轨道交通工程 BIM 模型成果技术标准

作者：中国建筑科学研究院副院长　黄强

模型（Model）是现实世界的抽象。    

信息：是指对人们有用的数据和消息。

信息具有如下特征：    

信息具有可传递性；    

信息具有可共享性；    

信息依赖载体且载体可变换；    

信息的价值具有相对性和时效性；

任何信息的信息量是有限的。

1、 信息模型   

（1）信息模型

信息模型是一种用来定义信息常规表示方式的方法。描述信息的产生、获 取、加工、贮存和传输的逻辑关系的一种工具。信息模型是人为地建立起来的, 其目的在于借助这一工具指示信息流程的内在规律，解决信息工作中的一系列问题。建立信息模型是运用信息方法的关键，也是最困难的一步，必须在充分掌握第一手信息材料的基础上,综合运用各种知识和技术手段才能办到。信息模型是多种多样的，从质上来说,有信息发出接收模型、信息编码解码模型、信息贮存转换模型等。    

通过使用信息模型，我们可以使用不同的应用程序对所管理的数据进行重用，变更以及分享。使用信息模型的意义不仅仅存在于对象的建模，同时也在于对对象间相关性的描述。除此之外，建模的对象描述了系统中不同的实体以及他们的行为以及他们之间（系统间）数据流动的方式。这些将帮助我们更好的理解系统。对于开发者以及厂商来说，信息模型提供了必要的通用语言来表示对象的特性以及一些功能，以便进行更有效的交流。    

信息模型的建立关注建模对象的一些重要的不变的，具有共性的性质, 而对象间的一些不同的性质（比如说一些厂商特定的性质）可以通过对通用模型框架的扩展来进行描述。 如果缺少信息建模， 对一个新对象的描述将会增加很多重复的工作。

建立一个放之四海而皆准的信息模型是不切实际的，因为不同对象间性质的区别较大，需要不同领域的专家知识。因此，在多数情况下，信息模型是以层的形式来表示。 层化的信息模型包括一个用来支持不同领域信息的通用框架。   

（2）数据模型

维基百科将数据模型的描述是：在软件工程中，数据模型是定义数据如何输入和与输出的一种模型。其主要作用是为信息系统提供数据的定义和格式（图5-1）。

图5-1 数据模型的作用

数据模型是数据库系统的核心和基础，现有的数据库系统都是基于某种数据模型而建立起来的。

1）数据模型要求：

比较直观地模拟现实世界、容易为人理解及便于计算机实现。      

2）数据模型三要素：      

数据结构：储存在数据库中对象类型的集合，作用是描述数据库组成对象以及对象之间的联系。

数据操作：指对数据库中各种对象实例允许执行的操作的集合，包括操作及其相关的操作规则。  

数据完整性约束条件：指在给定的数据模型中，数据及其联系所遵守的一组通用的完整性规则，它能保证数据的正确性和一致性。

3）数据模型创建

在 Excel 中创建数据模型。数据模型是一种新方法，用于集成来自多个表格的数据，从而在 Excel 工作簿内有效构建关系数据源。在 Excel 内，数据模型透明使用，并提供数据透视表、数据透视图和 Power View 报表中使用的表格数据。在大多数情况下，您根本不会知道模型的存在。在 Excel 中，数据模型可视化为字段列表中的表格集合。要直接处理模型，您需要使用 Microsoft Office Microsoft Excel 2013 中的 Power Pivot 加载项。

导入关系数据时，如果选择多个表格，将自动创建模型：

a. 在 Excel 中，使用“数据”>“获取外部数据”从 Access 或其他包含多个相关表格的关系数据库导入数据。   

b. Excel 将提示您选择一个表。选中“支持选择多个表”。  

c. 选择两个或更多表格，单击“下一步”，然后单击“完成”。

d.在“导入数据”中，选择所需的数据可视化选项（如新工作表中的数据透视表），然后构建您的报表。      

这样即已构建了一个数据模型，其中包含您导入的所有表格。       

（3）数据库的体系结构  

数据库（DataBase）:按照一定结构组织的相关数据的集合, 是在计算机存储设备上合理存放的相互关联的数据集。一般地, 数据库管理系统应该具有下列3项功能 :数据定义功能、数据操作功能和数据控制和管理功能。    

数据库管理系统(DataBase Management System, 简称DBMS):提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统 ;        

数据库应用系统(DataBase Application Systems, 简称DBAS)：指基于数据库的应用系统。空间数据库的数据库应用系统：由空间分析模型和应用模型所组成的软件, 通过它不但可以全面地管理空间数据, 还可以运用空间数据进行分析与决策。    

数据库的体系结构分为三级：外部级、概念级和内部级（图5－2），这个结构称为数据库的体系结构，有时亦称为三级模式结构或数据抽象的三个级别。虽然现在DBMS的产品多种多样，在不同的操作系统下工作，但大多数系统在总的体系结构上都具有三级结构的特征。从某个角度看到的数据特性，称为数据视图(Data View)。     

外部级最接近用户，是单个用户所能看到的数据特性，单个用户使用的数据视图的描述称为外模式。概念级涉及到所有用户的数据定义，也就是全局性的数据视图，全局数据视图的描述称概念模式。内部级最接近于物理存储设备，涉及到物理数据存储的结构，物理存储数据视图的描述称为内模式。  

图5-2 数据库的三级结构

数据库的三级模式结构是对数据的三个抽象级别。它把数据的具体组织留给DBMS去做，用户只要抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的表示和存储，这样就减轻了用户使用系统的负担。 

数据库的三级模式结构分别为概念模式、外模式和内模式，概念模式是数据库中全部数据的整体逻辑结构的描述；外模式是用户与数据库系统的接口，是用户用到的那部分数据的描述；内模式是数据库在物理存储方面的描述，定义所有内部记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节。    

数据库管理系统(DataBase Management System, DBMS):提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统 ;   

（4）数据模型与信息模型区别     

数据模型是用来表达系统中数据的逻辑结构，其功能仅面向计算机系统和数据的存储。随着信息系统复杂程度的增加，系统人员希望了解数据的含义，并将它封装在数据库模型中，由此产生了语义数据模型。但语义数据模型仍具有高度的结构化，缺乏灵活性，难以表达真实世界的复杂程度。为了解决该问题，产生了可以为用户所理解的信息模型。     

信息模型和数据模型既有区别，又有联系。二者表达了系统中同样的数据，只是表达方式和目的不同。前者的表达是非结构化的，具有灵活性，目的是为了让用户更好地理解系统；后者的表达是结构化的，缺乏灵活性，目的是为了方便计算机处理。 

信息模型是最高层次的逻辑数据模型，为了实现各应用系统之间的信息共享，最好有共同的信息模型。建立在不同信息模型基础上的信息共享是非常困难，甚至是不可能的。例如面向几何的CAD系统和面向特征的CAD系统之间实现信息交换是困难的。  

2、产品信息模型：    

产品是企业生产活动的源头及终结。产品的信息模型简单来讲就是反映产品信息系统的概况，是对产品的形状、功能技术、制造和管理等信息的抽象理解和表示。 

产品信息包括：产品定义知识；与产品定义相关的过程知识；产品定义的实现，即制造过程与产品开发过程相关的知识；产品检验使用及维护的知识等。因此，产品信息模型从其完备意义上来说应包含两个相关的方面：产品数据模型和过程链。产品数据模型是按一定形式组织的产品数据结构。它能够完整提供产品数据各应用领域所要求的产品信息，也就是说产品数据模型将覆盖产品生命周期各环节所需要的信息。过程链是指产品开发工作流程，包括一系列从原始思想到最终产品的技术和管理功能，它反映了产品周期的所有行为。

产品全生命周期信息模型的概念及发展 

（1）产品全生命周期信息模型

产品全生命周期信息模型是基于信息理论和计算机技术，以一定的数据模式定义和描述在产品开发设计、工艺规划、加工制造、检验装配、销售维护直至产品消亡的整个生命周期中关于产品的数据内容活动过程及数据联系的一种信息模型。它由各活动的定义及其全部各个阶段和各个部门提供服务。产品全生命周期信息模型将整个产品开发活动和过程视为一有机整体，所有的活动和过程都围绕一个统一的产品模型来协调进行。    

随着先进制造技术的发展，产品信息模型的应用突破了CAD/CAM集成的领域，扩展到整个制造自动化系统，已经成为实现自动化的一项关键技术。     

对产品信息模型及相应建模技术的研究，经历了从简单到复杂、从局部到整体、从单一功能到覆盖整个产品生命周期内各种活动的发展过程。目前，产品信息模型主要可以概括为面向几何的产品信息模型、面向特征的产品信息模型和集成产品信息模型三类。     

1）面向几何的产品信息模型。产品模型经历了二维图形、三维线框、表面模型和实体模型的发展过程，主要由线框、面、实体和混合模型表示。它们可以定义为计算机内部模型，其主要的目的是表达某产品的形状，着重于产品的几何构成。由于几何模型的数据结构是专门设计表达产品几何拓扑关系的，对非几何信息则无法合理表达，缺乏产品开发过程中所要求的工程信息。     

2）面向特征的产品信息模型。随着人们对制造系统作为集成系统的认识的深入和信息技术的发展，产品建模进入了面向特征的阶段。20世纪80年代后期出现了集几何信息与非几何信息于一体的基于特征的产品信息模型。这一模型在产品信息的局部层次上，通过一组预定义的特征来实现产品的几何形状、公差及表面粗糙度的描述，对于每个具体的生产活动，都具有相应局部信息的特征与之相对应。该模型可以有效地描述局部信息，但是并不能完整地表达产品全局信息，例如产品的装配关系信息、产品定义与产品制造间的关系等。因此，产品建模仅依靠特征还不能完全描述产品开发活动中的所有信息。 

3）集成产品信息模型。该模型是20世纪90年代后期提出的，它进一步推广了特征含义。广义特征概念包含了产品生命周期内各种特征信息，解决了CAD/CAPP/CAM集成化中数据共享和一致性等问题。这种集成是语义上的集成，以特征为中心，缺乏面向对象思想，所建立的模型缺乏层次性，特征间的关系不够明确。    

（2）产品数据交换标准     

由前述的产品信息特点可知，尤其是复杂产品，其大量的产品信息需要在企业内及企业内部之间信息交换。产品数据的表述和传递成为大型复杂产品开发成败的关键。    

1）STEP体系结构   

STEP（Stand for the Exchange of Product Model Data）是国际标准化组织制订的一个产品数据表达与交换标准，也称为产品模型数据交换标准。在认识到IGES不足之后，美国决定放弃IGES而开发新的PDES（Product Data Exchange Specification）标准，即STEP。其首要目的是能够描述各种行业的产品生命周期中个阶段的数据，支持分布式计算机应用系统对产品数据的共享。     

STEP标准采用分层方法描述数据，它主要包括形式化数据描述语言EXPRESS。实施方法是实现STEP标准描述的信息结构的方法。每个实施方法确定了STEP数据结构如何映射到实施过程，包括文件交换结构、标准的数据访问接口和语言绑定。一致性测试方法用于描述如何检验数据和应用是否符合标准。

数据描述是STEP标准体系结构的基本构成部分。它主要包括三部分：应用协议、应用解释构件和集成资源。应用协议是可以实施的数据描述，它与实施方法相对应。由于STEP是一个庞大的标准体系，研究人员和相关组织致力于开发各种特定领域的应用协议。应用解释构件描述产品数据的结构和语义，以便在多个应用协议之间交换数据。它通过通用的产品数据描述方法，支持多应用协议对产品数据源的互换。集成资源构成一个完整的产品数据的概念模型，包括各种语义元素来描述产品生命周期各阶段数据。 

2）EXPRESS语言构造 

STEP主要采用EXPRESS描述产品数据。它是一个形式化数据描述语言，其设计目标要求这类形式化的描述不仅能被人们理解和能用计算机处理，而且能够全面描述出客观现实产品的形式和结构。EXPRESS吸收了多种语言的基本特点，具有类型、表达式、语句、函数、过程等功能，又采用了面向对象技术中的继承机制等技术。但是，EXPRESS不是一种编程语言，只作为一种形式化描述语言来描述数据，不存在输入输出、数据处理、异常处理等语言元素。 

EXPRESS语言通过一系列的说明来建立产品数据模型。这些说明包括类型（TYPE）、实体（ENTITY）、模式（SCHEMA）、常数（CONSTANT）、规则（RULE）、函数（FUNCTION）和过程（PROCEDURE）等。其中实体是EXPRESS语言对建模对象的基本定义。一个建模对象的信息在实体中用属性及其属性上的约束来表达。

3）产品模型数据交换的实现 

目前，STEP标准为用户提供数据交换的实施分为四个级别：文件交换、工作格式交换、数据库交换、知识库交换。产品数据交换的方法与产品模型是相适应的，各产品模型对应的产品数据交换方法可归纳为三种：直接交换、间接交换和数据库方式。

在交换的两个系统间或功能模块间，通过确定相互间的数据结构和建立一对一的信息转换机制，直接进行数据交换称为直接交换。采用直接交换方式的除了基于几何的模型不同系统之间的专用接口外，特征识别也是直接交换。特征识别技术直接将设计模型识别或转换成应用模型，因此可归为直接交换。 

基于STEP的文件交换属于应用数据交换标准的间接交换。

通过统一的产品模型和公共数据库实现信息交换的方式称为基于公共数据库的信息交换。

基于公共数据库的信息交换有两类。一类是目前的基于几何的产品模型的多功能集成系统，系统多功能模块之间在公共数据库支持下共享统一的产品模型。它们以基于统一的产品模型的数据库为核心，将产品开发所需的设计、分析、测试和加工等集成于一体。信息在多功能模块之间快速、双向、连续流动，实现充分的信息共享以支持产品的全生命周期活动。另一类就是基于集成产品模型STEP的公共数据库的信息共享。

（3）产品生命周期模型体系结构 

产品生命周期概念指从产品的构思开始，经历设计制造、市场销售、使用和报废的连续时间过程。由于产品开发和使用过程十分复杂，不可能采用一个模型来描述产品生命周期，必须采用一组模型分阶段和方面进行描述。产品全生命周期建模应解决三个问题：确定产品模型所要描述的要素；划分产品生命周期的阶段和建立阶段性产品数据模型；建立和维护产品生命周期阶段模型之间的联系，根据模型对产品数据进行分布式存储、访问和处理。 

产品生命周期模型所涉及的要素可以分为四个层次：组织要素、应用服务要素、信息要素和概念要素（图5-3）。产品生命周期模型必须满足全部用户（如销售员、设计工程师和质量检验员等）对产品数据获取和处理的要求。对应用信息的描述能够使人们清楚地了解在分布式制造环境中有多少信息系统对产品数据进行访问和处理。 

图5-3 产品生命周期模型框架

产品数据要素是产品生命周期建模和管理的核心，产品数据按照多种编码格式进行存储。在分布式制造环境中，一般存在Office文档、XML文档、关系数据库、多媒体文件等存储格式。概念要素是人们对具体物理数据和联系的抽象，包括产品数据分类、产品数据对象设计、对象关系和管理的原则等。概念要素建立抽象数据和物理数据之间的映射，形成产品生命周期的元模型。 

概念映射机制将产品模型的概念映射到具体的物理数据。数据访问机制用于确定企业员工和计算机信息系统对物理数据的访问范围、权限。数据访问机制针对每个数据访问请求，通过计算机软件系统进行数据处理，检索数据的物理路径和输出方式。人机交互实现企业组织层与信息系统间的动态交互。 

综上所述，产品生命周期模型框架包括对组织要素的描述，建立组织视图模型，对各阶段的产品模型概念映射后实现信息的存储、共享、处理和与企业人员的交互。

（4）产品生命周期各阶段模型 

我们宏观上将产品生命周期划分为五个阶段：需求分析、概念设计、产品设计、加工制造和维护支持。按照所划分的阶段，我们建立产品需求模型、概念模型、设计模型、制造模型和维护支持模型，同时需要有机地实现各阶段模型之间的转换、集成、操作。因此，我们有必要了解各阶段的产品模型是怎样的。 

1） 产品需求模型 

产品建模总是从客户需求模型或概念模型开始的。由于客户需求一般用口头语言、文字或草图描述，因此，获取、表达、分析客户需求信息成为建立需求模型应解决的主要问题。 

由于XML在结构化文档处理和集成方面的优越性，基于XML的需求模型可以结构化地表达客户需求等信息，同时支持对需求信息的评价、分析和完善。需求模型的作用在于可以实现产品信息从客户角度向设计者角度的转换，借助QFD（Quality Function Deployment）将客户需求转化成相应的面向设计制造等环节的工程技术需求。 

2） 产品概念模型 

产品概念模型分为四部分。第一部分主要描述产品概念设计参数，如产品的工作原理、功能、性能和外观等。第二部分描述产品的概念结构，如关键的装配件、零件、装配关系等。第三部分体现了产品开发和使用对环境的影响。第四部分描述了所应用的方法和产品的成本信息。 

3） 产品设计模型 

产品设计模型用于表现产品设计的结果。它应包括产品的几何图形描述、文本描述，并建立几何实体和文本实体之间的关联。作为产品生命周期中的核心模型，产品设计模型的主要任务是将概念产品转化成设计方案。在此阶段，一般采用面向对象的语言（UML或EXPRESS等）建立产品设计模型。

概念模型描述了产品的成本信息，其后继模型（即产品设计模型）继承了成本信息，并进一步体现了成本规划信息，使得企业准确地了解产品生命周期中各种业务活动的费用和资源消耗。成本信息可以帮助企业提升利润空间和市场竞争力。

4） 产品制造模型 

在产品的制造过程中，原材料经过加工成为零件，并与采购的标准件、外协厂家的零部件等装配形成产品。产品制造模型是在产品设计模型的基础上，添加相应的产品制造信息，支持工艺规划、资源配置、生产计划、库存管理、加工装配等活动。

产品设计模型体现了产品功能需求对零件结构的制约，同样，在产品制造模型中，产品的功能需求和体现于零件的具体几何结构，特别是零件间的连接和装配关系。装配工艺可以采用两种方式，即自顶向上和自顶向下两种方式。前者是在整体方案确定后，设计人员利用CAD工具分别进行各个零件的详细结构设计，然后定义这些零件之间的装配关系，形成产品装配模型。后者首先建立产品的整体结构表达，然后不断细化零部件的几何结构，以保证零件结构满足产品功能需求，最终建立产品装配模型。 

5） 产品服务模型 

产品服务可以分成三个阶段：交付前服务、运行维护和回收处理。产品服务模型应包括四部分信息：客户信息、产品交付信息、产品运行维护信息和回收处理信息。 

客户信息主要包括客户数据、合同信息、使用人员信息和培训信息等。客户信息可以支持产品的销售工作。产品交互信息主要包括产品运输数据、产品安装数据、产品交付状态、客户验收意见和技术手册。产品交付信息的初始来源是产品的制造模型，同时附加挨了产品安装信息。产品运行维护信息包括产品运行状况、故障记录、维修记录和技术支持。产品回收处理信息包括报废处理单、拆卸工艺和材料分解工艺等。 

（5）产品模型集成框架 

产品生命周期分各阶段模型，中间阶段的模型集成了前阶段模型的信息，体现出简单的集成关系。产品模型集成将建立它们间的联系（不仅仅是继承），支持建立逻辑上唯一的数据源，存放全部产品数据和知识，维护产品生命周期中数据的一致性，降低数据量和制造复杂性。

产品生命周期模型的操作框架通常采用客户/服务和浏览器/服务器混合结构。前者用于内部信息处理和管理功能，后者用于外部信息处理。由于后者的跨平台性较好，并且能使开发人员能够将开发重点放在服务器端，逐有全面取代前者的趋势。 

产品模型集成框架结构分为三层：应用层、服务层和数据层。应用层有五个应用代理，分别是需求代理、概念代理、设计代理、制造代理和服务代理，分别对应产品生命周期模型的五个子模型。应用代理通过各种通信协议（如TCP/IP等）来访问服务层中的基本服务代理，如图形代理、安全代理、协调代理、查询代理、资源代理等。图形代理用于显示二维或三维的几何产品信息，安全代理则负责整个产品生命周期模型系统的安全问题。查询代理是一个非常重要的代理，将查询结果返回给用户。资源代理负责管理全部系统资源，对各个代理发出的资源请求进行调度/排序。 

产品模型集成是建立产品生命周期各阶段模型之间的联系，支持建立逻辑上唯一的数据源，存放全部产品数据和知识。

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