斗拱構件知識圖譜的構建

當前針對本體的知識圖譜在存儲復雜實體知識方面存在局限，難以滿足像斗拱這樣復雜組合體的知識存儲與應用需求。為更好地分析斗拱各構件間的關系，實現斗拱知識的數字化存儲與應用，文章基于明清時期文獻中關于斗拱的種類、位置、尺寸、構件等關鍵概念，以及構件間的約束關系，構建了全面的斗拱構件實體知識圖譜。文章利用圖數據庫Neo4j進行知識圖譜的存儲與管理，為復雜實體的知識存儲與分析提供了創新的解決方案，并為明清斗拱的數字化研究與應用提供了新思路。

斗拱是古代木制建筑的重要組成構件，融合了力學與美學的價值，體現了豐富的歷史文化，彰顯了中國古代建筑的偉大成就。作為構件間相互組合約束的復雜組合體，斗拱由多種多樣的單一構件按照特定的規則組合而成，其種類、尺寸、位置以及構件之間的連接關系規則，構成了一個復雜的知識體系。在當今數字化技術快速普及發展的背景下，對斗拱的研究逐漸由傳統的紙質文獻和事物測繪轉向數字化保護和信息化管理。然而，斗拱相關知識大都散落于書籍之中，如何有效地存儲、組織和應用斗拱相關知識，來滿足數字化保護和實際應用的需求，仍然是一個重要的課題。知識圖譜以節點和關系的形式來表達實體及其間的關系，能夠清晰明了地展示復雜實體的結構和內容，因而在信息管理和知識表達領域得到了廣泛應用。針對斗拱構件種類繁多、關系復雜的特點，構建斗拱知識圖譜可以有效地梳理斗拱相關知識，并為其數字化保護、構件分析和三維建模提供基礎支持。

文章以明清時期的斗拱文獻為基礎，圍繞斗拱的種類、位置、尺寸、構件及其間的約束關系，提出了構建斗拱構件知識圖譜的方法，利用Neo4j圖數據庫對斗拱的知識進行存儲和可視化展示，并形成了一套完整的構建流程，為復雜實體的知識圖譜構建提供了新的思路，同時也為斗拱的數字化保護與應用奠定了基礎。

研究現狀

知識圖譜是一種以圖形化形式表示知識的工具，能夠清晰地展示實體及其關系。通過結構化和語義化的方式，知識圖譜可以有效地組織信息，幫助人們更好地理解和使用領域內的知識。針對小規模專業領域的研究，研究人員深入剖析中醫典籍里的病癥及其相關屬性，手工構建出中醫古籍知識圖譜。大規模知識圖譜構建是個難題，研究人員提出基于大語言模型的科技領域知識圖譜構建方法。這種方法采用分層架構，把數據存儲、知識構建以及應用展示整合起來，實現了科技領域知識的高效提取與利用。在古建筑領域數字化應用方面，學者通過運用貝葉斯算法對古建筑構件及其關系進行建模，以數據驅動的方式實現快速模型生成。用戶只需在交互式界面選取少量構件前提，即可完成古建模型的生成。古建筑知識庫在遺產保護中起著關鍵作用，研究表明，系統化的知識庫所提供的信息對古建筑修復和保護至關重要。

圖譜構建方法

屬性和關系。斗拱這一實體的屬性和關系相對簡單，采用手工創建的方式能夠滿足需求。由于目前缺少相應的數據庫支持，無法依賴已有的基礎進行擴展，因此文章選擇自下而上的手動創建方法來構建斗拱的知識圖譜。該知識圖譜構建分為以下5個步驟（如圖1所示）。

建立知識圖譜搭建框架：根據斗拱的搭建法則構建一種適用于斗拱構件實體的知識圖譜搭建框架。

概念層的構建：采用自下而上的方法，從基礎數據出發，逐步建立圖譜的基本概念結構。

知識抽取：利用半結構化的XML等數據以及非結構化的書本、圖片等多源數據，系統地抽取了斗拱實體、關系和屬性信息，并進行整理。通過深度挖掘這些數據源，提取出關于斗拱的信息，包括不同構件的特征、它們之間的關聯關系以及相關的屬性。

知識加工：整理抽取的知識，按照不同的斗拱構件，對實體和關系進行精細的數據加工。

知識存儲：利用Neo4j圖數據庫存儲與斗拱相關的知識數據。Neo4j提供了強大的圖數據庫管理系統，能夠有效地組織和查詢斗拱知識圖譜，為我們的研究提供可靠的基礎。

想法和框架。斗拱的造型極為復雜，構件間遵循特定的搭建法則，使得斗拱成為一個構件間相互約束的復合體。由于斗拱具有特殊性，因此目前尚缺乏統一的分類標準，而根據不同特征屬性可以將其劃分為多個類別。文章通過深入分析斗拱的空間結構、構成構件以及連接關系等，提出了一套適用于斗拱構件標注的知識圖譜構建規則。這些規則不僅考慮了斗拱的整體形態，還充分考慮了構件之間的相互作用，為知識圖譜的構建提供了具體而全面的指導（如下頁圖2所示）。

在對斗拱進行知識劃分時，根據其所處的空間結構，將斗拱劃分為不重合的不同空間單元，每個空間內的斗拱包含不同的類型和屬性。根據斗拱及其構件的形制，我們將其劃分為斗、升、昂、翹、拱等類別。每類構件根據自身特性進一步細化為多個子類，而每個子類又依據不同的斗拱屬性生成獨特的構件實例。不同的構件通過不同的榫卯以特定方式進行連接，銷子榫卯用于豎直方向有關系的構件相疊（如昂和翹之間），刻半榫卯用于構件之間十字插交的情況（如拱與翹），而剔（入）袖榫卯則用于構件的相鄰連接（如栱與十八斗）。

同時，構件的空間與結構屬性直接影響其連接關系。各構件實體通過特定的連接方式彼此關聯，不同要素的屬性相互制約與作用，共同構成完整的斗拱整體。這一知識體系為斗拱構件實體知識圖譜構建提供框架。

知識圖譜構建。斗拱構件知識圖譜構建分為以下3個步驟（如下頁圖3所示）。

概念層構建，知識圖譜的概念層主要是指圖譜主體框架的構建，需要對圖譜的實體和關系進行定義。斗拱構件知識圖譜的構建，首先分析斗拱空間結構形式以及基元構件和連接關系，以斗拱空間位置、斗拱形制、構件實體進行劃分。按照斗拱所處的空間位置劃分不同的空間。根據斗拱的類型劃分不同類型的斗拱（斗科、品字科等），每種類型包含不同的構件。不同的構件實體按照形狀特征及空間位置劃分為斗、升、昂、翹、拱等類別，進一步劃分到特定的基元構件（大斗、三才升等）。構件實體間通過特定的連接關系形成完整的斗拱。圖譜模式層（如圖4所示）。

知識抽取。從《斗拱》《工程做法則例》《中國古建筑木作營造技術》等相關資料中獲取信息，采用屬性和關系描述模式層的結果。在實體描述方面，包括斗拱名稱、斗拱構件名稱、斗拱種類等（如表1所示）。對于關系的描述主要涵蓋斗拱的空間關系、斗拱與構件之間的關系、構件之間的連接關系等。共有九類關系用來描述概念及它們之間的關聯（如圖5所示）。

知識加工，通過斗拱資料制定表示文本資源規則，為斗拱資料的內容分析、編輯、加工等工作提供基準。采用Neo4j軟件數據格式，對抽取的知識數據進行詳細的分析、加工和轉換，包括XML、WORD、JPG、PDF、TXT等文本及圖片文件，實現對斗拱文本的結構化分析處理。同時，將從資料中提取的實體、屬性和關系整理為結構化數據，為構建斗拱知識圖譜提供必要的基礎支持。整理后的資料內容（如表2所示），為后續的知識存儲提供了基礎保障。

知識存儲與可視化展示。文章采用Neo4j圖數據庫管理系統來儲存數據和可視化。Neo4j使用圖像來表示和儲存數據，數據由節點（Nodes）和關系（Relationships）組成，這種模型非常適合表示斗拱這種構件種類多和連接關系較為復雜的實體。通過圖源數據可以更直觀有效地對斗拱構件知識進行可視化展示和調用。在數據處理過程中，將加工整理后的知識數據進一步加工為結構化數據的CSV文件（如表3所示），并通過導入功能加載至Neo4j系統中。

將這些資料按照模型層結構以及上文定義的規則進行斗拱本體知識圖譜構建，并將實體知識數據存儲到Neo4j圖數據庫中。褐色圓圈表示斗拱分類節點，粉色圓圈表示斗拱構件實體節點，綠色圓圈表示斗拱位置實體節點，黃色圓圈代表斗拱形制實體節點，藍色圓圈代表斗拱構件類別實體，橙色圓圈代表具體的類型斗拱實體。圓圈之間的連線代表各實體關系。該圖譜涵蓋明清斗拱中的13類主要類型斗拱與各部分之間的關系，形成了一個完整的明清斗拱知識庫。利用Neo4j圖數據庫中的Cypher語言完成對數據庫的增刪改查操作，實現對每一個斗拱的檢索、遍歷等功能。

文章詳細介紹了手動構建斗拱構件知識圖譜的方法，并介紹了斗拱構件實體知識圖譜的構建流程。針對斗拱這種復雜組合體的節點及關系繁多且難以梳理的情況，提出一種知識梳理框架，明確整理斗拱構件的種類、位置、尺寸及其約束關系，并以此為基礎構建知識圖譜。在梳理斗拱的知識之后，利用Neo4j圖數據庫存儲知識，用屬性圖模型表示知識。最后利用Neo4j圖數據庫可視化地展示斗拱構件實體知識圖譜。文章構建的知識圖譜為復雜組合體的知識整理與存儲提供了方法參考，同時也為斗拱的數字化保護和知識應用提供了支持。

（作者單位：北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院）