基于XML的工程數據表達方法研究＊

羅年猛，黃如金，朱 林

（華中科技大學國家CAD支撐軟件工程技術研究中心，湖北 武漢430074）

1 引言

隨著企業信息化應用的不斷深入，人們需要在文字工程數據中增加圖形符號。這些工程數據有以下特點：（1）文字和圖形混排形成一個整體，不能分開存儲，如圖1中工序內容里的粗糙度符號；（2）工程數據可能含有多個屬性值，如圖1中工序內容含有藍色和紅色的文字。（3）多段文字組合表達工程語義，如圖1中工序內容里的尺寸公差。

Figure 1 Content of process圖1 工序內容

目前，在圖形和文字混合的工程數據中，圖形主要通過圖片或轉義字符轉換成文本數據兩種方式來存儲與表達。圖片的存儲表達方式，不便于修改圖形及相關屬性。通過轉義字符轉換成文本數據的存儲表達形式，也存在以下不足：（1）當圖形類型增多時，轉義字符增多，不便于表達管理；（2）復雜的自定義圖形很難用轉義符來表達；（3）因轉義被隱藏的圖形很難修改其屬性；（4）圖形通過轉義字符表達，缺少必要的工程語義信息，不利于工程數據的快速提取。例如，AutoCAD中尺寸公差用“＾”、“/”等轉義符將上下偏差堆疊在一起；而形位公差卻采用“%%v”等轉義符分開形位符號和基準等［1］。

因此，為解決以上問題，本文針對含有圖形和文字的工程數據特點，提出了一種基于XML的工程語義表達模型，并給出了表達模型的實現框架。它既不僅能表達各種自定義的圖形，還能與其他文本信息統一集成，給工程數據的顯示以及工程語義的提取帶來了方便，為基于工程語義搜索［2］創造了條件。

2 工程數據分類

我們先來分析圖1中的工程數據，它包含圖形工程數據，而且也包含文本信息。首先將其根據工程語義進行拆分，然后根據文字和圖形各自的屬性進行拆分，拆分后如圖2所示。

Figure 2 Analysis of engineering data圖2 工程數據分析

工程數據根據其表達最終可由文字、直線、圓和曲線等基本元素構成。這些基本元素好比語言學的漢字或者單詞，若干文字、直線、圓和曲線等基本元素組合在一起，在一定的工程背景下能共同表達有意義的語義。為實現工程數據（特別是圖形和文字混合的工程數據）能基于獨立的工程語義表達模型存儲，為下一步研究基于工程語義的檢索技術［3］，實現知識推理打下基礎，在此，引入語義元、工程語義和最小工程語義等概念來表達工程數據。相關概念的定義和介紹如下。

定義1 語義元SE（Semantic Entity）指用于表達工程數據的最基本的元素，如文字、直線、圓、弧、B樣條曲線和坐標等。

語義元可分為文字和圖形等。每類語義元都有屬于自己的屬性。比如，文字語義元有字體名稱、字體大小、粗體、斜體、字符集和文字顏色等屬性，圖形類語義元，如直線，有線型名稱、線型寬度和線型顏色等屬性。每類語義元的屬性部分是該類特有的，部分屬性是相同的，比如語義元的顏色。

語義元只有在一定的工程背景下才能表達有意義的語義。如圖2中的“13.5”、“0”和“－0.1”按照一定格式組合在一起才能表達尺寸公差，否則只是基本文字元素。

定義2 工程語義ES（Engineering Semantics）指在一定工程背景下，若干語義元所表達的有意義的語義。

工程語義還可拆分成若干更小的工程語義和其它若干語義元組成，而更小的工程語義具有表達相互獨立、語義間具有上下文聯系的特點。好比文章的句子可以由很多詞組和剩下的字組成。

如圖2中“工序內容”這一工程語義由“尺寸公差”、“粗糙度”和若干文字語義元共同表達。

定義3 最小工程語義MES（Minimum Engineering Semantics）指那些表達格式標準固定，不能拆分成更小的工程語義，只能拆分成語義元的工程語義，好比語言學的詞組或者短語。

如圖2中的尺寸公差、粗糙度等都是最小工程語義，因再對其拆分，只能得到文字語義元或直線語義元。

所以根據工程數據的表達，工程數據由若干表達相互獨立且具有上下文聯系的有意義的工程語義組成，如圖3所示。

3 基于XML的工程語義建模

3.1 工程語義建模

為了滿足企業信息化的應用需求，以便表達和提取文字和圖形混合的工程數據，工程數據應包含管理屬性數據、文字屬性數據、圖形屬性數據、拓展屬性數據和工程數據內容等。為了方便分析，我們首先對最小工程語義（MES）進行建模［4，5］。

最小工程語義的模型定義為：MES＝〈MDS，PDS，CDS〉，其中，

（1）MDS（Management Data Set）是 MES的管理屬性的數據集合，包含工程語義的名稱、唯一標識符、上級工程語義的名稱、上級工程語義的唯一標識符、文件的全路徑和版本號等管理屬性。

（2）PDS（Property Data Set）是確定 MES外觀的數據集合，PDS＝〈SDS，TDS，GDS，EDS〉。

Figure 3 Classification of engineering data圖3 工程數據分類

①SDS（Space Data Set）是確定 MES的空間位置的屬性數據集合，包含空間區域中左下角坐標、空間區域的右上角坐標、空間分布的對齊方式、首行縮進、左縮進、右縮進和對正方式、欄寬度、行間距和段落間距等屬性數據。坐標可以是絕對坐標系或者相對坐標系的值。若為絕對坐標系的值，則空間位置不變，若為相對坐標系的值，空間位置由工程語義確定。

②TDS（Text Data Set）是確定MES的文字外觀的屬性集合，包含字體名稱、字體高度、字體顏色、粗體、斜體、上劃線、下劃線、字符集、追蹤、寬度因子等跟文字有關的屬性。

③GDS（Graphic Data Set）是確定 MES的圖形外觀的屬性集合，含有線型、線寬、顏色和圖層等跟圖形有關的屬性。

④EDS（Expand Data Set）是 MES的拓展屬性數據集合，含有環境、光亮度、加亮、反射和透明度等跟渲染有關的屬性和工程材料、質量、質量單位、慣性、慣性單位、體積、體積單位、表面積和表面積單位等跟力學分析有關的屬性等等。

（3）CDS（Content Data Set）是確定 MES內容的語義元數據集合，含有文字、直線、圓、弧和B樣條曲線等語義元。語義元都是參數化表達，由語義元名稱、定義外觀的PDS和定義形狀的基本參數序列表達。

①語義元的PDS與工程語義的PDS具有繼承性。比如語義有一顏色屬性為“紅色”，那么語義元的默認顏色為“紅色”，若語義元想顯示為“綠色”，只需將語義元的PDS顏色屬性定為“綠色”。這樣可保證個別語義元PDS屬性的差異性。

②基本參數序列間采用“；”隔開。比如文字只需“左下角坐標”和“文字內容”兩個參數，則可只定義其位置和形狀，兩個參數用分號隔開為“左下角坐標；文字內容”。

由于MES是表現格式，是標準的，所以為了能夠進一步簡化數據量，MES內容的確定也可由一系列的參數確定。比如表面粗糙度，可以由粗糙度類型及相關標準參數等參數序列確定。

在定義了MES表達模型之后，我們很容易得到工程數據中工程語義表達模型。

工程語義模型定義：ES＝〈MESDS〉，其中，

（1）ES（Engineering Semantics）是工程語義；

（2）MESDS（Minimum Engineering Semantics Data Set）是最小工程語義組合而成的具有工程語義的數據集合，MESDS＝ ｛MES1，MES2，…，MESn｝；

因此，工程數據的分類可如圖3所示。

3.2 模型實現語言

XML作為數據描述工具，不僅能夠完整清晰地表達產品結構和信息內容，還具有開放性、擴展性、自描述性和異構性等特點，能實現網絡環境下的工程數據的集成和共享。所以，工程語義的表達模型通過XML語言來表達實現，建立模型到XML的映射關系［6，7］。

為了更好地利用瀏覽器、產品生命周期管理PLM（Product Lifecycle Management）軟件等對XML工程數據提供支持，需要建立XML的文檔結構規范。XML Schema采用XML語法，比DTD（Document Type Definition）具有更強的描述能力、擴展能力和處理維護能力。所以，采用XML Schema語言分別對數據類型、工程語義的屬性、語義元和工程語義內容數據集合等建立XML Schema庫。

數據類型、工程語義的屬性和語義元采用XML Schema的simple Type和complex Type元素進行定義，這樣可用Type屬性重復引用這些類型［8］。下面以工程語義內容數據集合的XML Schema規范為例說明，如圖4所示。

Figure 4 XML schema specification of engineering semantics圖4 工程語義XML Schema規范

4 模型實現框架

工程語義表達模型的實現框架包括文字數據和圖形數據的輸入/修改/查詢界面、工程數據顯示界面、編譯器（XML接口組件和XML Schema規范）和數據庫四部分，如圖5所示。

Figure 5 Model framework圖5 模型實現框架

輸入/修改/查詢界面方便用戶按照模型的格式輸入、修改和查詢相關的工程數據，同時能根據事件響應XML接口組件；顯示界面接收XML接口組件傳送過來的數據，直觀顯示工程數據；編譯器主要由XML接口組件和XML Schema庫組成，XML接口組件包括工程數據接收、判斷、修改、排版計算、查詢、存儲和輸出等接口，XML Schema庫為工程數據格式的判斷標準；數據庫存儲的工程數據是基于表達模型建立的，有利于PLM的集成和共享。中，并取得了很好的效果。下面以天喻CAPP工藝卡片的應用為例進行說明。要在CAPP工藝卡片中顯示如圖1所示的工程數據，需要打開如圖6所示的二維表文字輸入界面，此界面是一個所見即所得的界面，可以直接輸入文字和特殊圖形，可以直接修改輸入的文字的屬性，如字型、大小和顏色等。而想輸入特殊圖形需要打開相應的圖形輸入界面，如圖7的尺寸公差輸入界面和圖8的粗糙度輸入界面。保存文字和圖形混合的工程數據時，還需要經過編譯器按照表達模型規則編譯后，才能夠保存到數據庫中。圖9為工程數據內容經編譯器解析后的XML數據，它將被存儲到數據庫中，以便PLM集成管理。

Figure 6 Text input interface of two－dimensional table圖6 二維表文字輸入界面

5 應用實例

該表達模型已應用到天喻CAD和天喻CAPP

Figure 7 Input interface of dimensional tolerances圖7 尺寸公差輸入界面

Figure 8 Input interface of roughness symbol圖8 粗糙度符號輸入界面

Figure 9 XML data圖9 XML數據

6 結束語

本文在分析含有圖形和文字的工程數據的特點后，提出了一種基于XML的工程語義表達模型，并給出了表達模型的實現框架，它不僅能表達各種自定義的圖形工程數據，而且還能與其他文本信息統一集成表達。該表達模型應用在CAD和CAPP等軟件中，取得了很好的效果，為進一步研究解析后的XML工程數據的查詢檢索方法，實現知識推理做好了鋪墊。

［1］ Cheng Jing.AutoCAD engineering drawings and secondary development of technology［M］.1st edition.Beijing：National Defense Industry Press，2008.（in Chinese）

［2］ Przybylinski S.CAD and analysis：Who’s on first？［C］∥Proc of PLM Market ＆Industry Forum，2012：1.

［3］ Gong Jiao－teng.The status，bottlenecks and trends analysis of network information retrieval technology［J］.Journal of Information，2004，23（5）：75－77.（in Chinese）

［4］ Dong Min－qin，Zhu Lin.CAPP card modeling in graphic environment［J］.Mechanical Engineer，2006（10）：49－51.（in Chinese）

［5］ Chen Lei，Pan Xiang，Ye Xiu－zi，et al.Ontology－based product knowledge representation and retrieval［J］.Journal of Zhejiang University（Engineering Science），2008，42（12）：2037－2042.（in Chinese）

［6］ Pan Shun，Jin Yuan－ping，Ouyang Ye.Semantic mapping from structured data to XML data［J］.Journal of Southeast University（Natural Science Edition），2002，32（3）：1－4.（in Chi－nese）

［7］ Chen Wan－ling，Chen Zhuo－ning，Bin Hong－zan，et al.The expression of process planning information and its application based on XML［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology（Nature Science Edition），2006，34（3）：46－49.（in Chinese）

［8］ Hunter D，Rafter J，Fawcett J，et al.Beginning XML［M］.4th edition.Wu Wen－guo，translation.Beijing：Tsinghua U－niversity Press，2009.（in Chinese）

附中文參考文獻：

［1］ 程靜.AutoCAD工程繪圖及二次開發技術［M］.第1版.北京：國防工業出版社，2008.

［3］ 龔蛟騰.網絡信息檢索技術現狀、瓶頸及趨勢分析［J］.情報雜志，2004，23（5）：75－77.

［4］ 董敏欽，朱林.基于圖形環境的工藝卡片建模研究［J］.機械工程師，2006（10）：49－51.

［5］ 陳磊，潘翔，葉修梓，等.基于本體的產品知識表達和檢索技術研究［J］.浙江大學學報（工學版），2008，42（12）：2037－2042.

［6］ 潘順，金遠平，歐陽曄.結構化數據到XML數據的語義映射［J］.東南大學學報（自然科學版），2002，32（3）：1－4.

［7］ 陳萬領，陳卓寧，賓鴻贊，等.基于XML的工藝信息表達方法研究與實踐［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2006，34（3）：46－49.

［8］ 亨特，拉夫特，福思特，等.XML入門經典［M］.第4版.吳文國譯.北京：清華大學出版社，2009.