面向重用的MBD模型本体知识库构建技术研究

顾 黎，李 澍，王 哲，郭逸婧，周 培

（北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

随着制造加工技术的不断进步和数字化建模技术的广泛应用，以航空航天为代表的大型装备制造业逐渐采用了基于模型定义MBD（Model Based Definition）的全三维数字化设计制造方法[1]。例如，波音公司在其737-NX项目应用MBD技术，使其研制周期缩短了50%，设计更改减少了一半，综合成本降低了25%，且产品更加满足用户需求[2]。我国的MBD全三维数字化设计在各大企业中广泛应用，不断提出和改进基于三维CAD软件的全三维数字化设计规范，尤其在航空航天领域内的应用水平较高，正在逐步打通整个数字化设计制造的数据链。在实际应用过程中，随着时间的积累，企业构建的MBD模型变得越来越多，这些数据信息是大量设计研发人员智慧和知识的结晶，其中包含了大量可重用知识信息，如何对这些知识资源进行有效利用，使新产品开发周期更短、成本更节约，全面提高产品构建质量和效率，成为一个亟待解决的问题[3]。

为了能够搜索到真正适合重用的三维CAD模型，国内外很多学者对面向模型重用的三维CAD模型检索算法进行了研究。Li等[4]首先利用CAD模型构造特征依赖有向无环图，实现了CAD模型全局和局部检索；Zehtaban和Roller[5]基于成组技术提出了一种智能的CAD模型检索方法，利用形状编码作为CAD模型的描述，根据用户输入的成组码进行检索；张汝珍和周雄辉[6]提出了一种集成产品信息模型的设计资源检索算法，通过模型的功能、属性信息实现快速检索。这些模型重用方法大多面向传统三维CAD模型，只考虑了CAD模型的几何信息，有些虽然考虑了模型的非几何信息，但只是将非几何信息作为预筛选条件，而MBD模型的几何信息和非几何信息是相互关联的，因而不能完全体现非几何信息的重用价值。同时，这些方法对传统CAD模型进行了结构化表示，但没有建立面向集成了几何和非几何全部信息的MBD模型，同时也未对这些结构化信息进行规范化、易利用的存储和组织。

近年来，本体技术在CAD领域内的应用非常广泛，可更有效地重用MBD模型资源，本文利用本体对MBD历史模型进行有效的知识存储与表达，主要分析了MBD数据集中几何信息与非几何信息的组织形式，构建MBD模型领域本体结构，对本体类间层次结构及属性（数据属性与对象属性）进行描述，实现MBD模型知识信息的本体表示，将MBD历史模型数据存储为MBD模型本体知识库，为MBD模型知识重用奠定基础。

图1 MBD模型几何数据集组成元素Fig.1 MBD geometry dataset component

图2 MBD模型尺寸公差信息Fig.2 MBD model dimensional tolerance

图3 MBD模型工程注释信息Fig.3 Part MBD dataset

1 本体技术

人们从不同的角度和方面对本体的概念进行了定义，Gruber[7]通过对本体深入的研究，指出“本体是概念模型的明确的规范说明”，这是目前最著名、被引用最广的定义，它主要包括4个方面的含义：概念化、明确化，形式化和共享。其可用五元组的形式来表示：DO=（C,R,P,I,H）。式中，DO为领域本体；C表示领域内所包含的概念集合；R表示概念之间的关系，包括整体与部分、继承以及实例关系等；P表示属性的集合，用来描述概念本身；I表示概念C的实例集合；H为概念间的层次结构关系，是对概念集的一个领域划分。

2 MBD模型信息组织形式

MBD数据集提供了完整的零件或产品信息，集成了以往分散在设计文档和工程图纸中所有的设计和制造信息，作为一个完整MBD数据集在进行发布时要包含MBD数据集的管理信息、产品制造和检验信息。

2.1 几何数据组织形式

MBD模型的几何数据，不仅包括描述自身实体模型信息，即模型本身的几何元素信息，还包括了关联设计信息（外部参考），如图1所示。

在机械工程领域中，许多学者将特征作为CAD模型基本的语义描述符，将其作为描述设计模型的最小单元，充分体现模型中所包含的设计知识，同时，在MBD模型中，模型特征通常和制造语义信息相互关联，故本文后续将通过基于特征的模型表示方法进行MBD模型几何元素信息描述[8-9]。

尺寸公差信息通常与MBD模型特征产生关联关系，通过标注几何或三维标注的形式来实现，图2为某MBD模型尺寸公差信息标注形式。

2.2 非几何数据组织形式

MBD数据集是高度集成的产品定义集合，不仅包括了上述提到的几何集数据信息，还包含制造要求和设计要求信息，同时，还应包含产品数据管理系统接口信息以方便数据管理的控制要求[10]。这些非几何信息，主要通过MBD数据集中的工程注释项来表达，工程注释同时在CAD系统以及产品数据管理的产品多值属性定义栏环境中定义，图3即为某MBD模型工程注释信息组织形式，一般分为Standard Notes（标准说明）、Part Notes（零件注释）、Annotation Notes（标注说明）和Material Description（材料描述）。

3 MBD模型本体构建

3.1 MBD模型本体骨架结构

MBD模型区别于传统的三维CAD模型，除了具有几何特征信息，还包含了三维标注信息与工程注释信息，在领域本体结构构建的过程中，需要完整表达上述信息[11]；同时，本体构建以MBD模型重用为目的，构建过程应根据可重用信息来构建本体中的类及属性信息。因此，在本体构建过程中，根据波音公司提出的MBD数据集规范性定义要求[12],进行本体类的骨架结构设计，抽象出MBD-Model（MBD模型）类为父类，构建了Geometry-Features（几何特征）类为子类，用来描述MBD模型的实体模型信息和尺寸与公差等信息。Engineering-Notes（工程注释）为另一个子类，描述工程注释信息。

3.2 基于草图的特征

在对MBD模型几何信息进行表达时，本文将特征作为信息描述符，因为其可以精确传递特征参数信息，保留设计人员设计意图和设计历史，反映MBD模型高层语义信息，具有较高的重用价值。本文的MBD模型数据均由CATIA系统创建，参考了其对于特征的定义和分类，构建了Geometry-Features类的子类结构及其属性。

基于草图的特征是模型所有特征中的重要组成部分，本文重点抽取了5类常见特征作为研究对象，包括Pad（凸台）、Pocket（凹槽）、Shaft（旋转体）、Stiffener（加强筋）和Hole（孔），进行本体类概念层次关系构建，如图4所示。

对于Pad和Pocket类特征，以Pad类为例进行具体说明。按照草图是否为规则图形，将Pad类分为Regular-Pad（规则草图）和Irregular-Pad（不规则草图）两个子类；对于Regular-Pad类，又细分为Rectangle-Sketch-Pad（矩形草图）、Circle-Sketch-Pad（圆形草图）和Hexagon-Sketch-Pad（正六边形草图）3类，定义了相关数据属性如图4所示。

对于Irregular-Pad类，特征几何信息无法通过统一属性来描述，为此，采用D2形状描述子对特征形状信息进行描述[13]（用n维向量{a1,a2,…,an}来记录形状描述曲线）,对于特征几何尺寸信息，采用最小包围盒OBB来描述，通过特征的形状和几何尺寸信息来表达特征的几何信息。

对于Shaft和Stiffener类，同样可以通过D2形状描述子和最小包围方盒来描述。

对于Hole类，将其分为Simple-Hole（简单孔）与Complex-Hole（复杂孔）。对于Simple-Hole类，具有has-Holedepth（孔深度）和has-Holediameter（孔直径）两个属性；对于Complex-Hole，以 Counterbored-Hole（沉头孔）为例，具有has-Boreddiameter(沉头直径)、has-Boreddepth(沉头深度 )、has-holediameter(孔直径 )、hasholedepth(孔深度)4个属性。

MBD模型中的上述特征类型，通常还标注有公差/表面粗糙度信息，为此还构建了has-Toleranceclass（公差等级）和has-Surface Roughness(表面粗糙度)两个公共数据属性来实现上述信息的描述。

3.3 修饰特征

修饰特征作为另一类重要特征类型，本文提取了Edge Fillet（倒圆角）、Chamfer（倒角）和Draft Angle（拔模特征）3种常见类型（对于Draft Angle类，通过D2形状描述子和最小包围方盒来描述），类及其自身描述属性如图5所示。

3.4 个体间关系定义

在完成几何特征自身信息描述的基础上，还需要对特征间的拓扑关系进行描述，才能完成MBD模型几何信息表达。本文通过特征依赖关系来表达特征间的拓扑结构，定义了has-Dependence（依赖于）对象属性（又称关系）表示两特征之间的依赖关系，如图7所示。

图7中长方形凸台特征F2是在已有的圆形凸台特征F1基础上以F1的上表面为草图平面建立而成，故称特征F2依赖于特征F1；这种特征间的依赖关系，可以通过我们定义的has-Dependence对象属性在本体结构中进行描述。

至此，完成了特征本体分类，特征类型属性和特征间关系定义，实现了MBD模型几何信息本体建模。后续在应用过程中，可通过二次开发，获取MBD模型的几何特征信息，将每一个特征实例化为本体结构中的一个个体，为个体进行属性赋值，建立个体间关系，实现该模型的本体表示。如图8、9为某MBD模型的几何信息通过几何特征本体结构来表达。

图4 基于草图的特征本体分类及数据属性Fig.4 Sketch-based feature ontology type and data property

图5 规则草图凸台特征数据属性Fig.5 Regular-sketch-pad ontology type and data property

3.5 非几何信息本体构建

对于MBD数据集中的非几何信息，即工程注释信息，按照前文提到的数据组织形式，分为两类进行考虑：非特征关联类和特征关联类。

非特征关联类工程注释信息指的是存在于产品结构树中，从属于整个零件或产品，而并非用于标注零件中的某个几何特征的非几何信息。

特征关联类指的是该注释条目用于标注零件或产品中某个或某几个特征的非几何信息，与具体特征关联。

因此，构建了Engineering-Notes（工程注释）为父类，Non-Feature-Notes（非特征关联类）下建立了Part-Notes（零件注释）、Standard-Notes（标准注释）、Material-Notes（材料说明）类，Feature-Notes（特征关联类）下建立了Annotation-Notes（标注说明）类。

以Part-Notes为例，1条零件注释包含编码、标注内容和URL这3部分信息，因此可在本体结构中将编码序号作为个体名称，并以“has-Content”和“has-Url”为数据属性，分别表示注释内容和注释URL信息，该注释项的本体结构如图10所示。

图6 修饰特征本体分类及数据属性Fig.6 Dress-up feature ontology type and data property

图7 特征依赖关系本体表达Fig.7 Feature-dependence relationship ontology representation

图8 某MBD模型几何信息Fig.8 MBD model geometry information

图9 模型几何特征本体Fig.9 Model geometry information ontology

4 示例

4.1 MBD模型本体结构

通过上述内容，实现了完整的MBD模型本体建模，结构化地表达了MBD数据集中的几何信息与非几何工程注释信息，最终本体结构如图11所示。

在实际实现过程中，对于一个历史MBD模型，提取出该模型几何特征与非几何工程注释信息，实例化为本体中的个体，并对个体进行属性赋值和关系构建。MBD模型本体结构化实例如图12所示。

4.2 MBD模型本体知识库构建与检索应用

对历史MBD模型的模型名称、特征信息、特征关系信息、工程注释信息等知识信息进行自动提取，通过Jena包的相关API，将MBD模型信息通过本体进行存储，构建本体知识库。

对于已完成的本体知识库，可以在Protégé软件的OntoGraf模块进行查看，实现对本体知识库结构预览和信息查询，可基于关键词对知识库本体结构信息和本体中存储的知识信息进行查看，如图13、14所示。

图10 工程注释项本体结构Fig.10 Engineering note ontology structure

图11 MBD模型完整本体结构Fig.11 MBD model full ontology structure

图12 MBD模型本体映射实例Fig.12 MBD model ontology mapping instance

5 结论

近年来MBD技术在航空领域广泛应用，产生了大量历史MBD模型数据，具有很高的重用价值。本文简要介绍了本体技术应用现状及其与CAD领域相结合的应用场景，并阐述了MBD模型中几何信息与非几何信息的具体组织形式。在此基础上，进行面向重用的MBD模型本体构建，实现MBD历史建模数据本体实例化，构建了MBD模型本体知识库。根据构建的知识库，可对历史MBD模型信息进行检索和查看，同时，由于知识库中记录了MBD模型中各种信息之间的关联关系，在后续研究中可进行知识推理，为今后MBD模型构建提供设计依据，实现设计重用。

图13 基于关键词的本体结构搜索Fig.13 Ontology structure search using key words

图14 基于关键词的本体知识信息搜索Fig.14 Ontology knowledge search using key words

参 考 文 献

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