CN102509351A - 设计意图驱动的自然语言几何建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设计意图驱动的自然语言几何建模方法，包括如下步骤：步骤1：设计意图分析：设计人员根据设计任务的要求，采用自然语言方式输入“设计意图”，形成以二进制数据存储的设计意图文档；步骤2：工程语义分析：分析步骤1中设计意图文档中的二进制语句，并将该二进制语句与预先设定好的工程数据库中的二进制字段进行模式匹配运算，形成工程语义文档；步骤3：自动逻辑推理：根据步骤2生成的工程语义数据，通过谓词逻辑转换规则，将工程语义转化谓词逻辑数据和几何模型数据；步骤4：几何建模。本发明的有益效果是：整个建模过程可以由系统自动完成，减少人工干预，提高了建模效率。

Description

设计意图驱动的自然语言几何建模方法

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及计算机辅助几何建模技术。

背景技术

先进制造技术是我国实现由“制造大国”到“制造强国”转变的重要推动力。通常，设计过程占整个产品生命周期的60％～70％，并直接影响着生产成本和周期。目前，产品设计过程大都遵循：拟定初步设计方案→几何建模与分析→修正设计方案→再修正几何模型的循环反复过程，直至满足全部的设计要求。在这种设计模式中，设计人员处于非常重要的地位，这主要是由现有的几何建模机制决定的。几何模型是设计方案的直观表达，是论证分析的重要基础，是设计开发的最终目标。现有的几何建模机制过多地依赖设计人员的手工操作，主要是键盘或鼠标操作，一般零部件的几何建模或修改往往需要大量频繁的鼠标或键盘操作才能完成，使得这种“体力性”工作负荷较大，从而难以保证类似方案构思、结构创新等“脑力性”工作所需的时间与精力，导致设计质量与效率的降低。虽然计算机辅助技术已给几何建模与图形绘制带来了极大的便利，但它仍延用原有的几何建模机制，改善程度有限，无法从根本上解决问题。

具体而言，现有的设计模式主要存在以下几个问题：

①首先，几何建模和修正占据了设计过程的很大比例，且需要设计人员完成大量频繁的手工操作。通常，工业产品包含非常多的零部件，加之，每个零部件的设计要求和工艺要求都不尽相同，就需要设计人员根据几何模型进行反复的论证分析、调整方案、修正模型。这种反复的建模和修正工作是非常繁琐耗时的，使得设计人员的工作负荷非常大。其主要原因是：为保证几何元素的准确性和拓扑结构的完整性，现有的几何建模机制将模型信息分步多次处理，使得建模环节彼此独立，信息分散，不可避免地加重了设计人员的几何建模工作负荷。

②其次，现有的设计信息交换主要采用键盘和鼠标等人机交互方式，交换信息的内容和格式偏于简单，没能充分发挥计算机的知识处理、逻辑推理等方面的辅助设计功能，使得设计自动化程度低。比如，设计连接板和压块之间的销连接机构，现有的几何建模机制是在建立连接板和压块时分别重复地进行销孔设计。而从设计结构来讲，连接板上销孔已完全决定了压块上销孔的几何特征，压块上销孔可以由几何建模机制自动生成，无需设计人员重复进行几何建模，这样便可极大地提高设计效率。这主要是由现有的信息交互方式决定的，即每次交互操作只传送鼠标单击与否和键盘字符是非等少量的简单信息，计算机每次处理的信息量偏少，所能表达的信息远不及自然语言丰富和多样。

③最后，现有建模机制主要关注模型的几何信息，无法完整地反映产品的设计意图。例如，某过渡连接板的设计意图是“立板型，高度400mm，横立板上表面设计两个腰型孔，来连接压块，竖立板侧面设计两个

孔，以固定连接板”，主要设计要素包括连接板高度、连接孔定位尺寸和形式。现有几何建模机制将这些设计要素分别转化为拉伸特征和孔特征的集合，蕴含在设计要素上的设计意图被完全屏蔽了，如“腰型孔为压块可调式连接孔”、“侧面孔为连接板固定孔”等。其主要原因是：现有几何建模机制不具备设计意图信息的表达与处理功能。虽然通过特征注释可在一定程度上弥补上述不足，但它是一种外部的附加处理方式，无法反映到设计要素上，且容易出错，造成混乱。

设计意图是设计人员主观意识的直接体现，具有很大的随机性和不确定性，且每种产品的设计意图是截然不同的，而现有几何建模机制的几何元素拓扑结构和表达形式都是确定性的。因此，建立通用的反映设计意图的几何建模机制是非常困难的，而针对具体领域的几何建模机制研究是合理、可行的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的设计模型人机交互和自动化能力不强的缺点，提出了设计意图驱动的自然语言几何建模方法。

本发明的技术方案是：设计意图驱动的自然语言几何建模方法，包括如下步骤：

步骤1：设计意图分析：设计人员根据设计任务的要求，采用自然语言方式(如声音)输入“设计意图”，形成以二进制数据存储的设计意图文档；

步骤2：工程语义分析：分析步骤1中设计意图文档中的二进制语句，并将该二进制语句与预先设定好的工程数据库中的二进制字段进行模式匹配运算，形成工程语义文档；

步骤3：自动逻辑推理：根据步骤2生成的工程语义数据，通过谓词逻辑转换规则，将工程语义转化谓词逻辑数据和几何模型数据；

步骤4：几何建模：将步骤3生成的几何模型数据调入计算机图形显示系统，并对几何模型数据进行解释和分析，完成几何模型显示。

上述步骤2中，模式匹配运算的具体过程为：首先，打开预先设定的工程数据库，从设计意图文档中的一条记录中读取一段二进制语句，从所述语句中提取该语句对应的二进制字段，从工程数据库中读取二进制字段，将设计意图文档的字段与工程数据库中的字段进行字段比较；若两者字段相同，表明设计意图文档的语句对应的字段在工程数据库中有对应的工程语义，从而实现了该语句对应的字段的工程语义读取，继续读取该语句对应的下一个字段循环进行前述字段比较直至出现结束符，从而判别实现整个语句的工程语义读取；若两者字段不相同，则结束该语句的操作，直接进入下一语句的操作；结束当前记录的操作后，可以循环进行下一记录的操作。

本发明的有益效果是：本发明提出了设计意图驱动的自然语言几何建模方法，建模过程以自然语言方式形成“设计意图文档”，经过工程语义分析、逻辑推理，形成“几何模型文档”和“谓词逻辑文档”，最后形成“几何模型文档”，将该几何模型文档”输入计算机图形显示系统中显示为几何模型即完成整个建模过程。整个建模过程可以由系统自动完成，减少人工干预，提高了建模效率。本发明提出的设计意图驱动的自然语言几何建模方法，它是以设计意图为出发点，将设计方案的形成与几何模型的构建集成起来，实现设计过程自动化，设计过程就是方案推理及模型重构的过程。设计人员以自然语言方式表达设计意图，经过逻辑表达与推理，自动建立设计方案和几何模型，其优点具体体现如下：

①它是由设计意图驱动的设计模式。与传统面向几何绘图的设计意图不同，它不是表达几何要素间的垂直、平行、相交等具有约束性的设计意图，而是真正面向产品设计的，设计思想直接的、自然的表达，因而更能充分地反映产品设计的本质特征。

②设计方案是设计意图的自然语言表达形式。与传统几何概念模型形式的设计方案不同，它不是由点、线、面、体等几何要素构成的，而是由句子、短语等自然语言文本的符号表达形式，因而其蕴含更多的信息，更能自然、直接地反映产品的设计意图。

③几何建模过程是由设计意图出发的自动逻辑推理过程。与传统的特征建模不同，它不需要设计人员完成具体的建模操作，而是通过机器理解、识别和推理，形成操作序列，自动完成建模，因而有效地减轻设计人员的工作量，极大地提高了设计效率。

④信息交换是自然语言形式的人机交互方式。与现有的信息交互方式不同，设计人员不需频繁地操作鼠标/键盘来输入几何建模信息，而是以自然语言方式输入设计意图，自动分类生成建模信息，人机交互方式非常自然，设计信息交换功能更为强大和丰富。

附图说明

图1是本发明的方法的结构框图。

图2是本发明的方法的系统模型。

图3是本发明的方法的具体实施技术框图。

图4是本发明的方法的匹配搜索算法框图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例对本发明的设计意图驱动的自然语言几何建模方法做进一步的说明。

本发明的设计意图驱动的自然语言几何建模方法的实施前提，必须得具有两个先决条件，一是具有一套实施本发明的硬件系统，二是事先定义一系列规则和建立数据库。为了确保上述两个先决条件被作为现有技术而不影响本发明的实施，下面对这两个先决条件做出介绍，本领域的普通技术人员应该意识到，通过下述介绍，这两个先决条件已经可以被作为现有技术而被本领域的普通技术人员所实施。

实施本发明的硬件系统的介绍：如图2所示，实施本发明的硬件系统主要包括微控制器单元(以下简称MCU)、计算机、麦克风、鼠标、存储扩展板等器件。其中，微控制器单元(MCU)负责完成几何建模的算法执行和过程控制。存储扩展板用于各类数据存储。计算机用于几何模型的显示。鼠标、麦克风等外围输入设备分别用于界面操作和自然语言的输入，并且它们分别通过USB和UART接口与MCU相连，所述计算机和MCU通过USB接口相连接，连接成功后用以完成相关的数据通信。利用该硬件系统进行设计工作时，设计人员通过麦克风以自然语言方式直接表达设计意图，MCU对输入的自然语言进行实时分析、推理和转换，形成几何建模数据，并经通信接口传递给计算机，完成几何模型的实时显示。下面，分别对上述硬件系统的组成部分进行具体说明。

计算机

主要用于几何模型显示。计算机从MCU接受到几何模型数据，对其进行解释、分析，并完成相关的几何建模。为保证模型数据统一性，本发明采用了国际标准STEP AP203协议的几何模型表达规范，采用Visual C++和OpenGL语言开放几何模型的显示环境。在实施本发明前，将几何模型显示模块安装在计算机上，并启动几何模型显示功能。

微控制器单元

主要用于各类算法执行和过程控制。具体而言，其负责自然语言的模式匹配算法、工程语义检测算法、谓词逻辑描述算法和几何模型推理算法等。同时，负责控制语音输入和几何模型数据输入控制。

扩展存储器

存储几何建模过程中各类数据和程序。本发明中的各种数据主要以数据库的形式存储。

本发明涉及的数据以数据库形式进行存储，如图3所示，主要包括工程数据库、语义数据库和谓词数据库。下面分别进行说明。

①工程数据库用于存储设计数据、工艺数据、零部件数据和装配件数据等工程数据。在实施本发明方法前，需要对各类型工程数据进行收集、整理和分类，并分别存储到相应的数据类型中。

②语义数据库用于存储设计语义数据、工艺语义数据、零部件语义数据、装配语义数据等语义数据。在实施本发明方法前，需要对各类型语义数据进行分类、分析，并存在到相应的数据。并且，要求语义数据库中内容能充分表达工程数据库中的信息。

③谓词数据库用于存储设计谓词逻辑、工艺谓词逻辑、部件谓词逻辑、装配谓词逻辑等谓词数据。在实施本发明方法前，需要对各类型谓词数据进行分类存储，并保证数据的完整性和唯一性。

这里需要指出，通过前期资料收集、整理、分类等操作，工程数据库、语义数据库、谓词数据库中已存储了大量相关数据信息。当然，随着工程实践进步，可以不断在数据库中添加新的内容。

为了便于理解，下面，以零件“压块”为例，对各种数据库进行说明。本发明将零部件数据分类为几何结构数据和附属连接数据。压块几何结构数据包括长、宽、高等数据，附属连接信息为其它零部件的连接标识。

工程数据库的数据结构为：

●字段1-object_id：string，对象标识字段，为字符串类型，存储设计对象；

●字段2-object_rep：string，对象表示符号字段，字符串类型，存放对象表示符号，这里令压块的表示符号为“D”，凹槽的表示符号为“S”，孔的表示符号为“H”；

●字段3-length_rep：string，对象长度表示符号字段，字符串类型，存放对象长度表示符号，这里令压块长度的表示符号为“L”；

●字段4-width_rep：string，对象宽度表示符号字段，字符串类型，存放对象宽度表示符号，这里令压块宽度的表示符号为“W”；

●字段5-heighth_rep：string，对象高度表示符号字段，字符串类型，存放对象高度表示符号，这里令压块高度的表示符号为“H”；

●字段6-position_rel：string，连接对象标识符号，字符串类型，存放连接对象标识符号，根据设计意图的上下文确定。

这样，根据上述数据结构，将各类型信息进行分类存储，从而形成了相应的数据库。下面为数据库中的压块记录，它将在后文的说明中用到。

压块-(“压块”，“D”，“L”，“W”，“H”，“S”)；

此外，该部分还包括数据库关系设计、拓扑结构设计、几何数据表等方面设计，这些设计过程可以通过现有技术实施，因此就不一一进行说明。

输入设备-麦克风和鼠标

用于设计人员与MCU的人机交互。本发明中主要利用了麦克风输入自然语言，鼠标是为了辅助完成几何建模而提供输入设备。

依据建立的数据库和硬件平台，就可实施本发明所述的设计意图驱动的自然语言几何建模方法，具体过程如图1所示。下面，以零件“压块”设计为例，并结合本发明如图3所示的具体技术框架，对具体实施过程进行说明。针对不同零部件，设计人员根据设计知识或经验，形成反映设计方案的设计意图。这里，令某设计方案的设计意图被描述为如下文本：“压块为凹槽型，长40，宽30，高20；槽宽10，深15，槽底部有2个直径

的通孔”。具体步骤如下：

步骤1：设计意图分析：设计人员根据设计任务的要求，采用自然语言方式(如声音)输入“设计意图”，形成以二进制数据存储的设计意图文档。

上述步骤中，设计人员通过麦克风采用自然语言方式直接表达(这里是指直接“说出”)上述设计意图文本如：“压块为凹槽型，长40，宽30，高20；槽宽10，深15，槽底部有2个直径

的通孔”。为了提高语句判别效率，这里采用二进制数据进行信息存储。

自然语言方式(如声音)通过设计意图自然语言输入系统转化为以二进制方式存储的设计意图文档，这里的设计意图自然语言输入系统被理解为可以将声音直接转化为二进制数据的所有现有设备，因此不再详细描述。

步骤2：工程语义分析：分析步骤1中设计意图文档中的二进制语句，并将该二进制语句与预先设定好的工程数据库中的二进制字段进行模式匹配运算，形成工程语义文档。

在步骤1的自然语言方式(如声音)输入过程中，微控制器单元同步对输入的语音信号进行采样、分析和特征提取，并与预先存入工程数据库中的二进制字段进行模式匹配运算。通过将上述设计意图文档中的语句与工程数据库中的二进制字段匹配运算，完成工程语义转换。如“压块为凹槽型，长40，宽30，高20”的设计自然语言方式的语句被对应转化为如“D::压块，L::40，W::30，H::20，S::凹槽”的工程语义语句，并可以将上述工程语义存储到语义数据库中；该实施例中，“压块为凹槽型，长40，宽30，高20”被视为一条记录，“压块为凹槽型”、“长40”等被视为语句，“压块”、“凹槽”、“长”等被视为字段。

上述步骤2中的模式匹配运算采用字段匹配搜索算法，具体过程如图4所示：首先，打开预先设定的工程数据库，从设计意图文档中的一条记录中读取一段二进制语句，从所述语句中提取该语句对应的二进制字段，从工程数据库中读取二进制字段，将设计意图文档的字段与工程数据库中的字段进行字段比较；若两者字段相同，表明设计意图文档的语句对应的字段在工程数据库中有对应的工程语义，从而实现了该语句对应的字段的工程语义读取，继续读取该语句对应的下一个字段循环进行前述字段比较直至出现结束符(本实施例中的结束符设定为“//”)，从而判别实现整个语句的工程语义读取；若两者字段不相同，则结束该语句的操作，直接进入下一语句的操作；结束当前记录的操作后，可以循环进行下一记录的操作。

二进制存储的设计意图文档通过设计意图工程语义生成系统转化为仍以二进制方式存储的工程语义文档，这里的设计意图工程语义生成系统可以是能够实现上述过程的模式匹配运算的软件或硬件，由于具有上述详细技术描述后，无论软件和硬件的实施都是可以通过现有技术手段进行实施，因此不再对设计意图工程语义生成系统的做详细的技术描述。

步骤3：自动逻辑推理：根据步骤2生成的工程语义数据，通过谓词逻辑转换规则，将工程语义转化谓词逻辑数据和几何模型数据。该过程是在谓词逻辑转换规则下自动完成的，工程语义存储在工程语义文档中，工程语义文档则存储为语义数据库，谓词逻辑数据存储在谓词逻辑文档中，词逻辑文档则存储为谓词数据库，几何模型数据存储在几何模型文档中。

步骤3中，通过前期的资料收集、整理、分析，建立用于几何建模的谓词推理规则，并已存储在谓词数据库中。该步骤的谓词逻辑转换规则由两个过程组成：谓词逻辑描述和谓词逻辑推理。谓词逻辑描述主要用于几何描述和拓扑结构描述，谓词逻辑推理用于完成几何模型数据的建立。为了后继说明方便，下面分别列举了谓词数据库中的部分谓词逻辑。

●L(Length_value，Object)-表示Object的长度为Length_value；

●W(Width_value，Object)-表示Object的长度为Width_value；

●H(Heighth_value，Object)-表示Object的长度为Heighth_value；

●O(Object_1，Object_2)-表示Object_2在Object_1上；

上述Object表示字段所对应的对象如“压块”、“凹槽”等。

下面以步骤1中的“压块为凹槽型，长40，宽30，高20”设计意图语句为例，对上述过程进行说明。由步骤2形成的工程语义数据为“D::压块，L::40，W::30，H::20，S::凹槽”。该设计意图被转换为如下的谓词逻辑公式：

O(D，S)-表示凹槽在压块上。其中，D表示压块，S表示凹槽；

L(40，D)-表示压块长度为40。其中，D表示压块；

W(30，D)-表示压块宽度为30。其中，D表示压块；

H(20，D)-表示压块高度20。其中，D表示压块；

依据上述步骤生成结果，进行谓词逻辑推理，便可形成格式明确的几何模型数据。在步骤3实施前，相关的谓词推理规则已存放数据库中，供几何建模推理过程调用。本实施例中谓词数据中存放的有关上述实施例子的具体的谓词推理规则如下：

If  {O(D，S)，L(Length_value，D)，W(Width_value，D)，

H(Heighth_value，D)}

Then  {Piont(“P1”，0，0，0)，Piont(“P2”，Length_value，0，0)，

Piont(“P3”，Length_value，Width_value，0)，

Piont(“P4”，0，Width_value，0)，Piont(“P 5”，0，0，Heighth_value)，

Piont(“P6”，Length_value，0，Heighth_value)，

Piont(“P7”，Length_value，Width_value，Heighth_value)，

Piont(“P8”，0，Width_value，Heighth_value)，

Line(“L1”，P1，P2)，Line(“L2”，P1，P5)，Line(“L3”，P2，P3)，

Line(“L4”，P3，P4)，Line(“L5”，P1，P4)，Line(“L6”，P5，P6)，

Line(“L7”，P6，P7)，Line(“L8”，P7，P8)，Line(“L9”，P1，P8)，

Line(“L10”，P2，P6)，Line(“L11”，P3，P7)，Line(“L12”，P4，P8)，

face(“F1”，L1，L2，L3，L4)，face(“F2”，L3，L5，L11，L6)，

face(“F3”，L4，L10，L9，L8)，face(“F4”，L1，L7，L12，L8)，

face(“F5”，L6，L11，L9，L12)，face(“F6”，L2，L5，L7，L7)，

Closed_shell(“CS1”，F1，F2，F3，F4，F5，F6，)，

Manifold_solid_brep(“SD1”，CS1)}

需要将上述过程转化成技术性文字对该过程做一个描述？

上述实施示例中，采用了产生式推理规则，即If……then……的语句结构。If语句负责完成推理前提条件的判别，then语句负责完成的逻辑推理。该例中，前提条件由谓词O，L，W，H构成，这些谓词逻辑分别表示：表示凹槽在压块上、压块长度为Length_value、压块宽度为Width_value、压块高度Heighth_value。当前提条件得到满足，几何建模工作便被执行，依次完成点、线、面、闭壳、体等几何要素的表达，上述几何要素分别被表达为Piont、Line、face、Closed_shell、Manifold_solid_brep等语句。这样，便完成了由几设计意图到几何建模的逻辑推理过程。

最后，经过步骤3的谓词逻辑推理，便形成相关的几何模型数据。尽管本步骤中只举了一个实施例进行说明，目的在于证明该步骤的可实时性，本领域的技术人员可以根据已有经验和公知常识对谓词逻辑转换规则进行人为设定，因此本具体实施例并不能被理解为对该步骤的限定，该步骤可以被视为通过现有的技术能够实施，因此不再详细的举例。

二进制存储的工程语义文档通过工程语义谓词逻辑生成系统转化为谓词逻辑文档，这里的工程语义谓词逻辑生成系统可以是能够实现上述过程的模式匹配运算的软件或硬件，由于具有上述详细技术描述后，无论软件和硬件的实施都是可以通过现有技术手段进行实施，因此不再对工程语义谓词逻辑生成系统的做详细的技术描述。

同理本步骤中词逻辑文档通过谓词逻辑几何模型生成系统转化为几何模型文档，这里的谓词逻辑几何模型生成系统可以是能够实现上述过程的模式匹配运算的软件或硬件，由于具有上述详细技术描述后，无论软件和硬件的实施都是可以通过现有技术手段进行实施，因此不再对谓词逻辑几何模型生成系统的做详细的技术描述。

步骤4：几何建模：将步骤3生成的几何模型数据调入计算机图形显示系统，并对几何模型数据进行解释、分析，完成几何模型显示。

步骤3生成几何模型数据是符合相应的图形标准规范的语句几何数据。本发明中采用STEPAP203数据交换标准，遵循点、线、面、体的具体几何建模过程，这里分别表示为Point，Line，Face，Closed_shell，Manifold_solid_brep。本发明中，由句子、字段等自然语言表达形式转化成的工程语义如何与点、线、面、体等几何要素转化可以通过现有的一些建模软件事先设定，因此这一过程被视为现有技术能够实施而不再详细描述。

本步骤中的计算机图形显示系统无论软件和硬件的实施都是可以通过现有技术手段进行实施，如硬件可以选择具有足够运算能力的计算机，软件可以选择商用的图形建模软件，由于该步骤并非本发明的创新点，因此不再对计算机图形显示系统的做详细的技术描述。

以上实例仅为本发明的优选例子而已，本发明的使用并不局限于该实例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.设计意图驱动的自然语言几何建模方法，包括如下步骤：

步骤1：设计意图分析：设计人员根据设计任务的要求，采用自然语言方式输入“设计意图”，形成以二进制数据存储的语句和设计意图文档；

步骤2：工程语义分析：分析步骤1中设计意图文档中的二进制语句，并将该二进制语句与预先设定好的工程数据库中的二进制字段进行模式匹配运算，形成工程语义文档。

步骤3：自动逻辑推理：根据步骤2生成的工程语义数据，通过谓词逻辑转换规则，将工程语义转化谓词逻辑数据和几何模型数据；

步骤4：几何建模：将步骤3生成的几何模型数据调入计算机图形显示系统，并对几何模型数据进行解释和分析，完成几何模型显示。

2.根据权利要求1所述的设计意图驱动的自然语言几何建模方法，其特征在于，所述步骤2中，模式匹配运算的具体过程为：首先，打开预先设定的工程数据库，从设计意图文档中的一条记录中读取一段二进制语句，从所述语句中提取该语句对应的二进制字段，从工程数据库中读取二进制字段，将设计意图文档的字段与工程数据库中的字段进行字段比较；若两者字段相同，表明设计意图文档的语句对应的字段在工程数据库中有对应的工程语义，从而实现了该语句对应的字段的工程语义读取，继续读取该语句对应的下一个字段循环进行前述字段比较直至出现结束符，从而判别实现整个语句的工程语义读取；若两者字段不相同，则结束该语句的操作，直接进入下一语句的操作；结束当前记录的操作后，可以循环进行下一记录的操作。

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