導(dǎo)語(yǔ)：數(shù)據(jù)交換技術(shù)研究論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

提要

本文簡(jiǎn)要介紹了用于各種軟件間數(shù)據(jù)交換的STEP技術(shù)及其在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和前景，介紹了作者在建筑熱環(huán)境分析集成化環(huán)境中應(yīng)用STEP技術(shù)構(gòu)成基本數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)CAD工具與各種計(jì)算軟件間數(shù)據(jù)交換的體會(huì)，對(duì)制定建筑和HVAC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)STEP數(shù)據(jù)模型提出了建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫(kù)集成化技術(shù)建筑CADSTEP

Abstract

ThispaperoutlinesthedevelopmentandapplicationofSTEP(Standardforexchangeofproductmodeldata)technology,presentsapracticeofbuildinganintegrateddatamodelforbuildingthermaldesignandanalysiswithSTEPtechnologyandmakessomesuggestionsconcerningthedevelopmentofstandardbuildingandHVACdatamodels.

Keywords：databaseCIBSCADSTEP

1前言

開(kāi)發(fā)集成化建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)CAD工具、分析軟件以及各種數(shù)據(jù)庫(kù)間數(shù)據(jù)交換。而要實(shí)現(xiàn)"開(kāi)放式"系統(tǒng)，使集成化系統(tǒng)中的各個(gè)部分都可以獨(dú)立研究開(kāi)發(fā)并不斷擴(kuò)充，就需要有一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換方式。80年代以來(lái)國(guó)外逐漸開(kāi)發(fā)出STEP技術(shù)（StandardfortheExchangeofProductModelData）作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。目前該技術(shù)已廣泛用于機(jī)械制造業(yè)的CAD、CAM系統(tǒng)中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOTC184并制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISOCD10303）。在建筑設(shè)計(jì)CAD和集成化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究中，也開(kāi)始采用STEP技術(shù)。我國(guó)1994年由國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局牽頭成立了STEP技術(shù)中心，1995年國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)成立了STEP標(biāo)準(zhǔn)分委員會(huì)（CSBTSTC159SC4），開(kāi)始制定我國(guó)的STEP標(biāo)準(zhǔn)，并組織推廣STEP技術(shù)。

2STEP技術(shù)簡(jiǎn)介

不同軟件間一般通過(guò)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。正確的數(shù)據(jù)交換的前提是要使數(shù)據(jù)的接收方能夠完整準(zhǔn)確地"理解"所接收的全部數(shù)據(jù)。最初這是通過(guò)數(shù)據(jù)生成方與數(shù)據(jù)讀取方的協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此協(xié)議包括數(shù)據(jù)的格式、順序、數(shù)量以及數(shù)據(jù)文件中每一個(gè)位置上的數(shù)據(jù)的物理意義。

隨著產(chǎn)品和工程數(shù)據(jù)復(fù)雜的增加，上述方式就愈來(lái)愈不適應(yīng)。同一類型的事物，具體對(duì)象不同，所要描述的數(shù)據(jù)的數(shù)量就不同，所表示的物理意義亦不同，甚至數(shù)據(jù)類型也不同。例如描述一座建筑物數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)及數(shù)量隨建筑的樓層、房間數(shù)及門窗墻數(shù)的不同百有很大差別；描述一個(gè)空氣處理室的數(shù)據(jù)，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的空氣處理室（表冷器、噴霧室），有些數(shù)據(jù)代表的意義相聯(lián)系才有意義，一組數(shù)據(jù)只有與它們的相互關(guān)系的定義相結(jié)合才有意義。僅依靠預(yù)先約定的一些協(xié)議，很難準(zhǔn)確反映每個(gè)數(shù)據(jù)的物理意義及數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系，更難以適應(yīng)被描述事物類可能具有的各種變化。數(shù)據(jù)的物理意義、數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系以及數(shù)據(jù)本身三者共同構(gòu)成了對(duì)事物的描述。數(shù)據(jù)交換與傳遞也應(yīng)包括這三部分內(nèi)容，而決不僅是數(shù)據(jù)本身。

基于上述觀點(diǎn)，提出了STEP數(shù)據(jù)交換技術(shù)。將數(shù)據(jù)組織為數(shù)據(jù)項(xiàng)儲(chǔ)存。每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)包括描述該項(xiàng)內(nèi)容的若干個(gè)數(shù)據(jù)，其中亦可有與此項(xiàng)內(nèi)容有關(guān)的其它數(shù)據(jù)項(xiàng)名。每個(gè)數(shù)據(jù)與它的物理名共同儲(chǔ)存。為了準(zhǔn)確地描述數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各數(shù)據(jù)項(xiàng)間的關(guān)系，對(duì)種每數(shù)據(jù)項(xiàng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其中每個(gè)數(shù)據(jù)的物理意義都要用EXPRESS語(yǔ)言嚴(yán)格定義。這種數(shù)據(jù)項(xiàng)的EXPRESS定義稱作數(shù)據(jù)模型。根據(jù)此數(shù)據(jù)模型可以準(zhǔn)確寫出STEP方式的數(shù)據(jù)文件，也可以很容易地理解按此模型生成的STEP方式的數(shù)據(jù)文件。

以描述一個(gè)建筑物的幾何尺寸為例。建筑物可看成是由許多封閉空間組成；每個(gè)空間由若干個(gè)表面所圍成；每個(gè)表面由若干條線段為邊界；每條線段由它的起始坐標(biāo)確定。同時(shí)，每條線段又是兩個(gè)表面的相交邊界；每個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)都以兩個(gè)表面為其兩側(cè)。這個(gè)數(shù)據(jù)模型可以用如下EXPRESS語(yǔ)言描述：

ENTITY：建筑

iscomposedof:SETOF圍護(hù)結(jié)構(gòu)

contains:SETOF空間

ENDENTITY:

ENTITY：空間

iscomposedof:SETOF表面

ENDENTITY:

ENTITY：表面

hasareaof:REAL

iscomposedof:SETOF線段

issurfaceof:圍護(hù)結(jié)構(gòu)

faceof:ONEOF(空間，外環(huán)境)

ENDENTITY:

ENTITY：線段

Point1:點(diǎn)

Point2:點(diǎn)

boundaryofsurface1:面

boundaryofsurface2::面

ENDENTITY:

ENTITY：點(diǎn)

xis:REAL

yis:REAL

zis:REAL

ENDENTITY:

ENTITY：圍護(hù)結(jié)構(gòu)

Side1is:SETOF表面

Side2is:SETOF表面

ENDENTITY:

以上定義的EXPRESS數(shù)據(jù)模型中，大寫字母為一些由語(yǔ)法決定的關(guān)鍵字。小寫英文字母及中文說(shuō)明物理意義。每一組ENTITY定義了一項(xiàng)數(shù)據(jù)項(xiàng)結(jié)構(gòu)。按照這個(gè)數(shù)據(jù)模型，一個(gè)具體的建筑幾何尺寸可用如下形式的STEP文件描述：

#1=建筑（（#80，#81，#82，#85，……），（#2，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的代號(hào)#3，#60，……））

各空間的代號(hào)

#2=空間（（#4，#5，#6，……））

各表面的代號(hào)

#3=表面（24.5，（#10，#11，……），#80，#2））

面積各線段代號(hào)所屬圍面對(duì)

護(hù)結(jié)構(gòu)空間

#4=表面（32，（#10，#14，……），#81，#2）

……

……

#10=線段（#50，#51，#3，#4）

點(diǎn)1點(diǎn)2面1面2

#11=線段（#51，#52，#3，#6）

……

#50=點(diǎn)（0.3,12.8,0.3）

x坐標(biāo)y坐標(biāo)z坐標(biāo)

#51=點(diǎn)（………）

……

#80=圍護(hù)結(jié)構(gòu)（#3，#4）

上述STEP文件中，#n僅作為一項(xiàng)數(shù)據(jù)的識(shí)別名，其順序無(wú)任何意義。等號(hào)后的名稱給出此項(xiàng)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。它表明括號(hào)內(nèi)的內(nèi)容必須與該項(xiàng)ENTITY在EXPRESS中定義的結(jié)構(gòu)一致。括號(hào)內(nèi)#n則給出各項(xiàng)數(shù)據(jù)間的相互聯(lián)系。

這種方式的數(shù)據(jù)文件，各項(xiàng)數(shù)據(jù)順序無(wú)關(guān)，根據(jù)被描述事物的復(fù)雜程度，總的項(xiàng)數(shù)亦可很不相同。只要得到它的數(shù)據(jù)模型，即可產(chǎn)生或理解全部數(shù)據(jù)內(nèi)容。這樣，EXPRESS定義的數(shù)據(jù)模型相當(dāng)于嚴(yán)格定義的計(jì)算機(jī)化的數(shù)據(jù)文件協(xié)議。在它的公開(kāi)與一致的基礎(chǔ)上，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確理解。

實(shí)際的建筑物涉及的信息當(dāng)然遠(yuǎn)比上例復(fù)雜，但用同樣方法亦可準(zhǔn)確完整地描述清楚，并可靈活使用。

上例描述的基礎(chǔ)，建立在數(shù)據(jù)模型的一致上。若數(shù)據(jù)模型不一致，也就是看待和描述事物的角度不一致，仍不能實(shí)現(xiàn)這種數(shù)據(jù)交換。例如，如果某個(gè)軟件是用各面墻的中線描述建筑物幾何信息，其數(shù)據(jù)就很難直接用上述數(shù)據(jù)模型表出。因此，制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，即統(tǒng)一的EXPRESS形式的定義文件，是使用和推廣STEP技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)十余年的努力，已開(kāi)發(fā)出許多使用STEP的軟件工具。例如以圖形化方式定義數(shù)據(jù)模型并直接生成EXPRESS文件的NIAM；將EXPRESS文件自動(dòng)轉(zhuǎn)換為C++中數(shù)據(jù)類型說(shuō)明的CCGEN；直接存儲(chǔ)、管理和檢索STEP形式數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件等。目前隨著STEP技術(shù)的普及與深入，新的工具還在不斷出現(xiàn)。

3使用STEP的初步嘗試

與英國(guó)建筑研究中心（BRE）合作，并結(jié)合國(guó)內(nèi)的具體情況，作者近兩年來(lái)開(kāi)發(fā)出采用STEP數(shù)據(jù)交換方式的集成化建筑熱環(huán)境分析系統(tǒng)IISABRE。它的基本思想就是試圖將相關(guān)的各種計(jì)算軟件及CAD工具集成到一起，每個(gè)軟件可以使用其它軟件的各種輸出結(jié)果，它的輸出結(jié)果亦可被其它軟件所使用。系統(tǒng)的核心是使用STEP技術(shù)按照EXPRESS定義的建筑信息數(shù)據(jù)模型（IDM，IntergratedDataModel）。該數(shù)據(jù)模型包括建筑物的幾何信息、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、建筑物的運(yùn)行管理方式以及微生物的能耗、采光、自然室溫等各種物理性能。利用此數(shù)據(jù)模型可基本上描述與建筑熱物理有關(guān)的各種信息。為了實(shí)現(xiàn)各軟件與以此數(shù)據(jù)模型為原型的數(shù)據(jù)庫(kù)交換數(shù)據(jù)，每個(gè)軟件都配一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器從STEP數(shù)據(jù)庫(kù)中取出該軟件所需要的數(shù)據(jù)，按其要求生成數(shù)據(jù)輸入文件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器又將該軟件的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為STEP方式并存入STEP數(shù)據(jù)庫(kù)中。

利用這一系統(tǒng)，用戶首先AutoCAD上描述所分析建筑的三維幾何形狀，并通過(guò)從門窗墻部件庫(kù)選擇相應(yīng)的部件來(lái)定義各建筑部件的材料和物理性能。這些輸入結(jié)果都被轉(zhuǎn)換為STEP的數(shù)據(jù)項(xiàng)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶可調(diào)用計(jì)算軟件對(duì)此建筑進(jìn)行分析。例如檢查它的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否滿足保溫標(biāo)準(zhǔn)或進(jìn)行能耗估算。用戶還可進(jìn)一步定義要求的房間范圍以及HVAC形式，從而進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算或自然室溫計(jì)算。這些計(jì)算結(jié)果亦存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并可被其它軟件利用。由于采用了開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，此系統(tǒng)還可以運(yùn)行現(xiàn)成的計(jì)算分析軟件。目前已試將美國(guó)開(kāi)發(fā)的SERIRES（建筑熱模擬軟件）和英國(guó)開(kāi)發(fā)的BREDOM（建筑能耗估算）連入。利用這種方式現(xiàn)有的分析計(jì)算軟件資源可以較方便地集成于此系統(tǒng)中。

此系統(tǒng)目前仍處于開(kāi)發(fā)完善中，但已顯示出STEP方式的優(yōu)越。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，這種優(yōu)越性會(huì)越來(lái)越明顯地表現(xiàn)出來(lái)。

4建議和設(shè)想

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟件的相對(duì)成本越來(lái)越高。使開(kāi)發(fā)出的軟件能廣泛和充分地利用是提高效率降低成本的關(guān)鍵。大型集成化系統(tǒng)復(fù)雜龐大，依靠一兩個(gè)單位的力量很難承擔(dān)。采用STEP技術(shù)可能性較容易實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式系統(tǒng)提高軟件重復(fù)使用率，因此應(yīng)大力推廣。

使用STEP技術(shù)的核心是開(kāi)發(fā)建立數(shù)據(jù)模型。制定標(biāo)準(zhǔn)的EXPRESS建筑數(shù)據(jù)模型并逐漸使大家遵循是使STEP技術(shù)能在建筑CAD領(lǐng)域產(chǎn)生效益的關(guān)鍵。目前STEP標(biāo)準(zhǔn)化組織不可能直接從事這項(xiàng)工作，它只能依靠國(guó)內(nèi)各從事建筑CAD和分析模擬軟件開(kāi)發(fā)研究的單位合作，共同完成。這一工作早晚要做，而越早完成越可早見(jiàn)成效，盡早消除重復(fù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件的浪費(fèi)現(xiàn)象。