基于XML的工程數(shù)據(jù)表達方法研究＊

羅年猛，黃如金，朱 林

（華中科技大學(xué)國家CAD支撐軟件工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢430074）

1 引言

隨著企業(yè)信息化應(yīng)用的不斷深入，人們需要在文字工程數(shù)據(jù)中增加圖形符號。這些工程數(shù)據(jù)有以下特點：（1）文字和圖形混排形成一個整體，不能分開存儲，如圖1中工序內(nèi)容里的粗糙度符號；（2）工程數(shù)據(jù)可能含有多個屬性值，如圖1中工序內(nèi)容含有藍色和紅色的文字。（3）多段文字組合表達工程語義，如圖1中工序內(nèi)容里的尺寸公差。

Figure 1 Content of process圖1 工序內(nèi)容

目前，在圖形和文字混合的工程數(shù)據(jù)中，圖形主要通過圖片或轉(zhuǎn)義字符轉(zhuǎn)換成文本數(shù)據(jù)兩種方式來存儲與表達。圖片的存儲表達方式，不便于修改圖形及相關(guān)屬性。通過轉(zhuǎn)義字符轉(zhuǎn)換成文本數(shù)據(jù)的存儲表達形式，也存在以下不足：（1）當(dāng)圖形類型增多時，轉(zhuǎn)義字符增多，不便于表達管理；（2）復(fù)雜的自定義圖形很難用轉(zhuǎn)義符來表達；（3）因轉(zhuǎn)義被隱藏的圖形很難修改其屬性；（4）圖形通過轉(zhuǎn)義字符表達，缺少必要的工程語義信息，不利于工程數(shù)據(jù)的快速提取。例如，AutoCAD中尺寸公差用“＾”、“/”等轉(zhuǎn)義符將上下偏差堆疊在一起；而形位公差卻采用“%%v”等轉(zhuǎn)義符分開形位符號和基準(zhǔn)等［1］。

因此，為解決以上問題，本文針對含有圖形和文字的工程數(shù)據(jù)特點，提出了一種基于XML的工程語義表達模型，并給出了表達模型的實現(xiàn)框架。它既不僅能表達各種自定義的圖形，還能與其他文本信息統(tǒng)一集成，給工程數(shù)據(jù)的顯示以及工程語義的提取帶來了方便，為基于工程語義搜索［2］創(chuàng)造了條件。

2 工程數(shù)據(jù)分類

我們先來分析圖1中的工程數(shù)據(jù)，它包含圖形工程數(shù)據(jù)，而且也包含文本信息。首先將其根據(jù)工程語義進行拆分，然后根據(jù)文字和圖形各自的屬性進行拆分，拆分后如圖2所示。

Figure 2 Analysis of engineering data圖2 工程數(shù)據(jù)分析

工程數(shù)據(jù)根據(jù)其表達最終可由文字、直線、圓和曲線等基本元素構(gòu)成。這些基本元素好比語言學(xué)的漢字或者單詞，若干文字、直線、圓和曲線等基本元素組合在一起，在一定的工程背景下能共同表達有意義的語義。為實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)（特別是圖形和文字混合的工程數(shù)據(jù)）能基于獨立的工程語義表達模型存儲，為下一步研究基于工程語義的檢索技術(shù)［3］，實現(xiàn)知識推理打下基礎(chǔ)，在此，引入語義元、工程語義和最小工程語義等概念來表達工程數(shù)據(jù)。相關(guān)概念的定義和介紹如下。

定義1 語義元SE（Semantic Entity）指用于表達工程數(shù)據(jù)的最基本的元素，如文字、直線、圓、弧、B樣條曲線和坐標(biāo)等。

語義元可分為文字和圖形等。每類語義元都有屬于自己的屬性。比如，文字語義元有字體名稱、字體大小、粗體、斜體、字符集和文字顏色等屬性，圖形類語義元，如直線，有線型名稱、線型寬度和線型顏色等屬性。每類語義元的屬性部分是該類特有的，部分屬性是相同的，比如語義元的顏色。

語義元只有在一定的工程背景下才能表達有意義的語義。如圖2中的“13.5”、“0”和“－0.1”按照一定格式組合在一起才能表達尺寸公差，否則只是基本文字元素。

定義2 工程語義ES（Engineering Semantics）指在一定工程背景下，若干語義元所表達的有意義的語義。

工程語義還可拆分成若干更小的工程語義和其它若干語義元組成，而更小的工程語義具有表達相互獨立、語義間具有上下文聯(lián)系的特點。好比文章的句子可以由很多詞組和剩下的字組成。

如圖2中“工序內(nèi)容”這一工程語義由“尺寸公差”、“粗糙度”和若干文字語義元共同表達。

定義3 最小工程語義MES（Minimum Engineering Semantics）指那些表達格式標(biāo)準(zhǔn)固定，不能拆分成更小的工程語義，只能拆分成語義元的工程語義，好比語言學(xué)的詞組或者短語。

如圖2中的尺寸公差、粗糙度等都是最小工程語義，因再對其拆分，只能得到文字語義元或直線語義元。

所以根據(jù)工程數(shù)據(jù)的表達，工程數(shù)據(jù)由若干表達相互獨立且具有上下文聯(lián)系的有意義的工程語義組成，如圖3所示。

3 基于XML的工程語義建模

3.1 工程語義建模

為了滿足企業(yè)信息化的應(yīng)用需求，以便表達和提取文字和圖形混合的工程數(shù)據(jù)，工程數(shù)據(jù)應(yīng)包含管理屬性數(shù)據(jù)、文字屬性數(shù)據(jù)、圖形屬性數(shù)據(jù)、拓展屬性數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)內(nèi)容等。為了方便分析，我們首先對最小工程語義（MES）進行建模［4，5］。

最小工程語義的模型定義為：MES＝〈MDS，PDS，CDS〉，其中，

（1）MDS（Management Data Set）是 MES的管理屬性的數(shù)據(jù)集合，包含工程語義的名稱、唯一標(biāo)識符、上級工程語義的名稱、上級工程語義的唯一標(biāo)識符、文件的全路徑和版本號等管理屬性。

（2）PDS（Property Data Set）是確定 MES外觀的數(shù)據(jù)集合，PDS＝〈SDS，TDS，GDS，EDS〉。

Figure 3 Classification of engineering data圖3 工程數(shù)據(jù)分類

①SDS（Space Data Set）是確定 MES的空間位置的屬性數(shù)據(jù)集合，包含空間區(qū)域中左下角坐標(biāo)、空間區(qū)域的右上角坐標(biāo)、空間分布的對齊方式、首行縮進、左縮進、右縮進和對正方式、欄寬度、行間距和段落間距等屬性數(shù)據(jù)。坐標(biāo)可以是絕對坐標(biāo)系或者相對坐標(biāo)系的值。若為絕對坐標(biāo)系的值，則空間位置不變，若為相對坐標(biāo)系的值，空間位置由工程語義確定。

②TDS（Text Data Set）是確定MES的文字外觀的屬性集合，包含字體名稱、字體高度、字體顏色、粗體、斜體、上劃線、下劃線、字符集、追蹤、寬度因子等跟文字有關(guān)的屬性。

③GDS（Graphic Data Set）是確定 MES的圖形外觀的屬性集合，含有線型、線寬、顏色和圖層等跟圖形有關(guān)的屬性。

④EDS（Expand Data Set）是 MES的拓展屬性數(shù)據(jù)集合，含有環(huán)境、光亮度、加亮、反射和透明度等跟渲染有關(guān)的屬性和工程材料、質(zhì)量、質(zhì)量單位、慣性、慣性單位、體積、體積單位、表面積和表面積單位等跟力學(xué)分析有關(guān)的屬性等等。

（3）CDS（Content Data Set）是確定 MES內(nèi)容的語義元數(shù)據(jù)集合，含有文字、直線、圓、弧和B樣條曲線等語義元。語義元都是參數(shù)化表達，由語義元名稱、定義外觀的PDS和定義形狀的基本參數(shù)序列表達。

①語義元的PDS與工程語義的PDS具有繼承性。比如語義有一顏色屬性為“紅色”，那么語義元的默認顏色為“紅色”，若語義元想顯示為“綠色”，只需將語義元的PDS顏色屬性定為“綠色”。這樣可保證個別語義元PDS屬性的差異性。

②基本參數(shù)序列間采用“；”隔開。比如文字只需“左下角坐標(biāo)”和“文字內(nèi)容”兩個參數(shù)，則可只定義其位置和形狀，兩個參數(shù)用分號隔開為“左下角坐標(biāo)；文字內(nèi)容”。

由于MES是表現(xiàn)格式，是標(biāo)準(zhǔn)的，所以為了能夠進一步簡化數(shù)據(jù)量，MES內(nèi)容的確定也可由一系列的參數(shù)確定。比如表面粗糙度，可以由粗糙度類型及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)等參數(shù)序列確定。

在定義了MES表達模型之后，我們很容易得到工程數(shù)據(jù)中工程語義表達模型。

工程語義模型定義：ES＝〈MESDS〉，其中，

（1）ES（Engineering Semantics）是工程語義；

（2）MESDS（Minimum Engineering Semantics Data Set）是最小工程語義組合而成的具有工程語義的數(shù)據(jù)集合，MESDS＝ ｛MES1，MES2，…，MESn｝；

因此，工程數(shù)據(jù)的分類可如圖3所示。

3.2 模型實現(xiàn)語言

XML作為數(shù)據(jù)描述工具，不僅能夠完整清晰地表達產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和信息內(nèi)容，還具有開放性、擴展性、自描述性和異構(gòu)性等特點，能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的工程數(shù)據(jù)的集成和共享。所以，工程語義的表達模型通過XML語言來表達實現(xiàn)，建立模型到XML的映射關(guān)系［6，7］。

為了更好地利用瀏覽器、產(chǎn)品生命周期管理PLM（Product Lifecycle Management）軟件等對XML工程數(shù)據(jù)提供支持，需要建立XML的文檔結(jié)構(gòu)規(guī)范。XML Schema采用XML語法，比DTD（Document Type Definition）具有更強的描述能力、擴展能力和處理維護能力。所以，采用XML Schema語言分別對數(shù)據(jù)類型、工程語義的屬性、語義元和工程語義內(nèi)容數(shù)據(jù)集合等建立XML Schema庫。

數(shù)據(jù)類型、工程語義的屬性和語義元采用XML Schema的simple Type和complex Type元素進行定義，這樣可用Type屬性重復(fù)引用這些類型［8］。下面以工程語義內(nèi)容數(shù)據(jù)集合的XML Schema規(guī)范為例說明，如圖4所示。

Figure 4 XML schema specification of engineering semantics圖4 工程語義XML Schema規(guī)范

4 模型實現(xiàn)框架

工程語義表達模型的實現(xiàn)框架包括文字數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)的輸入/修改/查詢界面、工程數(shù)據(jù)顯示界面、編譯器（XML接口組件和XML Schema規(guī)范）和數(shù)據(jù)庫四部分，如圖5所示。

Figure 5 Model framework圖5 模型實現(xiàn)框架

輸入/修改/查詢界面方便用戶按照模型的格式輸入、修改和查詢相關(guān)的工程數(shù)據(jù)，同時能根據(jù)事件響應(yīng)XML接口組件；顯示界面接收XML接口組件傳送過來的數(shù)據(jù)，直觀顯示工程數(shù)據(jù)；編譯器主要由XML接口組件和XML Schema庫組成，XML接口組件包括工程數(shù)據(jù)接收、判斷、修改、排版計算、查詢、存儲和輸出等接口，XML Schema庫為工程數(shù)據(jù)格式的判斷標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)庫存儲的工程數(shù)據(jù)是基于表達模型建立的，有利于PLM的集成和共享。中，并取得了很好的效果。下面以天喻CAPP工藝卡片的應(yīng)用為例進行說明。要在CAPP工藝卡片中顯示如圖1所示的工程數(shù)據(jù)，需要打開如圖6所示的二維表文字輸入界面，此界面是一個所見即所得的界面，可以直接輸入文字和特殊圖形，可以直接修改輸入的文字的屬性，如字型、大小和顏色等。而想輸入特殊圖形需要打開相應(yīng)的圖形輸入界面，如圖7的尺寸公差輸入界面和圖8的粗糙度輸入界面。保存文字和圖形混合的工程數(shù)據(jù)時，還需要經(jīng)過編譯器按照表達模型規(guī)則編譯后，才能夠保存到數(shù)據(jù)庫中。圖9為工程數(shù)據(jù)內(nèi)容經(jīng)編譯器解析后的XML數(shù)據(jù)，它將被存儲到數(shù)據(jù)庫中，以便PLM集成管理。

Figure 6 Text input interface of two－dimensional table圖6 二維表文字輸入界面

5 應(yīng)用實例

該表達模型已應(yīng)用到天喻CAD和天喻CAPP

Figure 7 Input interface of dimensional tolerances圖7 尺寸公差輸入界面

Figure 8 Input interface of roughness symbol圖8 粗糙度符號輸入界面

Figure 9 XML data圖9 XML數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

本文在分析含有圖形和文字的工程數(shù)據(jù)的特點后，提出了一種基于XML的工程語義表達模型，并給出了表達模型的實現(xiàn)框架，它不僅能表達各種自定義的圖形工程數(shù)據(jù)，而且還能與其他文本信息統(tǒng)一集成表達。該表達模型應(yīng)用在CAD和CAPP等軟件中，取得了很好的效果，為進一步研究解析后的XML工程數(shù)據(jù)的查詢檢索方法，實現(xiàn)知識推理做好了鋪墊。

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