§48.2 Стандарт step
Содержание STEP. Информация, создаваемая о продукции на отдельных стадиях ее жизненного цикла (маркетинг, проектирование, производство, эксплуатация и утилизация), широко используется на протяжении всего жизненного цикла. Использование информации производится с помощью различных компьютерных систем, в том числе расположенных в различных организациях. Для организации единого информационного пространства для всех участников ЖЦ изделия, обеспечивающего подобное использование информации об изделии, в CALS-технологиях предлагается применение интегрированной информационной модели изделия, содержащей в себе полную информацию об изделии. Таким образом, возникает потребность в единой, понятной для компьютеров форме представления информации об изделии, которая также должна обеспечивать организацию информационного обмена между различными компьютерными системами.
Основой такой формы представления является международный стандарт ISO 10303, неофициальное название которого STEP — стандарт, регламентирующий компьютерное представление данных об изделии и обмен ими.
STEP задает полную информационную модель изделия на протяжении его жизненного цикла, а также способы реализации обмена данными, представленными согласно полной модели изделия. Как полная модель изделия, так и способы обмена данными представлены в компьютерном виде, причем ни модель изделия, ни способы обмена не зависят от программных и аппаратных средств, используемых участниками жизненного цикла изделия.
Преимущество при использовании единого стандарта для обмена данными об изделии состоит в возможности легко организовать информационный обмен между всеми компьютерными системами, которые используются в течение ЖЦ изделия. В противном случае информационный обмен будет вестись между каждой парой компьютерных систем, что имеет существенные недостатки.
STEP также обладает рядом преимуществ: он задает не только информационную модель, но и способы реализации обмена данными; кроме геометрической информации, содержит негеометрические данные об изделии, в частности данные
структуре изделия, административные данные об изделии,
конфигурации изделия.
Структура STEP. Стандарт состоит из семи компонентов, каждый из которых имеет свое назначение и играет свою роль при организации информационного обмена:
методы описания;
методы реализации;
методология тестирования на соответствие;
интегрированные ресурсы;
протоколы применения;
наборы абстрактных тестов;
прикладные интерпретированные элементы.
Структуру STEP можно условно представить схемой, состоящей из трех уровней. Первый уровень является ядром стандарта и содержит инструментарий STEP, с помощью которого задаются остальные компоненты стандарта, а также реализуется информационный обмен. На втором уровне находится базовое представление информации об изделии, которое является инвариантным по отношению к предметной области. Это представление включает базовую информационную модель изделия, которая задана с помощью инструментария STEP. Наконец, третий уровень содержит представление информации об изделии для конкретной предметной области (например, машиностроение, автомобилестроение, судостроение ит. п.). Такое представление включает в себя информационную модель изделия для конкретной предметной области и опирается как на инструментарий ЙТЕР (первый уровень), так и на базовую модель изделия (второй уровень).
Методы описания STEP предназначены для характеристики информационных моделей интегрированных ресурсов и протоколов применения STEP. Для этого требуется формальный язык, одинаково хорошо понимаемый и людьми, и компьютерами.
Основным методом описания STEP является язык EXPRESS (ИСО 10303—11), представляющий собой язык информационного моделирования. Кроме текстового представления, в STEP определено графическое подмножество языка — EXPRESS-G.
Методы реализации позволяют организовать обмен данными об изделии, представленными с помощью методов описания STEP. 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 некоторой информационной модели изделия (обычно протокола применения), описанной на языке EXPRESS. Однако для организации полноценного информационного обмена одной модели недостаточно: кроме нее, необходимы стандартные механизмы, реализующие процессы обмена данными и позволяющие различным компьютерным системам взаимодействовать между собой. В качестве таких механизмов и выступают методы реализации STEP.
Поскольку методы реализации представляют собой интерфейс между различными компьютерными системами, то они не привязаны к какой-нибудь 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 эти методы независимыми от предметной области. В STEP регламентированы два метода реализации: формат обменного файла и программный интерфейс для доступа к базам данных по изделиям.
На сегодняшний день наиболее распространенным способом обмена данными между компьютерными системами является обмен с помощью файлов. В 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.
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. В STEP также поддерживается этот способ обмена в виде программного интерфейса SDAI, 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 (например, САПР) для доступа к базе данных, причем прикладная система, поддерживающая интерфейс SDAI, но изначально не ориентированная на базу данных по изделию (также поддерживающую SDAI), сможет без перекодировки работать с этой базой данных. Особенностью программного интерфейса SDAI является то, что он предназначен для организации стандартизованного доступа к базам данных, информационная модель которых описана на языке EXPRESS, что, строго говоря, не ограничивает область применения SDAI только базами данных по изделиям, так как на EXPRESS может быть описана практически любая предметная область. Стандарт STEP задает схемы соответствия между абстрактным интерфейсом SDAI и конструкциями конкретных языков программирования: С++ (ISO 10303—23) и С (ISO 10303—24). Кроме того, разрабатывается схема соответствия для языка Java.
Схема обмена данными с помощью программного интерфейса SDAI представлена на рис. 48.1.
Данный метод имеет существенные преимущества перед использованием обменного файла. Кроме всего прочего, это — возможность одновременного доступа к одной и той же информации нескольких прикладных систем, что облегчает ведение параллельного проектирования, а также обеспечивает простоту в создании и поддержке полной информационной модели изделия.
Методология тестирования на соответствие задает основные принципы тестирования различных программных средств на предмет соответствия стандарту STEP. В конечном итоге STEP реализуется различными программными средствами. Результатом реализации является обмен данными об изделии с помощью 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 некоторого программного средства стандарту STEP, т. е. способности этого программного средства корректно реализовывать обмен данными согласно некоторому протоколу применения STEP. Для решения этой проблемы в STEP существует специальный раздел, представляющий собой набор методов проверки программного продукта на соответствие некоторому протоколу применения STEP. Этот набор зависит от метода реализации обмена информацией, используемого в данном программном средстве, для каждого метода реализации существует свой набор методов проверки. 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 задают базовое представление данных об изделии, инвариантное по отношению к предметной области. Интегрированные ресурсы являются основой при построении специфичных для конкретной предметной области представлений данных об изделии, т. е. протоколов применения.
Интегрированные ресурсы STEP содержат базовую информационную модель изделия. Эта модель изделия задана на языке EXPRESS. Базовая модель изделия не предназначена для информационного обмена, а используется для построения специфичных для конкретных предметных областей информационных моделей изделия, входящих в состав протоколов применения. Элементами базовой модели изделия являются такие понятия, как изделие, человек, организация.
Протокол применения является специальным представлением информации об изделии, 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, т. е. 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.
Специальное представление информации об изделии протокола применения включает информационную модель изделия, специфичную для предметной области данного протокола. Информационная модель, входящая в состав протокола применения, задана с помощью языка EXPRESS, что позволяет использовать методы реализации STEP при организации информационного обмена.
Протоколы применения построены на основе интегрированных ресурсов STEP. Процесс построения специального представления информации протокола применения на основе базового представления информации интегрированных ресурсов называется интерпретацией, так как каждый элемент базовой модели изделия интерпретируется в контексте предметной области протокола применения (что может привести к появлению новых характеристик элемента или наложению ограничений на уже существующие характеристики).
Набор абстрактных тестов протокола применения предназначен для проверки степени соответствия некоторого программного продукта данному протоколу применения и содержит условия такого соответствия. Проверка проводится в соответствии с методологией тестирования на соответствие.
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.
Прикладные интерпретированные элементы создаются для дальнейшего использования при создании новых протоколов применения, а также для создания основы для обмена данными между программными средствами, поддерживающими различные протоколы применения. Прикладные интерпретированные элементы заданы с помощью языка EXPRESS.
Применение STEP. На рис. 48.1 представлен схематичный вариант использования международного стандарта ИСО 10303 STEP для организации обмена данными между различными компьютерными системами. Этот вариант может быть применен как к отдельному предприятию, так и к обмену данными между партнерами по кооперации, в том числе виртуальному предприятию.
Исходной точкой организации информационного обмена являются компьютерные системы, применяемые на предприятии или группе предприятий. Единственным требованием к этим системам является соответствие в той или иной степени стандарту STEP. Что касается типов систем, то в их качестве могут выступать:
системы автоматизированного проектирования CAD;
системы автоматизированной подготовки производства САМ;
системы управления данными об изделии PDM;
системы управления ресурсами предприятия ERP;
любые другие совместимые со STEP системы и приложения.
Как уже было сказано, в STEP существуют два метода реализации обмена данными — обменный файл и программный интерфейс SDAI. В случае если используемые компьютерные приложения обладают лишь возможностями генерации и чтения обменных файлов, то организация такого способа обмена потребует лишь согласования используемых протоколов применения (или использования специальных программ преобразования данных между протоколами применения). После этого возможна передача данных между приложениями в виде обмена файлами (пунктирные линии на схеме).
Более прогрессивным способом обмена данными является применение БД по изделию с доступом с помощью реализации программного интерфейса SDAI на одном или нескольких языках программирования (С, C++, Java). В этом случае также потребуется первоначальное согласование используемых протоколов применения, а требования к используемым компьютерным приложениям будут выше: они должны поддерживать доступ к БД по изделию с помощью SDAI. Процесс обмена данными будет состоять в обращении приложений к БД с помощью вызовов функций интерфейса SDAI (сплошная линия на схеме).
В то же время существует возможность организации БД по изделию со SDAI-доступом и при условии способности приложений работать только с обменным файлом. Для этого потребуется применение отдельного модуля импорта обменных файлов в БД и экспорта обменных файлов из БД. В таком случае процесс обмена данными будет состоять в создании приложением обменного файла STEP, который будет интерпретирован модулем импорта/экспорта, в результате чего информация из обменного файла попадет в БД по изделию. Для получения информации из БД, помимо прямого доступа с помощью вызова функции SDAI можно воспользоваться тем же модулем импорта/экспорта, который получит требуемую информацию из БД и создаст на ее основе обменный файл, который может быть передан по назначению. Сам модуль импорта/экспорта обменных файлов работает с БД по изделию через интерфейс SDAI.
Программная поддержка STEP. Стандарт предназначен для организации обмена данными между различными компьютерными системами, поэтому он не имел бы большой значимости без поддержки конкретными программными средствами. Поддержка STEP может выражаться либо в способности обмениваться данными с применением STEP, либо в способности специальным образом обрабатывать STEP-данные. На этом основании все программные средства, поддерживающие STEP, можно разделить на две категории: прикладные системы и специализированные средства.
Основным предназначением прикладных систем (в их состав входят CAD-, САМ-, PDM-, ERP-системы) является создание и обработка данных об изделии. У этих систем, как правило, есть своя собственная модель данных, но обмен данными с другими системами они осуществляют в том числе и с помощью стандарта STEP. В настоящий момент подавляющее большинство прикладных систем поддерживает ограниченное количество протоколов применения (в основном ISO 10303— 203) и обменный файл в качестве метода реализации обмена. Поддержку STEP осуществляют практически все ведущие промышленные системы.
Специализированные средства поддержки STEP могут быть разделены на три категории: конверторы, базы данных и инструментальные пакеты. Конверторы позволяют преобразовывать информацию из STEP-форматов в иные форматы данных. К таковым 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 в информационную модель на языке EXPRESS.
Существуют реализации уже упомянутых ранее баз данных по изделию с доступом через программный интерфейс SDAI. Самой известной коммерческой реализацией таких БД является пакет EXPRESS Data Manager.
Наконец, существуют целые инструментальные пакеты, позволяющие 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.