復雜機電產品線纜信息本體表達與存儲分析

王發麟， 廖文和， 郭 宇， 鞠傳海

（南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016）

復雜機電產品線纜信息本體表達與存儲分析

王發麟， 廖文和， 郭 宇， 鞠傳海

（南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016）

針對復雜機電產品中線纜工程語義信息統一表達難、線纜復雜拓撲結構難以表示和存儲的問題，提出基于本體和無向圖的復雜線纜信息表達與存儲分析方法。首先建立了基于布線設計、裝配工藝規劃和仿真分析3個維度的線纜信息集成模型；然后利用本體技術對模型信息進行了本體建模，增強了線纜語義信息的表達；最后利用一種水平分割算法將線纜零件劃分成一個無向圖，在此基礎上建立鄰接表，實現了線纜零件無向圖在計算機中的存儲和表達。通過將該方法應用到某線纜零件的實際分析中，驗證了文中方法的可行性。

線纜；本體；無向圖；信息集成模型；復雜機電產品

線纜作為傳輸能量和信號的介質，被大量應用于航空、航天、汽車、船舶等各類復雜機電產品中，是連接電子設備與各分機模塊的“紐帶”，線纜的優化布局和裝配質量已成為衡量產品整機性能和可靠性的一個重要指標[1-2]。在工程應用中，線纜具有復雜的拓撲結構，涵蓋了大量的幾何拓撲信息、工程語義信息和分散的布線信息。工程語義信息的不一致性、線纜拓撲結構的復雜性以及線纜在計算機中的難以存儲表示，是制約線纜虛擬布線設計與裝配過程仿真的主要因素。對上述信息建立一個統一的信息集成模型，并對模型信息采用適當的方法進行工程語義表達，解決線纜拓撲結構的表示和存儲問題，是實現線纜三維布線設計、裝配工藝規劃和仿真分析的基礎，也是建立復雜機電產品數字化樣機的信息基礎。

為此，國內外一些學者圍繞線纜拓撲結構的表示及信息模型的建立作了相關的研究。如 Conru[3]將線纜的布局問題分解為線纜拓撲結構的生成和線纜敷設兩部分，并提出了以無向圖的形式來表達線纜的拓撲結構，但因受限于當時的技術條件而并未實現；Hergenr?ther和Dahne[4]建立了用于虛擬環境中交互式布線設計中的線纜定長模型，同時提出將線纜束分為簡單的線纜段以表達其整體結構，但是該文獻沒有對線纜信息的語義進行表達；魏發遠等[5]建立了一個面向虛擬布線的電纜信息模型，該模型由電氣模型、拓撲模型和幾何模型等3個部分組成，但文中沒有對線纜拓撲結構的建立及存儲過程進行論述；萬畢樂等[6]對導線、線束和導線單元等元素進行了定義，并建立了基于離散控制點的線纜模型，實現了對線纜主干、分支結構和導線信息的表達，但該模型對線纜結構的表達因導線的定義不同而不同，且在通用性、信息可拓展性等方面也受到較多的限制；王金芳等[7]根據線纜在復雜機電產品中存在方式和面向對象的建模思想分別建立了基線纜信息模型和線纜分支信息模型，體現了線纜信息的層次性，但也只限于信息的層次分類上，對信息語義并未處理；尚煒等[8]提出了一種以拓撲結構信息為骨架的線纜數字化模型，該模型雖然通過線纜基本元素間的包含關系和連接關系無向圖建立了線纜的拓撲結構信息，但對于線纜拓撲結構圖的建立過程并沒有進行詳細闡述；劉佳順等[9]在分析線纜設計與制造流程的基礎上，提出了一種虛擬環境下復雜線纜的集成信息模型，對不同類型的線纜信息進行了梳理，而對信息語義存在的沖突性和不一致性沒有進行分析。

上述研究成果分別從線纜建模的不同方面進行了研究，但在線纜工程語義信息的不一致性和線纜拓撲結構表示及存儲的解決方面還有待進一步研究。本文在前人研究的基礎上提出基于本體和無向圖的復雜線纜信息表達與存儲分析方法。該方法首先從布線設計、裝配工藝規劃和仿真分析 3個維度建立線纜信息集成模型(cable harness information integrated model, ChIIM)；為增加線纜在布局設計和裝配過程仿真及分析中的語義信息，利用本體技術對線纜信息進行本體建模；最后利用一種水平分割算法將線纜零件劃分為一個無向圖，通過建立無向圖的鄰接表來實現線纜零件無向圖在計算機中的存儲和表達。該方法能較好地解決工程實際中線纜語義信息統一表達難和線纜的存儲問題，從而滿足在布線設計、工藝規劃和仿真分析中對線纜信息有效檢索的要求。

1 線纜信息集成模型

在復雜機電產品設計中，線纜因其具有柔性特性而包含大量的信息，線纜信息的完整性和良好的語義表達是開展基于產品數字樣機的線纜虛擬布線設計、線纜裝配工藝規劃和線纜裝配過程仿真及分析的重要前提條件。本文遵從“產品設計→工藝規劃→產品加工”的實際產品研制流程，從布線設計、裝配工藝規劃和仿真分析3個坐標維度建立了ChIIM，如圖1所示。

ChIIM主要描述了線纜各種屬性的相關信息，如線纜幾何信息、線纜拓撲信息、線纜物理屬性信息、電氣功能信息、線纜材料信息、輔助材料信息等，每一類信息又包含更多表征線纜實際工作狀態的信息內容。在含有柔性線纜的復雜機電產品系統的裝配仿真過程中，布線設計決定了裝配工藝，裝配工藝是進行裝配過程模擬的依據，而ChIIM的建立則是上述工作開展的基礎和前提條件，是每一階段所需的數據來源。

為保證極其復雜的產品設計在最短的設計周期內盡量達到性能最優，應盡可能地在產品的系統設計階段即引入仿真分析，以幫助設計人員及早發現問題。相較于傳統的將與線纜相關的信息進行羅列而生成的模型，基于布線設計、工藝規劃和仿真分析3個維度而建立的ChIIM不僅將線纜的相關信息進行了集成表達，實現在布線設計-工藝規劃、工藝規劃-仿真分析、布線設計-仿真分析這3個層面進行信息的多次、循環調用，而且更能體現出3個不同研制階段（布線設計、工藝規劃和仿真分析）的內在關聯性。

需要指出的是，在復雜機電產品的設計過程中，除了線纜信息作為數據來源外，剛性組件裝配信息和電氣組件信息也是必不可少的數據來源。因此，在上述ChIIM中對這兩類信息進行了擴展，如電氣組件信息包括組件的CAD模型、組件統一ID號、組件名、電氣接口等；剛性組件裝配信息包括各機械零部件、電氣元器件間的相對位置和方向定位關系以及各機械零部件、電氣元器件參與裝配的局部幾何結構之間的配合關系等。

圖1 線纜信息集成模型

2 線纜信息本體建模

本體是共享概念模型的明確形式化規范說明[10]，是目前廣泛接受的語義 Web知識表示方法，具有很強的語義表達能力，能夠描述概念與概念之間的繼承(is-a)關系、部分與整體(part-of)關系、概念實例與概念(instance-of)關系以及概念的屬性(attribute-of)關系。本體確定了該領域內共同認可的概念明確定義，通過概念之間的關系描述了概念的語義，其任務是對某種形式化描述的近似，以建立一套計算機可以識別并理解的“機器描述”，從而使得人與人之間、人與機器之間以及機器與機器之間不但可以基于語法上而且可以基于語義上的交互。在針對復雜機電產品開展并行設計過程中，需要多次用到線纜相關信息，這些信息有的是本領域的知識，有的是其他領域的知識；有的是本地數據庫、本地信息模型里的知識，有的是異地數據庫、異地信息模型里的知識。這些不同存儲源、不同層次的線纜設計信息之間由于其差異性導致的語義沖突和不一致，會造成設計過程中數據共享和數據重用困難等問題。因此，對于線纜信息所涉及的數據多、模型亂和系統異構等問題，本體技術可以通過建立統一模型對與線纜相關的信息進行組織，解決線纜工程語義信息的不一致，以最大限度實現數據共享，大幅提高線纜設計信息的使用效率。

基于 ChIIM的線纜信息本體建模可以從線纜類型和線纜信息分類2個大方面進行分析?！熬€纜類型”本體類描述了工程實際中常用的線纜表現形式，主要包括單芯導線、多芯線纜、扁平線纜以及線束等4類子本體。“線纜信息分類”本體類按照 ChIIM 的分類表示法，主要由線纜幾何信息、線纜拓撲信息、線纜物理屬性信息、線纜管理信息、線纜輔助材料信息等組成。每一個子本體類可以再細劃分為子子本體，如“線纜幾何信息”本體類可以細劃分為線纜分支空間路徑、線纜分支情況、分支空間位姿、分支截面形狀、分支截面大小等；“分支截面形狀”本體類又可以細劃分為圓形、扇形等。“物理屬性信息”本體類可以細劃分為線纜密度、抗彎特性、抗拉特性、最小折彎半徑等?！熬€纜管理屬性信息”本體類可以細劃分為線纜名稱、線纜代號、技術要求、設計版本等?；?ChIIM的線纜信息本體模型如圖2所示。

圖2 線纜信息本體模型（部分）

圖2中“線纜標識”類用來唯一標識該線纜信息（規格型號等）；“信息描述”類主要幫助設計人員對線纜信息的理解；圓形、扇形和瓦形以實例形式附屬于“分支截面形狀”本體類。例如，在一項復雜機電產品設計任務中，設計人員被要求設計一根型號為BVV的銅芯聚氯乙烯絕緣氯乙烯護套圓形線纜，要求包括線纜類型為多芯線纜，芯線數為3根，截面形狀為圓形，最小折彎半徑為0.5 mm，單根導線直徑為2.5 mm，護線套為絕緣膠帶。設計信息的本體表達如下。

＜線纜設計信息 rdf:ID="多芯線纜的設計"＞

＜線纜標識 rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#string"＞spool標識365＜/線纜標識＞

＜信息描述 rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#string"＞

設計一根型號為BVV的銅芯聚氯乙烯絕緣氯乙烯護套圓形線纜

＜/信息描述＞

＜規格＞

＜線纜類型設計 rdf:ID="多芯線纜設計"＞

＜類型 rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#string"＞多芯＜/類型＞

＜/線纜類型設計＞

＜/規格＞

＜規格＞

＜電氣參數設計 rdf:ID="多芯線纜電氣參數設計"＞

＜芯線數 rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#int"＞3＜/芯線數＞

＜截面形狀 rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#string"＞圓形＜/截面形狀＞

＜單根導線直徑 rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#float"＞2.5＜/單根導線直徑＞

＜物理屬性＞

＜最小折彎半徑 rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema# float"＞ 0.5 ＜/最小折彎半徑＞

＜/物理屬性＞

＜/規格＞

＜輔助材料＞

＜護線套 rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#string"＞絕緣膠帶＜/護線套＞

＜/輔助材料＞

＜/線纜設計信息＞

3 線纜拓撲結構表示及存儲

3.1 線纜圖像劃分及無向圖建立

線纜拓撲結構中包含線纜圖像特征最有效的數字化信息。為了表達線纜的拓撲結構，建立一個信息完整的線纜數字化模型，文獻[3,8,11-12]進行了相關的研究，雖然對線纜無向圖的建立及存儲方法有所提及，但只停留在方法的表述上，具體的無向圖建立過程沒有作詳細介紹和分析。

本文以圖3中某三維線纜零件作為劃分對象，采用文獻[13-14]提出的劃分算法對線纜圖像進行劃分，并在線纜劃分結果的基礎上建立線纜的無向圖，用圖論的思想[15]來表達線纜零件的拓撲結構。因篇幅有限，具體的劃分步驟在此省略。

圖3 某三維線纜零件

按照上述劃分算法將圖 3劃分成圖 4(b)中CabS1,CabS2,…,CabS9共9個線纜段部分(這里只考慮圖4(b)中Ⅰ區域所示線纜零件)。

圖4 線纜零件劃分圖像及無向圖的建立

用無向圖的頂點來表示線纜段的端點及線纜段與線纜段之間的連接點，用無向圖的邊（或?。﹣肀硎径它c與連接點（或連接點與連接點）之間的關系。如果線纜段連接點間是上下緊密相連的，則端點或連接點所對應的頂點之間存在邊，否則就不存在。令G表示無向圖，V表示頂點集，E表示邊（或?。┘?， vi表示頂點， ei表示邊。利用上述無向圖建立方法，對圖4(a)、(b)建立的線纜無向圖如圖4(c)所示。為方便下文線纜無向圖的存儲分析，將圖4(c)單獨表示成如圖5所示。其中邊ei(·)括號內的數值代表該段線纜展平后的長度。

圖5 線纜零件無向圖

根據上述分析，有：線纜無向圖G=(V,E)；頂點集V(G)={v1,v2,…,v10}；邊集E(G)={e1,e2,…,e9},或E(G)={(v1,v2,8),(v1,v3,10),(v1,v4,6),(v1,v5,16), (v5,v6,20),(v6,v7,18),(v7,v8,15),(v8,v9,7),(v8,v10,9)}。上述邊的集合E(G)中，每個元素的第3個分量表示該邊的權值(長度值)。

3.2 線纜無向圖的存儲

關于圖的存儲表示方法有很多種，常用的有3種：鄰接矩陣(adjacency matrix)、鄰接表(adjacency list)和鄰接多重表(adjacency multilists)。對圖5中的線纜零件無向圖分析可得無向圖G的鄰接矩陣為：

對()AG求平方，得：

首先對A2(G)進行分析。由A2(G)的主對角線上元素非零可知，每個頂點vi(i=1,2,…,10)都有長度（此處“長度”表示邊的數量）為2的回路，其中頂點 v1有4條，分別為：v1v2v1、 v1v3v1、 v1v4v1和v1v5v1；頂點 v5、v6和 v7各有2條，分別為：v5v1v5和v5v6v5、v6v5v6和v6v7v6、v7v6v7和v7v8v7；頂點 v8有3條，分別為：v8v7v8、v8v9v8和v8v10v8；頂點 v2、v3、v4、v9和 v10只有1條，分別為：v2v1v2、v3v1v3、v4v1v4、v9v8v9和v10v8v10。分析每個頂點的回路數，有助于對圖G的連通性和不同頂點所屬的連通分支進行判斷，進而判斷線纜段之間的連接和分支情況。

記無向圖的邊數為N(E)，頂點數為n，易知N(E)=9，n=10，鄰接矩陣A(G)中的元素個數為n×n=100。由于N(E)＜＜n×n，邊的數目相對于A(G)中的元素個數比較少，鄰接矩陣里存儲了較多的無用信息，使用鄰接矩陣存儲會浪費較多的存儲空間，而用鄰接表存儲則可以節省較多的存儲空間。因此，本文采用鄰接表的形式來存儲線纜零件無向圖。

(1) 建立頂點數組。頂點數組用來記錄線纜零件無向圖中各個頂點的信息。數組元素下標從0開始計起。對于圖5中的線纜零件無向圖，頂點集為V(G)={v1,v2,…,v10}，數組元素下標為0,1,…,9。據此建立的頂點數組如圖6所示。

圖6 線纜無向圖的頂點數組

(2) 建立鄰接表。在線纜無向圖頂點數組的基礎上，建立圖5所示無向圖對應的鄰接表如圖7所示。在鄰接表的頂點數組中，每個元素有兩個成員：一個成員用來存儲頂點信息；另一個成員為該頂點的邊鏈表的表頭指針，指向該頂點的邊鏈表。如果沒有從某個頂點發出的邊，則該頂點沒有邊鏈表，因此表頭指針為空(用符號“∧”表示)。此外，為了在鄰接表中將邊的權值也進行存儲，在邊結點中增加了一個存儲單元，如邊結點中的中間數值“8”即代表邊的權值。

(3) 線纜無向圖最短路徑搜索。最短路徑問題要解決的就是求加權圖G=(V,E,W)(W表示邊ei上的權值)中兩個給定頂點之間的最短路徑。為實現對線纜拓撲結構中某些特定信息的查詢，如任意兩頂點間的最短路徑搜索、通路搜索等，可利用Floyd-Warshall算法[16]求得。Floyd-Warshall算法用于求解任意兩點間的最短距離，算法通過考慮最佳子路徑來得到最佳路徑，其時間復雜度為O(n3)(n為頂點數)。

圖7 線纜無向圖的鄰接表

4 方法驗證

利用Visual C++6.0開發環境，在鄰接表存儲算法基礎上，分別輸入線纜零件無向圖中的頂點數：10；邊數：9；所有頂點下標：0，1，…，9；每條邊所連接的頂點對：(0, 1)、(0, 2)、(0, 3)、(0, 4)、(4, 5)、(5, 6)、(6, 7)、(7, 8)、(7, 9)。運算結果如圖8所示。通過比較圖8的運算結果和本文所建立的線纜無向圖的鄰接表(圖 7)可知，兩者的結果一致，表明本文建立的無向圖鄰接表可以有效地對線纜無向圖進行存儲。需要說明的是，權值的存儲在這里不作考慮。

圖8 線纜無向圖鄰接表的存儲實現

為求解線纜拓撲結構中任意兩頂點間的最短路徑值，由圖5可得線纜無向圖G的權值矩陣為：

其中，元素wij(1≤i,j≤10)表示邊vivj上的權值。若頂點 vi與頂點vj無連邊，則 wij=∞。據此利用Floyd-Warshall算法可求出某一固定頂點到各個頂點之間的最短距離值。本文中將頂點 v6設置為固定點，從而求得頂點v6到其他各個頂點(v1,v2,…,v10)之間的最短距離值分別為：36、44、46、42、20、0、18、33、40、42，其中值為“0”的數表示頂點 v6到自身的距離。同時求得各條路徑所經過的頂點分別為：v6→v5→v1→v1（對應最短距離值36）、v6→v5→v1→v2（對應最短距離值44）、v6→v5→v1→v3（對應最短距離值46）、v6→v5→v1→v4（對應最短距離值42）、v6→v5→v5（對應最短距離值20）、 v6（對應最短距離值0）、v6→v7（對應最短距離值18）、v6→v7→v8（對應最短距離值33）、v6→v7→v8→v9（對應最短距離值40）、v6→v7→v8→v10（對應最短距離值 42）。重復的頂點視為一個頂點。

5 結 束 語

線纜因具有復雜的拓撲結構和幾何形態、繁雜的工程語義信息而使得線纜的信息建模成為順利開展布線設計、裝配工藝規劃和仿真分析的一個重要前提。本文提出了一種基于本體和無向圖的復雜線纜信息表達與分析方法，該方法從布線設計、裝配工藝規劃和仿真分析 3個維度建立ChIIM，從本體建模技術的角度分析并建立了線纜的工程語義信息本體模型，通過建立鄰接表來實現線纜零件無向圖在計算機中的存儲和表達。該方法能較好地解決工程實際中線纜語義信息統一表達難和線纜的存儲問題。

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Stored Analysis and Ontology Expression of Cable Harness Information for Complex Mechatronic Products

Wang Falin, Liao Wenhe, Guo Yu, Ju Chuanhai

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China)

It was difficult to afford unified expression and storage for semantic information and complex topological structure of the cable harness in complex mechatronic products. Aiming at this problem, a method of expression and stored analysis on complex cable harness information based on ontology and undirected graph was proposed. A cable harness information integrated model based on three-dimensional degrees of wiring design, assembly process planning and simulation analysis was established firstly. Then the expression of cable harness semantic information was enhanced through the ontology modeling of the model information by using the ontology technology. Finally, divide the cable harness part into an undirected graph by using a horizontal split algorithm. On this basis, an adjacency list of undirected graph was built, and the storage and expression of the cable harness undirected graph in the computer were realized. A certain cable harness part was taken as the application case to verify the feasibility of this method.

cable harness; ontology; undirected graph; information integrated model; complex mechatronic products

TP 391

A

2095-302X(2015)03-0376-08

2014-09-14；定稿日期：2014-12-10

國防基礎科研資助項目；江蘇省研究生培養創新工程資助項目(KYLX_0311)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目

王發麟(1986-)，男，江西吉安人，博士研究生。主要研究方向為數字化制造技術、虛擬裝配。E-mail：wj54nh@sina.com