом являются интегрированные ресурсы STEP, задающие базовое представление данных об изделии, инвариантное по отношению к предметной области. Создание такого представления стало возможным благодаря совпадению требований к данным об изделии, предъявляемых различными предметными областями. Например, такие данные как структура изделия, организация, геометрическое описание являются одинаковыми для любой предметной области.

Интегрированные ресурсы STEP содержат базовую информационную модель изделия, заданную на языке EXPRESS. Она не предназначена для информационного обмена, а используется для построения специфичных для конкретных предметных областей информационных моделей, входящих в состав протоколов применения.

Базовое представление данных об изделии (интегрированные ресурсы) является основой при построении специфичных для конкретной предметной области представлений данных об изделии, т. е. протоколов применения. В связи с этим в названии базового представления присутствует слово «ресурс», означающее, что базовое представление является ресурсом, с использованием которого создаются протоколы применения. Благодаря наличию единой основы достигается единообразие всех протоколов применения STEP.

Протоколы применения задают специфичное для конкретной предметной области представление информации об изделии. Это представление является основой для обмена данными об изделии и построено на базе интегрированных ресурсов STEP.

Протокол применения является специальным представлением информации об изделии. Под словом «специальное» подразумевается тот факт, что представление информации об изделии, заданное в протоколе применения, является специфичным для некоторой конкретной предметной области в отличие от базового представления в интегрированных ресурсах, инвариантного по отношению к предметной области. Протоколы применения используются при организации обмена данными, поэтому структура информации, передаваемой в процессе обмена, должна соответствовать представлению данных об изделии используемого протокола применения. Примерами предметных областей, охватываемых протоколами применения STEP, являются машиностроение (ISO 10303-203), автомобилестроение (ISO 10303-214), судостроение (ISO 10303-215) и т.п. Каждое программное средство, совместимое со стандартом STEP, поддерживает один или несколько протоколов применения STEP.

Процесс построения специального представления информации протокола применения называют интерпретацией, так как каждый элемент базовой модели изделия интерпретируется в контексте предметной области протокола применения. Это может привести к появлению новых характеристик элемента или наложению ограничений на уже существующие характеристики.

Специальное представление информации об изделии протокола применения включает информационную модель изделия, специфичную для предметной области данного протокола. Информационная модель, входящая в состав протокола применения, задается с помощью языка EXPRESS, что позволяет использовать методы реализации STEP при организации информационного обмена.

Набор абстрактных тестов протокола применения предназначен для проверки степени соответствия используемого программного продукта данному протоколу применения и содержит условия такого соответствия. Проверка проводится по методологии тестирования на соответствие. Каждый протокол применения STEP имеет свой набор абстрактных тестов.

Прикладные интерпретированные элементы используют при со-

здании новых протоколов применения, а также для создания основы для обмена данными между программными средствами, поддерживающими различные протоколы применения. Поскольку требования различных предметных областей к представлению информации об изделии могут частично совпадать (например, в области представления геометрической информации), то одинаковым для соответствующих протоколов применения будет и способ использования (интерпретация) некоторых элементов интегрированных ресурсов. Такие совпадающие элементы уже в интерпретированном виде представляются в прикладных интерпретированных элементах, которые задают с помощью языка

EXPRESS.

Весь объем информации об изделии в соответствии со стандартом STEP может быть представлен по этапам его ЖЦ:

• конструкторские данные об изделии: совокупность информа-

ционных объектов, создаваемых в процессе проектирования и разработки изделия, содержащая сведения о составе изделия, геометрических моделях изделия, его компонентах и их технических характеристиках, об их отношениях в структуре изделия, о результатах расчетов и моделирования, допусках на изготовление деталей и т.д. (рис. 4.3);

• технологические данные об изделии: совокупность информационных объектов, создаваемых на стадии технологической подготовки производства и ассоциированных с информационными объектами, описывающими изделие и его компоненты. Содержат сведения о способах изготовления и контроля изделия и его компонентов в процессе производства (в том числе входного контроля покупных изделий и материалов). Включают в себя описание маршрутных и операционных технологий, нормы времени и расхода материалов, управляющие программы для станков с ЧПУ, а также данные для проектирования

Рис. 2.3. Конструкторское электронное описание изделия в соответствии со стандартом STEP

приспособлений, специального режущего и измерительного инструмента

ит.д.;

•производственные данные об изделии: совокупность информа-

ционных объектов, создаваемых в процессе производства, ассоциированных с информационными объектами, описывающими изделие и его компоненты, и содержащих сведения о статусе конкретных экземпляров изделия и его компонентов в производственном цикле;

•данные о качестве изделия: совокупность информационных объектов, создаваемых при выполнении всех видов контроля, ассоциированных с информационными объектами, описывающими изделие

иего компоненты, содержащих сведения о степени соответствия конкретных экземпляров изделия и его компонентов заданным техническим требованиям, техническим условиям, требованиям стандартов и другим нормативно-техническим документам;

•логистические данные об изделии: совокупность информационных объектов, создаваемых в процессе проектирования и разработки, ассоциированных с информационными объектами, описывающими изделие и его компоненты, содержащих сведения, необходимые для интегрированной логистической поддержки изделия на постпроизводственных стадиях ЖЦ изделия;

•эксплуатационные данные об изделии: совокупность информа-

ционных объектов, создаваемых в процессе проектирования и разработки, содержащих сведения, необходимые для организации обслуживания, ремонта и других действий, обеспечивающих работоспособность изделия. Включает в себя интерактивные электронные технические руководства по эксплуатации и ремонту.

Информационная интеграция упрощает передачу данных между субъектами и может стать той основой, на которой строится процесс поддержки изделия на различных этапах ЖЦ, хотя любое преобразование данных всегда связано с затратами ресурсов и с потерей части данных.

На сегодняшний день наиболее распространенным способом обмена данными между компьютерными системами является обмен с помощью файлов. В стандарте STEP этот способ представлен в виде так называемого «обменного файла», формат которого определен в разделе ISO 10303-21. Обменный файл STEP представляет собой текстовый или двоичный файл особой структуры, содержащий данные, являющиеся предметом обмена. Содержимое обменного файла определяется информационной моделью, согласно которой происходит обмен (эта модель должна быть описана на языке EXPRESS), и собственно данными, представленными в соответствии с используемой информационной моделью.

Представим, что необходимо передать некоторые данные между компьютерными системами CAD-1 и CAD-2. Единственное условие обмена, которое должны согласовать передающая и принимающая сторона, — это использование информационной модели на языке EXPRESS, согласно которой будет производиться обмен. После этого в системе CAD-1 создается обменный файл STEP (для этого в систему должны быть включены соответствующие программные средства), содержащий необходимые данные, представленные в соответствии с выбранной информационной моделью. Далее полученный файл произвольным способом (на дискетах, по сети и т. п.) передается в

25

систему CAD-2, которая читает его (для этого в систему также должны быть включены соответствующие программные средства) и, зная его структуру, которая соответствует выбранной информационной модели, извлекает требуемую информацию.

Обменный файл STEP содержит последовательность текстовых символов (что и позволяет ему быть независимым от программноаппаратной платформы) и состоит из двух частей: заголовка и секции данных. При передаче этот файл не сопровождается никакой дополнительной информацией, т. е. содержит все необходимые для его интерпретации данные (кроме описания информационной модели на

EXPRESS).

Более перспективным способом обмена данными между компьютерными системами является прикладной программный интерфейс, поскольку он в отличие от файлового обмена позволяет организовать доступ к данным в режиме он-лайн.

Стандарт STEP поддерживает этот способ обмена в виде про-

граммного интерфейса SDAI (Standard Data Access Interface —

стандартный интерфейс доступа к данным), заданного в разделе ISO 10303-22.

Интерфейс SDAI предназначен для организации доступа к базам данных по изделиям и представляет собой стандартизованный набор программных функций, обеспечивающих в результате своего выполнения некоторый стандартный результат. Эти программные функции используются прикладными компьютерными системами для доступа к базе данных, причем прикладная система, поддерживающая интерфейс SDAI, но изначально не ориентированная на эту базу данных по изделию, также без перекодировки сможет работать с ней. Особенностью программного интерфейса SDAI является то, что он предназначен для организации стандартизованного доступа к базам данных, информационная модель которых описана на языке EXPRESS. Это не ограничивает область применения SDAI только базами данных по изделиям, так как на языке EXPRESS может быть описана практически любая предметная область. Стандарт STEP задает схемы соответствия между абстрактным интерфейсом SDAI и конструкциями конкретных языков программирования, например С++ (ISO 10303-23) и С (ISO 1030324).

В данном случае рассмотренная задача — передача данных из системы CAD-1 в систему CAD-2 — решается с помощью базы данных по изделию. Перед началом обмена все участвующие стороны должны договориться лишь об используемой информационной модели: она должна поддерживаться базой данных, а также обеими прикладными системами. Кроме того, база данных и прикладные системы должны поддерживать программный интерфейс SDAI. В самом начале процесса информационного обмена система CAD-1 загружает требуемые данные в базу данных путем вызова соответствующих программных функций интерфейса SDAI. После появления этих данных в базе данных по изделию любая прикладная система, работающая с ней (в том числе и система CAD-2), имеет доступ к этим данным. Завершающим шагом обмена является обращение системы CAD-2 к базе данных и получение требуемой информации путем вызова соответствующих функций интерфейса SDAI.

Второй метод реализации обмена данными (с помощью интерфейса SDAI) имеет существенные преимущества перед использованием обменного файла. Возникает возможность одновременного доступа к одной и той же информации нескольких прикладных систем, что облегчает ведение параллельного проектирования, а также создание и поддержку полной информационной модели изделия.

На рис. 4.4 представлен один из вариантов использования международного стандарта ISO 10303 STEP для организации обмена данными между различными компьютерными системами. Он может работать как внутри отдельного предприятия, так и между участниками кооперации, в том числе в виртуальном предприятии.

Исходными элементами организации информационного обмена

Рис. 2.4. Схема использования международного стандарта ISO 10303

STEP для обмена данными:

--------------- вызовы функции SDAI;----------------------

передача обменного файла

терфейса SDAI на одном или нескольких языках программирования (С, С++, Java). В этом случае также потребуется первоначальное согласование используемых протоколов применения, а требования к компьютерным приложениям будут выше: они должны поддерживать доступ к БД при помощи SDAI. Процесс обмена данными состоит в обращении приложений к БД путем вызова функций интерфейса SDAI (сплошные линии на схеме рис. 4.4).

27

В то же время в данной схеме существует возможность организации БД по изделию со SDAI-доступом и при работе приложений только с обменным файлом. Для этого потребуется отдельный модуль импорта/экспорта обменных файлов в БД. В таком случае процесс обмена данными будет состоять в создании приложения обменного файла STEP, интерпретируемого модулем импорта/экспорта, в результате чего информация из него попадет в БД по изделию. Для получения информации из БД помимо прямого доступа с помощью вызова функции SDAI можно воспользоваться тем же модулем, который создаст на ее основе обменный файл. Сам модуль импорта/экспорта обменных файлов работает с БД по изделию через интерфейс SDAI.

Стандарт STEP, предназначенный для организации обмена данными между различными компьютерными системами, имел бы небольшую значимость без его поддержки конкретными программными средствами. Поддержка стандарта STEP может выражаться либо в способности обмениваться данными с применением этого стандарта, либо в способности специальным образом обрабатывать STEP-данные. На этом основании все программные средства, поддерживающие стандарт STEP, можно разделить на две категории: прикладные системы и специализированные средства.

Основным предназначением прикладных систем (в их состав входят системы CAD, САМ, PDM, ERP) является создание и обработка данных об изделии. У этих систем, как правило, есть собственная модель данных, но обмен данными с другими системами они осуществляют с помощью стандарта STEP. В настоящий момент подавляющее большинство прикладных систем поддерживают ограниченное количество протоколов применения (в основном, ISO 10303-203) и обменный файл в качестве метода реализации обмена. Поддержку стандарта STEP осуществляют практически все ведущие промышленные системы: Unigraphics, CATIA, Pro/Engineer, Autodesk Mechanical Desktop, iMAN, ENOVIA.

Специализированные средства поддержки стандарта STEP, в свою очередь, сами могут быть разделены на три категории: конверторы, базы данных и инструментальные пакеты. Конверторы позволяют преобразовывать информацию из STEP-форматов в иные форматы данных. К конверторам относятся системы, позволяющие преобразовать геометрическое описание изделия из обменного файла STEP в файл в формате спецификации IGES и наоборот. Другим примером является конвертор, преобразующий информационную модель на языке UML (Unified Modeling Language — Единый Язык Моделирования) в

информационную модель на языке EXPRESS.

Реализация баз данных по изделию осуществляется путем доступа к ним через программный интерфейс SDAI. Самой известной коммерческой реализацией таких БД является пакет EXPRESS Data Manager.

Инструментальные пакеты позволяют не только производить разнообразную обработку STEP-данных (как информационных моделей на EXPRESS, так и обменных файлов разных протоколов применения), но и самостоятельно разрабатывать компьютерные приложения, поддерживающие STEP. Примером инструментального пакета является продукт ST-Developer, содержащий в комплекте поставки специализированные программные библиотеки.

Стандарты PLIB и MANDATE

Каждый том документации по ISO 10303 начинается с одной и той же преамбулы, определяющей назначение и структуру ISO 10303, а именно: «ISO 10303 — международный стандарт для компьютерного представления и обмена данными о продукте». Такое определение ISO 10303 нуждается в определенных комментариях.

1.Под продуктом не следует понимать только материальный продукт производства; продуктом также может быть результат любого процесса, например разработки технологического плана и др.

2.Утверждение о том, что ISO 10303 является стандартом обмена данными о продукте, справедливо лишь при расширенной трактовке STEP, включающего в себя стандарты PLIB и MANDATE. С технологической точки зрения это так и есть, поскольку РЫВ и MANDATE строятся на базе стандарта STEP, заимствуя из него методы описания (язык EXPRESS), формы реализации (обменный файл и интерфейс доступа к данным) и при необходимости интегрированные ресурсы (информационные структуры). С потребительской точки зрения каждый из этих трех стандартов имеет свою предметную область.

Продукт, как правило, включает в себя компоненты и комплектующие изделия, получаемые от поставщиков. Одни и те же компоненты и комплектующие одновременно могут входить в разные продукты, поэтому существует потребность в средствах их самостоятельного информационного описания отдельно от продуктов, в которые комплектующие изделия могут входить.

ISO 13584 Parts Library (PLIB) — это серия международных стандартов для представления и обмена доступными для компьютерной интерпретации данными о поставляемых компонентах и комплектующих изделиях (узлах, деталях). Схема информационного взаимодействия с поставщиком деталей (комплектующих изделий) в соответствии с ISO 13584 приведена на рис. 4.5.

28

Рис. 2.5. Схема информационного взаимодействия с поставщиком деталей (комплектующих изделий) в соответствии с ISO 13584

ISO 13584 (PLIB) дает средства описания продукта внутри производства во внутренней сфере обращения (здесь под продуктом понимается материальный продукт производства, участвующий в товарообмене). Он представляет информацию о библиотеке изделий вместе с необходимыми механизмами и определениями, обеспечивающими обмен, использование и корректировку данных библиотеки изделий. Имеется в виду обмен между различными компьютерными системами и средами, связанными с ЖЦ продукта, где могут использоваться изделия библиотеки, включая проектирование, изготовление, эксплуатацию, обслуживание и утилизацию продукта.

Стандарт ISO 13584 РЫВ включает в себя семь разделов:

•общий обзор и основополагающие принципы;

•концептуальная модель библиотеки деталей;

•основные ресурсы;

•логическая модель библиотеки поставщика;

•данные о поставщике;

•программный интерфейс к данным;

•методология структуризации классов (семейств) деталей. Стандарт ISO 13584 регламентирует:

•средства описания и технологию представления информации о компонентах и комплектующих;

•технологию обработки данных, в том числе хранения, передачи, доступа изменения и архивирования.

В отличие от стандарта ISO 10303 STEP, предназначенного для описания конкретного экземпляра продукта, стандарт РЫВ позволяет описывать классы продуктов (компонентов и комплектующих):

•стандартные детали, определенные международными или национальными стандартами (например, крепеж или подшипники);

•библиотеки (базы) данных о деталях конкретного поставщика.

Впроцессах проектирования обмен данными о деталях и комплектующих, например между системами проектирования А и В, может иметь два контекста: обмен метаданными (данными об информационных моделях деталей) и обмен собственно данными о деталях. В последнем случае должен использоваться стандарт ISO 10303 STEP.

Стандарт ISO 15531 MANDATE (Manufacturing Data for Exchange)

регламентирует некоторые вопросы представления производственных данных.

Областью стандартизации является форма представления и методы использования информации о производстве и используемых производственных ресурсах, их характеристиках и ограничениях с точки зрения управления производством.

Этот стандарт описывает динамику производства как снаружи (связи производства с внешней средой), так и изнутри (материальные и информационные потоки в организационно-производственной структуре), т.е. интегрированную модель производства.

Стандарт MANDATE состоит трех разделов (см. Приложение 4):

•представление производственных данных для внешнего обмена;

•данные по управлению использованием производственных ресурсов;

•представление данных по управлению производственными потоками.

Первый раздел определяет требования к обмену производственной информацией между компаниями на основе использования протоколов

«электронного обмена данными» EDI (Electronic Data Interchange).

Особое внимание уделено следующим вопросам:

•данные, которыми обменивается между собой коммерческая и производственная сферы;

•информация, требуемая для планирования производства;

•информация, содержащаяся в получаемых заказах;

•информация, получаемая от сферы закупок;

•информация, необходимая для управления поставщиками и дочерними компаниями;

•информация, необходимая для приема и распределения изделий. Второй раздел посвящен представлению данных по управлению

использованием производственных ресурсов (оборудование, энергоснабжение, транспорт и пр.). Сюда относятся описание и характеристики ресурсов, управление работой промышленного оборудования, вопросы качества, обслуживания и безопасности.

29

Описание производственных ресурсов может быть представлено в виде баз данных, содержащих:

•параметры ресурсов;

•входы и выходы;

•объем и мощность;