3D CAD模型长期保存策略研究

    朱志赟

    

    

    

    摘 要：3D CAD模型长期保存困难重重。为此，国际航空工业界推出LOTAR（LOng Term Archiving and Retrieval）项目，旨在建立、测试、颁布并维护3D CAD模型长期保存和获取所需要的标准，目前其主要成果是NAS/EN 9300系列标准。而汽车工业产品数据标准战略联盟通过LTAR（Long Term Archiving & Retrieval of Digital Product Definition Data， LTAR）项目已经形成了一套完整的建议体系，包括四个部分：文件格式、存取流程、保存时间、质量保证。目前，国内还未有国家或行业层面的3D CAD模型长期保存策略。借鉴电子文件前端控制和全程管理的思想，通过3D CAD模型生成时的模型质量控制措施、流转过程中的更改和版本控制以及归档后的物理与逻辑实体控制措施，确保3D CAD模型长期可读、可理解。

    关键词：3D CAD；LOTAR；LTAR；长期保存；质量控制；工程更改；版本控制；逻辑与物理实体控制

    Abstract： Long-term preservation of 3D CAD models is beset with difficulties. Then LOTAR（LOng Term Archiving and Retrieval）program is conducted by international aerospace industry， aiming to develop， test， publish and maintain standards for long-term archiving and retrieval of 3D CAD models. It has published NAS/EN 9300 series standards， the main achievement of LOTAR so far. The SASIG Long Term Archiving & Retrieval Project is developing a set of recommendations， which are partitioned into four topic aeras： 1）Format， 2）LTAR Process，3）Retention Time Periods， and 4）Quality Assurance. At present， there is no national or industry level 3D CAD model long-term preservation strategy. Learning from the idea of digital data front-end control and whole process management， employ model quality control in generation process， engineering changes and version control during the flow process， and logical and physical entity control after archiving to ensure that the 3D CAD models can be long-term read and understood.

    Keywords： 3D CAD Model； LOTAR； LTAR； Long-term Preservation； quality control； engineering change； version control； logical and physical entity control

    1 3D CAD模型長期保存的难点

    完整的零部件3D CAD模型由几何要素、约束要素和工程要素构成。机械产品3D CAD模型文件作为设计部门的劳动成果、制造单位的工作依据、客户服务部门的工作参考、监管单位的证据，要求3D CAD模型长期可读、可用、安全、有序。3D CAD模型长期保存的难点如下：

    （1）同一项目3D CAD模型文件众多且分散，相互关系复杂。波音B777是全球首款完全采用3D CAD设计的机型，该项目共使用2200台计算机终端，最终产生多达300万的零部件数字模型。在整个产品生命周期内，同一零件或部件需要进行多次工程更改或版本更新，由此产生零件与零件、部件之间的装配、替换、互换、选配和冲突等关系错综复杂。

    （2）3D CAD模型生成软件众多，格式各不相同。3D CAD模型由专业的三维设计软件生成，目前，主流的商业CAD设计软件包括AutoCAD、SolidWorks、Unigraphics NX、CATIA等软件，各软件都有其专门的数据保存格式。CAD应用软件的内部架构与另外一个CAD应用软件的不一样，在数据交换的时候，很难避免不丢失数据或数据错误。STEP、IGES等中间格式由于本身结构复杂，标准体系不完善，加之各软件厂商出于商业利益考量，各CAD软件对中间格式的支持能力也参差不齐。[1]3D CAD数据保存格式的不统一增加了其长期可读的风险。

    （3）3D CAD模型保存环境脆弱而保存期长。我国《民用航空产品和零部件合格审定规定》第21.314条规定，每一型号或型别项目的完整的、现行有效的技术资料档案应该保存到不再制造该项目为止，并在停产后交局方。用于飞机设计的CAD软件系统的生存时间大概为10年，而每6个月将有新版本更新。与之相应，每架飞机的使用寿命为20～30年，而每一机型的服役时间往往超过70年。数字环境的易变性和3D CAD模型的稳定性要求矛盾突出。

    2 3D CAD模型长期保存的实践进展

    20世纪60年代，CAD/CAM技术诞生于工业发达国家，在航天、汽车、船舶、航空、电子等领域迅速地得以应用。因此，这些行业也较早地面对长期保存3D CAD模型的挑战。不同的行业组织纷纷开展长期保存3D CAD模型的研究项目，以支持CAD/CAM技术在本行业中的长期应用。

    2.1 国际航空工业的3D CAD/CAM长期保存与获取项目。LOTAR（LOng Term Archiving and Retrieval）项目是国际航空工业界关于CAD/CAM模型长期归档保存最重要的合作项目。LOTAR项目在欧洲航空航天与防务工业协会标准化分会（ASD-STAN）、美国航空航天工业协会（AIA）、ProSTEP iViP协会和PDES，Inc.协会的共同支持下，由航空和防务领域领先的制造商和供应商具体实施。参与的会员单位不仅包括空客、波音、达索航空、洛克希德·马丁等著名航空企业，还包括美国联邦航空局（FAA）、欧洲航空安全局（EASA）等监管机构和美国国家航空航天局（NASA）、美国国家标准技术研究院（NIST）等政府机构。该合作项目旨在建立、测试、颁布并维护一系列保证3D CAD和产品数据长期保存和获取所需要的标准，并通过提供方法、规范流程、数据模型以及应用案例来推动该标准体系在行业中的应用，保证3D CAD模型的数字产品和技术信息不依赖特定的信息技术应用环境，并在整个生命周期内保持可读和可用。

    该项目基于开放档案信息系统模型（OAIS）和产品模型数据交互规范（STEP，即ISO 10303）提出了NAS/EN 9300系列航空航天标准，目前该标准体系正在不断的善中。其主要构成如图1所示。

    图1 NAS/EN 9300的组成部分

    基础部分提供长期保存3D 数模和产品结构数据所需要的基本概念。公共过程部分则概括归档和保存3D 数模和产品结构信息的主要步骤。数据域部分针对不同内容类型的CAD数模提出相应要求与规定，并设置不同的鉴定和验证级别。例如，保存装配结构信息的CAD要求装配结构唯一、不存在无用元素、装配件和零件位置信息明确等。这些准则在CAD建模及归档过程中应当予以实施。LOTAR标准体系并没有定义新的3D CAD保存格式，而是参照引用相关的ISO 10303 STEP应用协议。LOTAR项目组协助完善STEP标准体系，使其适合于保存航空领域3D CAD数模。

    LOTAR项目实施以来，有多家航空制造企业陆续采用此标准体系保存3D CAD数模，在航空领域应用逐渐扩大。空客A350在电气线束设计时，遵循NAS/EN 9300标准中关于显式几何信息和装配结构信息的长期归档标准，包括第110、第115、第120部分，并保存成遵循AP242和AP214应用协议的STEP格式。遵从LOTAR的标准体系，使达索航空能够向航空监管部门只提供3D数字设计文档而不再使用纸质版本资料。

    2.2 SASIG数字产品定义数据长期保存与获取项目。国际汽车工业界也意识到整个产品生命周期内长期保存产品定义数据的必要性。2010年，汽车工业产品数据标准战略联盟决定推出一系列建议，指导并促进会员单位更加有效地开展数字产品信息的长期保存工作。经过近几年的努力，SASIG通过数字产品定义数据长期保存与获取项目已经形成了一套完整的建议体系，包括四个部分：文件格式、存取流程、保存时间、质量保证，并提供一个评测机构长期存取能力水平的试验平台。

    文件格式部分梳理出选择存档格式时需要考虑的关键性功能和技术因素。SASIF-LTAR支持使用开放文件格式。文件格式必须具有可用性、定义清晰、应用广泛、可维护性强、无限制等特征。

    存取流程分为七个综合模块来描述长期存取活动和数据流，分别为准备、获取和归档、监测档案存储、更新描述信息、维护档案存储、检索和删除档案信息。如图2所示：

    图2 SASIG-LTAR的存取流程

    准备流程收集必要信息，转换数据格式，并生成提交信息包。获取和归档流程将提交信息包生成档案信息包，并存入档案存储系统。归档之后，系统监测档案信息包，并阻止未经授权的访问和更改。为保证稳定可靠和可检索性，描述信息需要不断地更新；为保持足够的归档能力，系统环境和数据需要备份，并定期将系统环境更新重置。在检索流程中，利用者获得所需档案数据。最后，档案系统需要删除保存期满的档案数据。

    时间间隔是指产品数据的制成品为了满足政府或机构的需要而保存的时间期限。决定时间间隔的三个主要因素是数据用途、数据类型和本体模型。模型的保存时间长短主要由不同的商业动机决定。数据的用途往往涉及知识产权，售后服务、专利诉讼、法律责任以及组织的知识管理政策等。数据类型可根据产品生命流程的六项流程进行分类，分别是：计划类、初步设计类、详细设计类、试验样品类、产品类和售后服务类。本体模型是一个用通用词汇定义的语义模型，它是一种描述不同数据类别之间规则和依赖关系的一种层级分类表。语义模型的主要功能是保证不同数据类别保存期限的一致性。

    质量保证通过四种方法来检查和验证模型质量，以确保模型安全、可靠，分别是产品数据质量检查、歸档规则检查、稳定性检查和等价性验证。产品数据质量检查确保被归档的源数据符合有关组织所规定的数据产品质量规则。归档规则检查则是确保所归档的描述信息包含未来管理和利用模型所需的信息。稳定性检查则是确保在保存期间，归档数据得到有效维护，没有改变。等价性验证则是保证数据在转换之前和之后是相同的，转换之后依然是可信赖的。

    3 3D CAD模型长期保存的具体措施

    在国内，数字资源的长期归档与保存一直是研究的热点，但是具体研究3D CAD模型的长期保存和获取则较少，更没有从国家或行业的层面提出解决框架或方案。结合国内外实践，借鉴电子文件管理经验，采取必要措施亦能够保证3D CAD模型长期可读、安全、可靠。

    产品数据在其整个生命周期中要经历三种状态的转变，即工作状态、预发布状态和发布状态。工作状态是指正在设计中的产品数据的状态；预发布状态是指已完成设计但尚未归档的产品数据的状态；发布状态是指已归档投入使用的产品数据的状态。[2]从电子文件前端控制和全程管理的思路出发，以3D CAD模型为对象，在3D CAD模型生命周期的不同阶段采用不同措施。在3D CAD模型生成过程中采取模型质量控制措施，模型文件流转过程中进行更改与签审控制，模型文件归档后采取逻辑与物理实体控制措施，确保3D CAD模型完整准确、安全有序。

    3.1 3D CAD模型的前端质量控制措施

    3.1.1 3D CAD模型设计规则控制。模型构建者在使用三维设计软件进行三维零件、组件及部件的设计过程中，点、线架、曲面和实体的使用和图形表达遵循统一的设计规则，模型内容信息结构清晰、可理解，具有良好的通用与适应能力。参考国家标准《机械产品三维建模通用规则》（GB/T 26099-2010），结合行业的具体要求，通过项目内部件的形式发布详细的建模规则，包括建模的通用规定，坐标系的选用，线形、线宽的设置，标准术语、概念、符号、计量单位的使用等。

    3D CAD模型质量控制的主要内容包括：建模的一般要求、几何要素的表达、专用建模要求以及模型的发放状态要求。所有的三维模型按1︰1绘制，一个零件模型中只允许定义一个零件，部件和组件中的所有零件应在各自的零件模型中定义。计量单位一般采用公制，尺寸单位为毫米（mm），重量单位为千克（Kg）。模型中的中心线、基准线、参考线的线宽，模型中的边界线、交线和轮廓线等的线宽为相应的固定值。两个元素间的间隙、重叠、过盈允许的最大值应明确予以规定。所有的3D CAD模型都至少受控于一个坐标系，使用总体坐标系、辅助坐标系或局部坐标系进行定位的模型，都应该在信息结构树中定义坐标系的标识。结构树中的每一个元素都应该采用标准术语进行明确标识。

    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。比如，零件模型中除实体之外的所有图形元素应设置到NO Show状态。所有模型在保存之前要进行刷新操作，并清理模型内部的逻辑错误。

    3.1.2 3D CAD模型命名规则控制。机械结构是具有层次关系的零部件组成的复杂系统，就是一个部件可以分解为若干个零件和子部件，一个子部件又可以分解为若干个更下一层的零件和子部件。[3]机械产品的这一特性直观地体现在3D CAD模型的命名规则上。一般情况下，3D CAD模型文件名由前缀和件号构成，进行结构化编码，具有唯一性、稳定性等特征，清晰表明模型在产品结构中的层次关系。前缀即图样类型代码，多为两位大写字母。例如：AB表示三维数模装配件图，AC表示三维数模零件图等。件号是指零件、装配件和安装件的编号，依据本行业或本公司的产品编码规则进行编号。结构化编码易于管理，便于检索。图3为某汽车设计模型编码示例。

    AB_111XXX.catproduct表示是汽车底盘主减速器的蜗杆三维装配图。文件名可以进行扩展，在编码后根据隶属关系继续编号，或者增加零件、组件顺序号，也可以采用奇偶数标识表示左右对称件。文件名直观揭示模型文件的内容和类型，规范、稳定、合理的命名确保3D CAD模型可检索，是长期保存的基础。

    3.1.3 3D CAD模型保存格式控制。适合长期保存的3D CAD模型格式应当独立于特定的软件、平台和环境。CAD 中间数据格式，也被称为交换格式或中性格式，是方便不同品牌、厂商和版本的CAD系统之间交互数据而衍生出的模型格式，是CAD模型的一种特定格式，这种格式的模型文件可被绝大多数CAD系统识别和读取。[4]目前主要有国际标准ISO 10303定义的STEP格式、美国标准IGES格式以及事实上被多数厂商支持的AutoCAD的DXF格式和Adobe公司的3D PDF格式。

    STEP标准作为国际标准化组织制定的数据交换国际标准，已经成为国际公认的CAD模型文件全球统一标准，许多国家也都参考STEP标准推出了自己的国家标准。STEP信息覆盖面广泛、体系结构严密、可扩充性强、成熟度高，得到軟件商与国家层面的广泛支持，成为3D CAD模型长期保存的首选方案。

    除此之外，也可以选择本行业内稳健、格式开放、不绑定软硬件、利于存储的其他文件格式。从3D CAD模型的原始格式转化成适合长期保存的STEP或其他格式后，要对其进行鉴证和验证，以确保原始格式和长期保存格式内容一致，信息的损失量在可接受范围内。

    3.2 3D CAD模型的更改和签审控制措施

    3.2.1 3D CAD模型的更改控制。国际对象管理组织（Object Management Group，OMG）认为设计更改是一种流程，该流程由四个阶段组成：设计更改问题的提出、设计更改申请、设计更改执行和设计更改影响的传播。设计更改是一项涉及人员组织、产品数据和更改流程的逻辑严密的闭环系统。零件的变号和版本的变化是更改的两个主要方式，影响着产品的构型。一种有效的零部件的更改和版本控制原则是：如果经重新设计或者更改以后零部件的外形、装配、功能和互换性等发生了改变，则要对零件编号重新指定；如果以上这些内容不发生变化，零件的更改只是要纠正设计的错误，则对零件的相应文档升版。[5]

    版本控制是一种有效的保障CAD电子图档文件真实性的方法，是长期保存不可分割的组成部分。[6]不同性质的更改流程不同，涉及构型的影响范围不同，因此通过不同的版本号予以区分。当版本更新，新版本代替旧版本时，可以用B、C、D版等进行标识；当对版本的改动较小，需要快速执行时，可以使用B1、B2、B3版等进行标识；临时性的更改，则用001、002、003版等进行标识。所有的3D CAD模型必须具有版本号，其版本号类型的确定应有明确的内部文件规定。

    3D CAD模型自身保存上下文信息的能力有限，因此对其的发送、更改、换版、作废等设计更改需通过专门的操作文件在产品数据管理系统内进行。该文件记录3D CAD模型更改原因、具体更改内容、型号、更改执行序列等，并记录签署人数字签名、签署时间等签审信息。每一份3D CAD模型都有相对应的操作文件，通过对操作文件的签署实现对3D CAD模型文件的签审，二者共同流转，不可分割。操作文件与3D CAD模型文件具有相同的版本號，两者具有相同的文件名，仅以类型代码区分，两者一起流转、签署、归档、发送，是定义产品不可分割的整体。

    3.2.2 3D CAD模型的签审控制。更改流程的管理是设计更改管理中关键的因素。[7]3D CAD模型形成后，经过签署流程进行签审，签审是对模型内容、质量的全面审查。签署完毕后，3D CAD模型从产品数据管理系统归档至档案系统长期保存，同时将模型发送至制造单位或供应商进行生产。3D CAD模型的签审信息记录在操作文档中。

    签审流程具体有所不同，但一般包括四个角色。

    （1）设计。设计是指3D CAD模型的构建者，应对模型的内容、建模质量全面负责，全面校核模型的正确性、协调性、完整性。流程中的任何一环节（审核、批准）驳回时，流程将返回设计修改。

    （2）审核。由专业主管签署，负责检查模型编制质量，对本业务范围内的管理问题、协调问题以及其他重要技术问题负责，对发出模型的格式、编号、各项标准选用的正确性及标准化方面的其他问题进行审查，应对模型涉及的重大技术内容和管理内容的正确性、合理性及完整性负责。

    （3）会签。影响材料、工艺、重量、构型等其他专业的模型更改必须让相关专业进行会签，确保工程更改得到协调处理。

    （4）批准。由副总设计师签署或总设计师签署。根据模型的涉及范围和重要程度，经总设计师授权，可由部门领导、授权的副主任设计师或副总设计师代行批准权。一般情况下，只有涉及全局的文件才由总设计师签署批准。

    文件号和版本共同构成3D CAD模型的唯一标识。旧版本或作废版本的3D CAD模型严格受控、限制使用。结构清晰、格式规范、含义明确的标识是确保3D CAD模型长期可检索、可获得、可理解的关键因素。设计合理的变更和签审流程，一方面提高工作效率，节省物力人力成本；另一方面确保模型文件的质量控制得到落实，确保模型图样得到适当授权，合法有效。

    3.3 3D CAD模型逻辑与物理实体控制措施

    3.3.1 3D CAD模型的逻辑控制。当模型文件在产品数据管理系统完成签署、发送并归档后，3D CAD模型和相应的操作文件实时、自动迁移至档案资源综合管理系统，将处理的数据条目记录在特定的数据库表中，并记录数据处理状态。归档后的3D CAD模型管理权限移交至档案人员，其他人员无权进行更改、增删等操作。由档案人员完成数据接收、补充著录、组卷等工作。根据3D CAD模型所属的型号、设计生产阶段建立案卷，将生产图、非生产用图和预生产图、样图、模型及试验件图等集中存放。

    档案资源综合管理系统是管理3D CAD模型的主要工具、手段，其通过端口实现与产品数据管理系统的无缝衔接。产品数据管理系统只管理现行有效的产品数据，而档案资源综合管理系统不仅存储管理现行有效数据，还负责对作废、换版等失效后数据的提供利用、日常维护、监测管理等。档案资源综合管理系统提供利用接口模块，实现对档案资源的多重检索查询，提交利用申请流程，并提供合适的档案信息响应利用申请。对于失效的3D CAD模型的利用管控更加严格，非本专业的借阅者需要获得3D CAD模型设计专业相关领导的审批。

    档案资源综合管理系统应当采用符合国家档案管理标准、档案管理规范，被行业广泛应用的软件产品。档案资源综合管理系统应具有成熟的业务处理能力，完备的检索、权限分配、利用、编研、数据导入导出等功能，还必须具有功能可扩展、可移植等特性，具有一定的系统升级能力。

    3.3.2 3D CAD模型的物理实体控制。档案物理存贮由技术支持部门负责。技术部门负责全系统内服务器及存储系统、网络及安全系统、机房基础设施和备份软件的日常运维及安全保障。建立健全数据中心的巡检制度，做好防火、防盗、防潮、防强磁等工作，避免存储设备的物理损伤，对各种原因导致的部分服务器及存储设备的故障应及时处理。

    档案系统由技术部门负责备份，对于重要档案采用异地异质备份系统。在目前的技术条件下，硬盘以及以硬盘为基础的各种存储系统（磁盘阵列、NAS存储、SAN存储、集群存储等）仍为主流存储方式。但是，硬盘由于受到机械结构的限制，只能保固3～5年，时间过久普遍会出现坏道甚至数据损毁。因此，技术部门需定期检测数据并更新存储介质。磁带因具有价格低廉、容量可扩展性强、安全性高、性能稳定、文件系统独立等特性，在长期保存数据方面拥有磁盘无法取代的优势。[8]因此，技术部门应将长期保存的数据适时迁移备份至磁带载体，并做到安全保管。

    4 总结

    3D CAD模型既面对一般电子文件长期保存的难点，也有其自身特点的挑战。在没有统一的解决方案的前提下，从3D CAD模型的全生命周期管理角度，从模型生成阶段、模型流转阶段到模型的稳定保存阶段，做好每一阶段的工作，亦不失为一种长期保存与利用的解决办法。

    参考文献：

    [1]杨双荣，胡沙，李建军.CAD数据交换与互操作性的研究[J].计算机工程与设计，2010，31（7）：1580～1584.

    [2]刘清华，万立，钟毅芳.工程变更管理的分析与研究[J].计算机集成制造系统-CIMS，2000，6（6）：31～36.

    [3]黄志文.基于CATIA、VPM的结构三维数字化设计技术[J].直升机技术， 2010（4）：20～25.

    [4]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.

    [5]柏彦春，于勇，范玉青，等.工程更改在飞机项目中的应用[J].航空制造技术，2003（9）： 34～37.

    [6]郭伟，方昀.CAD电子图档文件真实性保障策略研究[J].工程机械，2015， 46（8）：43～46.

    [7]王长兵.基于TCEng的飞机设计更改管理的研究与实现[D].南京航空航天大学，2007.

    [8]王志宇，周婷.实现电子文件长期保存的微观与宏观措施[J].浙江档案，2010（12）：27～29.

    （作者单位：上海飞机设计研究院 来稿日期：2017-04-05）