基于元数据的产品数据本体建模技术

第 41 卷第 5 期 2007 年 5 月 浙　江 　大 　学 　学 　报 (工学版) Journal of Zhejiang University ( Engineering Science) Vol. 41 No. 5May 2007 收稿日期 : 2006 02 14. 浙江大学学报 (工学版)网址 : www. journals. zju. edu. cn/ eng 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50405037 ,50575204) ;浙江省博士后择优基金资助项目 (20042bsh2001) ;国家“863”高技术研究发 展资助项目 (2006AA04Z116) ;高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 (20060335134) . 作者简介 : 顾巧祥 (1973 - ) ,男 ,江苏靖江人 ,博士后 ,主要从事产品建模研究. E2mail :qxgu @cjlu. edu. cn 通讯联系人 : 祁国宁 ,男 ,教授 ,博导. E2mail : gnqx @zju. edu. cn 基于元数据的产品数据本体建模技术 顾巧祥1 ,2 ,祁国宁1 ,纪杨建1 ,苏少辉1 (1. 浙江大学 现代制造工程研究所 , 浙江 杭州 310027 ;2. 中国计量学院 机电学院 , 浙江 杭州 310018) 摘 　要 : 针对产品全生命周期管理的特点 ,将元数据建模技术与本体相结合建立基于元数据的产品数据本体 ,提出 基于元数据的产品概念模型和面向产品全生命周期的产品数据模型 ;通过分析元数据建模的元层次 ,提出了基于 元数据的产品数据本体建模体系结构以及通用描述 ,并给出了某汽轮机产品数据模型实例. 实例表明 ,在产品全生 命周期管理中采用基于元数据的产品数据本体 ,能够有效地保证数据的安全性和一致性 ,可方便地进行模型集成 和信息共享 ,满足实际产品和生产过程中出现的所有可能的情况. 关键词 : 元数据 ;生命周期 ;数据模型 ;本体 中图分类号 : TP14 ; TP31 　　　　　文献标识码 : A 　　　　　文章编号 : 1008 973X(2007) 05 0736 06 Modeling techniques for product data ontology based on meta2data GU Qiao2xiang1 ,2 , Q I Guo2ning1 , J I Yang2jian1 , SU Shao2hui1 (1 . I nsti tute of M anuf acture Engineering , Zhej iang Universit y , H angz hou 310027 , China; 2. Mechanical and Elect rical Engineering Col lege , China J i l i ang Universit y , H angz hou 310018 , China) Abstract : Aimed at t he characteristics of p roduct lifecycle management , p roduct data ontology was defined by using meta2data modeling technique. Based on t he meta2data , t he p roduct concept ual model and t he product data modeling for Product Lifecycle ( PL) were set up . Through analyzing the meta2layers of meta2 data modeling , t he f ramework and descrip tion of p roduct data ontology were p ut forward. And t he product data modeling of steam t urbine was presented. The product data ontology has advantages in guaranteeing t he security and consistency of t he p roduct data , in p roviding facilities for integrating models and sharing information , and satisfies all t he needs in t he product design and manufact uring. Key words : meta2data ; lifecycle ; data modeling ; ontology 　　产品全生命周期管理 (p roduct lifecycle man2 agement , PL M)技术自 20 世纪末提出以来 ,已迅速 成为全球制造业关注的焦点[ 1 ] . 面向产品全生命周 期的产品建模技术是 PL M 的核心技术之一 ,即在 现代设计方法学的指导下 ,以一定的数据模式定义 和描述与产品有关的数据内容、活动过程及数据联 系. 该数据模式覆盖产品开发、设计、规划、加工 制造、检验装配、销售维护直至产品消亡的整个生命 周期. 由于面向产品全生命周期的数据模型必须为 产品全生命周期各个阶段和各个部门提供服务 ,这 就要求它必须能够完整地提供产品全生命周期各应 用领域所需的各种信息 ,针对不同的部门提供不同 的内容 ,保证各部门间数据一致性 ;另外 ,为使产品 能快速地响应市场 ,产品数据模型通常还必须方便 进行变型设计. 综上所述 ,面向产品全生命周期数据 的特点主要包括 :完整性、集成性、共享性、一致性以 及支持变型设计等. 国内外学者对产品数据模型已经进行了大量的 研究工作. Hiroyuki 等人[2 ] 采用元模型结构对产品 有关设计信息进行描述 ,从而在对模型进行集成和 修改过程中保证其一致性 ;Dinesh 等人[3 ] 在统一数 据元模型的基础上提出集成不同制造数据的架构 ; 张玲等人[4 ] 提出在虚拟制造中采用特征、零件和装 配 3 个层次的产品定义单元构造产品设计模型 ,并 且基于 SUMM 元建模技术实现元模型间的互操 作. 张劲松等人[5 ] 采用基于本体方法建立了产品配 置元模型. 为支持产品变型设计 ,浙江大学研究人 员[628 ]提出基于事物特性表的产品零部件的变型设 计技术. 面向全生命周期的产品数据模型必须能够完整 地提供产品全生命周期各应用领域所需的各种几何 信息和非几何信息 ,包括模型数据、过程数据以及资 源数据等. 本文针对这些数据的系统以及数据存放 的介质 (如电子文档、纸介质、物理模型等)和地点的 不同 ,提出基于元数据建立产品数据本体 ,为产品全 生命周期提供服务. 1 　基于元数据的产品数据概念模型 元数据 (meta2data) 是描述数据模型的数据 ,它 是关于数据模型的基本概念、基本关系、基本约束的 语义 ,它还包含在建立数据模型的建模步骤、建模时 应该遵循的原则 ,从而使数据模型的建立和使用有 理可依. 其内容包括 :数据描述 ;数据来源、数据所有 者及数据序列 (数据生产历史) 等的说明 ;数据质量 描述 ;数据处理信息说明 ;数据转换方法描述等. 元 数据可以解决模型层无法解决的问 ,如模型语义 模糊、模型集成和信息共享 ,借助于元数据可以实现 对复杂信息资源的共享和互操作. 鉴于元数据的以 上特性 ,可以用它来管理复杂的产品数据 ,实现对产 品数据进行集成、共享、查询、阅读和交换. 图 1 　产品数据概念模型 Fig. 1 　Product data conceptual model 图 1 给出了采用元数据技术描述的面向全生 命周期产品数据的概念模型. 该模型主要包括业务 元数据 ( business meta2data , BMD) 、联系对象 ( re2 lation object ,RO)和数据模型 (data model ,DM) . 业 务元数据是用来描述有关产品的某个事物 (零件/ 部 件、项目、客户等)或定义组织方面的信息 ;数据模型 用来对与产品有关数据的属性和文件进行描述 ,包 括数据元数据 ( data meta2data ,DMD) 和数据文件 (data file ,DF) . 数据元数据主要用来描述数据文件 的属性以及指明数据文件在计算机网络中存储位置 的指针 ,数据文件就是数据元数据中指针所指的物 理数据. 通过联系对象可以将业务元数据和数据模 型在逻辑上集成为一个整体以及将组成产品的所有 零部件模型装配成产品. 在产品全生命周期管理中采用这种特殊的概念 模型保存产品数据 ,既能够有效地保证数据的安全 性和数据质量 ,又可充分地考虑到用户的各种需求 及其在某个项目组成或项目中的角色. 2 　面向产品全生命周期产品数据模型 产品全生命周期的数据模型是相当复杂的 ,它 不仅包括产品的几何数据 ,还包括更多的产品设计 和产品开发过程 (产品制造与产品维修方面)中的知 识 ———需求说明、设计标准、约束条件和设计原理 等. 为方便描述面向产品全生命周期产品数据模型 , 下面首先对描述中所用到的不同的业务元数据和数 据元数据进行说明 : 文档主记录 ( document master record ,DoMR) 用来描述与产品零部件有关的各种各样的资料文 件 ,如设计标准、设计准则、顾客订单、需求说明、 CA PP 文档、NC 文档等的业务元数据属性 ; 零部件主记录 (part master record , PMR) 描述 的是与产品零部件有关的基本的业务对象属性 ,包 括零部件标识号、名称、更改号、以及处理状态等 ; 模型主记录 ( model master record ,MMR) 描述 产品零部件三维模型的业务元数据属性 ; 事物特性表主记录 ( tabular layout s of article characteristics master record , TL ACMR)主要描述 与产品族和零部件族事物特性表有关的业务元数据 的属性 ; 工程图主记录 ( draf t master record ,DrMR) 记 载与产品零部件工程图有关的业务元数据属性 ; 文 档元数据 ( document meta2data ,DoMD) 、模型元数 据 ( model meta2data , MMD) 、事物特性表元数据 (tabular layout s of article characteristics meta2da2 ta , TLACMD) 、工程图元数据 ( draft meta2data , DrMD)等数据元模型主要是对与产品有关的文档、 模型、事物特性表、工程图的数据文件进行描述. 它 们除继承各自的业务元数据的属性外 ,还记录有这 些数据文件的格式、使用的系统、页数以及存储路径 737第 5 期 顾巧祥 ,等 :基于元数据产品数据本体建模技术 等属性. 图 2 给出的是基于元数据技术构建的面向产品 全生命周期产品数据模型 ,通过利用这些元数据的 图 2 　基于元数据的产品数据模型 Fig. 2 　Product data modeling based on meta2data 属性、约束以及操作方法 ,就可以满足产品全生命周 期管理中出现的所有可能情况 ,为实际产品设计和 生产过程提供所需的各种数据. 图中主要描述以下 对象链以及它们之间的关系. 1) 产品结构对象链 : PMR2PMR. 该对象链详 细地描述了产品的结构关系 ,依据该对象链和产品 零部件属性 ———虚拟件、中间件以及外购件 ,借助于 一定映射规则就可以自动地派生出产品的设计结 构、工艺结构、装配结构以及装箱结构等 ; 2 ) 文档对象链 : PMR2DoMR2DoMD2Docu2 ment s. 它描述的是与产品零部件有关的所有文档 ; 3) 模型对象链 : PMR2MMR2MMD2Models. 它 包含了所有与产品零部件有关的模型 ; 4) 事 物 特 性 表 对 象 链 : PMR2TL ACMR2 TLACMD2TLACs. 该对象链用来描述组成产品族 所有零部件族的事物特性表 ,通过该对象链可以对 产品族和零部件族进行管理 ,并且能够快速变型得 到满足客户需求的变型产品或零部件 ; 5) 工程图对象链 : PMR2DrMR2DrMD2Draf t s. 该对象链记录与产品零部件有关的所有工程图 ; 6) 事物特性表主记录与其他业务对象元数据 对象链 : TL ACMR2DoMR ( MMR、DrMR) . 这些对 象链记录事物特性表与其实例间的关系 ,也就是产 品零部件族的事物特性表与它们实例的模型、有关 文档以及工程图间的关系. 这里需注意的是 :为方便产品零部件变型设计 , 本文采用事物特性表技术建立产品零部件族主模 型. 由于事物特性表是与产品零部件族相对应 ,图 2 中的事物特性表主记录和主文档主记录 (客户需求 记录、主 CA PP 主记录以及主 NC 主记录等) 、模型 主记录、模型主记录以及工程图主记录之间存在着 一对多的关系. 根据客户需求、事物特性表和对象 链 ,就可以很方便地对产品零部件进行变型设计 ,从 而快速、准确地得到变型零部件的三维模型、工程 图、CA PP 文档以及 NC 文档以及质量控制程序等. 3 　基于元数据的产品数据本体 随着网络技术和信息化技术进一步发展 ,对于 产品数据建模来说 ,只有引入形式化语义信息才能 更好地满足企业信息化的需要. 本体研究给产品语 义信息建模提供了理论基础 ,该理论主要是伴随人 工智能的知识库、数据库技术的概念化建模和软件 工程中领域建模发展起来的. Gruber 指出“本体是 概念化 ( concept ualization) 的一个显式的规格说 明”,它主要研究领域内的对象、概念、其他实体以及 它们之间的关系. 本文将本体理论引入产品数据模 型 ,建立面向产品全生命周期的产品数据本体 ,主要 具有以下优点 : ①数据可重用性. 产品数据本体是产 品数据中实体、属性、处理过程以及实体间关系形式 化编码的基础 ,这种形式化表示有助于产品数据的 重用. ②产品数据获取. 使用本体作为产品数据获取 的起点和基础 ,可以加快产品数据的获取进程 ,提高 产品数据获取的可靠性 ,从而方便产品数据库的建 立. ③数据可靠性. 形式化表达使得产品数据一致性 检查成为可能 ,从而保证数据可靠性. 由于每个本体对象模型都建立了多个抽象类 , 当在创建产品数据本体时 ,就可以与元数据建模技 术相结合 ,将元数据建模方法与公共逻辑范围的自 然、直观的本体论有机融合 ,建立基于元数据技术的 面向产品全生命周期的数据本体 ,这样就可以更好 地为面向产品全生命周期产品数据管理服务. 下面 将讨论如何建立基于元数据的产品数据本体. 3 . 1 　元数据建模中的元层次 采用元数据技术进行建模时 ,首先必须搞清楚 元数据建模过程中的元层次. 所谓“元层次”是表示 “描述的”与“被描述的”对象间关系的层次. 在元数 据建模过程中 ,一般公认的元层次为 4 层结构 ——— 元元模型、元模型、模型以及实例 (图 3) . 其中 :元元 模型层是构成元数据建模体系结构的基础 ,主要是 定义描述元模型的语言 ,它的抽象级别比元模型更 高 ,其主要内容包括元类、元属性以及元操作等 ,因 而采用它可以对元模型层中的所有对象进行定义 ; 元模型层是元元模型的实例 ,它主要是定义描述模 型的语言 ,元模型除继承元元模型外 ,它比元元模型 更加精细 ,例如类、属性和操作等 ;模型层主要描述 837 浙 　江 　大 　学 　学 　报 (工学版) 　　　　　　　　　　 　第 41 卷 　 图 3 　元数据建模中层次结构 Fig. 3 　Meta2layers of meta2data modeling 的是定义模型的语言 ,它是元模型的实例 ,例如类的 对象就是模型层所要描述的 ;实例层是元建模技术 的最低层 ,它描述的是模型的实例 ,也就是具体的数 据文件. 图 4 　基于元数据的产品数据本体建模体系结构 Fig. 4 　Framework of product data ontology based on meta2data 3 . 2 　基于元数据的产品数据本体建模体系结构 根据 3. 1 节中提出的元数据建模中的元层次 结构 ,图 4 相应地给出了基于元数据的产品数据本 体建模的体系结构. 在该体系结构中 ,产品数据本体 元元模型层主要描述产品数据元模型的构成要 素 ———元类、元属性以及元操作等 ;产品数据本体元 模型层主要包括业务元数据、联系元数据以及数据 元数据 ,通过这些元模型可以对产品数据进行详细 地描述 ,很好地满足产品全生命周期各个阶段以及 各个部门对产品数据的需求 ;模型层主要是对业务 元数据、联系元数据和数据元数据进行进一步地分 解 ,从而得到元模型的实例. 其中 ,业务模型主要包 括 :DMR、PMR、MMR、TL ACMR 以及 DMR 等. 联 系模型包含有 have、part2of 、kind2of 、instance2of 以 及 assembly2of 几种 (具体见 3. 3 节) . 文档元数据、 模型元数据、TL AC 元数据以及工程图元数据共同 组成数据元模型的实例 ;实例层描述的是由这些模 型层所描述模型的实例组成的具体产品实例. 3 . 3 　产品数据本体描述 产品数据本体是有关面向全生命周期的产品数 据问题的主要概念、方法的综合 ,与第 2 节提出的面 向产品全生命周期的产品数据模型相对应 ,本文对 产品数据本体的形式化描述如下 : { PDM _ Onto log y} ∷= { CPDM , A CPDM , RPDM , X PDM , MPDM , IPDM } . 式中各变量见如下说明 : 1) CPDM表示产品数据概念实体的集合 ,描述的 是产品数据本体中的概念实体或类 ,与 3 . 2 节中提 到的模型层的业务对象模型、联系对象模型以及数 据元模型相对应. 2) A CPDM表示产品数据本体中的多个属性集合 组成的集合 ,这些属性集合用来对产品数据本体中 概念实体进行描述. 在 CPDM集合中元素 CPDM ( i) 与 A CPDM集合中元素 A CPDM ( ci ) 是一一对应的. 3) R PDM描述产品数据本体中概念实体间的相 互关系 ,即 3 . 2 节中联系元模型的具体实例 ,其中 , 二元组关系集 R i ( CPDM ( p) , CPDM ( q) ) 表示的是概念 CPDM ( p) 与 CPDM ( q) 之间的关系 ,主要有 Have、Part2 of 、Kind2of 和 Instance2of , Have 表示的是产品数据 本体概念实体间的整体与部分的联系 ; Part2of 表达 概念实体之间是部分与整体的关系 ; Kind2of 表达概 念实体之间的继承关系 ,等同于类中的父类与子类 的关系 ; Instance2of 表达概念实体与概念实例间的 关系 ,类似于类和实例的关系. 对于产品模型来说 ,各概念实体间还存在更为 重要的装配关系 ,借助于此关系可以很方便地装配 部件或产品. 这里 ,描述产品数据本体中概念实体 CPDM ( m) 与 CPDM ( n) 之间的装配关系采用的是三元 组关系集 Assembly_of ( CPDM ( m) , CPDM ( n) , ( x , y , x , x y , y z , z x) ) , 关系集中 ( x , y , x , x y , y z , z x ) 是 CPDM ( n) 相对于 CPDM ( m) 的位置坐标. 通过 RPDM中的这些关系可以很方便地描述在 2 节中提到的各种产品数据对象链 ,使得产品数据的 业务对象和数据对象成为一个有机的整体. 4) X PDM描述的是产品数据本体中概念实体零 部件间的关联和约束 ,以及这些概念实体实例的约 束等. 借助于这些零部件概念实体间的关联和约束 , 就可以对产品进行配置设计和变型设计. 下面是汽 车产品数据本体中汽车发动机的约束规则实例 : If engine. Fuel = diesel_oil 937第 5 期 顾巧祥 ,等 :基于元数据产品数据本体建模技术 　Then engine. choose = diesel_motor 　If engine. Fuel = gasoline 　　Then engine. choose = gasoline_motor 　End If End If 5) MPDM描述的是对产品本体中的概念集合所 做的各种操作. 例如 ,Choose 操作可以用来选定概 念实体 ;Add_to_ st ruct ure 用来将所选概念实体增 加到当前的产品结构树中 ;Delete_f rom_ st ruct ure 完成将所选概念实体从当前产品结构树中删除 ; Display 显示所选概念实体的三维模型或事物特性 表 ;Variant _ design 操作主要是利用事物特性表对 所选概念实体的三维模型进行变型设计. 6) IPDM是指产品数据本体概念实体类的具体 实体 ,从语义上讲实例即为概念实体类的对象. 4 　应用实例 图 5 给出了某汽轮机产品数据模型的局部内 容. 如图 5 所示 ,产品级的 DoMR 将与该汽轮机有 关的各种资料 ———客户订单、客户需求说明书、总体 设计报告、设计标准、设计准则以及使用说明书等与 产品相关联. 汽轮机汽缸 PMR 将与汽缸有关的 MMR、DrMR、TLACMR、DoMR 等关联在一起. 这 里需要指出的是一个汽缸模型 MMR 与多个三维 CAD 模型有关 ,这样可以满足在生产过程中的实际 需要 ;同样 ,汽缸文档 DrMR 也将许多与工程图有 关的资料 ———CAD 工程图、IGES 文件以及 TIFF 文件等相关联 , 以满足各个部门的需求 ; 汽缸 TL ACMR 记录的是汽缸的事物特性表 ,它由前驱 段、减压段、过渡段、延长段以及后驱段等子事物特 性表构成. 设计人员根据客户需求在对汽缸进行变 型设计时 ,只需从这些子事物特性表中选择相应的 实例就可快速、准确地得到满足客户需求的汽缸 ;汽 缸文档 DoMR 描述了有关该汽缸的质量控制文件 和装配工艺文件. 同样可采取这样的方式描述组成 该型号汽轮机的所有零部件 ,这样就构建成一个完 整的面向产品全生命周期的汽轮机数据模型. 该数 据模型可方便、准确、快速地为产品全生命周期的各 个阶段以及各个部门提供所需的数据. 下面给出的是此汽轮机产品数据本体中的减压 段实例的描述 : Class Reduction_section { 　Property : 　　 ID : 22356120492202 　　 Edition : 1. 1 Name : 汽缸减压段 　　 Processing_state : check out 活动 　　Creator : 张三 　　Create_date : 2005205215 图 5 　产品数据模型 (局部) Fig. 5 　Data modeling of steam turbine (partly) 047 浙 　江 　大 　学 　学 　报 (工学版) 　　　　　　　　　　 　第 41 卷 　 　　Discharger : 李四 　　Discharge_date : 2005205216 　　Modifier : 王二 　　Modify_date : 200525218 　　Modify_reason : 技术要求不完整 　　Material : 25CrMoV 　　Weight : 152 kg Relation : 　　Part2of : 汽轮机汽缸 　　Instance2of : 汽缸减压段主模型 　　Assembly2of : (汽缸前驱段 , (200 ,0 ,0 ,0 ,0 ,1) ) Const raint : 　　IF User. Choose = High_Pressure 　　　 T H EN This. Choose =“Yes” 　　　EL SE This. Choose =“No” 　　ENDIF Manipulate : 　　Choose : This 　　Add_to_const rue : This 　　Display : This. model , This. draf t , This. TLAC 　　Variant_design : This. TLAC } 5 　结　语 根据面向产品全生命周期管理对产品数据模型 的要求 ,文中采用元数据建模技术建立面向产品全 生命周期的数据模型 ;在分析元建模中的元层次结 构基础上 , 将元数据建模技术和本体技术相结合 , 建立基于元数据产品数据本体. 基于元数据的产品 数据本体可操作性强 ,不仅能够有效地保证数据的 安全性和一致性 ,方便进行模型集成和共享 ,而且还 能够很好地满足产品全生命周期中各个阶段以及各 个部门对产品数据的需求. 参考文献( References) : [1 ] 沈建新 ,周儒荣. 产品全生命周期管理系统框架以及关 键技术研究[J ] . 南京航空航天大学学报 ,2003 , 35 (5) : 565 571. SH EN Jian2xin , ZHOU Ru2rong. Research on PL M system framework and key technologies [J ] . Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics , 2003 , 35( 5) : 565 571. [2 ] HIRO YU KI Yoshikawa , TOMIYAMA T , KIRIYAMA T , et al. An integrated modeling environment using the metamodel [ C] ∥Annals of the CIRP. [ S. l. ] : [ s. n. ] , 1994 : 121 124. [3 ] DIN ESh Dhamija , KOONCE D A ,J UDD R P. 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