1 引言
近年来，核设计企业在大力推进信息化建设的进程中，积极探索实践数字化设计技术在核动力产品的设计、制造、试验、建造、运营、退役等各个阶段的应用。随着数字化研发技术的深化应用，尤其是 MBD 技术的长足发展，三维模型成为所有产品数据的核心载体。以三维模型为核心的产品数据表达方式有利于形象、准确地表达设计制造信息，形成贯穿工业全价值链唯一可信的数据源，支撑制造业数字化转型和智能化升级。以三维数据为代表的新型数据载体形式极大的提升了数据价值密度，如何将三维数模进行高效管理、长期保存和开发利用，成为核能数字化发展面临的一个重要课题。
2 核动力数字化研发特点
核动力数字化研发呈现出如下特点：
（1）设计专业多
核动力设计工作是一个庞大的系统工程，专业涵盖面很广，包括建筑、电气、仪控、通风、设备、工艺系统等约 50 个专业，所有核动力设计过程是一个多方参与，多专业协调，多方位推进，多级进度管理贯穿始终的繁杂系统工程。
（2）工具生态多
核动力数字化研发发展多年，形成了以 UG 为主要三维结构设计工具，Catia、PDMS 等其他多种工具并存的技术路线，最终造成产生的三维电子文件格式多样，文件大，主要软件格式不公开，一般不可互相打开。
（3）数据体量大
核动力三维模型对象中一般都由模型文件 + 数据库文件组成，每一个对象都独立且具有自己独立的属性，单体模型大，大版本较少，一个模型几乎涵盖一个工程核心成果，构造复杂，占用存储空间几百 MB 到几十 GB。
3 三维数模管理关键问题
3.1 三维模型长期保存问题
目前核动力主设备、设施使用寿命要求达到 50 ～ 70年，三维设计数据的保存寿命应不低于设备运行寿命，而欧美推动的三维数据交换等国际标准更新周期大约 5 ～ 8年，CAD 软件的迭代周期大约在 36 ～ 50 个月，极有可能因软件、标准更迭后设计数据失效问题。三维模型在长期可读、可用、安全、有序的管理要求下，存在如下难点：
1）数据交换问题。同一项目三维模型文件众多且分散，相互关系复杂。在整个产品生命周期内，同一零件或组件需要进行多次设计迭代或版次更新，由此产生零件与零件、零件与组件之间的装配、互换、替换、选配和冲突等关系错综复杂。
2）数据格式问题。三维模型由专业的三维设计软件生成，目前软件众多，保存格式五花八门。核设计领域使用的主流的商业三维设计软件包括 Auto 三维、UG NX、CATIA 等软件，各软件都有其专属的保存格式。一款三维应用软件的数据架构生态与其他三维应用软件不一样时，在数据交换的时候极易出现数据失真。
3）数据环境问题。三维模型保存环境脆弱且保存期长。用于反应堆设计的三维软件系统更新频繁，系统生态持续变化。与之相应，反应堆的寿命可以达到 40 ～ 60 年，数字环境的易变性和三维模型的稳定性要求矛盾突出。
4）数据质量问题。不同专业、不同软件的建模方法和顺序不规范，可能导致模型质量不高，影响数据的转化和利用。
3.2 三维模型数据转换问题
三维数模管理的另一个关键问题在于长期保存的格式选择以及其他格式向长期保存格式的转换。软件数据的转换本质是在不同的数据内核间互相表达，由于特定CAD 软件生态都具有私有化的数学上、结构上的几何形状定义方法，因此进行不同软件生态的 CAD 数据格式转换时不可避免地会造成一些信息的丢失。虽然 CAD 中间格式可以一定程度上解决上述问题，但还受制于数据描述定义、收发系统、数据解释时产生的不同。在内核之间转换数据，要考虑几类类型的问题，一是模型的外形、实体是否被正确定义和相互关联的结构问题；二是不同的几何建模核心是否有容差范围的精度问题；三是模型是否符合实际情况和可进行下游仿真分析的现实性问题；四是模型转换中被不同数据标准曲解和错误转换问题。
4 三维数模管理思路
4.1 三维数模管理环境
PDM 系统与三维数模系统均可实现三维数模的管理并各有侧重与优劣：PDM 系统针对产品数据进行了全生命周期的管理，保留原始格式，管理深度最深，二次利用效果最好，但是不能保证三维电子文件的长期存储和利用；三维数模管理系统面向所有三维数据，并进行格式转换，管理广度最好。
根据国标 GB/T 18894—2016 《电子文件归档与电子档案管理规范》要求，电子数模应集中保管，业务系统与电子数模管理系统应分设，因此宜建设独立的三维数模管理系统，根据企业信息化现状，针对管理短板进行补齐，建设重点包括三方面：首先，明确三维数模管理系统的管理边界，构建二维文档、三维数模主数据模型，二者在内容范围上一致，格式上互为补充，可共同成为企业的知识资产中心；其次，补全三维数模元数据，可依据 NB/T 20418—2017《核电电子文件元数据》结合企业实际情况，在系统上通过配置、二次开发的方式补充各类数据的 4 类元数据：基本属性、数模属性、业务属性、关联属性；最后，对照 DA/T 88—2021《产品数据管理（PDM）系统电子文件归档与电子数模管理规范》要求，打通上游系统接口，实现三维数模归档信息包（AIP）的生成与捕获。
4.2 三维数模归档范围
应面向以三维模型为核心的设计对象的 BOM 组织形式进行归档，保留设计过程中的数据关联关系。从数据类型的角度，应包括如三维模型电子数据、三维模型说明文档、三维模型关系表、校审数据表及其他属性表、三维模型运行的软件环境。从设计内容角度，应包括机械设备类设计模型、布置类设计模型，工程设计涵盖的设备、阀门、管路、仪表、电缆等一系列数据表，以核电工程为例的三维数模归档内容如表 1 所示。
表1 核电工程三维数据归档范围
4.3 三维数据模型检查
模型可以有不同的建模顺序和方法，遵从统一的建模规范与方法有利于模型质量，同时也有利于格式的高质量转换，减少因不规范模型出现转换异常、破面等情况。建立统一的三维建模要求，提高数据质量，可提升三维模型的使用效率，保证软件绘制的模型格式与标准统一，并纳入三维数模管理系统进行管理。三维建模与制图除要满足国标 GB/T 26099《机械产品三维建模通用规则》等标准外，同时还对通用要求及信息标注有数据标准约束。因此需要在转换前对原始模型进行几何检查、PMI 标注信息、参数检查、零件检查、组件检查、图层检查、特征检查、基准检查等自动检查并提供自动修正功能，以确保三维数模源头数据是质量可控的。
4.4 三维数模存储格式转换
针对三维模型电子文件格式众多的现状，三维数模归档的关键在归档格式的选择与转换。可在 PDM 系统中捕获定版数据，通过格式转换形成归档数据包，具体包括：原生三维模型格式、STEP 中性格式、轻量化格式 3种格式保存的三维模型、文档与数据表。原生三维模型格式用于满足研发设计的数据复用，满足电子文件的可用性要求；STEP 格式一般使用三维设计软件自带的 STEP 导出功能就能进行模型转换，用于解决原生格式长期保存容易失效的问题，满足电子文件的可靠性要求；轻量化格式通过转换工具进行转换，用于解决模型在线浏览、检索的问题，进一步满足电子文件的可用性。
由于 STEP 标准体系还在持续完善中及 CAD 软件厂商人为构建的信息交换壁垒，现阶段 STEP 格式无法覆盖核动力数模承载的产品信息，许多关系、属性、参数信息都在转换时存在不同程度的信息损失，因此现阶段可通过规范的建模减少信息转换引起的信息失真，也可采用模型关键参数信息提取到数据表的方式减少转换失真，后续可结合 CAD 软件进行二次开发，基于 STEP 标准将现有不能转换输出的信息解析出来，通过 XML 扩展 STEP 标准形成核动力三维数模的中性格式标准，满足完整性要求。
4.5 三维数模归档流程
三维数模归档流程见图 1。PDM 经过设计迭代定型后，在归档前将待归档电子文件及其元数据以件为单位进行捕获，形成归档数据包，三维数模管理系统在线接收 PDM 系统传递来的信息包，并正确解析与转换，形成三模模型的多种格式、零部件上下级关系，以及其他数据对象之间的关联关系，并按约定规则与对应电子数模关联，然后对 PDM 系统提交归档的电子文件及其元数据的“四性”进行检测，检测不合格不能接收，并反馈相应不合格的检测结果及原因，通过检测的电子文件及其元数据存储在指定位置，电子文件受控后形成数模并提供利用功能。归档时间宜采用重大节点完结后 3 个月内归档，根据核动力设计特点，设计阶段存在大量内、外部设计迭代工作，版本版次更换频繁，因此宜设计完全定型后进行归档。
图1 三维数模管理流程图
4.6 三维数模开发利用
（1）在线轻量化阅览
三维数模可依托于轻量化格式与浏览器实现在线阅览，解除与 CAD 软件、操作系统、Web 浏览器的绑定关系，广泛应用于研发、试验、制造、交付、运维、综保、培训等多种应用场景。
（2）数字化移交
三维数模可结合核能工程项目的相关程序和规范，在管理系统中基于配置和梳理移交成果并进行有序移交，可实现数字化整体项目成功移交过程管控。借助管理系统的支持，移交过程和进度计划、基础数据系统清单、SSC 结构管理相关联，以保证以 SSC 为基础的工程设计数据、变更数据的准确性和一致性。
（3）三维知识库
一是三维零组件标准化库。核动力工程三维模型设计具有大量可重复利用的零组件，建立三维零组件标准化库能够大大减少设计人员在各个系统中检索数据的时间。二是三维项目产品库。该库存放项目各个阶段产生的不同版本的三维模型及关联技术文档，实现三维电子文件的长期存储功能，按照项目、堆型、专业、系统等不同纬度的逻辑归类和展示。
（4）基于本体的三维知识推送
通过使用本体模型对三维模型进行本体表示，并利用本体映射将异构语义信息进行统一描述后，建立起三维模型的领域本体知识库，可利用描述逻辑和语义网规则语言对本体知识库进行推理，与研发平台集成可直接为工程设计赋能。
5 结语
针对核动力数字化研发专业多、工具多、数据大的现状，三维数模的归档内容应包括三维数模原格式、中性格式及轻量化格式、结构化数据、二维文件，以保障电子文件四性。目前行业内已形成的多种三维设计环境、多种三维中间格式引起的数据不兼容的情况还会持续相当长的一段时间，这种现状的改变需要国家管理机构、行业、企业共同推动三维数据标准、管理标准或行业应用标准的形成与推广应用。
在国家层面，应实施创新引领，有序推动国产工业软件、格式的应用替代，加快实现三维设计软件自主可控；在行业层面，应探索建立基于目前国际上最先进的 STEP 标准体系的自主可控的核行业三维数模中性化表达和长期存储规范；在企业层面，应遵照国家标准建立完备的三维数模归档流程、环境，同时积极探索人工智能等新技术环境下的数模开发利用。
作者：中国核动力研究设计院 徐浩然 李聪 马歆 芶兴昊 颜雄
