MBD中三維標注信息的本體構(gòu)建方法研究

劉 超，李 原，余劍鋒，陳 姣

（西北工業(yè)大學 現(xiàn)代設計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室，陜西 西安 710072）

0 引言

目前，飛機制造技術(shù)正向全數(shù)字化的設計、制造、試驗一體化的方向發(fā)展。其突出特點是數(shù)字化已不僅僅是設計和制造的局部應用，而是向具有跨地域的全數(shù)字化協(xié)同設計制造發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)貫穿了整個飛機的設計制造流程[1][2]，由此MBD（Model Based Definition）技術(shù)應運而生。MBD即基于模型的定義，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法體，它詳細規(guī)定了三維實體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法。也改變了傳統(tǒng)由三維實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計制造模式[3]。

MBD技術(shù)涉及產(chǎn)品研制周期中不同階段信息要素，如總體設計信息、結(jié)構(gòu)設計信息、工藝信息、制造和檢驗信息等。三維標注技術(shù)作為MBD的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，即是將飛機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)設計者的設計思路，產(chǎn)品的制造工藝，同時保證了數(shù)據(jù)的標準性、唯一性。

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

圖1 三維標注示例

三維標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，貫穿于整個飛機設計制造流程[6]。所以，構(gòu)建三維標注信息本體，以促進人工智能在三維標注上的應用，可以極大提高三維標注的效率，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)系到整個本體能否成功建立，能否實現(xiàn)預想的功能。關(guān)于本體構(gòu)建，目前一致認同的是：規(guī)范化的領(lǐng)域知識本體的構(gòu)建應該基于一定的專業(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，也都有不完善之處。本文在這些方法的基礎(chǔ)上，參考文獻[9]，結(jié)合所研究問題的特點，提出了飛機三維標注信息元素本體構(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，本文針對三維標注的具體特點，重點說明領(lǐng)域知識分析、概念和類的定義兩個部分的內(nèi)容。

2 領(lǐng)域知識分析

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

根據(jù)飛機設計制造過程中的標注流程，結(jié)合具體經(jīng)驗，提取出飛機三維標注過程中基本標注類別，這些標注單元按照幾何信息標注和非幾何信息標注分為兩大類，具體如下。

2.1 幾何信息標注

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

2.2 非幾何信息標注

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

幾何信息標注與非幾何信息標注語義元素兩部分包含的內(nèi)容可以涵蓋三維標注中涉及到的大部分元素，通過基本標注單元的提取，將整個飛機數(shù)字化設計三維標注過程進行歸納，得到一個具有代表性的簡化模型，以此來代替整個飛機標注操作。

3 本體的形成

數(shù)字化設計包括各種概念性、規(guī)則性、經(jīng)驗性和過程性的知識，其中的大部分將通過三維標注展現(xiàn)出來。所以，三維標注信息的數(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)，還包括設計依據(jù)、沒學術(shù)性、工程注釋、過程元素等多方面知識，是相當復雜的。為方便描述三維標注信息的數(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)描述三維標注信息本體的概念模型，主要包括業(yè)務元數(shù)據(jù)、聯(lián)系對象和數(shù)據(jù)模型。業(yè)務元數(shù)據(jù)是用來描述有標注對象的信息；數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)表達標注文件的屬性并指明文件在計算機網(wǎng)絡中的存儲位置，數(shù)據(jù)文件就是數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)中指針所指的物理數(shù)據(jù)。聯(lián)系對象可以將業(yè)務元數(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整體，將其組成為完整的標注文件。

下面首先對不同的業(yè)務元數(shù)據(jù)進行定義。

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

（2）數(shù)模信息業(yè)務元數(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，包括零部件標識號、名稱、更改號、以及處理狀態(tài)等業(yè)務元數(shù)據(jù)屬性。

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

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

（5）規(guī)范基準業(yè)務元數(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，如設計標準、設計準則、制造要求等業(yè)務元數(shù)據(jù)屬性。

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

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

（8）審簽信息業(yè)務元數(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)務元數(shù)據(jù)屬性。

與業(yè)務元數(shù)據(jù)對應的為數(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)除繼承其對應的業(yè)務元數(shù)據(jù)的屬性，同時記錄了這些數(shù)據(jù)文件的格式、使用的系統(tǒng)、在計算機中的儲存方式等屬性。

通過上文對元數(shù)據(jù)進行的分析，對大量的三維標注內(nèi)容進行總結(jié)，可定義其本體為一個三元組。

其中，C表示標注信息數(shù)據(jù)中概念實體元素的集合，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；E表示標注信息數(shù)據(jù)中概念實例元素的集合，描述的是產(chǎn)品數(shù)據(jù)本體中的實體的集合，E集合中的元素 E（i）與 C 中的元素 C（i）一一對應；R描述標注信息數(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”），表達概念實體之間的部分與整體之間關(guān)系；繼承關(guān)系（“kindof”），表達類中的父類與子類的關(guān)系；同類關(guān)系（“same-as”），表達概念之間為同一類別與層次；實例關(guān)系（“instance-of”），表達概念實體與概念實例間的關(guān)系；屬性關(guān)系（“attribute-of”），表達概念實體鍵的屬性關(guān)系等。

對標注信息本體的元數(shù)據(jù)進行定義后，需要明確其層次關(guān)系，才能完成本體構(gòu)建。參考文獻[10]，結(jié)合上文提到的標注信息元數(shù)據(jù)定義，得到了三維標注信息基于元數(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，標注信息數(shù)據(jù)元模型層主要包括其業(yè)務元數(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)務元數(shù)據(jù)、聯(lián)系元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)進行進一步地分解，從而得到元模型的實例。實例層描述的是由這些模型層所描述模型的實例組成的具體標注信息實例。

上文中定義了三維標注信息中的元數(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)系的確定是一個復雜的過程，在文獻[11]方法的基礎(chǔ)上，首先判斷新概念所屬的基本概念，然后從這個基本概念開始，逐層細化，不斷與此概念的子概念進行比較，最終確定新概念的層次關(guān)系。具體步驟如下：

表1 標注信息本體建模體系結(jié)構(gòu)

Step1 根據(jù)經(jīng)驗，確定一個包含概念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領(lǐng)域中所有的知識，強調(diào)知識的完備性，因此本體的建立是一個不斷重復、不斷迭代的過程。同時，建立好的本體還需要保證其可擴展性，能夠隨著知識的發(fā)展變化而不斷更新完善，以符合實際情況，滿足使用的需要。在建立和更新的過程中，當有新的概念要加入時，只要重復以上的步驟，就可以完成相應的工作。

4 應用實例

上面是經(jīng)過深入分析飛機數(shù)字化設計中三維標注知識，并且對原始數(shù)據(jù)進行再處理后得到的有關(guān)三維標注知識本體的一個數(shù)據(jù)模型。根據(jù)以上分析結(jié)果，參考某型號飛機的翼肋標注內(nèi)容，給出了其本體的數(shù)據(jù)模型，如圖3所示。標注信息本體將某型號翼肋的多方面標注信息聯(lián)系到一起，設計人員根據(jù)需求在對相似翼肋或?qū)υ撘砝吒倪M進行標注時，只需從這些子數(shù)據(jù)特性表中選擇相應的實例或作出簡要修改就可快速、準確地得到滿足設計及工藝需求的標注。同樣可采取這樣的方式描述組成飛機三維設計中的其他鈑金件、裝配件等。這樣就構(gòu)建成一個完整的三維標注數(shù)據(jù)模型。該數(shù)據(jù)模型可方便、準確、快速地為MBD中的三維快速標注提供所需的數(shù)據(jù)。

為使本體從自然語言的表示格式轉(zhuǎn)化成為機器可讀的邏輯表達格式，從而可以直接被計算機存儲、加工、利用，并且在不同的系統(tǒng)之間進行互操作，還需要使用本體描述語義對本體進行形式化描述。本文采用框架表示法對三維標注知識本體進行描述，其BNF（Backus Normal Form，巴科斯范式）描述形式如圖4。圖4中標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，包含了三維標注信息的層次結(jié)構(gòu)和標注內(nèi)容。

5 結(jié)論

本文提出的MBD中三維標注信息數(shù)據(jù)本體，能夠?qū)︼w機三維標注所涉及的元素進行一致性的存儲和描述，可快速為設計者提供有效、準確的標注信息數(shù)據(jù)。通過對飛機三維標注信息進行分析，建立了三維標注信息中的元數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，形成了標注信息的本體框架，建立了標注信息知識本體。最后，給出了某型號飛機翼肋的三維標注信息數(shù)據(jù)模型。本文通過建立三維標注知識本體，為MBD中的三維標注信息的快速標注和重用奠定了基礎(chǔ)。

圖4 基于框架表示的三維標注信息本體的BNF描述

[1]馮潼能，王錚陽，宋 婭.MBD技術(shù)在協(xié)同設計制造中的應用[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)設計方法研究[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)在飛機制造中的應用[J].航空維修與工程，2008，3：55-57.

[4]周秋忠，查浩宇.基于三維標注技術(shù)的數(shù)字化產(chǎn)品定義方法[J].機械設計，2011，（1）.

[5]劉俊堂.全三維飛機設計技術(shù)及其應用[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數(shù)字化柔性工裝設計中的應用 [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，2003，11（11）：42-45.

[10]顧巧祥，祁國寧，紀楊建，等.基于元數(shù)據(jù)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)本體建模技術(shù)[J].浙江大學學報：工學版，2007，41（5）：736-741.

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