異構(gòu)CAD系統(tǒng)語義信息交換方法研究

張 輝，丁 博，孫立鐫

哈爾濱理工大學 計算機科學與技術(shù)學院，哈爾濱 150080

異構(gòu)CAD（Computer Aided Design）系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換是網(wǎng)絡環(huán)境下數(shù)字化設計與制造的關鍵技術(shù)之一[1]，該技術(shù)可以有效地解決異構(gòu)CAD系統(tǒng)之間模型共享和重用問題，是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品設計質(zhì)量的有效途徑[2]。

不同的CAD廠商對各自CAD系統(tǒng)的發(fā)展追求自己的特點，從而造成了CAD系統(tǒng)之間的異構(gòu)性[3]。數(shù)據(jù)信息的異構(gòu)性是產(chǎn)品設計的瓶頸問題，直接影響到了產(chǎn)品全生命周期的協(xié)同工作[4]。目前，國內(nèi)外研究者對異構(gòu)CAD系統(tǒng)間的協(xié)同設計進行了深入研究。文獻[5]通過構(gòu)造領域本體，屏蔽異構(gòu)信息，初步實現(xiàn)了共享CAD造型；文獻[6]構(gòu)建了中性建模命令集和系統(tǒng)建模命令集，并通過二者之間的映射實現(xiàn)了異構(gòu)CAD系統(tǒng)之間同步協(xié)同設計。文獻[7]采用Agent技術(shù)封裝各種協(xié)同軟件資源，并構(gòu)建了一個軟件整合平臺。以上研究成果都是針對特定的CAD系統(tǒng)平臺，資源共享系統(tǒng)本身提供的資源很有限或不能完整地獲取產(chǎn)品語義信息，本文提出了一種異構(gòu)CAD系統(tǒng)語義信息交換方法，該方法通過構(gòu)建語義轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了源CAD系統(tǒng)和目標CAD系統(tǒng)的語義互操作。給出了特征間的層次關系及判定特征相似性的方法，保證了語義信息傳遞的完整性，便于設計人員對共享CAD模型進行變型設計。

1 異構(gòu)CAD系統(tǒng)語義信息交換框架

協(xié)同設計系統(tǒng)的類型是多種多樣的，根據(jù)各站點中采用的CAD系統(tǒng)相似與否，可以分為同構(gòu)系統(tǒng)和異構(gòu)系統(tǒng)。由于建模任務的龐大和設計的復雜性，需要身處異地的，來自不同公司的領域?qū)＜覅f(xié)作完成。隸屬同一公司、同一部門的設計人員通常采用同構(gòu)CAD系統(tǒng)，而來自不同公司、不同部門的設計人員可能會采用異構(gòu)CAD系統(tǒng)。因此在復雜產(chǎn)品開發(fā)項目中，同構(gòu)協(xié)同和異構(gòu)協(xié)同模式通常會并存。

本文提出了一種異構(gòu)CAD系統(tǒng)語義信息交換方法，語義信息交換框架如圖1所示，本文采用常規(guī)文件、壓縮文件和中性文件描述共享CAD模型。

圖1 異構(gòu)CAD系統(tǒng)語義信息交換框架圖

常規(guī)文件（General File，GF）是針對不同的CAD系統(tǒng)專門開發(fā)出來的，用于描述和存儲CAD模型數(shù)據(jù)信息的文件。本地用戶所開發(fā)出來的CAD模型首先被保存成常規(guī)文件格式。

壓縮文件（Compressed File，CF）是指將常規(guī)文件進行壓縮，將其存儲成高壓縮比的文件格式。異構(gòu)CAD系統(tǒng)之間通過傳輸壓縮文件可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度，實現(xiàn)實時的語義互操作。壓縮文件中包含了CAD模型的幾何和拓撲信息，便于在異地站點完成對CAD模型的重構(gòu)。

中性文件（Neutral File，NF）為異構(gòu)信息定義了統(tǒng)一的描述格式，屏蔽了數(shù)據(jù)信息的異構(gòu)性，該文件中所有特征類型為各異構(gòu)CAD系統(tǒng)共有。

在異構(gòu)CAD系統(tǒng)語義信息交換框架中還設計了兩個轉(zhuǎn)換器，分別是常規(guī)文件到壓縮文件的轉(zhuǎn)換器（GF-CF轉(zhuǎn)換器）和語義轉(zhuǎn)換器。

GF-CF轉(zhuǎn)換器將常規(guī)文件中CAD模型的語義信息進行壓縮，使其轉(zhuǎn)化成輕型的壓縮文件。異構(gòu)CAD系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)交換接口輸出和接收壓縮文件，有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，實現(xiàn)了實時的語義互操作。同時，在壓縮過程中，GF-CF轉(zhuǎn)換器還應該保證在壓縮過程中不丟失語義信息，根據(jù)壓縮文件中的信息，可以在其他站點中重構(gòu)CAD模型。

語義轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)異構(gòu)CAD系統(tǒng)語義互操作的關鍵，語義轉(zhuǎn)換器主要由特征排隊器、特征轉(zhuǎn)換器和特征生成器組成。

特征排隊器是根據(jù)特征間的依賴關系依次提取源CAD模型文件中的特征信息。特征間的依賴關系有效地表達了CAD模型中特征間的層次關系。如果特征F2依賴于特征F1，則說明F1是父特征，F(xiàn)2是子特征。在提取源CAD模型文件中的特征信息時，應該先提取父特征，再提取子特征。

特征轉(zhuǎn)換器以特征類庫為基礎，實現(xiàn)了特征間的語義映射。特征類庫明確地劃分了特征類并給出了相關的類屬性，能夠從高層次對特征進行描述。特征類庫以動態(tài)鏈接庫的形式被語義轉(zhuǎn)換器調(diào)用。

特征生成器將轉(zhuǎn)換完成的目標特征按依賴關系依次寫入目標CAD模型文件。

總的來說，該框架下異構(gòu)CAD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換包括兩個過程：第一步常規(guī)文件轉(zhuǎn)換成壓縮文件；第二步壓縮文件與中性文件之間互逆的數(shù)據(jù)交換。具體實現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 語義信息交換的實現(xiàn)過程圖

當用戶需要使用語義信息交換平臺時，首先必須輸入正確的用戶名和密碼，經(jīng)核準后，語義信息交換服務被激活。用戶提出服務請求，輸入所需的服務參數(shù)，包括模型名稱、源CAD系統(tǒng)名稱和類型、目標CAD系統(tǒng)名稱和類型、保存和上傳路徑等。數(shù)據(jù)交換平臺接收到用戶提出的服務請求后，解析服務請求，為其提供相應的轉(zhuǎn)換服務。

2 語義轉(zhuǎn)換器

2.1 特征的層次結(jié)構(gòu)

特征是組成模型的基本單位，是構(gòu)成零件基本的幾何形狀單元及附于其上的語義信息的集合。產(chǎn)品的功能和形狀等屬性都是通過特征表示出來的[8]。由于定義產(chǎn)品的基本要素是特征，因此，CAD模型的構(gòu)造過程可以看作是一系列特征按照設計歷史依次生成的過程。本文對特征進行了層次化的分類，構(gòu)建了特征類庫，實現(xiàn)了以特征為基本單位的語義轉(zhuǎn)換。特征的層次化結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本文提出的異構(gòu)CAD系統(tǒng)語義信息交換平臺以特征為基本的交換單位，但也可以根據(jù)用戶的需求一次性地轉(zhuǎn)輸零件，只需要通過特征排隊器根據(jù)特征間的優(yōu)先關系對特征進行排隊，依次轉(zhuǎn)換并傳輸。下面以特征類為例，詳細介紹特征類應該包含的屬性信息。

圖3 特征的層次化結(jié)構(gòu)圖

（1）id用以唯一標識此次轉(zhuǎn)換的特征，其類型是FeatureID類。FeatureID類中包含源CAD系統(tǒng)的名稱和該特征被創(chuàng)建的時間等信息。

（2）featureName表示此次轉(zhuǎn)換的特征名稱。

（3）constraintRelation表示特征間的約束關系，包括幾何約束、定位約束和拓撲約束等。

（4）parList表示語義轉(zhuǎn)換所需的參數(shù)化信息，其類型是ParList類。對于任何一個語義互操作其中的參數(shù)化信息不盡相同。

（5）verInformation表示每條語義轉(zhuǎn)換的校驗信息。采用源CAD系統(tǒng)產(chǎn)品模型的物理屬性作為語義互操作對象的校驗信息。

2.2 特征相似性

特征相似性就是兩個特征在不同的環(huán)境中可以相互替換使用而不改變模型層次結(jié)構(gòu)的程度。相似度是一個數(shù)值，一般取值范圍在[0，1]之間?？偟膩碚f，將特征劃分成樹型結(jié)構(gòu)，任意兩個特征之間有且僅有一條路徑，則可認為這兩個特征相似，而且可以計算其相似度。如果兩個特征相同，則它們之間的相似度為1；如果兩個特征之間不存在連通的路徑，則它們之間的相似度為0。

特征相似性分為概念相似性和約束相似性兩部分，計算公式如下所示。

式中Sim( )t1,t2表示特征t1,t2之間的相似度，取值范圍在[0，1]之間；k1,k2,wC,wR表示權(quán)重系數(shù)；F(a1,a2)表示相似度函數(shù)；Ψ表示從目標概念到源概念的映射；D(Ψ (a1),Ψ(a2))表示Ψ(a1),Ψ(a2)之間的距離。如果不同系統(tǒng)中的兩個特征之間的相似度為1，那么就可以實現(xiàn)完整的語義互操作。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文基于異構(gòu)CAD系統(tǒng)語義信息交換方法開發(fā)了一個協(xié)同資源共享平臺，該平臺的服務器是一個計算機集群，共有5臺電腦組成，存儲器的總?cè)萘繛?5 GB，10個CPU可同時工作，1 690 GB的硬盤空間。平臺協(xié)同資源共享平臺的主頁面如圖4所示，從圖中可以看出，該平臺為用戶提供了服務功能欄目和典型應用軟件系統(tǒng)，并為用戶提供注冊和登錄服務，用戶通過認證和注冊后，在此輸入用戶名和密碼就可以進入網(wǎng)站系統(tǒng)，享受系統(tǒng)為其提供的各項服務，同時還有各種最新信息的動態(tài)滾動發(fā)布。本平臺通過基于虛擬桌面的用戶視圖對用戶服務連接口進行無縫集成。

圖4 協(xié)同資源共享平臺主界面

該協(xié)同資源共享平臺實現(xiàn)了Pro/E和UG系統(tǒng)間的同步協(xié)同設計，利用VC++6.0和JSP等編程工具對Pro/E和UG進行了二次開發(fā)。對于簡單特征的傳輸，協(xié)同互操作沒有延遲，對于復雜的組件傳輸，等待時間仍然在可接受的時間范圍內(nèi)。本文提出的協(xié)同資源共享平臺實現(xiàn)了CAD模型的實時傳輸，協(xié)同效率提高了近30%。Pro/E系統(tǒng)所創(chuàng)建的CAD模型為源模型，語義信息交換對客戶請求進行實時響應，將該模型轉(zhuǎn)換成UG系統(tǒng)可識別的CAD模型文件格式，實現(xiàn)了異構(gòu)CAD之間的協(xié)同設計。圖5和圖6為Pro/E和UG協(xié)同設計CAD機械造型的界面。

圖5 Pro/E協(xié)同設計CAD機械造型界面

圖6 UG協(xié)同設計CAD機械造型界面

4 結(jié)論

本文提出了一種異構(gòu)CAD系統(tǒng)語義信息交換方法，并構(gòu)建了一個協(xié)同資源共享平臺。該語義信息交換方法實現(xiàn)了常規(guī)文件、壓縮文件和中性文件三種模型文件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和翻譯，克服了協(xié)同設計過程中無法完整的傳輸語義信息、CAD模型傳輸速度慢等問題，保證了轉(zhuǎn)換后的CAD模型具有可編譯性，用戶可以根據(jù)設計歷史對模型進行變型設計。同時，由于傳輸?shù)哪Ｐ蜑閴嚎s模型，減少了網(wǎng)絡的負荷，確保協(xié)同設計能夠高效進行。

[1]李煥，景旭文.基于網(wǎng)格的產(chǎn)品異地協(xié)同設計平臺[J].機械設計與制造，2009（6）：205-207.

[2]居文軍.制造資源共享技術(shù)研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)，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]蔣發(fā)群，李錦濤，蘇曉麗，等.基于領域本體的制造資源共享研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2008，14（1）：146-152.

[6]Shu X J，F(xiàn)a 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.