（精密仪器及机械专业论文）基于STEP标准的质量信息集成的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

基于s t e p 标准的质量信息集成的研究+ 摘要 本论文的研究内容是国家自然科学基金资助项目“基于质量信息技术的全 质量管理系统研究”中的一部分内容。 本文首先介绍了产品数据交换技术的发展，以及s t e p 标准的产生，其后详 细讨论了s t e p 标准的内容、实现方法、结构以及在现阶段的应用等，并细致地 研究了其中最为重要的产品数据建模语言e x p r e s s ，对其数据类型、说明、表达 式等做了详细的研究。在此基础上，提出了基于s t e p 标准的c a d c a p p c a m 质量 信息集成系统模型，并对其中的主要部分做了分析和解释。 面对新时代更激烈的竞争压力和企业生产经营模式的转化，我国企业的质量 信息处理工作的变革已经刻不容缓。在这种情况下，本研究基于目前世界上应用 最广泛的产品模型数据交换标准s t e p ，提出了质量信息集成系统模型。这对于 我国企业的质量信息处理水平，乃至提高整个企业的质量管理水平都有较高的科 学价值和实践价值。 关键词：s t e p 集成质量信息数据交换e x p r e s s 田家白然科学摧企资助项目( 批准0 ：7 0 2 7 2 0 3 2 1 r e s e a r c ho n q u a l i t y i n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n b a s e d0 ns t e p a b s t r a c t t h i st a s kj sap a r to f “r e s e a r c ho nt o t a lq u a l i t ym a n a g e m e n t s y s t e mb a s e d o ni n t e g r a t e dq u a l i t yi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s ”，s u p p o s e db yt h en a t i o n a ln a t u r a l s c ；e i l c ef o u n d a t i o no fc h i n a f i r s t ，w ei n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fe x c h a n g et e c h n o l o g yo f p r o d u c td a t a a n dt h e a p p e a r a n c e 、c o n t e n t 、r e a l i z a t i o n 、r e a l i z a t i o no fs t e p ( s t a n d a r df o rt h e e x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) m e a n w h i l e t h em o d e l i n gl a n g u a g ee x p r e s so f p r o d u c td a t ao f s t e pj ss y s t e m a t i ci n t r o d u c e di nt h i st e x t w er e s e a r c h e dd a t at y p e 、 m a n i f e s t o 、e x p r e s s i o n o fe x p r e s si nd e t a i l o nt h eb a s i so ft h e s y s t e m a t i c j n t r o d u c t i o n 。w ep r o p o s e dc a d c a p p c a mq u a l i t yi n f o r m a t i o ni n t e g r a t e ds y s t e m o nt h eb a s i so f t h es t e p 。 a tn e we r a sa n de n t e r p r i s ep r o d u c et h et r a n s f o r m a t i o no fl h em a n a g e m e n t m o d ek e e nc o m p e t i t i o np r e s s u r e ，t h ec h a n g eo ft h eq u a l i t yi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g w o r ko ft h ee n t e r p r i s eo fo u rc o u n t r yh a sb e e na l r e a d yv e r yu r g e n t u n d e rt h i s c o n d i t i o n ，o nt h eb a s i so fs t e ps t a n d a r d ，w h i c hh a sb e e na p p l yw i d e l y , w ep r o p o s e d c a d c a p p c a m q u a l i t y i n f o r m a t i o n i n t e g r a t e ds y s t e m i t h a s r e l a t i v e l yh i g h s c i e n t i f i cv a l u ea n dv a l u eo f p r a c t i c et ot h eq u a l i t yi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gw o r k j e v e l o ft h ee n t e r p r i s eo fo u rc o u n t r ya n dq u a l i t ym a n a g e m e n tl e v e lo ft h ew h o l ee n t e r p r i s e k e yw o r d s ：s t e p , i n t e g r a t i o n ，q u a l i t yi n f o r m a t i o n ，d a t ae x c h a n g e ， e x p r e s s s u p p o s e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n u m b e r ：7 0 2 7 2 0 3 2 ) 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合 肥工业大学硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师 答辩委员会签名 捌彦f 鸟么以曩曼 矽司枞恸彩2 彩午 后多z 易刁么嘘 生一 毒叶 互 乏 独创性声明 本人声明所交的学位论文是本人在导师指导r 进行的赴f ：究f 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰碍过的 研究成果，也不包含为获得 佥艘l 些厶堂城其他教育机构的学位或证帖而馒川过的 材刳。与我同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已住论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名 签字日期 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥起上业厶堂有关保留、使h ；j 学位论文的规定，柏权保留并 向国家有芙部门或机构送交论文的复印件和磁鼐，允许论文被布阅羊借阅。本人授权盒监 ! ：些厶堂可以将学侮论文的全部或部分内容编入有荧数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扛f 描蒋复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密厉适h j 本授权i5 ) 学位论文作者签名 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 | 作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期移短 电话 邮编 年6 盼 致谢 在研究生学习阶段，我有幸师承杨世元教授。在两年半的学习生活中，我 自始至终都得到了杨老师的无微不叠的关怀和悉心指导。在整个论文完成过程 中，杨老师始终给予我宝贵的指导和严格的要求，在论文选题、开发思路、沦 文定稿等各个环节中都给了我有力的支持和指导。杨老师高尚的品德、严谨治 学的态度、广博的知识和远见卓识的思想都使我倍受熏陶，获益匪浅。在此， 特向杨老师致以我深深的敬意和衷心的感谢! 此外，我还要特别感谢精密工程研究所以及仪器仪表学院的其他老师，如 费业泰老师、黄其圣老师、余晓芬老师、张辉老师等，在我的研究生学习过程 中，他们都给予我很大的帮助。 在本课题研究阶段，我曾前往北京进行了较长时间的调研。在京期间，我 得到很多专家学者的指导和校友同学的帮助，如清华大学的孙静老师、航天工 业部5 1 4 所的毛方儒老师等，在此特别致谢! 同时，我也要感谢师兄曹旭锋，同级何继长，师弟刘渤海、孙继文，师妹 宋敏，以及苏海涛博士、董华博士、吴德会博士，感谢他们在我学习和生活上 队我的支持和帮助! 最后，衷心感谢所有支持关心我的老师、同学、朋友以及我的家人! 作者施静 2 0 0 4 6 术语清单 q mq u a l i t ym a n a g e m e n t t q m t o t a lq u a l i t y m a n a g e m e n t q iq u a l i t yi n f o r m a t i o n a t sa b s t r a c tt e s ts u i t e c ec o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g c i m s c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s q f dq u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t a r m a p p l i c a t i o nr e f e r e n c e m o d e l a i m a p p l i c a t i o n - i n t e r p r e t e dm o d e l a a m a p p l i c a t i o na c t i v i t ym o d e l s d a is t a n d a r dd a t aa c c e s si n t e r f a c e d m i sd i m e n s i o n a l m e a s u r i n g i n t e r f a c e s p e c i f i c a t i o n s t e ps t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e l d a t a c a d c o m p u t e r a i d e d d e s i g n d m ed i m e n s i o n a lm e a s u r i n g e q u i p m e n t q i sq u a l i t yi n f o r m a t i o ns y s t e m m i s m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m s p cs t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l c a m c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g p d mp r o d u c td a t am a n a g e m e n t m r p i i m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c ep l a n n i n g c a p p c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g i g e si n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es t a n d a r d i s oi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n 质量管理 全面质量管理 质量信息 抽象测试集 并行工程 计算机集成制造系统 质量功能展开 应用参考模型 应用解释模型 应用活动模型 标准数掘存取接口规范 尺寸测量接口规范 产品模型数据交换标准 计算机辅助设计 尺寸测量设备 质量信息系统 管理信息系统 统计过程控制 计算机辅助制造 产品数据管理 制造资源计划 计算机辅助工艺规划 初始图形交换标准 国际标准化组织 1 1 本课题简介 第一章绪论 本课题是国家自然科学基金项目基于质量信息技术集成的“全质量， 管理系统研究( 项目批准号：7 0 2 7 2 0 3 2 ) 第一部分的内容。陔基金项目共 分三个部分；现代企业中质量信息技术集成的研究：现代企业中“全质量，管 理系统模型的研究：现代企业中“全质量”管理系统的数掘库、模型库、和方 法库的研究。本课题是第一部分丌篇研究的后续。 11 1 本课题研究意义 质量管理是指在质量方面指挥和控制组织的协调的活动。在质量方面的指 挥和控制活动，通常包括制定质量方针和质量目标及质量策划、质量控制、质 量保证和质量改进l 。 回顾质量管理的发展，我们可以看到，质量管理大致是经历了三个阶段1 2 1 ： 质量检验阶段 2 0 世纪初，美国工程师泰勒( f w t a y l o r ) 根据1 8 世纪产业革命以来工 业生产管理的时间和经验，提出了“科学管理”的理论，主张企业内部专门分 工，实行计划职能和执行职能相分丌，一部分人专门度则设计、计划，另一部 分人执行。同时，在执行职能中增加检验环节，设置专职检验人员，使产品的 检验从制造过程中分离出来，成为一个独立的工序。其实，这就是事后检验的 概念。这种方法对于避免不合格品的出厂起到了很好的质量把关作用。但是对 于预防不合格品的产生，缺乏有效的控制。而且增加了检验费用，在大批量的 生产中，弊端就暴露无疑了。 统计质量控制阶段 随着生产效率的不断提高，变消极把关为积极预防的要求越来越迫切。1 9 2 4 年，美国的休哈特( h f d o d g e ) 根据数理统计的原理，发明了控制图，以预防 不合格品的产生。随着后来抽样检查和小样本统计学的方法的加入，奠定了s q c ( s t a t i s t i c so u a l i t yc o n t r 0 1 ) 的基础。统计质量管理由于着重应用统计学 的方法进行质量控制和质量检验，强调对生产制造过程的预防性控制，使得质 量管理由单纯靠质量检验事后把关，发展到突出质量的预防性控制与事后检验 相结合的工序管理，成为进行生产过程控制强有力的工具。但是统计质量管理 由于过份强调统计方法的应用，使得质量管理好象变成了数理统计，加之数理 统计本身并不易懂，所以并不能很好普及，限制了它的发展。 全面质量管理阶段。” 2 0 世纪5 0 年代以来，随着科学技术和生产力的飞速发展，工业生产技术 手段越来越现代化，对质量管理也就提出了新的要求。在此基础上提出的全面 质量管理是将产品的整个生命周期都纳入到了质量管理的范畴，结合质量控制 技术和管理科学对产品质量进行有效管理，达到追求卓越的效果。 从以上质量管理的发展，我们可以看出，质量管理的发展是一个持续发展 的过程，每一阶段都是建立在前阶段的基础上。 我们所提出的“全质量”管理系统，是以质量信息技术集成为基础，建立 以质量监控( 包括状态数据采集、预处理、质量状态识别与诊断、质量过程反 馈控制、过程质量评估等方面) 和质量管理( 资源及工况信息收集、质量信息 管理、质量决策及质量计划、质量检测计划、企业外部质量信息等方面) 相结 合为主旨的质量管理系统。 在此过程中，如何将生产过程中的质量监控和非生产过程中的质量管理相 结合是构成这个系统的重要问题。解决这一问题的办法就是通过质量信息技术， 将两者的质量信息集成，从而构架出整个系统。因此，质量信息的集成是整个 基会项目的基础，也是一个重要的组成部分。 而随着生产力和科技的发展，现阶段的制造业在企业信息化的过程中存在 着一些很现实的问题”1 ： 信息共享程度低。企业现有的计算机辅助工具大都是一些离散孤立的 系统，这些系统产生的数据通常互不兼容，即这些数据常常以不同的 格式和介质存储，还可能存储在不同的计算机系统中，或者根本未存 在计算机系统中，还可能未联网，实现不了信息共享，从而形成了一 系列所谓的“自动化孤岛”。这样就导致产品数据无法在设计、工艺、 制造等部门之间有效地实现信息共享和交换。 信息传输速度慢。大部分企业的现有信息传输主要是通过书面文件、 报表及电话等方式，无法及时收集工艺和制造过程中的反馈信息，不 能实时地反映这些过程的变化，当然更不能跟上整个产品设计和制造 的进展过程 业务管理落后。虽然企业采用计算机辅助工具再一定程度上实现了计 算机化，但是有关产品的其他技术资料依然采用手工管理的方式。各 种格式的图形、数据、文本等文件还是沿用过去对纸质文件的管理方 法，对文件缺乏有效的版本管理和检索手段都造成了产品数据的重用 程度较差。 设计方式陈旧。产品开发长期以来沿用传统的顺序工程方法。遵循“概 念设计、详细设计、加工制造、实验验证、设计修改”的流程。这种 方法在设计的早期阶段不能全面考虑设计后续工作的可制造性、可实 2 施性等方面的问题，会造成设计改动量大、产品丌发周期长、成本高 等缺点。而当今先进的思想就是从设计初期就进行质量管理。 支撑技术不配套。在数据管理方面，企业仍然停留再使用大型商用关 系数据库的层次上，由于这些数据库不能有效地管理图形、图象等非 结构数据，更无法实现过程管理、配鼍管理以及对应用工具的集成， 从而不能满足企业在异构与分仲式讨算机环境中实现信息集成、功能 集成、过程集成和企业集成的目标。 应用集成系统效率不高。企业中很多不同的应用软件都不可直接分享 和交换。 以上这些特点都促进了信息集成的发展。而信息集成的理论基础是工程思 想和系统思想的结合”，从信息处理要求为出发点，对系统硬件到软件进行综 合、联系、统筹、系统地分析和设计。 信息集成一般会涉及到以下技术内容： 数据库技术、仓库技术； i n t e r n e t 技术； 电子邮件技术； 目录服务技术： 多媒体技术 图形图象技术： 接口技术。 目前。随着信息时代的来临以及全球经济一体化进程的推进，市场竞争空 前激烈，主要呈现出这几个特点： 产品的生命周期变得越来越短； 产品呈现出多样化和客户化 竞争呈现出全球化。 面对市场的这一变化，如何达到产品上市快( t ) 、质量高( q ) 、成本低( c ) 、 服务好( s ) ，提高企业的竞争力是世界各国制造业面临的共性问题。围绕这样 的目标，提出了很多新思想、新概念、新方法，诞生了很多新的制造技术和制 造系统，如劳行工程c e 、柔性制造系统f m s 、准时制j i t 、敏捷制造a m 等。 但是这些技术中，都避免不了信息的流通、共享、存储、处理。为了充分发挥 制造信息的功效、时效和使用效率，保证在需要信息的地方，能高质、高效地 按量得到所需要地信息，必须将相关地信息集成起来，实现市场、丌发、设计、 制造和经营管理过程中地信息集成【6 j 。 信息集成一般要解决两个问题，第一要提供一个对于企业各部门、各过程 一致的共享信息模型，保证信息共享的完整和正确：第二要提供在计算机上的 实现方式，具体包括数据管理和网络通讯技术等。而为了保证信息集成的丌放 年代至今，m i s 走向管理功能集成，其代表就是智能管理信息系统。 2 0 世纪7 0 年代，提出了物料需求计划( m r p ) ，这是利用计算机按产品订 货求算物料需求的一种管理技术。8 0 年代，在m r p 基础上推出了m r p i i 软件， 其特点式增加了生产能力计划、生产活动控制、采购和物料管理计划等方面的 功能。到了9 0 年代，先后从事其丌发与销售的公司由几百家，主要组成模块有 订单管理、销售预测、销售管理、生产c t k f j 、库存控制、物料需求计划、采购 管理、能力需求计划、车间控制、制造标准等等一系列的东西。m r p i i 是计算 机辅助企业管理信息系统的典型，它为企业形成了一个集成的信息系统，是有 效的企业自动化工具。 2 0 世纪7 0 年代丌始提出了计算机集成制造( c i m ) 这种生产模式。历经 3 0 年的研究、实践和演变，其核心就是信息技术的应用和信息的集成。它的目 的就是以信息化带动制造业的现代化口】。 国外开展的c i m s 研究已经有很多年了，世界各国都十分重视计算机集成 制造技术的研究，欧美很多国家都将其列入高技术研究发展战略。目前，国外 关于c i m 技术的研究f 在深入和推广。国外的研究人员对各种新的制造系统模 式，如大批量定制生产模式、敏捷制造模式和可持续发展的制造系统模式等都 进行了深入的研究。同时，在系统方法论的方面，也提出了很多c i m s 参考体 系结构和建模方法。各种c i m s 单元技术，如现代产品设计技术、虚拟制造、 并行工程、产品建模技术、面向产品全生命周期的设计分析技术、先进的单元 制造工艺、新型数控系统、敏捷供应链管理和面向产品全生命周期的质量工程 等的研究也取得了长足的进步。 以上方面，国外在学术和技术上均占有优势，这一切都促进了质量控制理 论的发展，对质量管理变革产生了很大的影晌，同时也促进了信息集成的发展。 我国在信息技术、质量管理等方面的发展起步较晚，7 0 年代后期在全国推 广全面质量管理，对于控制图、抽样检查、可靠性分析等方面都做了大量的研 究和实际应用。8 0 年代丌始推广c i m s ，其中有国家的8 6 3 计划重点项目 “c i m s 实验工程”。在项目的进行过程中，分为三个阶段：信息集成；过程集 成：企业集成。信息集成的技术重点主要放在企业建模设计方法，技术软件工 具和异构信息集成方面，并且在典型企业中实施信息集成系统工程，也做了很 多相关的软件，9 0 年代束进行了信息集成平台的研究和应用。 总的来说，我国由于在科技和先进生产模式、理念等方面的落后，起步相 对国外先进的工业化国家较晚，水平也较落后，特别是面向先进的信息技术和 生产模式方面的研究，许多方面还有待于进一步的研究和发展。目前，我图在 这方面的研究刚刚起步，成功的例子也不是很多。但是我们应该意识到，随着 科学技术和网络技术的发展，质量信息的处理走向集成化是必然的趋势。 1 2 本文的主要内容和结构安排 本文主要从产品数据标准的发展论述丌始，对于信息集成中产品数据标准 的重要性和s t e p 标准的提出做了详细的阐述；对s t e p 标准的内容、结构、 实现方法以及在现阶段的应用做了细致的研究和论述；对于s t e p 标准中最重 要的产品建模语言e x p r e s s 做了详细的介绍，并且研究了其数据类型、各种 声明、表达式等；提出了基于s t e p 标准的质量信息集成的模型，并加以研究。 本文主要有四部分的内容，结构图如图1 1 所示： 第二章：产品数掘标准的发展和s t e p 标准； 第三章：产品信息建模语言e x p r e s s ： 第四章：基于s t e p 标准的质量信息集成： 第五章：总结与展望 图1 - 1 本文的结构安排 6 引言 第二章 数据交换标准的发展与s t e p 标准 质量信息是在产品的整个生命周期中与质量相关的信息。质量信息不仅是 改进设计、改进工艺从而提高产品质量的依据，同时也是企业决策层做出重大 决策的依据之一。而随着现代企业快速的发展，质量信息的源头越来越多，信 息量也越来越大，质量信息的表现方式和处理方法也越来越多。要适应当前生 产力的急速发展和全球信息化的进程，质量信息走向集成化是一一种必然的趋势。 质量信息集成是企业信息化建设的重要组成部分，它涉及到管理、组织和 技术各个层次的内容。解决好质量信息集成的问题，不仅能给企业的质量管理 带来崭新的面貌，而且能为企业的全面信息化建设做好基础。而在一个系统的 集成中，产品数据信息集成和共享支撑着整个集成【2 8 】。 而在质量信息集成中，标准化是其一项重要的原则。因为随着计算机技术 的广泛应用，企业中的各个部门，如设计、生产、决策等部门的自动化操作水 平越来越高，各个部门可能是出于局部最优化的考虑，也又可能是出于各自应 用领域的特殊要求的考虑，使得他们之间，产品数据无论是在逻辑结构还是在 物理结构上都存在着或多或少的差异。这样，它们之间的信息集成就不可避免 地遇到标准化的问题，同时也促进了标准化的发展。如尺寸测量接口标准 ( d i m e n s i o n a lm e a s u r i n gi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ，d m i s ) 和产品数据模型交换标 准( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ，s t e p ) 。本文主要 内容就是基于s t e p 标准的质量信息集成的研究。 2 1 数据交换技术及相关标准的产生和发展 任何标准的产生和发展都是与实际需求密不可分的。在制造业领域，随着 自动化水平的提高，与制造有关的各种信息，特别是产品信息，都开始以数字 的形式被表示和处理，以便于为计算机识别。同时，由于信息技术和网络技术 的发展，信息处理逐渐走向了集成化，所以，企业内部各个自动化系统之问就 存在着大量的产品数据需要进行共享和交换。不仅如此，企业与企业之间，企 业各个部门内部都需要进行产品数掘的共享和交换。但是由于以前信息集成化 的程度比较低，信息交换并不是很多，企业各个部分可能出于各自系统局部最 优化的考虑，也可能出于各自应用领域的特殊要求，使得它们之问，无论在逻 辑结构还是在物理结构上，产品数据都存在着或多或少的差异。这种数据格式 7 专有化的特点给产品数据的交换带来了很大的困难。 近些年来，随着各种计算机辅助技术c a x 在生产中的应用越来越多，为了 提高整体的自动化水平，各种不同用处的c a x 系统之阳j ( 如计算机辅助设计 c a d 、计算机辅助制造c a m 、计算机辅助制造工业c a p p 等系统之间) ，以及 相同的c a x 系统之间( 如各种c a d 系统之间) ，都需要进行大量的有关产品 数据的交换。但是由于以上所述的特点，使得它们之间的数据交换存在着很多 困难。例如c a d 注重的是产品的集合设计特征，c a m 注重产品的加工装配特 征，c a p p 注重的是产品的工艺特征，这样它们之蚓的产品数据就会遇到结构 类型不。致的问题。因此，如何能保证各种系统之i l 白j 产品数据交换的f 确性、 完整性、可靠性和有效性，就成为了信息集成的一个必须解决的问题【4 4 l 。 而目前对于这个问题，所用的主要方法是在参与交换的各个系统之问建立 数据交换接口。通过数据交换接口的建立，来进行数据问的相互交换。数据交 换接口的实现方法目前主要有两种口】：直接式和间接式。 直接式指的是在对需要进行数据交换的两个系统进行比较的基础上，建立 适合于两个系统的专有数据交换协议和转换机制，并据此在他们之间丌发双向 转换接口，参与交换的系统之间就通过该接口进行数据交换。因此也成为点对 点交换，如图2 1 所示。这种方式的特点是针对性强，信息交换的质量较高， 同时，由于交换是直接发生的，效率也很高。而且这种方式的原理也很简单， 在系统很少的时候，构架起来也比较方便。但是其缺点也随之而来，由于现阶 段企业的各个子系统很多，随之需要交换的系统也很多，数据不可能在一两个 系统中进行共享和交换，所以，当需要进行数据交换的系统很多的时候，需要 了解的信息以及需要开发的接口都将迅速多起来，从而就加重了系统的丌发人 员的负担。而且，系统很少时，整个交换系统并不复杂，但是系统多起来的时 候，就会大大增加系统的复杂性，系统的使用和维护也将麻烦起来。另外，当 某个系统发生变化需要修改的时候，就要修改与之相关的所有接1 3 ，参与交换 系统越多，引起的接口修改就越大。所以，整个系统的灵活性和丌放性都很差。 但是在数据交换的初期，这也是应用的一种方法，也是一种较容易想到的方法。 随着现代企业中生产的规模越来越大，应用系统越来越复杂，需要交换的系统 越来越多，这种方式已经不能满足应用的需要了。 图2 - 1直接式数掘交换方式 现阶段，大多采用了第二种方式，即间接式，又被称为星式交换。间接式 指的是在参与交换的各个系统之间建立一种标准的能被参与数据交换的系统所 接受的数据格式，然后在各个系统与这种标准数据格式之间丌发出双向的转换 接口。如图2 2 所示。这种双向转换接口又称为f j 后置处理器，由这些自h 后置 处理器将各个系统的数据转换为标准数据以及把标准数掘转换为各个系统的专 用数据，各个系统之间就通过标准数据格式间接地进行数据交换。与直接式比 较起来，我们可以看到它的运行效率没有直接式的高，因为直接是系统之| _ 白j 直 接进行交换，而间接式交换在系统之削增加了一个中间环节。但是我们也应该 看到，它的利是大于弊的。这种方式所构建的交换系统在参与数据交换的系统 很多的时候，相对于直接式，是比较简单的，也比直接式的灵活性好，当需要 增加或者更改一个系统的时候，只需要重新开发与标准数掘接口的日口后置处理 器即可。同时，由于接e 1 的丌发都是针对标准数据格式进行的，因此，所有的 前后置处理器的程序的编写都很相似，这样就减轻了接口开发者的负担。 图2 - 2 间接式数掘交换方式 由上面的介绍我们可以看出，采用间接交换方式的关键就在于数掘交换标 准或规范的选取，数据交换标准的好坏及完善与否将直接影响数据交换的质量 以及它的丌放性和适用性。因此，世界各个国家从七十年代末就丌始着手进行 数掘交换标准的研究和制定工作，随后，就出现了很多关于数据交换的标准。 如最早产生并且应用最广的初始图形交换规范i g e s 。美国于1 9 7 9 年丌始实施， 主要用于几何图形信息以及工程图的传输和交换，并且已经成为美国的国家标 准，广泛地应用于c a d 领域。还有1 9 8 2 年，c a m i 国际组织制定了三维立 体地边界文件格式试行标准x b f 。该文件格式和i g e s 相同，只是增添了些 新地集合于拓扑实体。1 9 8 5 年，美国空军制定了一个涉及产品生存期中各个环 节的产品定义数据接口标准p d d i 。尽管在现在看来，它在许多方面都不是很 完善，但是它为以后数据交换标准的研究和制定提供了很多的参考价值，因为 它把着眼点放在了产品的整个生命周期。 不难看出，以上提到的这些标准和规范，虽然在各个时期，或者在以后的 时间旱仍然会发挥其较大的作用，但是这些毕竟都是属于某个国家或者地区的 标准和规范，而且最大的问题就是它们只适用于产品整个生命周期的不同阶段。 所以，它们并没有从根本上彻底解决产品数据在其整个生命周期内的交换问题。 同时，它们本身也有很多缺点和不完善的地方，也给它们的应用带来了很多困 难。 除了以上这些因素外，在第一章中提到的发展迅速的c i m s 工程也对产品 数掘标准提出了更高的要求。集成在c i m s 中是一个非常重要的环节，c 1 m s 集成的过程涉及到物理集成、功能集成、信息集成以及过程集成等。我国的c i m s 概念中，集成主要是分信息集成、过程集成、企业集成。c i m s 中的信息集成 主要是通过计算机网络与数据库实现数据共享，让各种信息在各种控制管理决 策中发挥其作用，完成制造过程中信息和数掘的交换与管理。这是整个c i m s 的核心和基础。为什么说c i m s 对产品标准提出了更高的要求呢? 这是因为， 因此，仅仅能实现数据交换是不够的，还要能实现数据共享。各系统可以从公 共的数据中提取自己需要的数据，还可以对公共数据中与自己本系统相关的内 容和数掘进行修改、存储、删除等操作。因此就提出了共享式数据交换。如图 2 3 所示。 图2 - 3 共享式数据交换方式 2 2 目前较流行的产品数据标准 近些年来，随着计算机辅助技术的广泛应用和网络技术的飞速发展，基于 信息技术的质量信息传输和存储技术也得到了快速的发展，企业在自动化水平 越来越高的今天，逐渐走向了生产经营活动的集成化和智能化，也进一步促进 了产品数据交换标准的发展。目前较为流行的有尺寸钡9 量接口规范( d i m s ) 和 本文中将详细介绍的s t e p 标准。 1 0 2 2 1 尺寸测量接口规范( 0 i m s ) 尺寸测量接口规范( d i m s ) 是随着各种c a d 系统与尺寸检测设备( d m e ) 之涮信息交换的发展而产生的。由于这些设备采用的编程语言都不尽相同，所 以对于它们之间的信息交换与转换都带来了很大的困难。人们从7 0 年代起玎始 研究c a d 、d m e 之间数据和信息的传递与转换问题。1 9 8 6 年3 月i i t 研究所 开发了尺寸测量接e l 规范d i m s i 0 版本，其后经过不断的发展，目前d i m s 已 经发展到了d i m s 4 0 版。 尺寸测量接口规范是计算机系统和测量设备之间检验数据双向通信的标 准。它提供一种数据格式，形成各类分系统之问进行数据交换的中性文件。它 的内容也具有检测规划和分析检测结果的作用。它由一套术语词汇表建立起一 个用于检测规划和检测结果数据表达的中性格式。d m i s 是为t r u 试设备的信息 交换、自动化操作和系统集成而设计的，但也照顾到了测量知识的表达，因而 它设计成可以人工读出和编写，在不使用计算机的情况下也可以编写检测程序 和分析检测结果。 d m i s 提供一套词汇表用来把检测规程传递给测量设备和把测量结果传递 给接受设备。为此，测量设备需要一个前置处理器，把自己生成的数据转换成 d m i s 格式，同时还需要一个后置处理器，将d m i s 格式转换为自己的数据格式。 图2 4 描绘了用d m i s 进行数据交换的示意图。 c a d 系统 a | j 寸置后置 处理 ；t 处理器 c a d 系统 b 前置l 后置 处珊j ； i 处理秣 c a d 系统 前置l 后置 处理器i 处珲器 l 阿置 0 1 sl 处理器 或卜一 m i sl 后置 l 处理器 d m l s 格式 手1 1 编程 系统 自动编程 系统 前置i 后置 处理 ： l 处理器 d m e 甜置l 后置 处理器l 处理器 l 训算机 叫e 喇e 叫b i v 幽2 - 4 用d m i s 进行数据交换的示意图 图2 - 4 , 显示tc a d 系统和尺寸测量设备d m e 之间可通过d m i s 进行数据交换。 d m e 可以通过前置和后置处理器，或通过用户自定义的格式由主计算机驱动， 或测量设备将d m i s 作为自己固有的格式等多种形式交换测量数据。系统还应建 立手工编程系统和自动编程系统，以增加系统应用的灵活性和广泛性，还可以 将测量数据传送到质量信息系统q i s 或管理信息系统m i s ，进行统计过程控制 s p c 及建立数据文档。 d i m s 标准的诞生，改变了传统机械设计和检测之恻信息交流的方式，为 c m m 供应商和用户带来了极大的便利。 2 2 2 产品模型数据交换标准( s t e p ) 随着间接式交换方式的广泛应用，出现了很多在各个国家或者地区的标准 或规范。但是这些标准和规范都有很多缺陷和不足，这在产品数掘交换标准的 发展中已经做了介绍。所以，为了克服这些缺陷和不足，美国的i g e s 研究机 构从1 9 8 4 年丌始，在已有的那些标准的基础上，丌始研究新的产品数据交换标 准p d e s 。而与此同时，国际标准化组织i s o 也在进行一项产品数据交换标准 的研究，这就是s t e p 的研究计划。s t e p 标准是经过严密的规程制作的，对产 品的表达、完整性都考虑得相当周全，直接应用s t e p 标准可以缩短开发周期， 保证一次的成功率【i 。1 。s t e p 在已有数据交换标准的基础上逐渐发展，已经f 1 趋完善。九t 年代初，s t e p 正式成为了国际的标准，在i s o 的正式代号是1 0 3 0 3 。 目前，s t e p 标准的丌发和制订工作仍然在进行当中，许多的子系统还处于草 案阶段。 2 23s t e p 标准主要内容 s t e p 标准是油国际标准化组织i s o 制订的关于产品数据的表达与交换的 标准，是一个计算机可理解的标准】。s t e p 标准的目的就是提供种不依赖 于任何具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的产品数据，同时， 独立于任何特定的系统。s t e p 标准十分庞大，它所要规范的产品数据涉及到 机械、电子、航空、航天、造船、汽车等等工业领域。s t e p 标准是c i m s 集成 的关键技术幢1 。目前，s t e p 标准已被视为质量信息集成的关键技术，受到世 界各工业发达国家的普遍认可与重视。由于s t e p 标准的范围包括了在数据交 换接口方面所有已完成和正在进行的工作。所以，按照当前世界上公认的看法， 各种数据交换标准都将向s t e p 标准靠拢。 s t e p 标准除了第一部分描述s t e p 的概况和基本原理以外，其它的分为以 下几个部分： 描述方法； 通用集成资源： 2 应用集成资源； 应用协议； 实现形式； 一致性测试： 框架抽象测试套。 该系列国际标准的各部分编号如下： p a r t s1 lt o1 3描述方法： p a r t s2 lt o2 6 实现形式； p a r t s31t o3 5 致性测试方法与框架； p a r t s4 i t o4 9 通用集成资源： p a r t s1 0 1t o1 0 6 应用集成资源； p a r t s2 0 1t o2 3 2 应用协议： p a r t s3 0 1t o3 3 2 抽象测试套件； p a r t s5 0 1t o5 1 8 应用解释结构。 s t e p 的目标是提供整个产品生命周期的产品信息描述和交换机制，且独立 于任何系统。该标准有两个功能，一是产品信息的表达；二是产品信息的交换 1 3 1 ，包括存取、转换和归档。这两个功能的区分是靠s t e p 三层体系结构实现 的。 应用层：浚层面向具体应用，包括应用协议及对应的抽象测试集，以形式 化语言或图表的方式表达各应用领域内的产品信息参考模型。 逻辑层：该层从实际应用中抽象出来，包括通用集成资源和应用集成资源， 用来描述不同的产品信息模型，并通过形式化规格说明与物理层建立联系。 物理层：该层为最下层，包括实现方法，给出具体在计算机上的实现形式。 三层的结构如图2 5 所示 以下根据s t e p 标准的这种分类，对其内容做简要的介绍。 2 231 描述方法 s t e p 标准的一个最基本的原则就是使产品数据表示和实现形式在逻辑上 分开。两者之间的联系是通过标准给出的映射规则建立起来的。这样，当需要 扩充产品数掘表示时，就无须更改实现形式的定义，同时，增加个新的实现 形式，也无须更改现有的产品数据表示。采用这样的一个原则的好处就是可以 为不同的应用系统建立起一个统一的产品信息模型，从而有利于在不同系统之 间实现信息共享。另外，不同应用的产品信息有许多的共同之处。采用这样的 原则就可以把这些公共的信息抽出来，建立起对不同的应用普遍适用的信息资 源。而产品数据的描述方法就在很大程度上决定了以上的这些有利之处能否付 诸实现。s t e p 标准提供了e x p r e s s 语言束描述产品数据。e x p r e s s 语言是 一个功能强大的形式化信息建模语言。e x p r e s s 语言在形式类似于传统的编程 语畜，芳且具有面向对象的某些特征，它的实体是核心的定义。e x p r e s s 语言 的设计目标就是提供一种描述产品数据的规范的无歧义的机智，从而保证用它 建立的产品信息模型 虑州层 曲l 簋 上 逻辑层 医圈 1 l 匿叵园 图2 5s t e p 标准三层结构图 的一致性和精确性。此外，除了能被人阅读和理解外，还适合于计算机来处理， 从而方便了以它为基础的应用程序和各种支持工具的生成。出于标准中的集成 资源都是由e x p r e s s 语言来定义的，应用协议最终也要用它来表示，而且标 准中的各种实现形式都表示为它的映射，所以e x p r e s s 语言在整个s t e p 标 准中的地位是十分重要的。由于e x p r e s s 语言对信息的描述能力很强，可以 用它来表示产品整个生命周期中的产品数据，这就使得s t e p 标准可以在一+ 个 很大的范围内用于产品的数据共享和交换。另外，鉴于e x p r e s s 语言可以被 计算机所处理，使得s t e p 标准在其相关领域中的应用实现起来较为容易。在 下一章中，我们将详细介绍e x p r e s s 语言的数据类型、各种说明、表达式、 可执行语句等等方面的内容。 除了e x p r e s s 语言外，s t e p 标准还提供了另一种信息建模工具e x p r e s s g 。e x p r e s s g 是e x p r e s s 语言的图形描述，可咀利用它以形象化的图 t 4 形方式来表示e x p r e s s 语言定义的模式、实体和相互间的关系。这样的好处 就在于便于人们所理解。e x p r e s s - - g 还可用在建模过程中的早期阶段，建立 产品信息的概念模型。 但是，在任何情况下r 以图形的方式表示的内容都只是资料性的信息。在 s t e p 中，只有用e x p r e s s 语言描述的内容才是最终可用的标准信息。 2 2 3 2 集成资源 集成资源表示的是产品的整个生命周期中对于各种不同的应用或者某一应用范 围普遍适用的产品信息模型。它是在不同应用的产品信息模型的基础上，经过 认真的分析、比较和归纳，概括处他们之间存在的某些公共特征，而后形成的 一种集成产品信息模型。 集成资源提