MBD中三維標(biāo)注信息的本體構(gòu)建方法研究

劉 超，李 原，余劍鋒，陳 姣

（西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072）

0 引言

目前，飛機(jī)制造技術(shù)正向全數(shù)字化的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)一體化的方向發(fā)展。其突出特點(diǎn)是數(shù)字化已不僅僅是設(shè)計(jì)和制造的局部應(yīng)用，而是向具有跨地域的全數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)貫穿了整個(gè)飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造流程[1][2]，由此MBD（Model Based Definition）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。MBD即基于模型的定義，是一個(gè)用集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法體，它詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法。也改變了傳統(tǒng)由三維實(shí)體模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的分步產(chǎn)品數(shù)字化定義方法及其設(shè)計(jì)制造模式[3]。

MBD技術(shù)涉及產(chǎn)品研制周期中不同階段信息要素，如總體設(shè)計(jì)信息、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息、工藝信息、制造和檢驗(yàn)信息等。三維標(biāo)注技術(shù)作為MBD的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，即是將飛機(jī)研制中面向不同階段、不同對象所涉及的幾何及非幾何信息集成到三維模型之中，體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路，產(chǎn)品的制造工藝，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)性、唯一性。

從本質(zhì)來看，三維標(biāo)注是一個(gè)產(chǎn)品數(shù)字化定義的過程，三維標(biāo)注所涉及的信息保證了飛機(jī)設(shè)計(jì)及制造的正常運(yùn)行，這使得無論是產(chǎn)品的幾何設(shè)計(jì)信息，還是非幾何制造工藝信息都可以在三維模型空間上表達(dá)，從而省去二維工程圖，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造過程的三維化，使其更加直觀、明確[4]。三維標(biāo)注在CATIA中的示例如圖1所示。

圖1 三維標(biāo)注示例

三維標(biāo)注信息中除尺寸和公差外，還包括零件的屬性信息、零件的材料信息、零件的注釋說明、零件加工工藝過程所必須提供的產(chǎn)品描述性定義信息、裝配連接定義等[5]。這些信息數(shù)量大，類型多，貫穿于整個(gè)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造流程[6]。所以，構(gòu)建三維標(biāo)注信息本體，以促進(jìn)人工智能在三維標(biāo)注上的應(yīng)用，可以極大提高三維標(biāo)注的效率，是十分必要的。

1 本體構(gòu)建流程

本體構(gòu)建是本體形成的具體過程，其構(gòu)建方法直接關(guān)系到整個(gè)本體能否成功建立，能否實(shí)現(xiàn)預(yù)想的功能。關(guān)于本體構(gòu)建，目前一致認(rèn)同的是：規(guī)范化的領(lǐng)域知識本體的構(gòu)建應(yīng)該基于一定的專業(yè)領(lǐng)域，在領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c和協(xié)作下，遵循某種構(gòu)建知識本體的方法。當(dāng)前有很多通用本體構(gòu)建方法，如TOVE法[7]，METHONTOLOGY 法[8]等，這些方法各有特點(diǎn)，也都有不完善之處。本文在這些方法的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)[9]，結(jié)合所研究問題的特點(diǎn)，提出了飛機(jī)三維標(biāo)注信息元素本體構(gòu)建方法，如圖2所示。

圖2 本體構(gòu)建流程

本體的構(gòu)建步驟中，數(shù)據(jù)收集、本體評價(jià)和形式化描述都有較為通用的方法，可適用于各種不同的本體，因此，本文針對三維標(biāo)注的具體特點(diǎn)，重點(diǎn)說明領(lǐng)域知識分析、概念和類的定義兩個(gè)部分的內(nèi)容。

2 領(lǐng)域知識分析

數(shù)字化設(shè)計(jì)中存在不同的設(shè)計(jì)階段和層次，每個(gè)階段主要涵蓋不同的標(biāo)注信息，這些主要是根據(jù)標(biāo)注對象的不同而劃分的，標(biāo)注的對象是機(jī)加件、鈑金件還是裝配件，都會給標(biāo)注帶來各自的內(nèi)容特點(diǎn)。但分析這些標(biāo)注對象可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)注內(nèi)容都有其共同的格式和關(guān)聯(lián)，即本文的基本標(biāo)注類別。整個(gè)飛機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)注過程實(shí)質(zhì)上是這些基本標(biāo)注類別的集合。

根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造過程中的標(biāo)注流程，結(jié)合具體經(jīng)驗(yàn)，提取出飛機(jī)三維標(biāo)注過程中基本標(biāo)注類別，這些標(biāo)注單元按照幾何信息標(biāo)注和非幾何信息標(biāo)注分為兩大類，具體如下。

2.1 幾何信息標(biāo)注

①基準(zhǔn)標(biāo)注：表示有形位公差要求的理論精確點(diǎn)、軸線或平面的定位基準(zhǔn)；②幾何圖形公差標(biāo)注：表示有形狀和位置要求的幾何特征；③尺寸標(biāo)注：表示有配合的尺寸或功能要求的尺寸；④粗糙度標(biāo)注：表示有特殊要求的表面特征；⑤連接定義標(biāo)注：表示裝配件中零件之間的連接關(guān)系；⑥密封定義標(biāo)注：表示零組件的密封區(qū)域和密封工藝。

2.2 非幾何信息標(biāo)注

①模型編號標(biāo)注：零組件、裝配件的編號；②模型名稱標(biāo)注：零組件、裝配件的名稱；③產(chǎn)權(quán)標(biāo)注：模型的產(chǎn)權(quán)所有者；④材料描述標(biāo)注：包括材料的牌號、材料狀態(tài)、材料規(guī)范和毛料尺寸；⑤設(shè)計(jì)依據(jù)標(biāo)注：包括協(xié)調(diào)單或其他協(xié)調(diào)類文件；⑥模型屬性標(biāo)注：包括模型重量、有效性、階段標(biāo)識、對稱性、對稱說明、單元件類別、版次、更改說明等；⑦工程注釋標(biāo)注：包含通用附注、旗注說明。

幾何信息標(biāo)注與非幾何信息標(biāo)注語義元素兩部分包含的內(nèi)容可以涵蓋三維標(biāo)注中涉及到的大部分元素，通過基本標(biāo)注單元的提取，將整個(gè)飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)三維標(biāo)注過程進(jìn)行歸納，得到一個(gè)具有代表性的簡化模型，以此來代替整個(gè)飛機(jī)標(biāo)注操作。

3 本體的形成

數(shù)字化設(shè)計(jì)包括各種概念性、規(guī)則性、經(jīng)驗(yàn)性和過程性的知識，其中的大部分將通過三維標(biāo)注展現(xiàn)出來。所以，三維標(biāo)注信息的數(shù)據(jù)模型包含大量的知識內(nèi)容，不僅包括產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)，還包括設(shè)計(jì)依據(jù)、沒學(xué)術(shù)性、工程注釋、過程元素等多方面知識，是相當(dāng)復(fù)雜的。為方便描述三維標(biāo)注信息的數(shù)據(jù)模型，本章采用基于元數(shù)據(jù)的方法建立其概念和層次關(guān)系。

元數(shù)據(jù)是幫助查找、存取、使用和管理信息資源的信息。在這個(gè)定義里，元數(shù)據(jù)既適合于電子資源，又適合于非電子資源；不僅包括編目信息，也包括其他存取和管理資源的信息[9]。

采用元數(shù)據(jù)技術(shù)描述三維標(biāo)注信息本體的概念模型，主要包括業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)、聯(lián)系對象和數(shù)據(jù)模型。業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)是用來描述有標(biāo)注對象的信息；數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)表達(dá)標(biāo)注文件的屬性并指明文件在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的存儲位置，數(shù)據(jù)文件就是數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)中指針?biāo)傅奈锢頂?shù)據(jù)。聯(lián)系對象可以將業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)模型在邏輯上集成為一個(gè)整體，將其組成為完整的標(biāo)注文件。

下面首先對不同的業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)進(jìn)行定義。

（1）幾何信息業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)（Geometric information Business meta-data，GIBD），描述三維模型所涉及的幾何標(biāo)注信息，包括基準(zhǔn)標(biāo)注、幾何圖形公差標(biāo)注、尺寸標(biāo)注、粗糙度標(biāo)注、連接定義標(biāo)注、密封定義標(biāo)注等方面的標(biāo)注業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)屬性。

（2）數(shù)模信息業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)（Mathematical model information Business meta-data，MmIBD），描述三維模型相關(guān)的基本對象屬性，包括零部件標(biāo)識號、名稱、更改號、以及處理狀態(tài)等業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)屬性。

（3）過程信息業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)（Process information Business meta-data，PIBD），標(biāo)注過程中所涉及的過程元素，以及外部參考信息等業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)屬性。

（4）數(shù)模屬性業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)（Mathematical model property Business meta-data，MmPBD），表示數(shù)模對應(yīng)的主要屬性信息，包括模型重量、有效性、階段標(biāo)識、對稱性、對稱說明、單元件類別、版次、更改說明等業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)屬性。

（5）規(guī)范基準(zhǔn)業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)（Specification and Datum Business meta-data，SDBD），描述與產(chǎn)品零部件有關(guān)的各種各樣的資料文件，如設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、制造要求等業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)屬性。

（6）材料信息業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)（Material information Business meta-data，MiBD），描述數(shù)模所對應(yīng)實(shí)體的材料信息，包括材料的牌號、材料狀態(tài)和毛料尺寸等業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)屬性。

（7）工程注解業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)（Engineering comment Business meta-data，EcBD），描述數(shù)模中的工程注解標(biāo)注信息，包括注解文本、旗注說明等業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)屬性。

（8）審簽信息業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)（Audit information Business meta-data，AiBD），描述數(shù)模中完整的審簽流程信息以及發(fā)布信息等業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)屬性。

與業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)對應(yīng)的為數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)，分別為幾何信息數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)（Geometric information Data metadata，GIDD），數(shù)模信息數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)（Mathematical model information Business meta-data，MmIDD），過程信息數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)（Process information Business metadata，PIDD），數(shù)模屬性數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)（Mathematical model property Business meta-data，MmPDD），規(guī)范基準(zhǔn)數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)（Specification and Datum Business meta-data，SDDD），材料信息數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)（Material information Business meta-data，MiDD），工程注解數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)（Engineering comment Business meta-data，EcDD），審簽信息數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)（Audit information Business meta-data，AiDD）。不同類型的數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)除繼承其對應(yīng)的業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)的屬性，同時(shí)記錄了這些數(shù)據(jù)文件的格式、使用的系統(tǒng)、在計(jì)算機(jī)中的儲存方式等屬性。

通過上文對元數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，對大量的三維標(biāo)注內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，可定義其本體為一個(gè)三元組。

其中，C表示標(biāo)注信息數(shù)據(jù)中概念實(shí)體元素的集合，描述的是產(chǎn)品數(shù)據(jù)本體中的概念或類，與上文所提到的元數(shù)據(jù)相對應(yīng)；E表示標(biāo)注信息數(shù)據(jù)中概念實(shí)例元素的集合，描述的是產(chǎn)品數(shù)據(jù)本體中的實(shí)體的集合，E集合中的元素 E（i）與 C 中的元素 C（i）一一對應(yīng)；R描述標(biāo)注信息數(shù)據(jù)中概念間的相互關(guān)系，概念之間關(guān)系主要有聚集關(guān)系（“part-of”），表達(dá)概念實(shí)體之間的部分與整體之間關(guān)系；繼承關(guān)系（“kindof”），表達(dá)類中的父類與子類的關(guān)系；同類關(guān)系（“same-as”），表達(dá)概念之間為同一類別與層次；實(shí)例關(guān)系（“instance-of”），表達(dá)概念實(shí)體與概念實(shí)例間的關(guān)系；屬性關(guān)系（“attribute-of”），表達(dá)概念實(shí)體鍵的屬性關(guān)系等。

對標(biāo)注信息本體的元數(shù)據(jù)進(jìn)行定義后，需要明確其層次關(guān)系，才能完成本體構(gòu)建。參考文獻(xiàn)[10]，結(jié)合上文提到的標(biāo)注信息元數(shù)據(jù)定義，得到了三維標(biāo)注信息基于元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)本體的體系結(jié)構(gòu)，如表1所示。在該本體的體系結(jié)構(gòu)中，標(biāo)注信息數(shù)據(jù)元模型層主要包括其業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)、聯(lián)系元數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)；模型層主要針對業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)、聯(lián)系元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步地分解，從而得到元模型的實(shí)例。實(shí)例層描述的是由這些模型層所描述模型的實(shí)例組成的具體標(biāo)注信息實(shí)例。

上文中定義了三維標(biāo)注信息中的元數(shù)據(jù)的概念，繼續(xù)完成其層次關(guān)系的定義編完成了本體框架的搭建，并可以通過概念和關(guān)系的填入，使本體逐漸成形。由于在本體中，層次關(guān)系是最重要的關(guān)系，它確定了概念在本體中的位置，確定了概念的上下層關(guān)系，因此，它是關(guān)系分析中重要的組成部分。層次關(guān)系的確定是一個(gè)復(fù)雜的過程，在文獻(xiàn)[11]方法的基礎(chǔ)上，首先判斷新概念所屬的基本概念，然后從這個(gè)基本概念開始，逐層細(xì)化，不斷與此概念的子概念進(jìn)行比較，最終確定新概念的層次關(guān)系。具體步驟如下：

表1 標(biāo)注信息本體建模體系結(jié)構(gòu)

Step1 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定一個(gè)包含概念C的基本概念C0。

Step2 選取C0的子概念C1i，比較C與C1i的層次關(guān)系。若C1i的概念層次高于C且C1i包含了C，則取C1i的子概念C2i，比較C與C2i的層次關(guān)系，以此類推。直到Cni，轉(zhuǎn)Step3；若C與C1i有相同的層次關(guān)系，則轉(zhuǎn)Step4。

Step3 若Cni存在子概念Cni+1，則轉(zhuǎn) Step5；否則轉(zhuǎn)Step7。

Step4 取C1i的層次關(guān)系即為C的層次關(guān)系，更新本體。

Step6 取Cni為C的父概念，更改C的父概念為C，更新本體。

Step7 取Cni為C的父概念，更新本體。

本體模型往往需要囊括一個(gè)領(lǐng)域中所有的知識，強(qiáng)調(diào)知識的完備性，因此本體的建立是一個(gè)不斷重復(fù)、不斷迭代的過程。同時(shí)，建立好的本體還需要保證其可擴(kuò)展性，能夠隨著知識的發(fā)展變化而不斷更新完善，以符合實(shí)際情況，滿足使用的需要。在建立和更新的過程中，當(dāng)有新的概念要加入時(shí)，只要重復(fù)以上的步驟，就可以完成相應(yīng)的工作。

4 應(yīng)用實(shí)例

上面是經(jīng)過深入分析飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)中三維標(biāo)注知識，并且對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理后得到的有關(guān)三維標(biāo)注知識本體的一個(gè)數(shù)據(jù)模型。根據(jù)以上分析結(jié)果，參考某型號飛機(jī)的翼肋標(biāo)注內(nèi)容，給出了其本體的數(shù)據(jù)模型，如圖3所示。標(biāo)注信息本體將某型號翼肋的多方面標(biāo)注信息聯(lián)系到一起，設(shè)計(jì)人員根據(jù)需求在對相似翼肋或?qū)υ撘砝吒倪M(jìn)進(jìn)行標(biāo)注時(shí)，只需從這些子數(shù)據(jù)特性表中選擇相應(yīng)的實(shí)例或作出簡要修改就可快速、準(zhǔn)確地得到滿足設(shè)計(jì)及工藝需求的標(biāo)注。同樣可采取這樣的方式描述組成飛機(jī)三維設(shè)計(jì)中的其他鈑金件、裝配件等。這樣就構(gòu)建成一個(gè)完整的三維標(biāo)注數(shù)據(jù)模型。該數(shù)據(jù)模型可方便、準(zhǔn)確、快速地為MBD中的三維快速標(biāo)注提供所需的數(shù)據(jù)。

為使本體從自然語言的表示格式轉(zhuǎn)化成為機(jī)器可讀的邏輯表達(dá)格式，從而可以直接被計(jì)算機(jī)存儲、加工、利用，并且在不同的系統(tǒng)之間進(jìn)行互操作，還需要使用本體描述語義對本體進(jìn)行形式化描述。本文采用框架表示法對三維標(biāo)注知識本體進(jìn)行描述，其BNF（Backus Normal Form，巴科斯范式）描述形式如圖4。圖4中標(biāo)注知識由兩部分組成，是對知識的一般描述，使知識更易識別，是問題描述，包含了三維標(biāo)注信息的層次結(jié)構(gòu)和標(biāo)注內(nèi)容。

5 結(jié)論

本文提出的MBD中三維標(biāo)注信息數(shù)據(jù)本體，能夠?qū)︼w機(jī)三維標(biāo)注所涉及的元素進(jìn)行一致性的存儲和描述，可快速為設(shè)計(jì)者提供有效、準(zhǔn)確的標(biāo)注信息數(shù)據(jù)。通過對飛機(jī)三維標(biāo)注信息進(jìn)行分析，建立了三維標(biāo)注信息中的元數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，形成了標(biāo)注信息的本體框架，建立了標(biāo)注信息知識本體。最后，給出了某型號飛機(jī)翼肋的三維標(biāo)注信息數(shù)據(jù)模型。本文通過建立三維標(biāo)注知識本體，為MBD中的三維標(biāo)注信息的快速標(biāo)注和重用奠定了基礎(chǔ)。

圖4 基于框架表示的三維標(biāo)注信息本體的BNF描述

[1]馮潼能，王錚陽，宋 婭.MBD技術(shù)在協(xié)同設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2010，18:64-67.

[2]符 磊，余劍峰，張 杰.基于多級骨架模型的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（4）：94-98.

[3]周秋忠，范玉青.MBD技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用[J].航空維修與工程，2008，3：55-57.

[4]周秋忠，查浩宇.基于三維標(biāo)注技術(shù)的數(shù)字化產(chǎn)品定義方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，（1）.

[5]劉俊堂.全三維飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)及其應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2010，20（18）：68-71.

[6]李曉楓，王仲奇，康永剛.基于DELMIA的裝配過程仿真及其在飛機(jī)數(shù)字化柔性工裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 [J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（6）：92-95.

[7]Mike Uschold，Michael Gruninger.Ontologies:Principles，methods，and applications[J].Knowledge Engineering Review，1996，11（2）:93-155.

[8]Fernandz，Mariano.Overview of Methodologies for Building Ontologies[C].In Proceedings of IJCAI99’s Workshop on Ontologies and Problem Solving Methods:Lessons Learned and Future Trends，1999.

[9]趙慶峰，鞠英杰.國內(nèi)元數(shù)據(jù)研究綜述[J].現(xiàn)代情報(bào)，2003，11（11）：42-45.

[10]顧巧祥，祁國寧，紀(jì)楊建，等.基于元數(shù)據(jù)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)本體建模技術(shù)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2007，41（5）：736-741.

[11]閻春平，范輝先，劉 飛.基于表達(dá)式的產(chǎn)品資源本體建模技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008，14（11）.