高速列車轉向架變型設計知識推送系統構建與應用

摘要：變型設計是實現高速列車轉向架定制設計的關鍵技術之一。針對當前高速列車轉向架變型設計過程中缺乏有效的知識管理與重用方法，進而影響轉向架設計效率與質量的問題，提出高速列車轉向架變型設計知識推送系統構建與應用框架，分析高速列車轉向架變型設計知識，利用知識圖譜技術實現轉向架變型設計知識的結構化表達與存儲。基于此，提出知識圖譜嵌入與路徑推理相結合的知識推理技術，匹配并篩選出與當前轉向架變型設計活動相關聯的設計知識；開發高速列車轉向架變型設計知識推送系統，實現嵌入設計活動的知識主動推送，并以高速列車構架變型設計為例，驗證該系統能夠為設計人員提供一個集成的知識支持環境，其具備一定的可行性與工程應用價值。

關鍵詞：變型設計；高速列車；轉向架；知識圖譜嵌入；知識推送

中圖分類號：U270.2 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.04.007

文章編號：1006-0316 （2024） 04-0042-08

Construction and Application of Knowledge Push System for

High-Speed Train’s Bogie Variant Design

WEI Yongjie，MA Shuwen，ZHANG Haizhu，LI Rong，HE Xu

（ Institute of Advanced Design and Manufacturing， School of Mechanical Engineering，

Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：Variant design is one of the key technologies to realize the customization design of high-speed train’s bogies. In view of the lack of effective knowledge management and reuse methods in the process of variant design of high-speed train’s bogies， which affects the efficiency and quality of bogie design， the construction and application framework of knowledge push system for variant design of high-speed train’s bogies is proposed. The variant design knowledge of high-speed train’s bogies is analyzed， and the structured expression and storage of variant design knowledge of bogies is realized by using knowledge graph technology. Based on this， a knowledge reasoning technology combining knowledge graph embedding and path reasoning is proposed to match and screen the design knowledge associated with the current bogie variant design activities. The knowledge push system for variant design of high-speed train’s bogie is developed to realize the active push of knowledge embedded in design activities. And through the case study on the variant design of high-speed train’s frame， it is verified that the system can provide an integrated knowledge support environment for designers， which has certain feasibility and engineering application value.

Key words：variant design；high-speed train；bogie；knowledge graph embedding；knowledge push

隨著市場競爭逐漸激烈與客戶需求趨向多樣化，高速列車面臨著設計研發周期短、產品定制化程度高等挑戰。轉向架作為高速列車的核心部件之一，通常是在現有產品的基礎上，采用適應性設計、變型設計等方法，形成滿足客戶需求的定制化產品。其中變型設計可以在不改變現有產品功能、原理的同時，基于設計知識對產品的特征或結構進行修改，快速設計出符合要求的新產品[1]。轉向架變型設計實質上是對設計知識進行合理運用的過程。隨著設計知識的不斷積累，設計人員面臨著嚴重的知識過載問題，難以獲取所需的設計知識。因此，如何統一有效地管理設計知識，并進行高效重用，是實現轉向架變型設計的關鍵。

產品設計知識是對以往產品設計內容的概括、分析與總結，能夠指導后續的產品研發決策[2]。國內外學者對產品設計知識表達與重用進行了大量研究。李佳靜等[3]提出基于本體的轉向架設計知識表達方法，利用本體技術解決知識表達存在異構的問題。方偉光等[4]通過構建本體實現產品設計知識結構化、維度化的表達，解決因設計知識多學科交叉、數量龐大導致的知識重用與共享困難等問題。Zhang等[5]提出面向產品服務系統的知識重用框架，分為應用層、過程層、表達層與共享層，支持按結構樹查看、關鍵詞檢索等知識重用功能。Peng等[6]構建了集成的知識空間模型，基于貝葉斯與相似度匹配實現了案例匹配與語義檢索。但對于如何在設計人員執行設計任務時主動推送合適的設計知識，還研究不多。

針對上述問題與現狀，本文提出高速列車轉向架變型設計知識推送系統構建與應用框架，將知識圖譜技術引入到轉向架變型設計過程中，結合知識圖譜嵌入且基于路徑推理技術開發知識推送系統，并以高速列車構架設計為例進行應用驗證。

1 技術框架

高速列車轉向架變型設計是一個典型的多學科知識交互、集成和創造的過程。由于轉向架功能和結構的復雜性，使其設計過程包含了大量耦合的設計活動。完成該設計活動需要設計實例、設計經驗與圖紙模型等諸多設計知識，且隨著設計過程的推進，所需的設計知識內容與類型還將發生變化。因此，本文構建高速列車轉向架變型設計知識推送系統，并嵌入到已有的高速列車設計平臺中，為設計人員提供一個集成的知識支持環境，提高轉向架的設計效率。具體框架如圖1所示。

該高速列車轉向架變型設計知識推送系統構建主要包括知識圖譜構建、知識圖譜嵌入、基于路徑推理等關鍵技術。主要流程為：①分析轉向架變型設計知識，并利用Protégé實現轉向架變型設計知識本體的結構化構建，借助Neo4j構建轉向架變型設計知識圖譜；②利用TransR算法實現轉向架變型設計知識圖譜的嵌入，構建知識路徑以匹配符合條件的設計知識，并基于向量相似度對知識進行排序篩選，從而獲得滿足當前設計需求的設計知識。

在高速列車轉向架變型設計知識推送系統應用中，所構建的系統可在設計人員執行設計任務時自動激活，并依據當前的設計任務信息匹配并推送所需知識，輔助設計人員完成轉向架設計任務。

2 系統關鍵技術

2.1 轉向架變型設計知識圖譜構建技術

2.1.1 轉向架變型設計知識分析

轉向架變型設計過程可看作是基于知識的問題求解過程，其中涉及大量設計知識且知識多源異構。為實現轉向架變型設計知識的統一表達，本文將轉向架變型設計知識分為：

（1）設計過程知識，表示進行轉向架變型設計時所參考的設計流程；

（2）設計對象知識，涵蓋轉向架模塊屬性信息、結構信息、裝配信息等；

（3）工程應用知識，包含設計人員做出設計決策時所參考的設計標準、設計經驗等；

（4）設計人員知識，包含設計人員信息等內容，主要作為知識推送的輔助信息。

2.1.2 轉向架變型設計知識本體構建

知識圖譜構建可分為本體層構建與數據層構建。其中，本體層位于數據層之上，是知識圖譜的邏輯基礎[7]。通過構建知識本體，能夠對知識概念、知識間關系進行規范化表達，實現設計知識表達的無二異性。本文使用四元組對轉向架變型設計知識本體進行描述，形式表達為：

OntologyDK＝{ Entity， Relation， Attribute， Constraint }

式中：OntologyDK為轉向架變型設計知識本體；Entity為OntologyDK中的知識概念集合；Relation為OntologyDK中的知識概念關系集合，用于表征概念間的層次結構和關聯關系；Attribute為OntologyDK中的知識概念屬性集合，用于連接概念實體與屬性值；Constraint為OntologyDK中的公理約束集合，用于確保本體的一致性。

部分概念及關系如表1所示。

為便于本體的使用與維護，本文借助本體構建工具Protégé實現本體的結構化構建，如圖2所示。其中不同顏色的連接線代表不同的關系類型。

2.1.3 轉向架變型設計知識圖譜構建與可視化

Neo4j是面向企業開發的高性能圖數據庫，能夠以“節點－邊－節點”的形式對知識事實進行存儲與管理。本文在所構建的轉向架變型設計知識本體的指導下，獲取轉向架變型設計知識并進行處理，將本體中概念及其屬性實例化后映射成為Neo4j中的“節點”及其屬性值，節點間的關系則依據本體中的概念間關系進行定義，映射成為Neo4j中的“邊”，從而完成知識三元組的構建。部分三元組如表2所示。

而后，基于Python中py2neo庫鏈接Python與Neo4j，實現知識三元組的批量導入，從而完成知識圖譜的構建。部分結果如圖3所示。

2.2 轉向架變型設計知識圖譜嵌入技術

2.2.1 "TransR模型

知識圖譜嵌入技術是指將知識圖譜中的實體、關系表示為低維稠密的向量，便于后續的知識推理、知識圖譜補全等工作[8]。其中TransR模型作為知識圖譜嵌入算法的典型代表[9]，能夠基于矩陣映射技術實現知識實體、實體關系在不同向量空間中的表達，并通過關系矩陣Mr實現實體空間向關系空間的映射，即hr＝Mrh、tr＝Mrt，從而優化模型對復雜關系的嵌入效果，模型原理如圖4所示。

TransR模型在對實體、關系進行向量化表示的過程中，需盡可能滿足h＋r≈t，即頭實體向量h經過翻譯距離r后得到尾實體向量t。由此可得：

（1）

（2）

式中：E為評分函數； 表示向量的L2范數； 為模型訓練的損失函數；T為訓練數據中正例三元組的集合；T'為訓練數據中負例三元組的集合； 為正負例三元組評分函數的間隔距離；h'、r'、t'分別為訓練數據中負例三元組的頭實體向量、關系實體向量和尾實體向量。

h、t分別為實體空間中的頭實體向量和尾實體向量；hr、tr分別為h、t經過TransR算法轉換后的頭實體向量和尾實體向量；

r為翻譯距離。

2.2.2 基于TransR的知識圖譜嵌入

本文借助TransR模型對轉向架變型設計知識圖譜進行嵌入處理，具體過程如圖5所示。

（1）基于所構建的轉向架變型設計知識圖譜，提取圖譜中的知識三元組形成正例三元組集合T，而后隨機替換T中三元組的實體或關系形成負例三元組集合T'，從而完成TransR模型訓練數據集的構建。部分數據如表3所示。

（2）對構建的訓練三元組集合進行預處理，形成Entity2ID.csv、Relation2ID.csv與Triple.csv三類文件，分別存放實體及其編碼、關系及其編碼與訓練三元組；而后，基于Python3.7搭建TransR模型，模型參數設置如表4所示。

（3）將訓練文件導入TransR模型，初始化三元組嵌入向量，并基于梯度下降進行優化，使得正例三元組的評分函數最小，負例三元組的評分函數最大，模型訓練結果如圖6所示。

基于所構建的TransR模型，轉向架變型設計知識圖譜嵌入結果如表5所示。

2.3 轉向架變型設計知識推理技術

2.3.1 知識關系路徑獲取

基于TransR嵌入模型進行知識推理通常 只考慮了實體間的單跳關聯關系，即直接關聯性[10]，而知識圖譜通過關系連接各個實體，所形成的知識網絡中隱含了豐富的語義關系。因此，本文在完成知識圖譜嵌入的基礎上，通過隨機游走算法獲取知識關系路徑，以發現知識間的潛在關聯，進而提高知識推送的準確性。知識關系路徑生成過程為：①基于所構建的知識圖譜，隨機給定一個起始節點，首先訪問該節點，并從其相鄰節點中隨機選擇一個節點作為下一次游走的目標；②重復步驟①，可得到隨機形成的節點序列，即關系路徑；③若知識圖譜中的節點均被選為起始節點，則結束游走過程。同時，考慮到進行知識推理的計算量，故設置最大游走路徑長度為3，所得關系路徑如表6所示。

2.3.2 基于路徑與相似度計算的知識推理

本文提出一種基于路徑與嵌入向量相似度計算相結合的知識推理方法，通過關系路徑獲取與當前設計任務相關的設計知識集，并借助向量間的相似度對設計知識進行排序篩選，從而形成待推送知識集，主要包含以下兩步：

（1）設計知識匹配。目的是基于關系路徑與轉向架變型設計知識圖譜獲取與當前設計任務相關的知識，包括單跳關系匹配與多跳關系匹配。前者用于獲取與當前設計任務直接相關的知識，后者用于獲取隱含于歷史設計任務中可能具備參考價值的設計知識，由此構建起與當前設計任務相關的待篩選知識集。

（2）知識相似度計算。目的是根據知識圖譜嵌入所得的知識實體向量，計算待篩選知識集中各設計知識與當前設計任務的相似度，并對設計知識進行篩選與排序，從而構建待推送知識集。本文采用余弦相似度來衡量設計知識與設計任務間的相似性，計算為：

（3）

式中： 為余弦相似度； 為設計任務信息實體嵌入所得向量； 為設計知識實體嵌入所得向量。

3 系統開發與應用

3.1 系統開發

結合上述研究，在既有的高速列車產品設計平臺的基礎上，開發高速列車轉向架變型設計知識推送系統。其中，系統架構采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器）的方式，使用Java進行開發，借助MySQL、Neo4j存儲后臺數據。

所構建的知識推送系統主要包括知識重用模塊與知識管理模塊。其中，知識重用模塊的作用是為設計人員提供知識推送、知識檢索等功能，借助該模塊，設計人員可在執行具體任務時，接收并重用系統所推送的設計知識，或直接進行知識檢索；知識管理模塊的作用是提供本體配置、知識圖譜構建、模型管理等功能，知識管理人員可基于此模塊對知識圖譜進行更新與修改，也可對知識推送模型的相關參數進行調整，優化推送系統的準確性。

3.2 構架變型設計知識推送實例應用

本文以構架變型設計為例，說明知識推送系統的應用過程。構架變型設計與知識推送界面如圖7所示，產品平臺將轉向架的定制需求自動映射為轉向架設計指標，并進行實例檢索，若匹配所得構架實例不能滿足設計要求，則在相似實例的基礎上進行變型設計，此時將自動激活設計知識推送子系統，并嵌入到高速列車設計平臺中，而后系統將基于當前設計任務信息匹配出符合條件的設計知識，并推送到設計頁面中，設計人員可借助所推送的設計知識對構架的相關參數進行修改，從而驅動參數化變型程序生成構架三維模型。

4 總結

本文針對高速列車轉向架變型設計過程中知識重用效率低下的問題，建立了高速列車轉向架變型設計知識推送系統構建與應用框架，構建了轉向架變型設計知識圖譜，并提出了基于路徑與知識圖譜嵌入相結合的知識推理方法。在此基礎上，開發了高速列車轉向架變型設計知識推送系統，為設計人員提供知識支持。最后以高速列車構架變型設計為例，證明了本文所做研究的可行性。未來隨著高速列車轉向架變型設計知識的不斷積累，將進一步完善轉向架變型設計知識圖譜，并不斷更新知識推送模型，提高轉向架變型設計知識推送的準確性與多樣性。

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