0 引 言

在机电产品概念设计过程中，基于模型的系统工程MBSE(Model Based Systems Engineering)用模型取代文本，有效地解决了系统模型迭代困难的问题[1-3]，但不同的设计者对系统模型的理解存在差异，导致最终得到的产品几何模型在结构、功能等方面存在较大差异[4]。因此实现系统模型与几何模型之间的快速转换能够帮助结构设计者更好地理解系统模型，提升产品设计研发效率，规范产品设计流程。文献[5-6]利用系统建模语言SysML(System Modeling Language)的特性生成特定领域配置文件，实现系统层模型与计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)模型之间的转换。文献[7-8]利用SysML扩展机制，构建几何信息模型，并采用三元图文法TGG(Triple Graph Grammar)实现从SysML模型至CAD模型的转换。上述方法分别存在无法根据系统模型生成新的CAD模型；数据转换次数多，流程复杂等问题，降低了模型转换效率和准确性。针对上述问题，本文在前人研究的基础上提出基于XML与STEP映射的系统几何模型快速转换方法，这一方法可根据系统模型中各部件之间的对应关系得出相关几何结构，从而快速得出系统模型对应的初始CAD模型，提高产品迭代速度。

1 模型转换关键问题

对于数字化模型，其系统模型与几何模型之间的转换本质上是数据格式的转换。可扩展标记语言XML具有良好的独立性[9]，能够实现各种数据格式之间的转换。因此，将其作为系统模型向几何模型转换的桥梁，以此串联起如图1所示的整个模型转换流程。

  

图1 模型数据转换流程

根据图1所示的流程，实现模型数据的转换需要解决三个关键性问题。首先是实现机电产品系统模型几何信息的添加。由于复杂机电系统的组成部分较多，这里的几何信息包括了零部件的形状信息和零部件之间的相对位置关系。其次是模型数据转换系统的开发，包括XML文档的快速解析和XML/STEP映射库构建两个关键性问题。

2 机电产品几何信息模型构建

SysML是一种图形建模语言，由统一建模语言UML发展而来[10]，相较于UML，SysML能够更好地对系统进行描述。由于SysML的常用模型元素中没有用于表示几何信息的元素，因此需要利用SysML的扩展机制来实现模型元素的自定义[11-12]。SysML扩展机制有两种:在SysML中定义新的元模型(heavyweight)和在SysML已有模型元素中自定义版型(lightweight)。为了方便SysML图的绘制，本文采用lightweight方法进行扩展。

科学的课程设计能为学习者提供合理的学习途径和有效的方法指导，但在远程教育环境下，如何体现“以学习者为中心”的设计思路、如何体现远程教育课程文化特点，就中国现当代文学作品精读课程而言，课程设计的具体特点表现如下。

2.1 基本几何元素定义

在概念设计阶段，产品零部件的形状主要由简单的几何形状来表示[4]，经由后期详细设计和优化设计得到最终结果。在几何学中，长方体、圆柱等简单的几何形状均由点、线、面这三种基本几何元素构成的。这里定义基于《block》元模型的新模型元素《basicGeometricElement》来表示点、线、面这三种基本几何元素及其之间的关系，如图2所示。

设在区间[xi-1,xi],(i=1,2,…,m2)内，剩余未旋转角度Δθ采用最佳一致逼近算法得到的一阶拟合多项式为：

  

图2 基本几何元素定义图

2.3 几何约束信息定义

2.2 基本几何形状定义

在CAD软件中，几何模型大都由长方体、圆柱体、球体这三种基本几何形状通过相应的布尔运算得到的。因此，本文以基本几何元素为基础，构建包含以上三种基本几何形状的基本形状库，如图3所示。以《block》为元模型，定义由《shape》表示的基本形状模型元素。每一个新的基本几何形状中都定义了相应的尺寸参数，用户还可以通过SysML的stereotype扩展机制添加其他的形状信息以完善形状库。如通过对Cylinder中的尺寸参数添加约束信息(diameterTop

  

图3 基本几何形状定义图

Point类型中包含了坐标定义，以确定点的位置。Line类型由Point组成，并衍生出straightLine和curve两种子类型。Plane由Line构成，同时根据构成Plane的Line的不同引申出不同的Plane子类型，限于篇幅，这里只给出了roundPlane和rectanglePlane两种子类型的定义。

机电系统CAD模型中，各零部件之间通过几何约束实现装配。在概念设计过程中，零部件由基本几何形状表示，而各个几何体之间的约束关系主要有位置约束和角度约束[13-14]，两者分别由《positionConstraint》和《directionConstraint》表示，且都由《constraint》元模型扩展得到。

图4中展示了几个与平面相关的几何约束关系定义，其中平面固定约束(PlaneFixed)需要用户提供平面中一个点的坐标(pointVal)以确定固定点，同时提供平面法向量方向(normalVal)以确定平面在水平方向上的转动角度。

  

图4 几何约束定义图

3 模型数据转换系统开发

如图1所示，模型数据转换系统通过解析导入的XML文档获取其中有效的几何信息，以此在企业现有产品数据库中检索拥有相似结构的产品，如果没有相似产品则根据XML/STEP映射库中的映射规则导出对应的初始CAD模型。

由于应用领域不同，XML和EXPRESS在对同一对象的描述上依旧存在较大的差异，且EXPRESS描述的内容包含了继承关系和模型的约束关系等复杂信息。为了实现两者之间的映射，研究人员基于XML和EXPRESS的语法特性提出四条映射原则[21]，并根据原则构建出如下XML Schema与EXPRESS基本映射关系：

文件中第一句声明引用的协议名称，automotive_design表示引用的模式为AP214。第二句指明实体的类型，其中TYPE为关键字，rectangle_plane为实体名称，SELECT是类型名。第三句表示实体rectangle_plane有两个子类。XML模式由schema元素、根元素、复杂类型元素(ComplexTypeelement)和简单类型元素(SimpleTypeelement)组成。根据XML Schema结构[22]，可将之前的EXPRESS模式文件表述如下：

 

表1 XML解析方法比较

  

方法优点缺点DOM遍历简单，支持XPath；使用时，所有的XML文档信息都存于内存中效率低，解析速度慢，内存占用量过高，不适用于大文件

 

续表1

  

方法优点缺点SAX内存消耗小；边读边解析，适用于大文件的解析只支持文件读取和顺序访问，访问效率低JDOM处理过程基于树；没有向下兼容的限制；兼具SAX的优点不能保证每个字节真正变换；不提供DTD与模式的任何实际模型；不支持DOM中相应遍历包DOM4J大量使用接口和Java集合类；开放源代码；性能优异大量使用接口和集合类导致API过于复杂

由表1可知，DOM4J是目前XML文档解析技术中最优秀的。因此，本文采用DOM4J作为XML文档的解析技术。XML的解析流程如图5所示。

  

图5 DOM4J解析XML文档流程

3.2 XML/STEP映射研究

在XML文档中，采用XML Schema对文档结构进行定义[17]；在STEP文档中，则用EXPRESS语言来描述产品信息。因此，要实现XML/STEP数据转换，其关键就在于XML Schema与EXPRESS之间映射关系的定义。2000年10月，ISO提出了XML对EXPRESS表述的两种联编方式[18-19]:早联编(EarlyBinding)和晚联编(LateBinding)，为XML Schema和EXPRESS之间映射关系的构建提供了理论基础。在早联编中，XML标记与EXPRESS数据模型中的数据类型及属性直接对应。而晚联编则是其定义的XML标记直接与EXPRESS的元数据对象(包括实体、属性、数据类型等)相对应。

3.2.1 XML与EXPRESS之间的映射关系

3.1 系统模型XML文档解析方法

高职院校中毕业的学生虽然可以填补社会中某一领域的人才空缺，但在我国逐渐进入现代化发展进程中的背景下，这些基础层级的就业市场也逐渐形成了饱和状态。因此高职院校就业难局面便越发凸显。结构性过剩的成因基本都为地域性供需结构失调，故院校在利用师资队伍建设而调整供应力量时，应尽量摆脱人才竞争这一目标，尽量以提升供应质量作为核心视角。

(1) 由XMLSchema中的元素类型(elementtype)对应表示EXPRESS中的实体(ENTITY)；

(2) 由XML Schema中的元素(element)对应表示EXPRESS中的实体实例(ENTITY INSTANCE)；

通常情况下，企业或资产持有人进行金融活动时，必须要面临的是出售时公允价格变动的问题。进行交易性金融资产投资，也会面临同样的问题。首先，会计工作者应将公允价格与账面价值进行核算，其二者的差值，作为本次交易性金融资产的损益处理。其次，应将原持有期价格，计入公允价格变动损益的累积额转出，作为投资损益的处理。这样的核算方式，一方面，可以清晰的展现本次交易性金融资产的费用问题，以便于最终得出，本次交易性金融资产的盈利或亏损。另一方面，企业的决策者和资产持有人，可以通过会计核算来决定是否继续投资。

(3) 由XML Schema中的元素(element)或属性(attlist)对应表示EXPRESS中的实体属性(ENTITY ATTRIBUTE)；

(4) 由XML Schema中的元素的嵌套子元素来对应表示EXPRESS中的实体函数、约束等相关信息。

3.2.2 XML与EXPRESS具体映射

地质构造是指地壳内部的岩层在地壳运动下使其形状和位置发生改变后留存下的形态，即节理、褶皱和断层。边坡的滑坡和塌陷通常是沿着岩体的构造面形成的，其产生的原因是由于构造面的某些物理力学如抗剪切力与抗压力的强度较小，特别是沉积岩层内每个岩层之间具有较软的次生矿物，受地下水和降雨的影响，减少了岩体的抗剪切力，从而破坏边坡的稳定性。另外，边坡损坏的种类受地质构造对滑坡岩体的影响控制。

(1) 模式映射：指XML模式和EXPRESS模式之间的映射。其中EXPRESS模式中包括了实体和类型，由schema元素、字符集、标识符、注释、符号等基本元素构成。下面是一段简化后的长方形平面EXPRESS模式文件：

SCHEMA automotive_design;

ENDSEC;

(rectangle_plane_a，rectangle_plane_b);

……

END_TYPE;

PPP项目根据回报机制不同可分为三类，分别为使用者付费、可行性缺口补助（即政府市场混合付费）和政府付费类项目。PPP项目的具体模式也存在多种分类，参照世界银行的分类，主要可分成特许经营权、外包、私有化三大体系。特许经营权主要包括BOT 模式（建设—运营—移交）、BT模式（ 建设—移交）、TOT 模式（转让—拥有—经营）、BOOT模式（建设—拥有—经营—移交）；外包主要包括DB 模式（设计—建设转让）、DBMM 模式（ 设计—建造—主要维护）、Q＆M 模式（经营维护）、DBO模式（设计—建造—经营）；私有化主要包括BOO模式（建设—拥有—经营）、PUO模式（购买—更新—经营）、股份化转让。

END_SCHEMA;

本文采用Java对XML文档进行解析。目前，Java解析XML文档主要有DOM、SAX、JDOM、DOM4J四种方法。四种方法的解析原理及其所采用的方法各不相同[15-17]，它们各自的优缺点如表1所示。

胡适认为生命的意义“在于自己怎样生活”，若能坚定地“用此生作点有意义的事”，“活一日便有一日的意义，作一事便添一事的意义，生命无穷，生命的意义也无穷了”[注]胡适：《人生有何意义》，胡适著、欧阳哲生编：《胡适文集》第4册，北京：北京大学出版社，2013年，第571页。 。时间造就生命。他呼吁“无量平常人”要积极参与历史进程，倡导“健全的个人主义”，即作为生命个体存在的“我”不仅要做“进化”洪流中图存的“适者”，更要负责任地创造无穷时空中的“不朽”；不仅要有时间急迫感，追求“经济”的时间，更要自主地驾驭“闲暇”时间，充分发展自我，实现个性。胡适对“个人”的大力弘扬，也标志着个体时间意识的觉醒。

……

区内外高校对“为学校领导提供决策信息；为促进对决算报表数据的应用”等4个方面高校部门决算报表分析的重要性认知数据对比分析如表6所示。

2.重点任务。划定禁养区、限养区和养殖区，明确养殖水域滩涂功能区域范围；根据全市水域滩涂分布现状，合理调整和规划养殖生产布局，促进养殖业的可持续发展；有效保障养殖者的合法权益，依法保护养殖水域；推进全市渔业转型升级，促进现代渔业发展。

(2) 数据类型映射：EXPRESS语言包含了简单数据类型、聚合数据类型、命名数据类型、构造数据类型等多种数据类型[21]。其中，简单数据类型又分为数值型(number)、实数型(real)、整数型(integer)、字符串(string)、逻辑型(logical)等。在XML Schema中分别有小数(decimal)、float/double、整型(integer)、字符串(string)等与之对应。其中逻辑型虽无法在XML中找到对应的简单数据类型，但也可以通过在设置逻辑的真假来实现[17]。与简单数据类型的映射相似，其他数据类型同样可以在XML Schema和EXPRESS之间构建起映射关系。

3.3 XML/STEP映射库的构建

通过上述研究可知，通过建立XML Schema与EXPRESS之间的映射关系可以实现XML文档与STEP文档之间的双向转换，因此构建XML Schema映射库是十分必要的。本文将根据AP214构建XML Schema映射库。

3.3.1 XML/STEP头部段映射

每个STEP文件的头部段都包括标准(ISO-10303-21)和以“HEADER”开始，以“ENDSEC”结束的文件信息两部分。文件信息中又包含文件描述(FILE_DESCRIPTION)、文件名(FILE_NAME)和文件概要(FILE_SCHEMA)。下面为一段简化后的STEP头部段文件：

HEADER;

FILE_DESCRIPTION(……);

FILE_NAME(/*name*/′abc。step′，……);

FILE_SCHEMA

((′AUTOMOTIVE_DESIGN {…}′));

TYPE rectangle_plane=SELECT

上述头部段文件在XML Schema映射库中的Schema如下所示：

在钢纤维混凝土浇筑施工完成后，为了能够减少钢纤维混凝土产生裂缝等问题影响整体桥面结构的性能，需要在浇筑后及时进行养护处理，在养护过程中，需要采用养生覆盖膜进行保温，并且在强度达到一定要求进行洒水养护，养护周期不少于2周，养护结束后方可拆卸养护措施。

……

……

为了深入分析利用本维护模型进行17次不完全预防性维修中该设备的故障率变化情况，对混合故障率各调整因子开展研究。图7和图8分别为其役龄回退因子αi和故障率递增因子bi随预修周期数i的变化曲线。其中：

……

乡土正义不仅包含了独特的乡土利益诉求，而且具有复杂的秩序结构基础。在乡村社会，暴力通过宗派或门头势力展现出来，通过比较门头势力的大小，就能够决定自身在村庄中的强弱格局。内生秩序中最为显著的变动是长老权威的式微和村庄“力治”的消解。

(2)401浓缩机。此处系统能力按水量计算，由表3可知，401浓缩机入料水量为1 785.05 m3/h，设计所选设备的负荷能力是1 413 m3/h，则需要的设备台数为：1.25×1 785.05/1 413=1.58，即应在原来基础上再加1台浓缩机才能满足现有生产需求。

3.3.2 XML/STEP数据段映射

STEP文件数据段是实体数据模型的核心，并以点作为实体描述的基本元素。根据这一特点，STEP数据段在XML Schema映射库中的Schema同样应该以点为基本元素，下面是一个实体点(POINT)的Schema表述：

……

其他实体的Schema表述与POINT相似，只需按照上述方法将所有EXPRESS语言表达的实体都生成XML Schema映射库中对应的Schema并保存，就可以得到完整的XML/STEP映射库。模型数据转换系统根通过调用映射库中的映射体，生成对应的数据格式并导出。最终实现XML/STEP文档之间的双向转换。

4 实例应用

现代制造业越来越重视产品系统层的构建，因此实现系统层到结构层的转换能够有效地提升产品设计开发效率。下面以汽车雨刮器为实例，展示系统模型到几何模型的转换的过程。

4.1 产品系统模型构建

汽车雨刮器大致可以分为驱动器(Drive)、摇臂(ConnectingRod)和雨刮(WiperBlade)，三者通过轴(Shaft)连接在一起。由于Visio不自带SysML模板，因此在开始创建相关图形前需要将SysML 1.0这个模块包导入Visio的模板库中；根据产品需求选择对应的图形和模型元素，如图6所示为雨刷模块定义图。完成系统模型图绘制后，依靠绘图工具自身兼容的转换接口获得系统模型的XML文档。

  

图6 雨刮器模块定义图

4.2 模型数据转换

模型数据转换系统的系统界面分为三个部分，从左到右分别显示获得的系统模型XML源码、解析后的XML文件、转换得到的STEP文档，如图7所示。且在操作界面中均可对相应的文件进行修改保存，以保证最终所获STEP文档的最优化。将雨刮器系统模型XML文档导入系统，解析得到有效几何信息，并通过零部件之间的几何关系检索结构相似的现有设计方案，根据检索结果分别导出如图8所示的两种初始设计方案。其中，(a)为根据已有设计方案修改后得到，(b)为系统直接导出的设计方案。

  

图7 XML-STEP数据转换流程

  

(a) 经已有方案修改后得(b) 系统直接生成图8 雨刮器初步设计方案

5 结 语

本文主要研究了基于SysML的系统模型几何信息添加方法。基于Java的XML解析方法和编程技术，开发出模型数据转换系统；将由XML表述的系统模型进行解析，获取有效的几何信息。同时，通过基于XML/STEP映射库的转换器获得对应的STEP中性文件。这一方法以XML/STEP映射库为基础，实现XML与STEP之间的直接转换，为系统几何模型转换提供了新的可行方法。随着数据库的进一步完善，系统将实现系统模型到复杂高精度几何模型的直接转换。同时，随着制造业信息化的深入推进，系统将会集成更多的功能，如模型优化算法等方法的加入将使模型转换过程更加智能化，进一步缩短产品研发设计周期。

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