基于本体元模型的航空装备数字模型构建及管控系统

1.本发明属于工业信息管理技术领域，具体的为一种基于本体元模型的航空装备数字模型构建及管控系统。


背景技术：

2.近年来，航空产品的复杂程度不断提高，其生命周期内涉及到的企业范围也在不断扩大，各企业间地域分布分散，制造资源间存在“信息孤岛”现象导致现有模式难以对异构、异地且海量的制造资源、制造知识进行高效地共享、配置和管控，信息化成本较高。
3.目前，研究构建的航空装备数字模型主要针对于传统航空装备制造或装配过程中的信息如制造工艺信息、装配工艺信息进行表达，然而上述建模理论缺乏对航空装备在云平台制造模式中整个生命周期的有效管理和多学科、多领域知识及数据的共享与表达，难以实现各异构模型之间数据交换、信息共享、互操作的要求以及多领域多层次信息的一体化集成，建模效率和建模质量欠佳，无法作为云制造服务平台制造模式下航空装备数字模型构建的指导方法。同时，云平台制造模式下的航空装备数字模型构成与管控过程较为复杂，具有不同需求的制造企业和用户均有权限对数字模型进行访问和更改。数字模型中的不同单元即对应着不同的设计方，因此，如何对数字模型进行精准管控和权限分配成为目前航空装备制造业亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于本体元模型的航空装备数字模型构建及管控系统，能够对数字模型进行精准管控和权限分配。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于本体元模型的航空装备数字模型构建及管控系统，包括：
7.数据提取单元：对云平台制造模式下的航空装备全生命周期中的制造数据进行提取；
8.层析分析单元：根据本体元模型理论对制造数据进行层次划分；
9.数字模型构建及表达单元：根据层析划分构建航空装备数字模型并进行语义表达；
10.模型管控单元：实现对航空装备数字模型信息的精准管控。
11.进一步，所述数据提取单元对航空装备制造数据按照四个维度进行提取，四个维度分别为：
12.阶段维：对航空装备全生命周期中所经历的阶段进行划分；
13.学科维：对航空装备全生命周期内涉及到的不同学科领域信息和知识进行定义；
14.层次维：包括航空装备全生命周期所涉及的各层次所对应的属性、信息、约束和关系；
15.供应链维：用于表征航空装备全生命周期在不同链中对数字模型的不同需求。
16.进一步，面向云平台的航空装备本体元模型包括元元模型层m0，元模型层m1，模型层m2和实例层m3；
17.所述元元模型层m0具有极强的抽象性，用于对本体元模型进行描述；
18.所述元模型层m1是对元元模型层m0的实例化；
19.所述模型层m2是对元模型m1的实例化，用于描述特定领域内的具体模型，定义描述模型的语言；
20.所述实例层m3是对模型层m2的实例化，由航空装备生命周期内业务交互产生的数据组成，描述航空装备详细信息。
21.进一步，所述航空装备的本体元模型抽象表达为：
22.ontology_meta-model＝{o
pm
，o
pdm
，o
rm
，o
mm
，o
csm
}
23.其中，o
pm
表示过程本体元模型，用于对航空装备全生命周期所涉及活动、任务进行的抽象性表达和层次化建模；
24.o
pdm
表示产品本体元模型，是对航空装备实体信息表达的模型集合；
25.o
rm
表示资源本体元模型，对航空装备全生命周期内所需各类资源的统一表达；
26.o
mm
表示管理本体元模型，用于对航空装备生命周期内制造数据中与管理相关信息的统一描述；
27.o
csm
表示云服务本体元模型，能够对云平台在航空装备全生命周期中所提供的服务进行表达。
28.进一步，所述航空装备的本体元模型的语义表达单元抽象表达为：
29.ontology_meta-model＝{class，attribute，relation，method，constraint}
30.class表示航空装备本体元模型所描述的对象概念集合，并可形式化表示为：
31.class＝c
entity
×cprocess
×csystem
×cmanag
×cresource
32.c
entity
表示基于云平台的航空装备实体类；c
process
表示基于云平台的航空装备制造过程类；c
system
表示基于云平台的航空装备制造所需云服务类；c
mana
表示基于云平台的航空装备管理信息类；c
resource
表示基于云平台的航空装备制造资源类；
33.attribute表示航空装备本体元模型中各对象类所具备的属性集合，并可形式化表示为：
34.attribute::＝a
entity
×aprocess
×asystem
×amsnage
×aresource
×acs
35.a
entity
表示实体类属性信息；a
process
表示过程属性信息；a
system
表示学科系统属性信息；a
manage
表示管理信息属性；a
resource
表示资源属性信息；a
cs
表示云服务属性信息；
36.relation表示对航空装备本体元模型中不同对象模型之间映射关系的定义，分为整体与部分关系、实例化关系和类的属性三种，表示为：
37.relation::＝《member-of》|《instance-of》|《attribute-of》
38.member-of表示整体与部分关系；instance-of表示实例化关系；attribute-of表示类的属性；
39.constraint表示对航空装备本体元模型定义的约束，并可形式化表示为：
40.constraint::＝co
design
×
co
manufacture
×
co
assemble
41.co
design
表示设计约束；co
manufacture
表示制造约束；co
assemble
表示装配约束；
42.method表示对航空装备本体元模型中的对象、属性、映射和约束关系进行定义的
操作方法集合，并可形式化表示为：
43.method::＝《get》|《change》|《add》|《delete》|《quote》|《extract》|《gather》
44.get表示获取；change表示更改；add表示添加；delete表示删除；quote表示引用；extract表示提取；gather集聚。
45.进一步，所述模型管控单元包括：
46.权限分配单元：对执行任务的用户、角色、权限之间进行动态的授权管理；
47.模型更新单元：用于对航空装备数字模型进行变更；
48.模型检测单元：对模型设计规则进行管理，实现模型设计时对模型相关属性的设置。
49.进一步，所述权限分配单元包括以下几个层次：
50.(1)任务与角色分层定义：用于对航空装备数字模型管控过程的对象进行层次性的划分；
51.数字模型更改项目由不同的子项目构成：dp＝{dp1，dp2…
dpn}，其中，dpi表示项目dp的第i个子项目；dpi由不同的任务完成：dpi＝{task1，task2，
…
taskn}，其中taskj表示子项目dpi的第j项任务；
52.角色层次体现了角色之间的继承关系，这种继承关系是一种偏序关系：(ri，rj)∈rh表示角色ri是rj的父角色，rj继承了ri的所有权限；
53.(2)任务分配关系：任务分配关系定义为：dta＝(tua，tra)，其中，任务与用户的分配关系：对于(t，u)∈tua表示用户u承担并执行任务t；任务与角色的分配关系：对于(t，r)∈tra表示角色r可执行任务t；
54.(3)用户角色分配关系：针对同一任务t的用户与角色之间的关系用二元组(u(t)，r(t))表示用户与角色的关系；(u(t)，r(t))∈ura表示执行任务t的用户u(t)享有执行相同任务t的角色r(t)；
55.(4)角色权限分配关系：针对同一任务t的角色与操作权限之间的关系表示为：用二元组(r(t)，p)表示角色与权限的关系，(r(t)，p)∈rpa表示执行任务t的角色r(t)拥有操作权限p。
56.进一步，所述模型更新单元的变更流程为：
57.(1)在云平台中提出航空装备数字模型的变更申请；
58.(2)通过云平台系统后台进行数字模型变更评审；若评审通过，则将变更申请通过云平台传递至航空装备数字模型发布方进行具体修改活动；若评审未通过，则将变更申请退回申请方修改变更请求；
59.(3)完成数字模型修改后利用预设的自动化模型检测模块对模型进行规范性检测；若符合数字模型标准，则通过审核再次发布至云平台中供数字模型需求方使用；若不符合数字模型标准，则退回发布企业继续进行修改，直至通过审核条件后发布至云平台上。
60.进一步，所述模型检测单元内预设有模型设计标准管理和校验单元，所述模型设计标准管理和校验单元用于对模型属性信息进行定义和校验，并规定了在航空装备数字模型设计过程中应当具备的属性和信息，同时对数字模型进行校验；模型设计标准管理和校验单元将数字模型的属性信息与模型设计标准进行比对，若发现有错误、缺漏和不完整之
处则将航空装备数字模型返回至模型构建方进行修改或完善工作。
61.本发明的有益效果在于：
62.本发明基于本体元模型的航空装备数字模型构建及管控系统，利用数据提取单元对云平台制造模式下的航空装备全生命周期中的制造数据进行提取，可以完成对航空装备全生命周期内的各阶段多学科多领域信息进行完整表达，为航空装备全生命周期内的活动和任务提供指导，并为实现航空装备数字模型的构建和工程应用奠定基础；利用层析分析单元对制造数据进行层次划分，结合本体理论和元模型建模技术对航空装备全生命周期内的制造数据进行逻辑化的描述，将元数据和元模型进行融合并应用到元模型建模技术中；利用数字模型构建及表达单元构建航空装备数字模型并进行语义表达，对航空装备生命周期各阶段的信息进行准确表达；利用模型管控单元实现对航空装备数字模型信息的精准管控。综上，本发明基于本体元模型的航空装备数字模型构建及管控系统能够对数字模型进行精准管控和权限分配。
附图说明
63.为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
64.图1为本发明基于本体元模型的航空装备数字模型构建及管控系统的框图；
65.图2为本发明基于本体元模型的航空装备数字模型构建及管控系统内各单元的功能原理框图；
66.图3为航空装备本体元模型的层次图；
67.图4为航空装备本体元模型所描述的对象概念集合；
68.图5为模型更新单元的变更流程图。
具体实施方式
69.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
70.如图1所示，本实施例基于本体元模型的航空装备数字模型构建及管控系统，包括：
71.数据提取单元：对云平台制造模式下的航空装备全生命周期中的制造数据进行提取；
72.层析分析单元：根据本体元模型理论对制造数据进行层次划分；
73.数字模型构建及表达单元：根据层析划分构建航空装备数字模型并进行语义表达；
74.模型管控单元：实现对航空装备数字模型信息的精准管控。
75.1、数据提取单元
76.本实施例的数据提取单元通过数据提取模块对云平台制造模式下的航空装备制造数据进行提取，通过对企业内部信息化管理系统(plm、pdm、erp)、bom清单等制造信息储存方式对数据信息按照四个维度进行提取，并建立数据库进行储存。即本实施例中，数据提取单元对航空装备制造数据按照四个维度进行提取，四个维度分别为：
77.阶段维(stage dimension，d stage)：对航空装备全生命周期中所经历的阶段进行划分。
78.阶段维是对产品全生命周期中各类活动的划分，航空装备所经历的阶段可以分为需求分析、设计研发、试制试飞、批量生产、运维服务、升级退役等，不同阶段内的信息之间具备一定的关联性，能够通过一致性语义进行表达。在此维度主要涉及到对承担设计、制造、测试、维修服务任务的企业以及与业务交互所产生的相关数据进行提取工作。
79.学科维(discipline dimension，d discipline)：对航空装备全生命周期内涉及到的不同学科领域信息和知识进行定义，产品功能或行为均是由不同学科领域信息和知识协同支撑来实现的。
80.层次维(layer dimension，d layer)：基于云平台的航空装备全生命周期涉及到多个层次，如特征、零件、部件、组件、工装、整机等。本实施例的层次维包括航空装备全生命周期所涉及的各层次所对应的属性、信息、约束和关系；
81.供应链维(supply chain dimension，d supplychain)：用于表征航空装备全生命周期在不同链中对数字模型的不同需求。
82.供应链维是指航空装备全生命周期需要在不同链(设计链、制造链、服务链)中进行转换，不同链对数字模型的需求有所不同，如设计链侧重对服务需求者具体需求的分析，制造链以航空装备的几何信息、公差、工艺信息为主要信息，服务链以提升产品最终服务水平为目的，同时解决产品服务之外的各种延伸服务问题。
83.基于上述四个维度的数据，可以完成对航空装备全生命周期内的各阶段多学科多领域信息进行完整表达。为航空装备全生命周期内的活动和任务提供指导，并为实现航空装备数字模型的构建和工程应用奠定基础。
84.2、层次分析单元
85.为全面描述航空装备全生命周期内的制造数据，结合本体理论和元模型建模技术对其进行逻辑化的描述，将元数据和元模型进行融合并应用到元模型建模技术中。本体元模型建模过程首先要完成对于航空装备生命周期内制造数据的层次分析，此步骤由层次分析单元完成。
86.如图3所示，本实施例面向云平台的航空装备本体元模型包括元元模型层m0，元模型层m1，模型层m2和实例层m3。
87.元元模型层m0具有极强的抽象性，定义了包含元模型的元类、元属性、元关系以及元方法等组元信息，用于对本体元模型进行描述。
88.元模型层m1是对元元模型层m0的实例化，描述模型对象类、属性、操作、关系等组元。本体元模型是在元数据的基础上针对某些领域或某些行业所建立的通用业务与数据模型。
89.模型层m2是对元模型m1的实例化，用于描述特定领域内的具体模型，定义描述模型的语言；基于元模型层中本体元模型定义，将对象数据进行本体转化和描述生成本体模型。
90.实例层m3是对模型层m2的实例化，由航空装备生命周期内业务交互产生的数据组成，描述航空装备详细信息。
91.3、数字模型构建及表达单元
92.基于步骤2中对航空装备制造数据的层次划分，进一步完成航空装备本体元模型的构建。
93.航空装备的本体元模型抽象表达为：
94.ontology_meta-model＝{o
pm
，o
pdm
，o
rm
，o
mm
，o
csm
}
95.o
pm
表示过程本体元模型(process meta-model，pm)，用于对航空装备全生命周期所涉及活动、任务进行的抽象性表达和层次化建模。航空装备全生命周期是由众多过程构成，如产品开发、工艺准备、订单下发、零部件制造、整机装配等，不同的过程内有不同需要完成的目标，是由若干任务和活动组合而成。在云平台制造模式下，航空装备生命周期数据被虚拟化、服务化后封存在不同的业务系统中，不同过程所封存的数据具有异构性。过程本体元模型作为航空装备数字模型的基础，是对航空装备全生命周期所涉及活动、任务进行的抽象性表达和层次化建模，各类业务交互数据均是在此基础上产生的。
96.o
pdm
表示产品本体元模型(product meta-model，pdm)，是对航空装备实体信息表达的模型集合，包括实体对象、实体属性、实体间的映射和约束关系、实体设计形态等等，对相关实体的功能、行为、结构等属性进行描述。
97.o
rm
表示资源本体元模型(resource meta-model，rm)，在云平台制造模式下，制造资源可分为硬制造资源、软制造资源和制造能力资源等并被虚拟封装在共享云平台上，资源本体元模型是对航空装备全生命周期内所需各类资源的统一表达。
98.o
mm
表示管理本体元模型(manage meta-model，mm)，管理本体元模型是对企业管理领域、业务流程、控制点和任务分配与授权的一体化实现，云平台制造模式对航空装备数字模型的管理提出了更高的要求，如航空装备生产流程管理、项目任务管理、多级供应商管理、供应链管理、制造资源管理等。管理本体元模型用于对航空装备生命周期内制造数据中与管理相关信息的统一描述。
99.o
csm
表示云服务本体元模型(cloud service meta-model，csm)，云服务本体元模型是对云制造服务平台能够提供的各类制造服务进行抽象表达的模型，包括对云服务的类型、属性等信息的定义。云服务本体元模型能够对云平台在航空装备全生命周期中所提供的服务进行表达。
100.面向云平台的航空装备本体元模型是以过程本体元模型为核心和基础，产品本体元模型、资源本体元模型、管理本体元模型、云服务本体元模型为辅助，对航空装备生命周期各阶段的信息进行准确表达。
101.本实施例中，航空装备的本体元模型的语义表达单元抽象表达为：
102.ontology_meta-model＝{class，attribute，relation，method，constraint}
103.class表示航空装备本体元模型所描述的对象概念集合，如图4所示，可形式化表示为：
104.class＝c
entity
×cprocess
×csystem
×cman
×cresource
105.c
entity
表示基于云平台的航空装备实体类；c
process
表示基于云平台的航空装备制造过程类；c
system
表示基于云平台的航空装备制造所需云服务类；c
manage
表示基于云平台的航空装备管理信息类；c
resource
表示基于云平台的航空装备制造资源类；
106.attribute表示航空装备本体元模型中各对象类所具备的属性集合，并可形式化表示为：
107.attribute::＝a
entity
×aprocess
×asystem
×amanage
×aresource
×acs
108.a
entity
表示实体类属性信息；a
process
表示过程属性信息；a
system
表示学科系统属性信息；a
manage
表示管理信息属性；a
resource
表示资源属性信息；a
cs
表示云服务属性信息；
109.relation表示对航空装备本体元模型中不同对象模型之间映射关系的定义，分为整体与部分关系、实例化关系和类的属性三种，表示为：
110.relation::＝《member-of》|《instance-of》|《attribute-of》
111.member-of表示整体与部分关系；instance-of表示实例化关系；attribute-of表示类的属性；
112.constraint表示对航空装备本体元模型定义的约束，并可形式化表示为：
113.constraint::＝co
design
×
co
manufacture
×
co
assemble
114.co
design
表示设计约束；co
manufacture
表示制造约束；co
assemble
表示装配约束；
115.method表示对航空装备本体元模型中的对象、属性、映射和约束关系进行定义的操作方法集合，并可形式化表示为：
116.method::＝《get》|《change》|《add》|《delete》|《quote》|《extract》|《gather》
117.get表示获取；change表示更改；add表示添加；delete表示删除；quote表示引用；extract表示提取；gather集聚。
118.4、模型管控单元
119.本实施例的模型管控单元包括：
120.权限分配单元：对执行任务的用户、角色、权限之间进行动态的授权管理；
121.模型更新单元：用于对航空装备数字模型进行变更；
122.模型检测单元：对模型设计规则进行管理，实现模型设计时对模型相关属性的设置。
123.4.1、权限分配单元
124.本实施例通过权限分配单元实现对于云平台中参与企业和用户的权限分配工作，主要是针对执行任务的用户、角色、权限之间进行动态的授权管理。航空装备生命周期内的用户权限分配管理可分为航空装备数字模型构建权限、航空装备数字模型访问权限和航空装备数字模型更改权限。
125.本实施例采用基于任务的权限分配原则，任务既要分配给用户又要分配给任务的角色，授权执行任务的用户只有拥有了执行任务所需要的角色，才具有执行相应任务的资格，当激活任务及承担该任务的用户和角色时，用户才拥有角色所包含的权限。
126.具体的，权限分配单元包括以下几个层次：
127.(1)任务与角色分层定义：用于对航空装备数字模型管控过程的对象进行层次性的划分；
128.数字模型更改项目由不同的子项目构成：dp＝{dp1，dp2…
dpn}，其中，dpi表示项目dp的第i个子项目；dpi由不同的任务完成：dpi＝{task1，task2，
…
taskn}，其中taskj表示子项目dpi的第j项任务；
129.角色层次体现了角色之间的继承关系，这种继承关系是一种偏序关系：(ri，rj)∈rh表示角色ri是rj的父角色，rj继承了ri的所有权限；
130.(2)任务分配关系：任务分配关系定义为：dta＝(tua，tra)，其中，任务与用户的分
配关系：对于(t，u)∈tua表示用户u承担并执行任务t；任务与角色的分配关系：对于(t，r)∈tra表示角色r可执行任务t；
131.(3)用户角色分配关系：针对同一任务t的用户与角色之间的关系用二元组(u(t)，r(t))表示用户与角色的关系；(u(t)，r(t))∈ura表示执行任务t的用户u(t)享有执行相同任务t的角色r(t)；
132.(4)角色权限分配关系：针对同一任务t的角色与操作权限之间的关系表示为：用二元组(r(t)，p)表示角色与权限的关系，(r(t)，p)∈rpa表示执行任务t的角色r(t)拥有操作权限p。
133.其中，与航空装备数字模型变更相关的权限分配原则作为航空装备制造生命周期中的管理数据，通过航空装备数字模型管理数据类(c
man
)进行表达
134.例如航空装备设计所或研究院(u1)主要工作是完成航空装备的总装设计、结构设计、软件设计、热控设计、电子设计、电气设计等初步设计工作，生成相应的设计数字模型，并将其发布至云平台供其他参与企业使用，在此过程中设计所承担的角色r1为初步设计者，在后续制造、装配、服务过程中，由于各企业的信息、技术不对称等问题的存在，需要对数字模型进行一定的修改来满足企业的具体要求，此时设计所承担的第二角色r2为数字模型的修改者。与角色相对应的权限有数字模型初步设计权限p1、模型学科仿真权限p2、模型数据修改权限p3等，并在数字模型初步设计、航空装备制造、装配、服务过程当中开放相应权限，以达到航空装备数字模型在企业间流动过程中的管控目的。
135.4.2、模型更新单元
136.如图5所示，本实施例的模型更新单元的变更流程为：
137.(1)在云平台中提出航空装备数字模型的变更申请；
138.(2)通过云平台系统后台进行数字模型变更评审；若评审通过，则将变更申请通过云平台传递至航空装备数字模型发布方进行具体修改活动；若评审未通过，则将变更申请退回申请方修改变更请求；
139.(3)完成数字模型修改后利用预设的自动化模型检测模块对模型进行规范性检测；若符合数字模型标准，则通过审核再次发布至云平台中供数字模型需求方使用；若不符合数字模型标准，则退回发布企业继续进行修改，直至通过审核条件后发布至云平台上。
140.发布完成后由云平台系统自动通知各企业、科研院所，之后再由其他数字模型使用方根据变更后的数字模型情况结合其负责的具体部分决定是否需要再次进行变更，若需要修改，则重复执行变更流程，不断完善航空装备数字模型。
141.其中，航空装备数字模型的变更申请可分为以下方面：
142.对材料的更改，在设计阶段主要影响产品零部件的质量、密度、质心、惯性矩、回转半径和转动惯量等。
143.对公差的更改，在设计阶段主要影响零部件的公差要求和配合种类；在制造阶段主要影响加工工艺。
144.对产品性能的更改，如体积、质量、可靠性和重心等的更改也是常见的更改，还常常带来合同的变更，是更改管理中的一个复杂问题。航空产品质量是其主要性能之一，减少质量经常是航空产品设计追求的目标，其所带来的更改可能是产品方案的重新制定、零件
数量的减少、零件外形尺寸的变化和零件材料的代替等。
145.其中，对航空装备数字模型变更评审的内容包括但不限于：
146.技术工艺可行性、结构变化、成本分析、夹具和检具的变化、采购成本、制造成本、行业标准、公告、特种设备及环保、是否影响整机的技术条件及性能参数、是否影响整机配置、是否影响售后、是否需要件号断点控制、采购件/自制件是否需要样件认可、是否需要技术状态断点控制、生产库存件处理等方面。
147.其中，航空装备数字模型变更申请的审核评估由云平台系统内的变更评审模块实现。变更评审模块由专家知识、行业标准等组成。专家知识用来作为云平台模式下航空装备数字模型变更条件审核的智力资源载体，是对各企业制造过程中产生的经验和智慧进行发掘和总结而得到的，用来更好地判断数字模型变更信息的申请是否应当通过。行业标准则是对航空装备质量、工艺性能、功能等各方面的具体要求，是数字模型变更审核的依据。
148.4.3、模型检测单元
149.本实施例的模型检测单元预设模型设计标准管理和校验单元对模型设计规则进行管理，实现模型设计时对模型相关属性的设置。模型设计标准管理和校验单元主要是对模型属性信息进行定义和校验，在此单元内规定了在航空装备数字模型设计过程中应当具备哪些属性和信息，同时对各部门构建完成后的数字模型进行校验，将数字模型的属性信息与模型设计标准进行比对，若发现有错误、缺漏和不完整之处则将航空装备数字模型返回至模型构建方进行修改或完善工作。
150.本实施例通过模型设计标准管理和校验单元以保证航空数字模型的准确性、一致性、有效性、完整性和可追踪性，使得与航空装备制造有关的企业和人员能够在并行的工作方式下及时获取最新的有效数据，减少工程更改次数，缩短更改周期，从而提高产品质量，减少产品研制成本。
151.以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。