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理论计算机科学电子笔记127(2005)141-156www.elsevier.com/locate/entcs一种新的面向对象的PROGRES实现概念设计工具GraCAD雅努什·苏巴1达姆施塔特工业默克海峡25,D-64283 Darmstadt,GermanyJanusz.Szuba@ es.tu-darmstadt.de摘要本文论述了图形变换在概念设计工具规范中的应用。我们展示了如何使用图重写系统PROGRES指定图形的概念方法的一部分,建筑师在其中的功能要求的建筑设计的图形结构的装置引起的。具体要求的一致性以及设计是否符合这些要求,将通过图形约束检查器进行验证。我们考虑如何新的面向对象的PROGRES语言的扩展,即包和节点对象与redefinable方法可以用来实现所需的约束监控和保存功能的形式的图形检查器对象。我们的方法的原型,称为GraCAD,是用UPGRADE创建的-UPGRADE是最近开发的Java框架,用于开发基于PROGRES规范的可视化应用程序,以及建筑师ArchiCAD的商业系统。关键词:PROGRES,CAD,ArchiCAD,概念设计1引言设计师,特别是建筑师,经常使用图形结构来表示要设计的对象的功能和空间关系 基于1Manytan kstoAndySchu? rforfrui t f u itfu i ss iondas is ta nceperpa-tion , 并 感 谢PROGRES和UPGRADE团队的支持(特别是Bodo Kraft、Galina Volkova和MaritaBreuer)。这项研究得到了欧洲研究中心的支持,“Seg r a V is“和T U D a r mstadt的ComputationalEngineeringC entering。1571-0661 © 2005 Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放访问。doi:10.1016/j.entcs.2004.12.032142J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141基于这一观察,一种新的建筑物概念设计方法已经产生,其中使用图形结构来具体说明要设计的建筑物的功能要求和限制。具体要求的一致性以及设计是否符合要求通过图形检查器进行验证。对于我们方法的图形部分的原型,我们使用在RWTH Aachen开发的图形重写系统PROGRES[21],即。我们使用一种基于图变换的方法用于知识表示目的。使用这种方法的设计工具GraCAD可以被看作是新一代CAD工具的概念预处理器GraCAD是使用PROGRES UPGRADE Framework [2]和建筑师的CAD设计工具ArchiCAD [1]创建的。在[23]中,我们使用PROGRES约束和修复操作机制来指定GraCAD方法的约束检查。然而,这些机制仍然难以使用。此外,旧的PROGRES规范(即之前版本。11)不容易扩展和适应新的建筑类型和限制。因此,我们决定避免使用约束和修复动作,并使用新的PRO-GRES包和方法构造,这允许创建更多模块化和更清晰的规范。本文的主要议题是使用这些新的面向对象的PROGRES功能,指定Gra-CAD和提出新的面向对象的风格,指定基于图形的工具。波兰和德国的联合研究项目“土木工程概念设计的基于图形的工具”是我们研究的起点。这个项目现在已经完成,但是研究在RWTH Aachen继续在建筑物的参数化知识规范的方向([14],[15]),并在TU Darmstadt(由SegraVis1支持),主要强调UML活动和用例图与ArchiCAD的集成。第2节和第4节中描述的结果可以被视为先前在[23]和[24]中报告的研究的进一步发展,即首次将图形转换技术与基于功能分析的建筑物概念设计方法相第2节简要介绍了我们的方法。第3节展示了我们如何使用最近引入的PROGRES包和方法的概念来指定我们方法的检查器第4节涉及的GraCAD原型(实现的方法),这是创建与UPGRADE,框架开发可视化应用程序,使用PROGRES图形作为其内部数据模型,和商业CAD工具的建筑师ArchiCAD。部分1欧洲研究培训网络SegraVis -视觉建模技术J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141143第4节讨论了相关工作,最后一节总结了PROGRES的新特性。2支持概念设计如前所述,建筑师经常使用图形来描述设计对象的功能和空间关系。此外,他们使用控制流程图,类似于UML活动图,来显示在所考虑的设计对象中执行的活动的顺序;- 类似于软件工程师-架构师遵循用例驱动的方法来实现需求elitation的目的(cf.[17])。基于这些观察,我们创建了一种方法,解决了建筑设计的概念阶段,其中设计建筑的功能要求和约束以图形结构的形式规范。在该方法中,UML用例和活动图与所谓的区域图和房间图集成,然后将其转换为原型设计。由此引入的基于图的设计方法的主要优点之一是,可以在非常高的水平上以约束的形式在面积和房间图上指定特定于域的设计规则和规范,并通过使用图转换系统PROGRES自动导出相应的一致性检查代码。在下文中,给出了该方法的简短描述。由于空间不足,用例图和区域图被排除在此描述之外。详情见[23]。首先,架构师以活动图(UML活动图)的形式定义要设计的建筑物的使用场景。 这些活动图模拟了用户最频繁和最重要的行为。通过为各种类型的用户创建活动图形式的场景,从各种角度(从游泳池客户端,救生员等的角度)考虑对象的然后建筑师将设计的对象分解成房间。为此,他/她创建了一个房间图,其中指定了房间节点和它们之间的关系,如可访问性,可见性和相邻性。然后,将活动图中的活动节点映射到房间节点上。将活动映射到给定的房间节点意味着这些活动在分配的房间中执行。通过这种方式,创建了建筑物的功能需求以这种方式定义的功能要求可以根据相当多的通用或特定领域的一致性规则进行检查。这种检查器的PROGRES实现(即,如果所述建筑物具有活动图,则检查用户是否能够以由所述活动图强加的顺序舒适地执行所述活动。144J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141Fig. 1. GraCAD图形编辑器,用于指定要设计的建筑物的功能要求与定义的房间图匹配的结构)在第3节中呈现图1显示了GraCAD图形编辑器(基于PROGRES UPGRADE),用于为设计的建筑物指定活动图和房间图。GraCAD的右上角窗口显示了游泳池客户端的活动(图形)图。右下角的窗口包含游泳池的房间图形。在所呈现的游泳池的房间图中,仅示出了房间可达性关系。对于房间图中的每个房间,附加到给定房间的活动的标识符在括号中列出。在指定一致的功能需求后,建筑师创建建筑的原型设计/地板布局J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141145图2显示了在ArchiCAD环境中创建的原型。房间用ArchiCAD元素区域标记,然后从房间图形映射到房间节点。然后,根据原型的几何元素,计算区域元素之间的关系。图2的左手侧部分示出了在图片的右手侧部分上呈现的游泳池的区域图。在区域图中,显示房间可访问性和房间相邻关系。由于将区域映射到房间节点,因此可以验证(通过检查器)设计是否与功能要求图中指定的房间结构相有关GraCAD图形编辑器和GraCAD原型的ArchiCAD部分的详细信息可以在第4节中找到图二. ArchiCAD游泳池设计和通过GraCAD附加组件3新的PROGRES for GraCAD标记器对于原型的GraCAD图形部分,我们使用PROGRES系统。 在本节中,我们展示了一个使用新的PRO-GRES语言结构(即节点类/节点类型的包和方法)实现的检查器示例。引入这些构造是为了支持PROGRES规范的模块化,并简化规范片段的重用。在UML包概念的基础上,开发了PRO-GRES的模块概念(也称为包)[20]。PROGRES包允许我们隐藏转换,查询,路径或其他定义的实现,并提高规范的可读性。 基本上,一个包代表了一个用于各种声明的容器。这些声明146J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141可以有可见性标签。在可见性标签的帮助下,每个声明都可以从其他包的可 访 问 性 方 面 进 行 表 征 。 我 们 区 分 了 三 个 可 见 性 标 记 : public ( 在PROGRES中标记为一个标记为vis-public的元素可以从任何其他包中访问。受保护的元素只能从专用包中访问。私有元素根本不能从其他包访问。包可以与其他包建立关系,如专业化和进口关系。导入关系扩展导入包的名称空间。 一旦其他包被标记为public,就可以在专门化关系可以引用与导入关系相同的元素,只要它们被标记为受保护或公共。此外,可以专门化节点类声明,即。 e. 在专用包中定义的节点类可以从专用包中定义的节点类继承。进口和专业化关系本身也可以有不同的优势。关于包关系vidom的细节可以在[16]中找到。图3显示了GraCAD图形规范的PROGRES包图和类图。在PRO-GRES系统的图形模式视图模式中,类和包在图形模式上同时可见,但为了清楚起见,我们将模式分为包图和类图。出于同样的原因,我们只显示选定的包、类和关系。在包图中,导入关系由包之间的虚线箭头表示,而专用关系由实线箭头表示。在类图中,抽象类(在PROGRES节点类中称为)被标记为矩形,具体类(在PROGRES节点类型中称为)被标记为带圆角的矩形图3中显示的类形成了三个UML层:(i) 带有UML活动图元模型的标准UML语言层(umlactdiag包)(ii) 扩展的UML层,用于一般的架构概念设计。这一层由建筑物的活动图(在buil- dactdiag 包 中 实 现 ) 和 定 义 给 定 建 筑 物 功 能 的 房 间 图(roomgraph包)组成(building包)(iii) 对于给定类型的建筑物(在我们的例子中是游泳池),扩展UML用于建筑概 念 设 计 特 定 层 。此 层 在 swpoolactdiag 、 swpoolroomgraph 和swpoolbuilding包中定义。对于每一层,可以定义图形约束检查器。 包装buildingchecker由第二层的检查器和swpoolbuildchecker组成J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141147第三个在下一段中,将详细描述类和包在游泳池的GraCAD规范中,定义了以下• basic- 包含一个抽象类Object,它是Activity、ActivityDiag、Room、RoomGraph、Building、Error类的基类。 Object类有一个haslogic属性,它是一组类型为logic的节点。此属性包含适用于给定节点/对象的检查器。这些检查器是基于Meta(静态)属性checkerTypes实例化的,它是从类型checkerTypes派生的一组节点类型。属性checkerTypes在从类Ob-ject派生的类中重新定义。图3中没有显示基本包和Object类。• 检查器-由抽象类Error和抽象类Error组成,前者是所有检查器的基类,后者是所有使用的类的基类 用于检查员标记错误。• umlactdiag-包含用于表示UML活动图的类和边,即抽象类Activity,从Activity派生的具体类Start和Stop,抽象类ActivityDiag,以及边:两个Activity之间的next,ActivityDiag和Activity之间的hasActivity(指示哪些Activity属于给定的活动图)。• roomgraph- 包含用于表示要设计的建筑物的房间结构图的类和边,即Room(要设计的建筑物的房间)、RoomGraph(设计的建筑物的房间的图形)和边:hasRoom在RoomGraph和Room之间(指示哪些房间属于给定的房间图形)、两个Room之间的roomAccess(如果房间r1和r2之间是roomAccess边,则意味着r2可以从r1直接访问)。• buildactdiag-包含用于表示所设计的建筑物的活动图的类和边,即抽象类:BuildingActivity(从Activity继承),其表示在所设计的建筑物中执行的活动;BuildActDiagram,其表示所设计的建筑物的活动图;具体类Communicating,其表示通信活动以及在BuildingActivity和Room之间执行的边(如果在建筑物活动a和Roomr之间执行的边是Performance In边,则意味着活动a在Roomr中执行)。• building-由表示设计的建筑物的Building类、指示哪些建筑物活动图属于给定建筑物的Building和BuildActDiagram之间的actDiag边以及指示 哪 些 房 间 图 属 于 给 定 建 筑 物 的 Building 和 RoomGraph 之 间 的roomGraph148J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141图三. GraCAD图形模式:a)包b)类一座特定的建筑物。• swpoolactdiag包含用户在游泳池建筑中执行的活动,如游泳,更衣,脱衣等。(继承自BuildingActivity)和SwPoolActDiag(游泳池的活动图)。J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141149• swpoolroomgraph 包 含 游 泳 池 专 用 的 房 间 , 如 Bath- room ,ChangingRoom , SwimingPool 等 ( 继 承 自 Room ) 和 Sw-PoolRoomGraph(游泳池的房间图)。• swpoolbuilding 包 含 继 承 自 Building 类 的 SwPoolBuilding ( 游 泳 池 建筑)。• buildingchecker包含两个用于构建活动图的检查器:Act-Perfume(活动性能检查器)检查用户是否能够舒适地执行活动(详细信息在下面的段落中),Active-TivityCheck验证是否为每个活动分配了房间。从Error 继 承 的 ActivityError 和 NextEdgeError 类 由 ActPerfume 和ActivityError相应地用于标记错误。在所示的类图中,只显示了2个检查器,但也可以定义其他检查器,例如检查活动图中活动的顺序(参见[23])。在本节的以下部分中,将通过ActPerfume的示例描述和解释PROGRES方法的机制。如果建筑物具有与定义的房间图匹配的结构,则该检查器验证用户是否能够按照活动图强加的顺序舒适地执行活动。换句话说,如果下一条边在两个活动a1和a2之间,那么应该可以“方便地”从与a 1相连的每个房间r 1到达 让我们看一下图2中的例子。 在淋浴活动之后,可以方便地执行具有标识符游泳的活动,因为条件(c)被满足,即从淋浴室(附接到淋浴活动),可以通过通信室大厅间接地访问房间swPoolRoom(附接到游泳活动)。活动ticketPurchase不能在活动进入之后方便地执行,因为从 房 间 入 口 不 可 能 直 接 或 间 接 ( 通 过 通 信 室 ) 到 达 任 何 附 加 到ticketPurchase活动的房间,并且入口房间也不附加到ticketPurchase活动。直到PROGRES 10.3版本,在面向对象的意义上定义类作为抽象数据类型,并对其进行操作是不可能的。类可以只有属性,没有方法。在最新150J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141见图4。 GraCAD规范-节点类PROGRES(即版本11,参见[16])已经介绍了用于节点类的方法以获得完全特征化的面向对象类。在最新的PROGRES中引入的方法的正式语法主要基于以前版本中的转换和查询语法。一个新的关键词方法(cf。图4)被引入。在这个词之后,接下来是给定类的方法的定义。转换方法与PROGRES中的“经典”转换具有几乎相同的语法。它从关键字transformation开始,然后是可见性标记(与节点类相同),transformation的标识符(即。e.name)、可选的形式参数列表和限定符,限定符指示该转换是指定为部分转换还是全部转换,并且限定符还允许转换的并行执行。除了转换方法外,还可以使用查询方法。查询方法的语法与转换方法的语法非常相似(参见[16])。与“经典”变换的最大区别是可选变换体。对于方法,我们现在可以定义抽象变换,它可以被实现,即。e.然后在相应节点类的子类中进行细化。 在方法中,允许使用指定特定实例的关键字self该方法应用于的节点。GraCAD 规 范 中 的 类 footer ( 图 4 ) 由 两 个 转 换 方 法 validate 和repairAction组成。transformationrepairAction有一个定义的主体,方法validate是一个抽象transformation,必须在transform图5显示了PROGRES节点类型ActPerfume,它是节点类ActPerfume的子类。在方法部分,定义了私有方法checkNextEdge在此交易的名称之后,限定符“*”跟随。这将导致该事务并行地应用于其所有匹配项。在checkNextEdge的实现中,使用了在两个Room类之间连接定义的PROGRES路径表达式(路径声明定义了节点之间的派生二进制关系,并具有与边缘类型declare相同的元素)。当r1与r2相同或r1与r2通过连通房间的顺序连接时,两个房间r1和r2处于连接关系J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141151由于空间不足,本文中未显示连接路径声明。事务检查的左手边NextEdge找到由下一个边连接的BuildingActivitiy类型的两个Activity这些活动通过hasActivity边与BuildActDiag类型的图连接,该图通过hasActivity边链接到self节点(self节点表示为其定义方法的对象)。活动Activity带边:活动1,活动2,房间。文件室 如果找到这样的子图,则应用事务的右侧即创建NextEdgeError类型的节点并将其链接到节点3,‘6, ‘4 adequatelywith edges 如果我们将此规则应用于示例中的不一致性,即活动entry和ticketPurchase以及房间入口,并且对于这些节点NextEdgeError尚未插入,则将创建NextEdgeError节点的实例并与entry,ticketPurchase和entrance适当链接。图6显示了所考虑的检查器的最后一部分,即重新定义图五. 带有checkNextEdge方法的PROGRES类ActPerfume152J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141ActPerfume类的一部分重新定义部分是在PROGRES 11.0中引入的,用于重新定义现有方法或实现抽象方法。ActPerfume类的重新定义部分包含两个方法:validate,它实现了ActPerfume类的validate方法;repairAction,它重新定义了ActPerfume类的repairActiontransactioncheckNextEdge(如上所述)和elimi- nateNextEdgeError(由于空间不足,本文中未显示)分别在validate和repairAction方法中调用。见图6。 PROGRES类ActPerfume-方法重新定义部分4基于PROGRES UPGRADE在GraCAD中,我们的方法的原型,用于指定要设计的建筑物的功能要求的图形编辑器(图1)是使用在RWTH亚琛开发的工具UPGRADE(基于GRAph的DE设计的通用平台)[2]创建的UPGRADE是一个基于Java的框架,用于开发使用PRO-GRES图形和图形转换作为其内部数据模型的可视化应用程序。Archi-CAD 8. 0是一个面向建筑师的商业系统,它是我们原型的CAD基础.图形编辑器与ArchiCAD通用开发工具包4.3开发的ArchiCAD编辑器使用套接字与此加载项通信。在接下来的几个月里,我们将与架构师合作,为用例图找到有用的检查器,并在GraCAD原型中实现它们。图2的右边部分(第2部分)显示了在ArchiCAD环境中设计的建筑。这座建筑的房间都标有区域元素。图片的左边部分显示了这座建筑的区域图区域之间的关系,如可访问性和相邻性,是在附加组件中使用ArchiCAD开发工具包机制计算的,该机制可以访问ArchiCAD元素的几何属性。然后,调用适当的PROGRES事务,创建ArchiCAD区域图。有了区域图,我们可以检查该图是否在J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141153在不久的将来,我们将详细说明使用PROGRES计算区域之间关系的程序,并评估PROGRES系统在这一领域是否也有用5相关工作由N开创。Chomsky [6],语言学(基于语法)的世界建模方法已应用于许多领域。这种方法学的核心思想是将某些原语视为字母表中的字母,并将更复杂的对象和集合解释为基于字母表的语言的单词或句子控制单词和句子生成的规则定义了所考虑的语言的语法。就单词而言,对这样的语法进行建模会生成一类被认为是合理的对象因此,语法为基于计算机的工具提供了一种非常自然的知识表示形式,应该有助于设计。自G. Stiny [22]开发了形状语法,许多研究人员已经展示了这种语法如何让建筑师捕捉基本特征某种风格的建筑。然而,形状文法的基元是纯几何的,这限制了它们的描述能力。在引入和开发了图形语法之后,取得了实质性的进展例如[19])。图能够编码比线性字符串或形状更多的信息。因此,他们对CAD系统的适用性是非常值得赞赏的[10]。一种用于设计目的的特殊形式的基于图的表示已经由E。1994年,Grabska [11]后来,Grabska事实证明,通过在Grabska模型中引入一种额外的功能图作为概念设计的起点,房屋的附加功能分析已经由几位研究人员提出(比较,例如[5]、[7])。这种方法使设计师能够脱离细节,更清楚地考虑设计对象的功能,包括要满足的限制和要求,以及选择最佳替代方案的可能方法。在波兰-德国项目的初始阶段,我们已经考虑使用FUJABA [9]和AGG [8]图 形 转 换 系 统 。最 后 ,在 我 们 的 研 究 项 目 中 , 我 们 决 定 使 用PROGRES,因为语言结构,如派生属性、约束和修复动作、约束和路径表达式,在PROGRES中可用,但不154J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141在FUJABA和AGG中,并且对于指定图形检查器是有趣的PRO-GRES还提供了一个回溯机制(在上述其他两个工具中不可用),该机制在项目中用于生成地板布局所有或几乎所有建筑物的结构都是分层的,因此,对于表示建筑物,使用分层图的图变换系统似乎是有用的。然而,上面提到的工具都不支持分层图上的图转换。 过去AGG的图模型是由标号和属性层次图组成的图结构,但不幸的是,这种模型被改变为有向图。在RWTH AAchen小组关于在建筑物概念设计领域使用图重写系统PROGRES的研究中([14],[15]),跳过了启发阶段,并基于知识工程师指定的参数化图知识来验证设计建筑物在我们的例子中,我们检查要设计的对象是否满足设计者在elitation阶段指定的需求图。在ArchiCAD中没有实现一致性检查(如[14],[15]),但它是UPGRADE原型的一部分(在PRO-GRES中指定)。我们工作的主要重点是从建筑物的预期用途 ( 用 例 , 活 动 图 , 房 间 图 ) 的 知 识 过 渡 到 概 念 设 计 ( 使 用PROGRES)。在[14]和[15]中,主要关注的是建筑物的参数化图形知识的具体化因此,乍一看,这两种方法似乎是互补的,它们似乎可以结合起来,但技术层面的差异使得这种结合相当困难(PROGRES规范中的固定领域知识与通用参数化规范)。6总结新的PROGRES结构,即包和方法引入了PROGRES图规范的模块化、可扩展性和可重用性。使用上面列出的机制创建的规范更加清晰和简单。像(1)构造函数(2)方法重载这样(3)函数方法目前不可用。没有将1-3引入PROGRES的原因在[16]中详细讨论,但从PROGRES用户的角度来看,在许多情况下,引入所有四个 与 我 们 之 前 使 用 的 基 于 tk/tcl 的 旧 PROGRES 图 形 浏 览 器 相 比 ,PROGRES UPGRADE Framework更加灵活,允许创建基于J. Szuba/Electronic Notes in Theoretical Computer Science 127(2005)141155在PROGRES 规范上。但不幸的是,当前版本的UP-GRADE 不支持PROGRES最近引入的功能,即不可能为使用UPGRADE构建的应用程序中显示的给定节点调用事务方法。添加这样的功能将大大简化创建UPGRADE 应用程序。 UPGRADE 的主要优点是, 该框架为给定的PROGRES规范生成的可视化应用程序的原型是基于Java的。因此,熟悉Java语言的用户可以很容易地修改原型总 之 , 我 们 已 经 介 绍 了 如 何 最 近 推 出 的 扩 展 的 图 形 转 换 系 统PROGRES,即包和方法,可以用于规范的约束检查工具,特别是概念设计工具GraCAD。这种结合了面向对象和图形转换的指定风格,对于指定图形检查器似乎非常直观和有用。所提出的建模方法也可以通过结合上述范例(如FUJABA或AGG)的其他工具进行调整。引用[1] ArchiCAD 8.0参考指南,Graphisoft,布达佩斯,2002年[2] Büoh le n,B. ,Jüager,D. 、Sch leic her、A. ,WetfechtelB. :UPGRADE:AFrameworkforBuildingGraph-Based Interactive Tools , Proceedings International Workshop on Graph-Based Tools(GraBaTs 2002),Barcelona,Spain,Electronic Notes in Theoretical Computer Science,vol.72,no.2(2002)[3] Borkowski,A. (ed.): 《结构工程中的人工智能》,WNT,华沙(1999年)[4] Borkowski,A.,Grabska,E.:将函数转换为对象。In:I. 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