（机械设计及理论专业论文）产品4d信息模型的基础技术研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 随着计算机技术和信息技术的飞速发展及其在产品开发中应用的不断深入，许多先 进的产品设计方法应运而生，产品信息及其特性产生了根本性变化，成为产品设计过程 的核心和支柱，更是产品设计理论与技术研究的基础问题。本文基于时空观，首次提出 了产品4 d 信息模型的概念，并对其基础技术问题进行了研究，主要研究内容包括： 1 针对并行设计、协同设计和产品全生命周期设计等先进设计方法，具体分析了产 品设计过程中的时空特性，提出了产品4 d 信息模型的概念；在分析产品设计过程信息集 成方式发展演变的三个阶段：过程序列、过程链和过程流的基础上，总结出产品设计过 程中“时间”的并行、迭代和递进特性：对产品4 d 信息模型的时间维特性、基本特征、 构成原则与模式、形成过程与关键技术等基本问题进行了研究。 2 分别采用面向对象的技术和超图理论对产品4 d 信息模型的表达问题进行了研 究。基于对象，将产品4 d 信息模型分为三个层次，即数据层、数据对象层和业务对象 层，提出了产品4 d 信息模型在不同时刻的数据结构、不同阶段的数据之间的联系的表 达方法。在研究产品设计过程中信息特征的基础上，提出了用关联超图网络描述产品设 计过程中信息的交流和用结构化超图描述产品4 d 信息模型的方法。 3 建立了基于特征和超图的产品4 d 信息的概念模型和基于超图数据结构的产品 4 d 信息数据模型，应用扩展的基于超图的数据结构( h b d s ) 研究了产品设计过程中 4 d 信息模型数据链系统。为实现信息的快速查询，提出了基于超图数据结构的产品4 d 信息数据的推理方法。 4 提出了基于网络产品设计过程中产品4 d 信息共享与交换的过滤方法，对过滤的 对象与内容、过滤器的设计、过滤器的反馈机制和协作过滤机制、实现过程和功能基础 进行了详细地研究。同时，对基于网络的产品4 d 信息过滤器的性能评价作了初步的探 讨。 5 针对产品4 d 信息模型的具体特性，研究了在产品设计的具体阶段对产品4 d 信 息模型进行动态评价的模型和关键技术，提出了基于小波网络的多属性评价算法，通过 建立产品4 d 信息模型设计的评价系统体系结构，实现了产品4 d 信息模型在设计的各 个阶段、不同层次的评价。 最后，以具体产品为例，开发了实验系统，验证了产品4 d 信息模型基础技术的正 确性。 关键词：产品4 d 信息模型，时空观， 设计过程，超图，信息过滤器 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dt h e t h o r o u g ha p p l i c a t i o no ft h e mi np r o d u c td e v e l o p i n g ，al o to fa d v a n c e dp r o d u c td e s i g n m e t h o d se m e r g ea st h et i m e sr e q u i r e p r o d u c ti n f c ) r m a t i o na n di t st r a i t sh a v e t r a n s f o r m e de s s e n t i a l l y , b e c o m i n gt h ec o r ea n ds t a n c h i o no fp r o d u c td e s i g np r o c e s s ， w h i c hi se v e nm o r et h ef i m d a m e n t a lp r o b l e mo f p r o d u c td e s i g nt h e o r ya n dt e c h n o l o g y r e s e a r c h b a s e do ns p a c e - t i m ev i e w , t h ec o n c e p to f4 dp r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l ( 4 d p i m ) i sa d v a n c e df o rt h ef i r s tt i m e ，a n di t sf u n d a m e n t a lt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m s a r es t u d i e d t h em a i nr e s e a r c ht o p i c sa r ef o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a i m i n ga ta d v a n c e dd e s i g nm e t h o d s ，s u c ha sc o n c u r r e n td e s i g n ，c o o p e r a t i v e d e s i g n ，d e s i g nf o rp r o d u c tl i f ec y c l ea n ds oo n ，t h es p a c e - t i m ec h a r a c t e r i s t i co f p r o d u c td e s i g ni sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ec o n c e p to f4 d p i mi sa d v a n c e d b a s e d o nt h ea n a l y s i so f t h et h r e ee v o l v i n gs t a g e s ，n a m e l yp r o c e s ss e r i e s ，p r o c e s sc h a i na n d p r o c e s sf l o w , o f p r o d u c td e s i g np r o c e s si n f o r m a t i o ni n t e g r a t i n gm o d e ，t h ec o n c u r r e n t ， i t e r a t i v ea n ds u c c e s s i v et r a i t so f “t i m e ”i np r o d u c td e s i g np r o c e s sa r es u m m a r i z e d t h et i m ed i m e n s i o nt r a i t ，b a s i cc h a r a c t e r s ，c o m p o s i n gp r i n c i p l ea n dm o d e ，f o r m i n g p r o c e s s ，k e yt e c h n o l o g y , e t c ，o f 4 d p i ma r es t u d i e d 2 t h ep r o b l e mo f4 d p i me x p r e s s i n gi ss t u d i e d m a k i n gu s eo fo b j e c t o r i e n t e d t e c h n i q u ea n dh y p e r g r a p ht h e o r yr e s p e c t i v e l y b a s e do no b j e c t ，t h e4 d p i mi sd i v i d e d i n t ot h r e el a y e r s ，n a m e l yt h ed a t al a y e r , t h ed a t ao b j e c tl a y e ra n db u s i n e s so b j e c tl a y e r , a n dt h ee x p r e s s i n gm e t h o do f t h er e l a t i o n s h i po f 4 d - p i mb e t w e e nt h ed a t as t r u c t u r ea t d i f f e r e n tt i m ea n dt h ed a t ai nd i f f e r e n ts t a g e si sa d v a n c e d b a s e do nt h er e s e a r c ho n t h ei n f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fp r o d u c td e s i g np r o c e s s ，t h em e t h o do f d e s c r i b i n gt h e c o m m u n i o no fi n f o r m a t i o ni np r o d u c td e s i g np r o c e s sw i t hr e l a t i o n a lh y p e r g r a p h n e t w o r ka n dd e s c r i b i n g4 d - p i mw i t hh i e r a r c h i c a lh y p e r g r a p hi sa d v a n c e d 3 t h ec o n c e p t u a lm o d e lo f4 dp r o d u c ti n f o r m a t i o nb a s e do i l - c h a r a c t e ra n d h y p e r g r a p ha n dt h e4 dp r o d u c td a t am o d e lb a s e do nh y p e r g r a p hd a t as t r u c t u r ea r e e s t a b l i s h e d t h ee x t e n d e dh y p e r g r a p hb a s e dd a t as t r u c t u r e ( h b d s ) i sa p p l i e dt ot h e r e s e a r c ho ft h e4 di n f o r m a t i o nm o d e ld a t al i n ks y s t e mi np r o d u c td e s i g np r o c e s s f o r t h er e a l i z a t i o no fi n f o m a a t i o nf a s t q u e r y , t h er e a s o n i n gm e t h o do f4 dp r o d u c t i n f o r m a t i o nd a t ab a s e do nh y p e r g r a p hi sa d v a n c e d 4 t h ef i l t r a t i o nm e t h o db a s e do f4 dp r o d u c ti n f o r m a t i o ns h a r i n ga n de x c h a n g e i nn e t w o r k b a s e dp r o d u c td e s i g np r o c e s si sa d v a n c e d t h eo b j e c ta n dc o n t e n to f 武汉理工大学博士学位论文 f i l t r a t i o n ，f i l t e rd e s i g n ，t h ef e e d b a c km e c h a n i s ma n dc o o p e r a t i v ef i l t r a t i n gm e c h a n i s m ， r e a l i z i n gp r o c e s sa n df u n c t i o nf o u n d a t i o na r e r e s e a r c h e di nd e t a i l ，m e a n w h i l e ，a p r e l i m i n a r ys t u d yo nt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h en e t w o r k b a s e d4 dp r o d u c t i n f o r m a t i o nf i l t e ri sc a r r i e do u t 5 a i m i n ga tt h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i co f4 d - p i m ，t h em o d e la n dk e yt e c h n o l o g y o f4 d p i md y n a m i ce v a l u a t i o ni ne a c hs p e c i f i cs t a g eo fp r o d u c td e s i g n ，a n dt h e m u l t i a t t r i b u t e se v a l u a t i o na r i t h m e t i cb a s e do nw a v e l e tn e u r a ln e t w o r k si sa d v a n c e d b ye s t a b l i s h i n gt h ea r c h i t e c t u r eo f4 d p i md e s i g ne v a l u a t i o ns y s t e m ，t h ee v a l u a t i o n o f 4 d p i mi ne a c hd e s i g ns t a g ea n de a c hl a y e ri sr e a l i z e d f i n a l l y , t a k eas p e c i f i cp r o d u c ta sa ne x a m p l e ，t h ee x p e r i m e n ts y s t e mi s d e v e l o p e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e s t h ev a l i d i t yo f4 d - p i mf u n d a m e n t a lt e c h n o l o g i e s k e y w o r d s ：4 dp r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l ，s p a c e - t i m ev i e w , d e s i g np r o c e s s ，h y p e r g r a p h ， i n f c ) r r n a t i o nf i l t e r 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 随着计算机及信息技术在制造工业中愈来愈广泛的应用，制造系统的组织 格局、产品质量保证方法以及整个系统的运行模式等相对于传统的制造系统发生 了深刻的变化“3 。在现代制造中，产品设计、过程控制、生产管理等信息量剧增， 信息复杂性增加，要求对信息以及信息的产生与应用过程进行全面控制。信息技 术的发展与应用同样也使产品设计过程发生了根本性的变革，产生出许多新的设 计理论与方法，信息已成为产品设计过程中的核心和支柱。 产品设计过程( p r o d u c td e s i g np r o c e s s ，p d p ) 是产品从概念形成到生产开 始这一特定工作流的一种既定方式，它要求生成考虑到直至产品报废的整个生命 周期中有关产品设计、工艺、制造和装配等信息0 1 。因此，产品设计过程是一个 实时动态的过程，除了产品的特征信息外，还涉及到各种设计知识、技术人员、 设计工具、成本、材料和设备的配置等组成的信息流。 传统的产品设计过程在一定程度上具有经验性和随意性，难以满足以计算 机及其网络支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 为 特征的并行、协同、分布和开放的产品设计工作模式和实现对设计资源的合理安 排与使用。如何有效地表达产品设计过程中各种复杂关系，动态地分配设计过程 中所需要的各种资源和工作空间，实现产品设计过程的信息化、智能化、可视化， 一直是产品设计过程中亟待解决的关键问题。产品4 d 信息模型为解决这些问题 提供了一种可能的途径。 本章首先从时空观的角度分析了哲学的时空观和产品设计过程的时空观， 对产品4 d 信息模型技术的国内外研究现状进行了综述，指出了本文研究的目的 与意义，对并行设计、协同设计和产品全生命周期设计等集成设计方法中的时空 特性进行了分析。在此基础之上，提出了产品设计过程中的产品4 d 信息模型的 概念，分析了产品设计过程中的时空特性，阐述了产品4 d 信息模型的作用及应 用。最后，给出了本文主要研究内容和论文的总体框架。 1 1 哲学时空观与产品设计过程的时空观 人们都在一定的空间和时间环境中生存，并从事各种社会活动。对于空间和 时间人们有着不同的认识。空间包围着我们，而时间总是一点一点地体会到。在 空间中我们可以朝四面八方走去，而我们一切行动只能对将来起作用，不能影响 过去。因此，时间有特殊的方向性，而空间没有。 亚里士多德认为时间是移动的量，能将时钟指针和路程等不同的空间运动连 武汉理工大学 尊士学位论文 接到一起”3 。牛顿认为时间是与空间维相似的独立一维，时间与空间构成了包含 客观世界的容器；同时，他认为时间空间是客观的、绝对的，这就是说，所有任 何事件，都在空间里有个一定的位置，都发生在时间里某个特定的时刻。1 9 0 5 年，著名物理学家e i n s t e i n 宣布了他的“狭义相对论”，十年之后，他又发表 了“广义相对论”。e i n s t e i n 提出了“四维时空观”，他认为整个宇宙是一个 三维空间和一维时间的时空连续区。一切实在的东西都同时存在于空间和时间 中，而空间和时间是不可分的，时间不能完全脱离和独立于空间，而必须和空间 结合在一起形成空间一时间的客体”1 。e i n s t e i n 的理论在科学界引起了巨大震动， 并被一系列精确的实验所证实，人们开始认识到关于四维的研究并非仅仅是虚无 缥缈的理论兴趣。 唯物观认为，时间和空间是物质运动的两种基本形式。任何物质的存在和 发展都必须占据一定的空间、经历一定的时间，也只有在一定的时空中才能存在、 运动和发展。时间是物质运动的顺序性和持续性，而空间则是物质运动的广延性 或延展性，世界上任何事物都是时间和空间的有机统一体，时空一体化和时空不 可分是现实事物存在的基础。 借助先哲们的时空辩证哲学观来思考产品设计过程，可以发现在产品的设 计过程中，产品的几何模型具有显著的空间特点，一般是在笛卡尔坐标系中的 3 d 信息模型。产品的设计过程是随着时间而延续的过程，在不同时刻以及不同 的设计阶段，产品3 d 信息模型是不同的，具有明显的时间特性，如图1 1 所示。 因此，本文提出在产品设计过程中，在产品3 d 信息模型的基础上，加入时间特 性，构建产品4 d 信息模型。在产品设计过程中，产品3 d 立体模型是静态的因素， 而产品的设计过程是动态的因素，这一静一动的交融，构成了产品4 d 信息模型 的立体画面，可称为产品4 d 立体全息网。在这个4 d 立体全息网中，可以全面地、 真切地观看到产品设计动态变化的信息全貌。产品3 d 信息模型是设计过程( 即 时间属性) 的沉淀，而时间属性又是3 d 模型的流动，产品3 d 信息模型与设计 3 d r l 3 d t 23 d t n 其中：3 d t 1 阶段的3 d 模型，3 d ”一l n 阶段的3 d 模型 翻1 1 不同设计阶段3 d 信息模型的变化 武汉理工大学博士学位论文 过程是不可分的。在这个4 d 立体全息网中，产品的3 d 或时间属性任何一个元素 的改变，产品4 d 信息模型整体的性质就会发生改变。 产品4 d 信息模型为用先进信息技术来实现产品设计过程动态模拟、监控、 管理和协调提供了一种全新的理念，彻底改变了现有的2 d 和3 d 模型技术难以描 述产品设计过程的全貌及其复杂的内在关系的瓶颈问题。 1 2 产品集成设计方法中信息的时空特性分析 随着科学技术的迅速发展和社会要求的不断提高，尤其是计算机与信息技 术的发展与应用的深入，产品的设计理论、方法和手段也得到了快速地发展和提 高，产生了许多新的先进设计方法，其中比较成熟和突出的设计方法有：并行设 计、协同设计和面向产品全生命周期的设计以及产品数据管理( p d m ) 等。这些 方法在设计活动的参与者、使能工具、思路哲理等多方面都发生了变化，呈现出 许多新的特征，其中突出的是以网络为工作平台、多人多部门同时参与工作和信 息集成等，不同时刻产生不同的产品形态，在不断修改中完成产品设计过程，形 成最终的产品，在这些设计方法中，体现出明显的不同的时空特性。 1 并行设计中信息的时空特性 并行设计是一种以集成、并行的工作方式设计产品，要求产品设计的相关过 程并行进行，并且在产品设计阶段就考虑到可能影响产品质量、成本及开发时间 等的所有因素。在并行的设计环境中，多个设计人员在同一时间对同一产品的 3 d 信息模型( 空间) 进行设计将会生成不同的产品3 d 信息模型。图1 2 表述了 产品并行设计过程中所呈现的时空特性。 同一时刻或同一时段t i 图1 2 并行殴计过程的时空特性示意图 2 协同设计中信息的时空特性 武汉理工大学博士学位论文 协同设计是指利用计算机技术、多媒体技术和网络通信技术，支持工作群体 成员在共享环境下交互协商、分工合作、共同完成特定的任务，体现在时间上的 分离性和空间上的分布性，相互依赖的协同工作。在协同设计环境下，一组协作 成员之间的协同通常是通过交互完成的。根据交互双方的空间位置和应答方式， 协同设计的工作方式可分为面对面交互、异步交互、异步分布式交互及同步分布 式交互等四类，每类均呈现不同的时空特性。 面对面交互是多个协作成员在同一时间、同一地点进行的协同设计，接受 和处理产品的不同3 d ( 空间) 信息模型并产生不同3 d ( 空间) 信息模型。 异步交互是多个协作成员在同一地点、不同时间针对同一产品的3 d 信息模 型进行的协同设计。 异步分布式交互是多个协作成员在不同时间、不同地点针对同一产品的3 d 信息模型进行的协同设计，如图1 3 表述了其时空特性。 同步分布式交互是多个协作成员在同一时间、不同地点进行的协同设计， 接受和处理产品的不同3 d ( 空间) 信息模型并发出不同3 d ( 空间) 的信息模型。 p 叫卜叫旷叫 图1 3 异步分布式交互型协同设计的时空特性 从以上几种协同设计的工作方式来看，在协同设计中产品的信息具有显著 的时空特性。更为重要的是协同设计过程中的信息过滤和冲突仲裁是针对不同时 间的空间模型，必须加上时间属性，才能使其更加完善。 3 面向产品全生命周期设计中信息的时空特性 面向产品全生命周期设计是在设计阶段，充分考虑下游过程的约束。下游的 每一个约束( 如制造、装配) 或每一个隶属于该过程的工作成员将产生不同的 3 d 信息模型；所以，其设计过程中产品信息模型具有明显的动态性和时间的离 散性“1 。 4 产品数据管理( p d m ) 中的时空特性 4 武汉理工大学博士学位论文 在产品的整个设计过程中，同一个设计对象会存在许多版本，p d m 系统的版 本反映了设计过程中设计对象随时间变化而不断演变的动态变化。p d m 系统的版 本管理用于管理产品生命周期内的零件、部件和产品等对象产生和变化的整个过 程，从某种程度上反映了产品整个设计过程、设计历程的追溯、设计方案的比较 和设计方案的多种选择。由此可见，在p d m 中，已经考虑到了产品设计过程的时 空特性，用版本信息来记载时间特性；但不能全部记载产品信息的时间特性，尤 其是设计过程中的产品动态信息的记录。 5 产品集成设计方法中时空特性的共同特征 综上所述，各种产品集成设计方法的信息时空特性尽管各异，但同时也表 现出如下的共同特征： ( 1 ) 在整个产品设计过程中，3 d 信息模型是一个具备时间遍历性的动态模 型； ( 2 ) 产品设计过程具有明显的时间特性，要求信息系统能够同时记载或储存 产品信息的空间、时间、属性信息，同时提供空间、时间、属性信息建模和分析 的手段，必须在3 d 信息模型的基础之上加上时间特性才能完整地描述产品设计 过程的全貌。 ( 3 ) 时间属性具有广义性和离散性。 6 产品4 d 信息模型中“时间”的特征 建筑管理信息系统中的4 d 信息模型是将施工管理中所制定的进度计划与 拟建项目的三维实体模型链接起来，构建成的4 d 施工项目管理模型，实现准确、 生动、方便、高效地结构施工的全过程计划管理，其目的是提供一个可视化建筑 施工计算机辅助管理系统，在建筑物3 d 实体模型的基础上，加入建筑物的施工 过程属性，即时间维、形成4 d 信息模型，便于计划管理人员清晰地了解到项目 的进展状况。“。可见，在建筑管理信息系统中所表现出的时间特性是不可逆的。 在地理信息系统中引入时间的属性是为了能够存储并处理地理实体或现象 随时间变化的信息，它的基本目标是存储和重建完整的地理状态，提供状态比较 功能，描述导致状态变化的事件；在对空间信息表达的基础上，增加了对时间维 的信息表达，并可能依据时间维进行地理变化( 包括空间变化与时间变化等) 的时 态跟踪。因此，地理信息系统所表现出的时间是一条没有端点，向过去和未来无 限延伸的线轴特性。除了与空间一样具有通用性、连续性和可量测性，还具有运 动的不可逆性。 产品设计过程按时间阶段划分可分为产品的需求分析、概念设计、详细设 武汉理工大学博士学位论文 计、工艺设计、制造以及装配等过程。在不同的时刻或不同的设计阶段将产生不 同的3 d 模型。但是，产品的设计过程是一个不断改进、反复进行的过程，例如： 产品在制造过程出现问题则需要返回到工艺设计阶段甚至返回到产品的设计阶 段进行重新设计，这时候又将产生新的3 d 信息模型。产品在装配过程中由于结 构不合理则必须返回到产品的设计阶段或者是工艺设计阶段，如图1 , 4 所示。从 此可知，在产品设计过程中，产品4 d 信息模型中的时间维表现出的特性：一方 面，时间是在向前递进；另一方面，时间又表现出反复，具有可逆性；同时，此 处的时间表现出很强的阶段性或区域性。这与建筑和地理信息系统中时间特性具 有明显的不同。 t 8r 图1 4 产品设计过程中的时间具有可逆性 1 3 本文研究内容的国内外主要研究现状 1 4 d 信息模型技术在建筑信息系统中的研究与应用 4 d 信息模型技术是随计算机与信息技术的发展而产生的一种新技术。虽然 研究与应用尚处于起步阶段，但它在建筑施工管理信息系统中的应用研究成果已 在国内外引起极大的关注。在建筑施工管理中，建筑物的建造是随时间不断变化 的动态过程，在用计算机模拟时，现有的2 d 或3 d 模型技术很难描述这种动态变 化过程及其复杂的内在关系。4 d c a d 技术的产生为利用信息技术实现建筑施工 动态模拟和跟踪管理提供了可能。4 卜c a d 是基于4 - d i m e n s i o n ( 简称4 d ) 模型的 计算机辅助设计技术。4 d 信息模型是在3 d 信息模型的基础上加入时间要素，将 模型的形成过程以动态的3 d 方式表现出来。4 d 信息模型不仅可以使用户直观见 到物体变化过程的模拟图形，而且能对整个变化过程进行优化和控制。 1 9 9 6 年，美国斯坦福大学c i f e ( c e n t e rf o ri n t e g r a t e df a c i l i t ye n g i n e e r i n g ) 为了解决建筑设计与施工过程中信息随时间变化的描述等问题，应用时空观，提 出了建筑的4 d 信息模型”1 1 ，它是在产品3 d 模型的基础之上，以设计进程为时 间坐标，增加时间维，将模型的形成过程以动态的3 d 方式表达出来。随后，该 6 武汉理工大学博士学位论文 机构推出了c i f e4 d _ _ c a d 系统，将建筑物结构构件的3 d 信息模型与已有进度计 划的各种工作相对应，建立各构件之间的继承关系及相关性，最后动态地模拟这 些构件的变化过程。由于该系统尚未建立施工过程的整体4 d 信息模型，只能表 达某些构件尚未施工、正在施工或已经完成，不能描述复杂的工序。1 9 9 8 年， c i f e 发布了新的4 d 信息模型应用系统4 d - - a r m o t a t o r 。在该系统中实现了4 d 信 息模型技术与决策支持系统的有机结合，借助显示功能，管理者能够直观地发现 场地中潜在的问题，提高了对施工状况的感知能力。目前，c i f e 正致力于将4 d 信息模型概念应用于整个a e c ( a r c h i t e c t u r e e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n ) 领 域中，发展基于网络的分布式管理工具，构建一个全数字交互工作室( i n t e r a c t i v e r o o m ) ，使施工的各参与方能够实时的开展协同工作。 在4 旷- c a d 技术的研究领域中，比较有代表性的还有英国的s t r a c h c l y d e 大 学p r o v i s y s 模型”，s o u t hb a n k 大学的建筑后期维护的4 d 信息模型o ”。1 9 9 7 年，英国s t r a c h c l y d e 大学的t h e o p h i l u sa d j e i k u m i 和a r k a d yr e t i k 提出了 p r o v i s y s 控制模型，其生成的4 d 信息模型更为接近于施工项目的实际情况， 但是该系统主要的研究目的在于如何更逼真地动态模拟施工现场，对于施工计划 管理方面的研究并不深入。英国s o u t hb a n k 太学的h o s e i nn r a d 和f a r z a d k h o s r o w s h a h i ”1 于1 9 9 7 年建立了一个建筑物后期维护的4 d 信息模型，其重点是 在建筑物的维护计划和自然环境的影响下，计算光照、材质颜色随时间的变化， 通过建立建筑物静态3 d 模型随时间变化的光照模型和材质模型，产生4 d 的模拟 图像，为建筑物维护期的研究提供了新的途径和方法。 国内在这方面的研究主要代表有清华大学以张建平为首的课题研究组，从 1 9 9 1 年睇1 就开始建筑施工计划3 d 可视化和动态管理方面的研究，于1 9 9 5 年开 发了g c p s u 系统”。该系统将施工对象定义为一个3 d 模型整体描述、施工过程 模拟以及结构构件实体的3 d 复合模型。用户交互操作这个模型，便可在计算机 屏幕上形象地构造任意指定时间、多层建筑在不同施工层的计划安排、实际进度 以及相应的场地布置，并可直接输出其材料用量。这种施工进度计划和场地布置 的可视化模拟，使施工管理者对每一步计划和实施结果有一个全面形象地了解， 同时能够及时发现施工管理中的问题。在计划实施过程中，交互式的构造图形和 实时修改图形，可尝试和调整不同的计划策略，以对整个施工计划和进度实施控 制管理。用户也可随意检索任意时间的计划和进度，做至对整个施工过程的动态 追踪。g c p s u 系统体现了4 d 信息模型的基本概念，其主要局限在于未实现施工 对象3d 信息模型与外部进度计划系统的链接。 2 4 d 信息模型技术在地理信息系统中的研究与应用 武汉理工大学博士学位论文 近年来，传统g i s 的研究面临着许多新的挑战：在诸如地籍变更、环境监测、 城市演化、交通管理、地震救援、数字地球等领域都需要有效保存并管理历史变 化数据，以便将来重建历史状态、跟踪变化、预测未来，这就要求在实现对传统 g i s 中的空间数据进行组织、管理、操作的同时，还能对空间数据的历史演变过 程进行模拟或回溯。因此，时空g i s 的研究成为当前g i s 研究的一个热点和难点。 4 d 信息模型技术在地理信息系统中的研究与应用主要是体现在时空g i s 方面，时 空g i s 是建立在时态数据库、g i s 、人工智能等基础上的一种综合型应用性技术， 其研究对象是时空世界中遵循着诞生、成长、生存，直至死亡等自然规律的事物 和现象的时空信息。 g i s 所面对的是一个庞大的、多维的、复杂的、动态的、相互关联的时空。 g i s 研究的重点是把时间作为地理实体基本特征的地理时空的模拟方法，其核心 问题是时空数据模型的建立；它的建立不但要解决数据更新和存取尽量简便快 速，数据存储空间尽量小，而且要能够表现时空范围内的地理实体的空间和时间 语义，保证其相互间的正确的空间关系、时态关系、演变关系和时空关系等。 传统g i s 只描述了研究对象的一个快照，没有对时态数据作专门的处理，因 而是静态的，它只能反映事物的当前状态，无法反映对象的历史状态，更无法预 测未来发展趋势。而客观事物的存在都与时间紧密相联，因此，在系统中增加对 时间维的表达、分析能力，提供历史分析与趋势分析的功能，是时空g i s 的独特 之处。时间、空间和属性是地理实体和地理现象本身固有的三个基本特征，是反 映地理实体的状态和演变过程的重要组成部分。严格地说，空间和属性数据总是 在某一特定时间或时间段内采集得到或计算产生的，它们之间的关系可用( 图 1 5 ) 表示。 图1 5 时空g i s 与相关技术之间的关系 根据对空间地理实体三个固有特征的研究侧重点不同，可以将相关方面的 研究分为：以研究空间和属性为主的传统g i s ：以研究属性和时间为主的时念数 据库：以研究空间和时间为主的图形动画和以三者并重的时空g i s 等四类领域或 武汉理： 大学博士学位论文 技术。前三者起步较早，在各自不同的领域分别展开了理论和实践研究；时空g i s 则相对较晚，它是在前者研究的基础上才慢慢发展起来的一个新兴领域，但却是 未来g i s 的发展方向。 综观国内外时空g i s 的发展，可将其发展过程概括为以下几个阶段“”1 ： ( 1 ) 酝酿起始阶段 2 0 世纪6 0 7 0 年代，对时间维度的研究更多是在传统学科，尤其是地理学等 研究的基础上考虑时间因素。如早在1 9 6 4 年b e r r y 在栅格格式下使用了三维的地 理矩阵( g e o g r a p h i cm a t r i x ) ，以位置、属性和时间分别作为矩阵的行、列和高； 1 9 7 0 年，h a g e r s t r a n d 提出了时间地理学的概念。t h r i f t 在1 9 7 7 年首次提出了历史 g i s 的概念，1 9 7 8 年b a s o g l u 年n m o r r i s o n 设计了最早的历史g i s ( h i s t o r i c a lg i s ) 。该 时期对时间的研究主要是围绕时间的本体和表达不同领域中时间的作用而展开； 时空g i s 的研究更多的表现在为空间为主的g i s 功能研究和以图形动画为主的表 达途径研究。 ( 2 ) 开拓阶段 随着2 0 世纪8 0 年代图形工作站和微机性能价格比的迅速提高，数据库技术也 目渐成熟，为发展时态技术和数据库技术的融合创造了条件。该时期工作主要集 中在时态历史数据库和时态数据库查询语言等方面的研究。理论方面，jb e n z v i ( 1 9 8 2 ) 、jc l i f o r d ( 1 9 8 2 ) 和s g i n s b u r g ( 1 9 8 3 ) z 位学者分别在非第一范式时态 数据库、关系型历史数据库和对象历史模型方面所进行的时空数据模型的开创性 研究具有很强的代表性。由于数据库技术的不断成熟和受计算机科学领域数据库 专家思路的影响，围绕关系型历史( 或时态) 数据库方面的研究却方兴未艾。 ( 3 ) 发展阶段 l a n g r a n 于1 9 9 2 年撰写了关于t g i s 的第一本专著地理信息系统中的时间。 时空数据模型的构建成为大家关注的焦点，以表达和管理时空语义的时空数据模 型大量涌现，其中有代表性的为：l a n g r a n ( 1 9 9 2 ) 首先从时变空间数据存储的角 度，总结出了文件系统支持下的时空立方体、快照序列、基态修正和时空复合等 四种时态数据模型；h a z e l t o n ( 1 9 9 0 ) 进行t 4 d g i s 的理论研究；g a d i a ，e t a l ( 1 9 9 1 ) 和张师超( 1 9 9 3 ) 引进了时态元素( t e m p o r a le l e m e n t ) 和时态赋值( t e m p o r a l a s s i g n m e n t ) 的概念，增加了时间参照，成为时态属性，建立了一种有特色的时态 模型：m i c h a e l f w o r b o y s ( 1 9 9 2 ) 、h o i n k e s ，e ta 1 ( 1 9 9 4 ) $ d w a c h o w i e z ，e ta 1 ( 1 9 9 4 ) 先后发表了面向对象数据库技术的时空数据建模。虽然我国时空g 1 8 方面的研究 相对滞后，起始于2 0 世纪9 0 年代以后，但对时空数据模型的完善和在应用型g i s 中考虑时空数据的组织方面做了大量有益工作。主要表现为郭达志采用时空四维 体数据模型建立了矿山g i s ；龚建雅( 1 9 9 9 ) 提出了面向对象时空数据模型和杜道 9 武汉理工大学博士学位论文 生等( 1 9 9 7 ) 提出了基于同步数据项和碎分拓扑弧段时间标记的时态空间数据模 型。另外，林辉( 1 9 9 3 ) 、舒红( 1 9 9 5 ) 、马劲松( 1 9 9 5 ) 、黄杏元( 1 9 9 5 ) 、张祖勋、 黄明智( 1 9 9 5 ) 、陈尚超( 1 9 9 5 ) 、乐燕芬( 1 9 9 7 ) 、杜道生( 1 9 9 7 ) 在该领域也先后提 出了一些模型或对模型进行了修正，大大推进了t g i s 理论与时空数据模型在中国 的应用和发展。该阶段对时空g i s 的研究空前高涨，专家学者们从不同角度对时 空数据建模进行了广泛涉猎。包括对象代数也从多个角度( 集合论、超图、范畴 论、类别代数、函数论、数理逻辑) 得到广泛探讨，使时空g i s 的研究广度和深度 得到极大的发展。 3 超图理论的应用 b o u i l l e ( 1 9 7 9 ) “”提出了基于超图的数据模型和超图数据结构h b d s ( h y p e r g r a p h b a s e dd a t as t r u c t u r e ) ，他构造了6 种抽象数据类型( a d t ) ，发展了 用于超图建模和设计数据库的理论和方法( b o u i l l e ，1 9 8 3 “，1 9 9 4 “。) 。超图数据 模型在欧洲，特别是在法国得到发展和应用。例如：法国国家地理所设计、开发 了基于超图概念模型的法国国家级基础地理数据库( s a l g e “”，1 9 8 9 ) 。在3 d 动态 系统中采用超图引擎以控制地形动态变化( h i i b e r t b “，1 9 9 4 ) 。超图还被应用在建 立面向对象系统和地理专家系统( b o u i l l e i s1 9 9 4 ) 。在美国，r u g g “2 1 ( 1 9 8 2 ) 研究 了超图模型在城市信息系统、道路信息系统和人口信息系统的应用。美国s d t s ( 空 间数据转换标准) 吸收了超图的概念( r u g g ，c u i wh ，1 9 9 0 ) 。加拿大和日本研究了 超图数据模型的理论和应用( t o s i ok i t a g a w a 。”，1 9 8 1 ) 。 w a g n e r 和p a p a l a m b r o s “”1 提出了一种无向图描述工程设计问题的方法。他 们将数学关系和设计变量分别映射为图的顶点和边，通过对图的操作，并使用一 定的启发式接受准则，确定整个设计问题的“连接变量”或称“协调变量”，当 删除这些连接变量时，就可以导致一些相对独立的设计子问题。然后，一些数学 规则协调策略被用来求解这些事例的子问题，以实现整个问题的求解。在此基础 上，m i c h e l e n a 和p a p a l a m b r o s 悼1 进一步提出了用超图描述工程设计问题的方法。 超图是对图的扩展和延伸，图是超图的特例。超图可以更好地描述复杂的工程问 题。通过将超图向图的转化，他们提出了相应的分解方法。 中国将超图应用在城市g p s 快速反应系统( c u iwh “”，1 9 9 5 ) 和区域可持续发 展决策支持系统，取得了良好的结果。2 0 0 2 年，黎水平提出了非自由超图的新 概念，并针对机械多级设计问题的具体需要，利用超图理论很好地解决了机械多 级设计问题中非自由超图映射方法及其相应的目标分解，为机械多级设计的实际 应用奠定了重要的理论基础。”8 3 。浙江大学的吴昭同等人利用超图数据模型来表 达产品设计过程中的业务对象、数据对象和物理文件之间的各种复杂关系”。“1 ， o 武汉理工大学博士学位论文 同时，他们利用超图理论描述了产品族结构模型“”。复旦大学的何辉，黄丽华 等人，提出了利用超图理论来对企业过程的描述和简化的方法陋矧。 4 信息过滤技术 早在上世纪八十年代末期，美国人c r o f t 就指出了信息过滤与信息检索的不 同，并对信息过滤作出了初步的研究。s t a