基于知識(shí)圖譜Neo4j的轉(zhuǎn)向架知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

馬付建,李錫偉,黃文麗

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

轉(zhuǎn)向架是機(jī)車車輛的核心部件,是典型的復(fù)雜裝配產(chǎn)品。在轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)和加工中用到的知識(shí)主要由涵蓋分析、選型、校核等設(shè)計(jì)知識(shí)及包括切削加工、焊接、鑄造、鍛造、熱處理等加工知識(shí)組成,這些知識(shí)內(nèi)容廣泛且具有復(fù)雜性的特點(diǎn),表達(dá)形式具有多樣性,導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)與加工過(guò)程間、不同加工先后過(guò)程之間知識(shí)傳遞困難,浪費(fèi)大量人力物力資源。因此,如何構(gòu)建轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)與加工知識(shí)庫(kù),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架知識(shí)高效重用以輔助設(shè)計(jì)加工工作成為亟待解決的問(wèn)題。

在轉(zhuǎn)向架知識(shí)庫(kù)研究中,專家知識(shí)庫(kù)技術(shù)被大量應(yīng)用以設(shè)計(jì)構(gòu)建轉(zhuǎn)向架知識(shí)管理系統(tǒng)[1-4]。以上研究主要專注于故障診斷、裝配、維護(hù)、譜系設(shè)計(jì)等小范圍的轉(zhuǎn)向架知識(shí)庫(kù)構(gòu)建,對(duì)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)與加工過(guò)程涉及的廣泛且復(fù)雜的知識(shí)內(nèi)容缺少分析,故對(duì)轉(zhuǎn)向架知識(shí)的高效重用范圍有限。

專家知識(shí)庫(kù)技術(shù)集中于對(duì)知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)化、結(jié)構(gòu)化的表達(dá),對(duì)以文本表示的轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)加工知識(shí)的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)性缺乏分析,難以滿足實(shí)際設(shè)計(jì)加工過(guò)程中大量文本形式知識(shí)內(nèi)容的深度挖掘與高效重用。當(dāng)前采用知識(shí)圖譜進(jìn)行文本內(nèi)容的重用,其本質(zhì)是由關(guān)系網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的圖譜[5]。在設(shè)計(jì)加工相關(guān)知識(shí)圖譜構(gòu)建研究中,采用層次結(jié)構(gòu)的關(guān)系定義本體以構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)是一種主要方法。周毅等[6]對(duì)多層次知識(shí)進(jìn)行融合基于語(yǔ)義本體模型建立企業(yè)客服問(wèn)答知識(shí)圖譜。凡天娣等[7]基于本體定義對(duì)船舶焊接工藝知識(shí)實(shí)現(xiàn)了圖譜構(gòu)建。李佳靜等[8]以層級(jí)隸屬等語(yǔ)義層面的關(guān)系定義知識(shí)本體建立知識(shí)庫(kù),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)知識(shí)的重用。以上研究將知識(shí)的表達(dá)問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)檎Z(yǔ)義層面邏輯關(guān)系的本體定義問(wèn)題,相較于傳統(tǒng)專家知識(shí)庫(kù),文本知識(shí)的利用率有所提升,但本體定義大量依靠人工制定規(guī)則與標(biāo)注,對(duì)于設(shè)計(jì)加工知識(shí)復(fù)雜內(nèi)容的可移植性較差,且效率較低。

本文通過(guò)分析轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)加工知識(shí)內(nèi)容的特點(diǎn),對(duì)轉(zhuǎn)向架知識(shí)基于數(shù)據(jù)類型特征進(jìn)行分類,通過(guò)特征編碼和依存句法分析分別對(duì)離散型數(shù)據(jù)和文本型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,建立編碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)與基于語(yǔ)法邏輯的三元組數(shù)據(jù),并對(duì)兩種類型數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理,構(gòu)建轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)加工知識(shí)圖譜,將設(shè)計(jì)與加工知識(shí)充分結(jié)合,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架內(nèi)容廣泛復(fù)雜、形式多樣知識(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)以及知識(shí)內(nèi)容聯(lián)系、高效重用。

1 轉(zhuǎn)向架知識(shí)分類

轉(zhuǎn)向架知識(shí)主要包括設(shè)計(jì)與加工兩大領(lǐng)域。轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)知識(shí)主要包含方案分析、技術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)選型、校核計(jì)算等大類。方案分析包含功能需求、質(zhì)量需求、成本需求、運(yùn)營(yíng)需求、型號(hào)及系列、關(guān)鍵部件型號(hào)等;技術(shù)指標(biāo)包含速度、軸重及軸距、自重、軸頸中心距、輪徑、車軸數(shù)目、設(shè)計(jì)精度等;結(jié)構(gòu)選型包含側(cè)架構(gòu)架形式、傳動(dòng)制動(dòng)裝置、旁承間距、彈簧橫向間距、軸箱定位方式、橫梁側(cè)梁截面、載荷傳遞方式、彈簧懸掛結(jié)構(gòu)等;校核計(jì)算包含強(qiáng)度校核、運(yùn)動(dòng)干涉校核、限界校核、臨界速度仿真、運(yùn)行安全性仿真、運(yùn)行平穩(wěn)性仿真、振動(dòng)舒適度仿真、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性仿真、輪軌接觸仿真等。

轉(zhuǎn)向架加工知識(shí)主要包含切削加工、焊接、鑄造、鍛造、熱處理等大類。切削加工包含加工特征、機(jī)床、加工精度、切削用量、刀具參數(shù)、刀具材料、毛坯加工余量、加工工藝、夾具等;焊接加工包含焊材與基體、焊接設(shè)備及電源、焊接結(jié)構(gòu)、焊接裝夾、焊接工藝、焊接缺陷及檢測(cè)、勞動(dòng)保護(hù)與安全、焊縫成型、應(yīng)力與變形等;鑄造加工包含鑄造材料、材料選擇及造型方法、特種鑄造方法、流動(dòng)與收縮性、落砂清理與檢驗(yàn)、工藝圖與零件圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝性、計(jì)算機(jī)輔助成型、缺陷及檢測(cè)等;鍛造加工包含鍛壓材料、鍛造設(shè)備、組織力學(xué)性能、表面精度、鍛造工序、鍛壓溫度、結(jié)構(gòu)工藝性、變形過(guò)程與硬化、性能與鍛造比等;熱處理包含熱處理材料、熱處理設(shè)備、熱處理曲線、鐵碳相圖、過(guò)熱過(guò)冷度、組織與性能、熱處理工藝、熱處理方法、熱處理時(shí)效等。

在轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)加工知識(shí)中部分?jǐn)?shù)據(jù)類型屬于離散型數(shù)據(jù),它們普遍可以直接被量化為數(shù)值,知識(shí)內(nèi)容系列化、標(biāo)準(zhǔn)化且特征鮮明,在設(shè)計(jì)知識(shí)中有:轉(zhuǎn)向架型號(hào)及系列、關(guān)鍵部件型號(hào)、技術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)選型等;在加工知識(shí)中,切削加工有加工特征、機(jī)床、加工表面質(zhì)量、切削用量、刀具參數(shù)及材料、毛坯及加工余量等。在焊接、鑄造、鍛造、熱處理部分同理。

此外仍有大量與離散型數(shù)據(jù)緊密相關(guān)的文本型數(shù)據(jù),內(nèi)容主要體現(xiàn)為描述或分析,如設(shè)計(jì)知識(shí)中的方案需求分析、校核仿真等,以及加工知識(shí)中的加工工藝、焊接工藝、焊接缺陷與檢測(cè)、變形過(guò)程與硬化等,文本型數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)智能語(yǔ)言處理,形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)才可使用。

2 離散型知識(shí)編碼

對(duì)離散型數(shù)據(jù)基于設(shè)計(jì)加工中的主體和客體概念進(jìn)行區(qū)分,主體指行為實(shí)施者,客體指行為指向的對(duì)象。主體及實(shí)施行為的工具手段為轉(zhuǎn)向架知識(shí)分類中結(jié)構(gòu)選型、技術(shù)指標(biāo)部分和轉(zhuǎn)向架加工知識(shí)分類中機(jī)床、刀具、焊接設(shè)備及電源、材料選擇及造型方法、鍛造設(shè)備、切削用量、熱處理工藝等;客體及其被改變的屬性為轉(zhuǎn)向架知識(shí)分類的設(shè)計(jì)知識(shí)中轉(zhuǎn)向架型號(hào)及系列、關(guān)鍵部件型號(hào)、設(shè)計(jì)精度和轉(zhuǎn)向架加工知識(shí)分類中加工特征、焊材與基體、鑄造材料、鍛壓材料、熱處理材料等。

離散型數(shù)據(jù)采用基于主體及實(shí)施行為的工具手段、客體及其變更先后的屬性等數(shù)據(jù)共有的特征進(jìn)行編碼。對(duì)轉(zhuǎn)向架切削加工數(shù)據(jù)采取4位編碼,見(jiàn)表1。從左向右1到4位定義生產(chǎn)要素特征,分別指代加工手段、設(shè)備特征類型、加工精度、切削參數(shù)。其他主體及實(shí)施行為的工具手段編碼同理。

表1 切削加工數(shù)據(jù)編碼

對(duì)轉(zhuǎn)向架及其構(gòu)件的信息基于特征采取8位編碼,見(jiàn)表2。從左向右1到4位定義轉(zhuǎn)向架的特征,分別指代國(guó)內(nèi)外、轉(zhuǎn)向架應(yīng)用場(chǎng)景、轉(zhuǎn)向架運(yùn)載能力、生產(chǎn)時(shí)期;5～8位定義轉(zhuǎn)向架構(gòu)件的特征,分別指代構(gòu)件種類、加工特征、精度等級(jí)、加工尺寸。其他客體及其被改變的屬性的編碼手段同理。將表3編碼與表4編碼基于專業(yè)經(jīng)驗(yàn)或規(guī)范進(jìn)行映射,表3中編碼1023指代銑加工采用立式銑床加工精度IT6以及對(duì)應(yīng)切削參數(shù),該碼對(duì)應(yīng)映射于表4編碼11251110指代國(guó)內(nèi)客車25T轉(zhuǎn)向架2000年到2005年定型、構(gòu)架加工面設(shè)計(jì)精度IT6對(duì)應(yīng)尺寸50～75 mm。

表2 轉(zhuǎn)向架及構(gòu)件數(shù)據(jù)編碼

表3 簡(jiǎn)略詞性表

表4 PYLTP-BIESO標(biāo)注體系

3 文本型知識(shí)處理

3.1 文本預(yù)處理

文本預(yù)處理是轉(zhuǎn)向架文本型知識(shí)處理的重要一步,主要經(jīng)過(guò)分詞、詞性標(biāo)注、命名實(shí)體識(shí)別3個(gè)階段。以截取的某轉(zhuǎn)向架構(gòu)架加工工藝設(shè)計(jì)文本片段為語(yǔ)料進(jìn)行處理,轉(zhuǎn)向架工藝文本實(shí)例見(jiàn)圖1[9]。

圖1 轉(zhuǎn)向架工藝文本實(shí)例

對(duì)選定文本進(jìn)行分詞,中文句子可視為由漢字[e]及詞語(yǔ)[E]元素構(gòu)成的有序集合S,{∑E}是S的子集,單字元素[e]可就近單向有序組合為詞語(yǔ)[E],但句中詞語(yǔ){∑E}間無(wú)明顯分割界限,所以依照常用漢語(yǔ)規(guī)范進(jìn)行選擇性切分,在被分割的詞的邊界標(biāo)分隔符,得到有序詞集合{∑E},對(duì)于詞[E]的選擇性標(biāo)準(zhǔn)主要概括為詞字?jǐn)?shù)上下限制、詞與引用專業(yè)詞庫(kù)的貼合度等。分詞后,識(shí)別詞語(yǔ)序列的詞性,隨每個(gè)詞語(yǔ)順次標(biāo)出。簡(jiǎn)略詞性表見(jiàn)表3,基于表3對(duì)圖1中正文第一句的分詞及詞性標(biāo)注見(jiàn)圖2。

圖2 分詞及詞性標(biāo)注

命名實(shí)體識(shí)別是在分詞與詞性標(biāo)注的基礎(chǔ)上,選擇性識(shí)別文本中具有特定含義的實(shí)體詞語(yǔ),通常包括人名、地名、機(jī)構(gòu)名等專有名詞。命名實(shí)體識(shí)別采用如表4所示的 PYLTP-BIESO標(biāo)注體系[10]。

對(duì)如圖1所示的轉(zhuǎn)向架加工工藝實(shí)例文本進(jìn)行命名實(shí)體識(shí)別,文本概述部分結(jié)果內(nèi)容見(jiàn)圖3,對(duì)分解的詞語(yǔ)標(biāo)注識(shí)別類型,圖中專有名詞被單獨(dú)分類。

圖3 工藝實(shí)例文本實(shí)體識(shí)別結(jié)果

3.2 依存句法分析

依存句法分析[11]圍繞“主謂賓,定狀補(bǔ)”分解出句中詞語(yǔ){∑E}間詞性的依存關(guān)系,判斷并識(shí)別出句子的核心動(dòng)詞,作為支配其他詞語(yǔ)的中心詞,核心動(dòng)詞不受其他詞語(yǔ)支配。在句內(nèi)結(jié)構(gòu)中被分割的詞語(yǔ)之間直接發(fā)生依存關(guān)系,構(gòu)成依存對(duì)。依存句法分析關(guān)系表見(jiàn)表5。

表5 依存句法分析關(guān)系表

在依存關(guān)系中,一個(gè)是支配詞,在句法分析過(guò)程中稱為父節(jié)點(diǎn),另一個(gè)是從屬詞,稱為子節(jié)點(diǎn)。依存關(guān)系采用單向的依存弧表示,由從屬詞指向支配詞。依照依存句法定義,對(duì)轉(zhuǎn)向架工藝文本實(shí)例概述首句進(jìn)行句法依存關(guān)系分析,父子節(jié)點(diǎn)依存關(guān)系分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 父子節(jié)點(diǎn)依存關(guān)系分析結(jié)果

4 知識(shí)圖譜的構(gòu)建

4.1 三元組實(shí)體關(guān)系構(gòu)建

三元組[12]表達(dá)格式為:(head, label, tail),head與tail分別表示頭實(shí)體和尾實(shí)體;head、tail屬于實(shí)體集合(entities),label屬于關(guān)系集合(relationships),實(shí)體內(nèi)容在知識(shí)圖譜中體現(xiàn)為節(jié)點(diǎn),三元組形式如圖5所示。

圖5 知識(shí)圖譜三元組

結(jié)合依存句法原則和中文語(yǔ)法啟發(fā)式規(guī)則[13],三元組的實(shí)體與關(guān)系的組建?？赏ㄟ^(guò)篩選依存句法分析父子節(jié)點(diǎn)得到,采用正則表達(dá)式表述,關(guān)系可簡(jiǎn)寫(xiě)為:(關(guān)系表述==狀語(yǔ)*動(dòng)詞+補(bǔ)語(yǔ)?賓語(yǔ)?)。其中:*表示狀語(yǔ)未出現(xiàn)或出現(xiàn)任意次;+表示動(dòng)詞至少出現(xiàn)1次或任意次;?表示補(bǔ)語(yǔ)和賓語(yǔ)出現(xiàn)一次或不出現(xiàn)。

根據(jù)圖4中對(duì)“客車轉(zhuǎn)向架用來(lái)支承車體”這句話的依存句法分析結(jié)果,構(gòu)建實(shí)體關(guān)系三元組,依存句法分析結(jié)果中,根據(jù)狀中結(jié)構(gòu)的介詞“用來(lái)”和謂語(yǔ)動(dòng)詞“支承”判斷,名詞“客車轉(zhuǎn)向架”以“主謂賓”的形式間接指向名詞“車體”,基于此種語(yǔ)法邏輯,再對(duì)構(gòu)建的三元組實(shí)體與關(guān)系進(jìn)行基于詞語(yǔ)長(zhǎng)度的篩選,排除過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)內(nèi)容和標(biāo)點(diǎn)符號(hào),可以構(gòu)建實(shí)體關(guān)系三元組(客車轉(zhuǎn)向架,用來(lái)支承,車體)。

對(duì)圖1概述部分的文本進(jìn)行實(shí)體關(guān)系三元組的構(gòu)建,結(jié)果見(jiàn)圖6,可見(jiàn)構(gòu)架加工經(jīng)驗(yàn)文本里的主要名詞實(shí)體及其關(guān)系被抽取出來(lái)。

圖6 文本三元組構(gòu)建輸出結(jié)果

4.2 圖數(shù)據(jù)庫(kù)建立

圖數(shù)據(jù)庫(kù)是一種用圖形存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),主要組成元素是節(jié)點(diǎn)、關(guān)系、屬性,見(jiàn)圖7。

圖7 圖數(shù)據(jù)庫(kù)組成方式

知識(shí)圖譜通過(guò)實(shí)體和關(guān)系構(gòu)建的三元組點(diǎn)云圖來(lái)表示知識(shí),將依存句法分析處理的轉(zhuǎn)向架知識(shí)三元組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于Neo4j中建立節(jié)點(diǎn)與關(guān)系,構(gòu)建轉(zhuǎn)向架知識(shí)圖譜的主要框架,再將編碼系統(tǒng)中離散型數(shù)據(jù)內(nèi)容導(dǎo)入Neo4j中,將特征編碼以屬性形式隨實(shí)體存入庫(kù)中,產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)。文本型數(shù)據(jù)經(jīng)依存句法分析處理后,一些重要內(nèi)容的節(jié)點(diǎn)如“轉(zhuǎn)向架”會(huì)高頻出現(xiàn),且離散型數(shù)據(jù)與文本型數(shù)據(jù)內(nèi)容高度關(guān)聯(lián),因此圖譜內(nèi)會(huì)有重復(fù)內(nèi)容節(jié)點(diǎn),故對(duì)節(jié)點(diǎn)的名稱信息和屬性信息遍歷,對(duì)重復(fù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查找與合并,可將特征編碼結(jié)果和依存句法分析結(jié)果基于重復(fù)的節(jié)點(diǎn)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)結(jié)合。圖8展示了重復(fù)節(jié)點(diǎn)的查找與合并,左側(cè)為重復(fù)節(jié)點(diǎn),右側(cè)為合并結(jié)果。

圖8 重復(fù)節(jié)點(diǎn)的查找與合并

4.3 知識(shí)圖譜結(jié)果展示

基于Neo4j采用知識(shí)圖譜構(gòu)建知識(shí)庫(kù),涵蓋9大類75小類共計(jì)約30 000個(gè)節(jié)點(diǎn),部分索引見(jiàn)圖9。

圖9 轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)加工知識(shí)圖譜

對(duì)圖譜轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件內(nèi)容進(jìn)行索引,部分結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件圖譜部分結(jié)果

本文構(gòu)建的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架加工工藝知識(shí)圖譜,見(jiàn)圖11。其中,圖11(a)反映25T客車轉(zhuǎn)向架加工工藝知識(shí)節(jié)點(diǎn)關(guān)系的圖譜,圖11(b)為節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖譜對(duì)應(yīng)的特征編碼關(guān)系圖譜。根據(jù)表3、表4的編碼原則,可見(jiàn)圖11(b)中編碼1023與11251110反映了加工工藝手段知識(shí)與加工構(gòu)件知識(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在圖11(a)中反映為切削力因素與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架彈簧筒圓銷外圓加工面間的聯(lián)系。

(a) 節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖譜

經(jīng)依存句法分析、同節(jié)點(diǎn)合并后,轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)加工知識(shí)不同分類內(nèi)容間基于語(yǔ)義聯(lián)系,按照表6顏色對(duì)應(yīng)原則對(duì)知識(shí)圖譜分類節(jié)點(diǎn)采取不同顏色表示,構(gòu)建轉(zhuǎn)向架降本增效相關(guān)設(shè)計(jì)加工知識(shí)圖譜見(jiàn)圖12。

圖12 轉(zhuǎn)向架降本增效相關(guān)設(shè)計(jì)加工知識(shí)圖譜

表6 圖譜節(jié)點(diǎn)顏色分類對(duì)應(yīng)原則

如圖12可見(jiàn),轉(zhuǎn)向架降本增效分析相關(guān)的設(shè)計(jì)知識(shí)與加工知識(shí)間、設(shè)計(jì)知識(shí)內(nèi)不同分類間、加工知識(shí)內(nèi)不同分類間相互聯(lián)系;設(shè)計(jì)前期結(jié)構(gòu)選型、成本需求、后期校核仿真知識(shí)與加工工藝、工藝圖與零件圖知識(shí)被綜合考慮,達(dá)到了聯(lián)系貫通并高效重用轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)加工知識(shí)的目的,為設(shè)計(jì)加工過(guò)程提供了指導(dǎo)。

5 結(jié)論

本文主要研究了基于知識(shí)圖譜Neo4j的轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)加工知識(shí)庫(kù)構(gòu)建方法。首先對(duì)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)加工知識(shí)進(jìn)行分析,根據(jù)知識(shí)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)將其分為離散型數(shù)據(jù)和文本型數(shù)據(jù)。對(duì)離散型數(shù)據(jù)基于主體及實(shí)施行為的工具手段、客體及其變更先后的屬性等特征進(jìn)行編碼,并對(duì)兩組編碼進(jìn)行映射;然后對(duì)方案分析、校核仿真、加工工藝、焊接工藝、焊接缺陷等文本型數(shù)據(jù)進(jìn)行了命名實(shí)體識(shí)別與依存句法分析;最后以三元組數(shù)據(jù)形式將處理結(jié)果存儲(chǔ)在Neo4j知識(shí)圖譜中,并對(duì)重復(fù)內(nèi)容合并。達(dá)到了轉(zhuǎn)向架專家知識(shí)庫(kù)中設(shè)計(jì)與加工知識(shí)的廣泛內(nèi)容分類、復(fù)雜形式處理、設(shè)計(jì)與加工知識(shí)內(nèi)容充分結(jié)合以達(dá)到高效重用的目的,驗(yàn)證了基于知識(shí)圖譜構(gòu)建轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)加工知識(shí)庫(kù)的可行性。