三维模型长期存档进展、应用与研究

　　文/陈娟 张抒 范志芳 梁巍 陈婷婷

　　由航天档案馆、航天东方红卫星有限公司承担的“卫星三维模型归档关键技术研究”科技项目课题于2017年8月由国家档案局正式立项，课题的研究工作于2017年8月正式启动，2020年年底完成课题研究计划确定的各项研究内容，并于2021年9月通过国家档案局验收。2022年，项目成果获得国家档案局年度优秀科技成果一等奖。该课题为解决制约三维模型归档的关键技术问题，满足三维模型归档的迫切需求，提供了可行的解决方案，形成了三维模型归档必要的工具软件，构建了规范的技术途径，实现了三维模型数据解析、转换、检查等功能，在航天等高端装备制造行业具有推广价值。

　　研究背景

　　目前，航天产品三维模型数据的保存方法，主要是以软件自带格式，存储在PDM或档案管理系统中，但这种模型数据保存方法存在巨大风险，不能保证数据长期可用，数据会随软件升级而逐渐失效；航天广泛使用的三维建模软件一旦升级换代，新版本软件在读取低版本数据时就可能丢失信息或出现无法读取的情况。在保存原生模型数据的同时，也备份软件系统、操作系统和硬件，但生成环境的复杂性导致备份环境异常脆弱，仅靠备份环境保障数据安全还存在较大的风险，若干年后，即使能在备份环境中恢复出产品信息，也无法重用这些产品数据。

　　造成上述风险的根本原因在于国外CAD软件生成的模型数据格式不对外公开，导致数据读取高度依赖原生软件，无法保证归档数据长期可用与安全。因此急需开展新形式、新条件下三维电子文件管理的研究，研究出一套满足型号数字化制造的基本要求的三维电子文件归档方法，为型号全流程数字化研制提供有力支撑。

　　而随着航天新一代产品数据管理系统AVIDM4.0的推广应用，航天产品研制实现了三维模型的全过程受控管理，三维模型归档的条件逐渐成熟。由于三维模型无法输出纸质文件的特殊性，原有的归档管理模式不再适用，研究并解决三维模型电子归档势在必行。

　　课题研究的主要内容

　　1.国内外研究情况

　　为保证核心数据长期安全可控，欧美发达国家航空航天组织在20世纪90年代相继启动了多个面向产品数据长期归档保存的重大研究项目，这些项目的研究对象都包含三维模型数据。例如美国国家航空航天局（NASA）的PGEF项目、欧洲航天PDE项目、欧洲航空组织LOTAR项目等。

　　由欧洲航空工业协会于2002年组织开展的LOTAR项目，目标是为产品数据的长期归档和恢复开发统一的标准，该项目采用STEP作为三维模型长期存档的格式，其目的是保证在产品全生命周期中，都可以读取并重复使用这些数据。

　　采用STEP标准体系或基于STEP的标准体系作为中性格式是公认较好的三维模型长期存档解决方案。但STEP标准体系目前还没有完善，相关的转换工具开发滞后，已有应用协议还不能完全覆盖型号研制的所有产品信息。

　　为解决面向长期保存的三维模型归档问题，国内航天、航空、核等行业近年来也开始了相关研究工作，航空工业提出了一种将三维模型原生系统环境与模型同时长期保存的思路，核工业探索了三维模型轻量化在归档中的应用，航天工业以三维模型中性格式转换为核心，以归档前的建模规范检查、归档过程中的模型比对验证为主线，研究并掌握了三维模型归档若干关键技术，开发了相关工具软件，形成了一种新的解决方案。

　　2.主要研究进展情况

　　一是提出三维模型的STEP-XML中性格式。三维模型的长期存档需要建立在一个更持久的数据格式之上，由于STEP提供了一种不依赖具体系统的中性机制，这种描述的性质使得它非常适合作为模型数据的长期存档格式，但由于目前STEP标准还不支持如线缆信息以及视图管理等信息，在输出STEP时会丢失这部分信息，导致数据失真，因此提出了一种新的STEP-XML中性格式标准：通过直接对模型数据文件进行解析，分析模型中约束、装配、视图、管路、线缆、PMI的描述方法，将其中定义的几何、约束、装配、视图、管路、PMI等所有有效要素的信息解析出来，然后按照STEP的定义创建输出，至于目前STEP标准中不支持的要素类型，则通过XML扩展对其进行定义。该中性格式数据由几何数据、几何属性数据、模型属性数据、视图数据、参数数据、标注数据、电缆数据、管路数据等构成。STEP格式支持几何数据、标注数据的存储，其他数据则用XML文件存储。

　　二是突破三维模型比对验证等关键技术。转换后的三维模型与原始模型是否一致，是否满足“信息无损”的归档要求，需要将中性格式的三维模型反向转换为原格式的模型，并与原模型进行比对，通过比对来验证确认，解决三维模型转换为中性格式结果正确性的问题。为此采用了全局配准、局部配准及特征点配准等理论方法，将中性格式的三维模型转换为原模型格式，与原模型按照三维模型数据类型的特点，分别进行几何比较、特征比较、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，并检查确认比对结果，作为三维模型归档的一个重要依据。通过比对验证技术来查找和把控转换前和转换为中性格式数据后二者的一致性、完备性。通过对三维模型保存为中性格式后返回原生设计环境与原格式的三维模型进行配准比对，在设计环境中对比对规范中的各项比对内容进行还原度的评价，通过检查比对结果，最终验证和确认模型转换质量。

　　三是建立基于STEP-XML中性格式的三维模型归档流程。对标档案长期保存“真实、完整、可用、安全”的要求，三维模型归档的关键是在原生模型到中性格式模型的信息“无损”转换，其中“无损”是指三维模型所承载的设计信息在转换前后保持一致。

　　为确保实现这一目标，提出了基于自主的STEP-XML中性格式的三维模型归档流程：首先，对原生CAD软件产生的三维模型的模型质量进行规范性检查，对影响模型转换和比对的内容进行约束或规范，在设计结果提交审核前执行该模块自查模型有无质量问题。其次，三维模型进行中性格式（STEP格式）的转换，并与XML文档扩展定义数据，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、模型名称的转换。产生STEP-XML中性格式的模型和轻量化格式的模型，使用原生CAD软件将中性格式模型读入并与原生模型进行设计信息的比对检查，确保一致性，并给出报告。最终，形成面向长期存档的三维模型归档3种格式文件：原生格式、中性格式和轻量化格式，其中原生格式和中性格式可以最大限度地确保模型数据的再现和重新利用，而轻量化格式主要用于模型浏览。

　　四是形成三维模型长期存档工具平台的系统解决方案。目前已经开发了模型中性格式转换、模型规范检查、模型比对验证等工具软件，形成面向长期保存的三维模型归档工具平台并在航天科技集团五院航天东方红卫星公司某卫星型号的三维模型电子文件归档实际工作中成功验证，该平台以型号真实数据输入，完成了某卫星受控三维模型的规范检查、中性格式转换以及转换后模型与原生模型的比对验证，设计师对转换后的模型进行了确认，实例模型中的几何、装配、管路、线缆、PMI等信息完整，无数据丢失现象，三维模型所承载的设计信息在转换前后保持一致，通过了验证，卫星模型保存在光盘中进行归档。通过在实际卫星型号中的验证，说明了三维模型归档关键技术的指标达到了课题研究目标的要求。通过技术验证并开展应用，实现了三维模型从形成到归档的全流程闭环，为三维模型长期存档探索了一条新的途径。

　　成果推广应用情况

　　2019年3月，该研究成果在航天科技集团五院某卫星型号的三维模型电子文件归档实际工作中开展了成功验证，随后在集团内各单位型号中进行了推广应用。

　　经过多年的实践探索，档案工作者对于三维模型长期存档问题的认识越来越深入，取得了初步的经验，但面对层出不穷的三维建模软件以及数量庞大的三维模型数据，完全解决这一问题还有很长的路要走。后续课题组将围绕三维模型的不同应用场景，研究模型转换后的精度损失检测，确保归档模型能够满足高精度场景如数控加工等的再利用；同时由单一模型扩展到多种常见的产品设计加工软件的模型转换，并开展比对研究；开展标准规范研究，以STEP标准为基础，借鉴LOTAR经验，针对三维模型数据特点推进标准规范建设；同时跨行业跨部门建立开放的合作框架和合作机制，形成产学研联合、广泛稳定的合作研究；当然还需要加大投入，三维模型只是产品数据的一种类型，后续还需要将研究范围从三维模型扩展到产品全周期数据的长期存档。

　　此次课题的完成进一步促进了航天科技集团公司三维模型电子文件归档和数字档案馆建设工作，解决制约三维模型归档的关键技术问题，满足航天产品三维模型归档的迫切需求，对航天等高端装备制造行业实现三维模型归档具有重要意义；同时对实现航天产品档案战略备份和异质备份都具有重要战略意义。

　　［本文系2022年度国家档案局科技项目获奖成果］

　　作者单位：航天东方红卫星有限公司

　　责任编辑：王辉