基于本體的船舶焊接工藝知識圖譜構建

凡天娣，景旭文，肖志建，李 磊，徐建新

（1.江蘇科技大學 機械工程學院，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，涉及工藝內容繁多且復雜異構。目前，船廠大多通過查閱相關國家標準及船廠歷史資料，并結合工程師經驗實現船舶焊接工藝知識的管理[1]，導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，實現船舶焊接工藝知識的有效重用。

在焊接工藝知識管理方面，學者們大多采用數據庫技術，設計開發(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構關聯(lián)性，故焊接工藝知識的可重用性并未得到較大的提升。因此構造語義明確、關系清晰且具有良好可重用性的結構化模型成為一個亟待解決的問題。結合船舶焊接工藝知識的特點，本文提出了一種基于本體的船舶焊接工藝知識圖譜構建方法。凝練船舶焊接工藝知識并提取實體及語義關系以構建知識圖譜，建立船舶焊接工藝知識本體與知識圖譜的映射機制，并采用類型表模型完成知識存儲。設計開發(fā)船舶焊接工藝知識管理系統(tǒng)，驗證了知識圖譜的本體建模技術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

知識圖譜采用圖數據結構作為知識載體，描述客觀存在的各種概念或實體，以及實體、概念之間的關系，是大數據時代下一種表達知識的重要方式。知識圖譜能夠將不同種類的信息連接在一起形成關系網絡，提供從“關系”的角度分析問題的功能[7]。

1.2 本體與知識圖譜關系

本體是一種知識表示方法，表達領域中實體的固有特征，包括概念結構、概念之間的關系等，側重于概念及概念間關聯(lián)關系的表達。而知識圖譜在本體的基礎上進行了擴展和延伸[8]：在實體概念的基礎上，添加了實體的內在信息，著重體現了實體與實體間的推理關系。因此，本體主要是對知識進行概括性、抽象性表示，約束著知識圖譜數據的組織方式；知識圖譜主要融合了實體間的關系，并聯(lián)系語義網以組成知識的可拓網絡[9]。

1.3 基于本體的船舶焊接工藝知識圖譜構建

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）本體模型構建層。基于船舶焊接工藝內容凝練工藝知識，并進行整理及分類；分析焊接工藝知識內部具有的關系類型，并以本體語義關系的形式表達。

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

（3）知識圖譜存儲層?；诒斫Y構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場焊接工藝人員的經驗知識等。同時，焊接工藝設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是母材厚度、焊接方法等參數。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 焊接工藝知識關系提取

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

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個實體和第j個實體，第三個維度“k-th relation”代表知識圖譜中第k個關系。若三元組Y（ei，rk，ej）存在于知識圖譜中，對應三元組關系成立，否則不成立[10]。

對Y進行張量分解得到實體和關系的表示形式，函數表達為

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

在本體模型中，概念及實體之間的基本關系有四種：Part_of、Kind_of、Instance_of、Attribute_of。為健全焊接工藝知識圖譜，進一步定義概念及實體間的關系如表2所示。

3 船舶焊接工藝知識圖譜構建

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構由概念層次關系圖和實體關系圖組成，如圖1所示。其中，概念層次關系圖表示焊接工藝中本體概念層級，實體關系圖表示焊接工藝實體及其之間的關系。概念層級關系圖由概念節(jié)點及兩個概念之間的關系邊組成，實體關系圖由實體節(jié)點及連接兩個實體之間的關系邊組成。

表2 概念及實體間關系Table 2 Concepts and relationships between entities

圖1 焊接工藝知識圖譜部分數據Fig.1 Welding process knowledge graph part of the data map

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

3.2 焊接工藝知識圖譜建立

構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制。本體的實質是將關系和實體等進行層次化抽象表達。將本體概念層級結構當作樹，本體概念層級結構的概念、實例等作為樹的節(jié)點，其關系用連線表示。而知識圖譜相當于一張巨大的語義網，將知識圖譜的概念層級關系圖當作樹，概念節(jié)點作為樹的節(jié)點，則實體節(jié)點可作為知識圖譜的實體關系圖的節(jié)點，其節(jié)點之間的關系也用連線表示。故本體和知識圖譜的本體映射匹配模式可當作樹與樹、樹與圖之間的映射。船舶知識圖譜映射匹配機制的構建如圖2所示。

圖2 本體與知識圖譜的映射匹配機制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系：焊接工藝知識本體概念層級由父概念和子概念構成，以樹結構描述本體，則其根節(jié)點為父概念，如工藝參數、焊接資源等；子節(jié)點為多層子概念，如焊接參數類知識及焊接設備等；概念最底層實例為葉節(jié)點，對應為上級子節(jié)點下的實例知識。將本體的概念樹結構映射到知識圖譜中，從而形成了右側知識圖譜的概念層次關系圖。本體和知識圖譜之間的樹與圖映射關系：本體的實例層主要包含在概念樹結構中為葉節(jié)點，其中存在較多語義關系。此時，將本體實例表示為圖的節(jié)點，蘊含的關系表示為圖的邊，將本體中的實例及其語義關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體關系圖的填充。

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，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建相應數據表，同一類型實例存放在相同的表中。表的每一列表示該類實體的一個屬性，每一行存儲該類實體的一個實例。但此方式可能導致概念的共同屬性被重復存儲，例如管法蘭焊機的某些屬性在焊接資源表及工藝實例表中同時存在。因此，在構建數據表時每個類型的數據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的數據表中，下級表繼承上級表的所有屬性[11]。圖3為焊接工藝相關的類別體系，圖4為在該類別體系下設計的類型表。

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

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

5 實例應用

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相關的所有知識。知識語義檢索實例如圖5所示，可以根據語義關系及閾值的不同搜索出相應知識，確保檢索的精確性；知識語義檢索網絡如圖6所示，根據檢索內容以知識圖譜的形式呈現出與其相關的其他型焊接知識，確保了檢索的全面性。

6 結論

本文提出了基于本體的焊接工藝知識圖譜構建及存儲方法，提煉船舶焊接工藝知識，分析知識間的語義關系，構建船舶焊接工藝知識圖譜并基于類型表模型結構形式存儲，基于語義檢索實現了知識圖譜的應用。結果表明，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及存儲模式，依此建立知識系統(tǒng)可實現船舶焊接工藝知識的有效管理，提高知識的可重用性。

圖5 知識語義檢索實例Fig.5 Example of knowledge semantic retrieval

圖6 知識語義檢索網絡Fig.6 Knowledge semantic retrieval network