張 輝，丁 博，孫立鐫

哈爾濱理工大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(luò)環(huán)境下數(shù)字化設(shè)計與制造的關(guān)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(shè)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(shè)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(shè)計進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[5]通過構(gòu)造領(lǐng)域本體，屏蔽異構(gòu)信息，初步實現(xiàn)了共享CAD造型；文獻(xiàn)[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(shè)計。文獻(xiàn)[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(biāo)CAD系統(tǒng)的語義互操作。給出了特征間的層次關(guān)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(shè)計人員對共享CAD模型進(jìn)行變型設(shè)計。

1 異構(gòu)CAD系統(tǒng)語義信息交換框架

協(xié)同設(shè)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(wù)的龐大和設(shè)計的復(fù)雜性，需要身處異地的，來自不同公司的領(lǐng)域?qū)＜覅f(xié)作完成。隸屬同一公司、同一部門的設(shè)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(shè)計人員可能會采用異構(gòu)CAD系統(tǒng)。因此在復(fù)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(jìn)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?fù)湫畔?，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(shè)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(jìn)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(yīng)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(guān)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(guān)系依次提取源CAD模型文件中的特征信息。特征間的依賴關(guān)系有效地表達(dá)了CAD模型中特征間的層次關(guān)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(yīng)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(chǔ)，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(guān)的類屬性，能夠從高層次對特征進(jìn)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(biāo)特征按依賴關(guān)系依次寫入目標(biāo)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(dāng)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(zhǔn)后，語義信息交換服務(wù)被激活。用戶提出服務(wù)請求，輸入所需的服務(wù)參數(shù)，包括模型名稱、源CAD系統(tǒng)名稱和類型、目標(biāo)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(wù)請求后，解析服務(wù)請求，為其提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)換服務(wù)。

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(shè)計歷史依次生成的過程。本文對特征進(jìn)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(guān)系對特征進(jìn)行排隊，依次轉(zhuǎn)換并傳輸。下面以特征類為例，詳細(xì)介紹特征類應(yīng)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(biāo)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(guān)系，包括幾何約束、定位約束和拓?fù)浼s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(rèn)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(biāo)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(wù)器是一個計算機(jī)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(wù)功能欄目和典型應(yīng)用軟件系統(tǒng)，并為用戶提供注冊和登錄服務(wù)，用戶通過認(rèn)證和注冊后，在此輸入用戶名和密碼就可以進(jìn)入網(wǎng)站系統(tǒng)，享受系統(tǒng)為其提供的各項服務(wù)，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(wù)連接口進(jìn)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(shè)計，利用VC++6.0和JSP等編程工具對Pro/E和UG進(jìn)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(fù)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(jìn)行實時響應(yīng)，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(shè)計。圖5和圖6為Pro/E和UG協(xié)同設(shè)計CAD機(jī)械造型的界面。

圖5 Pro/E協(xié)同設(shè)計CAD機(jī)械造型界面

圖6 UG協(xié)同設(shè)計CAD機(jī)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(shè)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(shè)計歷史對模型進(jìn)行變型設(shè)計。同時，由于傳輸?shù)哪Ｐ蜑閴嚎s模型，減少了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，確保協(xié)同設(shè)計能夠高效進(jìn)行。

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