3D CAD模型長期保存策略研究

朱志赟

摘 要：3D CAD模型長期保存困難重重。為此，國際航空工業界推出LOTAR（LOng Term Archiving and Retrieval）項目，旨在建立、測試、頒布并維護3D CAD模型長期保存和獲取所需要的標準，目前其主要成果是NAS/EN 9300系列標準。而汽車工業產品數據標準戰略聯盟通過LTAR（Long Term Archiving & Retrieval of Digital Product Definition Data， LTAR）項目已經形成了一套完整的建議體系，包括四個部分：文件格式、存取流程、保存時間、質量保證。目前，國內還未有國家或行業層面的3D CAD模型長期保存策略。借鑒電子文件前端控制和全程管理的思想，通過3D CAD模型生成時的模型質量控制措施、流轉過程中的更改和版本控制以及歸檔后的物理與邏輯實體控制措施，確保3D CAD模型長期可讀、可理解。

關鍵詞：3D CAD；LOTAR；LTAR；長期保存；質量控制；工程更改；版本控制；邏輯與物理實體控制

Abstract： Long-term preservation of 3D CAD models is beset with difficulties. Then LOTAR（LOng Term Archiving and Retrieval）program is conducted by international aerospace industry， aiming to develop， test， publish and maintain standards for long-term archiving and retrieval of 3D CAD models. It has published NAS/EN 9300 series standards， the main achievement of LOTAR so far. The SASIG Long Term Archiving & Retrieval Project is developing a set of recommendations， which are partitioned into four topic aeras： 1）Format， 2）LTAR Process，3）Retention Time Periods， and 4）Quality Assurance. At present， there is no national or industry level 3D CAD model long-term preservation strategy. Learning from the idea of digital data front-end control and whole process management， employ model quality control in generation process， engineering changes and version control during the flow process， and logical and physical entity control after archiving to ensure that the 3D CAD models can be long-term read and understood.

Keywords： 3D CAD Model； LOTAR； LTAR； Long-term Preservation； quality control； engineering change； version control； logical and physical entity control

1 3D CAD模型長期保存的難點

完整的零部件3D CAD模型由幾何要素、約束要素和工程要素構成。機械產品3D CAD模型文件作為設計部門的勞動成果、制造單位的工作依據、客戶服務部門的工作參考、監管單位的證據，要求3D CAD模型長期可讀、可用、安全、有序。3D CAD模型長期保存的難點如下：

（1）同一項目3D CAD模型文件眾多且分散，相互關系復雜。波音B777是全球首款完全采用3D CAD設計的機型，該項目共使用2200臺計算機終端，最終產生多達300萬的零部件數字模型。在整個產品生命周期內，同一零件或部件需要進行多次工程更改或版本更新，由此產生零件與零件、部件之間的裝配、替換、互換、選配和沖突等關系錯綜復雜。

（2）3D CAD模型生成軟件眾多，格式各不相同。3D CAD模型由專業的三維設計軟件生成，目前，主流的商業CAD設計軟件包括AutoCAD、SolidWorks、Unigraphics NX、CATIA等軟件，各軟件都有其專門的數據保存格式。CAD應用軟件的內部架構與另外一個CAD應用軟件的不一樣，在數據交換的時候，很難避免不丟失數據或數據錯誤。STEP、IGES等中間格式由于本身結構復雜，標準體系不完善，加之各軟件廠商出于商業利益考量，各CAD軟件對中間格式的支持能力也參差不齊。[1]3D CAD數據保存格式的不統一增加了其長期可讀的風險。

（3）3D CAD模型保存環境脆弱而保存期長。我國《民用航空產品和零部件合格審定規定》第21.314條規定，每一型號或型別項目的完整的、現行有效的技術資料檔案應該保存到不再制造該項目為止，并在停產后交局方。用于飛機設計的CAD軟件系統的生存時間大概為10年，而每6個月將有新版本更新。與之相應，每架飛機的使用壽命為20～30年，而每一機型的服役時間往往超過70年。數字環境的易變性和3D CAD模型的穩定性要求矛盾突出。

2 3D CAD模型長期保存的實踐進展

20世紀60年代，CAD/CAM技術誕生于工業發達國家，在航天、汽車、船舶、航空、電子等領域迅速地得以應用。因此，這些行業也較早地面對長期保存3D CAD模型的挑戰。不同的行業組織紛紛開展長期保存3D CAD模型的研究項目，以支持CAD/CAM技術在本行業中的長期應用。

2.1 國際航空工業的3D CAD/CAM長期保存與獲取項目。LOTAR（LOng Term Archiving and Retrieval）項目是國際航空工業界關于CAD/CAM模型長期歸檔保存最重要的合作項目。LOTAR項目在歐洲航空航天與防務工業協會標準化分會（ASD-STAN）、美國航空航天工業協會（AIA）、ProSTEP iViP協會和PDES，Inc.協會的共同支持下，由航空和防務領域領先的制造商和供應商具體實施。參與的會員單位不僅包括空客、波音、達索航空、洛克希德·馬丁等著名航空企業，還包括美國聯邦航空局（FAA）、歐洲航空安全局（EASA）等監管機構和美國國家航空航天局（NASA）、美國國家標準技術研究院（NIST）等政府機構。該合作項目旨在建立、測試、頒布并維護一系列保證3D CAD和產品數據長期保存和獲取所需要的標準，并通過提供方法、規范流程、數據模型以及應用案例來推動該標準體系在行業中的應用，保證3D CAD模型的數字產品和技術信息不依賴特定的信息技術應用環境，并在整個生命周期內保持可讀和可用。

該項目基于開放檔案信息系統模型（OAIS）和產品模型數據交互規范（STEP，即ISO 10303）提出了NAS/EN 9300系列航空航天標準，目前該標準體系正在不斷的善中。其主要構成如圖1所示。

圖1 NAS/EN 9300的組成部分

基礎部分提供長期保存3D 數模和產品結構數據所需要的基本概念。公共過程部分則概括歸檔和保存3D 數模和產品結構信息的主要步驟。數據域部分針對不同內容類型的CAD數模提出相應要求與規定，并設置不同的鑒定和驗證級別。例如，保存裝配結構信息的CAD要求裝配結構唯一、不存在無用元素、裝配件和零件位置信息明確等。這些準則在CAD建模及歸檔過程中應當予以實施。LOTAR標準體系并沒有定義新的3D CAD保存格式，而是參照引用相關的ISO 10303 STEP應用協議。LOTAR項目組協助完善STEP標準體系，使其適合于保存航空領域3D CAD數模。

LOTAR項目實施以來，有多家航空制造企業陸續采用此標準體系保存3D CAD數模，在航空領域應用逐漸擴大。空客A350在電氣線束設計時，遵循NAS/EN 9300標準中關于顯式幾何信息和裝配結構信息的長期歸檔標準，包括第110、第115、第120部分，并保存成遵循AP242和AP214應用協議的STEP格式。遵從LOTAR的標準體系，使達索航空能夠向航空監管部門只提供3D數字設計文檔而不再使用紙質版本資料。

2.2 SASIG數字產品定義數據長期保存與獲取項目。國際汽車工業界也意識到整個產品生命周期內長期保存產品定義數據的必要性。2010年，汽車工業產品數據標準戰略聯盟決定推出一系列建議，指導并促進會員單位更加有效地開展數字產品信息的長期保存工作。經過近幾年的努力，SASIG通過數字產品定義數據長期保存與獲取項目已經形成了一套完整的建議體系，包括四個部分：文件格式、存取流程、保存時間、質量保證，并提供一個評測機構長期存取能力水平的試驗平臺。

文件格式部分梳理出選擇存檔格式時需要考慮的關鍵性功能和技術因素。SASIF-LTAR支持使用開放文件格式。文件格式必須具有可用性、定義清晰、應用廣泛、可維護性強、無限制等特征。

存取流程分為七個綜合模塊來描述長期存取活動和數據流，分別為準備、獲取和歸檔、監測檔案存儲、更新描述信息、維護檔案存儲、檢索和刪除檔案信息。如圖2所示：

圖2 SASIG-LTAR的存取流程

準備流程收集必要信息，轉換數據格式，并生成提交信息包。獲取和歸檔流程將提交信息包生成檔案信息包，并存入檔案存儲系統。歸檔之后，系統監測檔案信息包，并阻止未經授權的訪問和更改。為保證穩定可靠和可檢索性，描述信息需要不斷地更新；為保持足夠的歸檔能力，系統環境和數據需要備份，并定期將系統環境更新重置。在檢索流程中，利用者獲得所需檔案數據。最后，檔案系統需要刪除保存期滿的檔案數據。

時間間隔是指產品數據的制成品為了滿足政府或機構的需要而保存的時間期限。決定時間間隔的三個主要因素是數據用途、數據類型和本體模型。模型的保存時間長短主要由不同的商業動機決定。數據的用途往往涉及知識產權，售后服務、專利訴訟、法律責任以及組織的知識管理政策等。數據類型可根據產品生命流程的六項流程進行分類，分別是：計劃類、初步設計類、詳細設計類、試驗樣品類、產品類和售后服務類。本體模型是一個用通用詞匯定義的語義模型，它是一種描述不同數據類別之間規則和依賴關系的一種層級分類表。語義模型的主要功能是保證不同數據類別保存期限的一致性。

質量保證通過四種方法來檢查和驗證模型質量，以確保模型安全、可靠，分別是產品數據質量檢查、歸檔規則檢查、穩定性檢查和等價性驗證。產品數據質量檢查確保被歸檔的源數據符合有關組織所規定的數據產品質量規則。歸檔規則檢查則是確保所歸檔的描述信息包含未來管理和利用模型所需的信息。穩定性檢查則是確保在保存期間，歸檔數據得到有效維護，沒有改變。等價性驗證則是保證數據在轉換之前和之后是相同的，轉換之后依然是可信賴的。

3 3D CAD模型長期保存的具體措施

在國內，數字資源的長期歸檔與保存一直是研究的熱點，但是具體研究3D CAD模型的長期保存和獲取則較少，更沒有從國家或行業的層面提出解決框架或方案。結合國內外實踐，借鑒電子文件管理經驗，采取必要措施亦能夠保證3D CAD模型長期可讀、安全、可靠。

產品數據在其整個生命周期中要經歷三種狀態的轉變，即工作狀態、預發布狀態和發布狀態。工作狀態是指正在設計中的產品數據的狀態；預發布狀態是指已完成設計但尚未歸檔的產品數據的狀態；發布狀態是指已歸檔投入使用的產品數據的狀態。[2]從電子文件前端控制和全程管理的思路出發，以3D CAD模型為對象，在3D CAD模型生命周期的不同階段采用不同措施。在3D CAD模型生成過程中采取模型質量控制措施，模型文件流轉過程中進行更改與簽審控制，模型文件歸檔后采取邏輯與物理實體控制措施，確保3D CAD模型完整準確、安全有序。

3.1 3D CAD模型的前端質量控制措施

3.1.1 3D CAD模型設計規則控制。模型構建者在使用三維設計軟件進行三維零件、組件及部件的設計過程中，點、線架、曲面和實體的使用和圖形表達遵循統一的設計規則，模型內容信息結構清晰、可理解，具有良好的通用與適應能力。參考國家標準《機械產品三維建模通用規則》（GB/T 26099-2010），結合行業的具體要求，通過項目內部技術文件的形式發布詳細的建模規則，包括建模的通用規定，坐標系的選用，線形、線寬的設置，標準術語、概念、符號、計量單位的使用等。

3D CAD模型質量控制的主要內容包括：建模的一般要求、幾何要素的表達、專用建模要求以及模型的發放狀態要求。所有的三維模型按1︰1繪制，一個零件模型中只允許定義一個零件，部件和組件中的所有零件應在各自的零件模型中定義。計量單位一般采用公制，尺寸單位為毫米（mm），重量單位為千克（Kg）。模型中的中心線、基準線、參考線的線寬，模型中的邊界線、交線和輪廓線等的線寬為相應的固定值。兩個元素間的間隙、重疊、過盈允許的最大值應明確予以規定。所有的3D CAD模型都至少受控于一個坐標系，使用總體坐標系、輔助坐標系或局部坐標系進行定位的模型，都應該在信息結構樹中定義坐標系的標識。結構樹中的每一個元素都應該采用標準術語進行明確標識。

在建模完成后，應對模型進行整理，剔除模型中的冗余元素，保證模型的簡潔、穩定。比如，零件模型中除實體之外的所有圖形元素應設置到NO Show狀態。所有模型在保存之前要進行刷新操作，并清理模型內部的邏輯錯誤。

3.1.2 3D CAD模型命名規則控制。機械結構是具有層次關系的零部件組成的復雜系統，就是一個部件可以分解為若干個零件和子部件，一個子部件又可以分解為若干個更下一層的零件和子部件。[3]機械產品的這一特性直觀地體現在3D CAD模型的命名規則上。一般情況下，3D CAD模型文件名由前綴和件號構成，進行結構化編碼，具有唯一性、穩定性等特征，清晰表明模型在產品結構中的層次關系。前綴即圖樣類型代碼，多為兩位大寫字母。例如：AB表示三維數模裝配件圖，AC表示三維數模零件圖等。件號是指零件、裝配件和安裝件的編號，依據本行業或本公司的產品編碼規則進行編號。結構化編碼易于管理，便于檢索。圖3為某汽車設計模型編碼示例。

AB_111XXX.catproduct表示是汽車底盤主減速器的蝸桿三維裝配圖。文件名可以進行擴展，在編碼后根據隸屬關系繼續編號，或者增加零件、組件順序號，也可以采用奇偶數標識表示左右對稱件。文件名直觀揭示模型文件的內容和類型，規范、穩定、合理的命名確保3D CAD模型可檢索，是長期保存的基礎。

3.1.3 3D CAD模型保存格式控制。適合長期保存的3D CAD模型格式應當獨立于特定的軟件、平臺和環境。CAD 中間數據格式，也被稱為交換格式或中性格式，是方便不同品牌、廠商和版本的CAD系統之間交互數據而衍生出的模型格式，是CAD模型的一種特定格式，這種格式的模型文件可被絕大多數CAD系統識別和讀取。[4]目前主要有國際標準ISO 10303定義的STEP格式、美國標準IGES格式以及事實上被多數廠商支持的AutoCAD的DXF格式和Adobe公司的3D PDF格式。

STEP標準作為國際標準化組織制定的數據交換國際標準，已經成為國際公認的CAD模型文件全球統一標準，許多國家也都參考STEP標準推出了自己的國家標準。STEP信息覆蓋面廣泛、體系結構嚴密、可擴充性強、成熟度高，得到軟件商與國家層面的廣泛支持，成為3D CAD模型長期保存的首選方案。

除此之外，也可以選擇本行業內穩健、格式開放、不綁定軟硬件、利于存儲的其他文件格式。從3D CAD模型的原始格式轉化成適合長期保存的STEP或其他格式后，要對其進行鑒證和驗證，以確保原始格式和長期保存格式內容一致，信息的損失量在可接受范圍內。

3.2 3D CAD模型的更改和簽審控制措施

3.2.1 3D CAD模型的更改控制。國際對象管理組織（Object Management Group，OMG）認為設計更改是一種流程，該流程由四個階段組成：設計更改問題的提出、設計更改申請、設計更改執行和設計更改影響的傳播。設計更改是一項涉及人員組織、產品數據和更改流程的邏輯嚴密的閉環系統。零件的變號和版本的變化是更改的兩個主要方式，影響著產品的構型。一種有效的零部件的更改和版本控制原則是：如果經重新設計或者更改以后零部件的外形、裝配、功能和互換性等發生了改變，則要對零件編號重新指定；如果以上這些內容不發生變化，零件的更改只是要糾正設計的錯誤，則對零件的相應文檔升版。[5]

版本控制是一種有效的保障CAD電子圖檔文件真實性的方法，是長期保存不可分割的組成部分。[6]不同性質的更改流程不同，涉及構型的影響范圍不同，因此通過不同的版本號予以區分。當版本更新，新版本代替舊版本時，可以用B、C、D版等進行標識；當對版本的改動較小，需要快速執行時，可以使用B1、B2、B3版等進行標識；臨時性的更改，則用001、002、003版等進行標識。所有的3D CAD模型必須具有版本號，其版本號類型的確定應有明確的內部文件規定。

3D CAD模型自身保存上下文信息的能力有限，因此對其的發送、更改、換版、作廢等設計更改需通過專門的操作文件在產品數據管理系統內進行。該文件記錄3D CAD模型更改原因、具體更改內容、型號、更改執行序列等，并記錄簽署人數字簽名、簽署時間等簽審信息。每一份3D CAD模型都有相對應的操作文件，通過對操作文件的簽署實現對3D CAD模型文件的簽審，二者共同流轉，不可分割。操作文件與3D CAD模型文件具有相同的版本號，兩者具有相同的文件名，僅以類型代碼區分，兩者一起流轉、簽署、歸檔、發送，是定義產品不可分割的整體。

3.2.2 3D CAD模型的簽審控制。更改流程的管理是設計更改管理中關鍵的因素。[7]3D CAD模型形成后，經過簽署流程進行簽審，簽審是對模型內容、質量的全面審查。簽署完畢后，3D CAD模型從產品數據管理系統歸檔至檔案系統長期保存，同時將模型發送至制造單位或供應商進行生產。3D CAD模型的簽審信息記錄在操作文檔中。

簽審流程具體有所不同，但一般包括四個角色。

（1）設計。設計是指3D CAD模型的構建者，應對模型的內容、建模質量全面負責，全面校核模型的正確性、協調性、完整性。流程中的任何一環節（審核、批準）駁回時，流程將返回設計修改。

（2）審核。由專業主管簽署，負責檢查模型編制質量，對本業務范圍內的管理問題、協調問題以及其他重要技術問題負責，對發出模型的格式、編號、各項標準選用的正確性及標準化方面的其他問題進行審查，應對模型涉及的重大技術內容和管理內容的正確性、合理性及完整性負責。

（3）會簽。影響材料、工藝、重量、構型等其他專業的模型更改必須讓相關專業進行會簽，確保工程更改得到協調處理。

（4）批準。由副總設計師簽署或總設計師簽署。根據模型的涉及范圍和重要程度，經總設計師授權，可由部門領導、授權的副主任設計師或副總設計師代行批準權。一般情況下，只有涉及全局的文件才由總設計師簽署批準。

文件號和版本共同構成3D CAD模型的唯一標識。舊版本或作廢版本的3D CAD模型嚴格受控、限制使用。結構清晰、格式規范、含義明確的標識是確保3D CAD模型長期可檢索、可獲得、可理解的關鍵因素。設計合理的變更和簽審流程，一方面提高工作效率，節省物力人力成本；另一方面確保模型文件的質量控制得到落實，確保模型圖樣得到適當授權，合法有效。

3.3 3D CAD模型邏輯與物理實體控制措施

3.3.1 3D CAD模型的邏輯控制。當模型文件在產品數據管理系統完成簽署、發送并歸檔后，3D CAD模型和相應的操作文件實時、自動遷移至檔案資源綜合管理系統，將處理的數據條目記錄在特定的數據庫表中，并記錄數據處理狀態。歸檔后的3D CAD模型管理權限移交至檔案人員，其他人員無權進行更改、增刪等操作。由檔案人員完成數據接收、補充著錄、組卷等工作。根據3D CAD模型所屬的型號、設計生產階段建立案卷，將生產圖、非生產用圖和預生產圖、樣圖、模型及試驗件圖等集中存放。

檔案資源綜合管理系統是管理3D CAD模型的主要工具、手段，其通過端口實現與產品數據管理系統的無縫銜接。產品數據管理系統只管理現行有效的產品數據，而檔案資源綜合管理系統不僅存儲管理現行有效數據，還負責對作廢、換版等失效后數據的提供利用、日常維護、監測管理等。檔案資源綜合管理系統提供利用接口模塊，實現對檔案資源的多重檢索查詢，提交利用申請流程，并提供合適的檔案信息響應利用申請。對于失效的3D CAD模型的利用管控更加嚴格，非本專業的借閱者需要獲得3D CAD模型設計專業相關領導的審批。

檔案資源綜合管理系統應當采用符合國家檔案管理標準、檔案管理規范，被行業廣泛應用的軟件產品。檔案資源綜合管理系統應具有成熟的業務處理能力，完備的檢索、權限分配、利用、編研、數據導入導出等功能，還必須具有功能可擴展、可移植等特性，具有一定的系統升級能力。

3.3.2 3D CAD模型的物理實體控制。檔案物理存貯由技術支持部門負責。技術部門負責全系統內服務器及存儲系統、網絡及安全系統、機房基礎設施和備份軟件的日常運維及安全保障。建立健全數據中心的巡檢制度，做好防火、防盜、防潮、防強磁等工作，避免存儲設備的物理損傷，對各種原因導致的部分服務器及存儲設備的故障應及時處理。

檔案系統由技術部門負責備份，對于重要檔案采用異地異質備份系統。在目前的技術條件下，硬盤以及以硬盤為基礎的各種存儲系統（磁盤陣列、NAS存儲、SAN存儲、集群存儲等）仍為主流存儲方式。但是，硬盤由于受到機械結構的限制，只能保固3～5年，時間過久普遍會出現壞道甚至數據損毀。因此，技術部門需定期檢測數據并更新存儲介質。磁帶因具有價格低廉、容量可擴展性強、安全性高、性能穩定、文件系統獨立等特性，在長期保存數據方面擁有磁盤無法取代的優勢。[8]因此，技術部門應將長期保存的數據適時遷移備份至磁帶載體，并做到安全保管。

4 總結

3D CAD模型既面對一般電子文件長期保存的難點，也有其自身特點的挑戰。在沒有統一的解決方案的前提下，從3D CAD模型的全生命周期管理角度，從模型生成階段、模型流轉階段到模型的穩定保存階段，做好每一階段的工作，亦不失為一種長期保存與利用的解決辦法。

參考文獻：

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（作者單位：上海飛機設計研究院 來稿日期：2017-04-05）