异构CAD系统语义信息交换方法研究

张 辉，丁 博，孙立镌

哈尔滨理工大学 计算机科学与技术学院，哈尔滨 150080

异构CAD（Computer Aided Design）系统之间的数据交换是网络环境下数字化设计与制造的关键技术之一[1]，该技术可以有效地解决异构CAD系统之间模型共享和重用问题，是缩短产品开发周期，提高产品设计质量的有效途径[2]。

不同的CAD厂商对各自CAD系统的发展追求自己的特点，从而造成了CAD系统之间的异构性[3]。数据信息的异构性是产品设计的瓶颈问题，直接影响到了产品全生命周期的协同工作[4]。目前，国内外研究者对异构CAD系统间的协同设计进行了深入研究。文献[5]通过构造领域本体，屏蔽异构信息，初步实现了共享CAD造型；文献[6]构建了中性建模命令集和系统建模命令集，并通过二者之间的映射实现了异构CAD系统之间同步协同设计。文献[7]采用Agent技术封装各种协同软件资源，并构建了一个软件整合平台。以上研究成果都是针对特定的CAD系统平台，资源共享系统本身提供的资源很有限或不能完整地获取产品语义信息，本文提出了一种异构CAD系统语义信息交换方法，该方法通过构建语义转换器实现了源CAD系统和目标CAD系统的语义互操作。给出了特征间的层次关系及判定特征相似性的方法，保证了语义信息传递的完整性，便于设计人员对共享CAD模型进行变型设计。

1 异构CAD系统语义信息交换框架

协同设计系统的类型是多种多样的，根据各站点中采用的CAD系统相似与否，可以分为同构系统和异构系统。由于建模任务的庞大和设计的复杂性，需要身处异地的，来自不同公司的领域专家协作完成。隶属同一公司、同一部门的设计人员通常采用同构CAD系统，而来自不同公司、不同部门的设计人员可能会采用异构CAD系统。因此在复杂产品开发项目中，同构协同和异构协同模式通常会并存。

本文提出了一种异构CAD系统语义信息交换方法，语义信息交换框架如图1所示，本文采用常规文件、压缩文件和中性文件描述共享CAD模型。

图1 异构CAD系统语义信息交换框架图

常规文件（General File，GF）是针对不同的CAD系统专门开发出来的，用于描述和存储CAD模型数据信息的文件。本地用户所开发出来的CAD模型首先被保存成常规文件格式。

压缩文件（Compressed File，CF）是指将常规文件进行压缩，将其存储成高压缩比的文件格式。异构CAD系统之间通过传输压缩文件可以提高数据传输速度，实现实时的语义互操作。压缩文件中包含了CAD模型的几何和拓扑信息，便于在异地站点完成对CAD模型的重构。

中性文件（Neutral File，NF）为异构信息定义了统一的描述格式，屏蔽了数据信息的异构性，该文件中所有特征类型为各异构CAD系统共有。

在异构CAD系统语义信息交换框架中还设计了两个转换器，分别是常规文件到压缩文件的转换器（GF-CF转换器）和语义转换器。

GF-CF转换器将常规文件中CAD模型的语义信息进行压缩，使其转化成轻型的压缩文件。异构CAD系统之间通过数据交换接口输出和接收压缩文件，有效地提高了数据传输速度，实现了实时的语义互操作。同时，在压缩过程中，GF-CF转换器还应该保证在压缩过程中不丢失语义信息，根据压缩文件中的信息，可以在其他站点中重构CAD模型。

语义转换器是实现异构CAD系统语义互操作的关键，语义转换器主要由特征排队器、特征转换器和特征生成器组成。

特征排队器是根据特征间的依赖关系依次提取源CAD模型文件中的特征信息。特征间的依赖关系有效地表达了CAD模型中特征间的层次关系。如果特征F2依赖于特征F1，则说明F1是父特征，F2是子特征。在提取源CAD模型文件中的特征信息时，应该先提取父特征，再提取子特征。

特征转换器以特征类库为基础，实现了特征间的语义映射。特征类库明确地划分了特征类并给出了相关的类属性，能够从高层次对特征进行描述。特征类库以动态链接库的形式被语义转换器调用。

特征生成器将转换完成的目标特征按依赖关系依次写入目标CAD模型文件。

总的来说，该框架下异构CAD系统之间的数据交换包括两个过程：第一步常规文件转换成压缩文件；第二步压缩文件与中性文件之间互逆的数据交换。具体实现过程如图2所示。

图2 语义信息交换的实现过程图

当用户需要使用语义信息交换平台时，首先必须输入正确的用户名和密码，经核准后，语义信息交换服务被激活。用户提出服务请求，输入所需的服务参数，包括模型名称、源CAD系统名称和类型、目标CAD系统名称和类型、保存和上传路径等。数据交换平台接收到用户提出的服务请求后，解析服务请求，为其提供相应的转换服务。

2 语义转换器

2.1 特征的层次结构

特征是组成模型的基本单位，是构成零件基本的几何形状单元及附于其上的语义信息的集合。产品的功能和形状等属性都是通过特征表示出来的[8]。由于定义产品的基本要素是特征，因此，CAD模型的构造过程可以看作是一系列特征按照设计历史依次生成的过程。本文对特征进行了层次化的分类，构建了特征类库，实现了以特征为基本单位的语义转换。特征的层次化结构如图3所示。

本文提出的异构CAD系统语义信息交换平台以特征为基本的交换单位，但也可以根据用户的需求一次性地转输零件，只需要通过特征排队器根据特征间的优先关系对特征进行排队，依次转换并传输。下面以特征类为例，详细介绍特征类应该包含的属性信息。

图3 特征的层次化结构图

（1）id用以唯一标识此次转换的特征，其类型是FeatureID类。FeatureID类中包含源CAD系统的名称和该特征被创建的时间等信息。

（2）featureName表示此次转换的特征名称。

（3）constraintRelation表示特征间的约束关系，包括几何约束、定位约束和拓扑约束等。

（4）parList表示语义转换所需的参数化信息，其类型是ParList类。对于任何一个语义互操作其中的参数化信息不尽相同。

（5）verInformation表示每条语义转换的校验信息。采用源CAD系统产品模型的物理属性作为语义互操作对象的校验信息。

2.2 特征相似性

特征相似性就是两个特征在不同的环境中可以相互替换使用而不改变模型层次结构的程度。相似度是一个数值，一般取值范围在[0，1]之间。总的来说，将特征划分成树型结构，任意两个特征之间有且仅有一条路径，则可认为这两个特征相似，而且可以计算其相似度。如果两个特征相同，则它们之间的相似度为1；如果两个特征之间不存在连通的路径，则它们之间的相似度为0。

特征相似性分为概念相似性和约束相似性两部分，计算公式如下所示。

式中Sim( )t1,t2表示特征t1,t2之间的相似度，取值范围在[0，1]之间；k1,k2,wC,wR表示权重系数；F(a1,a2)表示相似度函数；Ψ表示从目标概念到源概念的映射；D(Ψ (a1),Ψ(a2))表示Ψ(a1),Ψ(a2)之间的距离。如果不同系统中的两个特征之间的相似度为1，那么就可以实现完整的语义互操作。

3 系统实现

本文基于异构CAD系统语义信息交换方法开发了一个协同资源共享平台，该平台的服务器是一个计算机集群，共有5台电脑组成，存储器的总容量为15 GB，10个CPU可同时工作，1 690 GB的硬盘空间。平台协同资源共享平台的主页面如图4所示，从图中可以看出，该平台为用户提供了服务功能栏目和典型应用软件系统，并为用户提供注册和登录服务，用户通过认证和注册后，在此输入用户名和密码就可以进入网站系统，享受系统为其提供的各项服务，同时还有各种最新信息的动态滚动发布。本平台通过基于虚拟桌面的用户视图对用户服务连接口进行无缝集成。

图4 协同资源共享平台主界面

该协同资源共享平台实现了Pro/E和UG系统间的同步协同设计，利用VC++6.0和JSP等编程工具对Pro/E和UG进行了二次开发。对于简单特征的传输，协同互操作没有延迟，对于复杂的组件传输，等待时间仍然在可接受的时间范围内。本文提出的协同资源共享平台实现了CAD模型的实时传输，协同效率提高了近30%。Pro/E系统所创建的CAD模型为源模型，语义信息交换对客户请求进行实时响应，将该模型转换成UG系统可识别的CAD模型文件格式，实现了异构CAD之间的协同设计。图5和图6为Pro/E和UG协同设计CAD机械造型的界面。

图5 Pro/E协同设计CAD机械造型界面

图6 UG协同设计CAD机械造型界面

4 结论

本文提出了一种异构CAD系统语义信息交换方法，并构建了一个协同资源共享平台。该语义信息交换方法实现了常规文件、压缩文件和中性文件三种模型文件的数据转换和翻译，克服了协同设计过程中无法完整的传输语义信息、CAD模型传输速度慢等问题，保证了转换后的CAD模型具有可编译性，用户可以根据设计历史对模型进行变型设计。同时，由于传输的模型为压缩模型，减少了网络的负荷，确保协同设计能够高效进行。

[1]李焕，景旭文.基于网格的产品异地协同设计平台[J].机械设计与制造，2009（6）：205-207.

[2]居文军.制造资源共享技术研究[J].计算机集成制造系统，2007，13（7）：1336-1343.

[3]Chen L，Peng W，Ye X Z.Heterogeneous CAD hybrid data exchange based on feature semantics and geometry representation[C]//Proceedings of the CSCWD，2006：1111-1116.

[4]Li M，Yang Y，Li J，et al.A preliminary study on synchronized collaborative design based on heterogeneousCAD systems[C]//The 8th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design，2004：255-260.

[5]蒋发群，李锦涛，苏晓丽，等.基于领域本体的制造资源共享研究[J].计算机集成制造系统，2008，14（1）：146-152.

[6]Shu X J，Fa Z H，Soon H H，et al.A method for topological entity corresponding in a replicated collaborative CAD system[J].Computers in Industry，2009，60（7）：467-475.

[7]Shen W M，Hao Q，Wang S Y，et al.An agent-based serviceoriented integration architecture for collaborative intelligent manufacturing[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2007，23（3）：315-325.

[8]Chu C H，Wu P H，Hsu Y C.Multi-agent collaborative 3D design with geometric model at different levels of detail[J].RoboticsandComputer-Integrated Manufacturing，2009，25（2）：334-347.