基于知識圖譜的智能五金件設計方法研究

煙臺先進制造工程技術學會 宋坤明 秦福運

一 、引言

在離散型制造業中，尤其是五金、裝備等產品直接面向用戶的行業，產品應對工況日趨復雜，客戶定制化需求更加多樣，這對產品系列化設計，標準件規范化選用提出更高的要求。產品定制化帶來了企業在產品研發成本、生產后勤倉儲管理，產品售后維修保養、零部件備換等方面的資源消耗。工藝人員也更難以把握產品的生產過程。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。隨著企業生產規模的日益擴大，設計人員經歷過的項目數量急劇增多，海量的相似自制件越來越多，企業急需解決零部件數量爆炸問題。然而，自制件的特征等知識數據仍以數據孤島的形式存在于各類存儲介質中，或封裝在相關的三維模型中，設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。這些零件數據缺乏統一的知識體系描述、有效的分類結構和直觀形象的使用方式，難以進行深層次的數據合并、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，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、輔助大數據分析等多個領域發揮出越來越重要的作用。知識圖譜旨在從規模數據中識別、整理和推斷事物與事物，概念與概念之間的互聯關系，是關系的可計算模型。通過知識圖譜，未知事物可不依賴于其具體名稱或分類關系，通過其他屬性接歸納出其分類所屬關系或具體指向。

知識圖譜構建的第一步是為零件間關系進行建模，主要工作是為其構建零件特征之間邏輯關系。例如：折彎件與折彎件有強相關關系，但與鑄造件即為弱相關關系。知識圖譜本體的構建方式有三種：自動化構建、半自動化構建、人工構建。本文針對知識圖譜關系建模使用自頂向下的知識建模方法。首先，通過機械設計領域本身特性以及專家經驗進行頂層零件知識分類設計，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進行零件特征抽取，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系，接著通過上下位學習對概念進行組織；最終通過把庫中所有零件的知識與關系相結合，形成完整的零件特征關系模型。

當下，市面上有多款三維建模軟件用于零件設計，本文采用SOLIDWORKS軟件為例，建設零部件三維模型庫。依托軟件強大的API（Application Programming Interface，應用程序接口），研發出軟件二次開發軟件用于提取零件特征數據。

三、零件特征識別庫建模方法

本節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果進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

筆者結合五金件產品設計特性以及應用場景，提出一種基于自頂向下方法與自底向上結合的知識建模的方法對機械設計知識體系進行構建，構建流程如圖1所示。

圖1 知識圖譜構建流程

首先通過機械設計數據總結企業擁有的零件特征，然后結合專家經驗對部分特征進行進一步加工整合，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，獲取海量的機械設計文本，采用術語抽取、同義抽取、概念學習和概念規約、屬性規約等方法形成概念及其屬性集合，然后進一步通過上下位學習，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

自頂向下的關系模型構建方法是指根據企業設計人員設計經驗自頂上的零件分類類型向下進行零件關系分類，零件關系包含分類定義、分類上級與下級關系定義、零件屬性定義、零件屬性關系定義。

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

3.產品模型的特征提取

三維軟件二次開發技術是建模軟件提供給用戶擴展其軟件使用功能深度的開發接口，通過編程開發可以將已有的零件庫中各種格式的三維模型進行外形特征掃描，每一個外形對應一個3D指紋，通過外形的匹配，在短時間內就可以找到重復的零件或者相似的零件。通過三維外形的匹配搜索，可以快速得到最準確的搜索結果如圖2，從而快速實現設計重用。所以，即使文件名稱不規范，或者屬性填寫錯誤，或者搜索關鍵字不匹配，都不會影響我們所需要查找的重復件或相似件。

圖2 搜索模型匹配結果

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，體積，密度，重量等等信息。軟件讓設計人員依托零件特征就可以定位到所需要的零件。如此，二次開發的軟件接口就可以與知識圖譜設定好的零件關系做結合，依據知識圖譜的關系設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品模型進行知識抽取，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系，然后與自頂向下建模結果相結合，得到機械設計知識圖譜模型庫。企業通過不斷的新增完善零件庫以及知識圖譜中的特征，最終將企業所設計的所有五金件包含在庫中，設計人員設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，保障新設計件的數量處于較低水平。

四、結論

本文提出一種知識圖譜驅動的零件特征識別庫的構建方法，解決五金件設計領域自制件多、零件分類多、產品覆蓋面廣等導致設計零件數量劇增的問題。同時提出了依托三維建模軟件的二次開發結合知識圖譜技術的解決企業數字化設計過程中產生的新問題、新挑戰的思路。提出的工具和方法能夠大幅提升企業設計過程中重用已有設計的零件使用程度，產生良好的價值效益。