顧 黎，李 澍，王 哲，郭逸婧，周 培

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

隨著制造加工技術(shù)的不斷進(jìn)步和數(shù)字化建模技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以航空航天為代表的大型裝備制造業(yè)逐漸采用了基于模型定義MBD（Model Based Definition）的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造方法[1]。例如，波音公司在其737-NX項(xiàng)目應(yīng)用MBD技術(shù)，使其研制周期縮短了50%，設(shè)計(jì)更改減少了一半，綜合成本降低了25%，且產(chǎn)品更加滿(mǎn)足用戶(hù)需求[2]。我國(guó)的MBD全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在各大企業(yè)中廣泛應(yīng)用，不斷提出和改進(jìn)基于三維CAD軟件的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)規(guī)范，尤其在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用水平較高，正在逐步打通整個(gè)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的數(shù)據(jù)鏈。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，隨著時(shí)間的積累，企業(yè)構(gòu)建的MBD模型變得越來(lái)越多，這些數(shù)據(jù)信息是大量設(shè)計(jì)研發(fā)人員智慧和知識(shí)的結(jié)晶，其中包含了大量可重用知識(shí)信息，如何對(duì)這些知識(shí)資源進(jìn)行有效利用，使新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期更短、成本更節(jié)約，全面提高產(chǎn)品構(gòu)建質(zhì)量和效率，成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[3]。

為了能夠搜索到真正適合重用的三維CAD模型，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)面向模型重用的三維CAD模型檢索算法進(jìn)行了研究。Li等[4]首先利用CAD模型構(gòu)造特征依賴(lài)有向無(wú)環(huán)圖，實(shí)現(xiàn)了CAD模型全局和局部檢索；Zehtaban和Roller[5]基于成組技術(shù)提出了一種智能的CAD模型檢索方法，利用形狀編碼作為CAD模型的描述，根據(jù)用戶(hù)輸入的成組碼進(jìn)行檢索；張汝珍和周雄輝[6]提出了一種集成產(chǎn)品信息模型的設(shè)計(jì)資源檢索算法，通過(guò)模型的功能、屬性信息實(shí)現(xiàn)快速檢索。這些模型重用方法大多面向傳統(tǒng)三維CAD模型，只考慮了CAD模型的幾何信息，有些雖然考慮了模型的非幾何信息，但只是將非幾何信息作為預(yù)篩選條件，而MBD模型的幾何信息和非幾何信息是相互關(guān)聯(lián)的，因而不能完全體現(xiàn)非幾何信息的重用價(jià)值。同時(shí)，這些方法對(duì)傳統(tǒng)CAD模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化表示，但沒(méi)有建立面向集成了幾何和非幾何全部信息的MBD模型，同時(shí)也未對(duì)這些結(jié)構(gòu)化信息進(jìn)行規(guī)范化、易利用的存儲(chǔ)和組織。

近年來(lái)，本體技術(shù)在CAD領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用非常廣泛，可更有效地重用MBD模型資源，本文利用本體對(duì)MBD歷史模型進(jìn)行有效的知識(shí)存儲(chǔ)與表達(dá)，主要分析了MBD數(shù)據(jù)集中幾何信息與非幾何信息的組織形式，構(gòu)建MBD模型領(lǐng)域本體結(jié)構(gòu)，對(duì)本體類(lèi)間層次結(jié)構(gòu)及屬性（數(shù)據(jù)屬性與對(duì)象屬性）進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)MBD模型知識(shí)信息的本體表示，將MBD歷史模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為MBD模型本體知識(shí)庫(kù)，為MBD模型知識(shí)重用奠定基礎(chǔ)。

圖1 MBD模型幾何數(shù)據(jù)集組成元素Fig.1 MBD geometry dataset component

圖2 MBD模型尺寸公差信息Fig.2 MBD model dimensional tolerance

圖3 MBD模型工程注釋信息Fig.3 Part MBD dataset

1 本體技術(shù)

人們從不同的角度和方面對(duì)本體的概念進(jìn)行了定義，Gruber[7]通過(guò)對(duì)本體深入的研究，指出“本體是概念模型的明確的規(guī)范說(shuō)明”，這是目前最著名、被引用最廣的定義，它主要包括4個(gè)方面的含義：概念化、明確化，形式化和共享。其可用五元組的形式來(lái)表示：DO=（C,R,P,I,H）。式中，DO為領(lǐng)域本體；C表示領(lǐng)域內(nèi)所包含的概念集合；R表示概念之間的關(guān)系，包括整體與部分、繼承以及實(shí)例關(guān)系等；P表示屬性的集合，用來(lái)描述概念本身；I表示概念C的實(shí)例集合；H為概念間的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，是對(duì)概念集的一個(gè)領(lǐng)域劃分。

2 MBD模型信息組織形式

MBD數(shù)據(jù)集提供了完整的零件或產(chǎn)品信息，集成了以往分散在設(shè)計(jì)文檔和工程圖紙中所有的設(shè)計(jì)和制造信息，作為一個(gè)完整MBD數(shù)據(jù)集在進(jìn)行發(fā)布時(shí)要包含MBD數(shù)據(jù)集的管理信息、產(chǎn)品制造和檢驗(yàn)信息。

2.1 幾何數(shù)據(jù)組織形式

MBD模型的幾何數(shù)據(jù)，不僅包括描述自身實(shí)體模型信息，即模型本身的幾何元素信息，還包括了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)信息（外部參考），如圖1所示。

在機(jī)械工程領(lǐng)域中，許多學(xué)者將特征作為CAD模型基本的語(yǔ)義描述符，將其作為描述設(shè)計(jì)模型的最小單元，充分體現(xiàn)模型中所包含的設(shè)計(jì)知識(shí)，同時(shí)，在MBD模型中，模型特征通常和制造語(yǔ)義信息相互關(guān)聯(lián)，故本文后續(xù)將通過(guò)基于特征的模型表示方法進(jìn)行MBD模型幾何元素信息描述[8-9]。

尺寸公差信息通常與MBD模型特征產(chǎn)生關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)標(biāo)注幾何或三維標(biāo)注的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2為某MBD模型尺寸公差信息標(biāo)注形式。

2.2 非幾何數(shù)據(jù)組織形式

MBD數(shù)據(jù)集是高度集成的產(chǎn)品定義集合，不僅包括了上述提到的幾何集數(shù)據(jù)信息，還包含制造要求和設(shè)計(jì)要求信息，同時(shí)，還應(yīng)包含產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)接口信息以方便數(shù)據(jù)管理的控制要求[10]。這些非幾何信息，主要通過(guò)MBD數(shù)據(jù)集中的工程注釋項(xiàng)來(lái)表達(dá)，工程注釋同時(shí)在CAD系統(tǒng)以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的產(chǎn)品多值屬性定義欄環(huán)境中定義，圖3即為某MBD模型工程注釋信息組織形式，一般分為Standard Notes（標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明）、Part Notes（零件注釋?zhuān)?、Annotation Notes（標(biāo)注說(shuō)明）和Material Description（材料描述）。

3 MBD模型本體構(gòu)建

3.1 MBD模型本體骨架結(jié)構(gòu)

MBD模型區(qū)別于傳統(tǒng)的三維CAD模型，除了具有幾何特征信息，還包含了三維標(biāo)注信息與工程注釋信息，在領(lǐng)域本體結(jié)構(gòu)構(gòu)建的過(guò)程中，需要完整表達(dá)上述信息[11]；同時(shí)，本體構(gòu)建以MBD模型重用為目的，構(gòu)建過(guò)程應(yīng)根據(jù)可重用信息來(lái)構(gòu)建本體中的類(lèi)及屬性信息。因此，在本體構(gòu)建過(guò)程中，根據(jù)波音公司提出的MBD數(shù)據(jù)集規(guī)范性定義要求[12],進(jìn)行本體類(lèi)的骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抽象出MBD-Model（MBD模型）類(lèi)為父類(lèi)，構(gòu)建了Geometry-Features（幾何特征）類(lèi)為子類(lèi)，用來(lái)描述MBD模型的實(shí)體模型信息和尺寸與公差等信息。Engineering-Notes（工程注釋?zhuān)榱硪粋€(gè)子類(lèi)，描述工程注釋信息。

3.2 基于草圖的特征

在對(duì)MBD模型幾何信息進(jìn)行表達(dá)時(shí)，本文將特征作為信息描述符，因?yàn)槠淇梢跃_傳遞特征參數(shù)信息，保留設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)歷史，反映MBD模型高層語(yǔ)義信息，具有較高的重用價(jià)值。本文的MBD模型數(shù)據(jù)均由CATIA系統(tǒng)創(chuàng)建，參考了其對(duì)于特征的定義和分類(lèi)，構(gòu)建了Geometry-Features類(lèi)的子類(lèi)結(jié)構(gòu)及其屬性。

基于草圖的特征是模型所有特征中的重要組成部分，本文重點(diǎn)抽取了5類(lèi)常見(jiàn)特征作為研究對(duì)象，包括Pad（凸臺(tái)）、Pocket（凹槽）、Shaft（旋轉(zhuǎn)體）、Stiffener（加強(qiáng)筋）和Hole（孔），進(jìn)行本體類(lèi)概念層次關(guān)系構(gòu)建，如圖4所示。

對(duì)于Pad和Pocket類(lèi)特征，以Pad類(lèi)為例進(jìn)行具體說(shuō)明。按照草圖是否為規(guī)則圖形，將Pad類(lèi)分為Regular-Pad（規(guī)則草圖）和Irregular-Pad（不規(guī)則草圖）兩個(gè)子類(lèi)；對(duì)于Regular-Pad類(lèi)，又細(xì)分為Rectangle-Sketch-Pad（矩形草圖）、Circle-Sketch-Pad（圓形草圖）和Hexagon-Sketch-Pad（正六邊形草圖）3類(lèi)，定義了相關(guān)數(shù)據(jù)屬性如圖4所示。

對(duì)于Irregular-Pad類(lèi)，特征幾何信息無(wú)法通過(guò)統(tǒng)一屬性來(lái)描述，為此，采用D2形狀描述子對(duì)特征形狀信息進(jìn)行描述[13]（用n維向量{a1,a2,…,an}來(lái)記錄形狀描述曲線(xiàn)）,對(duì)于特征幾何尺寸信息，采用最小包圍盒OBB來(lái)描述，通過(guò)特征的形狀和幾何尺寸信息來(lái)表達(dá)特征的幾何信息。

對(duì)于Shaft和Stiffener類(lèi)，同樣可以通過(guò)D2形狀描述子和最小包圍方盒來(lái)描述。

對(duì)于Hole類(lèi)，將其分為Simple-Hole（簡(jiǎn)單孔）與Complex-Hole（復(fù)雜孔）。對(duì)于Simple-Hole類(lèi)，具有has-Holedepth（孔深度）和has-Holediameter（孔直徑）兩個(gè)屬性；對(duì)于Complex-Hole，以 Counterbored-Hole（沉頭孔）為例，具有has-Boreddiameter(沉頭直徑)、has-Boreddepth(沉頭深度 )、has-holediameter(孔直徑 )、hasholedepth(孔深度)4個(gè)屬性。

MBD模型中的上述特征類(lèi)型，通常還標(biāo)注有公差/表面粗糙度信息，為此還構(gòu)建了has-Toleranceclass（公差等級(jí)）和has-Surface Roughness(表面粗糙度)兩個(gè)公共數(shù)據(jù)屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)上述信息的描述。

3.3 修飾特征

修飾特征作為另一類(lèi)重要特征類(lèi)型，本文提取了Edge Fillet（倒圓角）、Chamfer（倒角）和Draft Angle（拔模特征）3種常見(jiàn)類(lèi)型（對(duì)于Draft Angle類(lèi)，通過(guò)D2形狀描述子和最小包圍方盒來(lái)描述），類(lèi)及其自身描述屬性如圖5所示。

3.4 個(gè)體間關(guān)系定義

在完成幾何特征自身信息描述的基礎(chǔ)上，還需要對(duì)特征間的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行描述，才能完成MBD模型幾何信息表達(dá)。本文通過(guò)特征依賴(lài)關(guān)系來(lái)表達(dá)特征間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定義了has-Dependence（依賴(lài)于）對(duì)象屬性（又稱(chēng)關(guān)系）表示兩特征之間的依賴(lài)關(guān)系，如圖7所示。

圖7中長(zhǎng)方形凸臺(tái)特征F2是在已有的圓形凸臺(tái)特征F1基礎(chǔ)上以F1的上表面為草圖平面建立而成，故稱(chēng)特征F2依賴(lài)于特征F1；這種特征間的依賴(lài)關(guān)系，可以通過(guò)我們定義的has-Dependence對(duì)象屬性在本體結(jié)構(gòu)中進(jìn)行描述。

至此，完成了特征本體分類(lèi)，特征類(lèi)型屬性和特征間關(guān)系定義，實(shí)現(xiàn)了MBD模型幾何信息本體建模。后續(xù)在應(yīng)用過(guò)程中，可通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，獲取MBD模型的幾何特征信息，將每一個(gè)特征實(shí)例化為本體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)個(gè)體，為個(gè)體進(jìn)行屬性賦值，建立個(gè)體間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)該模型的本體表示。如圖8、9為某MBD模型的幾何信息通過(guò)幾何特征本體結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)。

圖4 基于草圖的特征本體分類(lèi)及數(shù)據(jù)屬性Fig.4 Sketch-based feature ontology type and data property

圖5 規(guī)則草圖凸臺(tái)特征數(shù)據(jù)屬性Fig.5 Regular-sketch-pad ontology type and data property

3.5 非幾何信息本體構(gòu)建

對(duì)于MBD數(shù)據(jù)集中的非幾何信息，即工程注釋信息，按照前文提到的數(shù)據(jù)組織形式，分為兩類(lèi)進(jìn)行考慮：非特征關(guān)聯(lián)類(lèi)和特征關(guān)聯(lián)類(lèi)。

非特征關(guān)聯(lián)類(lèi)工程注釋信息指的是存在于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)中，從屬于整個(gè)零件或產(chǎn)品，而并非用于標(biāo)注零件中的某個(gè)幾何特征的非幾何信息。

特征關(guān)聯(lián)類(lèi)指的是該注釋條目用于標(biāo)注零件或產(chǎn)品中某個(gè)或某幾個(gè)特征的非幾何信息，與具體特征關(guān)聯(lián)。

因此，構(gòu)建了Engineering-Notes（工程注釋?zhuān)楦割?lèi)，Non-Feature-Notes（非特征關(guān)聯(lián)類(lèi)）下建立了Part-Notes（零件注釋?zhuān)?、Standard-Notes（標(biāo)準(zhǔn)注釋?zhuān)?、Material-Notes（材料說(shuō)明）類(lèi)，F(xiàn)eature-Notes（特征關(guān)聯(lián)類(lèi)）下建立了Annotation-Notes（標(biāo)注說(shuō)明）類(lèi)。

以Part-Notes為例，1條零件注釋包含編碼、標(biāo)注內(nèi)容和URL這3部分信息，因此可在本體結(jié)構(gòu)中將編碼序號(hào)作為個(gè)體名稱(chēng)，并以“has-Content”和“has-Url”為數(shù)據(jù)屬性，分別表示注釋內(nèi)容和注釋URL信息，該注釋項(xiàng)的本體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖6 修飾特征本體分類(lèi)及數(shù)據(jù)屬性Fig.6 Dress-up feature ontology type and data property

圖7 特征依賴(lài)關(guān)系本體表達(dá)Fig.7 Feature-dependence relationship ontology representation

圖8 某MBD模型幾何信息Fig.8 MBD model geometry information

圖9 模型幾何特征本體Fig.9 Model geometry information ontology

4 示例

4.1 MBD模型本體結(jié)構(gòu)

通過(guò)上述內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了完整的MBD模型本體建模，結(jié)構(gòu)化地表達(dá)了MBD數(shù)據(jù)集中的幾何信息與非幾何工程注釋信息，最終本體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，對(duì)于一個(gè)歷史MBD模型，提取出該模型幾何特征與非幾何工程注釋信息，實(shí)例化為本體中的個(gè)體，并對(duì)個(gè)體進(jìn)行屬性賦值和關(guān)系構(gòu)建。MBD模型本體結(jié)構(gòu)化實(shí)例如圖12所示。

4.2 MBD模型本體知識(shí)庫(kù)構(gòu)建與檢索應(yīng)用

對(duì)歷史MBD模型的模型名稱(chēng)、特征信息、特征關(guān)系信息、工程注釋信息等知識(shí)信息進(jìn)行自動(dòng)提取，通過(guò)Jena包的相關(guān)API，將MBD模型信息通過(guò)本體進(jìn)行存儲(chǔ)，構(gòu)建本體知識(shí)庫(kù)。

對(duì)于已完成的本體知識(shí)庫(kù)，可以在Protégé軟件的OntoGraf模塊進(jìn)行查看，實(shí)現(xiàn)對(duì)本體知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)預(yù)覽和信息查詢(xún)，可基于關(guān)鍵詞對(duì)知識(shí)庫(kù)本體結(jié)構(gòu)信息和本體中存儲(chǔ)的知識(shí)信息進(jìn)行查看，如圖13、14所示。

圖10 工程注釋項(xiàng)本體結(jié)構(gòu)Fig.10 Engineering note ontology structure

圖11 MBD模型完整本體結(jié)構(gòu)Fig.11 MBD model full ontology structure

圖12 MBD模型本體映射實(shí)例Fig.12 MBD model ontology mapping instance

5 結(jié)論

近年來(lái)MBD技術(shù)在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了大量歷史MBD模型數(shù)據(jù)，具有很高的重用價(jià)值。本文簡(jiǎn)要介紹了本體技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及其與CAD領(lǐng)域相結(jié)合的應(yīng)用場(chǎng)景，并闡述了MBD模型中幾何信息與非幾何信息的具體組織形式。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行面向重用的MBD模型本體構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)MBD歷史建模數(shù)據(jù)本體實(shí)例化，構(gòu)建了MBD模型本體知識(shí)庫(kù)。根據(jù)構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)，可對(duì)歷史MBD模型信息進(jìn)行檢索和查看，同時(shí)，由于知識(shí)庫(kù)中記錄了MBD模型中各種信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在后續(xù)研究中可進(jìn)行知識(shí)推理，為今后MBD模型構(gòu)建提供設(shè)計(jì)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)重用。

圖13 基于關(guān)鍵詞的本體結(jié)構(gòu)搜索Fig.13 Ontology structure search using key words

圖14 基于關(guān)鍵詞的本體知識(shí)信息搜索Fig.14 Ontology knowledge search using key words

參 考 文 獻(xiàn)

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