基于本体的子装配体识别方法与流程

本发明涉及装配序列规划技术领域，具体涉及一种基于本体的子装配体识别方法。

背景技术：

装配序列规划(Assembly Sequence Planning，简称ASP)是产品制造流程中的核心环节，装配序列的科学性决定装配质量和产品性能。对于大规模产品的生产制造，性能优良的装配序列将会缩短产品的生产周期，降低产品的生产费用，提高产品的质量和性能。然而，对于零件数量大的复杂产品的装配，传统的优先约束法和割集拆卸法等装配序列规划方法不可避免会出现“组合爆炸”问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有装配序列规划方法在进行复杂产品的装配时会出现“组合爆炸”的问题，提供一种基于本体的子装配体识别方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于本体的子装配体识别方法，包括如下步骤：

步骤A.根据装配领域知识框架构建相应的本体知识库，本体知识库中类与类之间的属性关系对装配领域知识提供一致性描述；

步骤B.基于步骤A所构建的本体知识库，根据装配体中零件的刚性连接关系构建基于本体和规则语言的推理规则库；

步骤C.针对特定的装配体实例，在步骤A所构建的本体知识库中对相应的概念和属性进行实例化，并建立装配体实例的类的个体以及个体之间的属性关系，获得实例化本体知识库；

步骤D.基于步骤B所构建的推理规则库，利用推理机对步骤C所获得的实例化本体知识库进行推理，并将推理结果加入该实例化本体知识库中；

步骤E.根据所需信息构建规则查询语句，并使用规则查询语言对步骤D所得到实例化本体知识库中的推理结果进行检索，并输出验证后的实例化本体知识库。

步骤A中，本体知识库中的类包括实物类和特征类。

步骤B具体为：

步骤B1.根据装配体中零件的刚性连接关系，推理连接关系的特征元和相应的零件对；并选定起始零件和子装配体标志零件；

步骤B2.根据子装配体标志零件所包含的特征元构建规则，识别子装配体种类；

步骤B3.根据决定连接的零件对的特征元构建规则，推理与连接具有约束关系的特征元以及对应的零件，这些零件则属于此子装配体；

步骤B4.把连接零件对中的终结零件加入子装配体。

步骤C2还进一步包括如下过程：利用实例化本体知识库自身的推理能力推理隐含关系，并检验实例化本体知识库的一致性。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1.本体知识库知识库与推理规则库可以共享与重用，为不同系统间装配领域信息描述提供了一致性方法以供异构系统间信息交换，保证了知识库的可移植性和可扩展性。

2.利用子装配体思想层次结构化装配体，从而结构化装配体结构信息，增强装配体信息模型的描述能力。引入子装配体思想降低了装配序列规划问题规模，提高序列规划求解效率。

3.为基于本体的装配领域问题提供了本体知识库描述框架和规则库的基础，为进一步完成装配序列规划任务作了预备工作。

附图说明

图1为一种基于本体的子装配体识别方法的流程图。

图2为具体实施例本体知识库中重要类的层次结构图。

具体实施方式

一种基于本体的子装配体识别方法，如图1所示，包括如下步骤：

阶段1.本体知识库表示框架的构建和语义推理规则库的构建：

步骤A.根据装配领域知识框架构建相应的本体知识库，本体中类与类之间的属性关系对领域知识提供一致性描述。

步骤A1.根据装配领域知识，本体构建过程中类和类的关系反映了主要描述概念种类以及概念之间的包含关系(层次关系)。类主要分为两大类：一是实物类，其子类主要有零件类、部件类、子装配体类等；二是特征类，其子类主要有几何特征类、材料特征类、空间特征关系类等。几何特征又有特征面、特征孔、特征轴等类别。

步骤A2.根据装配领域知识，建立本体中概念之间的属性关系。如零件具有特定的特征元，零件之间具有特定的连接关系，特征元之间有连接关系等等。属性关系也具有层次关系，一个属性可以有多个不同的子属性。

步骤B.根据装配体中零件形成的常用刚性连接关系构建基于本体和规则语言的推理规则库。

步骤B1.根据刚性连接结构可以形成稳定子装配体的特点构建规则，推理决定此连接关系的特征元(如特征表面、特征孔轴等元素)和相应的零件对，零件对中有较大体积或重量的零件为起始零件和子装配体标志零件。在产品装配过程中，零件根据相互之间的连接关系和约束关系进行识别和安装。由于多数其他零件依附于基础零件，基础零件在装配过程中固定不动，其他零件在其基础上进行装配，因此以特定的基础零件为起始进行装配可以有效降低装配代价。装配体中基础零件(装配过程起始零件)的选择指标通常有较大的体积或重量、与其他零件较多的连接数量等，如箱体、基座等。

步骤B2.根据子装配体标志零件所包含的特征元构建规则，识别子装配体种类。其中起始零件包含子装配体标志零件，子装配体标志零件是用来在知识库中对子装配体进行唯一标示的零件。

步骤B3.根据决定连接的零件对特征元构建规则，推理与连接具有约束关系的特征元以及对应的零件，这些零件则属于此子装配体。

步骤B4.把连接零件对中的终结零件加入子装配体。

引入子装配识别概念将复杂产品的装配分层结构化，通过增加子装配体层级、缩小装配规划规模、减少“组合爆炸”从而提高装配规划效率。子装配体是指作为另一个装配体的部件的装配体，其需要满足稳定性和独立性的要求。稳定性指子装配体所包含零件在装配关系约束下能保持稳定，不会发生自分离。独立性指在装配体中子装配体与其他零件是相互独立的。

阶段2.针对具体装配体实例的本体概念实例化：

步骤C.以装配体实例输入本体进行实例化，建立类的个体以及个体之间的属性关系。

步骤C1.对特定的装配体实例，在本体知识库中对概念和属性实例化。

步骤C2.利用本体的推理能力推理隐含关系，并检验知识库的一致性。

阶段3.基于本体知识库与规则库的推理和推理结果的检索与查询：

步骤D.利用推理机对本体知识库进行推理，推理结果加入知识库。

步骤D1.利用推理机和所构建规则库，对本体进行推理。

步骤D2.推理结果写入本体知识库。

步骤E.使用规则查询语言对推理结果进行检索并输出。

步骤E1.根据所需信息构建规则查询语句。

步骤E2.利用规则查询语言对推理结果进行检索。

基于上述方法所述设计的一种本体的子装配体识别系统，包括：

(1)本体构建模块：实现领域本体的构建；

(2)规则库构建模块：构建推理规则；

(3)本体实例化：可读取本体类型文件并在本体中进行实例化；

(4)本体推理：调用本体推理机制对本体知识库进行一致性检测；

(5)规则推理：调用规则推理机对本体和规则库进行推理，并把推理结果加入本体知识库；

(6)规则查询：利用规则查询语言对知识库中的推理结果进行检索和查询；

本发明用以解决装配序列规划规模过大问题。该方法包括：利用本体对复杂装配构建本体知识框架，根据显性领域知识推理隐含知识拓展装配信息知识库；结合语义网络规则语言(SWRL)规则库，针对刚性连接结构识别子装配体。本发明能够在异构系统之间提供装配领域的一致性知识描述框架，子装配体识别层次结构化装配结构，减小装配序列规划问题规模，提高装配制造效率。

下面通过一个具体实施例，对本发明进行进一步说明：

步骤1.本体主要类以及类的关系如图2，其中owl：thing是本体编辑工具Protégé内建抽象类，是所有类的父类；产品类(Product)描述产品设计、制造、装配中的所有元素，包括部件类(Artifact)和部件特征类(Artifact_feature)两个子类；部件类又可细分为最小单元的零件类(Component)和子装配类(SubAssembly)；部件特征类(Artifact_feature)描述了部件的形状、特正面等特征元素。

步骤2.本体中属性描述概念间的关系，如类与类、类与个体和个体与个体之间的关系。本体有内建属性，如属性is_a表示某实例属于某类和类的包含关系；也可以自定义所需属性，如定义has_artifactfeature表示某类零件具有某种特征元。属性像类一样也有层次关系，如螺纹连接属性(screw)可以创建s1，s2等多个子属性。装配约束关系是子装配体与零件或零件与零件之间的装配相关信息，包含零件间连接方式、空间关系、功能特点等。零件间的连接和约束关系实质是通过零件的若干对特正元素实现相互的连接与约束。研究特征元素的连接和约束信息可以忽略零件的几何形状，在基于语义的框架下有利于属性的明确定义和推理。

步骤3.根据刚性连接类型(以螺纹连接为例)，建立规则推理固定类型的连接件对(screw_key_pair)。

Rule1:Component(？x)∧has_artifactfeature(？x，？ss)∧Helix_in(？ss)∧Comp onent(？y)∧has_artifactfeature(？y，？tt)∧Helix_out(？tt)∧screw(？ss，？tt)→screw_key_pair(？x，？y)。

零件对中被支撑的零件是终结零件，用End_of_SKP(？x)表示；支撑零件是基础零件，用Base_of_SKP(？x)表示，建立规则推理终结零件和基础零件。

Rule3:screw_key_pair(？x，？y)∧be_support(？x，？y)→End_of_SKP(？x)。

Rule4:screw_key_pair(？x，？y)∧support(？x，？y)→Base_of_SKP(？x)。

步骤4.单腔子装配体指由一对螺纹连接件决定，存在腔体且腔体与螺纹特征面具有空间约束关系的子装配体。由于腔体(Chamber)与螺纹特征面具有空间关系，腔体中子装配体的其他零件也势必与螺纹特征面有空间约束关系。连接件对与腔体等元素是识别单腔子装配体的关键。

步骤S41.建立规则推理识别连接件对中单腔基础件AC_Base_of_SKP；

Rule5:Base_of_SKP(？x)∧has_artifactfeature(？x，？ss)∧Chamber(？ss)∧has_artifactfeature(？x，？tt)∧Helix(？tt)∧co_axis(？ss，？tt)→AC_Base_of_SKP(？x)。

步骤S42.根据推理得的单腔基础件，进一步推理装配在腔体中的零件特征元，包含这些特征元的零件即属于此单腔子装配体。用part_to_AC_Base_of_SKP(？x，？y)二元关系表示零件x属于以零件y为单腔基础件的子装配体；

Rule6:Component(？x)∧has_artifactfeature(？x，？rr)∧in_chamber(？rr，？ss)∧AC_Base_of_SKP(？y)∧has_artifactfeature(？y，？ss)∧Chamber(？ss)∧has_artifactfeature(？y，？tt)∧Helix(？tt)∧has_featurereference(？ss，？tt)→part_to_AC_Base_of_SKP(？x，？y)。

步骤S43.建立规则推理属于子装配体中与连接件对装配相关的其他附件；

Rule7:Component(？x)∧has_artifactfeature(？x，？rr)∧AC_Base_of_SKP(？y)∧has_artifactfeature(？y，？ss)∧has_featurereference(？rr，？ss)∧End_of_SKP(？z)∧has_artifactfeature(？z，？tt)∧has_featurereference(？rr，？tt)→part_to_AC_Base_of_SKP(？x，？y)。

步骤S44.最后把连接件对中的终结零件加入此子装配体。

Rule8:screw_key_pair(？x，？y)∧AC_Base_of_SKP(？y)∧End_of_SKP(？x)→part_to_AC_Base_of_SKP(？x，？y)。

步骤5.复合腔子装配体是指由多对螺纹连接件决定，存在腔体且腔体与螺纹特征面无关的子装配体。例如螺栓连接的箱体等装配体都属于复合腔子装配体。复合腔子装配体的推理规则与单腔子装配体的推理思路相仿，规则类似，不再赘述。

步骤6.利用规则推理机Jess对本体知识库和规则库进行推理，推理结果会写入本体知识库。

步骤7.利用规则查询语言SQWRL，结合OWL本体语义对SWRL规则推理结果进行查询和检索。

检索单腔子装配体的SQWEL1规则如下：

SQWRL1:Component(？x)∧part_to_AC_Base_of_SKP(？x，？y)→sqwrl:select(？x，？y)。

查询结果如表1。

表1 SQWEL1查询结果

根据表1可得两个单腔子装配体，分别为零件1(Pump_body_1)标示的单腔子装配体{1，3，4，5}和零件9(Pump_cap_1)标示的单腔子装配体{9，12，1，3，14，15，16}。对复合腔子装配体的检索类似。

上述过程以刚性连接中的螺纹连接为例对本方法做出了详细说明，其他刚性连接子装配体识别过程类似，此处不再赘述。

本发明利用网络本体语言(Web Ontology Language，OWL)和语义网络规则语言(Semantic Web Rule Language，SWRL)定义装配设计本体和推理规则。产品装配信息通过概念/功能层、结构层和零件/特征层三层语义抽象进行描述，并能从装配知识库中检索装配设计意图、装配层次结构及装配关系。利用规则语义推理机制对知识库进行推理识别子装配体，并把推理结果写入本体知识库中，规则查询语言提供了对推理结果的查询与检索能力，利用本体来提高产品装配模型的共享和重用。

本说明书采用递进的方式描述，对每个方法和部分依次详细地按步骤进行了说明。通过结合附图对本发明具体实施例的描述，本发明的其它方面及特征对本领域的技术人员而言是显而易见的。