軌道交通工程 BIM 模型成果技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)

作者：中國建筑科學(xué)研究院副院長　黃強(qiáng)

模型（Model）是現(xiàn)實(shí)世界的抽象。    

信息：是指對人們有用的數(shù)據(jù)和消息。

信息具有如下特征：    

信息具有可傳遞性；    

信息具有可共享性；    

信息依賴載體且載體可變換；    

信息的價(jià)值具有相對性和時(shí)效性；

任何信息的信息量是有限的。

1、 信息模型   

（1）信息模型

信息模型是一種用來定義信息常規(guī)表示方式的方法。描述信息的產(chǎn)生、獲 取、加工、貯存和傳輸?shù)倪壿嬯P(guān)系的一種工具。信息模型是人為地建立起來的, 其目的在于借助這一工具指示信息流程的內(nèi)在規(guī)律，解決信息工作中的一系列問題。建立信息模型是運(yùn)用信息方法的關(guān)鍵，也是最困難的一步，必須在充分掌握第一手信息材料的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用各種知識和技術(shù)手段才能辦到。信息模型是多種多樣的，從質(zhì)上來說,有信息發(fā)出接收模型、信息編碼解碼模型、信息貯存轉(zhuǎn)換模型等。    

通過使用信息模型，我們可以使用不同的應(yīng)用程序?qū)λ芾淼臄?shù)據(jù)進(jìn)行重用，變更以及分享。使用信息模型的意義不僅僅存在于對象的建模，同時(shí)也在于對對象間相關(guān)性的描述。除此之外，建模的對象描述了系統(tǒng)中不同的實(shí)體以及他們的行為以及他們之間（系統(tǒng)間）數(shù)據(jù)流動(dòng)的方式。這些將幫助我們更好的理解系統(tǒng)。對于開發(fā)者以及廠商來說，信息模型提供了必要的通用語言來表示對象的特性以及一些功能，以便進(jìn)行更有效的交流。    

信息模型的建立關(guān)注建模對象的一些重要的不變的，具有共性的性質(zhì), 而對象間的一些不同的性質(zhì)（比如說一些廠商特定的性質(zhì)）可以通過對通用模型框架的擴(kuò)展來進(jìn)行描述。 如果缺少信息建模， 對一個(gè)新對象的描述將會(huì)增加很多重復(fù)的工作。

建立一個(gè)放之四海而皆準(zhǔn)的信息模型是不切實(shí)際的，因?yàn)椴煌瑢ο箝g性質(zhì)的區(qū)別較大，需要不同領(lǐng)域的專家知識。因此，在多數(shù)情況下，信息模型是以層的形式來表示。 層化的信息模型包括一個(gè)用來支持不同領(lǐng)域信息的通用框架。   

（2）數(shù)據(jù)模型

維基百科將數(shù)據(jù)模型的描述是：在軟件工程中，數(shù)據(jù)模型是定義數(shù)據(jù)如何輸入和與輸出的一種模型。其主要作用是為信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的定義和格式（圖5-1）。

圖5-1 數(shù)據(jù)模型的作用

數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都是基于某種數(shù)據(jù)模型而建立起來的。

1）數(shù)據(jù)模型要求：

比較直觀地模擬現(xiàn)實(shí)世界、容易為人理解及便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。      

2）數(shù)據(jù)模型三要素：      

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中對象類型的集合，作用是描述數(shù)據(jù)庫組成對象以及對象之間的聯(lián)系。

數(shù)據(jù)操作：指對數(shù)據(jù)庫中各種對象實(shí)例允許執(zhí)行的操作的集合，包括操作及其相關(guān)的操作規(guī)則。  

數(shù)據(jù)完整性約束條件：指在給定的數(shù)據(jù)模型中，數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所遵守的一組通用的完整性規(guī)則，它能保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性。

3）數(shù)據(jù)模型創(chuàng)建

在 Excel 中創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型是一種新方法，用于集成來自多個(gè)表格的數(shù)據(jù)，從而在 Excel 工作簿內(nèi)有效構(gòu)建關(guān)系數(shù)據(jù)源。在 Excel 內(nèi)，數(shù)據(jù)模型透明使用，并提供數(shù)據(jù)透視表、數(shù)據(jù)透視圖和 Power View 報(bào)表中使用的表格數(shù)據(jù)。在大多數(shù)情況下，您根本不會(huì)知道模型的存在。在 Excel 中，數(shù)據(jù)模型可視化為字段列表中的表格集合。要直接處理模型，您需要使用 Microsoft Office Microsoft Excel 2013 中的 Power Pivot 加載項(xiàng)。

導(dǎo)入關(guān)系數(shù)據(jù)時(shí)，如果選擇多個(gè)表格，將自動(dòng)創(chuàng)建模型：

a. 在 Excel 中，使用“數(shù)據(jù)”>“獲取外部數(shù)據(jù)”從 Access 或其他包含多個(gè)相關(guān)表格的關(guān)系數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入數(shù)據(jù)。   

b. Excel 將提示您選擇一個(gè)表。選中“支持選擇多個(gè)表”。  

c. 選擇兩個(gè)或更多表格，單擊“下一步”，然后單擊“完成”。

d.在“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”中，選擇所需的數(shù)據(jù)可視化選項(xiàng)（如新工作表中的數(shù)據(jù)透視表），然后構(gòu)建您的報(bào)表。      

這樣即已構(gòu)建了一個(gè)數(shù)據(jù)模型，其中包含您導(dǎo)入的所有表格。       

（3）數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)  

數(shù)據(jù)庫（DataBase）:按照一定結(jié)構(gòu)組織的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合, 是在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備上合理存放的相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集。一般地, 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)該具有下列3項(xiàng)功能 :數(shù)據(jù)定義功能、數(shù)據(jù)操作功能和數(shù)據(jù)控制和管理功能。    

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DataBase Management System, 簡稱DBMS):提供數(shù)據(jù)庫建立、使用和管理工具的軟件系統(tǒng) ;        

數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)(DataBase Application Systems, 簡稱DBAS)：指基于數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用系統(tǒng)?？臻g數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)：由空間分析模型和應(yīng)用模型所組成的軟件, 通過它不但可以全面地管理空間數(shù)據(jù), 還可以運(yùn)用空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與決策。    

數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)分為三級：外部級、概念級和內(nèi)部級（圖5－2），這個(gè)結(jié)構(gòu)稱為數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)，有時(shí)亦稱為三級模式結(jié)構(gòu)或數(shù)據(jù)抽象的三個(gè)級別。雖然現(xiàn)在DBMS的產(chǎn)品多種多樣，在不同的操作系統(tǒng)下工作，但大多數(shù)系統(tǒng)在總的體系結(jié)構(gòu)上都具有三級結(jié)構(gòu)的特征。從某個(gè)角度看到的數(shù)據(jù)特性，稱為數(shù)據(jù)視圖(Data View)。     

外部級最接近用戶，是單個(gè)用戶所能看到的數(shù)據(jù)特性，單個(gè)用戶使用的數(shù)據(jù)視圖的描述稱為外模式。概念級涉及到所有用戶的數(shù)據(jù)定義，也就是全局性的數(shù)據(jù)視圖，全局?jǐn)?shù)據(jù)視圖的描述稱概念模式。內(nèi)部級最接近于物理存儲(chǔ)設(shè)備，涉及到物理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)，物理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)視圖的描述稱為內(nèi)模式。  

圖5-2 數(shù)據(jù)庫的三級結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)是對數(shù)據(jù)的三個(gè)抽象級別。它把數(shù)據(jù)的具體組織留給DBMS去做，用戶只要抽象地處理數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示和存儲(chǔ)，這樣就減輕了用戶使用系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。 

數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)分別為概念模式、外模式和內(nèi)模式，概念模式是數(shù)據(jù)庫中全部數(shù)據(jù)的整體邏輯結(jié)構(gòu)的描述；外模式是用戶與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的接口，是用戶用到的那部分?jǐn)?shù)據(jù)的描述；內(nèi)模式是數(shù)據(jù)庫在物理存儲(chǔ)方面的描述，定義所有內(nèi)部記錄類型、索引和文件的組織方式，以及數(shù)據(jù)控制方面的細(xì)節(jié)。    

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DataBase Management System, DBMS):提供數(shù)據(jù)庫建立、使用和管理工具的軟件系統(tǒng) ;   

（4）數(shù)據(jù)模型與信息模型區(qū)別     

數(shù)據(jù)模型是用來表達(dá)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，其功能僅面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。隨著信息系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，系統(tǒng)人員希望了解數(shù)據(jù)的含義，并將它封裝在數(shù)據(jù)庫模型中，由此產(chǎn)生了語義數(shù)據(jù)模型。但語義數(shù)據(jù)模型仍具有高度的結(jié)構(gòu)化，缺乏靈活性，難以表達(dá)真實(shí)世界的復(fù)雜程度。為了解決該問題，產(chǎn)生了可以為用戶所理解的信息模型。     

信息模型和數(shù)據(jù)模型既有區(qū)別，又有聯(lián)系。二者表達(dá)了系統(tǒng)中同樣的數(shù)據(jù)，只是表達(dá)方式和目的不同。前者的表達(dá)是非結(jié)構(gòu)化的，具有靈活性，目的是為了讓用戶更好地理解系統(tǒng)；后者的表達(dá)是結(jié)構(gòu)化的，缺乏靈活性，目的是為了方便計(jì)算機(jī)處理。 

信息模型是最高層次的邏輯數(shù)據(jù)模型，為了實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息共享，最好有共同的信息模型。建立在不同信息模型基礎(chǔ)上的信息共享是非常困難，甚至是不可能的。例如面向幾何的CAD系統(tǒng)和面向特征的CAD系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)信息交換是困難的。  

2、產(chǎn)品信息模型：    

產(chǎn)品是企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的源頭及終結(jié)。產(chǎn)品的信息模型簡單來講就是反映產(chǎn)品信息系統(tǒng)的概況，是對產(chǎn)品的形狀、功能技術(shù)、制造和管理等信息的抽象理解和表示。 

產(chǎn)品信息包括：產(chǎn)品定義知識；與產(chǎn)品定義相關(guān)的過程知識；產(chǎn)品定義的實(shí)現(xiàn)，即制造過程與產(chǎn)品開發(fā)過程相關(guān)的知識；產(chǎn)品檢驗(yàn)使用及維護(hù)的知識等。因此，產(chǎn)品信息模型從其完備意義上來說應(yīng)包含兩個(gè)相關(guān)的方面：產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型和過程鏈。產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型是按一定形式組織的產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它能夠完整提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)各應(yīng)用領(lǐng)域所要求的產(chǎn)品信息，也就是說產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型將覆蓋產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)所需要的信息。過程鏈?zhǔn)侵府a(chǎn)品開發(fā)工作流程，包括一系列從原始思想到最終產(chǎn)品的技術(shù)和管理功能，它反映了產(chǎn)品周期的所有行為。

產(chǎn)品全生命周期信息模型的概念及發(fā)展 

（1）產(chǎn)品全生命周期信息模型

產(chǎn)品全生命周期信息模型是基于信息理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，以一定的數(shù)據(jù)模式定義和描述在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、檢驗(yàn)裝配、銷售維護(hù)直至產(chǎn)品消亡的整個(gè)生命周期中關(guān)于產(chǎn)品的數(shù)據(jù)內(nèi)容活動(dòng)過程及數(shù)據(jù)聯(lián)系的一種信息模型。它由各活動(dòng)的定義及其全部各個(gè)階段和各個(gè)部門提供服務(wù)。產(chǎn)品全生命周期信息模型將整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)和過程視為一有機(jī)整體，所有的活動(dòng)和過程都圍繞一個(gè)統(tǒng)一的產(chǎn)品模型來協(xié)調(diào)進(jìn)行。    

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品信息模型的應(yīng)用突破了CAD/CAM集成的領(lǐng)域，擴(kuò)展到整個(gè)制造自動(dòng)化系統(tǒng)，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。     

對產(chǎn)品信息模型及相應(yīng)建模技術(shù)的研究，經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從局部到整體、從單一功能到覆蓋整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)各種活動(dòng)的發(fā)展過程。目前，產(chǎn)品信息模型主要可以概括為面向幾何的產(chǎn)品信息模型、面向特征的產(chǎn)品信息模型和集成產(chǎn)品信息模型三類。     

1）面向幾何的產(chǎn)品信息模型。產(chǎn)品模型經(jīng)歷了二維圖形、三維線框、表面模型和實(shí)體模型的發(fā)展過程，主要由線框、面、實(shí)體和混合模型表示。它們可以定義為計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型，其主要的目的是表達(dá)某產(chǎn)品的形狀，著重于產(chǎn)品的幾何構(gòu)成。由于幾何模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是專門設(shè)計(jì)表達(dá)產(chǎn)品幾何拓?fù)潢P(guān)系的，對非幾何信息則無法合理表達(dá)，缺乏產(chǎn)品開發(fā)過程中所要求的工程信息。     

2）面向特征的產(chǎn)品信息模型。隨著人們對制造系統(tǒng)作為集成系統(tǒng)的認(rèn)識的深入和信息技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品建模進(jìn)入了面向特征的階段。20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)了集幾何信息與非幾何信息于一體的基于特征的產(chǎn)品信息模型。這一模型在產(chǎn)品信息的局部層次上，通過一組預(yù)定義的特征來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的幾何形狀、公差及表面粗糙度的描述，對于每個(gè)具體的生產(chǎn)活動(dòng)，都具有相應(yīng)局部信息的特征與之相對應(yīng)。該模型可以有效地描述局部信息，但是并不能完整地表達(dá)產(chǎn)品全局信息，例如產(chǎn)品的裝配關(guān)系信息、產(chǎn)品定義與產(chǎn)品制造間的關(guān)系等。因此，產(chǎn)品建模僅依靠特征還不能完全描述產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)中的所有信息。 

3）集成產(chǎn)品信息模型。該模型是20世紀(jì)90年代后期提出的，它進(jìn)一步推廣了特征含義。廣義特征概念包含了產(chǎn)品生命周期內(nèi)各種特征信息，解決了CAD/CAPP/CAM集成化中數(shù)據(jù)共享和一致性等問題。這種集成是語義上的集成，以特征為中心，缺乏面向?qū)ο笏枷?，所建立的模型缺乏層次性，特征間的關(guān)系不夠明確。    

（2）產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)     

由前述的產(chǎn)品信息特點(diǎn)可知，尤其是復(fù)雜產(chǎn)品，其大量的產(chǎn)品信息需要在企業(yè)內(nèi)及企業(yè)內(nèi)部之間信息交換。產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表述和傳遞成為大型復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)成敗的關(guān)鍵。    

1）STEP體系結(jié)構(gòu)   

STEP（Stand for the Exchange of Product Model Data）是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂的一個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達(dá)與交換標(biāo)準(zhǔn)，也稱為產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。在認(rèn)識到IGES不足之后，美國決定放棄IGES而開發(fā)新的PDES（Product Data Exchange Specification）標(biāo)準(zhǔn)，即STEP。其首要目的是能夠描述各種行業(yè)的產(chǎn)品生命周期中個(gè)階段的數(shù)據(jù)，支持分布式計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的共享。     

STEP標(biāo)準(zhǔn)采用分層方法描述數(shù)據(jù)，它主要包括形式化數(shù)據(jù)描述語言EXPRESS。實(shí)施方法是實(shí)現(xiàn)STEP標(biāo)準(zhǔn)描述的信息結(jié)構(gòu)的方法。每個(gè)實(shí)施方法確定了STEP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如何映射到實(shí)施過程，包括文件交換結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問接口和語言綁定。一致性測試方法用于描述如何檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)描述是STEP標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成部分。它主要包括三部分：應(yīng)用協(xié)議、應(yīng)用解釋構(gòu)件和集成資源。應(yīng)用協(xié)議是可以實(shí)施的數(shù)據(jù)描述，它與實(shí)施方法相對應(yīng)。由于STEP是一個(gè)龐大的標(biāo)準(zhǔn)體系，研究人員和相關(guān)組織致力于開發(fā)各種特定領(lǐng)域的應(yīng)用協(xié)議。應(yīng)用解釋構(gòu)件描述產(chǎn)品數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和語義，以便在多個(gè)應(yīng)用協(xié)議之間交換數(shù)據(jù)。它通過通用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述方法，支持多應(yīng)用協(xié)議對產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的互換。集成資源構(gòu)成一個(gè)完整的產(chǎn)品數(shù)據(jù)的概念模型，包括各種語義元素來描述產(chǎn)品生命周期各階段數(shù)據(jù)。 

2）EXPRESS語言構(gòu)造 

STEP主要采用EXPRESS描述產(chǎn)品數(shù)據(jù)。它是一個(gè)形式化數(shù)據(jù)描述語言，其設(shè)計(jì)目標(biāo)要求這類形式化的描述不僅能被人們理解和能用計(jì)算機(jī)處理，而且能夠全面描述出客觀現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的形式和結(jié)構(gòu)。EXPRESS吸收了多種語言的基本特點(diǎn)，具有類型、表達(dá)式、語句、函數(shù)、過程等功能，又采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的繼承機(jī)制等技術(shù)。但是，EXPRESS不是一種編程語言，只作為一種形式化描述語言來描述數(shù)據(jù)，不存在輸入輸出、數(shù)據(jù)處理、異常處理等語言元素。 

EXPRESS語言通過一系列的說明來建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。這些說明包括類型（TYPE）、實(shí)體（ENTITY）、模式（SCHEMA）、常數(shù)（CONSTANT）、規(guī)則（RULE）、函數(shù)（FUNCTION）和過程（PROCEDURE）等。其中實(shí)體是EXPRESS語言對建模對象的基本定義。一個(gè)建模對象的信息在實(shí)體中用屬性及其屬性上的約束來表達(dá)。

3）產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn) 

目前，STEP標(biāo)準(zhǔn)為用戶提供數(shù)據(jù)交換的實(shí)施分為四個(gè)級別：文件交換、工作格式交換、數(shù)據(jù)庫交換、知識庫交換。產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的方法與產(chǎn)品模型是相適應(yīng)的，各產(chǎn)品模型對應(yīng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換方法可歸納為三種：直接交換、間接交換和數(shù)據(jù)庫方式。

在交換的兩個(gè)系統(tǒng)間或功能模塊間，通過確定相互間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和建立一對一的信息轉(zhuǎn)換機(jī)制，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換稱為直接交換。采用直接交換方式的除了基于幾何的模型不同系統(tǒng)之間的專用接口外，特征識別也是直接交換。特征識別技術(shù)直接將設(shè)計(jì)模型識別或轉(zhuǎn)換成應(yīng)用模型，因此可歸為直接交換。 

基于STEP的文件交換屬于應(yīng)用數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的間接交換。

通過統(tǒng)一的產(chǎn)品模型和公共數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)信息交換的方式稱為基于公共數(shù)據(jù)庫的信息交換。

基于公共數(shù)據(jù)庫的信息交換有兩類。一類是目前的基于幾何的產(chǎn)品模型的多功能集成系統(tǒng)，系統(tǒng)多功能模塊之間在公共數(shù)據(jù)庫支持下共享統(tǒng)一的產(chǎn)品模型。它們以基于統(tǒng)一的產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)庫為核心，將產(chǎn)品開發(fā)所需的設(shè)計(jì)、分析、測試和加工等集成于一體。信息在多功能模塊之間快速、雙向、連續(xù)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)充分的信息共享以支持產(chǎn)品的全生命周期活動(dòng)。另一類就是基于集成產(chǎn)品模型STEP的公共數(shù)據(jù)庫的信息共享。

（3）產(chǎn)品生命周期模型體系結(jié)構(gòu) 

產(chǎn)品生命周期概念指從產(chǎn)品的構(gòu)思開始，經(jīng)歷設(shè)計(jì)制造、市場銷售、使用和報(bào)廢的連續(xù)時(shí)間過程。由于產(chǎn)品開發(fā)和使用過程十分復(fù)雜，不可能采用一個(gè)模型來描述產(chǎn)品生命周期，必須采用一組模型分階段和方面進(jìn)行描述。產(chǎn)品全生命周期建模應(yīng)解決三個(gè)問題：確定產(chǎn)品模型所要描述的要素；劃分產(chǎn)品生命周期的階段和建立階段性產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型；建立和維護(hù)產(chǎn)品生命周期階段模型之間的聯(lián)系，根據(jù)模型對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ)、訪問和處理。 

產(chǎn)品生命周期模型所涉及的要素可以分為四個(gè)層次：組織要素、應(yīng)用服務(wù)要素、信息要素和概念要素（圖5-3）。產(chǎn)品生命周期模型必須滿足全部用戶（如銷售員、設(shè)計(jì)工程師和質(zhì)量檢驗(yàn)員等）對產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲取和處理的要求。對應(yīng)用信息的描述能夠使人們清楚地了解在分布式制造環(huán)境中有多少信息系統(tǒng)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和處理。 

圖5-3 產(chǎn)品生命周期模型框架

產(chǎn)品數(shù)據(jù)要素是產(chǎn)品生命周期建模和管理的核心，產(chǎn)品數(shù)據(jù)按照多種編碼格式進(jìn)行存儲(chǔ)。在分布式制造環(huán)境中，一般存在Office文檔、XML文檔、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、多媒體文件等存儲(chǔ)格式。概念要素是人們對具體物理數(shù)據(jù)和聯(lián)系的抽象，包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)分類、產(chǎn)品數(shù)據(jù)對象設(shè)計(jì)、對象關(guān)系和管理的原則等。概念要素建立抽象數(shù)據(jù)和物理數(shù)據(jù)之間的映射，形成產(chǎn)品生命周期的元模型。 

概念映射機(jī)制將產(chǎn)品模型的概念映射到具體的物理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)訪問機(jī)制用于確定企業(yè)員工和計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)對物理數(shù)據(jù)的訪問范圍、權(quán)限。數(shù)據(jù)訪問機(jī)制針對每個(gè)數(shù)據(jù)訪問請求，通過計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，檢索數(shù)據(jù)的物理路徑和輸出方式。人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)企業(yè)組織層與信息系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)交互。 

綜上所述，產(chǎn)品生命周期模型框架包括對組織要素的描述，建立組織視圖模型，對各階段的產(chǎn)品模型概念映射后實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、共享、處理和與企業(yè)人員的交互。

（4）產(chǎn)品生命周期各階段模型 

我們宏觀上將產(chǎn)品生命周期劃分為五個(gè)階段：需求分析、概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造和維護(hù)支持。按照所劃分的階段，我們建立產(chǎn)品需求模型、概念模型、設(shè)計(jì)模型、制造模型和維護(hù)支持模型，同時(shí)需要有機(jī)地實(shí)現(xiàn)各階段模型之間的轉(zhuǎn)換、集成、操作。因此，我們有必要了解各階段的產(chǎn)品模型是怎樣的。 

1） 產(chǎn)品需求模型 

產(chǎn)品建模總是從客戶需求模型或概念模型開始的。由于客戶需求一般用口頭語言、文字或草圖描述，因此，獲取、表達(dá)、分析客戶需求信息成為建立需求模型應(yīng)解決的主要問題。 

由于XML在結(jié)構(gòu)化文檔處理和集成方面的優(yōu)越性，基于XML的需求模型可以結(jié)構(gòu)化地表達(dá)客戶需求等信息，同時(shí)支持對需求信息的評價(jià)、分析和完善。需求模型的作用在于可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息從客戶角度向設(shè)計(jì)者角度的轉(zhuǎn)換，借助QFD（Quality Function Deployment）將客戶需求轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的面向設(shè)計(jì)制造等環(huán)節(jié)的工程技術(shù)需求。 

2） 產(chǎn)品概念模型 

產(chǎn)品概念模型分為四部分。第一部分主要描述產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)參數(shù)，如產(chǎn)品的工作原理、功能、性能和外觀等。第二部分描述產(chǎn)品的概念結(jié)構(gòu)，如關(guān)鍵的裝配件、零件、裝配關(guān)系等。第三部分體現(xiàn)了產(chǎn)品開發(fā)和使用對環(huán)境的影響。第四部分描述了所應(yīng)用的方法和產(chǎn)品的成本信息。 

3） 產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型 

產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型用于表現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)果。它應(yīng)包括產(chǎn)品的幾何圖形描述、文本描述，并建立幾何實(shí)體和文本實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)。作為產(chǎn)品生命周期中的核心模型，產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的主要任務(wù)是將概念產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成設(shè)計(jì)方案。在此階段，一般采用面向?qū)ο蟮恼Z言（UML或EXPRESS等）建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型。

概念模型描述了產(chǎn)品的成本信息，其后繼模型（即產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型）繼承了成本信息，并進(jìn)一步體現(xiàn)了成本規(guī)劃信息，使得企業(yè)準(zhǔn)確地了解產(chǎn)品生命周期中各種業(yè)務(wù)活動(dòng)的費(fèi)用和資源消耗。成本信息可以幫助企業(yè)提升利潤空間和市場競爭力。

4） 產(chǎn)品制造模型 

在產(chǎn)品的制造過程中，原材料經(jīng)過加工成為零件，并與采購的標(biāo)準(zhǔn)件、外協(xié)廠家的零部件等裝配形成產(chǎn)品。產(chǎn)品制造模型是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，添加相應(yīng)的產(chǎn)品制造信息，支持工藝規(guī)劃、資源配置、生產(chǎn)計(jì)劃、庫存管理、加工裝配等活動(dòng)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型體現(xiàn)了產(chǎn)品功能需求對零件結(jié)構(gòu)的制約，同樣，在產(chǎn)品制造模型中，產(chǎn)品的功能需求和體現(xiàn)于零件的具體幾何結(jié)構(gòu)，特別是零件間的連接和裝配關(guān)系。裝配工藝可以采用兩種方式，即自頂向上和自頂向下兩種方式。前者是在整體方案確定后，設(shè)計(jì)人員利用CAD工具分別進(jìn)行各個(gè)零件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后定義這些零件之間的裝配關(guān)系，形成產(chǎn)品裝配模型。后者首先建立產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)表達(dá)，然后不斷細(xì)化零部件的幾何結(jié)構(gòu)，以保證零件結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品功能需求，最終建立產(chǎn)品裝配模型。 

5） 產(chǎn)品服務(wù)模型 

產(chǎn)品服務(wù)可以分成三個(gè)階段：交付前服務(wù)、運(yùn)行維護(hù)和回收處理。產(chǎn)品服務(wù)模型應(yīng)包括四部分信息：客戶信息、產(chǎn)品交付信息、產(chǎn)品運(yùn)行維護(hù)信息和回收處理信息。 

客戶信息主要包括客戶數(shù)據(jù)、合同信息、使用人員信息和培訓(xùn)信息等?？蛻粜畔⒖梢灾С之a(chǎn)品的銷售工作。產(chǎn)品交互信息主要包括產(chǎn)品運(yùn)輸數(shù)據(jù)、產(chǎn)品安裝數(shù)據(jù)、產(chǎn)品交付狀態(tài)、客戶驗(yàn)收意見和技術(shù)手冊。產(chǎn)品交付信息的初始來源是產(chǎn)品的制造模型，同時(shí)附加挨了產(chǎn)品安裝信息。產(chǎn)品運(yùn)行維護(hù)信息包括產(chǎn)品運(yùn)行狀況、故障記錄、維修記錄和技術(shù)支持。產(chǎn)品回收處理信息包括報(bào)廢處理單、拆卸工藝和材料分解工藝等。 

（5）產(chǎn)品模型集成框架 

產(chǎn)品生命周期分各階段模型，中間階段的模型集成了前階段模型的信息，體現(xiàn)出簡單的集成關(guān)系。產(chǎn)品模型集成將建立它們間的聯(lián)系（不僅僅是繼承），支持建立邏輯上唯一的數(shù)據(jù)源，存放全部產(chǎn)品數(shù)據(jù)和知識，維護(hù)產(chǎn)品生命周期中數(shù)據(jù)的一致性，降低數(shù)據(jù)量和制造復(fù)雜性。

產(chǎn)品生命周期模型的操作框架通常采用客戶/服務(wù)和瀏覽器/服務(wù)器混合結(jié)構(gòu)。前者用于內(nèi)部信息處理和管理功能，后者用于外部信息處理。由于后者的跨平臺性較好，并且能使開發(fā)人員能夠?qū)㈤_發(fā)重點(diǎn)放在服務(wù)器端，逐有全面取代前者的趨勢。 

產(chǎn)品模型集成框架結(jié)構(gòu)分為三層：應(yīng)用層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層。應(yīng)用層有五個(gè)應(yīng)用代理，分別是需求代理、概念代理、設(shè)計(jì)代理、制造代理和服務(wù)代理，分別對應(yīng)產(chǎn)品生命周期模型的五個(gè)子模型。應(yīng)用代理通過各種通信協(xié)議（如TCP/IP等）來訪問服務(wù)層中的基本服務(wù)代理，如圖形代理、安全代理、協(xié)調(diào)代理、查詢代理、資源代理等。圖形代理用于顯示二維或三維的幾何產(chǎn)品信息，安全代理則負(fù)責(zé)整個(gè)產(chǎn)品生命周期模型系統(tǒng)的安全問題。查詢代理是一個(gè)非常重要的代理，將查詢結(jié)果返回給用戶。資源代理負(fù)責(zé)管理全部系統(tǒng)資源，對各個(gè)代理發(fā)出的資源請求進(jìn)行調(diào)度/排序。 

產(chǎn)品模型集成是建立產(chǎn)品生命周期各階段模型之間的聯(lián)系，支持建立邏輯上唯一的數(shù)據(jù)源，存放全部產(chǎn)品數(shù)據(jù)和知識。

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