0 引言

大規(guī)模定制(Mass Customization，MC)的關(guān)鍵技術(shù)之一是盡可能減少產(chǎn)品的內(nèi)部多樣化，用大量的標(biāo)準(zhǔn)件和通用件組成個性化的產(chǎn)品。為保證質(zhì)量和降低成本，要求這些標(biāo)準(zhǔn)件和通用件盡可能由專業(yè)化的零件供應(yīng)商提供。在這種背景下，產(chǎn)生了一種新的需求和協(xié)作模式：面向大規(guī)模定制的整機企業(yè)需要在產(chǎn)品設(shè)計時就快速得到各種價廉物美的標(biāo)準(zhǔn)件和通用件的數(shù)據(jù)；而專業(yè)化零件供應(yīng)商需要讓盡可能多的企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計時就選用自己生產(chǎn)的零件。為了滿足雙方的需求，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推動下，一種新的系統(tǒng)基于Web的零件庫應(yīng)運而生。

調(diào)查表明，80%的美國工程師希望零件供應(yīng)商可以通過網(wǎng)絡(luò)提供現(xiàn)成的2維或3維計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)零件文件；60%的受調(diào)查者承認(rèn)他們傾向于選擇提供了此類服務(wù)的供應(yīng)商；在被下載的3維模型文件中，大約80%～90% 的模型被加入到企業(yè)用戶的設(shè)計方案中，并被購買。

基于Web的零件庫系統(tǒng)是一種專業(yè)工程網(wǎng)站，它為零件供應(yīng)商提供了一個存儲其所生產(chǎn)零件的技術(shù)說明文檔及CAD模型的平臺，并對零件的各種信息進(jìn)行了詳細(xì)描述。產(chǎn)品設(shè)計人員在工程設(shè)計時，能夠通過該網(wǎng)站搜索需要的某些零件，并將得到的CAD文件下載到本地計算機，然后導(dǎo)入到自己的CAD設(shè)計軟件中使用。為滿足不同用戶的需求，不僅下載的CAD 文件以多種形式提供，而且提供DXF，JPG，GIF等格式的2維及虛擬現(xiàn)實建模語言(Virtual Reality Modeling Language，VRML)等格式的3維預(yù)覽功能。同時，網(wǎng)站還提供許多與零件相關(guān)的信息，如材質(zhì)、型號和制造廠商等。對設(shè)計人員來說，可以加快產(chǎn)品設(shè)計，提高產(chǎn)品質(zhì)量；對零件供應(yīng)商來說，既滿足了客戶的要求，又達(dá)到了銷售和宣傳自己產(chǎn)品的目的。

基于Web的零件庫目前在國外已經(jīng)有商品化的應(yīng)用，例如，Web2CAD提供了4千多萬個機械零件CAD模型供用戶免費下載。國內(nèi)零件庫的應(yīng)用情況不盡如人意，現(xiàn)有的基于Web的零件庫數(shù)量不多，而且內(nèi)容、功能和結(jié)構(gòu)都與國外存在很大差距。

本文對基于Web的零件庫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)等相關(guān)問題進(jìn)行了研究與探討，提出了一種可行的解決方案。

1 基于Web的零件庫的建立

1.1 零件族的構(gòu)建

在面向MC的產(chǎn)品開發(fā)中，新零件的設(shè)計是以零件族為基礎(chǔ)的。零件族的建立過程是：對零件的幾何形狀進(jìn)行相似性分析；在對零件功能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出能滿足零件族變型要求的CAD模板。零件族可以減少零件種類，簡化零件庫，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，而且可以使供應(yīng)商形成較大的零件批量，取得規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，為MC中的產(chǎn)品變型設(shè)計和配置設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。

根據(jù)GB/T17645142，零件族層次結(jié)構(gòu)應(yīng)被組織成一個具有單一繼承關(guān)系的樹狀結(jié)構(gòu)(或稱零件樹)，按分類層次的高低將零件族分為零件類屬族和零件相似族兩部分。零件類屬族的層次數(shù)目不受限制，而零件相似族位于零件族的最底層。

零件相似族是通過事物特性表和幾何圖形模板(即對應(yīng)的零件相似族CAD模板) 來描述的，如圖1所示。幾何圖形模板描述了零件族的幾何圖形信息和拓?fù)湫畔?，而零件的尺寸參?shù)、材料和成本等非幾何信息(也是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù))則借助事物特性表來表達(dá)。

德國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(DIN) 為建立CAD標(biāo)準(zhǔn)件庫，發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)件和通用件的DIN 4000標(biāo)準(zhǔn)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)以此為基礎(chǔ)，制定了一個關(guān)于計算機可解釋的零件庫數(shù)據(jù)表達(dá)和交換的國際標(biāo)準(zhǔn)——ISO13584。目前，在零件庫的建立中還沒有解決的問題是：不同企業(yè)所建立的零件族間存在相似性，但在零件庫中并沒有很好地反映出來，零件庫的有序化程度較低，因而在搜索某種零件族時，不僅查詢工作量很大，難以查全，也不利于企業(yè)間進(jìn)一步合作。

1.2 基于事物特性表的零件描述

事物特性指表征產(chǎn)品(包括部件和零件)幾何特性、功能特性和制造特性的信息集合。事物特性表是為建立零部件的數(shù)據(jù)庫而采用表格形式對零部件進(jìn)行特性描述的ASCII文件。目前，基于事物特性表描述的零件主要以數(shù)據(jù)表的形式保存于數(shù)據(jù)庫中，稱為事物特性一覽表。

當(dāng)完成創(chuàng)建零件相似族節(jié)點后，需要定義其事物特性表。創(chuàng)建零件相似族事物特性表時應(yīng)該仔細(xì)分析零件的特性，以標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和模塊化的原則為指導(dǎo)。事物特性表所描述的內(nèi)容應(yīng)該是使用最頻繁、最重要的特性，而不是所有特性。

1.3 基于語義特征的零件描述

以事物特性表的形式描述零件還不足以充分表達(dá)零件各方面的特征，特別是一些功能和工藝上的特征。因此，筆者以零件分類編碼系統(tǒng)JLBM-1為基礎(chǔ)，將語義編碼、層次結(jié)構(gòu)的柔性編碼等結(jié)合進(jìn)去，創(chuàng)建了一種新的零件特征描述方法，稱為零件語義特征描述。使用針對零件功能和結(jié)構(gòu)的語義特征關(guān)鍵詞組合來描述零件，特別適合于描述企業(yè)中的非標(biāo)準(zhǔn)件。

圖2為基于語義特征的零件描述示意圖，該圖利用零件功能和結(jié)構(gòu)的語義特征關(guān)鍵詞的組合來說明零件族的特點。這種描述方式可以與基于事物特性表的零件描述互為補充。

1.4 基于本體的零件描述

概念是人類在認(rèn)識世界的過程中，對某個事物進(jìn)行抽象和歸納后形成的理解，是人的頭腦中的抽象認(rèn)知。而本體是對概念、概念之間關(guān)系的明確的規(guī)范化描述。本體的作用主要體現(xiàn)在信息檢索和知識共享等領(lǐng)域。用本體描述對象的重要意義在于“本體消除了對象描述的歧義”，使得諸多表達(dá)方式可以通過本體達(dá)到概念上的一致。

在Web零件庫中，每個企業(yè)自成體系地分別構(gòu)建本企業(yè)的零件類屬族和零件相似族。由于企業(yè)中命名體系或標(biāo)準(zhǔn)的多樣化，導(dǎo)致了零件族名稱和結(jié)構(gòu)的混亂。如圖3所示，墊圈有多種叫法。本文將這種現(xiàn)象稱為“概念的多種表稱”。

在開放、自組織的Web零件庫中，統(tǒng)一零件族結(jié)構(gòu)和名稱顯然是不現(xiàn)實的。本文引入“關(guān)聯(lián)本體”的概念來解決這個問題。所謂關(guān)聯(lián)本體就是在零件族定義中，與某個零件族節(jié)點表達(dá)相同概念、具有不同名稱的本體。以圖3為例，將墊片作為本體表達(dá)的標(biāo)簽，那么墊圈、瓦絲等則為關(guān)聯(lián)本體。由于本體可以明確概念之間的關(guān)系，關(guān)聯(lián)本體與本體進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即使不同企業(yè)的零件族結(jié)構(gòu)有所不同，也不會影響本體庫中的概念關(guān)系。

因此，在Web零件庫中應(yīng)用本體和關(guān)聯(lián)本體的概念，能夠部分地解決ISO 13584想要解決企業(yè)零件族統(tǒng)一描述的問題，可以大大提高根據(jù)零件族名稱進(jìn)行檢索的查全率，有助于零件標(biāo)準(zhǔn)化。由于本體描述了概念之間的關(guān)系，如果引入本體推理引擎，還可以進(jìn)行上下位推理和關(guān)聯(lián)推理等。

2 Web零件庫的總體設(shè)計

Web零件庫(WebParts Library，簡稱WebParts)是筆者開發(fā)的基于Web的零件庫系統(tǒng)，其主要構(gòu)成如圖4所示。

圖 Web零件庫的主要構(gòu)成

(1)零件庫管理系統(tǒng) 通過零件庫管理系統(tǒng)，供應(yīng)商可以管理本企業(yè)的零件族，定義并編輯零件事物特性表，管理零件事物特性一覽表，給定零件族的語義特征描述等。

(2)零件信息庫與供應(yīng)商信息庫 零件信息庫主要存放零件的各種結(jié)構(gòu)化信息，如零件名稱和材料等；供應(yīng)商信息庫中包括企業(yè)的登錄帳號、聯(lián)系人和電話等。這兩個信息庫實際上位于同一個數(shù)據(jù)庫中。

(3)零件相似族CAD文件/圖形庫 該庫實質(zhì)上是零件相似族對應(yīng)的零件CAD模型及2維示意圖在服務(wù)器硬盤上的集合。同時，供應(yīng)商可以上傳WRL格式的零件文件，這樣，普通用戶就可以利用VRML插件直接在瀏覽器中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大和縮小等瀏覽操作。

(4)零件CAD文件庫 具體的零件對應(yīng)為零件族事物特性一覽表中的某一行數(shù)據(jù)，企業(yè)可以下載其對應(yīng)的CAD文件，該CAD文件并不需要支持參數(shù)化，其尺寸一般已經(jīng)限定。

(5)信息發(fā)布平臺 供應(yīng)商和普通用戶可以分別在此發(fā)布某些特殊零件的供需信息。

(6)信息搜索引擎 支持Web零件庫中的查詢服務(wù)，可以支持基于本體的檢索。

(7)零件本體庫 本體庫是零件本體及其關(guān)系的集合，還包括關(guān)聯(lián)本體庫。

利用層次結(jié)構(gòu)模型來描述Web零件庫，主要包括界面層、頁面服務(wù)器、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層4個層次(如圖5)。

圖 Web零件庫的體系結(jié)構(gòu)

3 零件本體的應(yīng)用

企業(yè)零件族中的零件相似族相當(dāng)于本體，則以事物特性表進(jìn)行描述的具體零件為對應(yīng)的實例。

3.1 本體建模工具和操作語言的選擇

根據(jù)對不同本體描述語言的支持，也可以簡單地將本體開發(fā)工具分為基于人工智能(Aritificial Intelligence，AI)的本體開發(fā)工具和基于Web的本體開發(fā)工具兩種?；贏I的本體開發(fā)工具包括Onto lingua和OntoSaurus等，基于Web的本體開發(fā)工具包括 Protégé和OntoEdit等。Protégé是一個開放源代碼工具，完全用Java實現(xiàn)。它實現(xiàn)了可視化本體編輯；支持多重集成，并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢查；具有很強的可擴展性；輸出格式靈活多樣，包括可擴展標(biāo)記語言(eXtensible Markup Language，XML)、資源描述框架(模式)(Description Framework(Schema)，RDF(S))、OIL(ontology interface layer)、美國國防部高級研究計劃局Agent標(biāo)記語言(DARPA Agent Markup Language，DAML)、DAML+OIL和Web本體描述語言(Web Onto logy Language，OWL)等；支持?jǐn)?shù)據(jù)庫存儲本體和實例。Protégé基本上成為國內(nèi)外眾多本體研究機構(gòu)的首選工具。事實上，目前幾乎所有國外開發(fā)的本體建模工具都不支持中文本體，而選擇開放源代碼的Protégé有利于解決該問題。

Protégé適用于可視化創(chuàng)建本體，這是建立在Frame基礎(chǔ)上的，但是在具體的工程應(yīng)用中，并不適合作為本體庫、實例庫動態(tài)添加和編輯的工具。WebParts中使用由HP實驗室Semantic Group開發(fā)的Jena對基于RDF(S)、DAML+OIL和OWL的本體進(jìn)行操作。Jena實際上是一組Java應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface，API)，能夠用來創(chuàng)建和操縱本體對象。Jena用對象類來表示圖、resource、property和literal，用于表達(dá)后三者的接口分別叫做Resource，Property和Literal，而圖被表示為一個model。Jena也是開放源代碼的。

ISO于2004年2月正式推薦OWL來描述本體。OWL具有3個子語言——OWL Lite，OWLDL和OWL Full。前者分別為后者的子集，OWLDL可以支持推理。WebParts使用OWL Full來表達(dá)本體和關(guān)聯(lián)本體。Protégé和Jena 都支持OWL描述的本體。

3.2 零件本體庫的構(gòu)建

首先使用Protégé建立一個零件初始本體庫，以O(shè)WL文件保存本體。本體庫具有良好的開放性，在后續(xù)階段可以使用Jena API來讀寫本體庫。

為了降低本體庫建立的工作量和難度，零件本體僅描述零件的名稱和簡介，不對零件族提供關(guān)于功能、結(jié)構(gòu)特征的本體描述，因此對于企業(yè)通用件僅建立一個通用件的大類。

3.3 零件關(guān)聯(lián)本體庫的實現(xiàn)和本體庫的擴展

零件關(guān)聯(lián)本體庫的構(gòu)造和零件本體庫的擴展是在Web零件庫的應(yīng)用中逐步實現(xiàn)的。

企業(yè)創(chuàng)建通用零件族時，輸入零件族節(jié)點的名稱和說明，然后根據(jù)需要進(jìn)行零件族節(jié)點的語義特征描述。

3.4 基于本體的零件檢索

使用本體的目的是提高檢索的查全率，實現(xiàn)多種推理檢索。WebParts中的零件檢索并不是針對具體的零件實例，而是針對零件族的。

傳統(tǒng)的查詢以關(guān)鍵詞匹配和布爾查詢?yōu)橹?，無法實現(xiàn)同義概念(螺母、螺帽)、上下位概念(螺釘、內(nèi)六角螺釘)的檢索，因而在WebParts中，提出多層次的檢索模型。

(1)零件語義特征匹配 根據(jù)零件的功能結(jié)構(gòu)特征關(guān)鍵詞組合進(jìn)行匹配查詢，得到滿足匹配條件的零件族本體關(guān)鍵詞。

(2)語義檢索 采用基于本體的語義檢索方式，能檢索出與用戶查詢中所表達(dá)的具有同義、上下位等語義關(guān)系的實例信息。語義檢索包括4個方面：①同義擴展檢索。如第1.4節(jié)所述，表達(dá)同一概念的零件族節(jié)點可能有多種名稱表達(dá)方式，分別為本體和關(guān)聯(lián)本體，同義擴展將有關(guān)本體的關(guān)聯(lián)本體檢索出來。②語義蘊涵檢索。本體概念之間存在上下位關(guān)系，蘊涵是下位關(guān)系。例如，用戶輸入“螺栓”，要求把所有符合條件的六角頭螺栓、內(nèi)六角螺栓和沉頭螺栓等全列出來。③語義外延檢索。根據(jù)蘊涵檢索，輸入“六角頭螺栓”，外延檢索時需要把滿足條件的螺栓列出。④語義聯(lián)想檢索。概念的并列關(guān)系檢索，例如輸入“螺栓”，檢索“螺釘”，也就是將父節(jié)點本體的所有子類本體檢索出來。

(3)精確檢索 即精確匹配，通過前面的檢索過程，可以得到一個本體列表，通過這個本體列表逐一構(gòu)建對應(yīng)的零件族的樹，樹的底端是零件相似族，它與零件實例相對應(yīng)。

在語義檢索中，WebParts的本體推理搜索引擎利用本體讀寫 API(jena ontology API)對以O(shè)WL文件格式保存的本體庫和關(guān)聯(lián)本體庫進(jìn)行查詢操作。

4 Web零件庫中的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于HTTP隧道的對象串行化通訊

在WebParts的客戶端，大量使用Java applet來完成零件樹的生成、事物特性表的定義與編輯，以及零件事物特性一覽表的顯示等功能，服務(wù)器則使用Java Servlet，因此WebParts主要的通訊問題存在于applet與Servlet之間?；趲追矫婵紤]，決定采用基于HTTP隧道的對象串行化通訊方式來實現(xiàn)applet與Servlet之間的數(shù)據(jù)交換。

(1)基于HTTP隧道的通訊過程

客戶端的applet首先要創(chuàng)建一個到服務(wù)器Servlet的HTTP鏈接(URLConnection)，基于此打開一個輸出流DataOutputStream——即建立HTTP通訊隧道，然后將想要傳遞的參數(shù)以“?paramName=param Value&paramName2=paramValue2”的形式，通過當(dāng)前打開的輸出流傳遞到服務(wù)器Servlet上。Servlet解析出來自客戶端的請求參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的邏輯操作，將結(jié)果以序列化了的對象形式，通過基于HTTP隧道的輸入流DataInputStream返回到客戶端。通訊過程中，打開了的HTTP隧道將一直保持到通訊結(jié)束后才關(guān)閉。

(2)服務(wù)器通訊字典

客戶端傳遞參數(shù)是以”url?“的形式進(jìn)行的，理論上可以傳遞多個參數(shù)/值對。在 WebParts中規(guī)定只傳遞兩個參數(shù)/值對“第一個參數(shù)表達(dá)需要執(zhí)行的操作類型，即作為操作標(biāo)志；第二個參數(shù)為具體內(nèi)容，也可為空。因此，服務(wù)器需要建立一個通訊字典，根據(jù)來自客戶端的參數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的邏輯操作，以flag和contentString分別標(biāo)志第一參數(shù)和第二個參數(shù)的值。WebParts服務(wù)器中的通訊字典部分內(nèi)容如表1所示。

表1 WebParts服務(wù)器通訊字典部分內(nèi)容

4.2 數(shù)據(jù)緩存

為了提高系統(tǒng)的速度，降低服務(wù)器的響應(yīng)壓力，在Web服務(wù)器啟動時，WebParts將大量常用數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，客戶通過網(wǎng)絡(luò)請求所需數(shù)據(jù)時，服務(wù)器不再檢索數(shù)據(jù)庫，而直接從內(nèi)存中提取并返回給客戶端。

例如，WebParts系統(tǒng)中零件樹是從數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)動態(tài)生成的，這個過程比較耗時。服務(wù)器以Hashtable的形式保存各種零件樹數(shù)據(jù)。用戶瀏覽某個企業(yè)的零件樹時，客戶端通過HTTP通訊隧道向服務(wù)器發(fā)送企業(yè)ID，服務(wù)器Servlet直接從Hashtable中獲取并返回。另一方面，通過查詢零件關(guān)鍵詞直接生成零件樹，企業(yè)用結(jié)構(gòu)化查詢語言(Structured Query Language，SQL)為關(guān)鍵詞保存查詢結(jié)果，第二次查詢時可以直接利用以往的查詢結(jié)果，不需要再進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫查詢操作。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)案例

WebParts采用Java語言開發(fā)，Web服務(wù)器采用開放源代碼的Tomcat，這樣能夠很好地集成Protégé和Jena。

(1)零件族、事物特性表的創(chuàng)建與編輯

以標(biāo)準(zhǔn)件族為例，系統(tǒng)管理員在零件領(lǐng)域?qū)＜业闹笇?dǎo)下可以通過Web頁面建立標(biāo)準(zhǔn)件族，可以為零件類屬族定義事物特性表，下層節(jié)點定義事物特性表時將自動繼承父節(jié)點的事物特性，對于創(chuàng)建好的事物特性表還可以進(jìn)行編輯。

在零件族的構(gòu)建過程中，根據(jù)當(dāng)前節(jié)點的屬性給出不同的右鍵菜單，定義了事物特性表的節(jié)點新增“編輯事物特性表”、“添加零件”和“上傳零件族圖片”等菜單欄。

零件事物特性表“entSM L96”對應(yīng)的是標(biāo)準(zhǔn)件中的單列角接觸球軸承。

(2)查詢零件

圖11顯示了通過企業(yè)名稱關(guān)鍵詞“軸承”檢索的結(jié)果顯示的頁面。點擊“零件相似族2維示意圖”，可以顯示對應(yīng)的2維圖；點擊零件相似族3維示意圖;，可以瀏覽一個通過VRML顯示的軸承示意，還可進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)和平移等操作。

6 結(jié)束語

Web零件庫是一種基于網(wǎng)絡(luò)的支持MC的共享資源庫。Web零件庫能夠通過零件信息的大范圍共享，顯著提高零件的重用程度，整機企業(yè)能方便地利用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件快速設(shè)計和制造出個性化產(chǎn)品；專業(yè)化零件供應(yīng)商能有效地推銷自己的產(chǎn)品，擴大批量，降低成本。

筆者開發(fā)的Web零件庫系統(tǒng)(WebParts)的主要特色是：①提供了零件供應(yīng)商與產(chǎn)品設(shè)計師之間信息集成的平臺。②在零件庫中采用事物特性表，使零件信息得到簡化和優(yōu)化。③系統(tǒng)具有良好的開放性和自組織性。④系統(tǒng)采用了本體、關(guān)聯(lián)本體和基于語義特征的零件描述的概念，有效地解決了不同企業(yè)零件族之間的對應(yīng)關(guān)系，使自組織建立的零件庫有序化，方便了用戶的使用，也為零件的標(biāo)準(zhǔn)化提供了方便。

當(dāng)然，該系統(tǒng)還存在很多問題，需要在應(yīng)用中進(jìn)一步改進(jìn)和完善，為21世紀(jì)的主流生產(chǎn)模式——大規(guī)模定制——提供強有力的支持服務(wù)。