基于ＲＤＦ／ＸＭＬ的裝配語義建模研究

摘要：為解決異構(gòu)CAD系統(tǒng)集成及協(xié)同裝配設(shè)計過程中的信息共享問題，在分析裝配特征語義信息的基礎(chǔ)上，提出了面向協(xié)同設(shè)計的三元裝配語義模型，提出采用RDF/XML表達(dá)裝配語義元模型，并討論了基于XML的數(shù)據(jù)集成關(guān)鍵技術(shù)。在文章的最后通過具體的CAD系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計過程實例，驗證了該模型及實現(xiàn)方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：協(xié)同裝配設(shè)計；信息共享；裝配語義模型；可擴(kuò)展標(biāo)記語言

0 引言

CSCW(計算機(jī)支持的協(xié)同工作)通過提供共享資源的訪問接口，支持群體成員在共享環(huán)境下協(xié)同工作完成同一設(shè)計任務(wù)。其底層支撐技術(shù)為計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。協(xié)同裝配設(shè)計是協(xié)同設(shè)計研究的重要內(nèi)容，它支持異地團(tuán)隊在共享工作空間進(jìn)行零部件的協(xié)同裝配活動。這里裝配設(shè)計信息的共享是關(guān)鍵。

為了解決異構(gòu)CAD之間以及CAD與CAM、CAPP等系統(tǒng)間產(chǎn)品模型信息的數(shù)據(jù)交換，先后出現(xiàn)了很多種中性數(shù)據(jù)交換格式，如IGES、PDES、STEP等。協(xié)同環(huán)境下的數(shù)據(jù)共享采用STEP標(biāo)準(zhǔn)是一種理想的辦法。在Web領(lǐng)域為解決異地數(shù)據(jù)共享產(chǎn)生了XML標(biāo)準(zhǔn)，很多學(xué)者將XML標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到CAD領(lǐng)域。張帆等提出XML的可重構(gòu)裝配模型，將裝配結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)序列化為XML文件，通過XML節(jié)點重構(gòu)來支持裝配模型的重構(gòu)，但沒有將裝配結(jié)構(gòu)與約束關(guān)系分離，因此難于支持協(xié)同設(shè)計過程。Chen.Li等建立了基于ACIS的協(xié)同裝配設(shè)計系統(tǒng)，服務(wù)器端裝配模型采用STEP標(biāo)準(zhǔn)，客戶端采用面片模型，并且在設(shè)計過程中建立一系列協(xié)同規(guī)則，以協(xié)調(diào)、同步用戶操作，但面片模型無法支持協(xié)同裝配特征設(shè)計，用戶也無法對約束關(guān)系進(jìn)行編輯。

本文在協(xié)同裝配設(shè)計環(huán)境下，對裝配體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并定義了裝配語義，建立了一個基于RDF/XML協(xié)同裝配設(shè)計模型，詳細(xì)討論了協(xié)同裝配設(shè)計模型的語義映射方式。最后在具體的CAD系統(tǒng)上建立了原型系統(tǒng)，驗證了該方法的可行性，為實現(xiàn)協(xié)同裝配設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

1 裝配特征語義建模

1．1 裝配特征模型

1．1．1 裝配特征信息

為完整表達(dá)一個裝配體，其裝配模型必須包含以下信息：裝配空間，裝配結(jié)構(gòu)，裝配約束。其中裝配約束(也稱配合關(guān)系)是裝配模型中最復(fù)雜的部分，裝配約束的表達(dá)方式關(guān)系到整個裝配模型的表達(dá)。上述概念我們分別闡述如下：

裝配空間指整個裝配體絕對坐標(biāo)的集合。當(dāng)添加裝配組件時，組件的絕對坐標(biāo)將被轉(zhuǎn)換為本地裝配空間中的相對坐標(biāo)。這個相對位置由坐標(biāo)原點加上坐標(biāo)軸矢量決定。

裝配結(jié)構(gòu)常用樹型結(jié)構(gòu)組織裝配體的組件和零件。一個裝配結(jié)構(gòu)中僅存在—個裝配樹，樹根惟一，葉子節(jié)點不能交叉。

裝配約束是協(xié)同裝配設(shè)計模型的關(guān)鍵部分，包含了零件信息，裝配特征、裝配方向、約束類型、裝配參數(shù)等信息。零件與零件間的裝配約束(也稱配合關(guān)系)是由一個或多個約束組成的，而且這些組成配合關(guān)系的約束之間不能存在幾何及邏輯關(guān)系上的矛盾，如約束不能循環(huán)定義。

1．1．2 裝配約束及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為使裝配信息適合協(xié)同設(shè)計要求，在參考目前CAD系統(tǒng)中裝配模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文提出了一個適合異構(gòu)CAD系統(tǒng)的統(tǒng)一的裝配約束數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。首先介紹相關(guān)的基本概念：

(1)基準(zhǔn)件與裝配件

零件A裝配到零件B上，A稱為裝配件，B稱為基準(zhǔn)件；當(dāng)添加一個A到B的裝配約束時，基準(zhǔn)件B的裝配空間不變，而裝配件A及其所有子裝配將通過坐標(biāo)變換生成新的裝配空間。

(2)約束婁型(Mate type)

常用的裝配約束類型有：相對(貼合)、對齊、成角度、距離、平行、垂直、同心、相切等。

要實現(xiàn)零部件之間的有效約束，必須填充如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

1．2 裝配特征語義表達(dá)

傳統(tǒng)的中性CAD數(shù)據(jù)格式(IGES、STEP等)，或者基于網(wǎng)格的數(shù)據(jù)格式(VRML)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)交換過程中必然帶來設(shè)計信息的丟失；而基于特征的裝配語義模型以對象的方式存儲裝配相關(guān)信息，拓?fù)潢P(guān)系容易維護(hù)，減少了信息的丟失。從廣義角度而言，裝配語義是從設(shè)計者的角grit設(shè)計過程，設(shè)計概念的抽象表達(dá)，其目的是為了利于知識的檢索與重用，具體到裝配體，裝配語義特征模型與傳統(tǒng)的裝配模型本質(zhì)的差別是將二元關(guān)系模型擴(kuò)充到三元。傳統(tǒng)的類似于E-R圖描述的裝配模型只能表達(dá)零件的組成關(guān)系，也無法表達(dá)裝配順序。而語義描述的是主謂賓結(jié)構(gòu)的三元關(guān)系，被裝配件的裝配特征是主語，謂語是裝配約束，基準(zhǔn)件的裝配特征充當(dāng)賓語。采用三元關(guān)系可以將裝配體的賓語結(jié)合新的謂語和賓語形成新的語義關(guān)系，通過層層擴(kuò)展，構(gòu)成完整的裝配語義模型。而裝配參數(shù)，裝配順序等工程信息可以作為節(jié)點屬性包含在語義模型中。簡單的裝配模型可以表示為圖2所示的XML/RDF模型：

在企業(yè)級協(xié)同環(huán)境下，不同專業(yè)、不同的領(lǐng)域的設(shè)計人員，所使用的CAD系統(tǒng)不盡相同；異構(gòu)CAD系統(tǒng)對于同一類約束的處理方式是不同的，數(shù)據(jù)存儲格式也不盡相同，例如，在UG中螺紋連接等同于同心約束，SolidWorks則把螺紋連接當(dāng)作一種約束類型單獨處理。而語義表達(dá)的設(shè)計意圖是相同的，與平臺無關(guān)，因此裝配語義實現(xiàn)了異構(gòu)CAD系統(tǒng)向同一種裝配模型的映射，這種映射關(guān)系是多對一的。

傳統(tǒng)的裝配建模大多在幾何層對特征進(jìn)行操作。從裝配語義到幾何約束，其間經(jīng)過裝配語義的抽象與提取，對常用的配合、聯(lián)接方式的分類，如螺釘聯(lián)接、螺栓連接等。其中每種連接類型又可分為幾種小類型，如鍵連接可分為花鍵、平鍵連接等，裝配關(guān)系允許組合與分解。對于特殊的裝配關(guān)系，允許用戶自定義(一種或多種基本約束類型的組合)，例如齒輪嚙合，可以分解為兩個齒輪軸平行約束加齒面貼合約束；反之，多個基本約束類型也可以組成復(fù)雜的裝配關(guān)系。通過以上兩種方式的擴(kuò)充，基本可以滿足常見約束類型的抽象表達(dá)。

2 基于RDF，XML的裝配語義建模

2．1 RDF/XML簡介

XML具有適于異構(gòu)應(yīng)用間的數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)檢索和提供多語種支持等優(yōu)點。XML已經(jīng)成為目前多數(shù)信息集成框架的數(shù)據(jù)傳輸載體方案的首選。

為提高XML的語義描述能力，RDF(resource Description Framework)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生。RDF提出簡單的模型來表示任意類型的數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)類型由節(jié)點和節(jié)點之間帶有標(biāo)記的連接弧所組成。節(jié)點表示資源(對象)，弧表示資源的屬性。

2．2 裝配語義擴(kuò)展

XML標(biāo)記給文檔定義帶來了靈活性，但機(jī)器無法理解標(biāo)簽下存放內(nèi)容的具體含義。在協(xié)同裝配建模過程中，裝配語義模型從面向?qū)ο蠼嵌葘s束關(guān)系進(jìn)行抽象，將裝配關(guān)系映射成具有屬性和操作的對象，輔助RDF屬性，可以描述任意裝配節(jié)點的屬性信息；裝配層次模型屬于半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，采用XML描述更為合適。

RDF裝配模型中的每個節(jié)點可以用零件名稱惟一標(biāo)識，其包含的裝配特征可以用全局分配的ID號惟一標(biāo)識，特征與特征之間的關(guān)系(謂語動詞)用裝配約束表示，約束參數(shù)可以描述為對象所包含的屬性。在協(xié)同裝配設(shè)計環(huán)境中，約束關(guān)系可能由不同的用戶編輯，并將這種變化抽象為零件對象約束關(guān)系的遷移，通過XML節(jié)點的重構(gòu)加以實現(xiàn)。圖3所示為通過裝配語義本體建立的裝配語義模型層次圖。

RDF本身不受具體語法表示的限制，但仍然需要一種合適的語義格式來實現(xiàn)在協(xié)同裝配設(shè)計上的應(yīng)用。RDF Schema(RDFS)通過對象建模的方式來定義裝配語義詞匯，將裝配特征、約束關(guān)系轉(zhuǎn)化成RDFS中的類和屬性。

2．3 基于XML/RDF的裝配語義模型

通過在XML中引用RDF，可以將XML的解析過程與解釋過程相結(jié)合。舉例：提供—個資源的URL，利用ModeLGetResourec方法可以獲取該資源對應(yīng)的對象。也就是說，RDF可以幫助解析器(如傳統(tǒng)的XMLDOM)在解析XML的同時，獲得XML所要表達(dá)的對象，并可以根據(jù)它們的關(guān)系(schema)進(jìn)行推理，從而將基于裝配屬性的檢索推進(jìn)到基于對象的檢索。

目前XML已經(jīng)成為通用的Web數(shù)據(jù)表示標(biāo)準(zhǔn)，有大量的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用接口用于信息的讀取、處理，因此將RDF序列化為XML可以使RDF獲得更好的Web應(yīng)用特性，并使得RDF數(shù)據(jù)可以像XML數(shù)據(jù)一樣的容易使用、傳輸和存儲。

基于特征的協(xié)同裝配設(shè)計模型，它封裝了如下裝配信息：部分裝配特征、父零件(基準(zhǔn)件)、子零件(裝配件)、自由度、位置信息(指零件在裝配空間的局部坐標(biāo)原點及坐標(biāo)軸方向，以及轉(zhuǎn)換矩陣)。

3 裝配語義模型的應(yīng)用與驗證

為了驗證該裝配語義模型的可行性，筆者建立了協(xié)同裝配設(shè)計原型系統(tǒng)來模擬協(xié)同環(huán)境，其裝配體的協(xié)同建模過程如下：

步驟一：設(shè)計者分別從服務(wù)器下載主裝配模型(單獨的XML文件)到客戶端，讀取XML文件中的零部件名稱，并從服務(wù)器下載所有三維實體文件(pn格式)；

步驟二：系統(tǒng)解析XML文件，讀取約束信息，填充裝配約束結(jié)構(gòu)；

步驟三：求解約束，將約束加載到裝配體上，進(jìn)行坐標(biāo)變換，自動更新客戶端顯示(若系統(tǒng)不能辨識，需設(shè)計者交互)；

步驟四：添加一個零部件，并且添加約束，這時其他客戶端還沒有實時更新；

步驟五：更新主裝配模型，上傳新增加的實體文件到服務(wù)器，向服務(wù)器發(fā)送同步消息；

步驟六：更新其他客戶端，后臺自動下載新增實體文件，顯示更改后的裝配體。

以上幾步中，約束求解是較難的一步，涉及較多的CAD曲線、曲面算法及人工智能算法。系統(tǒng)采用了UG NX2裝配模塊的功能，進(jìn)行了二次開發(fā)，調(diào)用UG裝配函數(shù)，獲取約束求解結(jié)果后再進(jìn)行坐標(biāo)變換，更新裝配體模型，顯示到工作界面上。

4 結(jié)束語

協(xié)同裝配設(shè)計模型涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且包含特征信息繁多的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)容涵蓋零件、特征、約束等諸多方面數(shù)據(jù)。裝配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表達(dá)方案及裝配語義映射是裝配建模研究的重點。本文實現(xiàn)的內(nèi)容有：在研究裝配體信息模型的基礎(chǔ)上提出了基于語義的裝配特征建模方案；通過語義映射實現(xiàn)了協(xié)同裝配設(shè)計數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一表達(dá)；實現(xiàn)了基于XML/RDF的裝配數(shù)據(jù)表達(dá)。未來研究內(nèi)容有：繼續(xù)集成裝配設(shè)計、裝配規(guī)劃等裝配工程語義信息；將該模型集成到協(xié)同裝配設(shè)計環(huán)境中去。