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汽车线束图纸的自动识别研究 摘要 汽车线束图纸是用来表示线束构件排布方式、线束连接关系的二维图纸， 是进行线束工艺设计的主要数据来源。针对采用人工读图方法进行工艺设计产 生的效率低问题，论文提出将图纸识别技术引入到线束图纸的自动识别和分析 中，在分析电器件表示特点和图纸布局特点的基础上，提出基于规则的方法和 基于图形相似匹配的方法。本文研究工作主要包括以下三个方面： ( 1 ) 提出基于规则的线束识别。首先，根据线束段的组成特点，建立线束段自 动识别规则；然后，根据线束的连通无环性和唯一性，建立启发式规则， 判断线束段的合法性和反馈识别缺失线束段。 ( 2 ) 提出基于三角划分的多连通域图形精确匹配。首先，通过建立包围多边形、 连通多边形概念，完成对多连通域图形的表示；然后，依据最近距离、无 遮挡、包含原则添加辅助线，实现三角划分，解决包含连通的定位问题。 在匹配过程中，首先通过匹配包围多边形实现多连通域图形的外轮廓定 位；然后通过匹配连通多边形删除连通域，逐步收缩图形，实现精确匹配。 ( 3 ) 提出基于自组织层次特征的电器件图形相似匹配。首先，通过对电器件所 有连通域进行组合，建立自组织特征层次结构：其次，通过轮廓搜索和精 确匹配实现自组织特征的定位；然后，通过建立自组织层次特征实现对图 形相似程度的描述；最后，给出相似度计算公式，完成图形相似匹配的精 确表示。 关键词：图纸识别，相似匹配，多连通域图形，三角划分，自组织层次特征 本文受到国家自然科学基金项目“科学计算中面向建模的多态机理研究”( 6 0 6 7 3 0 2 8 ) 、 合肥市科技局项目“基于信号量机制的生产调度及其可视化”( 2 0 0 8 1 0 0 4 ) 、“江淮汽车线 束工艺设计软件开发”项目的共同资助。 r e s e a r c ho i la u t o m a t i cr e c o g n i t i o no fa u t o m o b i l ew i r e h a r n e s sd r a w i n g s a bs t r a c t a u t o m o b i l ew i r eh a r n e s sd r a w i n g sr e p r e s e n tc o m p o n e n ta r r a n g e m e n t sa n d w i r eh a r n e s sc o n n e c t i o nr e l a t i o n sa n dt h u sa r et h ei m p o r t a n td a t ai n p u ti nw i r e h a r n e s st e c h n o l o g yd e s i g n d u et ot h ei n e f f i c i e n c yp r o b l e mi nt e c h n o l o g yd e s i g n r e s u l t i n gf r o mm a n u a lw a y s ，d r a w i n gr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt ow i r e h a r n e s sd r a w i n ga n a l y s i s o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt o w a r dt h ee l e c t r i c a lp a r tg r a p h a n dd r a w i n gl a y o u t ，t h i sd i s s e r t a t i o np u tf o r w a r dr u l e - b a s e dm e t h o da n dg r a p h m a t c h i n gm e t h o d t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sl i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c e dr u l e b a s e dm e t h o dt or e c o g n i t i o no fw i r eh a r n e s s f i r s t ，r u l e sa r e e s t a b l i s h e db ya n a l y z i n gt h ee l e m e n to fw i r eh a r n e s ss e g m e n t ；t h e na c c o r d i n g t oh e u r i s t i cr u l e sw h i c ha r ea c q u i r e df r o mt h ec o n n e c t e da c y c l i cf e a t u r ea n d u n i q u e n e s s ，t h ew i r eh a r n e s ss e g m e n ti sr e c o g n i z e da n dv a l i d a t e da g a i n ( 2 ) p u tf o r w a r da c c u r a t em a t c h i n go fm u l t i c o n n e c t e dr e g i o ng r a p hb a s e do n t r i a n g u l a t i o n f i r s t ，t h em u l t i - c o n n e c t e dr e g i o ng r a p hi sr e p r e s e n t e db y e n c i r c l e dp o l y g o na n dc o n n e c t e dp o l y g o n ；t h e n ，t h ep o s i t i o n i n gp r o b l e mo f i n c l u d e dc o n n e c t i v i t yi ss o l v e dt h r o u g ht r i a n g u l a t i o na c c o r d i n gt op r i n c i p l e s o fs h o r t e s t d i s t a n c e ，n o n - o v e r l a ya n di n c l u s i o n i nt h em a t c h i n gp r o c e s s ， f i r s t l yt h ec o n t o u ri sp o s i t i o n e db ym a t c h i n ge n c i r c l e dp o l y g o n ，a n dt h e nt h e c o n n e c t e dr e g i o ni sr e m o v e ds u c c e s s f u l l ya c c o r d i n gt om a t c h e dc o n n e c t e d p o l y g o n ，e v e n t u a l l ya c c u r a t em a t c h i n go fr o t a t e da n ds c a l e dg r a p h i s a c c o m p l i s h e db ys h r i n k i n gt h eg r a p h i cr e g i o ns t e pb ys t e p ( 3 ) p u tf o r w a r ds i m i l a r i t ym a t c h i n go fe l e c t r i c a lp a r t sb a s e do ns e l f - o r g a n i z a t i o n h i e r a r c h i c a lf e a t u r e f i r s t ，s e l f _ o r g a n i z a t i o nf e a t u r eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ei s e s t a b l i s h e db yc o m b i n i n ga l lt h ec o n n e c t e dr e g i o n so fe l e c t r i c a lp a r t e f f e c t i v e l y ；s e c o n d ，t h es e l f o r g a n i z a t i o nf e a t u r ei sp o s i t i o n e db ys e a r c h i n g c o n t o u ra n da c c u r a t em a t c h i n g ，a n dt h es i m i l a rp a r ti s i d e n t i f i e d b y e s t a b l i s h i n gs e l f - o r g a n i z a t i o nh i e r a r c h i c a lf e a t u r e a n da tl a s tt h es i m i l a r i t yi s d e n o t e db yu s i n gs i m i l a r i t yf o r m u l a k e y w o r d s ：d r a w i n gr e c o g n i t i o n ；s i m i l a r i t ym a t c h i n g ；m u l t i - c o n n e c t e dr e g i o n g r a p h ；t r i a n g u l a t i o n ；s e l f o r g a n i z a t i o nh i e r a r c h i c a lf e a t u r e ； 图目录 1 1 汽车线束在汽车中的分布图1 1 2 汽车电线1 1 3 接插件1 1 4 紧固件1 1 5 橡胶件1 1 6 绝缘、屏蔽套管l 1 7 汽车二维线束图纸2 2 1 系统功能模块图8 2 。2 线束图纸9 2 3 自动识别系统功能模块图9 3 1 线束电器件1 1 3 2 电器件h a j 2 0 0 4 0 6 1 11 3 3 绘制电器件的四个方向1 2 3 4 电器件d j j 7 0 5 1 6 3 2 1 1 2 3 5 电器件库的系统结构示意图1 4 3 6 多边形组合方式1 6 3 7 起点、起边示意图1 7 3 8 电器件图形1 8 3 9 裁剪和延长处理示意1 9 3 10 包含连通2 0 3 。1 1 两重对称的包围多边形2 1 4 1 示意图2 4 4 2 电器件图形2 8 4 3 图形变化示意图2 9 4 4 相似匹配过程2 9 5 1 线束连接示意图3 3 5 。2 文本标注识别区域3 4 5 3 线束识别过程3 4 5 49 1 6 0 1 4 a 0 1 5 左顶灯线束图纸3 5 5 。5 线束识别结果3 5 5 6 电器件分布图3 5 5 7 自动定位过程3 6 5 8 匹配识别流程3 6 5 9 电器件识别流程3 6 5 1 0 电器件识别结果3 7 5 1 1 线束图纸自动识别过程3 8图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表目录 表3 1 电器件标准图形1 4 表3 2 电器件端口1 4 表3 3 电器标准件库参数表15 表3 4 连通属性表1 7 表3 5 图形处理后直线段数目对比表1 8 表3 - 6 多连通域图形匹配过程2 1 表4 一l 所有自组织特征2 5 表4 2 连通域组合比较表2 5 表4 3 特征搜索结果2 7 表4 4 图形的自组织层次特征2 8 表4 5 相似度表1 3 l 表4 6 相似度表2 3 1 表5 1 电器件识别结果表3 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得佥日旦王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：佰乞碘字日期：弦豸年钿细 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金胆王些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名： 签字日期：少蕊年月产日 签字日期矽 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 日 致谢 论文行至此处，即将完成，掩卷长思，三年的工作、研究历历在目。尽管时间如 白驹过隙，匆匆然溜走，但研究生阶段的生活将是我人生难以忘怀的一段美好记忆。 感谢导师刘晓平教授。刘老师认真的做事方式、活跃的思维方式、勤奋的工 作作风令我敬仰，在我三年的工作学习中无声无息地影响着我。无论是论文的 撰写、修改还是基金项目的申报、答辩，和刘老师一起总能让我不断地得到学 习和成长，这些难得的宝贵经历将让我终身受益。 感谢线束组的徐本柱老师、吴黄和程光春同学。线束组给了我和他们工作、学习、 进步的机会，他们渊博的知识、勤奋认真的工作态度是我学习的榜样。 感谢v c c 研究室的各位老师和同学们，他们在工作学习和日常生活中给了我诸 多帮助和关怀。感谢罗月童、郑利平、路强、李琳老师对我的研究工作提出的宝 贵意见。感谢石慧、陈皓、余烨、金灿给予我工作上的支持。感谢张高峰、唐 益明、李书杰、卫兴武同学给我生活学习上的帮助。感谢朱晓强、凌实、徐伟、 张定东、孙静、薛晔、陆劲挺、谢文军、杜琳、钱晶晶、吴敏、季浩、王晓静、 闰锋、习雅思在研究室内给予我的支持和关心。 感谢我的父母和亲人。他们的支持和理解，使我能全身心地投入学习和研 究中，同时他们的殷切期望给了我无穷的前进动力。 最后再一次对在文中提及以及由于我的疏忽而没有提到的各位老师、同学 和朋友表示感谢，谢谢你们! 何士双 2 0 0 8 年5 月2 5 日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1汽车线束概述 线束( w i r eh a r n e s s ) 是指由铜材冲制而成的接触件端子( 连接器) 与电线电 缆压接后，外面再塑压绝缘体或外加金属壳体等，以线束捆扎形成连接电路的 组件1 1 。线束应用非常广泛，在汽车、家用电器、计算机和通讯设备、各种电 子仪器仪表等方面均有重要作用。 汽车线束素有汽车神经之称，是控制汽车电信号的载体，是汽车电路的重 要组成部分。它把中央控制部件与汽车控制单元、电气电子执行单元、电器及 照明显示有机地连接在一起，形成一个完整的汽车电气控制系统，如图1 1 所示。 谚、赣 管“ 瓴 图1 1 汽车线束在汽车中的分布图 图1 2 汽车电线图1 3 接插件 “。 雾 4 鲞 图1 4 紧固件 j i 图1 5 橡胶件图1 6 绝缘、屏蔽套管 汽车线束主要是由导线、接插件、紧固件、橡胶件以及绝缘、屏蔽套管等 构成2 1 。导线( 如图1 2 所示) 又称低压电线，材质均为铜质多蕊软线，有些 软线细如毛发，几条乃至几十条软铜线包裹在塑料绝缘管( 聚氯乙烯) 内，柔 软而不容易折断。接插件( 如图1 3 所示) 用塑料制成，分别有插头和插座， 线束与线束之间用接插件相接，线束与电气件之间的连接用联插件或线耳。紧 固件( 如图卜4 所示) 包括扎带、卡扣等，是用于将线束固定在汽车上，防止 其脱落的部件。橡胶件( 如图1 5 所示) 是用于车门、车刹等线束容易弯曲的 位置上，保护线束不被折断。绝缘、屏蔽套管( 如图1 6 所示) 则是用于保护 线束内的电磁信号不受外界干扰。 1 1 2汽车线束工艺设计 目前，线束企业已经普遍使用c a d 软件对线束连接、布局关系进行表示， 图1 1 所示即是汽车线束在汽车车身上的三维连接、布局关系。为了进行线束 的工艺设计和指导线束生产，线束设计人员通常还需在三维连接、布局模型的 基础上生成二维图纸，以表示线束构件的排布方式、线束布局、内联关系等信 息，如图1 。7 所示。 囊誉麓惫； 至掣置；工鲁套f 如畦号2 喜盟 望笺画三， ：，- 骚_ ：i + 骞譬釜专鎏骘罴垂蠢锄： 高压电路，从而对汽车线束的承载能力也提出了更高的要求。因此，面对更加 复杂的线束设计要求，保证设计结果的正确性、提高效率是满足新型动力汽车 对线束的要求的关键。 再者，相关资料表明，2 0 0 5 年全国汽车产量达到5 7 0 万辆，到2 0 1 0 年， 中国汽车年产量将达到1 0 0 0 万辆。汽车产业的蓬勃发展带动了汽车线束市场的 强劲需求，2 0 0 5 年中国汽车线束总成达到约5 6 0 万套，到2 0 1 0 年，预计将达 到1 1 0 0 万套【2 1 。因此，提高线束的设计效率是提高企业竞争力、加快企业的自 动化和信息化步伐的重要手段。 综上所述，面对汽车线束的工艺设计现状和汽车产业的蓬勃发展，开发线 束工艺设计软件，提高线束工艺设计的效率和质量是线束企业发展的必然选择。 v c c 研究室针对江淮新发汽车有限公司的线束生产实际情况，开发了基于 a u t o c a d 平台的“江淮汽车线束工艺设计软件”。该软件通过对线束图纸进行分 析和理解，辅助线束工艺设计人员编制品号明细表、回路明细表；实现预装工 艺卡、内联工艺卡、排线图、套管用量表的半自动生成，下线压接工艺卡、物 料明细表、整车物料明细表自动生成，大大提高了线束工艺设计的质量和效率， 且在实际应用中表现良好。 1 2问题提出 线束图纸是设计人员使用c a d 软件绘制的用来表示组成部件的排布方式 和线束连接关系的图纸。它是线束设计人员描述、表达设计思想的主要工具， 同时也是制定线束工艺、生成各种卡片的主要数据来源，所以其在线束生产流 程中处于关键地位。 产品的整个设计过程是约束规定、约束变换求解的过程，可以分为创新设 计、移植设计和改型设计等。当前大多数产品的设计都属于改型设计，原产品 的7 0 信息在新产品设计时将被重新利用4 】 5 】。在线束领域，线束设计人员基 本上是在修改已有图纸的基础上完成新产品的开发设计。 目前，国内外的线束企业在经过多年生产后已经积累了相当数量的、多种 车型的图纸，它们是工程技术人员长期以来智慧和经验的结晶。因此，在对已 有图纸进行分析和理解的基础上再进行设计将会大大提高产品的设计质量、降 低设计成本、缩短产品开发周期。 综上所述可知，对工艺人员使用通用c a d 软件绘制的线束图纸进行自动 识别和理解是实现图纸重用、提高线束工艺设计效率的重要手段。 1 3国内外研究现状 1 3 1图纸识别概述 图纸识别与理解是以图像处理、图像识别与理解、计算机图形学及人工智 能技术为理论基础发展起来的一门应用基础技术。从2 0 世纪7 0 年代末开始， 日本、美国、加拿大等工业发达国家对图纸的识别与理解技术的各个环节都开 展了大量的研究，如c a do v e r l a y 、r a s e r e x 、g t x 、v p s t u d i o 、r x a u t o l m a g e p r 0 2 0 0 0 、c r u c i b l e 及v pm a xn t 等。在国内，从2 0 世纪8 0 年代中期起，华中 科技大学、清华大学、中国科学院自动化所、西北工业大学、南京大学及浙江 大学等单位也相继推出了一些图纸识别与理解系统。如华中科技大学的e d i s 软件、清华大学的a n n o 等【6 j 。 从工程图纸识别软件的应用情况方面进行分析，可将其分为交互式识别转 换、半自动识别转换和自动识别转换3 种 7 1 。其中，交互式识别是系统提供跟 踪识别方式，将工程图纸中的图形元素( 如直线、圆弧等) 从光栅格式转换为矢 量格式；半自动识别规则是通过一些预定义的规则来解释图形中可能有的实体 集，如文本、基本图元。这种识别方式只能应用于工程图中具有有限的基本图 形元素，而且识别结果只有做进一步的处理，才能满足用户的需要；自动识别 是最有意义和最具挑战性的一项图纸识别技术，但到目前为止，尚没有一个软 件系统能完全满足用户的需要。 1 3 2工程图纸识别的主要研究方向 1 图纸图像的矢量化。这一阶段对预处理后的图像作进一步处理，将点 阵信息转化为短线段信息，但对基本图元和文字符号没有进行识别，矢量化的 结果是描述层次的提高。当前的矢量化方法主要有6 种：基于h o u g h 变换的方 法、基于细化的方法、基于轮廓线跟踪的方法、基于稀疏像素的方法、基于网 状模式的方法和基于黑像素区域【8 】的方法。其中，用得最多的是基于细化原理 的中心线矢量法 9 】和基于轮廓线跟踪的轮廓线矢量法【l 。 2 基本图元和文字符号的识别。在矢量化后的基础上，对工程图纸中的 基本图元( 点、直线、圆、圆弧等) 、文字符号( 中文字符、英文字符、制造约束 符号等) 进行识别。基本图元是指单一的直线、圆、圆弧及箭头等。常用的算法 有：欧氏距离法、样本特征法、关键点法、动态模式匹配法【1 1 1 、形状特征的模 糊分类法、基于图段结构的整体识别方法 1 2 】、模糊神经网络 ”】及形状特征匹配 1 4 1 等。其中，字符的识别也是一个难点，由于图文的粘连，目前的软件字符识 别率都不是很高。 3 工程图形的2 d 理解。目前，面向二维的图纸功能理解也取得了一定 的进展。2 d 图纸功能理解所采用的技术主要有组合搜索 1 5 】、基于规则的图纸 识别自动理解方法【l6 1 、基于特征的符号匹配识别方法【1 7 】、基于图的方法 1 8 【1 9 】、 基于物理对象模型的形状匹配和识别 2 0 等。2 d 的功能理解主要包括尺寸图元 的识别、剖面线的自动识别、尺寸约束单元的识别、尺寸之间的约束识别及图 元之间的几何约束关系识别等。自动识别具有特殊语义功能的图形实体和约束 关系往往需要既定的约束关系模式或图形组合规则，因此为了能完成图纸识别 需要建立若干识别规则和模式。此外，2 d 的功能理解还包括图纸中符号的自动 4 识别和分析，由于各种符号具有自身图形描述的属性，因此往往难以总结若干 规则或模式，需要根据每个符号自身的特性完成图纸的理解。 4 面向工程图形的三维重建。这是工程图识别与理解的最高层次，即在 面向二维平面理解的基础上，进行三维重构，形成三维形体，目的在于使得图 形的自动输入成为输入三维形体的一种比较方便的手段。目前，国内外学者在 这方面进行了大量的研究，但进展缓慢，最先进的算法也只能对特定的简单的 零件实现理解。采用的主要方法有：基于知识的特征建模1 2 1 或者利用正交投影 法对2 d 视图及其相应的尺寸属性进行变换以获得3 d 实体的b p 模型口【2 引，从 而实现到c a d 模型的最终转换。 1 3 3 存在问题分析 目前，人工智能技术和c a d & c g 技术的广泛结合，特别是人工智能中的 专家系统技术、实例推理技术、约束满足技术、面向对象技术和模糊逻辑与神 经网络技术在c a d & c g 中的应用，图纸输入与处理的研究正在以知识为基础 的理解性识别方面进行探索，各种方法都对解决问题的某一侧面作了尝试，从 中积累了许多有益的经验，为进一步建立完整的理论体系奠定了基础。然而， 不论是从理论还是从方法上，图纸识别与理解这一难题远远未得到很好的解决。 主要表现在6 】 2 3 】： 1 缺乏对工程图建立完整意义的信息表示方法。从理论层次上缺少图纸 图像信息特征的描述方法和适合于图形理解的图纸信息描述方法。图纸图像是 工程师的语言，是以有限的视图说明符号来描述零部件的设计信息，不同的形 状特征和符号都表达了特定的工程语义。 2 缺乏对工程图进行理解的领域知识。工程图是设计知识的载体，其中 包含设计标准、设计规范、视图特征及读图方法等，由于缺少对设计知识和读 图知识的总结、归纳，这样就缺少对图形进行理解的知识基础。 3 缺乏适用于对工程图进行理解的知识表达方法。由于工程图中蕴含的 领域知识具有结构性、不完备性和模糊性等特点，现有知识的描述方法对由于 数据的不充分性、描述的模糊性、判断的主观性和直觉性等因素所引起的不确 定性问题缺乏处理，知识的表达应能容忍信息的不确定性和不完全性。 4 缺乏对工程图进行深层次理解的有效的实现方法。现有工程图纸理解 技术基本停留在对图纸中局部图元的识别与理解上，要使之和参数化技术接轨， 必须以专家知识为指导，在对单个图元进行识别和理解的基础上，运用人工智 能技术，建立面向整幅图纸的逻辑约束关系，为最终和参数化设计接轨铺平道 路，使工程图纸的智能化输入真正投入实际应用成为可能。 5 人工智能的引入，使得计算机在模拟人的某些智能方面取得了一些进 展，突出的表现在知识工程和专家系统上，但是传统的专家系统有如下缺陷： 知识不完备、缺少人的常识、缺少原理性知识、脆弱及实用性差。 1 3 4线束图纸的识别 目前，国内外对线束领域的研究主要集中在电气设计【2 4 1 、电器件物理设计 【2 5 1 、产品数据管理、流程监控和质量控制等领域2 6 【2 7 1 ，却并未涉及到线束图 纸的识别与理解方面。 v c c 研究室对线束领域知识进行了深入了解，对线束工艺设计进行了研 究。通过对线束的各种组成部件进行分类、总结，建立了线束标准件数据库【2 8 1 ， 为线束工艺建模和工艺设计奠定了基础；通过建立线束工艺图模型【29 1 ，实现了 线束图纸的统一、完整表示；基于图论和参数化思想实现了多连通图的表示和 自动分解【30 1 ，完成了线束连接关系的有效表示；对内联和预装工艺进行了深入 探索，实现了内联和预装卡片的自动产生和预装工艺的智能交互控制。 由于线束图纸是工艺人员使用通用c a d 软件绘制的二维连接布局图，对 其进行自动分析和识别是属于工程图形的2 d 理解范畴，因此并未涉及到图纸 的矢量化和三维重建等方面的研究。 根据上述分析可知，由于缺少对领域知识的理解和合适的表示方式，已有 的工程图纸分析理论未能有效地进行分析与识别。因此，本文在对线束进行深 入了解和研究的基础上，首先，通过总结线束图纸中线束和组成部件的布局特 点，提出了线束图纸中线束和组成部件的若干识别规则；其次，通过使用基于 规则的方法实现线束图纸中线束的自动识别；再者，基于图形匹配和相似学【3 l j 的理论，提出了部件的自组织特征概念，通过对线束图纸中部件的自组织特征 与线束标准件数据库进行匹配实现部件的自身定位，最终实现线束图纸的自动 识别。 1 4课题来源与论文内容安排 1 4 1课题来源 论文主要得到了国家自然科学基金项目“科学计算中面向建模的多态机理 研究”( 6 0 6 7 3 0 2 8 ) 、合肥市科技局项目“基于信号量机制的生产调度及其可视 化”( 2 0 0 8 1 0 0 4 ) 、“江淮汽车线束工艺设计软件开发”项目的共同资助。 1 4 2内容安排 开发线束工艺设计系统是提高线束工艺设计和生产效率的重要手段，完成 线束图纸的分析和理解是实现系统开发的前提。论文基于图形匹配理论和相似 理论，在分析线束图纸组成特点的基础上，提出采用基于规则的方法和基于图 形相似匹配的方法实现线束图纸的自动识别。论文的主要内容安排如下： 第一章主要介绍论文的研究背景和相关研究现状。首先介绍汽车线束的相 关知识，并针对当前线束工艺设计存在的问题和汽车线束的发展趋势，讨论开 发工艺设计软件的迫切性，进而提出实现线束图纸自动识别的必要性；然后， 6 针对图纸识别的相关理论和方法进行了国内外研究概述；最后简要说明论文的 主要内容。 第二章主要介绍线柬工艺辅助设计系统和线束图纸自动识别系统的主要框 架。首先，介绍线束工艺设计系统的框架模块，讨论建立线束工艺模型和自动 识别线束图纸的重要性；然后，分析线束图纸的组成特点，给出线束图纸自动 识别系统的框架；最后，针对系统的模块图，提出系统实现的关键技术，并进 行分析。 第三章主要介绍线束电器标准件数据库的建立和电器件图形的精确匹配。 首先，介绍线束电器件的基本属性，分析电器件图形结构，完成电器件图形设 计，并简要介绍数据库的表结构和系统结构，为图形匹配和自动绘制提供了基 础；然后，介绍电器件图形的精确匹配，通过建立包围多边形、连通多边形概 念，完成对多连通域图形的表示，依据最近距离、无遮挡、包含原则添加辅助 线，实现三角划分，解决包含连通的定位问题，实现多连通域图形的旋转、缩 放匹配；最后，通过实验给出电器件图形精确匹配的全过程。 第四章主要介绍电器件图形的相似匹配。首先，在分析电器件图形表示特 点的基础上，提出自组织特征概念，实现对电器件图形的表示；其次，通过特 征搜索完成自组织特征的自动查找定位；然后，通过建立自组织层次特征实现 图形间相同特征的表示，并给出图形相似度的计算公式；最后，给出若干组图 形相似匹配的实例，说明本文提出的相似匹配思想的合理性和相似度计算公式 的有效性。 第五章主要介绍线束图纸的识别过程。首先，介绍图纸预处理的必要性和 主要内容；其次，详细分析线束的组成结构，提出若干识别规则，给出线束段 和线束识别的过程，并针对具体车型的线束图纸给出线束的识别结果；然后， 给出电器件的自动识别过程，包括自动定位和匹配识别，并对电器件的识别结 果进行分析；最后，给出线束图纸自动识别的完整过程。 第六章为论文工作的总结与展望，在总结论文工作的同时对后续工作进行 展望。 7 第二章线束图纸自动识别系统 线束工艺设计系统主要是通过对线束图纸进行分析，辅助线束工艺设计人员制作 工艺卡片，提高工艺设计效率。线束图纸是线束工艺设计的主要数据来源，针对由人 工读图所产生的效率低问题，采用图纸识别技术实现图纸自动分析是解决问题的有效 方法。 2 1线束工艺设计系统 线束工艺设计系统主要是通过对线束图纸进行分析，辅助线束工艺设计人 员编制放量表、回路明细表和品号明细表，在电器标准件数据库的基础上，建 立完整的汽车线束图纸的工艺模型，半自动生成预装工艺卡、内联工艺卡、套 管用量表，自动生成下线压接工艺卡、套管用量表、物料明细表，如图2 - 1 所示。 编制放量表 编制回路明细表 编制品号明细表 线柬图纸自动 l 一一一一一一一圄j 建 立 线 京 工 艺 模 型 编 制 内 联 工 艺 卡 编制预装工艺卡 编制下线压接卡 编制套管用量表 编 制 物 料 明 细 表 图2 - 1 系统功能模块图 从图2 1 中可以看出，线束工艺模型表示了线束工艺设计所需的全部信 息，因此建立完整的线束工艺模型是完成线束工艺分析和设计的关键。线束图 纸是设计人员使用c a d 软件绘制的用来表示线束组成部件的排布方式和线束 连接关系的图纸，包含了线束工艺设计的主要信息，是建立线柬工艺模型的主 要数据来源。 目前线束图纸设计未有相关的c a d 系统支持，线束设计人员采用通用c a d 软件绘制线束图纸，使用图形基本实体单元表示线束和电器件图形。由于通用 c a d 软件不能表示线束的内在连接关系和领域知识，因此在建立线束工艺模型 时需要自动识别线束图纸中的线束连接关系和电器件工程属性，为线束工艺设 计建立完整的模型提供数据来源。 一 一司川一 一 入 三嗍一 一 输 三疆 一 三托 一 觚 厨 2 2线束图纸自动识别系统 线束图纸是用来表示线束构件的排布方式、布局、连接关系等信息的二维 平面图。按照构件图形表示方式的不同，线束图纸中的构件可以分为线束和电 器件，其中线束表示导线的布局关系，电器件表示接插件、紧固件、橡胶件的 图形特征和与导线的连接关系，如图2 2 所示。 通过分析图2 2 可知，图纸中包括1 个线束连接和7 个电器件。由于导线 实际布线和图纸布局的原因，线束需要在交叉点、包裹件附着点、线束转向点 等处打断，因此线束主要是由线束段组成，在图2 2 中，线束连接是由7 个线 束段组成。此外，为了避免出现短路的情况，导线连接不会出现构成环的情况， 因此线束是由线束段组成的连通无环图。另外，电器件在图形表示上与线束不 同，是由多个基本实体组合而成的表示线束构件特征的图形，因此仅有一个外 轮廓，具有区域孤立不相关性。 图2 2 线束图纸 通过分析线束图纸可知，线束与电器件在图形表示方式上存在着根本差别。 首先，根据线束的表示特点建立线束自动识别规则，实现线束段和线束的自动 识别；然后，根据电器件图形特点实现电器件自动定位，采用图形匹配方法实 现电器件的匹配识别，最终实现线束图纸的自动识别，具体过程如图2 3 所示。 图2 3 自动识别系统功能模块图 2 3关键技术 2 3 1 图纸预处理 如上所述，目前线束图纸设计未有相关的c a d 系统支持，线束设计人员 9 采用使用绘制图形基本实体单元来表示线束和电器件图形。由于绘制过程存在 许多不确定因素，如直线问的连接断裂、直线连接过头、直线由多个重合的直 线段组成等，对图纸分析和识别造成重大影响，因此在进行图纸识别前对线束 图纸进行预处理是非常必要的。 2 3 2线束自动识别 线束是线束图纸的重要组成部件，线束识别是图纸自动识别的重要内容。 线束是由线束段组成，线束段是由直线、文本标注、分割点组成。根据线束段 的组成规则，即可初步实现线束段的自动识别。然而由于绘制过程的随意性， 存在许多不确定的因素，因此根据线束和线束段的性质，建立多种启发式规则 是提高识别效率和正确性的重要方法。 2 3 3建立电器标准件数据库 电器件图形不仅仅表示线束构件的图形特征，而且具有线束实际应用的工 程和物理属性，如所插接端子的型号、线径范围、防水堵型号、连发、放量等 信息。电器件的工程和物理属性是建立线束工艺模型不可缺少的重要组成部分， 是产生后续各种工艺报表卡片的基础。然而在线束图纸中，电器件的固有属性 无法体现，传统手工分析图纸的方式依靠线束设计人员的记忆来完成，效率低 下，因此建立电器标准件数据库是提高线束设计效率和质量的重要前提。 2 3 4 图形匹配 为了获取线束图纸中的电器件工程属性，需要在电器标准件库中进行查找。 由于电器件在线束图纸中是以图形的形式表示，因此不能使用简单的型号进行 数据库的查找，需要根据电器件的图形特征与标准件进行匹配。 考虑到绘制的电器件与标准件在图形上存在差异，需要引入相似的概念以 提高匹配的准确性，因此如何评价两个图形的相似程度是实现图形匹配的关键。 2 4本章小结 本章首先介绍了线束工艺设计系统，指出自动识别线束图纸的意义和必要 性；然后介绍了线束图