基于本体的GPS信息语义互操作方法研究

There is a critical requirement for improving the interoperability of the information of geometrical product specifications and verification (GPS) in heterogeneous computer aided (CAX) systems with the increasing demand of collaborative development of complex products. The standard for the exchange of product model data (STEP) is widely used to implement the interoperability among these systems in practice. The modeling language used for STEP is EXPRESS. Although EXPRESS can develop syntactically correct representation model of GPS information, it cannot interpret the explicit semantics of GPS information in different phases of product life cycle. Hence, STEP can only implement the syntactic interoperability of GPS information among heterogeneous CAX systems and cannot implement the semantic interoperability of the information. Aiming at this problem, an ontology-based semantic interoperability method of GPS information will be studied. The study contents will include: transforming the categorical data model of GPS information into the semantic meta-model automatically by designing some specific rules to construct a GPS domain ontology, designing an algorithm to finish the semantic mapping between the GPS domain ontology and each CAX system, designing an approach to resolve the semantic conflicts in the process of the semantic mapping, establishing a semantic interoperability model for GPS information, and developing a semantic interoperability platform. This project will make a significant change of improving the interoperability of GPS information among heterogeneous CAX systems from syntactic level to semantic level and provide a more intelligentized platform for the application of GPS standard system.

随着复杂产品协同开发需求的增长，异构CAX系统对各自存储的GPS信息的互操作性提出了更高要求。目前，工程上主要采用STEP标准来实现GPS信息在这些系统之间的互操作，其所采用的建模语言EXPRESS虽可构建语法一致的表达模型，但却无法表达GPS信息在产品全生命周期各阶段的显示语义，故其只能实现GPS信息在异构CAX系统之间的语法互操作，无法实现其语义互操作。为此，提出开展基于本体的GPS信息语义互操作方法研究，研究内容包括：构建特定规则实现GPS信息的范畴模型到语义元模型的自动转换，进而构建GPS领域本体；研究并建立GPS领域本体与各异构CAX系统之间的语义映射算法；研究并建立映射过程中语义冲突的消解方法；构建GPS信息语义互操作模型，开发语义互操作平台。本项目将实现GPS信息在异构CAX系统之间的互操作由语法层面提升到语义层面的重要转变，从而为GPS标准体系在先进装备制造领域的应用提供更加智能化的平台。

在现今的产品开发中，零件的GPS规范设计工作基本上都是由设计人员根据产品的功能要求与装配要求和一定的标准手工地进行，对同一零件的同一几何要素，不同的设计人员有可能设计出不同的公差规范方案，这可能会增加产品开发中的不确定性，最终会对所开发产品的性能造成一定的影响。此外，现今工程上主要采用EXPRESS语言来表示公差信息，虽然采用该语言可建立语法一致的公差信息表示模型，但无法显式地表示公差信息的语义，故仅仅依靠EXPRESS语言无法满足公差信息语义表示和交换的需求。为了满足这一需求，减少产品开发中的不确定性，本项目将人工智能领域的本体理论与技术引入到对GPS信息语义交互的研究中，提出了一种基于本体的公差规范智能设计方法，主要工作包括：（1）建立了一个层次式的公差规范信息表示模型。在空间关系模型的基础上，从公差规范信息语义表示的需求出发，建立了一个由零件层、要素层、变动几何约束层、公差规范方案层及公差带层五个层次组成的公差规范信息表示模型，以邻接矩阵为描述工具，给出了表示模型各个层次的抽象描述。（2）提出了一种基于本体的变动几何约束的生成方法。基于变动几何约束的描述逻辑表示和装配体信息的描述逻辑表示，给出了变动几何约束生成的具体步骤；通过实例验证了生成方法的有效性。（3）提出了一种基于本体驱动案例推理的公差规范方案的生成方法。研究了公差要素间、零件要素间及拓扑关系间的相似度的计算和高精度线性组合，设计了一个相似历史公差规范案例的检索算法。（4）开发了一个基于本体的公差规范智能设计原型系统。阐述了原型系统的主功能模块的实现过程；通过应用实例验证了原型系统的有效性。.相关研究成果在Knowledge-based Systems, Advanced Engineering Informatics, Computer-Aided Design, ASME Transactions-Journal of Computing and Information Science in Engineering等国际权威期刊上发表SCI论文8篇；授权发明专利3项；培养博士生1名、硕士生4名；开发了基于本体的公差规范智能设计原型系统。