數據交換技術研究論文

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提要

本文簡要介紹了用于各種軟件間數據交換的STEP技術及其在國內外的發展狀況和前景，介紹了作者在建筑熱環境分析集成化環境中應用STEP技術構成基本數據庫實現CAD工具與各種計算軟件間數據交換的體會，對制定建筑和HVAC系統的標準STEP數據模型提出了建議。

關鍵詞：數據庫集成化技術建筑CADSTEP

Abstract

ThispaperoutlinesthedevelopmentandapplicationofSTEP(Standardforexchangeofproductmodeldata)technology,presentsapracticeofbuildinganintegrateddatamodelforbuildingthermaldesignandanalysiswithSTEPtechnologyandmakessomesuggestionsconcerningthedevelopmentofstandardbuildingandHVACdatamodels.

Keywords：databaseCIBSCADSTEP

1前言

開發集成化建筑設計系統的關鍵在于實現CAD工具、分析軟件以及各種數據庫間數據交換。而要實現"開放式"系統，使集成化系統中的各個部分都可以獨立研究開發并不斷擴充，就需要有一種標準的數據交換方式。80年代以來國外逐漸開發出STEP技術（StandardfortheExchangeofProductModelData）作為產品數據交換標準。目前該技術已廣泛用于機械制造業的CAD、CAM系統中，國際標準化組織ISOTC184并制定了國際標準（ISOCD10303）。在建筑設計CAD和集成化系統的開發研究中，也開始采用STEP技術。我國1994年由國家技術監督局牽頭成立了STEP技術中心，1995年國家技術標準委員會成立了STEP標準分委員會（CSBTSTC159SC4），開始制定我國的STEP標準，并組織推廣STEP技術。

2STEP技術簡介

不同軟件間一般通過數據文件進行數據交換。正確的數據交換的前提是要使數據的接收方能夠完整準確地"理解"所接收的全部數據。最初這是通過數據生成方與數據讀取方的協議來實現的。此協議包括數據的格式、順序、數量以及數據文件中每一個位置上的數據的物理意義。

隨著產品和工程數據復雜的增加，上述方式就愈來愈不適應。同一類型的事物，具體對象不同，所要描述的數據的數量就不同，所表示的物理意義亦不同，甚至數據類型也不同。例如描述一座建筑物數據，其結構及數量隨建筑的樓層、房間數及門窗墻數的不同百有很大差別；描述一個空氣處理室的數據，對于不同結構的空氣處理室（表冷器、噴霧室），有些數據代表的意義相聯系才有意義，一組數據只有與它們的相互關系的定義相結合才有意義。僅依靠預先約定的一些協議，很難準確反映每個數據的物理意義及數據間的相互關系，更難以適應被描述事物類可能具有的各種變化。數據的物理意義、數據間的相互關系以及數據本身三者共同構成了對事物的描述。數據交換與傳遞也應包括這三部分內容，而決不僅是數據本身。

基于上述觀點，提出了STEP數據交換技術。將數據組織為數據項儲存。每個數據項包括描述該項內容的若干個數據，其中亦可有與此項內容有關的其它數據項名。每個數據與它的物理名共同儲存。為了準確地描述數據項內部結構及各數據項間的關系，對種每數據項的內部結構及其中每個數據的物理意義都要用EXPRESS語言嚴格定義。這種數據項的EXPRESS定義稱作數據模型。根據此數據模型可以準確寫出STEP方式的數據文件，也可以很容易地理解按此模型生成的STEP方式的數據文件。

以描述一個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；每個空間由若干個表面所圍成；每個表面由若干條線段為邊界；每條線段由它的起始坐標確定。同時，每條線段又是兩個表面的相交邊界；每個圍護結構都以兩個表面為其兩側。這個數據模型可以用如下EXPRESS語言描述：

ENTITY：建筑

iscomposedof:SETOF圍護結構

contains:SETOF空間

ENDENTITY:

ENTITY：空間

iscomposedof:SETOF表面

ENDENTITY:

ENTITY：表面

hasareaof:REAL

iscomposedof:SETOF線段

issurfaceof:圍護結構

faceof:ONEOF(空間，外環境)

ENDENTITY:

ENTITY：線段

Point1:點

Point2:點

boundaryofsurface1:面

boundaryofsurface2::面

ENDENTITY:

ENTITY：點

xis:REAL

yis:REAL

zis:REAL

ENDENTITY:

ENTITY：圍護結構

Side1is:SETOF表面

Side2is:SETOF表面

ENDENTITY:

以上定義的EXPRESS數據模型中，大寫字母為一些由語法決定的關鍵字。小寫英文字母及中文說明物理意義。每一組ENTITY定義了一項數據項結構。按照這個數據模型，一個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，各圍護結構的代號#3，#60，……））

各空間的代號

#2=空間（（#4，#5，#6，……））

各表面的代號

#3=表面（24.5，（#10，#11，……），#80，#2））

面積各線段代號所屬圍面對

護結構空間

#4=表面（32，（#10，#14，……），#81，#2）

……

……

#10=線段（#50，#51，#3，#4）

點1點2面1面2

#11=線段（#51，#52，#3，#6）

……

#50=點（0.3,12.8,0.3）

x坐標y坐標z坐標

#51=點（………）

……

#80=圍護結構（#3，#4）

上述STEP文件中，#n僅作為一項數據的識別名，其順序無任何意義。等號后的名稱給出此項數據的結構。它表明括號內的內容必須與該項ENTITY在EXPRESS中定義的結構一致。括號內#n則給出各項數據間的相互聯系。

這種方式的數據文件，各項數據順序無關，根據被描述事物的復雜程度，總的項數亦可很不相同。只要得到它的數據模型，即可產生或理解全部數據內容。這樣，EXPRESS定義的數據模型相當于嚴格定義的計算機化的數據文件協議。在它的公開與一致的基礎上，即可實現數據的準確理解。

實際的建筑物涉及的信息當然遠比上例復雜，但用同樣方法亦可準確完整地描述清楚，并可靈活使用。

上例描述的基礎，建立在數據模型的一致上。若數據模型不一致，也就是看待和描述事物的角度不一致，仍不能實現這種數據交換。例如，如果某個軟件是用各面墻的中線描述建筑物幾何信息，其數據就很難直接用上述數據模型表出。因此，制定統一的標準數據模型，即統一的EXPRESS形式的定義文件，是使用和推廣STEP技術進行數據交換的關鍵。

經過十余年的努力，已開發出許多使用STEP的軟件工具。例如以圖形化方式定義數據模型并直接生成EXPRESS文件的NIAM；將EXPRESS文件自動轉換為C++中數據類型說明的CCGEN；直接存儲、管理和檢索STEP形式數據的動態數據庫軟件等。目前隨著STEP技術的普及與深入，新的工具還在不斷出現。

3使用STEP的初步嘗試

與英國建筑研究中心（BRE）合作，并結合國內的具體情況，作者近兩年來開發出采用STEP數據交換方式的集成化建筑熱環境分析系統IISABRE。它的基本思想就是試圖將相關的各種計算軟件及CAD工具集成到一起，每個軟件可以使用其它軟件的各種輸出結果，它的輸出結果亦可被其它軟件所使用。系統的核心是使用STEP技術按照EXPRESS定義的建筑信息數據模型（IDM，IntergratedDataModel）。該數據模型包括建筑物的幾何信息、圍護結構熱工性能、建筑物的運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。利用此數據模型可基本上描述與建筑熱物理有關的各種信息。為了實現各軟件與以此數據模型為原型的數據庫交換數據，每個軟件都配一個數據轉換器。此數據轉換器從STEP數據庫中取出該軟件所需要的數據，按其要求生成數據輸入文件。數據轉換器又將該軟件的計算結果轉換為STEP方式并存入STEP數據庫中。

利用這一系統，用戶首先AutoCAD上描述所分析建筑的三維幾何形狀，并通過從門窗墻部件庫選擇相應的部件來定義各建筑部件的材料和物理性能。這些輸入結果都被轉換為STEP的數據項，存入數據庫中。用戶可調用計算軟件對此建筑進行分析。例如檢查它的圍護結構是否滿足保溫標準或進行能耗估算。用戶還可進一步定義要求的房間范圍以及HVAC形式，從而進行負荷計算或自然室溫計算。這些計算結果亦存入數據庫中，并可被其它軟件利用。由于采用了開放式結構，此系統還可以運行現成的計算分析軟件。目前已試將美國開發的SERIRES（建筑熱模擬軟件）和英國開發的BREDOM（建筑能耗估算）連入。利用這種方式現有的分析計算軟件資源可以較方便地集成于此系統中。

此系統目前仍處于開發完善中，但已顯示出STEP方式的優越。隨著系統復雜性的增加，這種優越性會越來越明顯地表現出來。

4建議和設想

隨著計算機技術的發展，軟件的相對成本越來越高。使開發出的軟件能廣泛和充分地利用是提高效率降低成本的關鍵。大型集成化系統復雜龐大，依靠一兩個單位的力量很難承擔。采用STEP技術可能性較容易實現開放式系統提高軟件重復使用率，因此應大力推廣。

使用STEP技術的核心是開發建立數據模型。制定標準的EXPRESS建筑數據模型并逐漸使大家遵循是使STEP技術能在建筑CAD領域產生效益的關鍵。目前STEP標準化組織不可能直接從事這項工作，它只能依靠國內各從事建筑CAD和分析模擬軟件開發研究的單位合作，共同完成。這一工作早晚要做，而越早完成越可早見成效，盡早消除重復開發應用軟件的浪費現象。