鄧 杰，江翠偉

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

三維CAD在水電行業(yè)中推廣應(yīng)用的探討

鄧 杰，江翠偉

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

從三維CAD的技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，討論三維設(shè)計(jì)在現(xiàn)代工業(yè)中的意義，特別是在水電工程中推廣應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義。三維設(shè)計(jì)的意義主要體現(xiàn)在與信息化時(shí)代的接軌，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思想分享、協(xié)同設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生命周期管理等現(xiàn)代化工程屬性。三維設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)包括參數(shù)化、歷史樹、設(shè)計(jì)意圖、特征、約束等要素，以及同步建模技術(shù)、可視化、與CAx的關(guān)聯(lián)等先進(jìn)應(yīng)用功能。在行業(yè)中推廣三維設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。本文對(duì)有關(guān)問題進(jìn)行分析闡述，提出建議在水電行業(yè)中需要開展的工作。

3DCAD；CAD數(shù)據(jù)交換；水利水電；推廣應(yīng)用

1 引言

CAD在工程設(shè)計(jì)中使用已經(jīng)40多年了。經(jīng)歷了從計(jì)算機(jī)輔助制圖到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，直至今日的所謂產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)的演變歷程。建模技術(shù)則經(jīng)歷了線框建模、曲面建模、實(shí)體建模、基于特征的參數(shù)化建模和同步建模等的過程。隨著使用3DCAD系統(tǒng)的成本下降以及集成化發(fā)展，在企業(yè)中，特別是在中小企業(yè)中，設(shè)計(jì)工作的進(jìn)程已經(jīng)發(fā)生了巨大變化。3DCAD使快速準(zhǔn)確的樣機(jī)建模完成于初始設(shè)計(jì)階段成為可能。3DCAD數(shù)據(jù)可以方便的在線上與客戶和廠家分享。基于CAD的集成、通訊以及可視化的結(jié)合不斷使設(shè)計(jì)開發(fā)成為以設(shè)計(jì)師為核心的工作。

從3DCAD用戶群的發(fā)展來看，其推廣應(yīng)用存在著明顯的不均衡。一方面是系統(tǒng)開發(fā)者和早期接受者的欣喜和熱望，主要是汽車和航空領(lǐng)域的人。另一方面是對(duì)3D的認(rèn)識(shí)缺乏，如3DCAD是什么，它是否必須要取代2DCAD（電子圖板）。水電工程行業(yè)中3DCAD的推廣應(yīng)用尚有很大的上升空間，例如在設(shè)計(jì)院的普及方面，在施工單位和生產(chǎn)廠家的交流數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面，在行標(biāo)制定及建設(shè)方面，以及在設(shè)計(jì)成果生命周期以及協(xié)同設(shè)計(jì)等方面。

本文將討論對(duì)3DCAD的認(rèn)識(shí)，3DCAD數(shù)據(jù)交換，推廣3DCAD的主要問題，以及從水電工程行業(yè)來看，促進(jìn)發(fā)展3DCAD的普及應(yīng)用應(yīng)注重開展哪些工作。

2 對(duì)3DCAD的認(rèn)識(shí)

（1）典型3DCAD建模

對(duì)3D的認(rèn)識(shí)應(yīng)不僅僅是二維加上一維。3D CAD的設(shè)計(jì)思想與2D不同，更適合信息時(shí)代發(fā)展的需要。通常一個(gè)三維建模對(duì)象所具有的要素包括：特征、約束、參數(shù)化、歷史樹等。所有這些要素都是以數(shù)字化形式表現(xiàn)的。

1）特征是模型中具有本身特殊意義的局部形狀構(gòu)造。用特征建模就是一個(gè)加工工藝的仿真。

2）約束是模型具有的參數(shù)值或幾何、拓?fù)湓刂g的關(guān)系，規(guī)定了模型編輯操作中的不變特性，其意義通常為在修改時(shí)維護(hù)模型對(duì)象的功能性。

3）參數(shù)是指與模型中的尺寸或其他值關(guān)聯(lián)的變量，這些變量表達(dá)了允許模型變化的規(guī)則。參數(shù)（變量）在賦值后，便創(chuàng)立了一個(gè)具體的具有設(shè)計(jì)尺寸的特征對(duì)象。當(dāng)改變這些參數(shù)值時(shí)，對(duì)象也關(guān)聯(lián)地發(fā)生改變，即“參數(shù)驅(qū)動(dòng)”原理。

4）歷史樹描述了CAD系統(tǒng)生成的設(shè)計(jì)信息，記錄了構(gòu)建形體模型的工作程序，反映了設(shè)計(jì)意圖和思路。

文獻(xiàn)[1]以一個(gè)創(chuàng)建螺母3D模型的例子對(duì)上述3DCAD建模特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)明闡述（圖1）。通過插入一系列特征完成建模。

特征都通過一定的約束關(guān)系相互關(guān)聯(lián)、相互定位。而六邊形的草圖也是具有完全約束的自定義特征。特征的尺寸和約束關(guān)系又都具有賦值的參數(shù)變量表達(dá)式，即是參數(shù)化的。整個(gè)建模過程則記錄在歷史樹中（圖2）。這樣創(chuàng)建的全約束3D模型可以做為模版部件生成由電子表格驅(qū)動(dòng)的部件族，自動(dòng)創(chuàng)建零件系列。

圖1 零件加工與特征建模的概念

圖2 歷史樹

（2）同步建模

在參數(shù)化、基于歷史記錄建模的基礎(chǔ)上，3D建模技術(shù)也在不斷發(fā)展。例如 SiemensPLM Software推出的同步建模技術(shù)，可以同時(shí)進(jìn)行幾何圖形與規(guī)則同步設(shè)計(jì)建模。該技術(shù)借助新的決策推理引擎，實(shí)時(shí)檢查模型當(dāng)前的幾何條件，并將它們與新添加的參數(shù)和幾何約束合并在一起，以便評(píng)估、構(gòu)建新的幾何模型并且編輯模型，無需重復(fù)全部歷史記錄。由于同步建模技術(shù)可以獨(dú)立于創(chuàng)建方法進(jìn)行編輯，具有快速編輯遺留的和第三方CAD數(shù)據(jù)的能力，在惰性模型編輯處理上具有極大的進(jìn)步和優(yōu)勢(shì)。這一技術(shù)對(duì)于跨平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAx）之間交換的數(shù)據(jù)編輯工作尤為給力。

例如進(jìn)行離心泵葉片的建模時(shí)，基礎(chǔ)特征（圖3）是由水力計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入的葉片正、背面曲面（非參數(shù)化實(shí)體或惰性模型）、由二者創(chuàng)建的進(jìn)口邊曲面，以及葉片軸面回轉(zhuǎn)體（可以是惰性實(shí)體）。通過順序插入4個(gè)同步建模特征，用葉片表面曲面替換回轉(zhuǎn)體的表面，便可編輯出葉片實(shí)體（圖4）?？梢姼髑娴耐庋于厔?shì)都是被智能識(shí)別的。這幾個(gè)同步建模特征也是參數(shù)化的和全約束的。本例較之文獻(xiàn)[1]中介紹的方法有了一個(gè)飛躍。

圖3 同步建模前

圖4 同步建模后

文獻(xiàn)[2]也以一個(gè)零件特征編輯的例子比較了同步建模技術(shù)相對(duì)典型3D建模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，認(rèn)為這種可獨(dú)立于建模歷史的構(gòu)建技術(shù)是CAD技術(shù)今后發(fā)展的“主要方向”。其他一些關(guān)于同步建模技術(shù)的論述也強(qiáng)調(diào)了它相對(duì)“基于歷史記錄的建模方法”的優(yōu)越性在于“非歷史特征”建模法[3]。同步建模有2種模式：歷史記錄模式（如上例）和無歷史記錄模式。后者是非參數(shù)化的建模，所建模型沒有返回編輯和更新的功能。文獻(xiàn)[3]的說法應(yīng)是針對(duì)“無歷史記錄模式”而言的?？梢哉J(rèn)為“無歷史記錄模式”為了非專業(yè)用戶的體驗(yàn)而回歸了2D建模思維，犧牲了“基于歷史記錄和特征參數(shù)”的3D建模特點(diǎn)?！胺菤v史特征”建模法在應(yīng)用時(shí)并非完全不考慮構(gòu)建結(jié)構(gòu)順序，只是不做時(shí)間戳記，無法返回。如上例中，替換葉片“進(jìn)口邊曲面”必須在替換葉片正、背面曲面后才能完成。

同步建模應(yīng)是與經(jīng)典3D建模方法的互為補(bǔ)充，并非覆蓋后者?；谔卣?、約束、參數(shù)化和歷史記錄的經(jīng)典建模方法仍是原創(chuàng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的選擇；同步建模則適于其他開發(fā)團(tuán)隊(duì)成員高效使用已有初始模型,包括分析與制造工程師。

（3）可視化

3DCAD的可視化功能可以讓每個(gè)人都能使用高度復(fù)雜的3D模型。例如，在沒有設(shè)計(jì)專業(yè)的人員、客戶、供應(yīng)商在場(chǎng)的情況下，工作人員可以在以下方面受益于便于訪問的公司的3D模型庫(kù)：協(xié)同設(shè)計(jì)審查，建立基于3D模型的多媒體報(bào)告，協(xié)同解決與跟蹤問題，在線培訓(xùn)以及建立檔案，網(wǎng)上銷售及分包，客服示范，以及廣告宣傳[4]。

可視化讓用戶可以盡覽設(shè)計(jì)成果的復(fù)雜信息，包括幾何仿真視景，分析仿真結(jié)果等。圖5是一個(gè)水利樞紐升船機(jī)的子機(jī)構(gòu)全模型虛擬樣機(jī)，它與3D參數(shù)化裝配模型無縫關(guān)聯(lián)，既可展示設(shè)計(jì)成果的真實(shí)全貌與細(xì)節(jié)，又可以動(dòng)態(tài)模擬和分析設(shè)計(jì)原理和功能，并可以在任何模擬階段自動(dòng)更新修改原CAD裝配模型。

圖5 全模型虛擬樣機(jī)

（4）信息化產(chǎn)業(yè)集成

3D設(shè)計(jì)工具不僅可以直接用于各種CAx應(yīng)用，還作為CAx的一員是現(xiàn)代化工程管理系統(tǒng)的組成模塊。例如西門子公司已將UGSNX集成在Teamcenter系統(tǒng)中。Teamcenter是在SOA的基礎(chǔ)上建立的跨專業(yè)、跨項(xiàng)目階段和計(jì)劃的真正集成化的PLM（產(chǎn)品生命周期管理）解決方案，為大小制造企業(yè)提供了平臺(tái)可擴(kuò)展性、應(yīng)用豐富性以及可配置性。其他著名3DCAD軟件商，如PTC、達(dá)索（DS）等，也通過收購(gòu)、整合等方式構(gòu)建了自己的PLM系統(tǒng)[5]。

3 3DCAD的數(shù)據(jù)交換

推廣3DCAD則必說協(xié)同設(shè)計(jì)和互聯(lián)網(wǎng)，由此提出一個(gè)關(guān)鍵問題，就是數(shù)字化模型的數(shù)據(jù)交換。因歷史原因及不同的開發(fā)目的，各商業(yè)CAD軟件的開發(fā)語(yǔ)言各異，內(nèi)部數(shù)據(jù)記錄方式和處理方式也不相同，給CAD的數(shù)據(jù)交換與共享出了難題。不同企業(yè)在軟件選用時(shí)也會(huì)有不同的考慮。文獻(xiàn)[6]論述了一個(gè)水電設(shè)計(jì)院如何考慮三維設(shè)計(jì)軟件選型的話題，僅一個(gè)企業(yè)內(nèi)部也需要考慮不同功用的軟件的兼容性?？傊?，無法避免的課題就是3DCAD的數(shù)據(jù)交換。

20世紀(jì)80年代以來，國(guó)外對(duì)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)做了大量的研制、制訂工作，也產(chǎn)生了許多標(biāo)準(zhǔn)。如美國(guó)的DXF、IGES、ESP、PDES，法國(guó)的SET，德國(guó)的VDAIS、VDAFS，ISO的STEP等。這些標(biāo)準(zhǔn)都為CAD及其他CAx技術(shù)在各國(guó)的推廣應(yīng)用起到了極大的促進(jìn)作用。

以 IGES （The InitialGraphics Exchange Specification初始化圖形交換規(guī)范）為例，它是被定義基于CAx不同電腦系統(tǒng)之間的通用ANSI信息交換標(biāo)準(zhǔn)。支持IGES的軟件通過前處理程序?qū)?dāng)前系統(tǒng)內(nèi)的選定模型輸出為標(biāo)準(zhǔn)的IGES格式文件，另一個(gè)支持IGES的軟件則通過后處理程序讀取該標(biāo)準(zhǔn)文件并自動(dòng)在本系統(tǒng)中生成相應(yīng)的模型。

廣為流行的STEP（StandardfortheExchangeof ProductModelData--產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范）標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的描述整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)。它提供了一種不依賴具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，旨在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交換和共享。這種描述的性質(zhì)使得它不僅適合于交換文件，也適合于作為執(zhí)行和分享產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)和存檔的基礎(chǔ)。一些國(guó)家已經(jīng)把STEP標(biāo)準(zhǔn)推向了工業(yè)應(yīng)用。應(yīng)用STEP同樣是用前處理程序生成模型數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)文本文件，由其他CAx軟件讀取并后處理生成3D模型。

不論是IGES、STEP，還是其他數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，目前都僅限于傳遞模型的幾何數(shù)據(jù)，而3DCAD的重要屬性--特征、約束、參數(shù)、歷史樹等--則喪失殆盡。這樣傳遞的模型被稱為惰性模型。使3DCAD協(xié)同設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)大打折扣。

一些相關(guān)研究致力于完整參數(shù)化3D模型的數(shù)據(jù)交換。文獻(xiàn)[7]介紹了對(duì)于具有參數(shù)化和約束的形體模型，進(jìn)行其構(gòu)建歷史的跨系統(tǒng)交換的標(biāo)準(zhǔn)化基本原則。這些基本原則已應(yīng)用于一個(gè)模型交換的概念證明試驗(yàn)，模型交換依據(jù)了STEP標(biāo)準(zhǔn)ISO10303的最新增強(qiáng)條款。幾何數(shù)據(jù)及所得到的設(shè)計(jì)意圖的正確性在覆蓋范圍上僅限于一個(gè)子集，而非實(shí)際轉(zhuǎn)換器所要求的完整部分，并未解決所遇到的全部問題。

Guk-HeonChoi等在文獻(xiàn) [8]中評(píng)估了當(dāng)時(shí)（2002年）各種3D模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的嘗試后，提出一個(gè)解決方案，試圖利用CAD軟件內(nèi)置的宏功能來進(jìn)行完整3D模型的數(shù)據(jù)交換。這個(gè)思路來自數(shù)據(jù)庫(kù)通過事件日志文件進(jìn)行恢復(fù)的過程。他們嘗試?yán)肅AD軟件的錄制宏功能，創(chuàng)建記錄建模過程的宏文件，通過一個(gè)前處理程序?qū)⑵浞g為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的宏文件。當(dāng)需要在不同CAD系統(tǒng)上接受該模型文件時(shí)，則由一個(gè)后處理程序?qū)?biāo)準(zhǔn)宏文件翻譯成該CAD軟件的宏格式，然后在該軟件中運(yùn)行宏來重建模型并生成歷史記錄，包括相應(yīng)的特征、參數(shù)和約束信息。為此需要定義一系列“標(biāo)準(zhǔn)命令”以做為“中間格式”，再開發(fā)出各個(gè)CAD系統(tǒng)對(duì)此中間格式的雙向翻譯程序。DuhwanMun等在文獻(xiàn)[9]中介紹了標(biāo)準(zhǔn)命令系列定義的研究過程，并展示了應(yīng)用特例。

Guk-HeonChoi等力圖在沒有CAD商家參與的情況下獨(dú)立開發(fā)出模型轉(zhuǎn)換工具，這種創(chuàng)意的實(shí)踐勢(shì)必任重道遠(yuǎn)，困難重重。因?yàn)槊刻紫到y(tǒng)都具有大量的內(nèi)部命令和參數(shù)設(shè)置，操作習(xí)慣也不相同。在沒有原商家配合的情況下參透其所有設(shè)計(jì)思路已是不易，加之軟件版本的更新?lián)Q代，小團(tuán)隊(duì)的工作力量很難跟得上大公司的開發(fā)進(jìn)度。即使開發(fā)出來付諸應(yīng)用，還須要求用戶在設(shè)計(jì)過程中啟動(dòng)“宏錄制”。工程設(shè)計(jì)過程顯然不能象跟著教科書做練習(xí)那樣按部就班，全程錄制一個(gè)設(shè)計(jì)勢(shì)必產(chǎn)生龐大的“日志”文件，內(nèi)容包括無數(shù)操作垃圾，為后處理造成難以想象的困難。相比之下，文獻(xiàn)[7]所走的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化道路更為可行，但需要大CAD商家和各應(yīng)用行業(yè)龍頭的共同努力才能促成實(shí)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。

文獻(xiàn)[3]把同步建模技術(shù)列入對(duì)CAD數(shù)據(jù)交換的研究中，主要考慮到同步建模能夠?qū)υ诓煌珻AD系統(tǒng)之間傳遞的模型進(jìn)行智能操作。但同步建模的目的并非是解決CAD數(shù)據(jù)交換的問題，它僅能識(shí)別明顯的幾何約束，提高對(duì)初始模型重用的效率。

在目前沒有CAD數(shù)據(jù)交換的完美解決方案的情況下，上述文獻(xiàn)為我們?cè)谕七M(jìn)3D模型數(shù)據(jù)交換方面提供了寶貴的思路，其中一些思想并非沒有可能在企業(yè)或行業(yè)范疇里首先得到實(shí)踐并創(chuàng)造價(jià)值。

4 3DCAD推廣應(yīng)用的意義

從時(shí)代的總體發(fā)展趨勢(shì)看，不發(fā)展就意味著落后和淘汰。3D設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、用戶參與、可視化、與CAx無縫連接、優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真、全模擬虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)PDM、PLM、MRO等先進(jìn)設(shè)計(jì)管理技術(shù)應(yīng)用，大幅、高質(zhì)量提高行業(yè)設(shè)計(jì)及管理水平。關(guān)于3DCAD的技術(shù)上的意義，已有很多共識(shí)。在我們水電行業(yè)也不乏眾多體會(huì)和評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[10]借用霍爾的“三維結(jié)構(gòu)”從系統(tǒng)工程的角度有趣地論述了3D CAD的技術(shù)思想，并闡明其對(duì)水電工程建設(shè)的意義。

從推廣戰(zhàn)略的角度來看，還應(yīng)看到這一項(xiàng)技術(shù)和我們時(shí)代的發(fā)展觀念緊密相關(guān)。

在當(dāng)今主流的發(fā)展理念中，“創(chuàng)新2.0”是以用戶為中心、以社會(huì)實(shí)踐為舞臺(tái)、以共同創(chuàng)新、開放創(chuàng)新為特點(diǎn)的用戶參與的創(chuàng)新?；?DCAD的工程設(shè)計(jì)解決方案正是與“創(chuàng)新2.0”的思想不謀而合。人們?cè)缙趯?duì)3D的期待[11]如今已成為現(xiàn)實(shí)，就是讓非CAD專業(yè)的用戶在第一時(shí)間或隨時(shí)地可以在虛擬環(huán)境中交互地任意瀏覽3D模型，這樣他們可以直接致力于處理完成他們本身的工作任務(wù)，而不必在不熟悉的交互界面上浪費(fèi)寶貴時(shí)間和精力。

另一個(gè)主流發(fā)展概念“互聯(lián)網(wǎng)+”則是對(duì)創(chuàng)新2.0時(shí)代新一代信息技術(shù)與創(chuàng)新2.0相互作用共同演化推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新形態(tài)的高度概括?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的“跨界融合”特征體現(xiàn)為融合協(xié)同、群體智能、伙伴參與創(chuàng)新等?；?DCAD的工程設(shè)計(jì)突出的可視化與協(xié)同設(shè)計(jì)功能可以順理成章地創(chuàng)建工程中“跨界融合”的平臺(tái)，使在工程項(xiàng)目中設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更好地協(xié)同工作，并可進(jìn)行跨專業(yè)、跨單位的交流與合作?！皠?chuàng)新驅(qū)動(dòng)”的特征要求將過去粗放的資源驅(qū)動(dòng)型增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變到創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的道路上來，體現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的特質(zhì)。3DCAD的真正數(shù)字化特點(diǎn)正是實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)資源互聯(lián)網(wǎng)化的基礎(chǔ)，3DCAD的上述特點(diǎn)提供了互聯(lián)網(wǎng)思維的平臺(tái)，可以有力推動(dòng)發(fā)揮創(chuàng)新的力量。“重塑結(jié)構(gòu)”的特征體現(xiàn)為用信息革命、全球化、互聯(lián)網(wǎng)來改革原有的各種管理結(jié)構(gòu)。較先進(jìn)的企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程在線審查的“同步”過程，其審查對(duì)象為基于3DCAD平臺(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)象[11]?！白鹬厝诵浴钡奶卣黧w現(xiàn)為對(duì)人性的最大限度的尊重、對(duì)人體驗(yàn)的敬畏、對(duì)人的創(chuàng)造性發(fā)揮的重視。3D CAD把人工智能理論和技術(shù)與CAD結(jié)合，使計(jì)算機(jī)支持人類思維，模擬人類的思維方法和行為能力，推動(dòng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化邁向更高層面?！伴_放生態(tài)”特征就是要把過去制約創(chuàng)新的環(huán)節(jié)化解掉，把孤島式創(chuàng)新連接起來，讓研發(fā)由人性決定的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，更好地實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新價(jià)值。3DCAD是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)研發(fā)一體化的實(shí)用工具和有機(jī)平臺(tái)，通過進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)避免部門和領(lǐng)域思維的局限，體現(xiàn)整體價(jià)值，甚至是跨企業(yè)、跨供應(yīng)鏈產(chǎn)品的全生命周期的業(yè)務(wù)價(jià)值，關(guān)注解決方案的可集成性和互聯(lián)網(wǎng)特性，避免落入領(lǐng)域最優(yōu)整體不優(yōu)的陷阱[7]。“連接一切”特征是“互聯(lián)網(wǎng)+”的目標(biāo)。首先要做的是實(shí)現(xiàn)所有資源的數(shù)字化。從工程設(shè)計(jì)上說，數(shù)字化的對(duì)象應(yīng)包括上述3DCAD對(duì)象的所有特點(diǎn)，這樣在被連接到可行的互聯(lián)網(wǎng)范圍后才能實(shí)現(xiàn)連接的作用與價(jià)值。

5 在水電工程行業(yè)推廣使用3DCAD

在水利水電行業(yè)推廣使用3DCAD的價(jià)值和意義就是要讓水電工程的設(shè)計(jì)工作與時(shí)代同步。

一般認(rèn)為我國(guó)水電工程三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用相對(duì)落后于其他行業(yè)。自PC普及以來，CAD在水電行業(yè)的應(yīng)用也有30多年了。顯然水電行業(yè)是完全接受CAD的。但從計(jì)算機(jī)輔助制圖到輔助設(shè)計(jì)再到協(xié)同設(shè)計(jì)、管理，有一個(gè)很大的臺(tái)階要上。這不是從平面到空間的簡(jiǎn)單幾何過渡，而是從傳統(tǒng)的工作模式到數(shù)字化、信息化的革命。文獻(xiàn)[12]給出了一個(gè)頗有價(jià)值的范例。某水電設(shè)計(jì)院大力推行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，從平臺(tái)建設(shè)、培訓(xùn)考核、技術(shù)交流，到項(xiàng)目實(shí)施，特別是制訂了內(nèi)部應(yīng)用規(guī)劃、實(shí)施辦法、使用手冊(cè)和操作手冊(cè)等，使三維協(xié)同設(shè)計(jì)逐步走上系統(tǒng)化、規(guī)范化的道路。這種模式可以為其他水電單位所借鑒，亦不失為行業(yè)推行3DCAD規(guī)范化的藍(lán)本。

關(guān)于在水電工程行業(yè)推廣使用3DCAD的思路，本文拋磚引玉地提出以下思考。

（1）關(guān)于3DCAD意義討論可以供單位決策者考慮。3D協(xié)同設(shè)計(jì)的思想和模式有助于一個(gè)單位的技術(shù)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，有利于項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)掌握整體設(shè)計(jì)工作。規(guī)范化的3D設(shè)計(jì)方法可維持設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，即使當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)人員問題時(shí)，依據(jù)規(guī)范和已有歷史記錄的設(shè)計(jì)工作可以方便地移交到其他成員手中?？梢暬脚_(tái)則便于跨專業(yè)的工作協(xié)調(diào)、交流、審查等。

（2）推廣使用3DCAD的首要技術(shù)問題是平臺(tái)建設(shè)。過去制約3D推廣的一個(gè)問題是3D軟件價(jià)格昂貴，中小企業(yè)望而止步。隨著應(yīng)用市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的整體提高，以及3D軟件價(jià)格下降，3D的使用成本將不再是制約性的問題。需要考慮的是如何結(jié)合本單位的發(fā)展，進(jìn)行3D平臺(tái)的選型，就象文獻(xiàn)[6]介紹的那樣。

（3）水電行業(yè)中包含諸多工程專業(yè)，水工、機(jī)械、電力等，應(yīng)用軟件首先要適合專業(yè)特點(diǎn)，又需要在行業(yè)內(nèi)共享數(shù)據(jù)。因此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、共享就是一個(gè)不可回避的問題。目前仍需依靠STEP和IGES這樣的通用標(biāo)準(zhǔn)。可以考慮結(jié)合水電行業(yè)和專業(yè)特色進(jìn)行二次開發(fā)。開展對(duì)通用標(biāo)準(zhǔn)的研究對(duì)促進(jìn)水電行業(yè)數(shù)字化和信息化的發(fā)展具有實(shí)際意義?；蛟S將來會(huì)出現(xiàn)水電行業(yè)的STEP協(xié)議，就象文獻(xiàn)[13]介紹的船舶行業(yè)正在進(jìn)行的研究一樣。

在近階段，也可以采用一些權(quán)宜方案彌補(bǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)上的不足。例如在使用通用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型數(shù)據(jù)的同時(shí)，可按一定的規(guī)范生成建模歷史記錄可讀報(bào)告——如在NX中導(dǎo)出“部件導(dǎo)航器列表”，其他設(shè)計(jì)者可閱讀報(bào)告了解原設(shè)計(jì)的歷史記錄，并可使用同步建模技術(shù)對(duì)傳遞的惰性模型進(jìn)行參數(shù)化編輯。

（4）制訂3DCAD的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從協(xié)同設(shè)計(jì)和信息共享的趨勢(shì)看，都需要有相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)支持。CAD通用技術(shù)規(guī)范（GB/T17304-2009）規(guī)定了CAD通用技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)CAD通用技術(shù)應(yīng)采用的標(biāo)準(zhǔn)。新的修訂版特別強(qiáng)調(diào)了對(duì)通用的基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件主要功能的考慮；CAx信息集成，兼容IGES、STEP等通用模型標(biāo)準(zhǔn)；在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下支持協(xié)同設(shè)計(jì)、異地設(shè)計(jì)和信息共享；支持PDM；CAD系統(tǒng)的智能化、可視化和標(biāo)準(zhǔn)化等。

在該規(guī)范的指導(dǎo)下開發(fā)制訂3DCAD的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化的重要步驟。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可能包括水利、水工、機(jī)械、電力等專業(yè)的具體設(shè)計(jì)規(guī)程。規(guī)程的內(nèi)容可考慮包括加入以下內(nèi)容：

1）對(duì)特定零件、特征名稱規(guī)定命名規(guī)則，便于對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)文件進(jìn)行查詢、編輯等操作。例如，水輪機(jī)零部件名稱加前綴“水輪機(jī)_”，水輪機(jī)導(dǎo)葉名稱為“水輪機(jī)_導(dǎo)葉[序號(hào)]”，等等。

2）對(duì)專業(yè)參數(shù)變量的規(guī)定，利于數(shù)據(jù)傳遞自動(dòng)化等用途。例如，對(duì)特定參數(shù)使用規(guī)定的變量名稱，象水輪機(jī)名義直徑用D1表示，導(dǎo)葉高度用B0，等等。

3）建模全約束的規(guī)范。只有全約束的3D模型才能進(jìn)行正確的參數(shù)驅(qū)動(dòng)。

4）歷史記錄報(bào)告的生成。在數(shù)據(jù)共享需要傳遞惰性模型時(shí)，同時(shí)按規(guī)定傳遞可讀性的歷史記錄報(bào)告。

5）制定適應(yīng)水電行業(yè)需求的CAD模型質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。三維CAD模型作為產(chǎn)品信息的重要源頭，其數(shù)據(jù)質(zhì)量影響到后續(xù)工作的效率和準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[14]研究了影響CAD模型數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素，提出了一些解決方案，并對(duì)航天企業(yè)的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了論述，值得參考借鑒。

（5）組織開發(fā)建立行業(yè)或?qū)I(yè)的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)個(gè)性化特征庫(kù)，知識(shí)熔接專業(yè)庫(kù)（專業(yè)知識(shí)庫(kù)）等。文獻(xiàn)[15]介紹了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的跨平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)系統(tǒng)，可方便地嵌入到各種CAD平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)模具的智能化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[16]介紹了一個(gè)使用知識(shí)熔接技術(shù)建立典型工裝的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的例子，其特點(diǎn)是通過控制工程規(guī)則，將特定的專業(yè)知識(shí)直接構(gòu)建在產(chǎn)品模型中，從而能夠構(gòu)造完全可重復(fù)使用的知識(shí)庫(kù)。類似的工作成果將大幅提高企業(yè)或行業(yè)的設(shè)計(jì)效率，有利于標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和開展協(xié)同設(shè)計(jì)。

（6）對(duì)企業(yè)原有的有價(jià)值的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行數(shù)字化、三維化轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)行業(yè)中有大量知識(shí)財(cái)富以傳統(tǒng)載體的形式存在，將其數(shù)字化并與網(wǎng)絡(luò)接軌，可以使其原有價(jià)值提升，實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”連接一切的目標(biāo)。

（7）加強(qiáng)3D設(shè)計(jì)的培訓(xùn)和教學(xué)工作。逐步轉(zhuǎn)變?cè)趹?yīng)用3D設(shè)計(jì)時(shí)的二維設(shè)計(jì)思維，提高工程師的設(shè)計(jì)水平。

6 結(jié)論

時(shí)代發(fā)展的特點(diǎn)是信息化和網(wǎng)絡(luò)化，基礎(chǔ)是數(shù)字化。3DCAD是工程數(shù)字化的平臺(tái)，是設(shè)計(jì)技術(shù)與時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物。3D的含義包括了特征、約束、參數(shù)化、可視化、智能化、協(xié)同化等多元屬性。從企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和提高生產(chǎn)力、競(jìng)爭(zhēng)力的角度看，都有必要推廣3DCAD的應(yīng)用。水電行業(yè)已有很好的應(yīng)用例子，需要決策者和工程技術(shù)人員共同努力在行業(yè)內(nèi)推動(dòng)3D設(shè)計(jì)技術(shù)的普及應(yīng)用。在現(xiàn)階段的條件和基礎(chǔ)上，可以從平臺(tái)建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化等方面出發(fā)，逐步走向全行業(yè)3D應(yīng)用，使工程設(shè)計(jì)從計(jì)算機(jī)輔助制圖全面轉(zhuǎn)變?yōu)槿S協(xié)同設(shè)計(jì)。

[1]鄧 杰，陳 銳.水力機(jī)械UGSNX設(shè)計(jì)與實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

[2]冉險(xiǎn)生，林 立.產(chǎn)品設(shè)計(jì)中同步建模技術(shù)與傳統(tǒng)建模技術(shù)的對(duì)比分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2010(6).

[3]楊雙榮,等，CAD數(shù)據(jù)交換與互操作性的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31(7).

[4]RossignacJ.Finallyeveryonecanworkwithhighlycomplex3D models[J].ComputerGraphicsForum，1997，16(3):C1.

[5]莫欣農(nóng).PLM：蘋果熟了[J].軟件世界,2009(1).

[6]毛擁政.水利水電設(shè)計(jì)院的三維設(shè)計(jì)軟件選型[J].廣東水利水電，2006(01)：16-20.

[7]KimJ，etal.StandardizeddataexchangeofCADmodelswith designintent[J].Computer-AidedDesign,2008(40):760-777.

[8]ChoiGH,MunD，HanS.ExchangeofCADpartmodels basedonthemcro-parametricapproach[J].InternationalJournal ofCAD/CAM,2002,2(1):13-21.

[9]MunD，HanS，KimJ，etal.Asetofstandardmodelingcommandsforthehistory[J].ComputerAidedDesign,2003(35): 1171-1179.

[10]王 杉.三維仿真設(shè)計(jì)技術(shù)在水利水電建設(shè)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng),2010（17）.

[11]PullinJ.Sharingtheideas，ProfessionalEngineering;[J].ABI/ INFORMComplete,2001,14(7):30.

[12]梁 暉，葉 銳.在設(shè)計(jì)院推廣三維設(shè)計(jì)工作的思考[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2014(11).

[13]李玉剛,等.船舶標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及其應(yīng)用研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2008,30(1).

[14]符 剛,等.CAD模型質(zhì)量保證方法研究[J].航空制造技術(shù)，2006(3).

[15]葛懷峰,等.跨平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)零部件CAD系統(tǒng)研究[J].模具工業(yè)，2012,38(4).

[16]高申存,等.基于知識(shí)熔接的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2006(2).

TV222.2

A

1672-5387（2017）05-0071-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.018

2016-05-11

鄧 杰（1961-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事水力機(jī)械研究開發(fā)工作。