基于結(jié)構(gòu)化超圖的產(chǎn)品4d信息模型研究

基于結(jié)構(gòu)化超圖的產(chǎn)品4d信息模型研究

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，將不同設(shè)計(jì)層的產(chǎn)品信息劃分為多個(gè)視圖，是產(chǎn)品信息的分類，也是產(chǎn)品4d信息模型中使用的一種分類方法。所謂的產(chǎn)品4D信息模型(ProductFourDimensioninformationmodel)是指以產(chǎn)品3D信息模型為基礎(chǔ)、以設(shè)計(jì)過程為時(shí)間屬性、形成產(chǎn)品動(dòng)態(tài)進(jìn)化過程的數(shù)字化信息模型?，F(xiàn)有的集成產(chǎn)品模型在對(duì)產(chǎn)品信息進(jìn)行分類表達(dá)時(shí),一般都是從靜態(tài)的角度出發(fā)來描述產(chǎn)品信息,同時(shí)這些產(chǎn)品模型沒有考慮到對(duì)產(chǎn)品生命周期中大量數(shù)據(jù)的管理。產(chǎn)品4D信息模型同其他產(chǎn)品模型相比一個(gè)重要的特點(diǎn)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中不同設(shè)計(jì)階段的大量產(chǎn)品數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)組織和管理,產(chǎn)品4D信息模型通過對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程信息的結(jié)構(gòu)化集成實(shí)現(xiàn)大量產(chǎn)品數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)組織和管理。文中采用結(jié)構(gòu)化超圖(HierarchicalHypergraph,HH)對(duì)產(chǎn)品4D信息模型結(jié)構(gòu)化進(jìn)行了描述,同時(shí),在用來描述產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中,可以建立產(chǎn)品在不同設(shè)計(jì)過程中不同設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品信息之間的各種復(fù)雜關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中4D信息模型各種復(fù)雜搜索和查詢。1超結(jié)合圖的概念1.1超圖的遺傳映射超圖H′=(V′,E′)為H=(X,E)的子超圖,如果其滿足V′?V且E′={e∈E|e′?V′}。這樣子超圖H′的邊界頂點(diǎn)集合Vb(H′)和邊界超邊集合Eb(H′)分別表示為:Vb(H′)={x∈V′|?e=E-E′?x∈e}Eb(H′)={e=E-E′|?z∈V′?z∈e}圖1中子超圖H′的頂點(diǎn)集合和超邊集合分別可以表示為:Vb(H′)={V5,V7,V8,V9}Eb(H′)={e1,e3,e4,e6,e7,e9,e11}對(duì)圖1中的子超圖H′可以用一個(gè)宏頂點(diǎn)V來替換,這是一個(gè)約減抽象的過程。用一個(gè)宏頂點(diǎn)替換子超圖后,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的簡(jiǎn)化超圖H(R)=(V(R),E(R)),它的頂點(diǎn)和超邊分別為:V(R)=(V-V′)∪{V}E(R)={e∈E|?y∈e,y∈V(R)}∪{e′|e′-{z1,z2,z3,…,zk}}∪{{V},e∈Eb(H′),zj∈Vb(H′)}在圖1中,經(jīng)過約減抽象過程得到新的簡(jiǎn)化超圖的頂點(diǎn)分別為:V(R)=(V1,V2,V3,V4,V10,V11,V12,V13,V15,V)E(R)=(e2,e5,e8,e10,e1,e3,e4,e6,e7,e9,e11)V=V(R)∪V′-{V}E=E′∪{e∈E(R)|V?e}∪{e′|e′=(e-{V})∪{?(e),e∈E(R),V∈e}。超邊分別表示為:e1={V1,V},e3={V2,V},e4={V1,V},e1={V2,V3,V},e6={V4,V10,V},e7={V11,V},e9={V12,V},e11={V13,V15,V},其他的超邊與超圖H中的相同。采用一個(gè)宏頂點(diǎn)V來替代子超圖H′后,需要在此過程中保留超圖H和H′之間的邊界聯(lián)系。通過一個(gè)映射?可以表示超圖H和H′之間的邊界聯(lián)系:?(e)={z1,z2,z3,…,zk}式中:e∈E(R);zj∈Vb(H′),j=1,2,3,…,k。在圖中有:?(e1)={V5},?(e3)={V5},?(e4)={V9},?(e6)={V9},?(e7)={V8},?(e9)={V7},?(e11)={V7}。通過這種映射關(guān)系完整記錄了超圖約減抽象過程中各種關(guān)系的完整性。用一個(gè)宏頂點(diǎn)來替換一個(gè)子超圖的過程可用下式描述:Abs(H,H′,v)=(H(R),?)對(duì)超圖進(jìn)行抽象化操作的過程中保證了各種關(guān)系的完整性,所以可采用相反的細(xì)化操作來實(shí)現(xiàn)宏頂點(diǎn)到子超圖的擴(kuò)展過程:Ref(H(R),H′,?)=H對(duì)子超圖進(jìn)行約減抽象的過程,定義了一種超圖和子超圖之間的父子關(guān)系。若Hi=(Vi,Ei)和Hj=(Vj,Ej)為兩個(gè)超圖,存在一個(gè)超圖Hji=(Vji,Eji)滿足如下關(guān)系:(1)Hi是Hji中一個(gè)頂點(diǎn),可約減抽象子超圖;(2)Hj是由Hi和Hji定義的簡(jiǎn)化超圖。則Hi稱為Hj的子超圖,相反Hj稱為Hi的父超圖。在Hj中一定存在一個(gè)宏頂點(diǎn)V,可以滿足Hi是V在Hj中的擴(kuò)展超圖。1.2結(jié)構(gòu)化超圖的形成若H={H0,H1,…,Hn}是一個(gè)超圖族,滿足如下特點(diǎn):(1)Hi≠Hj,i≠j,i,j=0,1,2,…,n;(2)在H中存在一個(gè)唯一的元素H0,以便在H中每個(gè)Hk都不是H0的父超圖;(3)?Hi∈(H-{H0}),存在唯一的Hj,滿足Hi是Hj的子超圖。則由超圖族H={H0,H1,…,Hn}形成一個(gè)結(jié)構(gòu)化超圖,如圖2所示。在結(jié)構(gòu)化超圖中,子超圖Hi和父超圖Hj之間的邊界關(guān)系雖可以通過映射關(guān)系?i來描述,但是這種映射關(guān)系是不充分的。如果用宏頂點(diǎn)V替換子超圖Hi后,V∈Vb(Hj),則在Hj中至少存在一個(gè)映射為宏頂點(diǎn)的超邊不屬于Hj而屬于它的祖先,如圖中的超邊e11。對(duì)這種情況,采用映射關(guān)系φi來描述,φi為Ii→Vb(Hi)。Ii為映射宏頂點(diǎn)的超邊的集合,它不屬于父超圖Hj而是屬于Hj的祖先超圖。用?={?i|i=1,…,n},φ={φi|i=1,…,n}進(jìn)行表示,則超圖族H表示成結(jié)構(gòu)化超圖為(H,?,φ)。結(jié)構(gòu)化超圖的形成過程是一個(gè)不斷抽象的過程,通過它可以建立節(jié)點(diǎn)之間不同層次關(guān)系。在用來描述產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中,可以建立產(chǎn)品在不同設(shè)計(jì)過程中不同設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品信息之間的各種復(fù)雜關(guān)系,包括對(duì)產(chǎn)品零部件的分類、結(jié)構(gòu)化及管理等。2模型間的各種連接和聯(lián)系在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,不同的設(shè)計(jì)階段都會(huì)產(chǎn)生大量的不同類型的產(chǎn)品信息,這些產(chǎn)品信息是同一產(chǎn)品在不同域中的體現(xiàn),STEP標(biāo)準(zhǔn)作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)化表達(dá)和交換的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),以特征技術(shù)為基礎(chǔ),把產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程信息分為設(shè)計(jì)、分析、工藝、制造、裝配和維修與回收等視圖,這些視圖信息之間的聯(lián)系通過特征之間映射轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中不同設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品信息的集成。特征模型主要包括:形狀、尺寸、公差、材料、質(zhì)量等模型。產(chǎn)品4D信息模型可以看成是一個(gè)空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)具有時(shí)間維、空間維及眾多的屬性。空間維決定了空間數(shù)據(jù)具有方向、距離、層次和位置等空間屬性,在超圖模型中可用閉合曲線和賦值的連線表示。屬性表示空間數(shù)據(jù)所代表的空間對(duì)象的客觀存在的性質(zhì)和屬性特征,在超圖模型中屬于類,對(duì)象和屬性之間的關(guān)系可用點(diǎn)和閉合曲線的賦值及賦值曲線來表示。時(shí)間維則描繪了空間對(duì)象隨著時(shí)間的遷移行為和狀態(tài)的變化,這變化則可以用屬性值的變化及連線值的變化來表示。超圖模型可以表示空間對(duì)象之間的層次關(guān)系,同時(shí)還可以用連線上的數(shù)據(jù)來表示不同的關(guān)系及關(guān)系的強(qiáng)弱。這些關(guān)系是從屬關(guān)系,可以是關(guān)聯(lián)關(guān)系、也可以是因果關(guān)系。結(jié)構(gòu)化超圖為建立產(chǎn)品4D信息模型之間的各種復(fù)雜的分類和組織提供了靈活結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)。超圖模型支持類、對(duì)象、屬性和聯(lián)系等概念,其中屬性包括類的性質(zhì)和對(duì)象的性質(zhì);聯(lián)系包括類與類(對(duì)象與對(duì)象)之間的連接和關(guān)系。集合、超圖、面向?qū)ο蠓椒ê彤a(chǎn)品4D信息模型中各種概念之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。超圖中的邊同集合論中的集合、面向?qū)ο笾械念愂窍鄬?duì)應(yīng)的概念,它們是對(duì)一組相似的對(duì)象或元素進(jìn)行表達(dá)。在結(jié)構(gòu)化超圖中,用各種宏頂點(diǎn)來替換各種子超圖,實(shí)現(xiàn)超圖中頂點(diǎn)的結(jié)構(gòu)化可以同集合論中的各種包含關(guān)系相對(duì)應(yīng)。超圖模型的特點(diǎn)是可以表達(dá)類(對(duì)象)之間的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和關(guān)系,并將類同面向?qū)ο蟮南嚓P(guān)概念聯(lián)系在一起,其中包括類、繼承、聚合、概括(支持超圖)、多層次關(guān)系(超類間的聯(lián)系)及復(fù)合類等。超圖模型與面向?qū)ο蠹夹g(shù)存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系;其中類的劃分和聚合同類圖中的類、類(對(duì)象)的聚合相對(duì)應(yīng);概括可用與表述對(duì)應(yīng)的繼承關(guān)系;復(fù)合類適用于描述層次結(jié)構(gòu),復(fù)合類的每一個(gè)對(duì)象都是一個(gè)層次結(jié)構(gòu)。在產(chǎn)品4D信息建模過程中一個(gè)重要方面是合理構(gòu)建各種業(yè)務(wù)對(duì)象和數(shù)據(jù)對(duì)象及它們之間的各種聯(lián)系。產(chǎn)品4D信息模型中的各種業(yè)務(wù)對(duì)象對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)化超圖中的宏節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)對(duì)象對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)化超圖中的頂點(diǎn);結(jié)構(gòu)化超圖中的宏節(jié)點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)化就是產(chǎn)品4D信息模型中業(yè)務(wù)對(duì)象的結(jié)構(gòu)化;產(chǎn)品4D信息模型中的各種關(guān)系對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)化超圖中的超邊。下面用一個(gè)對(duì)零件基本記錄進(jìn)行描述的例子來說明這種對(duì)應(yīng)關(guān)系。零件基本記錄(PartBR)作為一個(gè)業(yè)務(wù)對(duì)象提供了對(duì)零件進(jìn)行描述的所有信息的入口,通過它可以訪問到零件的三維模型(ModelBR)、工程圖(DrawBR)和各種文檔(DocBR)等,通過這些業(yè)務(wù)對(duì)象又可以訪問到相應(yīng)的更為具體詳細(xì)的對(duì)模型、工程圖和使用說明等的數(shù)據(jù)對(duì)象。把產(chǎn)品4D信息映射到結(jié)構(gòu)化超圖空間為表達(dá)各種復(fù)雜的關(guān)系和操作提供了基礎(chǔ)。產(chǎn)品4D信息模型的一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中不同設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品信息進(jìn)行分類、組織和管理,產(chǎn)品4D信息模型所包含的產(chǎn)品信息不僅被一個(gè)產(chǎn)品模型所用,而且可能被多個(gè)產(chǎn)品模型所用,因而在產(chǎn)品4D信息模型中一個(gè)對(duì)象的改變會(huì)引起其他模型的相應(yīng)變化,需要對(duì)這些動(dòng)態(tài)的聯(lián)系進(jìn)行跟蹤和管理。圖3用一個(gè)零件基本記錄的例子說明了產(chǎn)品4D信息模型中的產(chǎn)品信息結(jié)構(gòu)化組成關(guān)系。借助于業(yè)務(wù)對(duì)象文檔基本記錄(DocBR),模型基本記錄(ModelBR)和工程圖基本記錄(DrawBR),可以將不同種類的文檔分門別類地加以存放,形成一個(gè)新的信息邏輯單元文件夾。這個(gè)新的文件夾主要是用來實(shí)現(xiàn)對(duì)文檔的分類,不同的文件夾之間又可以根據(jù)不同的需要形成更高一級(jí)的文件夾,通過這種方式就可以提供進(jìn)行各種文檔分類和結(jié)構(gòu)化的手段。文檔基本記錄、工程圖基本記錄和模型基本記錄與文件夾之間存在著一個(gè)m∶n的關(guān)系。亦即一個(gè)文件夾中可以包括任意多個(gè)基本記錄。反之,一個(gè)基本記錄也可以存放在多個(gè)文件夾中。這樣當(dāng)一個(gè)文件夾發(fā)生更改時(shí),會(huì)影響到多個(gè)文檔的更改;同一個(gè)文檔的更改也會(huì)影響到多個(gè)文件夾。采用結(jié)構(gòu)化超圖能夠?qū)崿F(xiàn)文件夾的各種分類結(jié)構(gòu)的表達(dá)。同時(shí)通過結(jié)構(gòu)化超圖中的各種聯(lián)系可以對(duì)各種對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化