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1、ArcDB：建筑工程设计数据库管理系统课题简介一、 研究目标本项目针对建筑工程设计领域数据管理应用的需求，对建筑工程设计数据管理中的关键技术进行研究，并以此为基础，设计、实现具有自主知识产权的国产建筑工程设计数据库管理系统。项目的总体目标是针对建筑设计应用的特点，开发具有以下特征的建筑工程设计数据库管理系统：全面支持 IFC（Industry Foundation Class）数据标准，具有灵活的面向对象数据建模能力，高效的 IFC、XML 数据存储、压缩与查询能力；强大的并发处理和安全控制能力；采用层次化的数据库体系架构，具备跨平台部署，适应分布式与机群环境的能力。 二、 研究内容1. IF
2、C 数据存储关键技术研究作为建筑产品数据交换的国际标准，IFC 在建筑设计数据管理领域具有与日俱增的重要作用。本项目将在关系数据库理论以及对象建模技术的基础上，对 IFC 数据的存储与管理的关键技术进行研究，主要包括 IFC 数据模式与关系数据库模式的映射与转换，IFC 数据的压缩、存储与可视化发布技术等。2XML 数据存储的关键技术研究建筑工程设计数据库管理系统不仅是建筑设计环境中数据共享的基础，它还将在更加广泛的应用领域发挥重要作用，如在数字城市建设中的应用。因此，建筑工程设计数据库不仅需要对 IFC 数据的支持，还需要支持应用更为广泛的数据交换标准，如XML（Extensible Mar
3、kup Language） ，XML 已经成为基于 Web 的数据交换标准，同时XML 也是描述 IFC 模型的一种重要语言，因此，本项目将研究 IFC 模型的 XML 描述语言，ifcXML、BlisXML 等的关系数据库存储方法以及在关系数据库中实现对上述 XML 语言的有效查询，如对 XQuery 查询语言的支持。3面向建筑工程设计的关系数据库管理技术的研究由于关系数据库系统在理论与实践上都已非常成熟，因此本项目的核心数据管理系统将是一个较为完整的关系数据库系统，具备：查询处理、事务管理、文件和缓冲区管理、系统备份、安全管理、索引机制、数据定义语言（DDL）编译器，数据操纵语言（ DML
4、）编译器等功能模块。由于建筑工程设计领域各类不同的任务要求和应用场景对数据库系统会提出不同性能指标与要求，如对于非并发设计的任务，用户往往要求较高的查询效率，没有并发控制与事务处理的要求，因此，数据库不需要提供事务管理能力，这样可以极大地提高系统的效率。而多用户协同设计时，数据一致性与并发控制就变成了必备条件，因此，数据库系统必须提供事务处理能力。因此，本项目提出具与可调配能力的分层的关系数据库管理系统体系框架：主要包括数据接口层，数据库任务管理层，数据存储引擎层等。各层之间通过统一的接口定义，实现数据库软件功能的可组合性与可伸缩性。即针对不同的应用，在上层模块相对固定的情况下可以开发如建筑设
5、计 XML 数据存储引擎，机群数据存储引擎以及具有建筑事务处理特性的数据存储引擎，数据压缩存储引擎等，以适应不同任务的要求。因此，结合 IFC 和 XML 数据的特点，针对建筑工程设计应用的要求，将着重在以下几方面进行深入研究： 层次化的关系数据库体系框架 查询处理和查询优化研究 并发处理研究： 安全控制研究： 三、 主要创新1. 面向建筑工程设计的关系数据库管理系统的层次化体系框架2. IFC 的 EXPRESS 以及 XML 数据的存储与发布技术 3. IFC 查询优化技术4. 建筑工程设计中的复杂事务管理与多级安全控制机制课题主要研究内容、拟解决的技术难点和主要创新点，现有研究基础主要研
6、究内容本课题主要研究内容如下：1. IFC 数据管理关键技术作为建筑产品数据交换的国际标准，IFC 的应用越来越受到重视。通过 IFC 标准，可以在各应用系统，包括各类建筑 CAD、工程管理，文档管理等系统间进行数据交换，实现建筑设计领域数据的共有化和相互利用，同时对其它设计系统提供进一步的便利。一栋建筑从规划、设计、施工，一直到后期的物业管理，涉及多个部门，若使用文件交换，同一建筑的信息将被保存到多个文件中，容易造成信息冗余和信息的不一致，并面临潜在的数据安全与控制等问题。因此，建立 IFC 数据库管理系统，将 IFC 数据统一保存在数据库中，通过数据库的关系理论模型，可以保证数据的完整性与
7、一致性，而数据库的并发管理，访问控制，查询优化机制等可以方便地实现建筑信息在广泛领域的有效共享。 关系数据库模型是目前最成熟的数据模型，具有最广泛的应用背景。本项目将系统地研究如何构建针对建筑工程设计特点的关系数据库管理系统，以支持 IFC 数据的存储管理。IFC 是产品模型数据交换标准（STEP）面向建筑领域的一个裁剪。STEP 中产品数据模型的标准化描述通过形式化的模式描述语言 EXPRESS 完成，要支持 IFC 数据的存储管理，需建立 EXPRESS 模式向数据库模式的映射。EXPRESS 模式到关系模式的映射技术已经得到了较为充分的研究与实践，但是，IFC 所拥有一些特点，如其对象结
8、构分为四层，每层只能够应用同层或下层对象，无较难处理的多父类等问题。使得对 IFC 到关系模式的映射进行进一步的优化得意实现，从而最终提高系统存储与查询的效率。2. XML 数据的关键技术研究建筑工程设计数据库管理系统建成后，所涉及的部门众多。因为不同部门可能不会就单一数据格式进行信息交换，要使应用程序相互交流需要进行大量工作。使用 XML 可以简化数据交换，不同应用程序可以将其使用的数据格式转换成 XML，反之亦然。XML（Extensible Markup Language）目前正在成为各种数据交换特别是文档的首选格式，同时它可以用作描述 IFC 模型的一种主要方式，系统研究 XML 数据
9、的关系数据库存储方法以及在关系数据库中对 XML 进行有效查询。在数据库中存放 XML 数据可以采用 2 种实现方法：Native-XML 数据库和转换为关系数据库表存储。对于工程设计行业来说，单一的 Native-XML 数据库显然不能满足需要，还要和其他关系型数据库结合使用。因此，系统研究在关系数据库中对 XML 的良好支持，针对需要存储的 XML 数据的 schema 定义、用户查询的分布特点和用户给出的存储代价上界的设定，生成有利于提高整体查询性能的关系数据库存储模式。3. 关系数据库管理系统核心功能实现具有自主知识产权的建筑工程设计数据库管理系统，除对 IFC 和 XML 做到有效支
10、持外，其必须具备关系数据库的核心功能，包括查询处理器和存储管理器。在查询处理器中又包括数据定义语言（DDL）编译器，数据操纵语言（ DML）编译器，嵌入式 DML 预编译器以及查询处理核心程序。存储管理器中包括事务管理，文件和缓冲区管理。以上功能在传统关系数据库中技术实现十分成熟，根据相关领域各类任务要求的不同，本项目将提出一个分层的关系数据库管理系统体系框架：包括数据接口层，数据库任务管理层，数据存储引擎层等。各层之间通过统一的接口定义，实现数据库软件功能的可组合性与可伸缩性。即针对不同的应用要求，在上层系统固定的情况下可以开发建筑 XML 数据存储引擎，机群数据存储引擎，具有建筑事务处理特
11、性的数据存储引擎等。提高系统扩展与适应任务的能力。因此，结合 IFC 和 XML 数据的特点，针对建筑工程设计应用的要求，将着重在以下几方面进行深入研究：层次化的关系数据库体系框架：根据建筑工程设计数据管理的特点，提出合理的数据库系统层次体系框架，优化各层次接口的定义，提高系统的可扩展性与可靠性。主要包括，数据模型映射层与查询处理模块的合理划分与接口定义，数据存储引擎与数据库任务层的接口设计与定义等。查询处理和查询优化研究：建筑领域每个对象和其它对象本身关系非常复杂，对一个对象进行查询可能会牵涉到多个对象多张表，需要对多张表进行多次连接，而连接操作往往是影响关系数据库查询效率的最主要因素。因此
12、，查询计划的优化对于建筑工程设计数据库显得尤为重要。同时，由于 IFC 面向对象的特征，引入了对象的概念，同时对象之间还存在继承与嵌套关系，这对传统关系数据库查询处理技术带来了新的挑战。本项目将根据应用的特点，采用对象关系数据库模型的理论，研究 IFC 查询优化算法，实现 IFC 数据的高效查询。并发处理研究：维护数据库的一致性是数据库管理系统的根本任务之一。关系数据库维护一致性的途径是事务。多个事务并发执行时，事务相互之间可能有干扰，破坏了事务的隔离性。并可能造成数据更新丢失、读过时数据、 “脏数据”等问题。关系数据库对事务的调度基于可串行化原则，通过加锁等方式实现并发处理，在保证数据库系统
13、一致性的前提下，提高系统的吞投率，减少额外开销。工程设计过程中，事务持续时间可能长达几天，事务间冲突和死锁概率增加，同时在CAD 等应用领域，用户的工作很多时候是交互的，非确定性的，多个用户分工合作完成一项大的设计任务，不同于常规数据库的资源竞争，往往是合作生产数据资源，因此在工程设计领域的并发处理具有长久性、试探性、协作性的特点，以严格的原子性和可串行性等为特征的常规事务处理技术可能已不适用于工程设计数据库。因此，本项目将研究如何针对建筑设计特点的有效并发控制机制。安全控制研究：基于建筑工程设计数据库的数据共享主要提供网络环境下的大规模数据共享，牵涉的部门、人员繁多，若出现数据的泄露、更改或
14、破坏将造成极大的损失。传统数据库管理系统，仅通过对用户的访问权限的控制来保证数据安全，因此，具有高安全级别的用户可以任意处置一些敏感数据，只需通过一些简单的 SQL 语句就可以把这些敏感数据赋予其它低级别用户进行存取。因此，需要研究基于数据标记的更高级的数据访问控制模型，如实现强制访问控制等高级数据访问控制模型，提高数据库的数据访问安全能力。拟解决的技术难点：1 IFC 标准实现的技术难点鉴于 IFC 标准在建筑领域的广泛使用，本系统将实现对 IFC 的全面支持。IFC 可看做STEP 标准建筑领域的裁剪与细化，要做到在关系数据库中对 IFC 数据的有效存储和管理，需要将用 EXPRESS 描
15、述的对象模式向关系数据库模式映射。但 EXPRESS 语言具有明显的面向对象特征，传统数据库管理系统的模式，均没有面向对象模型所具备的全部表达能力，因此要选择合理的映射方式；有利的一面是，IFC 较之 STEP 更为简单，其对象层次共分为四层，每层只能引用同层或低层对象，因此无需考虑多父类继承。因此如何对映射方式进行优化，以提供快速、准确的将 IFC 数据保存、查询和读取是该技术实现的难点与重点。2 XML 存储实现的技术难点根据不同的 XML 数据形式，如何设计高效的 XML 数据的关系数据库存储方法、查询策略，实行支持 XQuery 查询语言的数据库存储引擎，是 XML 存储实现的技术难点
16、。3 有效的查询设计和查询优化算法的技术难点在数据库中引入面向对象特征后，出现嵌套关系、复杂对象及对对象的嵌套、引用等。这样对传统查询带来了新的挑战，需要在关系查询语言中增加新增数据类型的成分，同时工程设计领域，以建筑领域为例，对象间的关系非常复杂，对某一对象的查询可能涉及多张表的多次查询，因此查询优化对提高查询效率显的尤为重要。而这部分查询的优化很大程度上并不能利用关系代数来解决。因此，如何在工程设计数据库中设计有效的查询策略以和优化算法也是系统要解决的难点之一。4. 并发处理的技术难点工程设计过程中，事务持续时间可能长达几天，事务间冲突和死锁概率增加，同时在 CAD等应用领域，用户的工作很多时候是交互的，非确定性的，多个用户分工合作完成一项大的设计任务，不同于常规数据库的资源竞争，往往是合作生产数据资源，因此在工程设计领域的并发处理具有长久性、试探性、协作性的特点，这样以原子性和可串行性为特征的常规事务处理技术不适用于工程数据库，因此如何针对工程设计领域并发的特点，设计有效的并发策略是系统其中之难点。5. 安全控制的
