凡天娣，景旭文，肖志建，李 磊，徐建新

（1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.廣州廣船國際股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 前言

船舶焊接工藝知識層次較多，涉及工藝內(nèi)容繁多且復(fù)雜異構(gòu)。目前，船廠大多通過查閱相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及船廠歷史資料，并結(jié)合工程師經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)船舶焊接工藝知識的管理[1]，導(dǎo)致焊接工藝知識的可重用性不足。因此，有必要研究有效的焊接工藝知識建模及管理手段，以提高知識利用率，優(yōu)化知識存儲模式，實(shí)現(xiàn)船舶焊接工藝知識的有效重用。

在焊接工藝知識管理方面，學(xué)者們大多采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計開發(fā)焊接知識管理系統(tǒng)[2-6]。但在知識模型建立的過程中并未充分考慮到焊接工藝知識的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性，故焊接工藝知識的可重用性并未得到較大的提升。因此構(gòu)造語義明確、關(guān)系清晰且具有良好可重用性的結(jié)構(gòu)化模型成為一個亟待解決的問題。結(jié)合船舶焊接工藝知識的特點(diǎn)，本文提出了一種基于本體的船舶焊接工藝知識圖譜構(gòu)建方法。凝練船舶焊接工藝知識并提取實(shí)體及語義關(guān)系以構(gòu)建知識圖譜，建立船舶焊接工藝知識本體與知識圖譜的映射機(jī)制，并采用類型表模型完成知識存儲。設(shè)計開發(fā)船舶焊接工藝知識管理系統(tǒng)，驗(yàn)證了知識圖譜的本體建模技術(shù)對船舶焊接工藝知識管理中語義檢索的可行性。

1 方法理論概述

1.1 知識圖譜

知識圖譜采用圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為知識載體，描述客觀存在的各種概念或?qū)嶓w，以及實(shí)體、概念之間的關(guān)系，是大數(shù)據(jù)時代下一種表達(dá)知識的重要方式。知識圖譜能夠?qū)⒉煌N類的信息連接在一起形成關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，提供從“關(guān)系”的角度分析問題的功能[7]。

1.2 本體與知識圖譜關(guān)系

本體是一種知識表示方法，表達(dá)領(lǐng)域中實(shí)體的固有特征，包括概念結(jié)構(gòu)、概念之間的關(guān)系等，側(cè)重于概念及概念間關(guān)聯(lián)關(guān)系的表達(dá)。而知識圖譜在本體的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展和延伸[8]：在實(shí)體概念的基礎(chǔ)上，添加了實(shí)體的內(nèi)在信息，著重體現(xiàn)了實(shí)體與實(shí)體間的推理關(guān)系。因此，本體主要是對知識進(jìn)行概括性、抽象性表示，約束著知識圖譜數(shù)據(jù)的組織方式；知識圖譜主要融合了實(shí)體間的關(guān)系，并聯(lián)系語義網(wǎng)以組成知識的可拓網(wǎng)絡(luò)[9]。

1.3 基于本體的船舶焊接工藝知識圖譜構(gòu)建

本文提出知識圖譜的焊接工藝知識本體建模方法，具體包括：

（1）本體模型構(gòu)建層。基于船舶焊接工藝內(nèi)容凝練工藝知識，并進(jìn)行整理及分類；分析焊接工藝知識內(nèi)部具有的關(guān)系類型，并以本體語義關(guān)系的形式表達(dá)。

（2）知識圖譜構(gòu)建層。將知識圖譜劃分為概念層級關(guān)系圖與實(shí)體層級關(guān)系圖，采用三元組表達(dá)概念、實(shí)體間關(guān)系，基于船舶焊接工藝知識架構(gòu)完成知識圖譜的構(gòu)建，利用本體與知識圖譜之間的樹與圖關(guān)系建立并分析焊接工藝知識本體與圖譜間的映射機(jī)制。

（3）知識圖譜存儲層。基于表結(jié)構(gòu)存儲方式將圖譜存儲入知識庫中，以便于焊接工藝知識的管理及重用。

2 船舶焊接工藝知識的本體模型

2.1 船舶焊接工藝知識分析

船舶焊接工藝知識包括大量工藝資源知識、工藝裝備知識以及現(xiàn)場焊接工藝人員的經(jīng)驗(yàn)知識等。同時，焊接工藝設(shè)計過程中涉及大量的規(guī)則知識，例如坡口形式的選擇依據(jù)是母材厚度、焊接方法等參數(shù)。將焊接工藝知識劃分為6類，具體如表1所示。

表1 焊接工藝知識Table 1 Welding process knowledge

2.2 焊接工藝知識關(guān)系提取

為便于焊接工藝知識的關(guān)系抽取，采用三階張量三元組（頭實(shí)體、屬性關(guān)系、尾實(shí)體）的表示方法，定義實(shí)體和關(guān)系的向量表示。

知識圖譜三階張量Y（ei，rk，ej）中，兩個維度“ith entity”和“j-th entity”分別代表焊接工藝知識圖譜中的第i個實(shí)體和第j個實(shí)體，第三個維度“k-th relation”代表知識圖譜中第k個關(guān)系。若三元組Y（ei，rk，ej）存在于知識圖譜中，對應(yīng)三元組關(guān)系成立，否則不成立[10]。

對Y進(jìn)行張量分解得到實(shí)體和關(guān)系的表示形式，函數(shù)表達(dá)為

式中 wh，wt∈Rn分別表示焊接工藝知識的頭實(shí)體和尾實(shí)體在n維空間中的向量；Rk∈Rn為關(guān)系rk的權(quán)重矩陣；Rabrk為第a個向量元素與第b個向量元素在關(guān)系rk下的關(guān)聯(lián)程度。

在本體模型中，概念及實(shí)體之間的基本關(guān)系有四種：Part_of、Kind_of、Instance_of、Attribute_of。為健全焊接工藝知識圖譜，進(jìn)一步定義概念及實(shí)體間的關(guān)系如表2所示。

3 船舶焊接工藝知識圖譜構(gòu)建

3.1 焊接工藝知識圖譜表示方法

焊接工藝知識圖譜的基本結(jié)構(gòu)由概念層次關(guān)系圖和實(shí)體關(guān)系圖組成，如圖1所示。其中，概念層次關(guān)系圖表示焊接工藝中本體概念層級，實(shí)體關(guān)系圖表示焊接工藝實(shí)體及其之間的關(guān)系。概念層級關(guān)系圖由概念節(jié)點(diǎn)及兩個概念之間的關(guān)系邊組成，實(shí)體關(guān)系圖由實(shí)體節(jié)點(diǎn)及連接兩個實(shí)體之間的關(guān)系邊組成。

表2 概念及實(shí)體間關(guān)系Table 2 Concepts and relationships between entities

圖1 焊接工藝知識圖譜部分?jǐn)?shù)據(jù)Fig.1 Welding process knowledge graph part of the data map

在焊接工藝知識概念及實(shí)體關(guān)系體系中，父子關(guān)系、決定關(guān)系及整體與部分關(guān)系占主體部分。因此將焊接工藝知識圖譜知識間的關(guān)系劃分為兩大類：概念層級關(guān)系和實(shí)體關(guān)系。使用三元組Y（ei，rk，ej）表達(dá)語義關(guān)系，ei與ej表示節(jié)點(diǎn)（概念或?qū)嶓w），方向是由ei指向ej，rk表示語義關(guān)系每個三元組表示一個事實(shí)。如母材厚度決定焊接方法，其中邊“決定”表示語義關(guān)系，實(shí)體是“母材厚度”和“焊接方法”。

3.2 焊接工藝知識圖譜建立

構(gòu)建船舶焊接工藝知識圖譜首先要確定本體與知識圖譜映射匹配機(jī)制。本體的實(shí)質(zhì)是將關(guān)系和實(shí)體等進(jìn)行層次化抽象表達(dá)。將本體概念層級結(jié)構(gòu)當(dāng)作樹，本體概念層級結(jié)構(gòu)的概念、實(shí)例等作為樹的節(jié)點(diǎn)，其關(guān)系用連線表示。而知識圖譜相當(dāng)于一張巨大的語義網(wǎng)，將知識圖譜的概念層級關(guān)系圖當(dāng)作樹，概念節(jié)點(diǎn)作為樹的節(jié)點(diǎn)，則實(shí)體節(jié)點(diǎn)可作為知識圖譜的實(shí)體關(guān)系圖的節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系也用連線表示。故本體和知識圖譜的本體映射匹配模式可當(dāng)作樹與樹、樹與圖之間的映射。船舶知識圖譜映射匹配機(jī)制的構(gòu)建如圖2所示。

圖2 本體與知識圖譜的映射匹配機(jī)制Fig.2 Mapping matching mechanism between ontology and knowledge graph

本體和知識圖譜之間的樹與樹映射關(guān)系：焊接工藝知識本體概念層級由父概念和子概念構(gòu)成，以樹結(jié)構(gòu)描述本體，則其根節(jié)點(diǎn)為父概念，如工藝參數(shù)、焊接資源等；子節(jié)點(diǎn)為多層子概念，如焊接參數(shù)類知識及焊接設(shè)備等；概念最底層實(shí)例為葉節(jié)點(diǎn)，對應(yīng)為上級子節(jié)點(diǎn)下的實(shí)例知識。將本體的概念樹結(jié)構(gòu)映射到知識圖譜中，從而形成了右側(cè)知識圖譜的概念層次關(guān)系圖。本體和知識圖譜之間的樹與圖映射關(guān)系：本體的實(shí)例層主要包含在概念樹結(jié)構(gòu)中為葉節(jié)點(diǎn)，其中存在較多語義關(guān)系。此時，將本體實(shí)例表示為圖的節(jié)點(diǎn)，蘊(yùn)含的關(guān)系表示為圖的邊，將本體中的實(shí)例及其語義關(guān)系完整地映射到右圖的知識圖譜中，完成知識圖譜的基本實(shí)體關(guān)系圖的填充。

4 船舶焊接工藝知識圖譜存儲

知識圖譜中的知識以三元組形式表達(dá)，故采用基于類型表的方式完成焊接工藝知識圖譜的存儲。為各類型焊接工藝知識構(gòu)建相應(yīng)數(shù)據(jù)表，同一類型實(shí)例存放在相同的表中。表的每一列表示該類實(shí)體的一個屬性，每一行存儲該類實(shí)體的一個實(shí)例。但此方式可能導(dǎo)致概念的共同屬性被重復(fù)存儲，例如管法蘭焊機(jī)的某些屬性在焊接資源表及工藝實(shí)例表中同時存在。因此，在構(gòu)建數(shù)據(jù)表時每個類型的數(shù)據(jù)表只記錄屬于該類型的特有屬性，不同類別的公共屬性保存在上一級類型對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，下級表繼承上級表的所有屬性[11]。圖3為焊接工藝相關(guān)的類別體系，圖4為在該類別體系下設(shè)計的類型表。

圖3 焊接工藝知識層級關(guān)系類別體系Fig.3 Welding process knowledge hierarchy relationship category system

圖4 層級關(guān)系下的類型表Fig.4 Type table under hierarchical relationship

5 實(shí)例應(yīng)用

系統(tǒng)提供了基于知識圖譜的語義檢索功能，在知識檢索時，可直接檢索與檢索目標(biāo)相關(guān)的所有知識。知識語義檢索實(shí)例如圖5所示，可以根據(jù)語義關(guān)系及閾值的不同搜索出相應(yīng)知識，確保檢索的精確性；知識語義檢索網(wǎng)絡(luò)如圖6所示，根據(jù)檢索內(nèi)容以知識圖譜的形式呈現(xiàn)出與其相關(guān)的其他型焊接知識，確保了檢索的全面性。

6 結(jié)論

本文提出了基于本體的焊接工藝知識圖譜構(gòu)建及存儲方法，提煉船舶焊接工藝知識，分析知識間的語義關(guān)系，構(gòu)建船舶焊接工藝知識圖譜并基于類型表模型結(jié)構(gòu)形式存儲，基于語義檢索實(shí)現(xiàn)了知識圖譜的應(yīng)用。結(jié)果表明，基于本體的知識圖譜建模及存儲方法優(yōu)化了船舶焊接工藝知識的模型架構(gòu)及存儲模式，依此建立知識系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)船舶焊接工藝知識的有效管理，提高知識的可重用性。

圖5 知識語義檢索實(shí)例Fig.5 Example of knowledge semantic retrieval

圖6 知識語義檢索網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Knowledge semantic retrieval network