基于語(yǔ)義關(guān)聯(lián)度的復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令啟發(fā)式設(shè)計(jì)

趙磊，李二偉

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng)　471009)

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基于語(yǔ)義關(guān)聯(lián)度的復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令啟發(fā)式設(shè)計(jì)

趙磊，李二偉

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng)471009)

摘要:為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令的啟發(fā)式設(shè)計(jì)，通過(guò)深入分析復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令語(yǔ)義本體，提出了復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令語(yǔ)義相似度及語(yǔ)義關(guān)聯(lián)度的概念，給出了復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令語(yǔ)義相似度及關(guān)聯(lián)度分析方法，并基于本體層次結(jié)構(gòu)中語(yǔ)義元素距離及概念屬性因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配指令語(yǔ)義元素的語(yǔ)義相似度量化分析及聚類，基于有向圖理論，實(shí)現(xiàn)裝配指令典型語(yǔ)義元素關(guān)聯(lián)度量化分析，最終完成了裝配指令的啟發(fā)式設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞:裝配指令;語(yǔ)義;相似度;關(guān)聯(lián)度

裝配指令(assembly order，AO)作為航空、航天等復(fù)雜產(chǎn)品裝配生產(chǎn)任務(wù)的直接指導(dǎo)性工藝文件，對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)行快速裝配、縮短復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本起到積極的推進(jìn)作用。

對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)有多方面的研究。Boeing公司［1］采用裝配工序(Job)、Step(包含一組Job)、工步的3層結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配指導(dǎo)。Niels Lohse等［2］把裝配工藝層次分解為裝配任務(wù)(AT)、裝配操作(AO)、裝配動(dòng)作(AA)。Satyandra K等［3］提出通過(guò)采用裝配微規(guī)劃器(microplanner)把高級(jí)別裝配計(jì)劃分解為低級(jí)別的、詳細(xì)的、最簡(jiǎn)單的裝配元素。Bernhard Jung等［4］把裝配任務(wù)分為3類操作，構(gòu)造一個(gè)對(duì)零件特征和關(guān)聯(lián)關(guān)系敏感的知識(shí)模型，還定義了一系列面向任務(wù)層3類操作的算法，把高層的任務(wù)表達(dá)轉(zhuǎn)換為低層的圖形表達(dá)。Valérian Chaudron等［5］根據(jù)裝配約束關(guān)系，把產(chǎn)品裝配操作分解為交互階段(插入、拔出等)和操作(運(yùn)動(dòng))階段。李原等［6］提出了基于操作模型的裝配仿真技術(shù)，將裝配操作、裝配工具等信息集成在一個(gè)統(tǒng)一的裝配操作模型中，將產(chǎn)品裝配環(huán)境和裝配過(guò)程有機(jī)地結(jié)合在一起。王輝等［7］采用語(yǔ)義表達(dá)方法進(jìn)行裝配規(guī)劃信息表示，描述了裝配的語(yǔ)義關(guān)系，包括組成關(guān)系、依賴關(guān)系、配合關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系等。董天陽(yáng)［8］采用語(yǔ)義進(jìn)行裝配工藝信息表示，生成一棵基于語(yǔ)義的裝配樹(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配規(guī)劃。劉振宇［9］基于語(yǔ)義進(jìn)行裝配關(guān)系的表達(dá)，介紹了虛擬裝配環(huán)境中裝配語(yǔ)義的自動(dòng)識(shí)別。

可見(jiàn)，基于產(chǎn)品特征的零組件相似度匹配及典型裝配指令的表達(dá)，為復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令的相似性檢索提供了支持。然而，針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令設(shè)計(jì)，缺乏基于語(yǔ)義本體的相似度分析，不利于裝配指令的結(jié)構(gòu)化描述及單個(gè)語(yǔ)義元素的形式化表達(dá)，同時(shí)缺乏對(duì)裝配指令語(yǔ)義元素潛在關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，成為指導(dǎo)裝配指令啟發(fā)式設(shè)計(jì)的瓶頸問(wèn)題。

本文提出的基于語(yǔ)義關(guān)聯(lián)度分析的復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令快速設(shè)計(jì)方法，在分析復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令相似度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令語(yǔ)義的形式化描述及啟發(fā)式設(shè)計(jì)。

1　裝配指令語(yǔ)義本體

1.1語(yǔ)義相關(guān)概念

定義1:語(yǔ)義。語(yǔ)義［10］可以定義為對(duì)象所對(duì)應(yīng)的客觀世界中的事物所代表的含義，以及這些含義之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是語(yǔ)義元素在某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的解釋。對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令，語(yǔ)義理解為用戶描述復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令設(shè)計(jì)信息的文字及符號(hào)表示，并包含概念件的關(guān)系及其屬性信息。

定義2:語(yǔ)義相似度。sim(ei，ej)為語(yǔ)義元素ei，ej的語(yǔ)義相似度，如果兩個(gè)語(yǔ)義完全相同，則相似度為1;如果兩個(gè)語(yǔ)義無(wú)任何共同特征，則相似度為0。本文研究的復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令語(yǔ)義概念相似度，是在飛機(jī)裝配指令語(yǔ)義本體領(lǐng)域中定義的。

定義3:語(yǔ)義關(guān)聯(lián)性。針對(duì)飛機(jī)裝配指令設(shè)計(jì)，在表示裝配對(duì)象、裝配資源、裝配操作的同時(shí)，也蘊(yùn)含了三者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系:施受行為關(guān)聯(lián)Lap、工程約束關(guān)聯(lián)Lrp、操作說(shuō)明或工程參數(shù)/技術(shù)要求關(guān)聯(lián)Lra、操作先后順序之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系Laa、裝配順序的先后關(guān)系Lpp。裝配指令語(yǔ)義關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

圖1　裝配指令語(yǔ)義關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

裝配指令語(yǔ)義關(guān)聯(lián)關(guān)系集合可表示為:

1.2裝配指令語(yǔ)義本體構(gòu)建

本文面向飛機(jī)裝配指令構(gòu)建裝配指令設(shè)計(jì)知識(shí)本體，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中: C為概念集合; A為概念的屬性集合，| AC|表述屬性數(shù)目; O為概念之間的非層次二元關(guān)系集合，OC×C，O(ci，cj)∈O表示概念ci，cj之間存在O關(guān)系; I為C中各概念的語(yǔ)義元素集合; H為概念層次關(guān)系的二元偏序關(guān)系集合，(ci，cj)∈H，表示ci為cj的子概念; D為推理規(guī)則集合，用于約束概念、關(guān)系、函數(shù)的一階邏輯謂詞集合。其本體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

2　語(yǔ)義相似度分析

2.1相似度計(jì)算

基于語(yǔ)義距離計(jì)算相似度［11－12］，綜合利用了本體層次關(guān)系中的多種影響因素來(lái)計(jì)算領(lǐng)域本體內(nèi)部語(yǔ)義元素的相似度。

1)重合度:重合度是本體內(nèi)部語(yǔ)義元素之間包含相同上位概念的個(gè)數(shù)。用Upper(i)表示語(yǔ)義元素i的父節(jié)點(diǎn)，Parent(i)表示語(yǔ)義元素i的父節(jié)點(diǎn)數(shù)，即從語(yǔ)義元素i上溯到根節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，Parent(i)∩Parent(j)表示語(yǔ)義元素i與語(yǔ)義元素j的公共的父節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。max(Parent(i)，Parent(j) )表示取語(yǔ)義元素i及語(yǔ)義元素j的父節(jié)點(diǎn)數(shù)中的較大值，其公式可表示為:

2)深度:深度即本體內(nèi)部概念所在的層次深度。Depth(i)表示語(yǔ)義元素i在本體樹(shù)中的深度，設(shè)根節(jié)點(diǎn)為M，令根節(jié)點(diǎn)M的深度為1，即Depth(M) = 1，則任一根節(jié)點(diǎn)i的語(yǔ)義深度計(jì)算公式為:

對(duì)于本體語(yǔ)義元素的最大深度T為Depth(T) :

3)距離:距離為在本體樹(shù)中連接相應(yīng)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通路中最短路徑所經(jīng)歷的邊數(shù)。用Distence(i，j)表示語(yǔ)義元素i與語(yǔ)義元素j樹(shù)中的最短路徑的邊數(shù)，公式可表示為:

4)密度:密度為概念的兄弟節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。用Width(i)表示語(yǔ)義元素i的兄弟節(jié)點(diǎn)(語(yǔ)義元素)數(shù)目，其計(jì)算公式可表示為:

圖2　飛機(jī)裝配工藝知識(shí)本體結(jié)構(gòu)模型

綜合以上分析，得出基于距離的語(yǔ)義相似度的整體計(jì)算公式為:

式中:α，β，γ為權(quán)重系數(shù)。

裝配指令語(yǔ)義本體結(jié)構(gòu)中不僅對(duì)該領(lǐng)域的概念及其關(guān)系進(jìn)行了準(zhǔn)確的定義，還對(duì)每個(gè)概念的屬性進(jìn)行了詳細(xì)的描述。用Attr(i)表示語(yǔ)義元素i的屬性值的個(gè)數(shù)，Attr(i)∩Attr(j)表示語(yǔ)義元素i和語(yǔ)義元素j所擁有的相同屬性的個(gè)數(shù)或語(yǔ)義元素i和語(yǔ)義元素j的某一個(gè)相同屬性的相同屬性值的個(gè)數(shù)，Attr(i)∪Attr(j)表示語(yǔ)義元素i和語(yǔ)義元素j擁有的所有屬性的個(gè)數(shù)或語(yǔ)義元素i和語(yǔ)義元素j的某一個(gè)相同屬性的所有屬性值的個(gè)數(shù)?；趯傩缘恼Z(yǔ)義相似度的計(jì)算模型如下:

綜合基于距離的語(yǔ)義相似度計(jì)算模型和基于屬性的語(yǔ)義相似度計(jì)算模型，可以得到綜合的基于領(lǐng)域本體的語(yǔ)義相似度計(jì)算公式:

式中:η和ρ為對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)因子，并且η+ρ= 1。

2.2語(yǔ)義聚類

通過(guò)裝配指令語(yǔ)義相似度矩陣分析，定義裝配指令語(yǔ)義截集閾值為常量σ－，對(duì)于任意裝配指令語(yǔ)義元素i，如果滿足，則裝配指令語(yǔ)義元素i實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配指令語(yǔ)義元素j的聚類。為了方便裝配指令語(yǔ)義元素形式化描述，可對(duì)裝配指令語(yǔ)義進(jìn)行梯度聚類。

3　語(yǔ)義關(guān)聯(lián)度分析

為了實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)學(xué)化描述，定義有向圖和鄰接矩陣如下:

1)有向圖D的頂點(diǎn)集的基數(shù)稱為D的階，記作p(D) ;

2) u，v是有向圖的頂點(diǎn);

3) a = (u，v)是有向圖的一條弧，并稱之為從u鄰接到v，而v是從u鄰接的;

4)有向圖D的頂點(diǎn)u的出度記作od(u)，入度記作id(u)。

定義有向圖D的鄰接矩陣G =［gij］，設(shè)u為一個(gè)操作語(yǔ)義元素，其排名為r(u)，Bu表示連接到操作語(yǔ)義元素u的定點(diǎn)元素集合，記Fu是u連接到頂點(diǎn)的集合，nv= | Fv|是v連接到頂點(diǎn)的總數(shù)，Y為規(guī)范化因子，計(jì)算r(u)的公式如下:

根據(jù)有向圖理論，有Bu= id(u)，nv= | Fv| = od(v)，如果用r = (ri)表示各個(gè)操作語(yǔ)義元素的名次，則式(12)可寫(xiě)成:

4　應(yīng)用驗(yàn)證

以型架、鉆模、真空試驗(yàn)臺(tái)、壁板運(yùn)輸車(chē)、鉸刀、锪窩鉆、擴(kuò)孔鉆、塞規(guī)、窩量規(guī)、棘輪扳手等10個(gè)裝配資源語(yǔ)義元素為例，計(jì)算其語(yǔ)義相似度矩陣Rs為:

以單個(gè)語(yǔ)義元素為例(鉆孔、鉸孔、擴(kuò)孔、锪窩、檢驗(yàn)、墩涂、鉸刀、涂料、锪窩鉆、擴(kuò)孔鉆、塞規(guī)、窩量規(guī))，計(jì)算其鄰接矩陣Ra為:

構(gòu)建典型關(guān)聯(lián)指令序列及其強(qiáng)關(guān)聯(lián)裝配資源，見(jiàn)表1。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令設(shè)計(jì)本體知識(shí)的語(yǔ)義相似度分析方法，結(jié)合知識(shí)本體的語(yǔ)義距離及概念關(guān)系，解析復(fù)雜產(chǎn)品裝配指令語(yǔ)義聚類及形式化描述過(guò)程;對(duì)典型工藝元素提出了基于鄰接圖的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)度分析方法。最后，以某型飛機(jī)的外翼組件裝配指令挖掘出的語(yǔ)義元素為例，進(jìn)行裝配指令語(yǔ)義相似度及語(yǔ)義關(guān)聯(lián)度分析，得到的結(jié)果驗(yàn)證了裝配指令啟發(fā)式設(shè)計(jì)方法的正確性。

表1　裝配指令典型關(guān)聯(lián)語(yǔ)義實(shí)例

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The heuristic design of assembly instructions for complex product based on the semantic correlation

ZHAO Lei，LI Erwei
(China Airborne Missile Academy，Henan Luoyang，471009，China)

Abstract:In order to realize heuristic design of assembly instructions for complex product，it analyzes the assembly instruction semantic ontology of complex product，proposes the ideas of semantic similarity and semantic correlation，describes the analysis method on similarity and correlation of assembly instruction semantic.Based on semantic elements distance and concept attribute factors at the ontology hierarchy，it realizes analysis and clustering of semantic similarity about assembly instruction semantic elements.Based on the directed graph theory，it realizes typical semantic elements correlation of assembly instructions evaluation.Finally it achieves the heuristic design of assembly instructions.

Key words:assembly instructions; semantic; similarity; correlation

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.009

作者簡(jiǎn)介:趙磊(1983—)，男，山東即墨人，中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院工程師，博士，專業(yè)方向?yàn)镸BD、數(shù)字化裝配及連接技術(shù)。

收稿日期:2015－05－06

中圖分類號(hào):TP319

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095－509X(2015) 06－0036－05