清华大学土木工程CAD技术基础课件07工程数据处理与分析

第七章工程数据处理与分析7-1工程数据处理7-2文件系统和数据库系统7-3CAD的数据交换7-4计算机辅助工程分析方法7-1工程数据处理‹概述z在工程设计过程中，经常引用各种资料和数据：¾有关图表；¾实验曲线；¾设计标准和规范。zCAD过程中，要由计算机高效、快速、准确处理这些数据。‹工程数据处理的基本方法z程序化：在应用程序内部对表格数据及线图进行查找、处理或计算，有两种具体处理方法：¾将数据或线图离散化，以数组形式存储，然后用查表或插值方法检索所需数据；¾将数表和线图拟合成公式，计算出所需数据。z数据库存储：将数表和线图的数据按规定结构存入数据库，使这些数据独立于应用程序，可为多个应用程序服务。数表程序化‹数据为常数的数表：数据之间没有明显关系。如纪录各类材料型号、规格等。¾程序处理方法：一维数表、二维数表或多维数表分别对应计算机语言中的一维数组、二维数组或多维数组，可通过程序进行赋值和调用。¾数据库存储：将数据进行一维化处理，存入数据库或数据文件，实现数据与程序分离，以增强数据管理的安全性，提高系统的可维护性。适用于CAD系统的数表处理。‹列表函数：表达工程中某些复杂问题参数间的关系，难以用理论公式准确表示。对于数据间存在某种联系或函数关系的列表函数，应进行公式化处理zz函数插值函数插值xx1x2x3x4···xnyy1y2y3y4···yn¾要解决的问题对于上表给出列表函数y=f(x)，由于列表函数只能给出结点处的函数值x1x2x3x4···xn，如y1y2y3y4···yn。当自变量为结点的中间值x时，没有相对应的y值，需采用插值法求出其函数值。¾基本原理在插值点附近选择几个合适的结点，过这些选择点构造一个简单的函数g(x)，在此段用g(x)代替原来的函数f(x)，即插值点的函数值用g(x)替代。---如何构造一个简单、有足够精度的函数。1.线性插值给定x，求其函数值y，插值步骤：ƒ选取两个相邻的自变量xi与xi+1，且xixxi+1ƒ过（xi，yi)和（xi+1，yi+1)两点连直线g(x)，代替原函数f(x)，则111111)()()()()(++++++−−+−−=+−−−=iiiiiiiiiiiiiiyxxxxyxxxxyyxxxxyyy这种插值存在一定误差，但当自变量的值间隔较小，插值精度不是很高时，可满足要求。2.2.抛物线插值抛物线插值在f(x)上取三点，过三点作抛物线g(x)，以g(x)代替f(x)，则：111111111111111))(())(())(())(())(())((+−+−+−+−+−−+−−+−−−−+−−−−+−−−−=iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiyxxxxxxxxyxxxxxxxxyxxxxxxxxy这种插值比线性插值精度高，关键要根据插值点附近点选取合适的三个点。3.分段插值4.二元插值线图程序化‹在工程设计中，经常用到表示各种参数间关系的线图，由于线图不能直接存储在计算机中，CAD系统中必须将线图程序化。‹处理方法：z找到线图原有公式，将公式编入程序，这是精确的处理方法；z将线图离散化，形成数表，用插值法进行处理；z用曲线拟合方法求出线图的经验公式，再将公式编入程序。昀常用的曲线拟合法为昀小二乘法。‹昀小二乘法z基本思想¾由线图或实验得到m个点（x1，y1）,（x2，y2）,（x3，y3），···（xn，ym)¾设拟合公式y=f(x)，通常选择初等函数，如代数多项式、幂函数、指数函数、对数函数等。¾每个结点处的偏差ei=f(xi)-yi,(i=1,2,…m),偏差的平方和：∑∑==−=mimiiiiyxfe1122))((¾如何确定拟合函数的系数，其基本要求是由该系数确定的直线与各结点的偏差的平方和昀小。当取拟合公式为多项式：偏差的平方和为多项式系数ai的函数：z使上式的导数等于零，求出Ф为极小值时的a0，a1，a2，…am值，便可得到多项式f(x))...,,,(][...)(21010202210mnimjijijmjjjmmaaaayxaxaxaxaxaaxfφφ=−==+++=∑∑∑===7-2文件系统与数据库系统‹工程设计中，需要处理大量数据和各种信息，CAD系统中，必须存储、管理、处理这些信息。‹信息在计算机中的存储与管理方式z文件系统：数据是以数据文件的形式存储在计算机的外存设备上z数据库系统：管理大量、持久、可靠、共享数据的工具‹应用程序通过某种存取方式直接对数据文件进行操作。应用程序1文件1应用程序2文件2存取方法应用程序n文件n文件系统：工作模式文件系统：特点‹文件为特定的应用需要而建立，只为该应用独享；‹不同的应用之间需要进行交叉时，不可避免在文件中引入冗余数据；‹应用程序与文件结构密切相关；‹文件的逻辑结构与物理结构可以清晰分开；‹文件中的数据可以长期保存，反复处理，易于查询，插入，修改和删除；‹文件系统设计简单。文件系统：顺序文件‹顺序文件是数据的物理存储顺序与逻辑顺序一致的文件。‹无序顺序文件z组成文件的记录没有任何次序规律，只是按写入的先后顺序进行存储；z查找方法:顺序扫描法--扫描整个文件，直至找到所需记录为止。‹有序顺序文件z组成文件的记录是根据某一属性值的次序排列z表示属性的字段称为关键字，即组成文件的记录按照某个关键字递增（减）的顺序进行存储。文件系统：顺序文件z查找方法:„折半查找当记录按关键字递增时:z将整个文件作为查询区域z将所需查找的关键字K与查找区中间点记录的关键字Km进行比较z当k=Km,该记录即为所要查的记录z当kKm,取查询区的前半部分为查询区,找到中间记录，进行比较z当kKm,取查询区的后半部分为查询区，找到中间记录，进行比较z重复同样处理，直至找到所需记录。„分块查找法当记录按关键字递增时:z把文件分成若干块，块的大小为文件记录总数的平方根;z依次扫描每块的昀后一个记录的关键字，直至找到大于要查找记录的关键字，从而断定要查找记录所在的块。z将此块继续查找，直至找到所需记录为止。文件系统：顺序文件‹特点z存储空间连续，占用存储空间少z连续存取记录速度快z记录的插入，不等长的修改和删除十分困难文件系统：索引文件‹为提高顺序文件查找速度,采用索引表，构成索引文件‹索引表--在索引文件中，把所有记录的关键码以及对应的入口地址组成一个记录或文件，存入存储器的某一区域,称为索引表。‹查找方法z先在索引表中找到需要查找的关键码，根据其提供的指针找到所需的记录文件系统：索引文件‹特点z查找效率高z物理存贮独立于逻辑结构，便于修改R1R2R3R4记录R1记录R2记录R3记录R3文件系统：散列文件‹一种直接存取文件‹将记录的关键字直接转换成记录的相应地址‹存取速度高，便于修改文件系统：链表文件‹记录的物理存储顺序与逻辑顺序可以不一致‹每一个记录项上增设一个指向下一个记录的存储地址指针‹多重链表的组织方式常用于根据多个关键字来访问某条记录‹具体做法：z根据n个关键字查询某条记录时，文件的每个记录上增加n个指针项，每个指针项指向包含相应关键字的下一个记录的地址。z分别建立每个关键字的索引表，根据索引表查询记录。数据库系统定义‹数据库系统是在文件系统的基础上发展起来的一门新型数据管理技术。‹可满足某一组织中多个用户的多种需要，按一定数据模型组织、存储、使用的数据集合。是管理大量的、持久的、可靠的、共享的数据的工具。‹特征z数据共享;z减少了数据冗余;z数据存储结构化:不仅描述数据本身，还描述了数据之间的关系，是实现数据共享的必要条件；z数据的独立性:以数据为中心,数据库管理系统把应用程序与数据库脱离开;z安全控制和完整性:不允许用户修改和非法使用z便于实现CAD/CAM一体化。‹数据库的工作模式z数据库系统中，应用程序通过数据库管理系统对数据库进行操作。应用程序1应用程序2应用程序n数据库管理系统数据库数据库系统应用‹CAD系统中运用数据库的途径z专用CAD数据库管理系统;z利用现有的商务数据库管理系统。数据库系统：模式与结构‹模式（总体逻辑结构）在建立某一专业用途的工程数据库时，首先必须考虑一个总体规划：z数据所涉及的各个实体及其数据类型;z各类数据之间的联系以及表示方法。这种规划称为数据库的模式。z全局模式:设计整个数据库全局性的规划结构z子模式:一个具体应用程序所处理的局部数据间的逻辑关系.模式是数据库的总体逻辑结构，需要一定的数据模型来描述。‹层次数据模型z层次模型是用数据结构中的树结构来描述数据库的总体逻辑结构；z层次关系体现了记录之间“一对多”的关系；z层次模型的逻辑结构清楚而简单；易实现、易修改、易扩充；z对于复杂的数据关系，往往造成数据重复存贮。‹网状数据模型z网状模型是用网状数据结构来描述数据库的总体逻辑结构。z数据之间可任意连接，可以描述复杂的数据关系，避免数据的重复存储z体现了记录之间“多对多”的关系。z网状模型数据间的连接，通常用指针链接来实现z网状模型具有层次模型的特点，层次结构是网状结构的一种特例层次数据库和网状数据库----第一代数据库‹关系数据模型z关系模型是以数学理论为基础来实现数据间的联系，通过关系运算进行数据的选取和重新组织，形成新的关系z关系模型将数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表形式。„整个二维表称之为一个“关系”，赋予一个名字；„表中的每一行是一个记录，对应一个元素组，又称为“元组”，代表一个实体；„表中每一列代表一个属性；„关系中每个元组可以通过一个或一组属性来标识，能唯一标识某元组的属性称为该元组的“码”（关键字）。关系一：关系二：房间家具名称数量家具名称单价房间1床4床500.00房间1椅4椅40.00房间1桌1桌250.00房间2床2房间2椅2房间2桌1z关系运算„把关系作为集合进行并、交、差运算„专门关系如筛选、投影、联接等家具名称数量单价总价房间家具价格床6500.003000.00房间12410.00椅640.00240.00房间21330.00桌2250.00500.00合计3740.00z关系模型的特点：„实体及其实体间的联系均用关系描述，或通过关系之间的连接运算建立联系；„关系模型按数据库的规定，将数据以一定的关系存入库中，应用时通过各种关系运算来检索或组合某些相关数据，„可动态地满足用户需要，数据的重复存贮率低，修改存取方便。z关系数据库---第二代数据库„具有完备的设计理论；„关系二维表的概念易于为用户所理解和接受；„结构简明，操作方便。‹工程数据库模型zz特点特点„数据量大、种类多、结构复杂z应用模型„混合模型：在传统的关系模型上加以扩充，使元组的某一项包含一个特殊型的数据，如把指针变量引入关系的属性之中，从而结合了关系和网状两种模型的特点。„扩充网状模型：针对网状模型的特点，将数据库管理系统按外模式，概念模式，内模式三个层次设计：外模式－－用户接口，按关系模式设计；内模式－－物理存贮，按网状模型设计概念模式－－内外模式转换数据库系统：数据库管理系统（DBMS）‹‹数据库活动数据库活动z数据的存贮、检索、修改、安全维护；z模式的描述；z关系运算；z逻辑结构到物理结构的转换；z其他数据的操纵和管理‹这些活动通过数据库管理系统，是数据库系统的核心组成部分。定义功能z数据库的数据结构z存贮结构z数据格式z保密数据库系统：数据库管理系（DBMS）管理功能z系统运行控制z数据管理z运行操作过程的记录z各种文件的建立和生成维护功能z数据库的更新z结构维护z性能监视通讯功能z与操作系统联机处理的通讯功能数据库系统：数据库设计‹需求分析z了解用户需求，确定设计范围；z分析、收集需求数据和数据处理要求；z建立需求说明文档。‹模型设计z概念模型：从用户角度分析数据及其处理要求和约束，建立一个反映用户要求的概念模式。„选择适当的设计策略、设计方法和数据模型；„进行数据抽象，形成抽象对象的层次及其相互之间的联系；„进行用户视图设计，经视图集成得到一个能支持各种应用需求的统一信息结构。此结构独立于任何DBMS软件和硬件。z逻辑模型：将概念模型转换为所选用D