STEP作为存档格式保存三维模型信息能力评估

摘 要

STEP AP242格式是三维模型长期保存的首选格式。通过典型数模转换为STEP格式的实证研究，发现STEP AP242格式存在的问题：STEP格式能够保存三维模型源文件的产品形状信息和制造信息，却丢失三维模型的自定义属性信息，不支持部分三维显示特征。以STEP作为长期保存格式，需以其他形式补充相关的三维数模信息，进行双套制管理。

关键词

STEP AP242  长期保存 三维模型

Abstract The STEP AP242 format is the prior format for long-term preservation of 3D CAD models. Through the empirical study on typical 3D CAD conversion to STEP format， the following conclusions are drawn： the STEP format can preserve the product shape information and manufacturing information of the 3D CAD source files but the self-defining attribute information will be lost and it does not support partial three-dimensional display features. To be used as a long-term preservation format， the STEP needs to be supplemented with relevant 3D CAD model information in other forms and double-set management needs to be conducted.

Keyword STEP AP242; long-term preservation; 3D CAD model

一、三维模型的保存格式

文件格式是計算机为存储信息而使用的特殊编码方式，便于应用软件识别文件内部储存的信息。不同的文件格式存储不同的信息类型，比如TEXT格式存储文本信息、JPEG格式存储图片信息，而每一类信息可以用一种或多种文件格式保存于计算机存储设备中。据统计，现有的文件格式种类共计54812种。

经过半个世纪发展，计算机辅助设计（Computer-aided design，CAD）技术历经二维作图、三维线框造型、曲面造型、实体造型、特征参数化设计等发展阶段，三维CAD设计已成为毋庸置疑的主流和核心[1]14。在此过程中，CAD软件产业蓬勃发展，市场上存在各式各样三维CAD模型保存格式。数据交换标准格式，即中性格式，是解决不同平台、系统、软件间数据互操作难题的关键，也是长期保存和利用三维CAD模型的基础。在工程技术领域，主要有三类不同数据交换标准[2]685。

1.官方标准：由标准化组织或行业协会负责制定、发行、维护的标准规范。例如，美国国家标准协会（ANSI）发布的《初始图形交换规范（IGES）》、国际标准化组织（ISO）发布的《工业自动化系统与集成—产品表达与交换（ISO 10303）》，即STEP标准格式。

2.事实性标准：商业公司私有标准格式，受知识产权保护，但因其在商业市场中处于优势地位，被大部分商业CAD软件支持的标准格式。例如，法国达索系统公司的CATIA格式、美国参数技术公司的PRT格式等。

3.推荐性规范：它由一些行业性组织提出，通过应用实例或机制、原则等方式进行规范。例如，航空工业的长期保存和利用组织（LOTAR）提出的标准规范体系、汽车行业的汽车工业产品数据标准战略联盟（SASIG）提出的推荐标准。这些规范不包含于现有的标准体系内，但有可能成为未来的正式标准。

二、STEP格式的文件结构

ISO 10303是国际标准化组织于1994年提出的系列标准，其目的是提供一种中性产品数据表达方式，解决不同计算机辅助系统，包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、产品数据管理等之间的数据交换与互操作性，是实现数据长期保存的首选方案[3]62。STEP是一组标准体系的总称，目前已发布661项子标准，涵盖产品的整个生命周期，不仅能够描述产品的机械和电气设计、几何尺寸与公差、运动仿真、加工制造等信息，通过应用协议（Application Protocol，AP）还能够实现汽车、航空、船舶、建筑、石油等不同行业的特定数据描述需求。

STEP AP242（ISO 10303-242）“基于三维工程的模型管理”标准于2014年发布，集成了航空行业AP 203“三维配置控制设计”和汽车行业AP 214“汽车机械设计核心数据”两项应用协议。STEP AP242文件以文本形式存储信息，能够通过文本编辑器直接查看，以“ISO-10303-21;”开始，以“END-ISO-10303-21;”结束，包含头部段和数据段两部分结构，文件结构如图1所示。

头部段以“HEADER;”开始，以“ENDSEC;”结束，是对整个文件的说明，主要包含文件描述（FILE_DESCRIPTION）、文件名字（FILE_NAME）、文件模式（FILE_SCHEMA）信息。文件描述给出文件的非正式描述和后处理层次;文件名称给出文件的物理地址、名称、创建时间、CAD系统版本、STEP协议号、授权时间;文件模式给出文件引用的STEP协议名称。

数据段以“DATA;”开始，以“ENDSEC;”结束。数据段包括要被交换文件结构传送的实例，是实现存储模型信息的主要结构。例如：

#66=CARTESIAN_POINT（'Line Origine'，（22.，-2.，2.））;

#67=DIRECTION（'Vector Direction'，（0.，0.，1.））;

#68=VECTOR（'Line Direction'，#67，1.）;

#69=LINE（'Line'，#66，#68）;

该例子描述一条直线，基本语句结构为：#实体标识=实体名称（属性1，属性2，.......）

实体标识为不超过9位的整数，由系统随机产生。实体名称是一系列保留字，由ISO 10303-11（EXPRESS语言参考手册）中描述实体的显示属性、子类/超类说明映射而来。“（）”内称为选择性结构，定义了实例一个或多个属性，每个属性值以逗号隔开。属性可以是数值、字符串、三坐标点、引用等，由应用协议规定格式。

三、三维模型信息特征及试验方案选择

1.三维模型信息特征。三维数模的构建方法由早期的线框模型、曲面模型发展到实体模型、特征参数化模型，三维模型不仅可以管理几何信息，也可以管理工艺制造信息，功能日益完善。三维模型包含的信息可以简单分为四类特征信息[4]，如表1所示。

2.试验验证方法。达索公司的CATIA系列软件是三维机械设计领域的主流软件工具，尤其在航空、汽车、船舶领域。本次试验共选用四个典型CATIA三维数模，其中零件2个，组件2个，模型质量良好，所含特征丰富，如表2。模型源文件通过CATIA导出功能转换为STEP AP242格式文件，通过3D Evolution软件读取STEP AP242文件并进行符合LOTAR定义的几何属性验证（GVP Check）测试。本次试验CATIA版本为CATIA V5-6R2016，3D Evolution版本为3D Evolution 4.1，该版本对STEP AP242具有良好的兼容性，超出市场中同类型的其他软件[5]。本次试验利用专业质量检验工具和人工观察检验相结合，综合判定STEP AP242保存三维模型信息的能力。

四、STEP保存三维模型信息试验验证结果及分析

1.试验验证结果。本次试验中，STEP保存相关信息能力的评判结果分为三种。一种是转换前和转换后具有同一性，沒有差异，用符号“√”表示;一种是转换前和转换后差异明显，造成信息丢失且无法反映原设计意图，用符号“×”表示;一种是转换前和转换后具有差异，但是仍然能够分辨主要特征，具有显著的参考价值，用符号“≠”表示。本次试验结果统计如表3。

2.试验验证结果表明，STEP格式保存几何与标注信息能力很强，保存自定义信息能力偏弱。STEP格式的三维显示信息与原格式略有差异，但不影响总体的原始记录特性，具有较强的参考价值。具体分析如下。

（1）STEP AP242文件具有完全地保存三维模型几何造型、装配特征、外表特征、三维标注信息的能力，设计良好的模型可以被100%还原。一系列的国际国家标准对产品几何特征和三维标注的框架、线型、线宽、标注、样式、尺寸、公差格式、工程符号、值格式、图纸格式等进行规范，例如《产品几何技术规范（GPS）》系列标准、《数字产品文件——数字产品定义数据规程》（ISO 16792）等。成熟且统一的产品信息表达体系有利于三维数模之间的格式转换。TC4是一辆摩托车的装配模型图，CATIA源文件多达60个零部件，包含22170个曲线、1799个曲面、14195个点，如图2（a）所示。GVP Check模块读取STEP文件记录的验证属性信息，例如面积、体积、质心，并与3D Evolution软件模拟计算的结果进行对比。当两项数据比值小于规定的偏差值，则表明STEP文件记录的几何和装配信息与源文件信息相同，信息还原度高，如图2（b）所示。

（2）STEP使用数据描述语言EXPRESS（ISO 10303-11：2004）进行无二义性的数据定义，并对所定义数据的约束进行描述，STEP AP242文件不具有参数化特征，转换后的零件几何体不能进行二次编辑，成为“哑模型”。在CATIA源文件中用户自定义属性信息在转换成STEP AP242后将丢失。TC3在结构树中以自定义属性进行技术要求、属性信息的标注，如图3（a）所示。转换为STEP格式后，零件几何体成为一个独立实体，自定义属性信息、构建参数信息将丢失，成为“哑模型”，如图3（b）所示。如果将技术要求、属性信息等记录在三维标注的文本注释等形式中，信息将得到完整保存，比如图3（c）中TC1的标注。

（3）CATIA和STEP数模在三维空间视域下的显示特征类型丰富，包括放大/缩小视图、旋转视图、法线视图、等轴测视图、剖视图、自定义视图、线框图等，对于装配件则能够生成分解图，更加直观、生动地展示零件之间的关系。CATIA源文件中设置隐藏显示的三维标注、草图、参考元素、视图、构造几何图形等信息在转化成STEP AP242后，被完整保存并显性化显示，如图4的（a）与（b）所示。STEP AP242中显性化显示的元素能够再次隐藏，因此仍然具有显著的参考价值。

（4）三维数模具有存储管理信息的能力。在制造业中，普遍使用功能更加强大的产品数据管理（Product Data Management，PDM）系统管理所有与产品相关的信息活动，包括数据管理、文档管理、构型管理、工程管理等，实现CAD、CAPP、CAM之间数据和信息的传递。三维数模的更改、签署等信息产生于PDM系统内部的业务过程，独立于三维模型，并以零件/装配件细目表、工程指令等PDF文档形式记录管理信息，与三维数模一起长期保存。目前，直接在三维数模中记录管理信息的管理方式极少。

五、总结及建议

1.STEP AP242作为长期保存三维数模的格式是合格的，其保存三维实体几何信息和工程制造信息的能力较强。STEP应用协议众多，对很多应用领域提供了可扩展性，并得到主流商业软件的支持，与不同软件的兼容性强。它提供了一种不依赖具体系统的中性机制，实现产品数据的交换和共享，便于产品数据的获取、传输和归档。

2.使用STEP作为长期保存格式需要完善的管理制度相配合。三维数模建模时应符合严格的设计规范和行业规范。例如，在建模完成后，应对模型进行整理，剔除模型中的冗余元素，保证模型的简洁、稳定;限制使用非统一化、未成熟的构建方法，比如减少自定义属性的使用。三维数模转化为STEP格式后，应对其质量进行GVP Check检查，不合格的三维数模再次返回编制人员修改，检查报告应一并归档。三维数模在产品数据管理系统流转，其相应的管理信息以脱离平台的形式进行保存。

3.STEP文件的可编辑性较差，并存在部分信息失真现象，应作为源文件的备份，与源文件一起进行双套制管理，根据不同的利用目的提供相应的文件格式。STEP模型文件需要和其他类型文件配合，以记录零部件的全部工程信息、更改信息、管理信息，例如二维图纸、工程更改、物料清单、零件细目表等。

参考文献

[1]杨海成. CAD產业无疆界[J]. 机械设计与制造工程， 2008（10）：14-15.

[2]Chambolle F. The Usage of the Standards into the Long Term Archiving and Retrieval， and the Exchange of Engineering Design Data[C]//IFIP International Conference on Product Lifecycle Management. Springer， Berlin， Heidelberg， 2013： 685-694.

[3]董志茜， 武斌， 薛白石. 中航工业3D CAD数据归档方案研究[J]. 机电兵船档案， 2016（5）：62-66.

[4]小沢正哉，安藤宪次，等.JAMA 3D図面LTAR（長期保管）ガイドライン，JAMAEIC 083[R].东京：日本汽车工业协会，2017-02-14.

[5]Pierre Faure.Test report for the STEP AP242 Benchmark #2 CAD test cases - Short Report v1.1[R].AFNET，2017-06-21.

作者简介：朱志赟，上海飞机设计研究院科技情报档案部，工程师，档案学硕士，研究方向为三维数模长期保存、档案资源开发、科技情报研究。