基于知识图谱的智能五金件设计方法研究

烟台先进制造工程技术学会 宋坤明 秦福运

一 、引言

在离散型制造业中，尤其是五金、装备等产品直接面向用户的行业，产品应对工况日趋复杂，客户定制化需求更加多样，这对产品系列化设计，标准件规范化选用提出更高的要求。产品定制化带来了企业在产品研发成本、生产后勤仓储管理，产品售后维修保养、零部件备换等方面的资源消耗。工艺人员也更难以把握产品的生产过程。对工装夹具的配合程度、故障检测和加工工艺等也提出更高的知识掌握要求。随着企业生产规模的日益扩大，设计人员经历过的项目数量急剧增多，海量的相似自制件越来越多，企业急需解决零部件数量爆炸问题。然而，自制件的特征等知识数据仍以数据孤岛的形式存在于各类存储介质中，或封装在相关的三维模型中，设计人员难以从中识别出哪些件是相同可重用，哪些件是修改后可重用的。这些零件数据缺乏统一的知识体系描述、有效的分类结构和直观形象的使用方式，难以进行深层次的数据合并、分类以及重用。

二、零件模型特征识别库

知识图谱（Knowledge Graph）在2012年正式由谷歌推出服务，并在其搜索引擎的性能提高项目中首次使用，极大地提高了搜索质量。随后，知识图谱逐步在语义搜索、辅助语言理解、智能问答、辅助大数据分析等多个领域发挥出越来越重要的作用。知识图谱旨在从规模数据中识别、整理和推断事物与事物，概念与概念之间的互联关系，是关系的可计算模型。通过知识图谱，未知事物可不依赖于其具体名称或分类关系，通过其他属性接归纳出其分类所属关系或具体指向。

知识图谱构建的第一步是为零件间关系进行建模，主要工作是为其构建零件特征之间逻辑关系。例如：折弯件与折弯件有强相关关系，但与铸造件即为弱相关关系。知识图谱本体的构建方式有三种：自动化构建、半自动化构建、人工构建。本文针对知识图谱关系建模使用自顶向下的知识建模方法。首先，通过机械设计领域本身特性以及专家经验进行顶层零件知识分类设计，在公司级范围定义所用零件的特征分类；然后，运用特征识别、三维模型属性抽取等技术进行零件特征抽取，通过概念约定、特征值约定、属性约定得到零件的名称、属性和零件之间的关系，接着通过上下位学习对概念进行组织；最终通过把库中所有零件的知识与关系相结合，形成完整的零件特征关系模型。

当下，市面上有多款三维建模软件用于零件设计，本文采用SOLIDWORKS软件为例，建设零部件三维模型库。依托软件强大的API（Application Programming Interface，应用程序接口），研发出软件二次开发软件用于提取零件特征数据。

三、零件特征识别库建模方法

本节主要对特征库建模方法展开描述。首先，介绍知识图谱建模的整体流程，然后介绍自顶向下知识图谱建模方法和零件特征提取的操作方法，最后对两种方法的结果进行融合形成完整的零件特征识别库建模方式。

1.知识图谱模型库整体架构

笔者结合五金件产品设计特性以及应用场景，提出一种基于自顶向下方法与自底向上结合的知识建模的方法对机械设计知识体系进行构建，构建流程如图1所示。

图1 知识图谱构建流程

首先通过机械设计数据总结企业拥有的零件特征，然后结合专家经验对部分特征进行进一步加工整合，形成以零件的概念定义、属性定义和上下位定义构成的概念分类体系，形成顶层知识体系。然后，获取海量的机械设计文本，采用术语抽取、同义抽取、概念学习和概念规约、属性规约等方法形成概念及其属性集合，然后进一步通过上下位学习，得到自顶向下的概念分类体系。

2.自顶向下知识建模方法与工具

自顶向下的关系模型构建方法是指根据企业设计人员设计经验自顶上的零件分类类型向下进行零件关系分类，零件关系包含分类定义、分类上级与下级关系定义、零件属性定义、零件属性关系定义。

本文借助国外成熟开源的知识图谱计平台PlantData实现构建零件关系库的具体功能，其计算已提取的零件特征信息相似度公式如下：

3.产品模型的特征提取

三维软件二次开发技术是建模软件提供给用户扩展其软件使用功能深度的开发接口，通过编程开发可以将已有的零件库中各种格式的三维模型进行外形特征扫描，每一个外形对应一个3D指纹，通过外形的匹配，在短时间内就可以找到重复的零件或者相似的零件。通过三维外形的匹配搜索，可以快速得到最准确的搜索结果如图2，从而快速实现设计重用。所以，即使文件名称不规范，或者属性填写错误，或者搜索关键字不匹配，都不会影响我们所需要查找的重复件或相似件。

图2 搜索模型匹配结果

软件搜索出零件后，可以自动挖掘出三维模型的属性，例如材质，体积，密度，重量等等信息。软件让设计人员依托零件特征就可以定位到所需要的零件。如此，二次开发的软件接口就可以与知识图谱设定好的零件关系做结合，依据知识图谱的关系设定搜索零件库中的三维模型。

通过平台对收集到的离散型产品模型进行知识抽取，自动识别模型中的特征尺寸、特征属性和零件与零件之间的关系，然后与自顶向下建模结果相结合，得到机械设计知识图谱模型库。企业通过不断的新增完善零件库以及知识图谱中的特征，最终将企业所设计的所有五金件包含在库中，设计人员设计完成自制件后点击入库查询比对是否有相同或类似零件，如果有则重用已有件。以此，保障新设计件的数量处于较低水平。

四、结论

本文提出一种知识图谱驱动的零件特征识别库的构建方法，解决五金件设计领域自制件多、零件分类多、产品覆盖面广等导致设计零件数量剧增的问题。同时提出了依托三维建模软件的二次开发结合知识图谱技术的解决企业数字化设计过程中产生的新问题、新挑战的思路。提出的工具和方法能够大幅提升企业设计过程中重用已有设计的零件使用程度，产生良好的价值效益。