基于STEP標準的三維模型數據長期存檔系統

文/梅敬成 李建勛 何彥田

目前在航天領域，三維數字化設計已經被廣泛采用，在提升產品設計質量方面發揮重要作用，數字化航天器和箭體設計已成為提升研發技術水平的重要途徑。以CZ-5 為代表的新型大運載系列、CZ-7 為代表的中型運載系列、CZ-11 為代表的固體運載系列的研制已全面實施基于三維的設計與制造。

三維數字化技術在被廣泛應用的同時，也帶來了一些新的問題。如航天器和箭體的三維模型體積較大，動輒G 級以上，需要合理規劃數據的存儲類型和存儲容量。此外，軟件平臺更新換代很快，國外同構平臺的升級(ProE →Creo)和異構平臺間的交換(CreoNXCATIA)不兼容、信息丟失等問題頻發，需要耗費大量人力進行修正，設計數據長期存儲的正確性與完整性存在重大隱患。

針對上述問題，文章研究并參考了STEP標準，提出了一種基于中性開放格式的三維長期存檔軟件系統。

1 國內外研究

為保證核心數據安全可控，歐美航天軍工企業都做了大量工作。例如歐洲空中客車、MUT 等公司，圍繞出那片數據長期存檔課題進行了LOTAR 項目，形成了適用于航空工業的技術方案。美國航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA），均建立了適合自己的、基于中性開放格式STEP 國際標準的數據存檔標準體系，并開發了相應軟件系統。

目前，我國航天企業已經認識到了數據長期存檔的重要性，已經開始了前期的長期存檔的數據梳理和調研工作，并在產品設計階段采用STEP、IGES 或專用接口等進行數據交換。但是，這還遠遠不能滿足航天數據的長期存檔要求。因此，我們迫切需要研發適合國內航天數字化研發的數據存檔標準體系和系統。

2 STEP標準

為了滿足國內航天系統三維數據長期存檔系統的需要，我們需要先建立一個通用的產品信息表達和數據共享的標準，本文首先研究了國際通用的STEP 標準。

STEP 標準是國際標準化組織制定的一個產品數據表達與交換標準。STEP 的目標是提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述產品整個生命周期中的相關數據。標準首次將完整的產品模型交換的思想變為標準，并為面向應用的軟件開發過程提供了方法論。

如圖1所示，STEP 標準由5 部分組成：描述方法、集成資源、應用協議、一致性測試以及實現方法。

2.1 描述方法

STEP 有自己專用的描述語言EXPRESS，是一種信息建模語言，用于說明某領域的對象( Object)、對象所具有的信息單元、以及對對象的限制和操作許可。

2.2 集成資源

集成資源是用EXPRESS 語言來描述的實體、類型、功能和參照的幾何體，它們共同定義了對產品數據模型的有效描述。集成資源分為一般集成資源和應用集成資源兩組。一般集成資源包括產品描述基礎和支持的原理、幾何和拓撲表示、產品結構配置等。集成資源不僅給出了產品幾何形狀的表達方法，還支持對公差、材料、表面粗糙度等非幾何信息的表達。

2.3 應用協議

應用協議主要是用于定義應用的范圍、相關內容和信息要求。STEP 作為標準，要求各個應用系統在交換、傳輸、存儲數據的時候必須滿足應用協議的要求。

2.4 一致性測試

即使STEP 標準中的集成資源被定義的非常完善，但在數據轉換后仍然需要經過一定的測試來確定交換后的數據與之前的是否一致。

2.5 實現方法

STEP 提供了數據交換的4 種實現方法：文件交換、工作站、數據庫和知識庫。他們都能夠完成對產品數據的存儲、訪問、傳送和存檔等功能。

STEP 具有良好的兼容性及可擴展性，在格式轉換的過程中，損失的信息相對較少。它的信息覆蓋面廣泛、體系結構嚴密、可擴充性強、成熟度高，得到軟件商和國家層面的支持，成為CAD 模型長期歸檔的首選格式。

3 基于STEP標準的三維模型長期存檔系統

3.1 系統業務流程

3.1.1 模型檢查

原始的三維模型數據在存檔前，首先需要對模型進行檢查驗證，檢查其是否具有影響模型轉換和比對的因素，若存在不規范的內容，則需返回三維CAD 中進行修改；若符合要求，則進行數據歸檔并進行后續的數據轉換環節。

3.1.2 數據轉換

對檢查合格的三維模型進行數據轉換，轉換成STEP 格式的同時，利用XML 擴展定義數據，支持對線纜、管路、標注信息、參數、模型屬性（材料密度等）、坐標系、基準平面、模型外觀屬性、裝配層級結構等的轉換。

3.1.3 模型比對

三維模型比對，自動讀入中性文件并保存，與原始數據內容進行比對，合格后的模型數據將進行歸檔。

軟件系統流程如圖2所示。

3.2 系統架構

本系統軟件進行分層設計，分為應用界面層、業務邏輯層、基礎服務層。

應用層基于MFC 開發，使用單文檔視圖結構，視圖窗體用于顯示、交互場景物體。界面層是采用第三方商業界面庫BCG進行擴展，負責與用戶進行交互，通過命令管理機制實現用戶與業務邏輯層的交互。

業務邏輯層主要負責實現各模塊的功能邏輯，包括三維模型檢查、數據轉換、模型比對功能。

基礎服務層包括三維CAD 的二次開發接口、場景管理、數據管理等，使用二次開發接口進行交互。長期存檔系統架構如圖3所示。

3.2 關鍵技術

3.3.1 長期存檔數據規范

可擴展標記語言（eXtensible Markup Language，XML）是由萬維網協會（W3C）1998年2月發布的一種數據交換標準，用于定義 WEB 網頁上的文檔元素和商業文檔。XML 最大的特點是將數據結構化，實現數據共享。作為標記語言，XML 又是一種元語言。XML 文件是由標簽組成的 Mark-up 文件。 使用 XML，開發人員可以針對信息內容自行定義標簽（以“＜”開頭和“＞”結束），用來組織信息。

在計算機輔助設計和制造系統中，應用 XML 這種中性格式文件，可以使各協作方之間能夠方便地共享數據，并且大多數的CAD/CAM 系統都支持二次開發。進入 CAD 系統后，遍歷文件里的板類型對象和加筋類型對象，讀取這些對象的點、線等幾何屬性信息，按照 XML 的語法即可轉換成 XML 代碼，生成 XML 文件。

由于STEP 中性格式并未支持如MBD 的信息以及視圖管理等信息，如果僅用CAD 軟件自身的STEP 轉換進行歸檔，在歸檔時就會丟失這部分信息，導致數據失真。又因為CAD 模型格式被嚴格保密，所以本文直接對CAD 數據文件進行解析，將其中定義的幾何、約束、裝配、圖紙、管路、線纜、PMI 等所有歸檔要素的信息解析出來，然后按照STEP的定義創建輸出。對于STEP 目前標準中不支持的要素類型，則通過XML 擴展對其進行定義。綜上，本文中的長期存檔系統將以STEP+XML 作為數據存儲規范。如圖4所示。

圖1：STEP 標準的內容

圖2：系統業務流程

圖3：長期存檔系統架構

圖4：長期存檔數據存儲內容

圖5：數據轉換流程

圖6：三維模型比對功能界面

3.3.2 數據轉換

復雜產品在設計、制造、維護等不同生命周期中會使用到不同的軟件，每種軟件定義的數據格式不盡相同。因此，為實現各類產品數據向軍工標準格式的轉換，必須開發不同格式到長期存檔規范數據格式的轉換技術。

數據轉換技術是關鍵的一環，要完善地處理不同系統創建的模型以及所帶的其他信息不丟失，需要建立起的強健的策略處理機制，不管是轉入還是轉出，不管是Pro/E 還是CATIA或NX，不管是設計模型還是分析模型或加工模型，都要在設定的標準和規范要求的基礎上進行完美轉換，確保幾何、圖層、顏色、關系、屬性等不丟失不變形。

在數據轉換的過程中需要提取解析CAD模型信息，分析優化模型中結構物理、數學、描述模型間的耦合關系，歸集形成本元信息模型，描述CAD 中的線纜、PMI、圖紙等數據。如圖5所示。

3.3.3 模型比對

為保證三維幾何模型轉換為長期存檔數據標準的正確性，需要利用原始模型與STEP模型的比對技術，對原數據和轉換后的數據進行比對檢查。按照三維模型數據類型的特點，分別進行參數比較、三維注釋比較、裝配層級比較、裝配位置比較、基準比較、線纜管路比較等，展示差異之處并輸出比對質量報告，作為三維模型歸檔的重要依據。通過比對結果的驗證，也有利于發現可能在格式轉換環節存在的問題，從比對和格式轉換兩方面去考慮改進，提高對中性格式數據的轉換質量。如圖6所示。

模型比對模塊主要包含以下比對功能：

（1）參數比對：查看兩個模型在參數上的不同點，模型可以是零件也可以是組件。

（2）裝配比對：查看兩個模型在裝配方面的不同點，模型只能是組件。

（3）坐標系比對：查看兩個模型在坐標系上的不同點，模型可以是零件也可以是組件。

（4）標注比對：查看兩個模型在標注上的不同點，模型可以是零件也可以是組件。

（5）電纜比對：查看兩個模型在電纜方面的不同點，模型只能是組件。

（6）管路比對：查看兩個模型在管路方面的不同點，模型只能是組件。

（7）屬性比對：查看兩個模型在模型屬性方面的不同點，模型可以是零件也可以是組件。

4 結束語

長期以來，對于平面介質以及二維電子模型數據的資料問題，我們已經有一套完整的管理辦法，但對產品三維的電子模型文檔的長期保存問題，至今未引起人們足夠的重視，還沒有一套行之有效的解決方案，已經給型號研制造成了不小的損失。

本文通過研究STEP 標準，提出了一種適用于航天領域的三維長期存檔數據標準格式。研究并開發了能夠將原始三維CAD 模型轉換為長期存檔格式的數據轉換工具，同時利用模型比對技術，對轉換后的模型數據進行檢查以保證其正確性。從而形成了一個自主可控的適合國內航天數字化研發的數據存檔標準體系和系統。