王振偉，田 野，陳 豐，劉云杰

（1.電子科技大學(xué) 航空航天學(xué)院，四川 成都 611731；2.四川出入境檢驗檢疫局，四川 成都 610018）

0 引言

目前，產(chǎn)品設(shè)計大都遵循以下循環(huán)反復(fù)過程：擬定初步設(shè)計方案→幾何建模與分析→修正設(shè)計方案→再修正幾何模型→…。幾何模型是設(shè)計方案的直觀表達(dá)，是論證分析的重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的幾何建模方法大都由設(shè)計人員通過頻繁的鼠標(biāo)或鍵盤操作完成，是一種工作負(fù)荷較大的“體力型”建模方法，該方法難以保證類似方案構(gòu)思、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等“腦力型”工作所需的時間與精力，不可避免地影響了設(shè)計質(zhì)量與效率，難以提高產(chǎn)品設(shè)計的自動化水平。雖然計算機輔助技術(shù)已給幾何建模與圖形繪制帶來了極大的便利，但它仍延用原有的幾何建模機制，改善程度有限，無法從根本上解決問題。為此，本文提出中文自然語言驅(qū)動，該方法以中文自然語言為媒介，通過對幾何建模意圖自然語言的表達(dá)與理解，建立良構(gòu)的幾何模型描述文檔，再通過自動推理完成幾何建模。

20世紀(jì)60年代，I.E.Sutherland［1］首次提出計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）概念。隨后，幾何建模經(jīng)歷了曲面造型、實體造型、參數(shù)化及變量化等階段。幾何自動作圖從幾何要素之間的約束關(guān)系出發(fā)，實現(xiàn)自動幾何位置求解，產(chǎn)生了基于數(shù)值計算、符號計算、規(guī)則和圖論等的幾何自動作圖方法［2-6］?，F(xiàn)有的幾何自動作圖研究主要關(guān)注幾何拓?fù)浼s束關(guān)系的表達(dá)和求解［7-8］，如線與線之間的垂直和平行、點的共線等，并以這種拓?fù)浼s束關(guān)系為邊界條件進行求解算法研究。在設(shè)計意圖研究方面，Geo等［9］對設(shè)計活動行為的框架體系進行分析和論述；Dantan等［10］將符號學(xué)與產(chǎn)品設(shè)計公理相結(jié)合，提出支持公理設(shè)計的符號單元和語義模型，以及實現(xiàn)設(shè)計活動統(tǒng)一表達(dá)的聯(lián)結(jié)語義概念模型；Davidson等［11］對三維幾何公差信息的表達(dá)方法進行了研究，給出幾何公差信息分類及幾何要素的表示方法，解決了幾何公差變動問題；Wang等［12］提出基于工程語義信息的拆卸序列規(guī)劃算法。針對半智能化設(shè)備設(shè)計方法的元件信息表達(dá)不完備和工件定位問題，Maropoulos等［13］提出基于特征層次的設(shè)備元件描述方法和基于工件特征推理的工件定位表面的自動選取方法，并完成了工件定位誤差分析；Dmitriy等［14］通過對三維模型的工件定位特征自動提取和分析，提出基于規(guī)則推理（Rule-Based Reasoning，RBR）與模糊評判相結(jié)合的工件定位方案推理及優(yōu)化算法，確定了工件定位方式和可行的定位表面；Boldin等［15］給出了面向零部件裝配環(huán)境的基于事例推理（Case-Based Reasoning，CBR）的零部件裝配次序表示和裝配零部件檢索算法；Chen 等［16］給出了零部件裝配次序的與或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)建模與分析方法。

1 自然語言驅(qū)動的自動幾何建?？蚣?/h2>

自然語言是一種自然、方便的人機交互方式，通常包括語音和文本兩種，這里主要討論幾何建模意圖的自然語言文本描述方式。本文提出的“自然語言自動幾何建模方法”研究框架如圖1所示。首先，研究“建模意圖的自然語言描述和理解”，分析以自然文本形式表達(dá)的幾何建模意圖，建立自然語言的表達(dá)規(guī)則，重構(gòu)幾何建模意圖，形成“描述范式”；然后，分析產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（STandard for the Exchange of Product model data，STEP）中幾何要素的構(gòu)成特點，依據(jù)應(yīng)用協(xié)議AP204提取蘊含在描述范式中的幾何參數(shù)，建立幾何參數(shù)識別方法，完成描述范式的幾何參數(shù)映射，形成良構(gòu)的幾何建模文檔；最后，剔除幾何建模文檔中的冗余幾何信息，開發(fā)相關(guān)軟件接口程序，完成幾何建模文檔的自動調(diào)入，從而實現(xiàn)自動幾何建模。相對而言，幾何建模意圖的自然語言輸入和STEP建模文檔調(diào)入較為簡單和成熟，該建模方法的主要難點是幾何建模意圖的自然語言描述與理解、幾何建模要素的自動識別與映射。下面對上述兩方面內(nèi)容進行詳細(xì)論述。

2 幾何建模意圖的自然語言描述與理解

2.1 幾何建模意圖的自然語言描述

以自然文本形式表達(dá)的幾何建模意圖涵蓋了完整的幾何建模意圖信息，以保證建模意圖理解的正確性，因此需保證幾何建模意圖自然語言描述的規(guī)范性。其中，幾何建模意圖的自然語言描述規(guī)則和自然語言表達(dá)范式自動處理是幾何建模意圖自然語言描述的主要難點。目前，關(guān)于自然語言描述與理解的算法較多，并在信息檢索、機器翻譯等方面得到了應(yīng)用［17-19］。本文擬采用語料庫技術(shù)進行幾何建模意圖的自然語言描述與理解。與通用語料庫不同，幾何建模語料庫更具有針對性和專業(yè)性，其蘊含的工程語義更為明確，因此目標(biāo)搜索范圍相對收斂，問題求解過程較為快捷。

為保證幾何建模意圖自然語言描述的規(guī)范性，避免后繼幾何建模意圖理解的誤差和歧義，本文建立了幾何建模意圖的自然語言描述規(guī)則。

規(guī)則1 幾何建模意圖描述句是以中文句號“?！弊鳛樵撜Z句的起始和終止標(biāo)識；首句可以沒有起始標(biāo)識。合法幾何要素描述句式為：

“……。幾何建模語句1。幾何建模語句2?！?/p>

規(guī)則2 幾何建模描述句內(nèi)部的子句僅以中文逗號“，”作為斷句分割符。合法子句的描述格式為：

“……。子句1，子句2，……，子句n?！?/p>

規(guī)則3 幾何建模描述句內(nèi)部子句的文本用中文文本表達(dá)，數(shù)字用阿拉伯?dāng)?shù)字表達(dá)，其他字符為非法字符。即如“Φ30孔”需表達(dá)為“孔直徑30”或“直徑30的孔”。

規(guī)則4 幾何建模意圖描述子句句型為無主句，包括動賓短語、介詞短語、名詞短語三種形式。即“，……畫長40直線，……”為合法子句，“，……長40，”為非法子句。

規(guī)則5 幾何建模意圖的自然語言表達(dá)范式的BNF描述為

〈幾何要素〉｛〈屬性〉〈屬性值〉｝。

其中：〈幾何要素〉多為名詞，在每個句式中僅出現(xiàn)一次；〈屬性〉為名詞、形容詞或介詞，可以多次反復(fù)出現(xiàn)；〈屬性值〉為數(shù)詞，與〈屬性〉成對出現(xiàn)，具體說明見2.2節(jié)。

通常，幾何建模意圖自然語言描述很難完全符合以上描述規(guī)則，需建立幾何建模意圖自然語言表達(dá)規(guī)范自動處理算法，將幾何建模意圖自然語言描述自動轉(zhuǎn)換為符合規(guī)則的描述形式。本文采用了基于幾何要素模式匹配的自然語言規(guī)范化處理方法，主要包括關(guān)鍵詞匹配和句型匹配兩個環(huán)節(jié)，規(guī)范處理算法如圖2所示。首先，提取自然語言描述中的一個子句，若符合句型規(guī)范，則進行關(guān)鍵詞匹配，否則提取下一個子句進行匹配，直至結(jié)束；然后，進行關(guān)鍵詞匹配，搜索自然語言描述子句蘊含的關(guān)鍵詞，若找到匹配關(guān)鍵詞，則進行信息識別和提取，從而完成范式生成，否則繼續(xù)處理下一個子句；最后，將提取識別所有子句進行組合，輸出匹配結(jié)果，退出算法。模式匹配正確性與關(guān)鍵詞的選擇和數(shù)量等因素有關(guān)，通過收集、整理和分析各種設(shè)計資料，可以建立相應(yīng)的幾何建模意圖關(guān)機詞庫，并根據(jù)需要進行增加、刪除等。

2.2 幾何建模意圖的自然語言描述理解

幾何建模意圖子句理解是自動幾何建模的重要影響因素，主要涉及幾何建模意圖詞典和幾何要素構(gòu)造模式。目前，自然語言理解多采用分詞詞典法，并已產(chǎn)生許多中文信息分詞規(guī)范，但是由于具體應(yīng)用需求的不同，其分詞效果差別很大。因此，對幾何建模意圖理解而言，通用分詞規(guī)范存在一定局限性和誤差。例如，幾何元素“直線”是整體化的專用名詞，而通用分詞規(guī)范將其切分為“直”（形容詞）和“線”（名詞）兩個詞。同樣，幾何要素“曲線”不應(yīng)切分為“曲”（樂曲）和“線”（名詞）等。因此，本文建立了面向幾何要素語料庫的分詞規(guī)范。用于分詞的常用幾何要素詞和標(biāo)識符（如表1）主要包括基本幾何要素（點、線、面、圓、長方形等）和基本體素（立方體、柱體、球體、楔形體等），每類幾何要素包含若干屬性，屬性詞表和標(biāo)識符如表2所示。根據(jù)具體的幾何建模需求，可修改或增減幾何要素及其屬性。

表1 幾何要素詞及標(biāo)識符

表2 屬性詞及標(biāo)識符

幾何要素構(gòu)造模式是幾何要素性質(zhì)和參數(shù)的構(gòu)成形式。通常，一個幾何建模意圖子句涵蓋了多個幾何要素，如長方體中蘊含了長、寬、高等幾何要素，需進一步分解蘊含在幾何建模意圖自然語言表達(dá)范式中的幾何要素信息，并去除多余成分。為此，本文建立了幾何要素表達(dá)范式：

&索引項→［后繼詞］｛屬性｝（屬性值）〈編號〉。其中：

&索引項指幾何要素，如表1所示；

［后繼詞］指幾何要素所具有的屬性，如表2所示；

｛屬性｝指［后繼詞］的類型，包括“數(shù)值”和“約束”類型，“數(shù)值”多用于表示幾何要素屬性，“約束”類型多表示幾何要素關(guān)系，包括相切、垂直、平行、偏移、角度、距離等類型；

（屬性值）指｛屬性｝的具體內(nèi)容，包括數(shù)值、編號等；

〈編號〉指索引項序號。例如，“長方形”所含幾何要素的表達(dá)范式如下：

…

“長方形→［長］｛數(shù)值｝（60）〈＃1〉；”

“長方形→［寬］｛數(shù)值｝（20）〈＃2〉；”

“長方形→［高］｛數(shù)值｝（30）〈＃3〉；”

“長方形→［點］｛數(shù)值｝（0，0，0）〈＃4〉；”

…

為實現(xiàn)幾何建模意圖自然語言表達(dá)范式的幾何要素表達(dá)范式的自動推理，本文采用一階謂詞邏輯完成幾何建模意圖的幾何要素識別與處理。令幾何要素表達(dá)范式為邏輯公式前提，擬定作為推理結(jié)論的各類幾何要素謂詞表達(dá)（如表1），并將幾何要素屬性作為參量，通過參數(shù)識別與邏輯推理便可獲得幾何要素的具體屬性值，進而完成幾何建模意圖的自然語言理解。各類幾何要素推理原理相同，只是屬性表達(dá)不同。例如，長方形所含幾何要素的搜索匹配算法如下：

…

&索 引 項→［W］｛T｝（V）〈N〉：-長 方 形（＿，＿），！；

&索引項→［W］｛T｝（V）〈N〉：-長方形（&索引項WV，長方形（＿，＿））；

…

其中W，T，V 和N 分別表示后繼詞、屬性、屬性值和編號等符號變量。這里需要指出，由于公差精度、粗糙度等制造工藝信息對幾何建模過程的影響不大，上述內(nèi)容的自然語言描述和理解不作討論。

3 幾何要素的數(shù)據(jù)表達(dá)與映射

3.1 幾何要素的數(shù)據(jù)表達(dá)

幾何要素的數(shù)據(jù)表達(dá)與映射主要是將幾何要素表達(dá)范式轉(zhuǎn)換為STEP 標(biāo)準(zhǔn)格式的幾何數(shù)據(jù)格式。作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換與表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，STEP 不但給出了幾何要素的種類和表達(dá)格式，而且規(guī)定了明確的拓?fù)潢P(guān)系，它已在實際中得到了廣泛應(yīng)用［20-22］。因此，本文采用STEP AP204作為幾何要素數(shù)據(jù)表達(dá)與交換的規(guī)范，并采用B-rep 幾何模型表達(dá)模式。目前，已有許多軟件平臺都提供了支持AP204協(xié)議的數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口，如Pro／E 和UG 等。因此，需要建立STEP幾何要素表達(dá)與映射算法，以實現(xiàn)幾何要素表達(dá)范式的自動STEP表達(dá)與轉(zhuǎn)換。需解決的主要問題包括幾何要素STEP數(shù)據(jù)表達(dá)和幾何要素自動映射。

STEP格式包括頭段和數(shù)據(jù)段。其中頭段范圍由“HEADER；／ENDSEC；”來標(biāo)記，用于說明文件性質(zhì)、配置等內(nèi)容，對幾何要素的數(shù)據(jù)表達(dá)與映射沒有實質(zhì)影響，將其作為一個數(shù)據(jù)塊。頭段數(shù)據(jù)的表達(dá)格式如下：

其中：文件名（File）、時間（Time）和作者（Author）等為幾何建模的輸入變量，ADD＿HEADER 為頭段謂詞；數(shù)據(jù)段范圍用“DATA；／ENDSEC；”來標(biāo)記，它是幾何要素的表達(dá)部分。數(shù)據(jù)段表達(dá)如下：

其中GEOMETRICAL＿MODEL＿PREDICIATES表示幾何要素的映射子句，它是按STEP AP204由幾何要素的表達(dá)范式映射而來。

幾何建模意圖給出了幾何模型的自然主觀描述，如長、寬、高等，需將這些表達(dá)要素轉(zhuǎn)換為符合STEP的幾何要素，如線（Line）、曲線（Curve）和邊線（Edge＿curve）等。STEP 規(guī)定了若干幾何要素，采用不同的應(yīng)用協(xié)議可以生成不同的數(shù)據(jù)模型，幾何要素具有很大的靈活性，通過組裝幾何要素可以建立同一模型的不同表達(dá)。本文采用的幾何要素表達(dá)格式為

編號=幾何要素（參數(shù)1，參數(shù)2，…）。

其中：編號表示幾何要素的數(shù)字標(biāo)識（簡稱為標(biāo)識符），它是唯一的，并可作為其他幾何要素的參數(shù)被調(diào)用；幾何要素指STEP規(guī)定的幾何要素標(biāo)識符號，如Line，Circle等；參數(shù)指幾何要素本身所具有的參數(shù)。不同幾何要素所包含的參數(shù)類型和個數(shù)不同，需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進行匹配和識別。

為了區(qū)別相同幾何要素的不同實體，一般將幾何要素的第一參數(shù)定義為幾何要素的別名，并以單引號標(biāo)識，如為了區(qū)別長方體的長、寬、高等，可分別命名為“長”、“寬”和“高”等。

3.2 幾何要素的模型映射

為實現(xiàn)自動建模，需要將幾何要素表達(dá)范式轉(zhuǎn)換為具體的幾何要素（或稱為幾何建模實體Entity），并完成幾何要素參數(shù)提取和處理。幾何要素參數(shù)主要包括元素和表兩種形式。元素是最簡單的數(shù)據(jù)類型，包括數(shù)值、標(biāo)識符、字符串、布爾值和通配符＊等類型；表是由元素類型構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)形式，由括號“（）”表示。由于STEP 幾何要素（實體）均采用英文描述，為表達(dá)方便，本文統(tǒng)一采用英文表述。幾何要素的模型映射需解決“幾何要素的工程語義分析”和“幾何要素的自動構(gòu)建機制”。

自然語言幾何要素的工程語義理解，是指將蘊含在幾何建模意圖中的工程語義映射為具有明確意義的幾何要素。例如，將長、寬、高等自然語言工程語義轉(zhuǎn)換為幾何要素Line實體。工程語義可以分為簡單工程語義和復(fù)合工程語義，其中復(fù)合工程語義由簡單工程語義按需求組合而成。簡單工程語義是描述幾何模型特征的屬性信息，如長、寬和高等；復(fù)合工程語義是表達(dá)特定結(jié)構(gòu)的抽象信息，如孔、槽和筋等。一般而言，簡單工程語義較易處理，復(fù)合工程語義需要進行分解，獲得相應(yīng)的簡單工程語義集后，再進行工程語義處理和幾何要素組合。常用工程語義及其對應(yīng)幾何要素如表3所示。

表3 常用工程語義的幾何要素表

幾何要素的自動構(gòu)建機制是指按幾何要素結(jié)構(gòu)形式自動構(gòu)建幾何要素的表達(dá)格式。盡管STEP每類幾何要素的構(gòu)造模式不同，但這些幾何要素的結(jié)構(gòu)形式相對固定，這為幾何要素表達(dá)范式的自動推理提供了映射依據(jù)。為了實現(xiàn)幾何要素的自動構(gòu)建，除了必須知道每類幾何要素的構(gòu)造模式外，還要知道每類幾何要素的信息模式，這些內(nèi)容都可以通過分析STEP 幾何要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲得。例如，STEP線（Line）實體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信息模式可以表達(dá)成如圖3所示的樹型結(jié)構(gòu)。

由該幾何要素組成結(jié)構(gòu)可見，它涉及STEP 信息（粗體字）和用戶數(shù)據(jù)信息（斜體字）兩類。具體而言，幾何要素包括4 個字符串（表示幾何元素的名字，若可以清楚地識別各個幾何要素，則可將其命名為空字符串‘’）、2個表元素（分別表示起點和方向矢量）和1個數(shù)值（表示線長度）。確定了幾何模型的參數(shù)信息——起點、方向和長度，就可以確定Line元素。其中，每類元素的對應(yīng)編號可由映射元素直接獲得，由幾何要素結(jié)構(gòu)樹可得：①每個建模實體都應(yīng)具有一個標(biāo)識符；②結(jié)構(gòu)樹中葉節(jié)點均為用戶輸入?yún)?shù)；③非葉節(jié)點為均為幾何建模實體；④所有幾何建模實體中，根節(jié)點為幾何建模實體，其他非葉節(jié)點為引用幾何建模實體。

最后，需根據(jù)幾何要素結(jié)構(gòu)模式將幾何要素表達(dá)范式轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的幾何元素。本文采用基于一階謂詞邏輯的模式匹配法，其匹配原理與識別過程與圖2相似。例如，圖3所示的Line元素對應(yīng)的幾何要素模式匹配與識別算法如下：

其他類型幾何實體的處理方法與Line相同，只是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)有所不同，在此不再贅述。通過上述模式識別與匹配，便可以實現(xiàn)幾何要素的自動識別與映射，從而完成幾何要素的模型映射。

3.3 幾何建模要素的幾何模型處理

由于上述分析采用了STEP標(biāo)準(zhǔn)獨立地建立各類幾何要素，且在各類幾何要素的模式識別和自動建立過程中沒有考慮同類幾何要素的數(shù)據(jù)重復(fù)問題，不可避免地出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余、參數(shù)命名空間混亂等情況。因此，幾何模型的后繼處理需完成冗余數(shù)據(jù)剔除與相關(guān)數(shù)據(jù)修改。冗余元素的主要特點是幾何要素的表達(dá)詞和參數(shù)均相同，通過對比分析即可消除冗余詞匯及其對應(yīng)的語言描述。此外，在冗余數(shù)據(jù)刪除過程中，應(yīng)及時更改被刪除冗余元素所屬的上下文描述子句中的參數(shù)標(biāo)識符號，否則會產(chǎn)生相關(guān)歧義數(shù)據(jù)，導(dǎo)致建模失敗。由于這些重復(fù)實體具有標(biāo)識符相同和標(biāo)號不同的特點，通過比較標(biāo)識符和參數(shù)便可以剔除重復(fù)數(shù)據(jù)。例如，下列代碼中CARTESIAN＿POINT 元素大量出現(xiàn)，包括＃3，＃7，…。完成冗余數(shù)據(jù)的剔除和整理后，僅保留一個元素（＃3），其他元素將被剔除（＃7）。這將使＃8元素中的＃7參數(shù)構(gòu)造失敗，因此須將其修改為＃3。剔除修改前后的代碼如下：

4 實例研究

本文依據(jù)以上論述，以Visual C++為平臺、Microsoft Access為后臺數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了原型實驗系統(tǒng)——自然語言幾何建模系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)包括自然語言輸入、建模意圖分析、幾何要素映射、建模信息處理和幾何模型生成等模塊。自然語言輸入模塊用于幾何建模意圖的自然語言描述，完成句型的有效性驗證；建模意圖分析模塊根據(jù)語料庫對輸入的幾何建模意圖進行整理和分析，形成良構(gòu)的幾何建模意圖描述；幾何要素映射模塊完成STEP幾何要素的映射；建模信息處理模塊完成冗余信息和數(shù)據(jù)的修改；幾何模型生成生成相關(guān)軟件平臺的接口程序，實現(xiàn)幾何建模文檔的自動調(diào)入和模型重構(gòu)，本文使用Pro／E 平臺，通過讀取STEP文檔實現(xiàn)幾何模型自動構(gòu)建。目前，大多數(shù)軟件都提供了多種格式（IGES，STEP，DXF 等）的文件導(dǎo)入功能，此處不再贅述。

5 結(jié)束語

本文針對目前產(chǎn)品幾何建模存在的問題，提出中文自然語言驅(qū)動的自動幾何建模方法。該方法以中文自然語言文本表達(dá)幾何建模意圖，采用語料庫技術(shù)完成了幾何建模意圖的理解和分析，并提出了用于規(guī)范設(shè)計意圖表達(dá)的相關(guān)規(guī)則，給出了自然語言幾何建模意圖理解的模式匹配分析方法；采用樹型結(jié)構(gòu)完成了STEP 中幾何實體的分析和表達(dá)，分析了幾何建模實體的參數(shù)表達(dá)特點，實現(xiàn)了基于一階謂詞邏輯的幾何建模意圖模式識別和幾何要素自動映射；最后，通過開發(fā)相關(guān)的原型系統(tǒng)，對所提方法進行了實驗驗證。實驗表明，該方法是合理、可行的。由于建模意圖表達(dá)的復(fù)雜性和不確定性，以及幾何要素的多樣性，本文主要以簡單幾何實體為目標(biāo)對自然語言幾何建模方法進行了嘗試和探索。有關(guān)復(fù)雜幾何模型的自然語言建模方法，以及公差信息、約束關(guān)系等內(nèi)容還有待深入研究。

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