Язык описания информационных моделей EXPRESS

7.3 BLOB стратегия

8 Рекомендации использования

Заключение

Список используемых источников

Введение

Термин CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support -- непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла) означает совокупность принципов и технологий информационной поддержки жизненного цикла продукции на всех его стадиях. Русскоязычный аналог понятия CALS -- Информационная Поддержка жизненного цикла Изделий (ИПИ). В последнее время за рубежом наряду с CALS используется также термин Product Lifecycle Management (PLM).

Цель внедрения CALS -- минимизация затрат в ходе жизненного цикла изделия, повышение его качества и конкурентоспособности.

Для описания схем данных используется разработанный язык EXPRESS. Этот язык регламентирует:

· Черчение (прямое и ассоциативное)

· Проектирование конструкций

· Инженерный анализ

· Технологическую подготовку

· Производство

· Тестирование данных и обмен ими в специальном текстовом формате

1. Преимущества CALS

Технологии, стандарты и программно-технические средства CALS обеспечивают эффективный и экономичный обмен электронными данными и безбумажными электронными документами, что дает следующие преимущества:

· возможность параллельного выполнения сложных проектов несколькими рабочими группами (параллельный инжиниринг), что существенно сокращает время разработок;

· планирование и управление многими предприятиями, участвующими в жизненном цикле продукции, расширение и совершенствование кооперационных связей (электронный бизнес);

· резкое сокращение количества ошибок и переделок, что приводит к сокращению сроков реализации проектов и существенному повышению качества продукции;

· распространение средств и технологий информационной поддержки на послепродажные стадии жизненного цикла - интегрированная логистическая поддержка изделий.

На экономические показатели предприятий, применяющих CALS-технологии, непосредственно влияют следующие факторы:

· сокращение затрат и трудоемкости процессов технической подготовки и освоения производства новых изделий;

· сокращение сроков вывода на рынок новых конкурентоспособных изделий;

· сокращение брака и затрат, связанных с внесением изменений в конструкцию;

· увеличение объемов продаж изделий, снабженных электронной технической документацией (в частности, эксплуатационной), составленной в соответствии с требованиями международных стандартов;

· сокращение затрат на эксплуатацию, обслуживание и ремонт изделий ("затрат на владение"), которые для сложной наукоемкой продукции подчас равны или превышают затраты на ее закупку.

Вот некоторые количественные оценки эффективности внедрения CALS в промышленности США:

· прямое сокращение затрат на проектирование - от 10 до 30%;

· сокращение времени разработки изделий - от 40 до 60%;

· сокращение времени вывода новых изделий на рынок - от 25 до 75%;

· сокращение доли брака и объема конструктивных изменений - от 20 до 70%.

· сокращение затрат на подготовку технической документации - до 40%;

· сокращение затрат на разработку эксплуатационной документации - до 30%.

По зарубежным данным, потери, связанные с несовершенством информационного взаимодействия с поставщиками, только в автомобильной промышленности США составляет порядка 1 млрд. долл. в год. Аналогичные потери имеют место и в других отраслях промышленности.

В тех же источниках указывается, что затраты на разработку реактивного двигателя GE 90 для самолета «Боинг-777» составили 2 млрд. долл., а разработка новой модели автомобиля компании «Форд» стоит от 3 до 6 млрд. долл. Это означает, что экономия от снижения прямых затрат на проектирование только по двум указанным объектам может составить от 500 млн. до 2,2 млрд. долл.

Как видим, внедрение CALS-технологий приводит к существенной экономии и получению дополнительной прибыли. Поэтому эти технологии и их отдельные компоненты широко применяются в промышленности развитых стран. Так, из числа 500 крупнейших мировых компаний, входящих в перечень Fortune 500, около 100% используют такой важнейший компонент CALS, как средства PDM (Product Data Management -- «управление данными об изделии»). Среди предприятий с годовым оборотом свыше 50 млн. долл. такие системы используют более 80%.

В связи с большими объемами ожидаемой экономии и дополнительных прибылей в эту сферу привлекаются значительные инвестиции, измеряемые миллиардами долларов. По данным зарубежных источников, инвестиции правительства США в сферу CALS-технологий составляют около 1 млрд. долл. в год. Затраты других стран меньше, однако, например, правительство Финляндии затратило на национальную программу в этой области свыше 20 млн. долл. и примерно такую же сумму (около 25 млн. долл.) вложили в нее частные компании. Корпорация General Motors в течение 1990 -- 1995 годов израсходовала на эти цели 3 млрд. долл. Средние затраты на один проект, посвященный решению локальной задачи в области CALS-технологий (например, разработка стандарта или программы), составляют 1,2 -- 1,5 млн. долл. при среднем сроке выполнения от двух до четырех лет.

Эти цифры свидетельствуют о том, какое значение придают на Западе проблематике, связанной с CALS-технологиями.

2. CALS в России

Россия существенно отстает от ведущих промышленно развитых стран в части внедрения современных ИТ, в том числе технологий CALS. Это отставание чревато далеко идущими негативными последствиями, прежде всего, высокой вероятностью резкого сокращения экспортного потенциала российских производителей наукоемкой продукции, вплоть до полного вытеснения их с международного рынка, что может, по мнению зарубежных экспертов, произойти к 2005 -- 2008 году.

Мировой рынок полностью отторгнет продукцию, не снабженную электронной документацией и не обладающую средствами интегрированной логистической поддержки постпроизводственных стадий жизненного цикла. Уже сегодня многие иностранные заказчики отечественной продукции выдвигают требования, удовлетворение которых невозможно без внедрения CALS-технологий:

· представление конструкторской и технологической документации в электронной форме;

· представление эксплуатационной и ремонтной документации в форме интерактивных электронных технических руководств, снабженных иллюстрированными электронными каталогами запасных частей и вспомогательных материалов и средствами дистанционного заказа запчастей и материалов;

· организация интегрированной логистической поддержки изделий на постпроизводственных стадиях их жизненного цикла;

· наличие и функционирование электронной системы каталогизации продукции;

· наличие на предприятиях соответствующих требованиям стандартов ИСО 9000:2000 систем менеджмента качества и т. д.

Выполнение этих требований предопределяет необходимость внедрения на отечественных предприятиях CALS-технологий в полном объеме.

3. Государство покровительствует CALS-технологиям

В период с 1999-го по 2002 год Минпромнауки РФ совместно с Госстандартом РФ и Минобразования РФ осуществили ряд мер, направленных на создание предпосылок к внедрению CALS-технологий в промышленности России.

Были созданы начальные элементы инфраструктуры, необходимой для разработки и внедрения CALS-технологий: Государственный научно-образовательный центр CALS-технологий, Научно-исследовательский центр (НИЦ) CALS-технологий «Прикладная логистика» и технический комитет ТК 431 Госстандарта России, координирующий разработку отечественной нормативной базы.

Подготовлены научно-методические разработки: концепция развития CALS-технологий в промышленности России [1], концепция интегрированной логистической поддержки наукоемких изделий и концепция внедрения CALS-технологий на машиностроительном предприятии.

Предприняты разработки в области создания нормативной базы: Госстандарт РФ утвердил шесть документов ГОСТ Р ИСО 10303 и шесть документов в статусе рекомендаций по стандартизации Р 50. Были подготовлены проекты 7 ГОСТ Р и три проекта авиационных отраслевых стандартов. Кроме того, разработана программа работ по подготовке новых стандартов и корректировке существующих (ЕСКД, СРПП и др.).

Созданы программные средства, реализующие CALS-технологии. В их числе -- программный продукт Technical Guide Builder, предназначенный для автоматизированной подготовки электронной технической эксплуатационной документации на экспортируемую продукцию, соответствующей требованиям CALS-стандартов. Создание с помощью этого продукта интерактивных электронных технических руководств значительно повышает конкурентоспособность продукции. Другой продукт -- PDM STEP Suite -- служит для управления данными об изделии в процессе конструирования и технологической подготовки производства, что крайне необходимо предприятиям, как разрабатывающим наукоемкую продукцию, так и продающим лицензии на ее производство.

Наконец, разработаны методические основы создания интегрированной системы управления качеством продукции, соответствующей требованиям стандартов ИСО серии 9000 версии 2000 года.

Работы по внедрению CALS-технологий в промышленность России интенсивно продолжаются при пристальном внимании и поддержке Минпромнауки РФ, Госстандарта РФ и других министерств и ведомств России. Авторы надеются, что эти работы позволят если не полностью преодолеть, то хотя бы существенно сократить отставание российской промышленности от промышленности ведущих стран Запада.

Паттерны, предназначенные для отображения отношений простого наследования между классами, являются хорошо известными. В этой курсовой работе мы обсудим возможные варианты отображений в рамках развитой модели множественного наследования языка EXPRESS.

6.3.1 Паттерн OneInheritanceHierarchy-OneTable

Первый, наиболее простой паттерн OneInheritanceHierarchy-OneTable соответствует случаю отображения всех конкретных родственных классов, имеющих общий набор прародителей, в одну таблицу <Hierarchy>_Instances. Прародителем будем называть класс-предок, у которого нет собственных родителей.

В случае простого наследования данный паттерн трансформируется в стратегию представления конкретных классов в каждом дереве наследования одной реляционной таблицей. Атрибуты всех родственных классов, являющихся вершинами дерева, отображаются в столбцы данной таблицы. Если иерархия наследования классов в прикладной модели представлена несколькими деревьями, то каждому такому дереву будет соответствовать отдельная таблица.

В общем случае множественного наследования иерархия классов представляется набором таблиц, каждая из которых соответствует одному из сочетаний прародителей. Все атрибуты классов, объединенных единым набором прародителей, отображаются в столбцы конкретной таблицы из этого набора. Для записей объектов, в которых не определены какие-либо атрибуты, в соответствующих столбцах прописываются нулевые значения.

Достоинством паттерна является возможность эффективной реализации базовых операций над произвольными объектами без дополнительных расходов на сборку значений атрибутов из разных таблиц и их обратное распределение по ним. Также непосредственно реализуется полиморфное чтение. Единственная сложность состоит в определении типа запрашиваемых объектов. Простота поддержки и развития такой СЗ стратегии делает ее довольно привлекательной. Недостатком является излишнее потребление памяти за счет избыточного хранения нулевых значений, а иногда и необходимость индексирования большого числа столбцов для ускорения выполнения запросов по значениям отдельных атрибутов. При большой глубине наследования классов, что является типичным в научных и промышленных моделях STEP, это может оказаться критичным как для потребления памяти, так и для производительности.

6.3.2 Паттерн OneClass-OneTable

В паттерне OneClass-OneTable каждый конкретный или абстрактный классы в иерархии наследования представляются отдельной таблицей <Class>_Instances, при этом собственные атрибуты данного класса отображаются в ее столбцы. Для связи с наследуемыми атрибутами она хранит вторичные ключи соответствующих записей в таблицах родительских классов. В случае простого наследования -- один вторичный ключ, в случае множественного наследования -- несколько вторичных ключей, каждый из которых соответствует таблице одного из родителей.

Поскольку при множественном наследовании возможны неоднозначные ситуации, когда атрибуты одного и того же базового класса наследуются несколько раз, реализация данного паттерна сопряжена с анализом и разрешением подобных ситуаций. В языке EXPRESS допустимо лишь виртуальное наследование, при котором любые атрибуты базовых классов должны наследоваться единожды. Поэтому при анализе реконструируется основное дерево наследования, а ветви, приводящие к циклам, игнорируются в результате обнуления соответствующих вторичных ключей к записям в таблицах родительских классов. Случаи многократного наследования атрибутов обрабатываются автоматически и не требуют дополнительного анализа.

Паттерн обеспечивает хорошую производительность на операциях полиморфного чтения, однако реализация базовых операций над объектами сопряжена с расходами на сборку значений атрибутов из нескольких таблиц при чтении и их рассылку по таблицам при записи и модификации. При глубокой иерархии наследования такие издержки могут оказаться существенными.

Затраты памяти в реализации данного паттерна близки к оптимальным, поскольку хранение вторичных ключей не требует больших накладных расходов. Как элемент схемо-зависимой стратегии паттерн не обеспечивает простоту поддержки и эволюции сложных прикладных моделей с развитой иерархией наследования.

6.3.3 Паттерн OneInheritancePath-OneTable

Некоторые недостатки предыдущего паттерна компенсируются в результате сериализации таблиц классов по отношениям наследования. В паттерне OneInheritancePath-OneTable каждому конкретному классу соответствует своя таблица <Concrete_Class>_Instances, в столбцы которой отображаются все атрибуты класса, включая наследуемые от родителей.

Паттерн обеспечивает хорошую эффективность на базовых операциях чтения, записи, модификации, удаления, однако полиморфные операции оказываются достаточно дорогими, поскольку сопряжены с просмотром всех таблиц классов, наследуемых от заданного. Затраты памяти здесь оптимальны, поскольку не требуется хранение избыточных полей. Важным достоинством паттерна в ряде случаев оказывается равномерное распределение запросов и сопряженных с ними блокировок по таблицам схемы. В отличие от предыдущих паттернов наследования, в которых превалирующая нагрузка приходится на корневые таблицы прародителей, данный паттерн обеспечивает большую эффективность за счет более равномерного распределения записей.

Однако в отношении поддержки эволюции схем паттерн довольно критичен, поскольку все запросы, основанные на полиморфных операциях, требуют модификации с учетом каждого нового наследуемого класса, включаемого в прикладную модель.

6.3.4 Паттерн AllClasses-OneTable

Паттерн AllClasses-OneTable предполагает использование единой таблицы Instances для представления дескрипторов объектов всех классов. В столбцах таблицы хранятся идентификатор объекта и его тип. Контекст использования паттерна связан с представлением атрибутов классов в виде самостоятельных таблиц. В этом случае связь между таблицами экземпляров классов и значений их атрибутов осуществляется через внешние ключи записей объектов (см. раздел 6.4.2.2). Предполагается, что значения атрибутов одного и того же типа хранятся в единой таблице независимо от их вхождения в состав того или иного класса. Тем самым достигается существенная для схемо-независимой стратегии инвариантность реляционной схемы по отношению к прикладным моделям. Связь простого объекта с его классом осуществляется через внешний ключ записи в таблице классов Entities (см. раздел 6.5). Для сложных объектов предусмотрен внешний ключ записи в соответствующей таблице сложных классов Complex_Entities.

6.3.5 Паттерн BLOB

Атрибуты классов представляются либо столбцами соответствующих таблиц объектов классов, либо самостоятельными таблицами. Как и в случае паттернов отображения классов, альтернативы представления атрибутов во многом определяются применяемой схемо-зависимой или схемо-независимой стратегией объектно-реляционного отображения. Рассмотрим их, следуя введенной классификации паттернов отображения атрибутов простых, селективных, агрегатных типов и ассоциаций.

6.4.1 Представление простых типов

Соответствие базовых типов языка EXPRESS типам данных в SQL достаточно прозрачно. В таблицу 1 сведены базовые типы EXPRESS и возможные способы их представления в некоторых популярных коммерческих и свободно распространяемых реляционных СУБД.

Таблица 1. Соответствие базовых типов EXPRESS и SQL в реляционных СУБД

Помимо указанных вариантов представления точности числовых значений и ограничений длины строковых и двоичных переменных, важные отличия затрагивают способы представления атрибутов типа BOOLEAN, LOGICAL и ENUMERATION. С точки зрения семантики языка EXPRESS значения этих типов упорядочены, и для них определены операции сравнения. Поэтому, если предполагается реализация запросов с использованием подобных операций, более предпочтительным выглядит представление переменных этих типов как целых чисел. В этом случае функция интерпретации значений в терминах исходной прикладной модели возлагается на промежуточный программный слой, возможно, с использованием словарей метаданных. Значения, представленные в виде символьных строк, интерпретируются непосредственно клиентскими приложениями. Средствами СУБД может контролироваться также и корректность данных, для чего должны быть наложены соответствующие ограничения на область допустимых значений.

6.4.2 Отображение атрибутов простых типов

Реализация паттерна представления атрибутов простых типов в виде столбцов соответствующих таблиц объектов довольно прозрачна и естественна для применения в рамках схемо-зависимой стратегии. В этом случае каждая таблица объектов классов включает в себя соответствующий столбец для представления значений простого атрибута. Тип столбца определяется возможными вариантами представления базовых типов языка EXPRESS, рассмотренными в предыдущем разделе. В качестве имени столбца могут быть выбраны либо имя атрибута, уникальное в пределах класса, либо конкатенация имен класса и атрибута, уникальная в пределах информационной схемы.

6.4.2.2 Паттерн Attribute-Table

Данный паттерн предполагает использование самостоятельных таблиц для представления простых однотипных атрибутов. Его применение возможно лишь в рамках схемо-независимой и смешанной стратегий с одновременным использованием таблиц метаданных. Привязка значений атрибутов к дескрипторам объектов осуществляется по внешним ключам записей объектов в таблице Instances, представленным в таблицах атрибутов. Для идентификации хранимых величин как значений атрибутов определенных классов в них также хранятся внешние ключи записей метаинформации о соответствующих атрибутах в таблице Attributes в составе системы таблиц метаданных.

Независимо от принадлежности различным классам значения однотипных атрибутов хранятся в одной таблице. Для представления всех атрибутов простых типов, допускаемых метамоделью языка EXPRESS, в общей реляционной схеме достаточно иметь фиксированный набор из шести таблиц: Integer_Attributes, Real_Attributes, Logical_Attributes, String_Attributes, Binary_Attributes и Enum_Attributes. Предполагается, что в схеме хранения данные типа NUMBER всегда представимы типом REAL, а данные типа BOOLEAN -- типом LOGICAL.

6.4.3 Отображение ассоциаций

Язык EXPRESS допускает определение разного рода ассоциативных отношений между классами, отличающихся как по типу, так и по кратности. Ассоциации однонаправлены в том смысле, что ассоциируемый объект может быть получен по соответствующей ссылке из объекта, содержащего ассоциативную связь. Вместе с тем, допускается задание двунаправленных связей с помощью определения обратных атрибутов (INVERSE) в ассоциируемом классе. При определении прямой и обратной ассоциации допустимо указание диапазона кратности связи как ограничения, налагаемого на количество объектов, участвующих в ней как со стороны ассоциируемых, так и со стороны ассоциирующих объектов.

Ассоциации “один-к-одному” реализуются как простые атрибуты, имеющие тип объектной ссылки. Ассоциации “один-ко-многим” представляются средствами языка как агрегаты простых ассоциативных отношений. Ассоциации вида “многие-ко-многим” непосредственно конструкциями языка не поддерживаются, однако могут быть представлены в прикладной модели в виде дополнительных объектов, через которые на основе множественных ассоциаций могут быть установлены требуемые отношения между прикладными объектами.

Рассмотрим задачу отображения множественных ассоциаций вида “один-ко-многим” как наиболее типовой случай, к которому могут быть непосредственно редуцированы ассоциации “один-к-одному” и “многие-ко-многим”. Видятся три наиболее содержательных случая представления ассоциаций и соответствующих им паттерна отображения.

6.4.3.1 Паттерн ForeignKeyAssociation