基于PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜的完備性檢查技術(shù)研究

王巖巖 張春燕 張勝文 陳世輝

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

信息完備性檢查是一項(xiàng)輔助性的技術(shù)，是自動(dòng)標(biāo)注技術(shù)發(fā)展過程中的一個(gè)過渡技術(shù)。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(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)注不斷向三維標(biāo)注發(fā)展。但MBD模型中的PMI往往較為復(fù)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(shì)，減少信息傳遞過程中的差錯(cuò)，需要對(duì)MBD模型中的PMI進(jìn)行完備性檢查。

目前的三維自動(dòng)標(biāo)注技術(shù)尚不成熟，PMI標(biāo)注過程主要仍需依賴于人工操作，因此容易導(dǎo)致模型中的PMI標(biāo)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(shù)對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design,CAD）與計(jì)算機(jī)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(shí)意義。

為提高工作效率和PMI標(biāo)注準(zhǔn)確率，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并獲得階段性的成果。譚禎[1]建立空間標(biāo)注模型，將二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為三維空間坐標(biāo)，實(shí)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(duì)順序標(biāo)注的三維尺寸標(biāo)注實(shí)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(duì)航天薄壁件制造特點(diǎn)，構(gòu)建了基于MBD的信息模型，并以三維模型為主體，進(jìn)行知識(shí)圖譜的融合，最終實(shí)現(xiàn)信息集成。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合知識(shí)圖譜技術(shù)，采用自頂向下的方法構(gòu)造了PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜，通過標(biāo)注的冗余關(guān)系、標(biāo)注的取代關(guān)系和標(biāo)注的矛盾性3個(gè)方面構(gòu)建SWRL規(guī)則，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMI的完備性檢查。

1 PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜相關(guān)概念

知識(shí)圖譜（knowledge graph，KG）是具有有向圖結(jié)構(gòu)的一個(gè)知識(shí)庫，近年來在人工智能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它以圖的形式表現(xiàn)事物間的關(guān)系。從本質(zhì)上看，知識(shí)圖譜是一種關(guān)系網(wǎng)絡(luò)[5]，以一種通用的語義知識(shí)形式化的方法對(duì)事物進(jìn)行描述，其基本單位為三元組。主要采用（實(shí)體，屬性，關(guān)系）和（實(shí)體，屬性，屬性值）兩種三元組形式[6]。知識(shí)圖譜的邏輯層次，可表達(dá)為

式中：KG表示知識(shí)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(lǐng)域知識(shí)圖譜是知識(shí)圖譜在特定領(lǐng)域中的應(yīng)用。本文采用自頂向下的方法構(gòu)建PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜，即先構(gòu)建本體并定義好數(shù)據(jù)形式，再提取實(shí)體進(jìn)行填充。在知識(shí)圖譜構(gòu)造的工具方面，Protégé是一種常用的可視化本體構(gòu)造軟件[7]，相比于其他同類軟件，Protégé的優(yōu)勢(shì)在于可以進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，并能夠?qū)崿F(xiàn)部分功能對(duì)中文的支持，可以實(shí)現(xiàn)本體的構(gòu)造、推理及可視化顯示。Neo4j是目前最流行的知識(shí)圖譜構(gòu)造軟件，它是一款基于Java語言開發(fā)的事務(wù)型數(shù)據(jù)庫，可以實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)[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(biāo)注、形位公差、工藝基準(zhǔn)、表面粗糙度、零件屬性和技術(shù)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(shù)要求等標(biāo)注信息在MBD模型中的可視化集成化的表達(dá)[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(zhì)量。圖1展示了機(jī)架MBD模型中某一模型視圖的PMI實(shí)例。

圖1 機(jī)架MBD模型中某一視圖的PMI實(shí)例

2 PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜構(gòu)建

2.1 PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜模式層構(gòu)建

PMI標(biāo)注對(duì)象間存在著復(fù)雜的聯(lián)系。要完成模式層的構(gòu)建，不僅需要對(duì)相關(guān)術(shù)語進(jìn)行梳理，還需要整理機(jī)械工藝手冊(cè)、工藝卡片和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件（如GB/T 1958-2017）等資料對(duì)PMI相關(guān)的知識(shí)術(shù)語進(jìn)行抽取。在對(duì)各術(shù)語進(jìn)行梳理之后，提煉出的PMI相關(guān)知識(shí)術(shù)語間的邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 PMI知識(shí)術(shù)語關(guān)系圖

PMI領(lǐng)域本體是一個(gè)復(fù)雜的模型，不僅具有較多的概念，而且概念間的彼此關(guān)系也錯(cuò)綜復(fù)雜。本文從局部開始采用七步法來構(gòu)建PMI本體，最后將各局部本體按照相互關(guān)系合并為PMI的領(lǐng)域本體。本體構(gòu)建流程如圖3所示。

圖3 本體構(gòu)建流程

這里以形位公差的局部本體為例來說明本體的構(gòu)造過程。其步驟如下：

步驟1 確定本體所在的領(lǐng)域?yàn)镻MI標(biāo)注的形位公差部分；

步驟2 確定相關(guān)領(lǐng)域的概念術(shù)語。根據(jù)形位公差的相關(guān)概念在Protégé中建立形位公差類；

步驟3 定義概念層次結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)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(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性兩部分。在Protégé中，對(duì)象屬性對(duì)應(yīng)于Object Properties，數(shù)據(jù)屬性對(duì)應(yīng)于Data Properties。對(duì)象屬性用于連接兩個(gè)實(shí)體，表示類與類之間的關(guān)系；數(shù)據(jù)屬性用于連接個(gè)體和具體的數(shù)據(jù)類型值，表示某個(gè)類特有的數(shù)據(jù)值，值域是某種數(shù)據(jù)類型；通過設(shè)置定義域（domain）和值域（range）對(duì)屬性進(jìn)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(píng)價(jià)。結(jié)合Protégé自帶的Pellet推理機(jī)功能，完成一致性檢查；

步驟6 本體實(shí)例化。對(duì)應(yīng)于Protégé中的Individuals。為給類及子類添加相應(yīng)的實(shí)例；

步驟7 本體的可視化顯示及存儲(chǔ)。檢驗(yàn)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(guān)系進(jìn)行合并，形成最終的PMI領(lǐng)域本體。在Protégé中構(gòu)造的PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜的本體如圖4所示。

圖4 PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜的本體

本體構(gòu)造完成后，使用Pellet推理機(jī)對(duì)最終的本體進(jìn)行一致性檢查，經(jīng)檢驗(yàn)，所構(gòu)建的PMI領(lǐng)域本體符合要求。

2.2 PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)層構(gòu)建

數(shù)據(jù)層的構(gòu)建涉及兩個(gè)方面問題，即數(shù)據(jù)的收集和存儲(chǔ)。領(lǐng)域知識(shí)圖譜的主要特點(diǎn)就是“小樣本”，有著較小的數(shù)據(jù)量和對(duì)專業(yè)知識(shí)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(jī)關(guān)鍵件的特性，以PMI知識(shí)庫為基礎(chǔ)，結(jié)合對(duì)船用柴油機(jī)典型零件庫進(jìn)行信息提取進(jìn)行整理歸納。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，運(yùn)用圖數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)生成的知識(shí)圖譜實(shí)現(xiàn)。

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

本文以C語言的編程思想為指導(dǎo)，通過偽代碼表達(dá)MBD模型中的PMI提取過程。將PMI類型（PMI_type）分為尺寸標(biāo)注類（Dimension）、形位公差類（GeometricTol）、表面粗糙度類（SurfaceRou）、工藝基準(zhǔn)類（Datum）、技術(shù)要求類（TechnicalReq）進(jìn)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(shí)融合

知識(shí)融合過程分為實(shí)體鏈接和知識(shí)合并兩個(gè)部分[11]。實(shí)體鏈接是指將數(shù)據(jù)對(duì)象鏈接到知識(shí)圖譜中，知識(shí)合并是指將有歧義的實(shí)體信息進(jìn)行處理。知識(shí)融合流程如圖5所示。

圖5 知識(shí)融合流程

模式層具有較高的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性，因此只需要對(duì)數(shù)據(jù)層進(jìn)行融合。數(shù)據(jù)層構(gòu)造采用了不同來源的數(shù)據(jù)，需要對(duì)知識(shí)進(jìn)行實(shí)體鏈接和實(shí)體合并。先對(duì)各實(shí)體屬性信息進(jìn)行相似度計(jì)算[12]，當(dāng)相似度超過設(shè)定的閾值時(shí)，則進(jìn)行實(shí)體鏈接消除冗余。對(duì)于從數(shù)據(jù)庫中的實(shí)體信息IA和從零件中抽取的信息IB，由于數(shù)據(jù)庫實(shí)體信息具有更高的置信度，應(yīng)優(yōu)先選用IA中的信息進(jìn)行替換。通過D2RQ映射將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RDF格式的三元組格式完成知識(shí)融合。最后，利用Neo4j對(duì)PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜進(jìn)行儲(chǔ)存，將融合后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Neo4j，得到PMI領(lǐng)域知識(shí)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(gòu)建

語義網(wǎng)絡(luò)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(shí)庫的結(jié)合。通過對(duì)本體的實(shí)例進(jìn)行規(guī)則推理，實(shí)現(xiàn)本體與SWRL的結(jié)合，有效地彌補(bǔ)了本體推理能力不足的缺陷。

PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜中的存在著大量隱含規(guī)則，需要通過對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行知識(shí)推理和關(guān)系的挖掘。PMI標(biāo)注對(duì)信息完備性的影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：（1）冗余的標(biāo)注會(huì)影響信息的完整性。（2）矛盾的標(biāo)注會(huì)影響信息的準(zhǔn)確性。（3）冗余和矛盾的標(biāo)注間接影響著信息顯示的清晰性。

本文以各標(biāo)注的關(guān)聯(lián)對(duì)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(biāo)注的冗余關(guān)系

建立標(biāo)注冗余性相關(guān)規(guī)則如表3所示。

表3 標(biāo)注冗余性相關(guān)的SWRL規(guī)則

（2）標(biāo)注的取代關(guān)系

建立的標(biāo)注取代性相關(guān)規(guī)則如表4所示。

表4 標(biāo)注取代性相關(guān)的SWRL規(guī)則

（3）標(biāo)注的矛盾關(guān)系

建立的標(biāo)注矛盾性相關(guān)規(guī)則如表5所示。

表5 標(biāo)注矛盾性相關(guān)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(jìn)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(duì)應(yīng)類的實(shí)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(jìn)行推理和OWL文件更新。與本體中的類相對(duì)應(yīng)，在前文所創(chuàng)建的實(shí)體基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，并為新創(chuàng)建的實(shí)體設(shè)置屬性。PMI領(lǐng)域的實(shí)體通過關(guān)聯(lián)對(duì)象產(chǎn)生聯(lián)系，每個(gè)關(guān)聯(lián)對(duì)象依據(jù)其xsd:int類型的tag值進(jìn)行區(qū)分，經(jīng)過推理后生成推理結(jié)果。

圖6 PMI完備性檢查規(guī)則庫

4 應(yīng)用與實(shí)例

本文中的知識(shí)推理功能的實(shí)現(xiàn)是基于Web網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)，并通過網(wǎng)頁的形式實(shí)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(shù)稱為Java Web[13]，它是Spring框架的常用技術(shù)。這里知識(shí)推理部分將利用Java Web進(jìn)行功能頁面的開發(fā)。

開發(fā)過程中運(yùn)用的Java Web是基于MVC分層模式進(jìn)行設(shè)計(jì)的，采用了Spring Boot框架進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯控制。通過Spring Boot對(duì)Spring體系框架進(jìn)行了整合優(yōu)化，能夠利用更簡(jiǎn)易的配置快速實(shí)現(xiàn)Java Web的啟動(dòng)。通過采用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，結(jié)合Mybatis框架進(jìn)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(shí)現(xiàn)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性的需求。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(shí)現(xiàn)對(duì)本體文件數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過讀取OWL文件，對(duì)本體進(jìn)行拓展應(yīng)用。

本文以船用柴油機(jī)某型號(hào)的機(jī)架為實(shí)例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。首先需要輸入機(jī)架的MBD模型，以機(jī)架的MBD模型為信息源，所集成的信息包括視圖信息、標(biāo)注信息、特征信息(對(duì)應(yīng)加工工序信息)、幾何信息等。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)預(yù)處理”，系統(tǒng)對(duì)MBD模型PMI信息進(jìn)行自動(dòng)遍歷和分類；點(diǎn)擊“PMI信息提取”按鈕后，會(huì)彈出如圖8的界面，PMI的詳細(xì)信息會(huì)以樹列表的形式顯示，點(diǎn)擊“確定”按鈕后，后臺(tái)自動(dòng)保存。MBD信息提取的內(nèi)容，包括尺寸標(biāo)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(shí)后臺(tái)以文件形式進(jìn)行保存。機(jī)架MBD模型如圖9所示。

圖8 PMI信息提取界面

圖9 導(dǎo)入MBD模型

PMI完備性檢查部分是結(jié)合Web編程技術(shù)，在Web網(wǎng)頁上實(shí)現(xiàn)的。點(diǎn)擊“PMI完備性檢查”按鈕，會(huì)自動(dòng)通過瀏覽器進(jìn)入PMI完備性檢查平臺(tái)。PMI完備性檢查包含“關(guān)系查詢”和“知識(shí)推理”兩個(gè)模塊?！瓣P(guān)系查詢”模塊可以通過輸入實(shí)體名或關(guān)系名進(jìn)行搜索?！爸R(shí)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(duì)PMI標(biāo)注進(jìn)行知識(shí)推理。PMI信息包括標(biāo)注的編號(hào)、類型、公差值和關(guān)聯(lián)對(duì)象編號(hào)。點(diǎn)擊“開始推理”按鈕，自動(dòng)在所導(dǎo)入的PMI信息基礎(chǔ)上進(jìn)行推理。推理完成后，會(huì)在界面右側(cè)按照冗余性標(biāo)注、取代性標(biāo)注、矛盾性標(biāo)注3種類型自動(dòng)對(duì)推理結(jié)果進(jìn)行歸類。詳細(xì)信息包括尺寸類型及其對(duì)應(yīng)的tag值。如圖10所示。

圖10 PMI完備性檢查結(jié)果

由推理結(jié)果可知，機(jī)架MBD模型中出現(xiàn)3個(gè)冗余性標(biāo)注，2個(gè)取代性標(biāo)注，3個(gè)矛盾性標(biāo)注。導(dǎo)出PMI完備性檢查結(jié)果，部分PMI完備性檢查報(bào)告如圖11所示。在第1個(gè)平面的第2個(gè)角度和第3個(gè)角度存在2個(gè)取代性標(biāo)注，分別是Tag值為53 620和64 606的形狀公差，這兩個(gè)形狀公差可以相互取代。同理可以通過Tag值的不同找到機(jī)架MBD模型中的冗余性標(biāo)注和矛盾性標(biāo)注。經(jīng)檢驗(yàn)，關(guān)于尺寸標(biāo)注、形狀公差和表面粗糙度的錯(cuò)誤標(biāo)注均能根據(jù)該方法進(jìn)行檢查。

圖11 部分PMI完備性檢查報(bào)告

5 結(jié)語

本文針對(duì)MBD模型的PMI完備性檢查問題展開了研究，結(jié)合NX平臺(tái)的相關(guān)開發(fā)技術(shù)，開發(fā)了船用柴油機(jī)關(guān)鍵件MBD模型的PMI完備性檢查系統(tǒng)。通過船用柴油機(jī)典型零件實(shí)例，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的良好性能。針對(duì)當(dāng)前信息標(biāo)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(chǔ)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(shù)研究方案。將知識(shí)圖譜技術(shù)與完備性檢查技術(shù)相結(jié)合，自頂向下地構(gòu)建了PMI領(lǐng)域知識(shí)圖譜，并通過Neo4j技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信息的可視化及存儲(chǔ)。在此基礎(chǔ)上結(jié)合SWRL規(guī)則推理建立PMI完備性檢查的相關(guān)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了PMI完備性檢查。在完成了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)理論研究的基礎(chǔ)上，利用NX二次開發(fā)工具，結(jié)合Visual Studio2012等編程開發(fā)工具，以C++等編程語言進(jìn)行了系統(tǒng)的開發(fā)。最后通過船用柴油機(jī)典型零件實(shí)例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。