11.2. Структура стандартов step
При разработке стандартов STEP были поставлены цели обеспечения единообразного описания и интерпретации данных в автоматизированных системах на различных этапах жизненного цикла изделий. К их разработке стандартов STEP под эгидой ISO был привлечен ряд ведущих компаний и специалистов фирм в разных отраслях промышленности.
Основу STEP составляет язык Express. Это язык унифицированного представления данных и обмена данными в компьютерных средах. Язык инвариантен к приложениям. Хотя он разрабатывался с ориентацией прежде всего на описание жизненных циклов промышленной продукции, области его применения значительно шире.
В STEP используются следующие важные понятия:
AAM — Application Activity Model; это функциональная модель IDEF0 для определенного приложения;
ARM — Application Requirements Model; это модель, представляющая данные с точки зрения пользователя. В частности, в этой модели данные могут быть выражены как средствами, типичными для приложения, так и с использованием синтаксиса языка Express.
AIM — Application Interpreted Model; это ARM модель, переведенная в STEP представление с использованием ряда унифицированных в STEP понятий, закрепленных в интегрированных ресурсах.
AP — Application Protocol; это STEP стандарт, отражающий специфику конкретного приложения;
SDAI — Standard Data Access Interface; программный интерфейс к базе данных, разделяемой рядом прикладных систем (в том числе CAD/CAM системами) и представленной на языке Express. SDAI представляет собой унифицированный набор процедур доступа к базе данных, используется в STEP средах для организации обменов между приложениями через общую базу данных.
STEP — это совокупность стандартов и состоит из ряда томов. Тома имеют свои номера N и обозначаются как "часть N" или ISO 10303-N. К настоящему времени разработано более сотни томов, часть из них имеет статус проектов, часть уже утверждена в качестве стандартов ISO.
Том 1 (ISO 10303-1) — вводный стандарт, выполняющий роль аннотации всей совокупности томов. В этом стандарте вводится ряд терминов, используемых в других стандартах, например, таких как продукт (product), приложение (application), проектные данные (product data), модель (model), модели AAM, AIM, ARM, прикладной протокол (AP), интегрированный ресурс (integrated resource), элемент функциональности (unit of functionality — UoF).
Тома 11- 14 — методы описания (Description methods),
Тома 21- 29 — методы реализации (Implementation methods),
Тома 31-35 — основы тестирования моделей (Conformance testing methodology and framework),
Тома 41- 50 — интегрированные основные ресурсы (Integrated generic resources),
Тома 101 -108 — интегрированные прикладные ресурсы (Integrated application resources),
Тома 201- 236 — прикладные протоколы (Application protocols),
Тома 301- 332 — абстрактные тестовые наборы" (Abstract test suites),
Тома 501 — 520 — прикладные компоненты (Application interpreted constructs).
Ряд томов переведен на русский язык и представлен в виде национальных стандартов России. Это, например, ГОСТ Р ИСО 10303-1-99, посвященный обзору и основополагающим принципам STEP, ГОСТ Р ИСО 10303-11-99 — справочное руководство по языку Express, ГОСТ Р ИСО 10303-21-99 — то же по обменному файлу, ГОСТ Р ИСО 10303-41-99 — описание интегрированных родовых ресурсов. Перечисленные документы соответствуют стандартам ISO 10303-1, ISO 10303-11, ISO 10303-21, ISO 10303-41. Подготовлены к утверждению стандарты ГОСТ, соответствующие томам 43, 44, 203 стандарта ISO 10303.
Методы описания
Первая группа документов — тома с номерами в диапазоне с 11 до 19, тома предназначены для описания диалектов языка Express.
N=11: Express (Express language reference manual) - основное руководство по языку Express. Содержит также описания расширения Express-C базового языка и графического варианта языка Express-G. Базовый язык приспособлен для описания и передачи статических свойств объектов приложений, т.е. параметров структур и ограничений. Расширение языка Express-C включает средства описания динамических свойств объектов (добавлено описание событий и транзакций). Для наглядности представления языковых конструкций в Express предусмотрены графические средства изображения моделей, в качестве которых может использоваться специальное дополнение Express-G (графический Express). Express-G — язык диаграмм, отдаленно напоминающий язык описания информационных моделей в методике IDEF1X.
N=12: Express-I (Language Reference Manual). Express-I — расширение языка, предназначенное для описания отдельных экземпляров данных.
N=14: Express-X (Mapping and view language) - промежуточный язык, аналогичный Express-M и используемый для описания соответствий между типами данных в заданной исходной Express-схеме и создаваемыми новыми ее вариантами (views); в качестве views могут использоваться форматы с описанием того же множества сущностей, что и в Express-схеме, например, формат IGES.
Разрабатываются также дополнения, относящиеся к следующим диалектам языка:
Express-M: Mapping definition language; язык и Express-X служит для описания соответствий между сущностями и атрибутами некоторых моделей, представленных в виде схем на языке Express. Например, этими схемами могут быть два разных прикладных протокола, имеющих частично общие данные, или две схемы одного приложения, но созданные разными лицами (при отсутствии соответствующего AP).
В Express-X и Express-M одна схема есть схема-источник, другая — целевая схема. Целевых схем может быть несколько при одной схеме-источнике. Предложения Express-X (Express-M) транслируются на язык C, результирующая программа представляет собой совокупность обращений к функциям базы данных SDAI в STEP-среде. Другими словами, транслятор относится к системе SDAI (см. протокол ISO10303-22), а Express-X можно рассматривать, как язык 4GL для обращений к функциям базы данных SDAI.
Express-P (Process definition language) - язык диаграмм для представления процессов, методов и коммуникационных структур.
Express-V - язык, предназначенный для получения ARM представлений из AIM моделей, другими словами, для описания процедур поиска экземпляров Express-объектов, отвечающих заданным условиям, и доступа к ним, например, при создании новых ARM. Эти создаваемые ARM-представления обычно не требуют столь всестороннего описания приложения, как в AIM, и потому могут быть существенно проще. В Express-V имеются:
схема-источник (AIM), обычно это прикладной протокол, например, AP203;
схема-цель, задающая сущности, которые должны быть в создаваемой частной модели;
схема отображения нужных сущностей из источника в цель. На языке Express-V описываются условия (в виде клозов WHEN) такого отображения. берется подходящая уже существующая AIM, как источник, все совпадающие объекты переводятся в ARM, далее описываются оригинальные объекты. Дополнительной возможностью реализаций Express-V является обратное отображение специфики создаваемой ARM в исходную AIM с целью развития прикладных протоколов.
Для возможности применения языка Express должны быть разработаны методы реализации (Implementation Methods), которые могут быть представлены средствами файлового взаимодействия, построением БД, интерфейсом с языками программирования.
Методы реализации
Вторую группу (тома с номерами 21...28) называют "Методы реализации", она служит для реализации межпрограммного информационного обмена между прикладными системами в STEP-среде. Предусмотрены межпрограммные связи с помощью обменного файла и доступа к БД.
N=21: Clear Text Encoding of the Exchange Structure (physical transfer file format); стандарт устанавливает правила оформления обменного файла. Обменный файл играет в STEP важную роль; если собственно на языке Express определены сущности, то именно в обменном файле задаются экземпляры этих сущностей. Прикладные программы для связи со STEP средой должны читать и генерировать обменные файлы.
N=22: Standard Data Access Interface Specification; содержит описание SDAI — системы представления данных и доступа к данным конкретных прикладных систем (чаще всего это CAD/CAM системы). Данные, участвующие в межпрограммных связях, образуют SDAI-модели. В системе SDAI предусматривается компилятор кода, конвертирующего эти модели в SDAI базу данных, а также функции обращения к этой базе данных. Возможно непосредственное построение прикладных систем, работающих с SDAI базой данных.
Тома с номерами N = 23...27 устанавливают правила обращения к данным в SDAI базе данных на языках программирования C++, C, Java, на языке моделирования UML на языке передачи данных в системах распределенных вычислений IDL. Стандарт c N=28 (XML representations of EXPRESS schema and data)? обозначаеvsq также, как STEP-XML, служит для представления EXPRESS схем на языке разметки XML.
Остальные тома стандарта ISO 10303 посвящены описанию тестирования моделей, представленных на языке Express, интегрированным ресурсам, прикладным протоколам и прикладным компонентам.
11.3. PDM — управление проектными данными
Системы автоматизированного проектирования относятся к числу наиболее сложных и наукоемких автоматизированных систем. Наряду с выполнением собственно проектных процедур необходимо автоматизировать также управление проектированием, поскольку сам процесс проектирования становится все более сложным и зачастую приобретает распределенный характер. На крупных и средних предприятиях заметна тенденция к интеграции САПР с АСУП и системами документооборота. Для управления столь сложными интегрированными системами в их составе имеется специальное ПО — системная среда САПР или АС, называемая в настоящее время системой управления проектными данными или системой PDM (Product Data management). Системы более общего характера, связанные с управлением данными на всех этапах жизненного цикла изделий и интеграцией различных промышленных автоматизированных систем, получили название систем управления жизненным циклом изделий или систем информационной поддержки изделий PLM (Product Lifecycle Management).
История систем управления проектными данными непосредственно связана с развитием систем автоматизированного проектирования. Появление системных сред в САПР ознаменовало переход от использования отдельных не связанных друг с другом программ, решающих частные проектные задачи, к применению интегрированной совокупности таких программ.
Интегрирующим компонентом в 70-е г.г. стала единая БД САПР. Однако попытки использовать имевшиеся в то время СУБД не приводили к удовлетворительным результатам в силу разнообразия типов проектных данных, распределенного и параллельного характера процессов проектирования, с одной стороны, и недостаточной развитости баз данных, с другой стороны.
Специализированные СУБД, ориентированные на САПР, были созданы в 80-е годы. Однако они не учитывали или в недостаточной степени удовлетворяли требованиям обеспечения целостности данных, управления потоками проектных работ, многоаспектного доступа пользователей к данным.
И лишь на рубеже 80-90 г.г. появились системы управления проектными данными, названные в то время Framework или системными средами, сначала в САПР электронной промышленности, а позднее и в САПР машиностроения, где они и получили наименование PDM.
На протяжении 90-х годов роль системных сред неуклонно повышалась. Во-первых, из-за роста сложности проектируемых объектов и необходимости сокращать сроки проектирования. Во-вторых, из-за необходимости интеграции систем проектирования с системами управления предприятием и технологическими процессами. Благодаря развитию Internet, Web- и CALS-технологий такая интеграция стала возможной в глобальном масштабе.
Современные системы управления проектными данными называют PDM. Они предназначены для информационного обеспечения проектирования и выполняют следующие основные функции:
хранение проектных данных и доступ к ним, в том числе ведение распределенных архивов документов, их поиск, редактирование, маршрутизация, создание спецификаций;
поиск, структурирование и визуализация данных;
управление конфигурацией изделия, т.е. ведение версий проекта, управление внесением изменений;
управление проектированием (проектами), обеспечение совместной работы разработчиков над проектом;
защита информации;
интеграция данных (поддержка типовых форматов, конвертирование данных).
Основной компонент систем PDM — банк данных (БнД). Он состоит из системы управления базами данных и баз данных (БД). Межпрограммный интерфейс в значительной мере реализуется через информационный обмен с помощью банка данных. PDM отличает легкость доступа к иерархически организованным данным, обслуживание запросов, выдача ответов не только в текстовой, но и в графической форме, привязанной к конструкции изделия. Поскольку взаимодействие внутри группы проектировщиков в основном осуществляется через обмен данными, то в системе PDM часто совмещают функции управления данными и управления параллельным проектированием.
К важнейшим функциям PDM относятся управление проектами и управление конфигураций изделий.
Рассмотрим остальные функции PDM.
В информационных моделях приложений фигурируют сущности (типы данных) и связи между ними. Установление сущностей, их атрибутов, связей и атрибутов связей означает структурирование проектных данных. Структура изделий обычно может быть представлена иерархически, в виде дерева. Иерархическая форма удобна при внесении и отслеживании изменений в модели, например, при добавлении и удалении сущностей, изменениях их атрибутов, введении новых связей. Поэтому одной из первоочередных функций PDM является поддержка интерактивной работы пользователя при создании моделей изделий (процессов), структурирование описаний проектируемых объектов, предъявление пользователю этой иерархической структуры вместе с возможностями навигации по дереву и получению нужной информации по каждой указанной пользователем структурной компоненте.
Например, в системе PDM STEP Suite элементы дерева, представляющего структуру изделия, могут соответствовать сборочным узлам, агрегатам, блокам, отдельным деталям. Навигация по дереву позволяет просматривать относящиеся к структурным единицам документы, геометрические модели, чертежи и другие атрибуты.
В системе PDM, разработанной в свое время фирмой Cadence для своей САПР, была предусмотрена иерархическая организация проектных данных, описывающих проектируемые СБИС (сверхбольшие интегральные схемы), с выделением уровней библиотек, категорий, ячеек, видов. Ячейка — базовый объект, который может иметь несколько различных представлений (видов). Ячейки объединяются в родственные группы — категории, а категории — в библиотеки. Разработчик с помощью системной среды имел доступ к проектным данным, мог создавать свои библиотеки, ячейки, виды.
Интерфейс с пользователем поддерживается визуализацией данных проекта одновременно в нескольких окнах. Для визуализации данных разных аспектов в PDM имеется ряд браузеров. Типичные изображения структуры изделия, создаваемые браузерами, представляются иерархическим списком или графически в виде дерева изделия или его фрагментов. В других окнах могут быть помещены различные виды, такие как 2D чертеж или 3D изображение; описания моделей; принципиальные схемы; атрибуты объекта (исполнитель, номер версии, дата утверждения и т.п.). Иногда для визуализации и редактирования данных в PDM конкретной фирмы привлекаются браузеры и редакторы других изготовителей.
Для примера на рис. 1 показан небольшой фрагмент дерева изделия. Обычно на экране дисплея рядом с названием компонента структуры высвечивается также присвоенный ему код. Выбор любого компонента (узла дерева) позволяет, во-первых, получить в появляющихся окнах требуемую информацию о компоненте. во-вторых, для компонента, являющегося сборкой, раскрыть следующий по иерархии фрагмент, в котором данный компонент будет представлен уже корневым узлом.
Рис. 1. Фрагмент дерева изделия
Целостность данных поддерживается в процессе управления конфигурацией проекта, а также тем, что нельзя одновременно изменять один и тот же объект разным разработчикам, каждый из них должен работать со своей рабочей версией. Другими словами, необходимо обеспечение синхронизации изменения данных, разделяемых многими пользователями.
Для этого выполняется авторизация пользователей и разрабатываются средства ведения многих версий проекта. Во-первых, пользователи подразделяются на классы (администрация системы, руководство проектом и частями проекта, группы исполнителей-проектировщиков) и для каждого класса вводят определенные ограничения, связанные с доступом к разделяемым данным; во-вторых, доступ регламентируется по типам разделяемых данных. Данным могут присваиваться различные значения статуса, например, "правильно", "необходимо перевычисление", "утверждено в качестве окончательного решения" и т.п. Собственно синхронизация выполняется с помощью механизмов типа рандеву или семафоров, рассматриваемых в пособиях по параллельным вычислениям.
Например, каждому пользователю в зависимости от его роли назначается уровень прав доступа. На низшем уровне пользователь может только просматривать данные. На высшем уровне, присваиваемом старшему администратору, допускаются любые модификации данных любого проекта и архивов. В функции лица, являющегося системным администратором, входят упорядочение данных с их распределением по дискам, контроль за правами доступа пользователей, связь с внешними системами (управление импортом-экспортом данных) и др.
Типичная схема разделения рабочего пространства между параллельно работающими пользователями показана на рис. 2.
Рис. 2. Информационные связи разработчиков с зонами базы данных
Следующими важными функциями PDM являются управление документами и документооборотом. Проектная документация характеризуется разноплановостью и большими объемами. В процессе проектирования используют чертежи, конструкторские спецификации или BOM, пояснительные записки, ведомости применяемости изделий, различного рода отчеты и др. Кроме того, в интегрированных автоматизированных системах проектирования и управления в документооборот входит большое число документов, связанных с процедурами маркетинга, снабжения, планирования, администрирования и т.п. .
Важно обеспечить автоматический учет влияния и распространения вносимых в проект изменений на другие части проектной документации.
Для подготовки, хранения и сопровождения необходимых документов, в том числе чертежей и схем, в PDM включают специализированные системы управления документами и системы управления документооборотом или адаптируют полнофункциональные системы делопроизводства, разработанные независимо от конкретных PDM.
Следует отметить, что параллельное проектирование (совмещенное проектирование), интеграция автоматизированных систем проектирования и управления на современных предприятиях возможны только в распределенной среде. Распределенные хранение и обработка информации в большинстве случаев осуществляются на базе применения технологий SOAP, CORBA или DCOM, языков Java и XML. Данные проекта при этом находятся в хранилищах данных, т.е. в нескольких базах распределенного банка данных. Находят применение трехзвенные распределенные системы с уровнями сервер баз данных — сервер приложений — клиенты. Принимаются меры по защите информации, типичные для корпоративных информационных систем. Разработаны рекомендации по внедрению операций с электронными цифровыми подписями.
Интеграция данных на ранних этапах развития PDM связывалась только с организацией сквозного проектирования изделий в рамках конкретной САПР. В настоящее время в связи с развитием CALS-технологий основным содержанием проблемы интеграции стало обеспечение интерфейса САПР с другими автоматизированными системами. Проблема решается с помощью поддержки типовых форматов, например, путем конвертирования данных из общепринятых форматов во внутренние представления конкретных САПР.
В CALS-технологиях взаимодействие систем основано на стандартах STEP, поэтому в ряде PDM имеются конверторы из предложенного в STEP языка Express.
Адаптация САПР к условиям конкретных предприятий может быть осуществлена с помощью языков расширения. Язык расширения — язык программирования, позволяющий адаптировать и настраивать системную среду на выполнение новых проектов. Язык расширения должен обеспечивать доступ к различным компонентам системной среды, объединять возможности базового языка программирования и командного языка, включать средства процедурного программирования. Для большинства языков расширения базовыми являются Lisp или C.