STEP

多年來，人們提出了許多解決方案。其中最成功的方案已經標準化用於數據的交換。第一批是由歐美國家組織的，把重點放在在幾何圖形的數據交換，包括如法國的SET格式、德國的VDAFS格式和美國的IGES格式(initial graphics exchange specification)。之後在國際標準組織(ISO)的領導下，為了產生一個技術產品數據全方面的國際標準，人們做出了大量的努力，誕生了產品模型數據標準：STEP(standard for the exchange of product model data，產品模型數據交換標準)。

隨着工業自動化和計算機技術的不斷髮展，工業界迫切需要綜合性強、可靠性高的信息交換機制實現計算機輔助工程(CAx)系統之間的有效集成。STEP標準既是一種產品信息建模技術，又是一種基於面向對象思想方法的軟件實施技術。它支持產品從設計到分析、製造、質量控制、測試、生產、使用、維護到廢棄整個生命週期的信息交換與信息共享，目的在於提供一種獨立於任何具體系統而又能完整描述產品數據信息的表示機制和實施的方法與技術。在設計和製造中， 許多系統過去常常要處理技術產品數據。每個系統有它自己的數據格式，所以相同的信息必然在多個系統中多次存儲，這會導致了信息的冗餘和錯誤。這個問題不是製造業所特有，只不過在製造業表現地更為突出，因為複雜的數據和三維數據讓使用者們引起誤解，和誤差的擴大。據美國國家標準協會估計，數據不兼容的問題對於製造業意味着一個9 0 0億元的損失… 。

STEP-NC自1997年的研發以來，製造業中關於STEP的應用已經成為工業化國家中的熱點研究對象。在所有的熱點研究課題中，美國有Super Model項目、歐洲有MATRAS計劃和OPTIMAL、日本有Digital Master項目、韓國有STEP-NC項目，這些都是十分有代表性的項目。而上述熱點研究國家主要都是集中在數據庫、標準以及STEP-NC的控制器這三個方面的研究。

數據庫的研究。對於STEP-NC所涵蓋的特殊定義、幾何模型、工藝流程、公差定義等等這些信息都是必須通過一個相同的智能接口，才能完整地被集成到一個產品模型的數據庫中。在數據庫的研究當中，STEP Tools公司是最具代表性的，主要因為該公司於新世紀兩千年開始了“超級模型”——Super Model的項目研究。“超級模型”項目的英文全稱是Model Driven Intelligent Control of Manufacturing，該項目主要是為了建立一個包含可直接驅動數據銑牀、零件所有制造特徵的數據庫，之後再向PDM、數控車削等目標的擴展。STEP Tools公司最終在“超級模型”項目中開發了兩項新技術，分別是EXPRESS-X和STEP/XML，由於這兩項技術的應用中，數控編程都是被簡化了的，因此，給CNC可以在因特網上直接查找產品數據奠定了堅實的基礎。

標準的研究。當前已經制定的關於STEP和STEP-NC的標準，涉及的行業通常是汽車、飛機、造船業、機械設計、電子電路等。關於STEP-NC已經制定的標準草案（ISO-DIS-14649），它包括通用數據、基本概念及規則、銑削刀具、數控銑削加工等。正在制定中的STEP-NC標準有：放電加工、數控車削加工、監控、玻璃木材的銑削等等。

STEP-NC控制器。STEP Tools公司正在研製機牀控制器的軟件，這款軟件是用於直接讀取Super Model的。此外，還有POHANG科技大學（韓國）、Siemens公司（德國）等都在致力於控制器的積極研究。而在無數不少的研究當中，Siemens公司取得了豐碩的成果。

STEP標準基本描述

STEP標準不是一項標準，而是一組標準的總稱，STEP把產品信息的表達和數據交換的實現方法區分成六類：1)描述方法(Description Methods)；

2)實現方法(Conformance Testing)；

3)集成資源(Implementation Methods):分一般資源和應用資源；

4)應用協議(Application Protocols)；

5)一致性測試方法論和框架(Conformance Testing)；

6)抽象測試集(Abstract Test Suites)。

STEP標準的組成結構如圖所示。STEP 標準也可劃分為兩部分：STEP標準的數據模型和工具。數據模型包括通用集成資源、應用集成資源、應用協議；工具包括描述方法、實現方法、一致性測試方法和抽象測試套件。其中資源信息模型定義了開發應用協議基礎的數據信息，包括通用的模型和支持特定應用的模型。產品數據的描述格式獨立於應用，並且通過應用協議進行實施。應用協議定義了支持特定功能的資源信息模型，明確規定了特定應用領域所需的信息和信息交換方法，提供一致性測試的需求和測試目的。

幾乎每一個主要的CAD/CAM系統包含由一個STEP應用協議(application protocols，AP’s)定義的一個讀寫數據的模塊。在美國最普遍實現的協議稱為AP-203。這個協議用來交換描述實體模型以及實體模型裝配體的數據。在歐洲，一個非常相似的協議稱為AP-214，完成的是相同的功能。

其中，構成核心體系的關鍵語言有：

1)描述語言：EXPRESS語言是STEP標準開發的面向對象的信息模型描述語言(ISO10303—11)，用以描述集成資源和應用協議，即是記錄產品數據的建模語言，在STEP技術中處於基礎和核心的地位。

2)實現語言：鑑於EXPRESS本身不是一種實現語言，STEP規定了若干通過映射關係來實現EXPRESS的語言。主要有：

·STEP p21文件(ISO10303—21)：p21文件採用自由格式的物理結構，基於ASCII編碼，不依賴於列的信息(IGES有列的概念)，且無二義性，便於軟件處理。p21文件格式是信息交換與共享的基礎之一。其常用擴展名有stp、step、p21，因此常常被稱作STEP文件或者p21文件。

·SDAI接口——Standard Data Access Interface (ISO10303—22)：是STEP中規定的標準數據存取接口，提供訪問和操作STEP模型數據的操作集，為應用程序開發員提供統一的EXPRESS實體實例的編程接口需求規範。可用於更高層的數據庫實現和知識庫實現。

·STEP data in XMI(ISO10303—28)：提供STEP文件到XML的映射，XML是為Internet上傳輸信息而設計的一種中性的數據交換語言，是Internet/Intranet間存儲和提取產品數據的主要語言工具。

3)應用協議(AP)：STEP利用應用協議(AP)來保證語義的一致性。應用協議指定了在某一應用領域巾，共享信息模型結構所需遵循的特定應用協議所規定的模型結構。通過應用協議，建立一種中性機制解決不同CAx系統之間的數據交換。已制訂或正在制訂的有關工程設計與製造方面的STEP應用協議有38個(AP-201～AP-238)。

2004年6月的STEP應用協議如下：

第201部分Explicit Drafting顯式繪圖；

第202部分Associative Drafting相關繪圖；

第203部分Configuration Controlled Design配置控制設計；

第204部分Mechanical Design Using Boundary Representation用邊界表達的機械設計；

第205部分Mechanical Design Using Surface Representation用曲面表達的機械設計；

第206部分Mechanical Design Using Wireframe Representation使用線框表達的機械設計；

第207部分Sheet Metal Dies and Blocks片金屬的沖模和成塊；

第208部分Life Cycle Product Change Process生命週期管理更改管理；

第209部分Design Through Analysis of Composite and Metallic Structures通過合成體和金屬結構的分析進行設計；

第210部分Electronic Printed Circuit Assembly，Design and Manufacturing電子的印刷線路裝配，設計和製造；

第211部分Electronics Test Diagnostics and Remanufacture電子測試診斷和再造；

第212部分E1ectrotechnical Plants電子技術設備；

第213部分Numerical Control Process Plans for Machined Parts加工件的數控處理規劃；

第214部分Core Data for Automotive Mechanical Design Processes汽車機械設計處理的核心數據；

第215部分Ship Arrangement船的佈置；

第216部分Ship Molded Forms船的模型形式；

第217部分Ship Piping船的管道；

第218部分Ship Structures船的結構；

第2I9部分Dimensional Inspection Process Planning for CMMs對CMMs進行空間的檢驗處理規劃；

第220部分Printed Circuit Assembly Manufacturing Planning印刷電路的裝配製造規劃；

第221部分Functional Data and Schematic Representation for Process Plans工藝規劃的功能數據和它的模式表達；

第222部分Design Engineering to Manufacturing for Composite Structures組合結構的設計工程學到式製造；

第223部分Exchange of Design and Manufacturing DPD for Composites複合結構的產品數據交換；

第224部分Mechanica1ProductDefinitionforProcessPlanning處理規劃的機械產品定義；

第225部分Structural Building Element Using Explicit Shape Rep使用顯式形狀Rep的結構建築元素；

第226部分Ship building Mechanical Systems造船機械系統；

第227部分Plant Spatial Configuration工廠空間配置；

第228部分Building Services建築服務；

第229部分Design and Manufacturing Information for Forged Parts鑄造部件的設計和製造信息；

第230部分Building Structure frame steelwork建築結構框架：鋼結構；

第231部分Process Engineering Data工藝工程數據；

第232部分Technical Data Packaging技術數據的打包信息；

第233部分Systems Engineering Data Representation系統工程數據表示；

第234部分Ship Operational logs，records and messages船的操作日誌、記錄和信息；

第235部分Materials Information for products產品的材料信息；

第236部分Furniture product and project傢俱的生產和設計；

第237部分Computational Fluid Dynamics計算流體動力學；

第238部分Integrated CNC Machining集成CNC加工；

第239部分Product Life Cycle Support產品生命週期維護；

第240部分Process Planning工藝規劃。

第242部分Managed model based 3D engineering。

STEP標準層次概念

整個STEP系統分為三個層次：應用層、邏輯層和物理層，其關係如圖2所示。最上層是應用層，包括應用協議及對象的抽象測試集，這是面向具體應用的一個層次。第二層是邏輯層，包括集成通用資源和集成應用資源及由這些資源建造的一個完整的產品信息模型。它從實際應用中抽象出來，並與具體實現無關。它總結了不同應用領域中的信息相似性，使STEP標準的不同應用間具有可重用性，達到最小化的數據冗餘。最低層是物理層，包括實現方法，用於實際應用標準的軟件的開發，給出具體在計算機上的實現形式。

三層中所對應的標準由三個不同的委員會負責制定。每一層採用了不同的信息建模工具，應用層採用了IDEF0，IDEF1X，NIAM，EXPRESS；表達層則採用了EXPRESS。

式化定義語言EXPRESS

EXPRESS是一種面向對象的非編程語言，用於信息建模，既能為人所理解，又能被計算機處理(通過EXPRESS編譯程序)。EXPRESS主要用來描述應用協議或集成資源中的產品數據，使描述規範化，它是STEP中數據模型的形式化描述工具。EXPRESS語言採用模式(schema)作為描述數據模型的基礎。標準中每個應用協議，每種資源構件都由若干個模式組成。

每個模式內包含類型(type)説明、實體(entity)定義、規則(rule)、函數(function)和過程(procedure)。實體是重點，實體由數據(data)和行為(behavior)定義，數據説明實體的性質，行為表示約束與操作。

作為一種形式化描述語言，EXPRESS吸收了Ada，C，C++，Modula 2，Pascal，PL/1，SQL多種語言的功能，有強大的描述信息模型的能力，但又不同於編程語言，不具有輸入與輸出語句。

簡述如下：

1)豐富的數據類型

EXPRESS規定了豐富的數據類型，常見的有：

·簡單數據類型。包括NUMBER，REAL，INTEGER，STRING，BOOLEAN，LOGICAL，BINARY。

·聚合數據類型。有數組(ARRAY)、表(LIST)、集合(SET)和包(BAG)。

·命名數據類型。由用户定義，包括實體(ENTITY)和類型(TYPE)。

·構造數據類型。包括枚舉(ENUMERATION)和選擇(SELECT)。

2)模式中的各種説明

模式(schema)是EXPRESS描述對象的主體，也即概念模式，所以首先進行模式説明，然後在模式中再通過各種説明來進行描述，這些説明包括類型説明、實體説明、常數説明、函數説明、過程説明、規則説明，這些説明是相互並列的，其中重要的是對實體的説明。

一個實體説明的結構如下：

ENTITY實體標識符；

[子類，超類説明]：

[顯式屬性]；

[導出屬性]；

[逆向屬性]；

[惟一性規則]；

[值域約束]；

END-ENTITY；

【例1】定義圓為實體，使用了導出屬性。

ENTITY circle；

center：point；

radius：REAL；

DERIVE

area：REAL：=PI*radius**2；

END-ENTITY；

【例2】定義單位向量為實體，使用值域約束，即單位向量長度必須為1。

ENTlTY Unit-vector；

a，b，e：REAL；

WHERE

length：a**2+b**2+c**2=1.0；

END-ENTITY；

【例3】定義實體A2及它的超類B2，C2

ENTITY A2；

SUPERTYPE OF(B2，C2)；

END-ENTITY；

3)表達式

可進行算術運算(加、減、乘、除、乘方、取模等)，關係運算(等於、小於、大於等)，BINARY運算(索引與連接)，邏輯運算(邏輯與、或、非、異或)，字符串運算(比較、索引、連接)，聚合運算(索引、交、和、差、子集、超集等)，實體運算(關係比較、屬性訪問、組訪問、複雜實體構成等)。

4)執行語句

如賦值、case、if-then-else、ESCAPE、過程調用、REPEAT、RETURN和SKIP語句等，和一般程序設計語言一樣豐富。

5)各種內部常量、函數和過程

如常量PI，SELF，函數SIN，COS，…，EXITS，HIINDEX，SIZEOF，TYPEOF等，過程INSERT等。

6)接口語句

常用語句有USE FROM，即使用另一模式中的類型或實體名，效果等於在本模式中説明一樣；還有REFERENCE FROM，即引用另一模式中的實體、類型等，但在本模式內它們不能獨立地實例化。

STEP的三層組織結構、參考模型及形式化定義語言EXPRESS，一起構成了STEP方法學。

STEP標準優點

STEP標準具有簡便、可兼容性、壽命週期長和可擴展性的優點，能夠很好的解決信息集成問題，實現資源的最優組合，實現信息的無縫連接。