MBD中三维标注信息的本体构建方法研究
2014-09-25余剑锋
刘 超，李 原，余剑锋，陈 姣
（西北工业大学 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西 西安 710072）
0 引言
目前，飞机制造技术正向全数字化的设计、制造、试验一体化的方向发展。其突出特点是数字化已不仅仅是设计和制造的局部应用，而是向具有跨地域的全数字化协同设计制造发展，数字化技术贯穿了整个飞机的设计制造流程[1][2]，由此MBD（Model Based Definition）技术应运而生。MBD即基于模型的定义，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体，它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。也改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息，而用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法及其设计制造模式[3]。
MBD技术涉及产品研制周期中不同阶段信息要素，如总体设计信息、结构设计信息、工艺信息、制造和检验信息等。三维标注技术作为MBD的数据基础，即是将飞机研制中面向不同阶段、不同对象所涉及的几何及非几何信息集成到三维模型之中，体现设计者的设计思路，产品的制造工艺，同时保证了数据的标准性、唯一性。
从本质来看，三维标注是一个产品数字化定义的过程，三维标注所涉及的信息保证了飞机设计及制造的正常运行，这使得无论是产品的几何设计信息，还是非几何制造工艺信息都可以在三维模型空间上表达，从而省去二维工程图，实现设计制造过程的三维化，使其更加直观、明确[4]。三维标注在CATIA中的示例如图1所示。
图1 三维标注示例
三维标注信息中除尺寸和公差外，还包括零件的属性信息、零件的材料信息、零件的注释说明、零件加工工艺过程所必须提供的产品描述性定义信息、装配连接定义等[5]。这些信息数量大，类型多，贯穿于整个飞机设计制造流程[6]。所以，构建三维标注信息本体，以促进人工智能在三维标注上的应用，可以极大提高三维标注的效率，是十分必要的。
1 本体构建流程
本体构建是本体形成的具体过程，其构建方法直接关系到整个本体能否成功建立，能否实现预想的功能。关于本体构建，目前一致认同的是：规范化的领域知识本体的构建应该基于一定的专业领域，在领域专家的参与和协作下，遵循某种构建知识本体的方法。当前有很多通用本体构建方法，如TOVE法[7]，METHONTOLOGY 法[8]等，这些方法各有特点，也都有不完善之处。本文在这些方法的基础上，参考文献[9]，结合所研究问题的特点，提出了飞机三维标注信息元素本体构建方法，如图2所示。
图2 本体构建流程
本体的构建步骤中，数据收集、本体评价和形式化描述都有较为通用的方法，可适用于各种不同的本体，因此，本文针对三维标注的具体特点，重点说明领域知识分析、概念和类的定义两个部分的内容。
2 领域知识分析
数字化设计中存在不同的设计阶段和层次，每个阶段主要涵盖不同的标注信息，这些主要是根据标注对象的不同而划分的，标注的对象是机加件、钣金件还是装配件，都会给标注带来各自的内容特点。但分析这些标注对象可以发现，标注内容都有其共同的格式和关联，即本文的基本标注类别。整个飞机的设计标注过程实质上是这些基本标注类别的集合。
根据飞机设计制造过程中的标注流程，结合具体经验，提取出飞机三维标注过程中基本标注类别，这些标注单元按照几何信息标注和非几何信息标注分为两大类，具体如下。
2.1 几何信息标注
①基准标注：表示有形位公差要求的理论精确点、轴线或平面的定位基准；②几何图形公差标注：表示有形状和位置要求的几何特征；③尺寸标注：表示有配合的尺寸或功能要求的尺寸；④粗糙度标注：表示有特殊要求的表面特征；⑤连接定义标注：表示装配件中零件之间的连接关系；⑥密封定义标注：表示零组件的密封区域和密封工艺。
2.2 非几何信息标注
①模型编号标注：零组件、装配件的编号；②模型名称标注：零组件、装配件的名称；③产权标注：模型的产权所有者；④材料描述标注：包括材料的牌号、材料状态、材料规范和毛料尺寸；⑤设计依据标注：包括协调单或其他协调类文件；⑥模型属性标注：包括模型重量、有效性、阶段标识、对称性、对称说明、单元件类别、版次、更改说明等；⑦工程注释标注：包含通用附注、旗注说明。
几何信息标注与非几何信息标注语义元素两部分包含的内容可以涵盖三维标注中涉及到的大部分元素，通过基本标注单元的提取，将整个飞机数字化设计三维标注过程进行归纳，得到一个具有代表性的简化模型，以此来代替整个飞机标注操作。
3 本体的形成
数字化设计包括各种概念性、规则性、经验性和过程性的知识，其中的大部分将通过三维标注展现出来。所以，三维标注信息的数据模型包含大量的知识内容，不仅包括产品的几何数据，还包括设计依据、没学术性、工程注释、过程元素等多方面知识，是相当复杂的。为方便描述三维标注信息的数据模型，本章采用基于元数据的方法建立其概念和层次关系。
元数据是帮助查找、存取、使用和管理信息资源的信息。在这个定义里，元数据既适合于电子资源，又适合于非电子资源；不仅包括编目信息，也包括其他存取和管理资源的信息[9]。
采用元数据技术描述三维标注信息本体的概念模型，主要包括业务元数据、联系对象和数据模型。业务元数据是用来描述有标注对象的信息；数据元数据表达标注文件的属性并指明文件在计算机网络中的存储位置，数据文件就是数据元数据中指针所指的物理数据。联系对象可以将业务元数据和数据元数据以及数据模型在逻辑上集成为一个整体，将其组成为完整的标注文件。
下面首先对不同的业务元数据进行定义。
（1）几何信息业务元数据（Geometric information Business meta-data，GIBD），描述三维模型所涉及的几何标注信息，包括基准标注、几何图形公差标注、尺寸标注、粗糙度标注、连接定义标注、密封定义标注等方面的标注业务元数据属性。
（2）数模信息业务元数据（Mathematical model information Business meta-data，MmIBD），描述三维模型相关的基本对象属性，包括零部件标识号、名称、更改号、以及处理状态等业务元数据属性。
（3）过程信息业务元数据（Process information Business meta-data，PIBD），标注过程中所涉及的过程元素，以及外部参考信息等业务元数据属性。
（4）数模属性业务元数据（Mathematical model property Business meta-data，MmPBD），表示数模对应的主要属性信息，包括模型重量、有效性、阶段标识、对称性、对称说明、单元件类别、版次、更改说明等业务元数据属性。
（5）规范基准业务元数据（Specification and Datum Business meta-data，SDBD），描述与产品零部件有关的各种各样的资料文件，如设计标准、设计准则、制造要求等业务元数据属性。
（6）材料信息业务元数据（Material information Business meta-data，MiBD），描述数模所对应实体的材料信息，包括材料的牌号、材料状态和毛料尺寸等业务元数据属性。
（7）工程注解业务元数据（Engineering comment Business meta-data，EcBD），描述数模中的工程注解标注信息，包括注解文本、旗注说明等业务元数据属性。
（8）审签信息业务元数据（Audit information Business meta-data，AiBD），描述数模中完整的审签流程信息以及发布信息等业务元数据属性。
与业务元数据对应的为数据元数据，分别为几何信息数据元数据（Geometric information Data metadata，GIDD），数模信息数据元数据（Mathematical model information Business meta-data，MmIDD），过程信息数据元数据（Process information Business metadata，PIDD），数模属性数据元数据（Mathematical model property Business meta-data，MmPDD），规范基准数据元数据（Specification and Datum Business meta-data，SDDD），材料信息数据元数据（Material information Business meta-data，MiDD），工程注解数据元数据（Engineering comment Business meta-data，EcDD），审签信息数据元数据（Audit information Business meta-data，AiDD）。不同类型的数据元数据除继承其对应的业务元数据的属性，同时记录了这些数据文件的格式、使用的系统、在计算机中的储存方式等属性。
通过上文对元数据进行的分析，对大量的三维标注内容进行总结，可定义其本体为一个三元组。
其中，C表示标注信息数据中概念实体元素的集合，描述的是产品数据本体中的概念或类，与上文所提到的元数据相对应；E表示标注信息数据中概念实例元素的集合，描述的是产品数据本体中的实体的集合，E集合中的元素 E（i）与 C 中的元素 C（i）一一对应；R描述标注信息数据中概念间的相互关系，概念之间关系主要有聚集关系（“part-of”），表达概念实体之间的部分与整体之间关系；继承关系（“kindof”），表达类中的父类与子类的关系；同类关系（“same-as”），表达概念之间为同一类别与层次；实例关系（“instance-of”），表达概念实体与概念实例间的关系；属性关系（“attribute-of”），表达概念实体键的属性关系等。
对标注信息本体的元数据进行定义后，需要明确其层次关系，才能完成本体构建。参考文献[10]，结合上文提到的标注信息元数据定义，得到了三维标注信息基于元数据的数据本体的体系结构，如表1所示。在该本体的体系结构中，标注信息数据元模型层主要包括其业务元数据、联系元数据以及数据元数据；模型层主要针对业务元数据、联系元数据和数据元数据进行进一步地分解，从而得到元模型的实例。实例层描述的是由这些模型层所描述模型的实例组成的具体标注信息实例。
上文中定义了三维标注信息中的元数据的概念，继续完成其层次关系的定义编完成了本体框架的搭建，并可以通过概念和关系的填入，使本体逐渐成形。由于在本体中，层次关系是最重要的关系，它确定了概念在本体中的位置，确定了概念的上下层关系，因此，它是关系分析中重要的组成部分。层次关系的确定是一个复杂的过程，在文献[11]方法的基础上，首先判断新概念所属的基本概念，然后从这个基本概念开始，逐层细化，不断与此概念的子概念进行比较，最终确定新概念的层次关系。具体步骤如下：
表1 标注信息本体建模体系结构
Step1 根据经验，确定一个包含概念C的基本概念C0。
Step2 选取C0的子概念C1i，比较C与C1i的层次关系。若C1i的概念层次高于C且C1i包含了C，则取C1i的子概念C2i，比较C与C2i的层次关系，以此类推。直到Cni，转Step3；若C与C1i有相同的层次关系，则转Step4。
Step3 若Cni存在子概念Cni+1，则转 Step5；否则转Step7。
Step4 取C1i的层次关系即为C的层次关系，更新本体。
Step6 取Cni为C的父概念，更改C的父概念为C，更新本体。
Step7 取Cni为C的父概念，更新本体。
本体模型往往需要囊括一个领域中所有的知识，强调知识的完备性，因此本体的建立是一个不断重复、不断迭代的过程。同时，建立好的本体还需要保证其可扩展性，能够随着知识的发展变化而不断更新完善，以符合实际情况，满足使用的需要。在建立和更新的过程中，当有新的概念要加入时，只要重复以上的步骤，就可以完成相应的工作。
4 应用实例
上面是经过深入分析飞机数字化设计中三维标注知识，并且对原始数据进行再处理后得到的有关三维标注知识本体的一个数据模型。根据以上分析结果，参考某型号飞机的翼肋标注内容，给出了其本体的数据模型，如图3所示。标注信息本体将某型号翼肋的多方面标注信息联系到一起，设计人员根据需求在对相似翼肋或对该翼肋改进进行标注时，只需从这些子数据特性表中选择相应的实例或作出简要修改就可快速、准确地得到满足设计及工艺需求的标注。同样可采取这样的方式描述组成飞机三维设计中的其他钣金件、装配件等。这样就构建成一个完整的三维标注数据模型。该数据模型可方便、准确、快速地为MBD中的三维快速标注提供所需的数据。
为使本体从自然语言的表示格式转化成为机器可读的逻辑表达格式，从而可以直接被计算机存储、加工、利用，并且在不同的系统之间进行互操作，还需要使用本体描述语义对本体进行形式化描述。本文采用框架表示法对三维标注知识本体进行描述，其BNF（Backus Normal Form，巴科斯范式）描述形式如图4。图4中标注知识由两部分组成，
5 结论
本文提出的MBD中三维标注信息数据本体，能够对飞机三维标注所涉及的元素进行一致性的存储和描述，可快速为设计者提供有效、准确的标注信息数据。通过对飞机三维标注信息进行分析，建立了三维标注信息中的元数据，在此基础上，形成了标注信息的本体框架，建立了标注信息知识本体。最后，给出了某型号飞机翼肋的三维标注信息数据模型。本文通过建立三维标注知识本体，为MBD中的三维标注信息的快速标注和重用奠定了基础。
图4 基于框架表示的三维标注信息本体的BNF描述
[1]冯潼能，王铮阳，宋 娅.MBD技术在协同设计制造中的应用[J].航空制造技术，2010，18:64-67.
[2]符 磊，余剑峰，张 杰.基于多级骨架模型的关联设计方法研究[J].锻压装备与制造技术，2013，48（4）：94-98.
[3]周秋忠，范玉青.MBD技术在飞机制造中的应用[J].航空维修与工程，2008，3：55-57.
[4]周秋忠，查浩宇.基于三维标注技术的数字化产品定义方法[J].机械设计，2011，（1）.
[5]刘俊堂.全三维飞机设计技术及其应用[J].航空制造技术，2010，20（18）：68-71.
[6]李晓枫，王仲奇，康永刚.基于DELMIA的装配过程仿真及其在飞机数字化柔性工装设计中的应用 [J].锻压装备与制造技术，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]赵庆峰，鞠英杰.国内元数据研究综述[J].现代情报，2003，11（11）：42-45.
[10]顾巧祥，祁国宁，纪杨建，等.基于元数据的产品数据本体建模技术[J].浙江大学学报：工学版，2007，41（5）：736-741.
[11]阎春平，范辉先，刘 飞.基于表达式的产品资源本体建模技术[J].计算机集成制造系统，2008，14（11）.
