基于PMI領域知識圖譜的完備性檢查技術研究

王巖巖 張春燕 張勝文 陳世輝

（江蘇科技大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

信息完備性檢查是一項輔助性的技術，是自動標注技術發(fā)展過程中的一個過渡技術。主要檢查產(chǎn)品制造信息（product manufacturing information，PMI）的正確性、完整性及清晰性。正確性是指信息是否符合工藝標準；完整性是指信息是否完整，包括冗余和缺失兩方面；清晰性是指信息空間布局是否符合要求。PMI作為產(chǎn)品基于模型定義（model based definition，MBD）三維模型的重要組成部分，由傳統(tǒng)的二維標注不斷向三維標注發(fā)展。但MBD模型中的PMI往往較為復雜且分散，容易造成可讀性差，用戶交互性差等問題。為了充分發(fā)揮MBD模型的優(yōu)勢，減少信息傳遞過程中的差錯，需要對MBD模型中的PMI進行完備性檢查。

目前的三維自動標注技術尚不成熟，PMI標注過程主要仍需依賴于人工操作，因此容易導致模型中的PMI標注出現(xiàn)冗余、缺失和不合理等問題。在這樣的背景下，研究PMI的完備性檢查技術對于計算機輔助設計（computer aided design,CAD）與計算機輔助工藝規(guī)劃（computer aided process planning,CAPP）的發(fā)展都具有重要的現(xiàn)實意義。

為提高工作效率和PMI標注準確率，國內外學者進行了大量研究，并獲得階段性的成果。譚禎[1]建立空間標注模型，將二維坐標轉化為三維空間坐標，實現(xiàn)了多視圖的尺寸完備性檢查，但是該方法只適用于二維工程圖。程亞龍[2]等借助于幾何約束圖，針對順序標注的三維尺寸標注實現(xiàn)了完備性檢查。Luisa Martínez M[3]提出根據(jù)幾何約束來求解幾何元素的過約束問題，但并沒有有效解決尺寸缺失問題。張菲菲[4]針對航天薄壁件制造特點，構建了基于MBD的信息模型，并以三維模型為主體，進行知識圖譜的融合，最終實現(xiàn)信息集成。

在前人研究的基礎上，本文結合知識圖譜技術，采用自頂向下的方法構造了PMI領域知識圖譜，通過標注的冗余關系、標注的取代關系和標注的矛盾性3個方面構建SWRL規(guī)則，在此基礎上，實現(xiàn)對PMI的完備性檢查。

1 PMI領域知識圖譜相關概念

知識圖譜（knowledge graph，KG）是具有有向圖結構的一個知識庫，近年來在人工智能領域應用廣泛，它以圖的形式表現(xiàn)事物間的關系。從本質上看，知識圖譜是一種關系網(wǎng)絡[5]，以一種通用的語義知識形式化的方法對事物進行描述，其基本單位為三元組。主要采用（實體，屬性，關系）和（實體，屬性，屬性值）兩種三元組形式[6]。知識圖譜的邏輯層次，可表達為

式中：KG表示知識圖譜；TBox表示模式層，即本體；ABox為數(shù)據(jù)層即具體的信息。

領域知識圖譜是知識圖譜在特定領域中的應用。本文采用自頂向下的方法構建PMI領域知識圖譜，即先構建本體并定義好數(shù)據(jù)形式，再提取實體進行填充。在知識圖譜構造的工具方面，Protégé是一種常用的可視化本體構造軟件[7]，相比于其他同類軟件，Protégé的優(yōu)勢在于可以進行模塊化的設計，并能夠實現(xiàn)部分功能對中文的支持，可以實現(xiàn)本體的構造、推理及可視化顯示。Neo4j是目前最流行的知識圖譜構造軟件，它是一款基于Java語言開發(fā)的事務型數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)的處理和存儲[8]。

PMI表示產(chǎn)品MBD模型的非幾何信息，包含產(chǎn)品的尺寸標注、形位公差、工藝基準、表面粗糙度、零件屬性和技術要求等產(chǎn)品制造信息[9]。它是傳統(tǒng)二維圖紙中的尺寸、公差和技術要求等標注信息在MBD模型中的可視化集成化的表達[10]，可以將PMI直觀地顯示在三維模型的表面或剖面中，以此提高使用效率，保證產(chǎn)品質量。圖1展示了機架MBD模型中某一模型視圖的PMI實例。

圖1 機架MBD模型中某一視圖的PMI實例

2 PMI領域知識圖譜構建

2.1 PMI領域知識圖譜模式層構建

PMI標注對象間存在著復雜的聯(lián)系。要完成模式層的構建，不僅需要對相關術語進行梳理，還需要整理機械工藝手冊、工藝卡片和相關標準文件（如GB/T 1958-2017）等資料對PMI相關的知識術語進行抽取。在對各術語進行梳理之后，提煉出的PMI相關知識術語間的邏輯關系如圖2所示。

圖2 PMI知識術語關系圖

PMI領域本體是一個復雜的模型，不僅具有較多的概念，而且概念間的彼此關系也錯綜復雜。本文從局部開始采用七步法來構建PMI本體，最后將各局部本體按照相互關系合并為PMI的領域本體。本體構建流程如圖3所示。

圖3 本體構建流程

這里以形位公差的局部本體為例來說明本體的構造過程。其步驟如下：

步驟1 確定本體所在的領域為PMI標注的形位公差部分；

步驟2 確定相關領域的概念術語。根據(jù)形位公差的相關概念在Protégé中建立形位公差類；

步驟3 定義概念層次結構，對應于Protégé中的Class。頂層概念為“形位公差”，中間層概念為“形狀公差”和“位置公差”，底層概念為“直線度”、“線輪廓度”、“同軸度”等；

步驟4 定義概念屬性，概念屬性包括對象屬性和數(shù)據(jù)屬性兩部分。在Protégé中，對象屬性對應于Object Properties，數(shù)據(jù)屬性對應于Data Properties。對象屬性用于連接兩個實體，表示類與類之間的關系；數(shù)據(jù)屬性用于連接個體和具體的數(shù)據(jù)類型值，表示某個類特有的數(shù)據(jù)值，值域是某種數(shù)據(jù)類型；通過設置定義域（domain）和值域（range）對屬性進行定義。部分屬性及約束列于表1所示。

表1 部分屬性及約束

步驟5 本體評價。結合Protégé自帶的Pellet推理機功能，完成一致性檢查；

步驟6 本體實例化。對應于Protégé中的Individuals。為給類及子類添加相應的實例；

步驟7 本體的可視化顯示及存儲。檢驗無誤后，保存局部本體。

以同樣的方法建立其他局部本體。最后，將這些局部本體按照邏輯關系進行合并，形成最終的PMI領域本體。在Protégé中構造的PMI領域知識圖譜的本體如圖4所示。

圖4 PMI領域知識圖譜的本體

本體構造完成后，使用Pellet推理機對最終的本體進行一致性檢查，經(jīng)檢驗，所構建的PMI領域本體符合要求。

2.2 PMI領域知識圖譜數(shù)據(jù)層構建

數(shù)據(jù)層的構建涉及兩個方面問題，即數(shù)據(jù)的收集和存儲。領域知識圖譜的主要特點就是“小樣本”，有著較小的數(shù)據(jù)量和對專業(yè)知識庫較高的依賴度。因此，在數(shù)據(jù)收集方面，為了更好地反映船用柴油機關鍵件的特性，以PMI知識庫為基礎，結合對船用柴油機典型零件庫進行信息提取進行整理歸納。在數(shù)據(jù)存儲方面，運用圖數(shù)據(jù)庫的形式存儲生成的知識圖譜實現(xiàn)。

由于MBD模型中的PMI數(shù)量繁多，種類較為分散，難以進行統(tǒng)一管理，所以需要根據(jù)不同類型，對PMI進行集中分類提取。首先，讀取MBD模型中的所有PMI標注，記錄PMI數(shù)目為N，分別對每一個PMI標注進行處理，判斷其具體類型提取信息。最后，進行集中存儲。

本文以C語言的編程思想為指導，通過偽代碼表達MBD模型中的PMI提取過程。將PMI類型（PMI_type）分為尺寸標注類（Dimension）、形位公差類（GeometricTol）、表面粗糙度類（SurfaceRou）、工藝基準類（Datum）、技術要求類（TechnicalReq）進行提取。PMI分類提取的偽代碼如表2所示。

表2 PMI分類提取的偽代碼

2.3 知識融合

知識融合過程分為實體鏈接和知識合并兩個部分[11]。實體鏈接是指將數(shù)據(jù)對象鏈接到知識圖譜中，知識合并是指將有歧義的實體信息進行處理。知識融合流程如圖5所示。

圖5 知識融合流程

模式層具有較高的統(tǒng)一性和準確性，因此只需要對數(shù)據(jù)層進行融合。數(shù)據(jù)層構造采用了不同來源的數(shù)據(jù)，需要對知識進行實體鏈接和實體合并。先對各實體屬性信息進行相似度計算[12]，當相似度超過設定的閾值時，則進行實體鏈接消除冗余。對于從數(shù)據(jù)庫中的實體信息IA和從零件中抽取的信息IB，由于數(shù)據(jù)庫實體信息具有更高的置信度，應優(yōu)先選用IA中的信息進行替換。通過D2RQ映射將數(shù)據(jù)轉化為RDF格式的三元組格式完成知識融合。最后，利用Neo4j對PMI領域知識圖譜進行儲存，將融合后的數(shù)據(jù)導入Neo4j，得到PMI領域知識圖譜的部分可視化顯示。

3 基于SWRL規(guī)則的PMI完備性檢查規(guī)則構建

語義網(wǎng)絡規(guī)則語言（semantic web rule lan-guage，SWRL）是一種專門描述規(guī)則的語言，使用規(guī)則與OWL（web ontology language）知識庫的結合。通過對本體的實例進行規(guī)則推理，實現(xiàn)本體與SWRL的結合，有效地彌補了本體推理能力不足的缺陷。

PMI領域知識圖譜中的存在著大量隱含規(guī)則，需要通過對已有知識進行知識推理和關系的挖掘。PMI標注對信息完備性的影響主要體現(xiàn)在3個方面：（1）冗余的標注會影響信息的完整性。（2）矛盾的標注會影響信息的準確性。（3）冗余和矛盾的標注間接影響著信息顯示的清晰性。

本文以各標注的關聯(lián)對象要素作為聯(lián)系的樞紐，建立具體的完備性檢查規(guī)則。

（1）標注的冗余關系

建立標注冗余性相關規(guī)則如表3所示。

表3 標注冗余性相關的SWRL規(guī)則

（2）標注的取代關系

建立的標注取代性相關規(guī)則如表4所示。

表4 標注取代性相關的SWRL規(guī)則

（3）標注的矛盾關系

建立的標注矛盾性相關規(guī)則如表5所示。

表5 標注矛盾性相關的SWRL規(guī)則

將PMI完備性檢查的規(guī)則按照3種類型編寫完成后，在Protégé的SWRLTab中進行整理，Protégé中的PMI完備性檢查規(guī)則庫如圖6所示。規(guī)則創(chuàng)建完成，在Protégé的“Individual by class”模塊中創(chuàng)建對應類的實例。通過Protégé自帶的Drools引擎完成規(guī)則推理，將OWL與SWRL合并生成Drools規(guī)則語言。經(jīng)OWL+SWRL-＞、Run Drools、Drools-＞OWL等操作進行推理和OWL文件更新。與本體中的類相對應，在前文所創(chuàng)建的實體基礎上進行擴充，并為新創(chuàng)建的實體設置屬性。PMI領域的實體通過關聯(lián)對象產(chǎn)生聯(lián)系，每個關聯(lián)對象依據(jù)其xsd:int類型的tag值進行區(qū)分，經(jīng)過推理后生成推理結果。

圖6 PMI完備性檢查規(guī)則庫

4 應用與實例

本文中的知識推理功能的實現(xiàn)是基于Web網(wǎng)頁開發(fā)技術，并通過網(wǎng)頁的形式實現(xiàn)與NX系統(tǒng)的集成。采用Java編程語言解決Web問題的技術稱為Java Web[13]，它是Spring框架的常用技術。這里知識推理部分將利用Java Web進行功能頁面的開發(fā)。

開發(fā)過程中運用的Java Web是基于MVC分層模式進行設計的，采用了Spring Boot框架進行業(yè)務邏輯控制。通過Spring Boot對Spring體系框架進行了整合優(yōu)化，能夠利用更簡易的配置快速實現(xiàn)Java Web的啟動。通過采用MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，結合Mybatis框架進行數(shù)據(jù)庫訪問[14]，借助提供從數(shù)據(jù)表到Java類的映射實現(xiàn)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹碗s性的需求。MVC分層模式的原理如圖7所示。

圖7 MVC分層模式原理

Jena提供的API接口[15]支持OWL、RDFS及DAML+OIL，可以實現(xiàn)對本體文件數(shù)據(jù)進行處理，通過讀取OWL文件，對本體進行拓展應用。

本文以船用柴油機某型號的機架為實例對系統(tǒng)進行驗證。首先需要輸入機架的MBD模型，以機架的MBD模型為信息源，所集成的信息包括視圖信息、標注信息、特征信息(對應加工工序信息)、幾何信息等。點擊“數(shù)據(jù)預處理”，系統(tǒng)對MBD模型PMI信息進行自動遍歷和分類；點擊“PMI信息提取”按鈕后，會彈出如圖8的界面，PMI的詳細信息會以樹列表的形式顯示，點擊“確定”按鈕后，后臺自動保存。MBD信息提取的內容，包括尺寸標注、形位公差及表面粗糙度。提取后的信息通過界面顯示，同時后臺以文件形式進行保存。機架MBD模型如圖9所示。

圖8 PMI信息提取界面

圖9 導入MBD模型

PMI完備性檢查部分是結合Web編程技術，在Web網(wǎng)頁上實現(xiàn)的。點擊“PMI完備性檢查”按鈕，會自動通過瀏覽器進入PMI完備性檢查平臺。PMI完備性檢查包含“關系查詢”和“知識推理”兩個模塊。“關系查詢”模塊可以通過輸入實體名或關系名進行搜索。“知識推理”模塊通過讀取所提取的模型PMI信息，根據(jù)SWRL規(guī)則庫對PMI標注進行知識推理。PMI信息包括標注的編號、類型、公差值和關聯(lián)對象編號。點擊“開始推理”按鈕，自動在所導入的PMI信息基礎上進行推理。推理完成后，會在界面右側按照冗余性標注、取代性標注、矛盾性標注3種類型自動對推理結果進行歸類。詳細信息包括尺寸類型及其對應的tag值。如圖10所示。

圖10 PMI完備性檢查結果

由推理結果可知，機架MBD模型中出現(xiàn)3個冗余性標注，2個取代性標注，3個矛盾性標注。導出PMI完備性檢查結果，部分PMI完備性檢查報告如圖11所示。在第1個平面的第2個角度和第3個角度存在2個取代性標注，分別是Tag值為53 620和64 606的形狀公差，這兩個形狀公差可以相互取代。同理可以通過Tag值的不同找到機架MBD模型中的冗余性標注和矛盾性標注。經(jīng)檢驗，關于尺寸標注、形狀公差和表面粗糙度的錯誤標注均能根據(jù)該方法進行檢查。

圖11 部分PMI完備性檢查報告

5 結語

本文針對MBD模型的PMI完備性檢查問題展開了研究，結合NX平臺的相關開發(fā)技術，開發(fā)了船用柴油機關鍵件MBD模型的PMI完備性檢查系統(tǒng)。通過船用柴油機典型零件實例，驗證了系統(tǒng)方案的良好性能。針對當前信息標注過度依賴人工、PMI信息提取及完備性檢查困難以及工序模型存儲成本較高等問題，提出了以MBD模型為唯一數(shù)據(jù)源的PMI完備性檢查技術研究方案。將知識圖譜技術與完備性檢查技術相結合，自頂向下地構建了PMI領域知識圖譜，并通過Neo4j技術實現(xiàn)了信息的可視化及存儲。在此基礎上結合SWRL規(guī)則推理建立PMI完備性檢查的相關規(guī)則，實現(xiàn)了PMI完備性檢查。在完成了系統(tǒng)方案設計及系統(tǒng)關鍵技術理論研究的基礎上，利用NX二次開發(fā)工具，結合Visual Studio2012等編程開發(fā)工具，以C++等編程語言進行了系統(tǒng)的開發(fā)。最后通過船用柴油機典型零件實例對系統(tǒng)進行了驗證。