CN106127395A - 一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统及构建方法 - Google Patents

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CN106127395A
CN106127395A CN201610495402.2A CN201610495402A CN106127395A CN 106127395 A CN106127395 A CN 106127395A CN 201610495402 A CN201610495402 A CN 201610495402A CN 106127395 A CN106127395 A CN 106127395A
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Abstract

本发明涉及一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统及构建方法，属于产品建模技术领域，系统包括人机交互界面(000)、产品建模子系统(100)、产品语义元模型定义与管理子系统(200)、产品模型管理子系统(300)；人机交互界面与产品建模子系统、产品语义元模型定义与管理子系统和产品模型管理子系统均相连；产品建模子系统分别与产品语义元模型定义与管理子系统、产品模型管理子系统连接。对比现有技术，本发明结合元建模机制和本体技术，构建多层次产品建模框架，实现产品几何和非几何信息语义级描述，达到产品生命周期信息集成、共享和重用；设计人员不要求精通本体思想和建模语言内部结构，即可以创建常规产品信息模型，提高设计效率和质量。

Description

一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统及构建方法
技术领域
本发明涉及一种产品统一模型构建系统及构建方法，特别涉及一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统及构建方法，属于产品建模技术领域。
背景技术
产品信息集成、共享与重用技术一直是CAx/PDM集成应用中需解决的首要问题，需要围绕产品的设计制造要求，以产品创新为核心的分布式企业之间实现产品信息语义级的共享和重用，实现异构系统之间对产品信息的互操作性。而传统的产品信息表达方式和处理模式己无法适应现代制造企业的需求，产品信息的交换与共享技术发展从传统的集中式环境下统一集成转向现代基于Web的集成；信息定义不仅体现在语法层次上，更需要上升为语义级的信息语义知识表达，即产品信息的数据交换与共享上升为产品信息的语义交换与共享。现在大部分的产品信息交换与共享技术研究都是以STEP中性文件为基础，而STEP系列标准对于内在信息的语义表达比较欠缺，对产品、零件、部件、需求、功能、行为等整体概念没有很好的统一。因此，虽然STEP描述产品结构的能力较强，但是对于企业级的信息交换和共享而言，STEP文件的描述内容和方式还是不够的。
支持异构系统对产品信息互操作的技术有基于本体和基于模型等方法，基于本体的方法就是利用网络本体语言(Web Ontology Language，OWL)来描述一个参考本体，定义产品建模原语及原语之间语义关系并支持产品建模；基于模型的方法就是采用模型驱动架构(Model Driven Architecture，MDA)的思想，构建过程产品描述模型。己有的技术可以在产品数据结构的基础上使用OWL语言来描述STEP表示的产品信息，OWL描述的产品信息对于实现基于语义的产品信息语义共享和重用有着巨大的作用。但OWL语言只是一种本体描述语言，它不能提供本体的设计方法和原则，因此，如果没有严格规范的约束和定义，单靠OWL语言是不能解决产品信息语义严格规范的表达。
因此，为解决上述问题，需要结合多层次元建模机制(Meta Object Facility，MOF)和本体技术，构建产品建模框架，从多个层次(元元模型层、元模型层、产品模型层、产品实例层)建立产品模型，实现产品几何和非几何信息语法和语义上的集成，并在元模型层构建语义元模型本体对产品信息之间的语义关系进行描述，以实现产品模型转换及转换一致性维护，达到产品生命周期信息集成、共享和重用。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前产品信息的数据描述缺乏语义信息而不能有效支持产品信息的集成、共享、重用，实现设计过程各阶段异构系统对产品信息的互操作的问题，提供一种克服上述缺陷的、面向产品设计制造过程集成的一种基于语义元模型的统一产品模型构建系统和构建方法。
本发明的思想是基于本体论和元建模机制(MOF)构建产品信息建模框架，从元元模型层、元模型层、产品模型层和产品实例层四个层次构建产品模型，首先在元元模型层基于领域进行产品信息元模型的构建，再在元模型层使用本体建模语言构建语义元模型本体，形成领域产品通用语义模型，最后在产品模型层和产品实例层对任一个产品建模和过程模型应用，使用OWL文件中定义的语法自动检查产品模型信息之间的语法一致性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统，包括人机交互界面、产品建模子系统、产品语义元模型定义与管理子系统、产品模型管理子系统；人机交互界面与产品建模子系统、产品语义元模型定义与管理子系统和产品模型管理子系统均相连；产品建模子系统分别与产品语义元模型定义与管理子系统、产品模型管理子系统连接；
所述人机交互界面用于集成产品建模子系统、产品语义元模型定义与管理子系统和产品模型管理子系统，提供领域专家、产品建模人员和管理人员与各子系统交互的工作界面；
所述产品建模子系统用于基于产品语义元模型定义与管理子系统所构建的OWL文件建立产品信息模型并基于产品信息模型建立领域应用模型，即实现对产品元模型和约束关系的推理、产品模型创建、领域应用模型生成三个功能；
所述产品语义元模型定义与管理子系统用于实现产品语义元模型定义和管理，即实现产品元模型的分类定义、语义元模型本体的构建及对应OWL文件的生成和语义元模型管理三个功能；
所述的产品模型管理子系统用于实现对产品建模子系统生成的产品信息模型和产品领域应用模型的管理。
作为优选，所述产品建模子系统包括解析推理模块、产品建模模块、领域应用模型生成模块；解析推理模块与产品建模模块连接，领域应用模型生成模块分别与产品建模模块和解析推理模块连接；
所述解析推理模块用于基于领域专家在产品语义元模型定义与管理子系统中构建的产品语义元模型本体OWL文件进行元模型及其属性和关系的解析推理，以支持产品建模模块中的产品信息建模和领域应用模型生成模块中的领域应用模型生成时的一致性维护；
所述产品建模模块用于构建产品信息模型和产品实例，所构建的信息模型由所述产品模型管理子系统进行管理；其进一步由用于定义产品模型的产品模型定义单元、用于定义产品模型属性的属性定义单元、用于定义产品模型工程和性能约束的约束关系定义单元以及用于实例化特定产品模型的产品实例设计单元组成；所述产品实例设计单元与领域应用模型生成模块相连；
所述领域应用模型生成模块用于从产品建模模块构建的产品信息模型中提取领域相关信息构建领域应用模型，并由解析推理模块维护此过程的一致性关系，然后经过领域分析后将领域设计结果返回产品实例设计单元实例化特定产品模型；其构建的领域应用模型通过所述产品模型管理子系统进行管理。
作为优选，所述解析推理模块进一步包括用于解析产品构件组成的元模型推理单元、用于推理OWL中约束关系的关系推理单元、以及用于保持产品信息建模过程中语义一致性的一致性检查单元。
作为优选，所述领域应用模型生成模块进一步包括用于需求分析的需求信息模型生成单元、用于功能分析的功能信息模型生成单元、用于行为分析的行为信息模型生成单元、用于设计过程的设计信息模型生成单元、用于工艺设计的工艺信息模型生成单元、用于加工制造的制造信息模型生成单元、用于运维服务的服务信息模型生成单元。
作为优选，所述产品语义元模型定义与管理子系统进一步包括语义元模型本体构建模块、元模型定义模块、语义元模型管理模块；其中元模型定义模块分别与语义元模型管理模块和语义元模型本体构建模块连接，语义元模型本体构建模块与语义元模型管理模块连接；
所述语义元模型本体构建模块用于构建元模型本体和生成OWL描述文件；
所述元模型定义模块用于构建面向工程语义分类的产品信息元，对产品信息进行严格规范的定义和约束；
所述语义元模型管理模块用于对所述元模型定义模块构建的产品分类元模型和所述语义元模型本体构建模块构建的语义元模型本体进行管理。
作为优选，所述元模型定义模块进一步由需求元模型定义单元、功能元模型定义单元、行为元模型定义单元、几何元模型定义单元、拓扑元模型定义单元、材料元模型定义单元、属性元模型定义单元、版本元模型定义单元和自定义元模型定义单元组成。
作为优选，所述语义元模型本体构建模块进一步由本体构建单元和OWL生成单元组成，本体构建单元用于构建语义元模型本体，OWL生成单元用于基于语义元模型本体生成OWL描述文件。
作为优选，所述语义元模型管理模块进一步由元模型管理单元和本体管理单元组成，元模型管理单元用于管理来自于元模型定义模块中构建的元模型，对元模型进行添加、删除、修改的管理操作；本体管理单元用于管理由语义元模型本体构建模块构建的语义元模型本体及生成的OWL文件。
作为优选，所述产品模型管理子系统进一步包括产品模型查看模块、产品模型修改模块、产品模型删除模块，产品模型查看模块用于查看产品建模子系统构建的产品信息模型的属性和关系，产品模型修改模块用于修改产品信息模型中产品属性和关系，产品模型删除模块用于删除所构建的产品信息模型。
基于上述一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统的产品统一模型构建方法包括如下步骤：
步骤S110，确定构建元模型语义本体的产品领域；
步骤S120，对产品信息进行分析分类，确定信息元模型范围，具体包括以下步骤：
步骤S121，确定元模型概念；
步骤S122，分析和确定元模型属性；
步骤S123，分析元模型之间的关系；
步骤S130，基于步骤S120确定的元模型范围使用所述元模型定义模块220对信息元模型进行定义并通过所述语义元模型管理模块230进行管理；
步骤S210，使用所述语义元模型本体构建模块210创建本体实例；
步骤220，使用所述语义元模型本体构建模块210对所创建的本体实例添加元模型及其关系的公理、约束，构建语义规则；
步骤S230，由领域专家和相关技术人员对构建的本体进行评价，确保所构建本体的规范性、完整性和准确性，同时可根据应用的需要不断完善改进；
步骤S240，经过步骤S210－步骤S230得到形式化产品语义元模型本体；
步骤S250，对获得的语义元模型本体使用所述语义元模型本体构建模块210生成OWL文件；
步骤S300，使用所述解析推理模块110对OWL文件所描述的本体进行解析和推理；
步骤S410，在所述人机交互界面000的建模界面，由产品建模人员在产品建模模块120的产品模型定义单元121中构建产品模型；
步骤S420，产品建模人员在所述产品建模模块120中选择了产品后，所述解析推理模块110自动对相应的OWL文件进行解析，将其结构和关系在所述人机交互界面000的建模界面进行展示，由产品建模人员选择属性；
步骤S430，产品建模人员在建模界面定义产品信息元模型之间的约束关系；
步骤S440，对经过步骤S410－步骤S430构建产品模型、定义属性、定义约束完成后，由所述解析推理模块110对构建的产品模型进行一致性检查，保证各信息之间的语义一致性；
步骤S500，使用所述领域应用模型生成模块130提取上述经过一致性检查后的产品模型中相关领域的信息，组成领域模型，提供给领域分析人员，同时生成的领域应用模型提供给所述产品模型管理子系统300进行统一管理；在领域分析过程中，不断获取各项领域产品数据，提供给所述产品实例设计单元124形成产品实例；
步骤S600，使用所述产品实例设计单元124基于经过步骤S500得到的领域产品数据对所构建的产品模型实例化进行产品实例设计。
有益效果
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明结合多层次元建模机制(MetaObject Facility，MOF)和本体技术，构建产品建模框架，从元元模型、元模型、产品模型和产品实例层等多个层次建立产品模型，实现产品几何和非几何信息语法和语义上的集成，达到产品生命周期信息集成、共享和重用；本发明基于元模型，与设计过程各领域应用模型关联映射，可以有效支持设计过程领域功能分析；设计人员使用本系统构建产品模型，不要求精通本体思想和建模语言内部结构，即可以创建常规产品信息模型，自动由多层元模型构建的产品信息和OWL描述的一致性关系，检查产品信息的完整性和一致性；使用本系统构建产品模型和关联映射功能分析模型，有助于减少产品重复定义以及模型转换中的数据丢失和数据错误，提高设计效率和质量。
附图说明
图1是基于语义元模型的产品统一模型构建系统的组成结构示意图。
图2是基于语义元模型的产品统一模型构建方法工作流程示意图。
附图标记：000-人机交互界面、100-产品建模子系统、200-产品语义元模型定义与管理子系统、300-产品模型管理子系统、110-解析推理模块、111-元模型推理单元、112-关系推理单元、113-一致性检查单元、120-产品建模模块、121-产品模型定义单元、122-属性定义单元、123-约束关系定义单元、124-产品实例设计单元、130-领域应用模型生成模块、131-需求信息模型生成单元、132-功能信息模型生成单元、133-行为信息模型生成单元、134-设计信息模型生成单元、135-工艺信息模型生成单元、136-制造信息模型生成单元、137-服务信息模型生成单元、210-语义元模型本体构建模块、211-本体构建单元、212-OWL生成单元、220-元模型定义模块、221-需求元模型定义单元、222-功能元模型定义单元、223-行为元模型定义单元、224-几何元模型定义单元、225-拓扑元模型定义单元、226-材料元模型定义单元、227-属性元模型定义单元、228-版本元模型定义单元、229-自定义元模型定义单元、230-语义元模型管理模块、231-元模型管理单元、232-本体管理单元、310-产品模型查看模块、320-产品模型修改模块、330-产品模型删除模块。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的基于语义元模型的统一产品模型构建系统和方法的工作流程进一步描述。
如图1所示为一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统，该系统包括人机交互界面000、产品建模子系统100、产品语义元模型定义与管理子系统200、产品模型管理子系统300。
所述人机交互界面000用于集成产品建模子系统100、产品语义元模型定义与管理子系统200和产品模型管理子系统300，提供领域专家、产品建模人员和管理人员与各子系统交互的工作界面；其中，领域专家在产品语义元模型定义与管理子系统200中构建产品信息元模型和语义元模型本体，从元元模型和元模型两个层次描述定义产品信息的基本元素及其相互关系，以对产品各类信息进行严格规范的约束和定义，并结合本体思想在元模型层使用OWL语言进行形式化描述，实现产品信息语义级集成，以支持产品信息共享和重用；产品建模人员基于领域专家构建的语义元模型本体通过产品建模子系统100进行产品建模和领域应用模型生成，并通过该领域应用模型的应用不断完善产品信息最终获取满足要求的产品实例；管理人员通过产品语义元模型定义与管理子系统200中的语义元模型管理单元231和产品模型管理子系统300对语义元模型和产品模型进行管理；
所述产品建模子系统100用于基于语义元模型本体构建模块210所构建的OWL文件建立产品信息模型，即实现对产品元模型和约束关系的推理、产品模型创建、领域应用模型生成三个功能。根据这三个功能的实现，所述产品建模子系统100进一步包括解析推理模块110、产品建模模块120、领域应用模型生成模块130；解析推理模块110与产品建模模块120连接，领域应用模型生成模块130分别与产品建模模块120和解析推理模块110连接；
其中，解析推理模块110用于基于领域专家在产品语义元模型定义与管理子系统200中构建的产品语义元模型本体OWL文件进行元模型及其属性和关系的解析推理，以支持产品建模模块120中的产品信息建模和领域应用模型生成模块130中的领域应用模型生成时的一致性维护；为了实现对产品语义元模型本体的解析和推理，其又进一步包括用于解析产品构件组成的元模型推理单元111、用于推理OWL中约束关系的关系推理单元112、以及用于保持产品信息建模过程中语义一致性的一致性检查单元113；
产品建模模块120用于构建产品信息模型和产品实例，其所构建的产品信息模型，属于多层次元模型的产品模型层，是基于元模型和元元模型层对产品信息严格规范的定义的基础上构建的，所建立的产品信息模型作为产品设计过程的中央数据集，设计过程中各应用领域从中提取领域所需领域相关信息并经过领域分析后，将设计结果反馈到这个中央数据次，不断精化产品信息，最终获得产品设计实例，实现产品信息集成、共享和语义一致性；为了基于产品语义元模型本体构建产品模型以及设计具体产品实例，其又进一步包括用于定义产品模型的产品模型定义单元121、用于定义产品模型属性的属性定义单元122、用于定义产品模型工程和性能约束的约束关系定义单元123以及用于实例化特定产品模型的产品实例设计单元124；产品建模模块120与领域应用模型生成模块130连接，表示各领域从产品建模模块120所构建的产品信息模型提取领域信息生成领域应用模型，并将领域分析结果返回产品实例设计单元124，随着设计过程对产品信息不断完善，最终获取满足需求的产品实例；同时，产品建模模块120生成的产品信息模型可以通过产品模型管理子系统300进行管理；
领域应用模型生成模块130用于从产品建模模块120构建的产品信息模型中提取领域相关信息构建领域应用模型，并由解析推理模块110维护此过程的一致性关系，然后经过领域分析后将领域设计结果返回产品实例设计单元124实例化特定产品模型；领域应用模型生成模块130与产品模型管理子系统300连接，表示领域应用模型可以通过产品模型管理子系统300进行管理。为了生成各领域设计分析所需要的领域应用模型，其又进一步包括用于需求分析的需求信息模型生成单元131、用于功能分析的功能信息模型生成单元132、用于行为分析的行为信息模型生成单元133、用于设计过程的设计信息模型生成单元134、用于工艺设计的工艺信息模型生成单元135、用于加工制造的制造信息模型生成单元136、用于运维服务的服务信息模型生成单元137。
所述产品语义元模型定义与管理子系统200用于实现产品语义元模型定义和管理，即实现产品元模型的分类定义、语义元模型本体的构建和语义元模型管理等三个功能。根据这三个功能的实现，所述产品语义元模型定义与管理子系统200进一步包括语义元模型本体构建模块210、元模型定义模块220、语义元模型管理模块230；元模型定义模块220分别与语义元模型管理模块230和语义元模型本体构建模块210连接，表示元模型定义模块220所定义的产品信息元模型在语义元模型管理模块230中进行管理，并提供给语义元模型本体构建模块210构建产品信息的语义元模型本体；语义元模型本体构建模块210与语义元模型管理模块230连接，表示语义元模型本体构建模块210所构建的本体和OWL文件在语义元模型管理模块中进行管理；语义元模型本体构建模块210与本体管理单元232和产品建模子系统100中的解析推理模块110连接；
其中，语义元模型本体构建模块210用于构建元模型本体和生成OWL描述文件等功能。为了实现这两个功能，其又进一步包括本体构建单元211和OWL生成单元212，且本体构建单元211与OWL生成单元212连接，本体构建单元211用于构建语义元模型本体，OWL生成单元212用于基于语义元模型本体生成OWL描述文件。语义元模型本体构建模块210可以采用现有的本体建模软件如protege进行实现。
元模型定义模块220用于构建面向工程语义分类的产品信息元，对产品信息进行严格规范的定义和约束，是产品信息集成和共享的基础，同时，产品信息分类管理有利于产品信息梳理，具体包含需求元模型定义、功能元模型定义、行为元模型定义、几何元模型定义、拓扑元模型定义、材料元模型定义、属性元模型定义、版本元模型定义等功能。为了实现这些功能以及提高系统的可扩展性，其又进一步分为需求元模型定义单元221、功能元模型定义单元222、行为元模型定义单元223、几何元模型定义单元224、拓扑元模型定义单元225、材料元模型定义单元226、属性元模型定义单元227、版本元模型定义单元228、自定义元模型定义单元229；在进行各元模型定义时，需要确定元模型名称、描述、值域约束、单位等属性，属于元模型层的定义；而对名称、描述、值域、单位的定义，属于元元模型层定义；
语义元模型管理模块230用于对产品分类元模型和语义元模型本体进行管理。为了实现这两个功能，其又进一步包括元模型管理单元231和本体管理单元232。其中，元模型管理单元231是管理来自于元模型定义模块220中构建的元模型，可以对元模型进行添加、删除、修改等管理操作；本体管理单元232是管理来自于语义元模型本体构建模块210中构建的语义元模型本体及OWL生成单元212生成的OWL文件；
所述的产品模型管理子系统300用于实现对产品模型和产品领域应用模型的管理。为了实现上述功能，所述的产品模型管理子系统300进一步包括产品模型查看模块310、产品模型修改模块320、产品模型删除模块330，产品模型查看模块310用于查看产品建模子系统100构建的产品信息模型的属性和关系，产品模型修改模块320用于修改产品信息模型中产品属性和关系，产品模型删除模块330用于删除所构建的产品信息模型。
上述基于语义元模型的产品统一模型构建系统，其特征在于其是结合元建模机制(MOF)和本体论的思想，首先分别从元元模型层、元模型层、产品模型层和产品实例层四个层次构建产品模型，规范统一的描述产品信息深层语义关系，然后使用本体建模语言OWL在元模型层进行形式化描述，有效维护模型构建和转换过程(领域模型生成)中语法和语义一致性；元模型在构建时面向工程语义分类而进行，具体从产品的需求、功能、行为、结构、管理属性等方面进行元模型分析、梳理、管理及不断完善；在分类元模型构建的基础上，使用本体建模语言在元模型层构建语义元模型本体，形成领域产品通用语义模型，然后通过不断地对元模型进行扩展和优化，更加精确完善的描述产品信息；由本系统支持的产品建模和过程模型应用过程，可以自动检查产品模型信息之间的语法和语义一致性，这些语法和语义在OWL文件中进行形式化定义。
如图2所示为一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统工作流程示意图，具体如下：
步骤S110，确定构建元模型语义本体的产品领域。
不同的产品领域，其设计过程、所涉及学科领域不一样，如飞行器产品设计主要关注结构设计、航空动力学分析、重量分析、成本分析、转子动力学和位移分析等领域，而枪械产品设计主要关注结构设计、模态分析、损伤分析、有限元分析、多体动力学分析等领域，所关注的领域不同，产品信息模型内容、结构等差异性较大，对建模要求和产品信息的提取和重构要求也不同。因此，按具体任务对象进行元模型和语义本体构建，易于产品信息元模型的获取、建模以及领域应用模型的提取；
步骤S120，对产品信息进行分析分类，确定信息元模型范围。
在产品领域确定的基础上，领域专家对产品信息进行分析和分类，具体为面向工程语义分类，从设计过程各阶段各领域所涉及的信息进行抽象获取，如需求阶段的需求信息，概念设计阶段的功能、行为和结构等信息。领域专家基于上述分析，在元模型定义模块220中定义各元模型，如需求元模型、功能元模型等，还可以根据需要自定义描述产品信息所需的其他元模型，如服务信息元模型、运维信息元模型等。同时，在信息抽象提取的基础上，进行信息的属性和关系定义。具体实施分为步骤s121、步骤s122和步骤s123：
步骤S121，确定元模型概念。
产品信息的有效集成、共享和重用需要严格规范、统一的元模型概念。基于上述分析确定元模型范围，在元模型定义模块220中按照领域约定俗成的叫法和相关标准规范进行定义，如材料元模型概念的定义可以参考材料牌号标准和材料标准，功能元模型概念的定义使用常用的“动名词”形式，最终目标是形成统一、无歧义的元模型概念。
步骤S122，分析和确定元模型属性。
确定元模型概念后，需要对概念的属性进行定义。元模型属性的分析和确定属于元元模型层建模，所谓元元模型就是定义元模型的模型，如对产品属性信息的确定，可以分为属性类定义、属性定义和属性值定义，其中属性值的定义又可以分为属性值类型和属性值定义，属性值类型有数值型、字符型和混合型等。对上述分析确定的元模型，在元模型定义模块220中进行元模型属性的定义；
步骤S123，分析元模型之间的关系。
元模型之间是具有相互关系的，因此在确定元模型概念和属性后，需要对元模型之间的相互关系进行定义。分析和建立元模型之间的相互关系，如结构元模型与参数元模型之间的关系为Has_paramter，结构元模型和材料元模型之间的关系为Need_material；元模型与属性之间的关系为has_property；梳理构建元模型关系表，在语义元模型本体构建时使用；
步骤S130，管理产品信息元模型。
使用所述元模型定义模块220基于步骤S121、S122、S123确定的信息元模型范围进行元模型的定义以构建产品信息元模型，然后使用所述元模型管理单元231对定义的各种元模型进行管理，同时不断完善产品信息元模型。
上述S110到S130等步骤，一是从元模型层定义规范统一的元模型概念，提供统一有效的产品信息词汇表，是产品信息集成和共享的基础，二是从元元模型层定义元模型的详细属性和关系，深层次定义产品语义信息，这是实现异构系统互操作的关键。同时，使用本体建模语言(OWL语言)将产品信息元(元模型层)和关系形式化表达，获得通用产品模型，实现基于模型的重用，提高建模质量和减少建模工作。
步骤S210，创建本体实例。
在上述元模型构建的基础上，使用所述本体构建单元211创建本体实例，对元模型及其复杂关系进行形式化语义表达；具体做法是在本体构建单元211中，基于元模型定义模块220所定义的元模型概念及其关系，构建本体实例；
步骤220，添加元模型及其关系的公理、约束，构建语义规则。
在本体构建单元211中，对本体实例中的元模型添加公理和规则集，根据实际情况为类和对象属性添加公理和约束，类的公理包括下位类SubClassOf、同位类EquivalentClasses和互斥类DisjointClasses等，对象属性的公理包括同位属性Equivalent object properties、父属性Superproperties等，同时还要为属性添加对称性、传递性等约束，最后利用SWRL语言对领域相关规则进行构建；
步骤S230，本体评价。
由领域专家和相关技术人员对构建的本体进行评价，确保所构建本体的规范性、完整性和准确性，同时可根据应用的需要不断完善改进；
步骤S240，获取形式化产品语义元模型本体。
在本体构建单元211中构建好本体，即形成形式化的产品语义模型本体；
步骤S250，生成OWL文件。
使用OWL生成单元212生成本体描述文件，文件描述了定义产品模型的元模型及其关系、约束，并传递给本体管理单元232进行管理，同时提供给产品建模子系统100中的解析推理模块110对其中的元模型和关系进行解析，从而支持产品建模和过程模型生成；
步骤S300，OWL解析和推理。
在产品信息建模人员构建产品信息模型时，由解析推理模块110对语义元模型本体构建模块210生成的OWL本体进行解析，并推理出OWL文件中描述的产品信息元模型(包含定义元模型的元元模型信息)，自动对产品建模进行约束；
步骤S410，构建产品模型。
构建产品模型，产品建模模块120基于解析推理模块110对语义元模型本体中的类进行解析和推理，反映在人机交互界面000的建模界面，由产品建模人员在产品建模模块120的产品模型定义单元121中构建产品模型，自动形成产品信息模型，然后进行属性定义和约束关系定义；
步骤S420，属性定义。
产品建模人员在产品建模模块120中选择了产品，解析推理模块110自动对相应的OWL文件进行解析，将其结构和关系在产品建模界面展示，由产品建模人员确定属性和约束关系，如材料元模型中，工程师只需选择材料牌号、材料规格信息等；
步骤S430，约束关系定义。
在产品建模模块120的约束关系定义单元123中，定义产品信息元模型之间的约束关系。
步骤S440，一致性检查。
在构建产品模型、定义属性、定义约束完成后，由解析推理模块110对构建的产品模型进行一致性检查，保证各信息之间的语义一致性；
步骤S500，管理产品模型。
经过一致性检查后，获得产品信息模型。构建产品模型属于多层次元模型构建的第三层，即产品模型层。形成的产品模型提供给产品模型管理子系统300进行统一管理；在领域应用模型生成模块130中，提取产品模型信息生成相应的领域应用模型；
步骤S700，领域应用模型生成。
在获得产品模型后，需要对产品进行各功能领域的分析，如进行成本分析、质量分析等，可由产品建模模块120在产品模型中获取各领域分析所需信息进行功能分析。具体实现过程为由领域应用模型生成模块130提取产品模型中相关领域的信息，组成领域模型，提供给领域分析人员，同时生成的领域应用模型提供给产品模型管理子系统300进行统一管理；在领域分析过程中，不断获取各项领域产品数据，提供给产品实例设计单元124形成产品实例。
步骤S600，产品实例设计。
在产品建模模块120中，所构建的产品模型只是通用信息模型，各信息项没有具体的值，还需要针对具体设计过程实例化形成产品实例。因此，通过产品实例设计单元124可以将所构建的产品模型实例化获取产品实例。以某枪管设计为例，其信息模型中需求信息主要有口径d、射程l、射速v、枪管重m等信息，而此枪管实例中上述信息对应为：口径d＝12.7毫米(单位为mm)、射程l＝1500米(单位m)、射速v＝400发/秒、枪管重m＝8千克。
需要说明的是，产品信息模型实例化，是经过产品设计过程逐渐完善的，即通过过程模型的生成和实例化应用，获取相应的值，提供给产品实例设计单元124；产品实例构建属于多层次元模型的第四层，即产品实例层。
为了说明本发明的内容及实施方法，给出了上述具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本发明所述方法。本领域的技术人员应理解：在不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围内，对最佳实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例及附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统，其特征在于：包括人机交互界面(000)、产品建模子系统(100)、产品语义元模型定义与管理子系统(200)、产品模型管理子系统(300)；人机交互界面(000)与产品建模子系统(100)、产品语义元模型定义与管理子系统(200)和产品模型管理子系统(300)均相连；产品建模子系统(100)分别与产品语义元模型定义与管理子系统(200)、产品模型管理子系统连接(300)；
所述人机交互界面(000)用于集成产品建模子系统(100)、产品语义元模型定义与管理子系统(200)和产品模型管理子系统(300)，提供领域专家、产品建模人员和管理人员与各子系统交互的工作界面；
所述产品建模子系统(100)用于基于产品语义元模型定义与管理子系统(200)所构建的OWL文件建立产品信息模型并基于产品信息模型建立领域应用模型，即实现对产品元模型和约束关系的推理、产品模型创建、领域应用模型生成三个功能；
所述产品语义元模型定义与管理子系统(200)用于实现产品语义元模型定义和管理，即实现产品元模型的分类定义、语义元模型本体的构建及对应OWL文件的生成和语义元模型管理三个功能；
所述的产品模型管理子系统(300)用于实现对产品建模子系统(100)生成的产品信息模型和产品领域应用模型的管理。
2.根据权利要求1所述的一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统，其特征在于：所述产品建模子系统(100)包括解析推理模块(110)、产品建模模块(120)、领域应用模型生成模块(130)；解析推理模块(110)与产品建模模块(120)连接，领域应用模型生成模块(130)分别与产品建模模块(120)和解析推理模块(110)连接；
所述解析推理模块(110)用于基于领域专家在产品语义元模型定义与管理子系统(200)中构建的产品语义元模型本体OWL文件进行元模型及其属性和关系的解析推理，以支持产品建模模块(120)中的产品信息建模和领域应用模型生成模块(130)中的领域应用模型生成时的一致性维护；
所述产品建模模块(120)用于构建产品信息模型和产品实例，所构建的信息模型由所述产品模型管理子系统(300)进行管理；其进一步由用于定义产品模型的产品模型定义单元(121)、用于定义产品模型属性的属性定义单元(122)、用于定义产品模型工程和性能约束的约束关系定义单元(123)以及用于实例化特定产品模型的产品实例设计单元(124)组成；所述产品实例设计单元(124)与领域应用模型生成模块(130)相连；
所述领域应用模型生成模块(130)用于从产品建模模块(120)构建的产品信息模型中提取领域相关信息构建领域应用模型，并由解析推理模块(110)维护此过程的一致性关系，然后经过领域分析后将领域设计结果返回产品实例设计单元(124)实例化特定产品模型；其构建的领域应用模型通过所述产品模型管理子系统(300)进行管理。
3.根据权利要求2所述的一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统，其特征在于：所述解析推理模块(110)进一步包括用于解析产品构件组成的元模型推理单元(111)、用于推理OWL中约束关系的关系推理单元(112)、以及用于保持产品信息建模过程中语义一致性的一致性检查单元(113)。
4.根据权利要求2所述的一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统，其特征在于：所述领域应用模型生成模块(130)进一步包括用于需求分析的需求信息模型生成单元(131)、用于功能分析的功能信息模型生成单元(132)、用于行为分析的行为信息模型生成单元(133)、用于设计过程的设计信息模型生成单元(134)、用于工艺设计的工艺信息模型生成单元(135)、用于加工制造的制造信息模型生成单元(136)、用于运维服务的服务信息模型生成单元(137)。
5.根据权利要求1所述的一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统，其特征在于：所述产品语义元模型定义与管理子系统(200)进一步包括语义元模型本体构建模块(210)、元模型定义模块(220)、语义元模型管理模块(230)；其中元模型定义模块(220)分别与语义元模型管理模块(230)和语义元模型本体构建模块(210)连接，语义元模型本体构建模块(210)与语义元模型管理模块(230)连接；
所述语义元模型本体构建模块(210)用于构建元模型本体和生成OWL描述文件；
所述元模型定义模块(220)用于构建面向工程语义分类的产品信息元，对产品信息进行严格规范的定义和约束；
所述语义元模型管理模块(230)用于对所述元模型定义模块(220)构建的产品分类元模型和所述语义元模型本体构建模块(210构建的语义元模型本体进行管理。
6.根据权利要求5所述的一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统，其特征在于：所述元模型定义模块(220)进一步由需求元模型定义单元(221)、功能元模型定义单元(222)、行为元模型定义单元(223)、几何元模型定义单元(224)、拓扑元模型定义单元(225)、材料元模型定义单元(226)、属性元模型定义单元(227)、版本元模型定义单元(228)和自定义元模型定义单元(229)组成。
7.根据权利要求5所述的一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统，其特征在于：所述语义元模型本体构建模块(210)进一步由本体构建单元(211)和OWL生成单元(212)组成，本体构建单元(211)用于构建语义元模型本体，OWL生成单元(212)用于基于语义元模型本体生成OWL描述文件。
8.根据权利要求5所述的一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统，其特征在于：所述语义元模型管理模块(230)进一步由元模型管理单元(231)和本体管理单元(232)组成，元模型管理单元(231)用于管理来自于元模型定义模块(220)中构建的元模型，对元模型进行添加、删除、修改的管理操作；本体管理单元(232)用于管理由语义元模型本体构建模块(210)构建的语义元模型本体及生成的OWL文件。
9.根据权利要求1-9任一所述的一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统，其特征在于：所述产品模型管理子系统(300)进一步包括产品模型查看模块(310)、产品模型修改模块(320)、产品模型删除模块(330)，产品模型查看模块(310)用于查看产品建模子系统(100)构建的产品信息模型的属性和关系，产品模型修改模块(320)用于修改产品信息模型中产品属性和关系，产品模型删除模块(330)用于删除所构建的产品信息模型。
10.根据权利要求9所述的一种基于语义元模型的产品统一模型构建系统的产品统一模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S110，确定构建元模型语义本体的产品领域；
步骤S120，对产品信息进行分析分类，确定信息元模型范围，具体包括以下步骤：
步骤S121，确定元模型概念；
步骤S122，分析和确定元模型属性；
步骤S123，分析元模型之间的关系；
步骤S130，基于步骤步骤S120确定的元模型范围使用所述元模型定义模块(220)对信息元模型进行定义并通过所述语义元模型管理模块(230)进行管理；
步骤S210，使用所述语义元模型本体构建模块(210)创建本体实例；
步骤220，使用所述语义元模型本体构建模块(210)对所创建的本体实例添加元模型及其关系的公理、约束，构建语义规则；
步骤S230，由领域专家和相关技术人员对构建的本体进行评价，确保所构建本体的规范性、完整性和准确性，同时可根据应用的需要不断完善改进；
步骤S240，经过步骤步骤S210－步骤S230得到形式化产品语义元模型本体；
步骤S250，对获得的语义元模型本体使用所述语义元模型本体构建模块(210)生成OWL文件；
步骤S300，使用所述解析推理模块(110)对OWL文件所描述的本体进行解析和推理；
步骤S410，在所述人机交互界面(000)的建模界面，由产品建模人员在产品建模模块(120)的产品模型定义单元(121)中构建产品模型；
步骤S420，产品建模人员在所述产品建模模块(120)中选择了产品后，所述解析推理模块(110)自动对相应的OWL文件进行解析，将其结构和关系在所述人机交互界面(000)的建模界面进行展示，由产品建模人员选择属性；
步骤S430，产品建模人员在建模界面定义产品信息元模型之间的约束关系；
步骤S440，对经过步骤S410－步骤S430构建产品模型、定义属性、定义约束完成后，由所述解析推理模块(110)对构建的产品模型进行一致性检查，保证各信息之间的语义一致性；
步骤S500，使用所述领域应用模型生成模块(130)提取上述经过一致性检查后的产品模型中相关领域的信息，组成领域模型，提供给领域分析人员，同时生成的领域应用模型提供给所述产品模型管理子系统(300)进行统一管理；在领域分析过程中，不断获取各项领域产品数据，提供给所述产品实例设计单元(124)形成产品实例；
步骤S600，使用所述产品实例设计单元(124)基于经过步骤S500得到的领域产品数据对所构建的产品模型实例化进行产品实例设计。
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