產品數據交換

我們在計算機上保存自己所做的工作時，經常保存成所用軟件的默認文件格式，通俗地講，就是保存成有默認擴展名的文件。如Microsoft Word默認保存為擴展名為.doc的文件，AutoCAD默認保存為擴展名為.dwg 的文件。這些軟件也支持另外一些文件格式, 如Microsoft Word就可以保存為擴展名為.txt 的純文本文件，AutoCAD保存為擴展名為.dxf 的文件。這樣，其他一些支持TXT或DXF格式的軟件就可以直接使用這些數據了，這個過程就是數據交換。 ^[1] 

與此類似, 隨着科學技術的迅猛發展，CAX技術得到了越來越廣泛而深人的普及。許多行業都在以CAX 技術為契機進行着產業的升級換代。如此眾多的單元技術在運作時將生產出大量的產品數據, 而這些數據由於出自不同的單元技術，在數據的格式、結構方面均存在較大的差異。而且大多數軟件的幾何造型引擎都與相應CAD 產品的源代碼緊密結合，因此文件和數據從一個工程師傳遞給另一個工程師後往往會面目全非。除了當今市場上部分昂貴的、已無縫集成有CAD、CAE、CAM、PDM 等模塊的高端CAX 軟件外, 這些數據間很難互相兼容。 ^[1] 

在一個企業內部，不兼容的產品數據妨礙了產品數據的共享，使各種單元技術僅在某些局部才有相應的計算機系統支持，形成所謂的“ 信息弧島” 。而FMS、PDM、MRPl、CIMS 等技術的核心在於集成。為使各種單元技術間協調工作，必須通過信息共享，使各種功能有機地集成在一起，實現企業信息的整體優化。這就要求產品數據格式標準化，數據間具有可交換性。 ^[1] 

在企業之間，不兼容的產品數據妨礙產品數據的交換，不利於集成系統的信息交換與管理，對於敏捷製造和動態聯盟企業尤為重要。在多變和很難預測的市場競爭中，需要有支持全球合作的數據交換標準，允許企業有效地與它們全球的合作伙伴、客户和零部件供應商交換信息，企業必須確保這種交換是一致的、準確的並且是及時的。例如美國的波音公司在波音777的零件設計中做到了100% 的數字化定義和三維模擬裝配，並將這些數據傳遞到全球眾多的零部件供應商那裏而並沒用圖紙，號稱世界上第一架“ 無圖紙飛機” 。 ^[1] 

人們對產品數據交換的研究是從如何傳遞不同CAD模型的數據開始的。早在70年代初美國國家標準協會ANSI Y14 委員會就意識到產品數據交換規範的必要性，此後麥道自動化公司( McAuto)，形狀數據公司都積極開展此類工作。1979年底美國國家標準局NBS和美國空軍USAF主持開發了IGES規範，並於1980年公佈了它的第一個版本IGES 1.0。與美國同步, 歐洲各國在產品數據標準方面也做了不懈的努力，法國宇航公司於1984年制訂了目標與IGES相當的數據交換傳輸標準SET Rve 1.1， 聯邦德國汽車工業協會於1983 年公佈的VDAFS1.0 標準用於傳遞任意自由曲面。歐洲最大的CIMS研究工程— ESPRIT項目322CAD計劃於1984年開始實施，最初目的是開發一個功能完善的CAD 數據接口。 ^[2] 

IGES自公佈以來得到了廣泛的應用，幾所有的商用CAD/CAM 軟件, 如CADAM、PRO / ENGI-NEER、CATIA 等系統都配備了IGES 接口。IGES標準規定了供數據交換用的IGES文件格式和結構語言格式及以此種格式描述的產品定義數據的幾何、拓撲及非幾何的表示方法。作為一個發展中的技術標準，IGES 在應用中出現了一些問題,主要歸納為三個方面：數據文件過大; 定義存在模糊性；側重圖形數據的交換。受IGES的影響CAM-I國際組織在1982 年制定了三維立體的邊界文件格式試行標準XBF-2，XBF-2 的研究工作列入後來的ESP, 研究的目的在於考查實體造型數據在IGES中的表示這些內容都納入後來的IGES 4.0和IGES 5.0 中。 ^[2] 

隨着各種數據交換標準的制定，人們逐漸意識到應當採用一種面向產品數據的統一的標準才能最終解決不同系統間的數據交換問題。從1982年開始, 美國空軍作為ICAM 計劃的部分，在IGES 基礎上進行一個從設計到製造的產品定義數據接口PDDI計劃。與PDDI 相銜接, 美國LGES 委員會於1984 年開始實施研究新一代產品數據交換規範PDES 計劃，於1957 年中期完成PDES 版本1.0，並已得到150/TC 184 的認可納入其STEP計劃。1986年公佈的PDES 初始報告和1958年底公佈的STEP 1.0版本( 草案)，是PDES/STEP計劃的兩個最重要的文件，它們描述了PDES/STEP的基本思想和規範的發展計劃。 ^[2] 

產品數據交換標準，簡稱STEP，是ISO國際標準化組織實施的長期計劃, 是一個不依賴具體系統的中性機制, 它能完整地規定產品設計製造甚至是產品生命週期各個環節的數據，STEP的三個主要特點為：支持廣泛的應用領域,中性機制, 完整表示產品數據。STEP 研究的着眼點是產品數據PD，產品數據是產品生命期中全部數據的集合，它是整個CIMS的研究和處理的對象。產品數據的詳細內容包括： ^[2] 

（1） 產品控制信息：如零件的標識、批准發佈狀態、材料清單等。

（2）產品幾何描述： 如線框表示、幾何表示、實體表示等。

（3）產品特徵信息：產品特性, 各類形狀特徵如凸起、凹陷、通道等。

（4）公差：尺寸公差和形位公差。

（5）材料：如類型、品種、金相、硬度等。

（6）表面處理：如噴塗、噴丸等。

（7）有關説明: 如總圖説明等。

（8）其他 : 如工藝、質量控制、加工、裝配等。

STEP 的應用範圍非常廣泛，STEP的標準內部又劃分為許多子標準。迄今為止，STEP 確立的部分有36 個， 可劃分為7 組。如圖1所示： ^[2] 

STEP 的組織結構分為三層：應用層、邏輯層和物理層。在形式上這三層組織結構類似於數據庫的三級模式結構(外模式、概念模式和內模式)，然而概念上有較大不同。數據庫模式的核心是概念模式，外模式是為了適應用户的不同需要而從概念模式中抽取出來的, 是概念模式的子集；STEP 則是先有應用層, 邏輯層數據模型是從應用層的數據模型映射和集成而來的。 ^[2] 

在應用層，根據不同的應用領域提出相應的論題模型，描述模型的工具主要採用IDEFIX，NIAM和形式化建模語言EXPRESS，此語言的採用使得描述的數據模型可直接由計算機進行處理、翻譯成相應的數據庫結構或物理文件結構。目前, 應用層主要為機械、電子、有限元分析、建築工程等。 ^[2] 

在邏輯層，根據應用層所提出的論題模型進行分析和集成，獲得一個統一的最小信息冗餘的、明確而完整的信息模型IPIM，也稱概念模型, 最後轉換成EXPRESS表示。 ^[1] 

物理層提供四種產品數據交換方式，即文件交換、工作格式交換、數據庫交換和知識庫交換。其中STEP文件是一種採用WSN 形式化句法、無二義、自由格式的順序文件。 ^[1] 

產品數據交換標準的體系可以看作三層，如圖2所示。最上層是應用層，包括應用協議及對應的抽象測試集，是面向具體應用的, 這是與應用有關的一個層次。第二層是邏輯層，包括集成資源，是一個完整的產品模型，從實際應用中抽象出來，並與具體實現無關。最底層是物理層，包括實現方法，給出在計算機上的具體實現形式。 ^[3]