基于本體的維修幾何模型關鍵零部件快速定位與顯示方法與流程
本發明涉及復雜產品維護維修過程中幾何模型關鍵零部件快速定位與顯示技術，特別涉及一種基于本體的幾何模型在維護維修中對關鍵零部件的快速定位與顯示方法。
背景技術：
在復雜產品的全生命周期中，設計制造階段的三維模型技術應用已經十分廣泛，而維護維修階段的技術應用才剛剛展開，水平十分有限。在這有限的數字化技術應用中，大部分維護維修功能主要針對于運營故障診斷和一般維修信息管理，而針對維修工藝則一般沒有三維模型進行具體顯示，僅有簡單的二維示意圖，難以滿足數字化維修的需求。
在復雜產品的維護維修中，零部件的維護、拆卸、換件、再裝配等維修工藝信息，需要結合維修要求對產品結構的區域、零部件三維模型進行快速定位和顯示。但是由于制造工藝和維修工藝的差異性，尤其是制造與維修階段往往跨行業與企業，且制造與維修是異構環境，導致維修工藝難以共享和重用制造工藝的三維模型信息。對于復雜產品動輒上萬十幾萬個零部件，在維修過程中快速定位到待維修區域與位置進行顯示，是提高維修工藝設計與應用效率的關鍵。
維修工藝三維模型信息顯示一般在瀏覽器環境下，不需要零件級的詳細幾何信息，同時由于上萬零部件的三維模型儲存容量巨大，采用輕量化模型輔助維修工藝已是大勢所趨。目前采用插件方式在瀏覽器中顯示輕量化模型，需要人工手動方式在制造工藝CAD模型中找到待維修對象，將其轉換為輕量化模型，再人工交互傳輸到瀏覽器中進行顯示，效率很低，并且由于對于關鍵零部件定位不準確，需要將產品整體轉換為輕量化模型，而不是對定位到的零部件轉換，導致時間成本提高。
技術實現要素：
本發明的目的是針對復雜產品維護維修階段維修工藝三維模型產品關鍵零部件快速自動定位和顯示的問題，提出了一種基于本體的維修工藝三維模型關鍵部件的快速定位與顯示方法。
首先以產品CAD模型為信息來源，進行一定預處理，獲取并儲存產品裝配樹信息與各零部件屬性信息；同時建立對應的本體列表，作為術語標準與推理標準；根據建立的本體將CAD模型中包含的屬性信息進行語義標注并與其裝配樹結構對應，記錄標注結果到語義索引信息中；最終對標注過的語義索引信息應用本體及本體的推理方式進行檢索，獲取需求零部件目標的裝配樹位置，將獲取到的零部件CAD三維模型轉化為輕量化模型，通過裝配樹信息建立輕量化模型與原始模型的對應關系；應用轉化的輕量化模型進行快速定位與顯示。
本發明解決其技術問題的技術方案為：
所述一種基于本體的維修幾何模型關鍵零部件快速定位與顯示方法，其特征在于：包括以下步驟：
步驟1：獲得需要的CAD三維模型MCAD；所述CAD三維模型在CAD系統中已經定義了必要的屬性信息；所述必要的屬性信息包括產品詳細幾何信息集合G、產品裝配樹信息集合T、產品技術屬性信息集合A、產品維修屬性信息集合M；
步驟2：對步驟1得到的CAD三維模型中代表零部件名稱的屬性信息指定專門的語義標簽，得到預處理后的CAD三維模型MPreProcess；
MPreProcess＝MCAD∪S
其中S是零部件語義標簽集合；
步驟3：在預處理完畢的CAD三維模型中，排出維修工藝不必要的屬性信息，保留產品裝配樹信息集合、產品維修屬性信息集合和零部件語義標簽集合，得到中性結構化屬性信息集合
步驟4：應用本體O對步驟3獲得的中性結構化屬性信息集合Ia進行標注：將代表零部件的節點位置信息與其包含的屬性信息通過本體建立對應關系，記錄為一條語義索引，將同一幾何模型的所有節點索引記錄在同一語義索引信息中，得到語義索引信息集合Is，其中的每一條語義索引信息為Ii集合，
Ii＝{name,path,semantic,attribute}
name為零部件名稱，path為零部件的裝配樹位置路徑，semantic為零部件語義信息，attribute為零部件維修屬性；
步驟5：依據步驟4得到的語義索引信息集合Is，進行零部件的檢索工作：對于輸入的檢索需求，通過本體轉換為一系列語義信息，與語義索引信息集合中的每條索引信息作比對，以匹配成功內容與輸入需求、索引本身內容的比例大小關系為檢索結果排序依據，得到相關值最大的一項為檢索結果；
步驟6：對于步驟5得到的檢索結果，獲取其索引信息中記錄的該零部件裝配樹節點位置，并在三維模型中定位到對應部分，將該部分轉化為輕量化模型，實現快速定位與顯示。
進一步的優選方案，所述一種基于本體的維修幾何模型關鍵零部件快速定位與顯示方法，其特征在于：中性結構化屬性信息以裝配樹形態的樹形結構表達，每一個節點表示裝配樹中的一個對應零部件。
進一步的優選方案，所述一種基于本體的維修幾何模型關鍵零部件快速定位與顯示方法，其特征在于：在步驟4標注過程中，對于無法應用本體進行自動化標注的屬性信息，由人工指定其在本體的位置并由本體記錄學習，擴充本體內容：
Onew＝Oorigin∪Oupdate
其中Onew是學習更新后的本體，Oorigin是學習前的本體，Oupdate是該次學習中擴充的本體內容。
進一步的優選方案，所述一種基于本體的維修幾何模型關鍵零部件快速定位與顯示方法，其特征在于：步驟4中的本體O為樹形結構，節點代表類，表示無歧義的代表某種零部件的名稱術語，每個類擁有單獨的索引值。
有益效果
本發明的有益效果是：為數字化維修提供了一種在維修輕量化模型中快速定位待維修關鍵零部件的方法。由于直接從CAD模型中提取需要的信息，避免了設計與維修階段信息交流不足導致零部件定位不準確的問題；由于使用了具有學習功能的語義本體作為標準，使大量設計與維修的知識經驗匯集，避免了需要大量時間精力進行重復性工作的問題；由于采用了屬性信息的匯集作為零部件語義標簽，使得對關鍵零部件的定位不僅能采用簡單的名稱方式，而且使用多種屬性均可檢索定位，避免了由于產品生命周期不同階段術語不同導致不能準確定位零部件的問題，同時使得對于待維修零件的定位工作效率更高。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1是發明內容產品零部件語義信息產生部分示意圖
圖2是發明內容零部件定位與顯示部分示意圖。
圖3是某工裝夾具零部件快速定位與顯示全過程示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
本發明的目的是針對復雜產品維護維修階段維修工藝三維模型產品關鍵零部件快速自動定位和顯示的問題，提出了一種基于本體的維修工藝三維模型關鍵部件的快速定位與顯示方法。
首先以產品CAD模型為信息來源，進行一定預處理，獲取并儲存產品裝配樹信息與各零部件屬性信息；同時建立對應的本體列表，作為術語標準與推理標準；根據建立的本體將CAD模型中包含的屬性信息進行語義標注并與其裝配樹結構對應，記錄標注結果到語義索引信息中；最終對標注過的語義索引信息應用本體及本體的推理方式進行檢索，獲取需求零部件目標的裝配樹位置，將獲取到的零部件CAD三維模型轉化為輕量化模型，通過裝配樹信息建立輕量化模型與原始模型的對應關系；應用轉化的輕量化模型進行快速定位與顯示。
其具體包括以下步驟：
步驟1：獲得需要的CAD三維模型MCAD；所述CAD三維模型在CAD系統中已經定義了必要的屬性信息；如圖1中的①部分，對于某具體的CAD三維模型，所述必要的屬性信息包括產品詳細幾何信息集合G、產品裝配樹信息集合T、產品技術屬性信息集合A、產品維修屬性信息集合M，還可能包括其他信息集合O，則有
MCAD＝{G,T,A,M,O}
步驟2：對CAD三維模型MCAD做必要的預處理工作：對步驟1得到的CAD三維模型中代表零部件名稱的屬性信息指定專門的語義標簽，如圖1中的②部分，得到預處理后的CAD三維模型MPreProcess；
MPreProcess＝{G,T,A,M,O,S}＝MCAD∪S
其中S是零部件語義標簽集合。
步驟3：在預處理完畢的CAD三維模型MPreProcess中，排出維修工藝不必要的屬性信息，保留產品裝配樹信息集合、產品維修屬性信息集合和零部件語義標簽集合，如圖1中的③部分，得到中性結構化屬性信息集合
按照裝配樹結構提取其所有零部件的維修屬性信息，以裝配樹形態的樹形結構表達，每一個節點表示裝配樹中的一個對應零部件，此時產品信息脫離CAD系統，以中性結構化信息形式存在。
步驟4：應用本體O對步驟3獲得的中性結構化屬性信息集合Ia進行標注：將代表零部件的節點位置信息與其包含的屬性信息通過本體建立對應關系，記錄為一條語義索引，將同一幾何模型的所有節點索引記錄在同一語義索引信息中，如圖1中的⑤部分，得到語義索引信息集合Is，其中的每一條語義索引信息為Ii集合，
Ii＝{name,path,semantic,attribute}
name為零部件名稱，path為零部件的裝配樹位置路徑，semantic為零部件語義信息，attribute為零部件維修屬性。
其中本體O為新建的該領域的本體列表或是對已存在的本體做必要的擴充得到的本體列表。由于裝配體領域術語的類型單一、關系簡單且裝配樹中自然包含的父子裝配關系，簡化本體內容并形成對于該領域術語的推理機制，如圖1中的④部分，建立的本體為O，有
O＝{C,R,P,I}
其中C是本體中類(術語、關鍵詞)集合，R是本體術語包含關系集合，P是本體術語屬性集合，I是同義詞映射集合。
而且在標注工作進行時，對于無法應用本體進行自動化標注的屬性信息，由人工指定其在本體的位置并由本體記錄學習，擴充本體內容，如圖1中的⑥部分，
Onew＝Oorigin∪Oupdate
其中Onew是學習更新后的本體，Oorigin是學習前的本體，Oupdate是該次學習中擴充的本體內容。
步驟5：如圖2前半段所示，依據步驟4得到的語義索引信息集合Is，進行零部件的檢索工作：對于輸入的檢索需求，通過本體轉換為一系列語義信息，與語義索引信息集合中的每條索引信息作比對，以匹配成功內容與輸入需求、索引本身內容的比例大小關系為檢索結果排序依據，得到相關值最大的一項為檢索結果。
步驟6：如圖2后半段所示，對于步驟5得到的檢索結果，獲取其索引信息中記錄的該零部件裝配樹節點位置，并在三維模型中定位到對應部分，將該部分轉化為輕量化模型，實現快速定位與顯示。
基于上述步驟，下面給出具體實施例：
本實施例方法實現中，復雜產品數字化設計所使用的CAD模型通常能夠包含裝配樹信息與設計過程中的零部件信息，而通常CAD軟件也提供提取信息的方法；本體的建立完善與應用可采用現有的本體建立方法或者自行建立開發；輕量化模型的轉換與顯示則有幾種常用的主要方法。
在本例中，以某工裝夾具裝配體的UG裝配圖為例，其由底盤基座、四個定位塊、四個肩螺栓、四個小定位銷、兩個大定位銷組成，裝配樹具有兩級深度，具有16個節點。使用了自行建立開發的本體建立環境，并采用了常用的CATIA Composer形式的輕量化模型來進行發明內容的驗證工作。
1、確保裝配體的CAD三維模型已包含了維護維修工藝中必要的信息，如材料、顏色、尺寸等等。如圖3中①所示。
2、為夾具裝配圖做預處理工作。添加指示關鍵零部件名稱的專門語義標簽屬性，例如“ANNOTATION：螺栓”。如圖3中②所示。
3、應用CAD軟件提供的方法接口，提取夾具裝配圖的屬性信息，并排除維修維護工藝中不需要的技術屬性，如熱處理方式，然后記錄為中性的結構化格式。以結構化信息中的零部件節點表示裝配樹中的零部件，依照裝配樹的結構排列；以零部件節點下屬性節點表示每一個零部件的屬性信息，每一條屬性節點儲存了對應于該零部件的屬性名與屬性值。如圖3中③所示。
4、應用自行建立的環境建立本體列表。根據本體理論與裝配體樹形結構本身擁有一定關系信息的特點，將領域本體同樣建立為樹形結構。其節點代表“類”，即該領域中無歧義的代表某種零部件的名稱術語，每個類擁有單獨的索引值。樹形結構的父子節點關系，代表類的包含與被包含關系，由此可得到具有簡單語義推理功能，即“屬于子類的零部件也必然屬于父類”這一語義遞推的作用。另外，由于本體的無歧義性，同一事物在本體中必然以同一術語表示，若有多個詞語表示同一零部件，以其中一個作為本體中表達的關鍵詞，而其他作為指示該關鍵詞的指示詞。指示詞與對應的關鍵詞擁有相同的索引值，在檢索中所有指向指示詞的來源信息將最終指向其所對應的關鍵詞。對于本例來說，首先建立根節點類“Thing”，在其下建立同級別的子類“總裝配體”、“部件”、“零件”、“屬性”；然后根據領域特點簡單擴充本體內容，如在“零件”類下建立“標準件”類等等。如圖3的④所示。
5、應用建立的本體與獲取的中性結構化屬性信息進行標注。遍歷結構化信息中的每個節點，獲取節點在裝配樹中的位置路徑，記錄在新建立的語義索引條目中，然后獲取該節點下的所有屬性信息，將屬性值、屬性名、零部件名稱等信息應用建立好的本體進行匹配并將匹配到的一系列語義索引作為該條目的索引信息內容記錄，如果節點在裝配樹中有父節點，由于裝配體的屬性包含關系，將父節點的索引信息內容一并提取加入本節點的索引信息內容中。如此生成了數量等同于結構化屬性信息中零部件節點數量的語義索引條目，將這些條目生成對應于該裝配體的產品語義索引，如圖3的⑥所示。在標注過程中，遇到某無法自動匹配的內容時，由人工指定該內容位于本體的位置并由本體學習記錄，采用此有監督學習方式使本體不斷完善，標注自動化水平與效率不斷提高。如圖3的⑤所示。
6、應用生成的產品語義索引信息對該幾何模型進行零部件檢索定位。將輸入的檢索需求通過應用本體轉換為對應的一系列索引號信息，將其與生成的對應語義索引中的每一條目作比對，獲得所有能夠匹配到的條目。以匹配成功的索引信息與輸入需求的總索引信息的比例，和匹配成功索引信息與該條目含有總索引信息的比例兩方面結合作為判斷該條目與輸入需求相關度大小的依據，以相關度最大的項作為檢索結果。例如檢索需求為鐵質標準件，則通過本體將輸入需求轉換為索引信息{0,3,5；4,6,14}，與圖3中⑥中條目匹配，得到的相關度最大條目為條目7到10。獲得檢索結果條目中記錄的該節點所表示零部件在裝配樹中的位置路徑。
7、將得到的裝配樹位置路徑檢索結果，回溯到CAD三維模型中，應用輕量化模型規則提供的方法將該部分關鍵零部件轉化為輕量化模型，即可在維修工藝中進行快速定位與顯示。
由此完成了維修數字化幾何模型中所需求的關鍵部件的快速定位與顯示方法。
盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
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