基于STEP标准的三维模型数据长期存档系统

文/梅敬成 李建勋 何彦田

目前在航天领域，三维数字化设计已经被广泛采用，在提升产品设计质量方面发挥重要作用，数字化航天器和箭体设计已成为提升研发技术水平的重要途径。以CZ-5 为代表的新型大运载系列、CZ-7 为代表的中型运载系列、CZ-11 为代表的固体运载系列的研制已全面实施基于三维的设计与制造。

三维数字化技术在被广泛应用的同时，也带来了一些新的问题。如航天器和箭体的三维模型体积较大，动辄G 级以上，需要合理规划数据的存储类型和存储容量。此外，软件平台更新换代很快，国外同构平台的升级(ProE →Creo)和异构平台间的交换(CreoNXCATIA)不兼容、信息丢失等问题频发，需要耗费大量人力进行修正，设计数据长期存储的正确性与完整性存在重大隐患。

针对上述问题，文章研究并参考了STEP标准，提出了一种基于中性开放格式的三维长期存档软件系统。

1 国内外研究

为保证核心数据安全可控，欧美航天军工企业都做了大量工作。例如欧洲空中客车、MUT 等公司，围绕出那片数据长期存档课题进行了LOTAR 项目，形成了适用于航空工业的技术方案。美国航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA），均建立了适合自己的、基于中性开放格式STEP 国际标准的数据存档标准体系，并开发了相应软件系统。

目前，我国航天企业已经认识到了数据长期存档的重要性，已经开始了前期的长期存档的数据梳理和调研工作，并在产品设计阶段采用STEP、IGES 或专用接口等进行数据交换。但是，这还远远不能满足航天数据的长期存档要求。因此，我们迫切需要研发适合国内航天数字化研发的数据存档标准体系和系统。

2 STEP标准

为了满足国内航天系统三维数据长期存档系统的需要，我们需要先建立一个通用的产品信息表达和数据共享的标准，本文首先研究了国际通用的STEP 标准。

STEP 标准是国际标准化组织制定的一个产品数据表达与交换标准。STEP 的目标是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的相关数据。标准首次将完整的产品模型交换的思想变为标准，并为面向应用的软件开发过程提供了方法论。

如图1所示，STEP 标准由5 部分组成：描述方法、集成资源、应用协议、一致性测试以及实现方法。

2.1 描述方法

STEP 有自己专用的描述语言EXPRESS，是一种信息建模语言，用于说明某领域的对象( Object)、对象所具有的信息单元、以及对对象的限制和操作许可。

2.2 集成资源

集成资源是用EXPRESS 语言来描述的实体、类型、功能和参照的几何体，它们共同定义了对产品数据模型的有效描述。集成资源分为一般集成资源和应用集成资源两组。一般集成资源包括产品描述基础和支持的原理、几何和拓扑表示、产品结构配置等。集成资源不仅给出了产品几何形状的表达方法，还支持对公差、材料、表面粗糙度等非几何信息的表达。

2.3 应用协议

应用协议主要是用于定义应用的范围、相关内容和信息要求。STEP 作为标准，要求各个应用系统在交换、传输、存储数据的时候必须满足应用协议的要求。

2.4 一致性测试

即使STEP 标准中的集成资源被定义的非常完善，但在数据转换后仍然需要经过一定的测试来确定交换后的数据与之前的是否一致。

2.5 实现方法

STEP 提供了数据交换的4 种实现方法：文件交换、工作站、数据库和知识库。他们都能够完成对产品数据的存储、访问、传送和存档等功能。

STEP 具有良好的兼容性及可扩展性，在格式转换的过程中，损失的信息相对较少。它的信息覆盖面广泛、体系结构严密、可扩充性强、成熟度高，得到软件商和国家层面的支持，成为CAD 模型长期归档的首选格式。

3 基于STEP标准的三维模型长期存档系统

3.1 系统业务流程

3.1.1 模型检查

原始的三维模型数据在存档前，首先需要对模型进行检查验证，检查其是否具有影响模型转换和比对的因素，若存在不规范的内容，则需返回三维CAD 中进行修改；若符合要求，则进行数据归档并进行后续的数据转换环节。

3.1.2 数据转换

对检查合格的三维模型进行数据转换，转换成STEP 格式的同时，利用XML 扩展定义数据，支持对线缆、管路、标注信息、参数、模型属性（材料密度等）、坐标系、基准平面、模型外观属性、装配层级结构等的转换。

3.1.3 模型比对

三维模型比对，自动读入中性文件并保存，与原始数据内容进行比对，合格后的模型数据将进行归档。

软件系统流程如图2所示。

3.2 系统架构

本系统软件进行分层设计，分为应用界面层、业务逻辑层、基础服务层。

应用层基于MFC 开发，使用单文档视图结构，视图窗体用于显示、交互场景物体。界面层是采用第三方商业界面库BCG进行扩展，负责与用户进行交互，通过命令管理机制实现用户与业务逻辑层的交互。

业务逻辑层主要负责实现各模块的功能逻辑，包括三维模型检查、数据转换、模型比对功能。

基础服务层包括三维CAD 的二次开发接口、场景管理、数据管理等，使用二次开发接口进行交互。长期存档系统架构如图3所示。

3.2 关键技术

3.3.1 长期存档数据规范

可扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）是由万维网协会（W3C）1998年2月发布的一种数据交换标准，用于定义 WEB 网页上的文档元素和商业文档。XML 最大的特点是将数据结构化，实现数据共享。作为标记语言，XML 又是一种元语言。XML 文件是由标签组成的 Mark-up 文件。 使用 XML，开发人员可以针对信息内容自行定义标签（以“＜”开头和“＞”结束），用来组织信息。

在计算机辅助设计和制造系统中，应用 XML 这种中性格式文件，可以使各协作方之间能够方便地共享数据，并且大多数的CAD/CAM 系统都支持二次开发。进入 CAD 系统后，遍历文件里的板类型对象和加筋类型对象，读取这些对象的点、线等几何属性信息，按照 XML 的语法即可转换成 XML 代码，生成 XML 文件。

由于STEP 中性格式并未支持如MBD 的信息以及视图管理等信息，如果仅用CAD 软件自身的STEP 转换进行归档，在归档时就会丢失这部分信息，导致数据失真。又因为CAD 模型格式被严格保密，所以本文直接对CAD 数据文件进行解析，将其中定义的几何、约束、装配、图纸、管路、线缆、PMI 等所有归档要素的信息解析出来，然后按照STEP的定义创建输出。对于STEP 目前标准中不支持的要素类型，则通过XML 扩展对其进行定义。综上，本文中的长期存档系统将以STEP+XML 作为数据存储规范。如图4所示。

图1：STEP 标准的内容

图2：系统业务流程

图3：长期存档系统架构

图4：长期存档数据存储内容

图5：数据转换流程

图6：三维模型比对功能界面

3.3.2 数据转换

复杂产品在设计、制造、维护等不同生命周期中会使用到不同的软件，每种软件定义的数据格式不尽相同。因此，为实现各类产品数据向军工标准格式的转换，必须开发不同格式到长期存档规范数据格式的转换技术。

数据转换技术是关键的一环，要完善地处理不同系统创建的模型以及所带的其他信息不丢失，需要建立起的强健的策略处理机制，不管是转入还是转出，不管是Pro/E 还是CATIA或NX，不管是设计模型还是分析模型或加工模型，都要在设定的标准和规范要求的基础上进行完美转换，确保几何、图层、颜色、关系、属性等不丢失不变形。

在数据转换的过程中需要提取解析CAD模型信息，分析优化模型中结构物理、数学、描述模型间的耦合关系，归集形成本元信息模型，描述CAD 中的线缆、PMI、图纸等数据。如图5所示。

3.3.3 模型比对

为保证三维几何模型转换为长期存档数据标准的正确性，需要利用原始模型与STEP模型的比对技术，对原数据和转换后的数据进行比对检查。按照三维模型数据类型的特点，分别进行参数比较、三维注释比较、装配层级比较、装配位置比较、基准比较、线缆管路比较等，展示差异之处并输出比对质量报告，作为三维模型归档的重要依据。通过比对结果的验证，也有利于发现可能在格式转换环节存在的问题，从比对和格式转换两方面去考虑改进，提高对中性格式数据的转换质量。如图6所示。

模型比对模块主要包含以下比对功能：

（1）参数比对：查看两个模型在参数上的不同点，模型可以是零件也可以是组件。

（2）装配比对：查看两个模型在装配方面的不同点，模型只能是组件。

（3）坐标系比对：查看两个模型在坐标系上的不同点，模型可以是零件也可以是组件。

（4）标注比对：查看两个模型在标注上的不同点，模型可以是零件也可以是组件。

（5）电缆比对：查看两个模型在电缆方面的不同点，模型只能是组件。

（6）管路比对：查看两个模型在管路方面的不同点，模型只能是组件。

（7）属性比对：查看两个模型在模型属性方面的不同点，模型可以是零件也可以是组件。

4 结束语

长期以来，对于平面介质以及二维电子模型数据的资料问题，我们已经有一套完整的管理办法，但对产品三维的电子模型文档的长期保存问题，至今未引起人们足够的重视，还没有一套行之有效的解决方案，已经给型号研制造成了不小的损失。

本文通过研究STEP 标准，提出了一种适用于航天领域的三维长期存档数据标准格式。研究并开发了能够将原始三维CAD 模型转换为长期存档格式的数据转换工具，同时利用模型比对技术，对转换后的模型数据进行检查以保证其正确性。从而形成了一个自主可控的适合国内航天数字化研发的数据存档标准体系和系统。