面向重用的MBD模型本體知識庫構(gòu)建技術(shù)研究

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)計制造方法[1]。例如，波音公司在其737-NX項目應(yīng)用MBD技術(shù)，使其研制周期縮短了50%，設(shè)計更改減少了一半，綜合成本降低了25%，且產(chǎn)品更加滿足用戶需求[2]。我國的MBD全三維數(shù)字化設(shè)計在各大企業(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，正在逐步打通整個數(shù)字化設(shè)計制造的數(shù)據(jù)鏈。在實(shí)際應(yīng)用過程中，隨著時間的積累，企業(yè)構(gòu)建的MBD模型變得越來越多，這些數(shù)據(jù)信息是大量設(shè)計研發(fā)人員智慧和知識的結(jié)晶，其中包含了大量可重用知識信息，如何對這些知識資源進(jìn)行有效利用，使新產(chǎn)品開發(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，成為一個亟待解決的問題[3]。

為了能夠搜索到真正適合重用的三維CAD模型，國內(nèi)外很多學(xué)者對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)造特征依賴有向無環(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)計資源檢索算法，通過模型的功能、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值。同時，這些方法對傳統(tǒng)CAD模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化表示，但沒有建立面向集成了幾何和非幾何全部信息的MBD模型，同時也未對這些結(jié)構(gòu)化信息進(jìn)行規(guī)范化、易利用的存儲和組織。

近年來，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MBD歷史模型進(jìn)行有效的知識存儲與表達(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)，對本體類間層次結(jié)構(gòu)及屬性（數(shù)據(jù)屬性與對象屬性）進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)MBD模型知識信息的本體表示，將MBD歷史模型數(shù)據(jù)存儲為MBD模型本體知識庫，為MBD模型知識重用奠定基礎(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本體的概念進(jìn)行了定義，Gruber[7]通過對本體深入的研究，指出“本體是概念模型的明確的規(guī)范說明”，這是目前最著名、被引用最廣的定義，它主要包括4個方面的含義：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，是對概念集的一個領(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)計文檔和工程圖紙中所有的設(shè)計和制造信息，作為一個完整MBD數(shù)據(jù)集在進(jìn)行發(fā)布時要包含MBD數(shù)據(jù)集的管理信息、產(chǎn)品制造和檢驗信息。

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模型基本的語義描述符，將其作為描述設(shè)計模型的最小單元，充分體現(xiàn)模型中所包含的設(shè)計知識，同時，在MBD模型中，模型特征通常和制造語義信息相互關(guān)聯(lián)，故本文后續(xù)將通過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，通過標(biāo)注幾何或三維標(biāo)注的形式來實(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)計要求信息，同時，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MBD數(shù)據(jù)集中的工程注釋項來表達(dá)，工程注釋同時在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)說明）、Part Notes（零件注釋）、Annotation Notes（標(biāo)注說明）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)建的過程中，需要完整表達(dá)上述信息[11]；同時，本體構(gòu)建以MBD模型重用為目的，構(gòu)建過程應(yīng)根據(jù)可重用信息來構(gòu)建本體中的類及屬性信息。因此，在本體構(gòu)建過程中，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)行本體類的骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計，抽象出MBD-Model（MBD模型）類為父類，構(gòu)建了Geometry-Features（幾何特征）類為子類，用來描述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）為另一個子類，描述工程注釋信息。

3.2 基于草圖的特征

在對MBD模型幾何信息進(jìn)行表達(dá)時，本文將特征作為信息描述符，因為其可以精確傳遞特征參數(shù)信息，保留設(shè)計人員設(shè)計意圖和設(shè)計歷史，反映MBD模型高層語義信息，具有較高的重用價值。本文的MBD模型數(shù)據(jù)均由CATIA系統(tǒng)創(chuàng)建，參考了其對于特征的定義和分類，構(gòu)建了Geometry-Features類的子類結(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類常見特征作為研究對象，包括Pad（凸臺）、Pocket（凹槽）、Shaft（旋轉(zhuǎn)體）、Stiffener（加強(qiáng)筋）和Hole（孔），進(jìn)行本體類概念層次關(guān)系構(gòu)建，如圖4所示。

對于Pad和Pocket類特征，以Pad類為例進(jìn)行具體說明。按照草圖是否為規(guī)則圖形，將Pad類分為Regular-Pad（規(guī)則草圖）和Irregular-Pad（不規(guī)則草圖）兩個子類；對于Regular-Pad類，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，定義了相關(guān)數(shù)據(jù)屬性如圖4所示。

對于Irregular-Pad類，特征幾何信息無法通過統(tǒng)一屬性來描述，為此，采用D2形狀描述子對特征形狀信息進(jìn)行描述[13]（用n維向量{a1,a2,…,an}來記錄形狀描述曲線）,對于特征幾何尺寸信息，采用最小包圍盒OBB來描述，通過特征的形狀和幾何尺寸信息來表達(dá)特征的幾何信息。

對于Shaft和Stiffener類，同樣可以通過D2形狀描述子和最小包圍方盒來描述。

對于Hole類，將其分為Simple-Hole（簡單孔）與Complex-Hole（復(fù)雜孔）。對于Simple-Hole類，具有has-Holedepth（孔深度）和has-Holediameter（孔直徑）兩個屬性；對于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個屬性。

MBD模型中的上述特征類型，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）和has-Surface Roughness(表面粗糙度)兩個公共數(shù)據(jù)屬性來實(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重要特征類型，本文提取了Edge Fillet（倒圓角）、Chamfer（倒角）和Draft Angle（拔模特征）3種常見類型（對于Draft Angle類，通過D2形狀描述子和最小包圍方盒來描述），類及其自身描述屬性如圖5所示。

3.4 個體間關(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)。本文通過特征依賴關(guān)系來表達(dá)特征間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定義了has-Dependence（依賴于）對象屬性（又稱關(guān)系）表示兩特征之間的依賴關(guān)系，如圖7所示。

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

至此，完成了特征本體分類，特征類型屬性和特征間關(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)用過程中，可通過二次開發(fā)，獲取MBD模型的幾何特征信息，將每一個特征實(shí)例化為本體結(jié)構(gòu)中的一個個體，為個體進(jìn)行屬性賦值，建立個體間關(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幾何特征本體結(jié)構(gòu)來表達(dá)。

圖4 基于草圖的特征本體分類及數(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，分為兩類進(jìn)行考慮：非特征關(guān)聯(lián)類和特征關(guān)聯(lián)類。

非特征關(guān)聯(lián)類工程注釋信息指的是存在于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中，從屬于整個零件或產(chǎn)品，而并非用于標(biāo)注零件中的某個幾何特征的非幾何信息。

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

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

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)中將編碼序號作為個體名稱，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，該注釋項的本體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

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

圖7 特征依賴關(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)過程中，對于一個歷史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)例化為本體中的個體，并對個體進(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模型本體知識庫構(gòu)建與檢索應(yīng)用

對歷史MBD模型的模型名稱、特征信息、特征關(guān)系信息、工程注釋信息等知識信息進(jìn)行自動提取，通過Jena包的相關(guān)API，將MBD模型信息通過本體進(jìn)行存儲，構(gòu)建本體知識庫。

對于已完成的本體知識庫，可以在Protégé軟件的OntoGraf模塊進(jìn)行查看，實(shí)現(xiàn)對本體知識庫結(jié)構(gòu)預(yù)覽和信息查詢，可基于關(guān)鍵詞對知識庫本體結(jié)構(gòu)信息和本體中存儲的知識信息進(jìn)行查看，如圖13、14所示。

圖10 工程注釋項本體結(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)，具有很高的重用價值。本文簡要介紹了本體技術(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模型本體知識庫。根據(jù)構(gòu)建的知識庫，可對歷史MBD模型信息進(jìn)行檢索和查看，同時，由于知識庫中記錄了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)行知識推理，為今后MBD模型構(gòu)建提供設(shè)計依據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計重用。

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)鍵詞的本體知識信息搜索Fig.14 Ontology knowledge search using key words

參 考 文 獻(xiàn)

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