Content uploaded by Wojciech Kacalak
Author content
All content in this area was uploaded by Wojciech Kacalak on Jan 04, 2017
Content may be subject to copyright.
Inżynieria Maszyn, R. 20, z. 1, 2015
komputerowy opis konstrukcji,
notacja opisu cech konstrukcji
Andrzej TUCHOŁKA1*
Maciej MAJEWSKI1
Wojciech KACALAK1
ZORIENTOWANY OBIEKTOWO, SYMBOLICZNY ZAPIS CECH, RELACJI
I STRUKTUR KONSTRUKCYJNYCH
Autorzy przedstawiają metodę opisu konstrukcji, pozwalającą na przetwarzanie konstrukcji z użyciem metod
numerycznych, inteligentnych procedur analitycznych i optymalizacyjnych. Proponowana struktura zapisu
umożliwia zwięzłą, symboliczną reprezentację konstrukcji. Autorzy przedstawiają metody analizy i reprezentacji
cech konstrukcji, relacji występujących pomiędzy elementami opisywanego obiektu, oraz strukturami
definiującymi konstrukcję. Dodatkowo, przedstawiono procedurę tłumaczenia opisu konstrukcji z rysunku
technicznego oraz opisu słownego. Przedstawiono również metodę formatowania proponowanego zapisu
w formacie KXML.
1. WPROWADZENIE
Stworzony zapis symboliczny [1], został zaprojektowany ze szczególnym
uwzględnieniem obiektowych cech elementów reprezentujących zarówno cechy
konstrukcyjne, jak i elementy strukturalne definiujące konstrukcję. Aby umożliwić
wykorzystanie algorytmów, pozwalających na jak najszerszą analizę struktury konstrukcji,
typy relacji pomiędzy węzłami symbolicznego zapisu pozwalają na utworzenie grafu
(zamiast bardziej tradycyjnej, hierarchicznej struktury zapisu). Tego typu relacje, w zapisie
KXML, pozwalają na opis zależności występującymi pomiędzy węzłami tej samej
struktury, jednak znajdującymi się w różnych hierarchiach dekompozycji struktury
konstrukcji. Dążono również do zwiększenia zwięzłości oraz uniwersalności zapisu
poprzez: np. minimalizację ilości utworzonych elementów składni czy zdefiniowania słów
kluczowych jako charakterystycznych skrótów słów w języku angielskim.
Innym kluczowym celem stawianym opisywanemu systemowi zapisu, jest
umożliwienie spójnej reprezentacji danych niekompletnie opisujących konstrukcję. Cel ten
został wyznaczony, aby umożliwić wykorzystanie metod numerycznych zaprojektowanych
do pracy z niekompletnymi danymi, czy też pozwalających na wnioskowanie w warunkach
dużej niepewności danych.
_______________
1 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Koszalin
* E-mail: andrzej.tucholka@gmail.com
Zorientowany obiektowo, symboliczny zapis cech, relacji i struktur konstrukcyjnych 113
Istniejące informatyczne formaty reprezentacji danych (np. formaty narzędzi typu
CAD, czy ISO 10303), często są przeznaczone do przetwarzania danych projektowych w
kontekście ich wizualizacji [7],[9] lub konkretnych procesów produkcyjnych [5]. Oba z tych
zastosowań wymagają i w pewnym sensie preferują ich dokładną i precyzyjną definicję.
Obecne formaty przetwarzania danych konstrukcyjnych zawierają również głęboką
integrację z konkretnymi rozwiązaniami informatycznymi [4],[6]. Uwidacznia się to
bezpośrednio w poziomie czytelności tych zapisów (czasami jej braku) i znacznej ilości
elementów niereprezentujących wartości poznawczej. W efekcie oddają one jedynie w
niewielkim stopniu obiektowy charakter projektowanego elementu i relacji pomiędzy jego
dyskretnymi częściami, co znacznie utrudnia ich automatyczną analizę, czy stosowanie z
algorytmami uczącymi się [2].
Stworzenie obiektowego zapisu ułatwia przetwarzanie danych poprzez połączenie
abstrakcji konstrukcyjnych i leksykalnych (np. cecha) z elementami obiektowego zapisu
danych w systemach informatycznych [3],[8]. Oparcie formatu zapisu na obiektowym
paradygmacie programistycznym ułatwia naukowe wykorzystanie metod numerycznych
(np. sieci Hamminga, sieci konwolucyjnych, map Kohonena) na złożonych danych,
bezpośrednio reprezentujących słowne przedstawienie konstrukcji. W efekcie, upraszczany
również jest proces komunikacji operatora z maszyną. Wynika to z utworzenia
bezpośrednio dostępnej dla systemu informatycznego abstrakcji, która jest również
naturalna dla graficznej czy leksykalnej reprezentacji konstrukcji.
2. STRUKTURA SYMBOLICZNEGO OPISU KONSTRUKCJI
Symboliczny charakter opisywanego zapisu wynika z dwóch czynników:
uniwersalnego charakteru podstawowej struktury zapisu oraz z abstrakcyjnej definicji
elementów opisujących konstrukcję. Cechuje się on niewielką ilością elementów
strukturalnych zapisu, oraz szerokimi możliwościami budowania relacji strukturalnych.
Definiowane w zapisie struktury są bezpośrednim odwzorowaniem informacji używanych
przez ludzi do słownego (czy graficznego) opisu konstrukcji.
Rys. 1. Podstawowa, symboliczna struktura zapisu
Fig. 1. Base, symbolic structure of the notation
114 Andrzej TUCHOŁKA, Maciej MAJEWSKI, ,Wojciech KACALAK
Zapis danych opisujących konstrukcję oparty jest na czterech głównych elementach
(rys. 1): 1. modelu klasyfikacyjnym - dostarczającym kontekst analizy i interpretacji
zapisanych w jego ramach cech i węzłów strukturalnych;
2. definicji cechy konstrukcyjnej - dostarczającej informacji systematyzujących
dane używane do opisania i obliczania właściwości danej konstrukcji;
3. instancji węzła strukturalnego oraz powiązań węzłów - pozwalających na zapis
danych opisujących konstrukcję bezpośrednio w strukturze węzłów, oraz
wskazanie jawnych, strukturalnych relacji pomiędzy wartościami cech
konstrukcyjnych;
4. instancji cechy konstrukcyjnej - definiującej wartość (lub funkcję obliczającą)
cechy konstrukcyjnej w kontekście konkretnego modelu klasyfikacyjnego oraz
konkretnego węzła strukturalnego.
Oprócz relacji wynikających ze struktury zapisu, opisywany system pozwala na
reprezentację dodatkowych klas zależności, w sumie pozwalając na reprezentację:
A. - relacji pomiędzy fundamentalnymi elementami konstrukcji, poprzez strukturę
modeli, węzłów, definicji i instancji cech konstrukcyjnych (rys. 2);
Rys. 2. Relacje typu A
Fig. 2. Type A relations
B. - definicji klasy elementów zapisu (zarówno cech, węzłów i struktur węzłów),
tworząc relację pozwalającą na usystematyzowaną interpretację wartości elementów
tej samej klasy (rys. 3);
Rys. 3. Relacje typu B
Fig. 3. Type B relations
Zorientowany obiektowo, symboliczny zapis cech, relacji i struktur konstrukcyjnych 115
C. - mechanizm dziedziczenia (zarówno cech, węzłów i ich struktur) pozwalający na
spójną analizę elementów zapisu w kontekście drzewa reprezentującego ich
pochodzenie i współdzielony zakres danych poddawanych analizie (rys. 4);
Rys. 4. Relacje typu C
Fig. 4. Type C relations
D. - relacje pomiędzy cechami konstrukcyjnymi różnych modeli klasyfikacyjnych,
poprzez mechanizm tożsamości węzłów (rys. 5);
Rys. 5. Relacje typu D
Fig. 5. Type A relations
E. - niejawne relacje obliczeniowe zawarte w funkcjach matematycznych poprzez
odniesienia do elementów struktury zapisu (rys. 6).
Rys. 6. Relacje typu E
Fig. 6. Type E relations
116 Andrzej TUCHOŁKA, Maciej MAJEWSKI, ,Wojciech KACALAK
3. SKŁADNIA LEKSYKALNA
Domyślnie, dla notacji XML przyjmuje się kodowanie znaków UTF-8 lub UTF-16,
które pozwalają na użycie polskich znaków diakrytycznych (lub innych, popularnych
języków). Wszystkie parsery XML muszą prawidłowo obsługiwać te formaty zapisu
znaków [10], a użycie tzw. XML prolog'a jest wymagane jedynie w przypadku zmiany na
mniej popularny format kodowania znaków. Każde ze słów kluczowych użytych w języku
KXML będącego implementacją symbolicznej notacji w ramach języka XML [11], może
być interpretowane zarówno strukturalnie jak i w określonej funkcji:
STRUCT - element języka KXML dostarczający całościowy i jednostkowy kontener
dla struktury; zawarcie wielu elementów STRUCT w jednym pliku KXML jest
dopuszczalne i wspierane dla łatwości i elastyczności w tworzeniu kolekcji struktur;
o class - opcjonalny atrybut wiążący opisywaną strukturę z konkretną
i jednoznacznie zidentyfikowaną klasą struktur.
o id - opcjonalny atrybut wskazujący symboliczny identyfikator struktury; aby
uniknąć dwuznaczności, wymagane jest utrzymanie unikalności
identyfikatorów co najmniej w ramach pliku KXML;
MODEL - element języka używany do wskazania wybranego modelu, który jest użyty
do opisu i analizy struktury opisanej wewnątrz tego elementu;
o class - wymagany atrybut pozwalający na wybór modelu interpretacji danych
wewnątrz elementu;
o id - opcjonalny atrybut pozwalający na odnoszenie się do węzłów struktury
w zakresie ograniczonym jedynie do wskazanego modelu, w odróżnieniu od
domyślnego odniesienia się do całości opisu struktury, który może zawierać
wiele modeli;
FEATURE - element języka dostarczający definicję mierzalnej cechy struktury oraz
opcjonalnie jej konkretne wartości w każdym z przypadków wystąpienia danej cechy
w strukturze;
o id - wymagany atrybut pozwalający na identyfikację cechy konstrukcji, na
potrzeby interpretacji odniesień oraz definicji szablonów (opisane poniżej);
o class - opcjonalny atrybut umożliwiający powiązanie cech ze sobą (poprzez
dziedziczenie); może być to użyte na potrzeby wprowadzania wspólnych
(dla wybranych cech) warstw dostarczających dodatkowych możliwości
porównań niejawnych relacji występujących pomiędzy cechami
zdefiniowanymi w modelu;
o unit - atrybut jedynie elementów FEATURE, który musi być podany, w co
najmniej jednym z elementów tego typu o jednakowej wartości pola ‘id’;
zawiera on jednostkę, w której mierzona jest wybrana cecha; możliwe jest
tutaj wykorzystanie automatycznych przeliczników pomiędzy wartościami
podanymi w różnych rzędach wielkości (np. milimetry automatycznie
przeliczone na metry);
o vector - opcjonalny atrybut używany dla cech konstrukcyjnych o przypisanym
do nich wektorze;
Zorientowany obiektowo, symboliczny zapis cech, relacji i struktur konstrukcyjnych 117
o value - opcjonalna wartość elementu zawierająca konkretną liczbę lub
wyrażenie matematyczne ją wyznaczające; reprezentuje ona wartość cechy
mierzoną w jednostce wartości zdefiniowanej na poziomie ogólnym lub w tej
konkretnej instancji cechy;
NODE - główny element definiujący strukturę zapisu konstrukcji KXML pozwalający
na stworzenie opisu poprzez jawną hierarchizację elementów w ramach jednego
modelu, umożliwiający zróżnicowanie typów relacji występujących pomiędzy
węzłami oraz wskazanie ukrytych relacji występujących w modelu;
o id - opcjonalny atrybut umożliwiający odniesienia do węzłów strukturalnych,
wartości cech konstrukcji oraz tworzenia szablonów struktur;
o class - wymagany atrybut definiujący sposób interpretacji węzła lub relacje
pomiędzy nimi.
Możliwość użycia cechy w zapisie konstrukcji, wynika z jej identyfikacji formalną
metodą naukową, zazwyczaj w ramach wybranego modelu klasyfikacji i jego własności.
Należy nadmienić, że możliwa i oczekiwana jest duplikacja zakresów cech zdefiniowanych
w różnych modelach, oraz że ich definicja (typ) może być różna. Oznacza to, że końcowa
struktura jest kombinacją wszystkich drzew węzłów zdefiniowanych w modelach
klasyfikacji konstrukcji, które w połączeniu tworzą graf, opisujący konstrukcję.
Zaproponowany zapis reprezentacji struktur jest oparty na zastawieniu opisów
opartych na referencyjnych modelach klasyfikacyjnych. W ramach każdego z tych modeli
tworzone jest drzewo węzłów definiujących cechy i zależności strukturalne opisywanego
elementu. Kluczowe elementy notacji użyte do zdefiniowania i zapisu przykładowej
konstrukcji zamieszczono w tabeli 1 i tabeli 2.
Tabela 1. Kluczowe elementy notacji użyte do zdefiniowania przykładowej konstrukcji
Table 1. Key elements of the notation used to describe an example construction
OPIS TEKSTOWY
ZORIENTOWANY OBIEKTOWO, SYMBOLICZNY
ZAPIS
definicja obiektu: wał o identyfikatorze s001
<struct class="wał" id="s001"></struct>
model mechaniczny (do opisu struktur)
<model class="mechaniczny"></model>
zdefiniuj cechy jako: l w milimetrach, R w milimetrach, d
w milimetrach oraz kąt alfa w stopniach na pionowej osi w
trójwymiarowej przestrzeni,
<feature id="l" unit="mm" />
<feature id="R" unit="mm" />
<feature id="d" unit="mm" />
<feature id="alfa" unit="deg" vector="(0,1,0)" />
zdefiniuj stopień wału o identyfikatorze p001, o
wymiarach: l równe 48, d równe 35;
zawierający: frez o wymiarach l równe 12 i kącie
wynoszącym 45; gwint o wymiarach: l równe 24; oraz
podcięciem o wymiarach R i d równych 8.
<node class="stopien" id="p001">
<feature id="l">48</feature>
<feature id="d">35</feature>
<node class="frez">
<feature id="l">12</feature>
<feature id="alfa">45</feature>
</node>
<node class="gwint">
<feature id="l">24</feature>
</node>
<node class="podcięcie">
<feature id="R">8</feature>
<feature id="d">8</feature>
</node>
</node>
118 Andrzej TUCHOŁKA, Maciej MAJEWSKI, ,Wojciech KACALAK
Aby umożliwić użycie biblioteki z wcześniej zdefiniowanymi strukturami, zapis ten
może być użyty w dwóch kontekstach: jako szablon struktury, lub jej konkretny (końcowy)
opis. Różnica pomiędzy nimi może być zaobserwowana poprzez sprawdzenie czy wszystkie
z cech, wymaganych przez założony model, posiadają przypisane im wartości.
Zawarte w zapisie możliwości kompozycji i dziedziczenia mają na celu zwiększenie
możliwości późniejszej analizy i przetwarzania poprzez dostarczenie bardzo elastycznych
metod przedstawiania relacji strukturalnych.
Tabela 2. Kluczowe elementy notacji użyte do zapisu przykładowego, graficznego opisu konstrukcji
Table 2. Key elements of the notation used to annotate the example, graphical description of the design
OPIS GRAFICZNY
ZORIENTOWANY OBIEKTOWO,
SYMBOLICZNY ZAPIS
<struct class="wał" id="s001">
<model class="mechaniczny">
<feature id="alfa" unit="deg"
vector="(0,0,1)" />
<node class="trzpień" id="p001">
<feature id="l">48</feature>
<feature id="d">35</feature>
<node class="faza">
<feature id="l">12</feature>
<feature id="alfa">45</feature>
</node>
<node class="gwint">
<feature id="l">24</feature>
</node>
<node class="podcięcie">
<feature id="R">8</feature>
<feature id="d">8</feature>
</node>
</node>
</model>
</struct>
Struktura węzłów utworzona dla każdego z modeli, pozwala jedynie na jednostkowe
umieszczenie w niej węzła o konkretnym identyfikatorze. Identyfikatory powinny być
unikalne, lub nadawane automatycznie (i oznaczone, jako takie, aby móc pominąć je
w analizie) w przypadku ich braku. Powtórzenie identyfikatorów w ramach oddzielnych
modeli, uznawane jest za ich tożsamość w ramach danej konstrukcji. O ile węzły w modelu
tworzą struktury drzewiaste, to relacje występujące pomiędzy modelami tworzą skierowany
graf. Dodatkowo, koncepcja węzłów, poprzez atrybut CLASS pozwala na tworzenie
abstrakcyjnych relacji dziedziczenia pomiędzy poszczególnymi cechami oraz węzłami.
Użycie wartości atrybutu ‘ID’ w atrybucie ‘CLASS’ elementu języka interpretowane jest
jako dziedziczenie i dostarcza mu metodę tworzenia biblioteki cech i węzłów. Użycie tego
typu relacji pozwala na zdefiniowanie niejawnych relacji oraz innych informacji
opisujących konstrukcję. Aby zapewnić adekwatny zakres i język opisu, używanych
Zorientowany obiektowo, symboliczny zapis cech, relacji i struktur konstrukcyjnych 119
definicji, praktyk, miar i formatów do opisu konstrukcji, przyjmuje się referencyjne modele
klasyfikacyjne. Zapewnia to jednolitość i konkretność danych, przenosząc charakter
językowy i relacje pojęć na potrzeby analizy numerycznej.
O ile węzły i cechy z różnymi identyfikatorami są różnymi instancjami, to z użyciem
wspólnych, ale abstrakcyjnych klas (o wartości nie użytej w zapisie jako identyfikator) nie
wiąże się żadna dodatkowa wartość poznawcza. Jak wskazano wcześniej, użycie relacji
pomiędzy atrybutem ‘ID’ a ‘CLASS’ pozwala na stworzenie drzewa dziedziczenia
zawierającego (i domyślnie nadpisującego) wartości cech i węzłów.
Aby uzyskać bardziej kompletny opis relacji pomiędzy węzłami opisu konstrukcji,
możliwe tworzenie jest powiązań również pomiędzy węzłami z różnych modeli
referencyjnych. Należy nadmienić, że cechy konstrukcji przypisane do konkretnych węzłów
są porównywalne ze sobą w ramach wyłącznie jednego modelu. Oznacza to, że relacje
pomiędzy węzłami mogą być: strukturalne (np. węzeł m.1 jest tożsamy z węzłem n.1; dla
modeli n i m oraz węzłów 1 i 2) lub referencjami wartości (np. wartość cechy m.1.c1 jest
obliczona na podstawie wartości cechy n.1.c2).
Zdefiniowanie wcześniejsze cech oraz struktur uznaje się jako ich szablonową
definicję, która może zostać później nadpisana poprzez inne elementy zapisu (węzły, cechy)
o identycznych identyfikatorach. To podejście w zdefiniowanym zapisie dodaje
elastyczności, pozwalając na dołączenie do zapisu abstrakcyjnej wiedzy o zależnościach
występujących w konstrukcji.
Wartości cech konstrukcyjnych, przedstawione jako funkcje, nawet w przypadku
nieprawidłowego bądź braku możliwości obliczenia, mogą być porównywalne leksykalnie
oraz analizowane pod kątem relacji z innymi węzłami lub cechami. W (oczekiwanym)
przypadku, w którym przyjęty zapis funkcji dla wartości cech jest zgodny z jednym z wielu
istniejących w bibliotekach obliczeniowych, można wykonać proces obliczenia wartości
cech przedstawionych jako funkcje. Należy nadmienić, że przy porównywaniu wyników
takich obliczeń, należy zwrócić uwagę na jednolitość użytych bibliotek, a różne wersje tego
samego narzędzia mogą czasami zwrócić odmienne wyniki. Dodatkowo, należy zwrócić
uwagę na potencjalne problemy z kumulacją zaokrągleń oraz przetwarzaniem
i porównywaniem liczb rzeczywistych.
4. PODSUMOWANIE
Dalszy rozwój systemu zapisu struktury może być oparty na definiowaniu własnych
modeli klasyfikacji referencyjnych oraz bibliotek węzłów gromadzących wiedzę oraz
pozwalających na interpretację konstrukcji. Jako przykład można tu przyjąć stworzenie
abstrakcyjnego węzła reprezentującego kierunek frezowania. Taki węzeł, grupując kilka
węzłów zagnieżdżonych pozwala na tworzenie kompozycji lub ich bardziej złożonych
kolekcji w formie abstrakcyjnych klas węzłów.
Zaproponowana notacja pozwala na elastyczny opis konstrukcji, jej cech, relacji
występujących pomiędzy jej elementami, oraz uwzględnienie różnych modeli
referencyjnych definiujących konstrukcję. Możliwość opisu konstrukcji w formie
120 Andrzej TUCHOŁKA, Maciej MAJEWSKI, ,Wojciech KACALAK
symbolicznej, pozwala na koncepcyjną normalizację konstrukcji, a tym samym ułatwia
tłumaczenie opisów konstrukcji pomiędzy systemami metrycznymi, graficznymi modelami
oraz rysunkami.
Interesującym kierunkiem dalszych badań wydaje się również możliwość
zastosowania szerokiej gamy metod i algorytmów numerycznych do analizy zarówno
nowych jak i już istniejących konstrukcji.
LITERATURA
[1] BRACHMAN R.J., LEVESQUE H.J., 2004, Knowledge representation and reasoning, Morgan Kaufmann.
[2] DE KLEER J., 1977, Multiple representations of knowledge in mechanics problem-solver, Proceedings
of IJCAI-77, 299-304.
[3] FALTINGS B., 1987, Qualitative kinematics in mechanisms, Proceedings of IJCAI-87, 436-442.
[4] KACALAK W., MAJEWSKI M., 2012, New intelligent interactive automated systems for design of machine
elements and assemblies, ICONIP2012, Doha, Qatar. Lecture Notes in Computer Science, 7666, Part IV, Springer,
115-122.
[5] KAŁACZYŃSKI T., ŁUKASIEWICZ M., ŻÓŁTKOWSKI B., 2012, Techniki informatyczne w badaniach stanu
maszyn, Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego.
[6] KNOSALA R., i in., 2002, Zastosowania metod sztucznej inteligencji w inżynierii produkcji, Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne.
[7] PIEGL L.A., 2005, Ten challenges in computer-aided design, Computer-Aided Design, 37/4, 461-470.
[8] TSAI L., 2000, Mechanism design: enumeration of kinematic structures according to function, CRC Press.
[9] ZENG Y., HORVÁTH I., 2012, Fundamentals of next generation CAD/E systems, Computer-Aided Design 44/10,
875-878.
[10] https://www.w3.org/TR/2008/REC-xml-20081126/#charencoding
[11] https://www.w3.org/XML/
OBJECT-ORIENTED, SYMBOLIC NOTATION FOR DESIGN FEATURES, RELATIONS AND STRUCTURES
Authors propose a method of describing constructions, enabling the usage of numerical methods and intelligent
analytical or optimisation procedures. The proposed notation’s structure allows for a concise and symbolic
representation of the structural design. Authors propose a method of analysing and representing the construction, its
features, relations between elements of the analysed object, and structures defining it. Additionally, a procedure for
translating a technical drawing and speech description is included. Also, a method of representing the notation in
KXML format has been presented.
Keywords: computer notation for constructions, notation for structural features
