基于知識圖譜的智能五金件設(shè)計方法研究

煙臺先進(jìn)制造工程技術(shù)學(xué)會 宋坤明 秦福運

一 、引言

在離散型制造業(yè)中，尤其是五金、裝備等產(chǎn)品直接面向用戶的行業(yè)，產(chǎn)品應(yīng)對工況日趨復(fù)雜，客戶定制化需求更加多樣，這對產(chǎn)品系列化設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)范化選用提出更高的要求。產(chǎn)品定制化帶來了企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)成本、生產(chǎn)后勤倉儲管理，產(chǎn)品售后維修保養(yǎng)、零部件備換等方面的資源消耗。工藝人員也更難以把握產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。對工裝夾具的配合程度、故障檢測和加工工藝等也提出更高的知識掌握要求。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，設(shè)計人員經(jīng)歷過的項目數(shù)量急劇增多，海量的相似自制件越來越多，企業(yè)急需解決零部件數(shù)量爆炸問題。然而，自制件的特征等知識數(shù)據(jù)仍以數(shù)據(jù)孤島的形式存在于各類存儲介質(zhì)中，或封裝在相關(guān)的三維模型中，設(shè)計人員難以從中識別出哪些件是相同可重用，哪些件是修改后可重用的。這些零件數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一的知識體系描述、有效的分類結(jié)構(gòu)和直觀形象的使用方式，難以進(jìn)行深層次的數(shù)據(jù)合并、分類以及重用。

二、零件模型特征識別庫

知識圖譜（Knowledge Graph）在2012年正式由谷歌推出服務(wù)，并在其搜索引擎的性能提高項目中首次使用，極大地提高了搜索質(zhì)量。隨后，知識圖譜逐步在語義搜索、輔助語言理解、智能問答、輔助大數(shù)據(jù)分析等多個領(lǐng)域發(fā)揮出越來越重要的作用。知識圖譜旨在從規(guī)模數(shù)據(jù)中識別、整理和推斷事物與事物，概念與概念之間的互聯(lián)關(guān)系，是關(guān)系的可計算模型。通過知識圖譜，未知事物可不依賴于其具體名稱或分類關(guān)系，通過其他屬性接歸納出其分類所屬關(guān)系或具體指向。

知識圖譜構(gòu)建的第一步是為零件間關(guān)系進(jìn)行建模，主要工作是為其構(gòu)建零件特征之間邏輯關(guān)系。例如：折彎件與折彎件有強相關(guān)關(guān)系，但與鑄造件即為弱相關(guān)關(guān)系。知識圖譜本體的構(gòu)建方式有三種：自動化構(gòu)建、半自動化構(gòu)建、人工構(gòu)建。本文針對知識圖譜關(guān)系建模使用自頂向下的知識建模方法。首先，通過機械設(shè)計領(lǐng)域本身特性以及專家經(jīng)驗進(jìn)行頂層零件知識分類設(shè)計，在公司級范圍定義所用零件的特征分類；然后，運用特征識別、三維模型屬性抽取等技術(shù)進(jìn)行零件特征抽取，通過概念約定、特征值約定、屬性約定得到零件的名稱、屬性和零件之間的關(guān)系，接著通過上下位學(xué)習(xí)對概念進(jìn)行組織；最終通過把庫中所有零件的知識與關(guān)系相結(jié)合，形成完整的零件特征關(guān)系模型。

當(dāng)下，市面上有多款三維建模軟件用于零件設(shè)計，本文采用SOLIDWORKS軟件為例，建設(shè)零部件三維模型庫。依托軟件強大的API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序接口），研發(fā)出軟件二次開發(fā)軟件用于提取零件特征數(shù)據(jù)。

三、零件特征識別庫建模方法

本節(jié)主要對特征庫建模方法展開描述。首先，介紹知識圖譜建模的整體流程，然后介紹自頂向下知識圖譜建模方法和零件特征提取的操作方法，最后對兩種方法的結(jié)果進(jìn)行融合形成完整的零件特征識別庫建模方式。

1.知識圖譜模型庫整體架構(gòu)

筆者結(jié)合五金件產(chǎn)品設(shè)計特性以及應(yīng)用場景，提出一種基于自頂向下方法與自底向上結(jié)合的知識建模的方法對機械設(shè)計知識體系進(jìn)行構(gòu)建，構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 知識圖譜構(gòu)建流程

首先通過機械設(shè)計數(shù)據(jù)總結(jié)企業(yè)擁有的零件特征，然后結(jié)合專家經(jīng)驗對部分特征進(jìn)行進(jìn)一步加工整合，形成以零件的概念定義、屬性定義和上下位定義構(gòu)成的概念分類體系，形成頂層知識體系。然后，獲取海量的機械設(shè)計文本，采用術(shù)語抽取、同義抽取、概念學(xué)習(xí)和概念規(guī)約、屬性規(guī)約等方法形成概念及其屬性集合，然后進(jìn)一步通過上下位學(xué)習(xí)，得到自頂向下的概念分類體系。

2.自頂向下知識建模方法與工具

自頂向下的關(guān)系模型構(gòu)建方法是指根據(jù)企業(yè)設(shè)計人員設(shè)計經(jīng)驗自頂上的零件分類類型向下進(jìn)行零件關(guān)系分類，零件關(guān)系包含分類定義、分類上級與下級關(guān)系定義、零件屬性定義、零件屬性關(guān)系定義。

本文借助國外成熟開源的知識圖譜計平臺PlantData實現(xiàn)構(gòu)建零件關(guān)系庫的具體功能，其計算已提取的零件特征信息相似度公式如下：

3.產(chǎn)品模型的特征提取

三維軟件二次開發(fā)技術(shù)是建模軟件提供給用戶擴展其軟件使用功能深度的開發(fā)接口，通過編程開發(fā)可以將已有的零件庫中各種格式的三維模型進(jìn)行外形特征掃描，每一個外形對應(yīng)一個3D指紋，通過外形的匹配，在短時間內(nèi)就可以找到重復(fù)的零件或者相似的零件。通過三維外形的匹配搜索，可以快速得到最準(zhǔn)確的搜索結(jié)果如圖2，從而快速實現(xiàn)設(shè)計重用。所以，即使文件名稱不規(guī)范，或者屬性填寫錯誤，或者搜索關(guān)鍵字不匹配，都不會影響我們所需要查找的重復(fù)件或相似件。

圖2 搜索模型匹配結(jié)果

軟件搜索出零件后，可以自動挖掘出三維模型的屬性，例如材質(zhì)，體積，密度，重量等等信息。軟件讓設(shè)計人員依托零件特征就可以定位到所需要的零件。如此，二次開發(fā)的軟件接口就可以與知識圖譜設(shè)定好的零件關(guān)系做結(jié)合，依據(jù)知識圖譜的關(guān)系設(shè)定搜索零件庫中的三維模型。

通過平臺對收集到的離散型產(chǎn)品模型進(jìn)行知識抽取，自動識別模型中的特征尺寸、特征屬性和零件與零件之間的關(guān)系，然后與自頂向下建模結(jié)果相結(jié)合，得到機械設(shè)計知識圖譜模型庫。企業(yè)通過不斷的新增完善零件庫以及知識圖譜中的特征，最終將企業(yè)所設(shè)計的所有五金件包含在庫中，設(shè)計人員設(shè)計完成自制件后點擊入庫查詢比對是否有相同或類似零件，如果有則重用已有件。以此，保障新設(shè)計件的數(shù)量處于較低水平。

四、結(jié)論

本文提出一種知識圖譜驅(qū)動的零件特征識別庫的構(gòu)建方法，解決五金件設(shè)計領(lǐng)域自制件多、零件分類多、產(chǎn)品覆蓋面廣等導(dǎo)致設(shè)計零件數(shù)量劇增的問題。同時提出了依托三維建模軟件的二次開發(fā)結(jié)合知識圖譜技術(shù)的解決企業(yè)數(shù)字化設(shè)計過程中產(chǎn)生的新問題、新挑戰(zhàn)的思路。提出的工具和方法能夠大幅提升企業(yè)設(shè)計過程中重用已有設(shè)計的零件使用程度，產(chǎn)生良好的價值效益。