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摘 要： 摘要：為解決船舶焊接工藝知識(shí)缺乏有效管理及可重用性不足等問(wèn)題，提出了一種基于本體的船舶焊接工藝知識(shí)圖譜構(gòu)建方法。首先，基于船舶焊接工藝內(nèi)容凝練船舶焊接工藝知識(shí)，建立焊接工藝知識(shí)本體，并基于三階張量三元組方法提取實(shí)體及概念間語(yǔ)義關(guān)系;其次，根據(jù)所獲取的
摘要：為解決船舶焊接工藝知識(shí)缺乏有效管理及可重用性不足等問(wèn)題，提出了一種基于本體的船舶焊接工藝知識(shí)圖譜構(gòu)建方法。首先，基于船舶焊接工藝內(nèi)容凝練船舶焊接工藝知識(shí)，建立焊接工藝知識(shí)本體，并基于三階張量三元組方法提取實(shí)體及概念間語(yǔ)義關(guān)系;其次，根據(jù)所獲取的實(shí)體及其語(yǔ)義關(guān)系構(gòu)建焊接工藝知識(shí)圖譜，并建立本體與知識(shí)圖譜的映射機(jī)制;最后，為避免概念共同屬性的重復(fù)存儲(chǔ)，采用考慮層級(jí)的表結(jié)構(gòu)模型完成焊接工藝知識(shí)的存儲(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了船舶焊接工藝知識(shí)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)圖譜對(duì)焊接工藝知識(shí)的表達(dá)和語(yǔ)義檢索，驗(yàn)證了船舶焊接工藝知識(shí)圖譜構(gòu)建方法的合理性。
關(guān)鍵詞：焊接工藝;知識(shí)圖譜;本體;知識(shí)建模;焊接管理
0 前言
船舶焊接工藝知識(shí)層次較多，涉及工藝內(nèi)容繁多且復(fù)雜異構(gòu)。目前，船廠大多通過(guò)查閱相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及船廠歷史資料，并結(jié)合工程師經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)船舶焊接工藝知識(shí)的管理[1]，導(dǎo)致焊接工藝知識(shí)的可重用性不足。因此，有必要研究有效的焊接工藝知識(shí)建模及管理手段，以提高知識(shí)利用率，優(yōu)化知識(shí)存儲(chǔ)模式，實(shí)現(xiàn)船舶焊接工藝知識(shí)的有效重用。
在焊接工藝知識(shí)管理方面，學(xué)者們大多采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)焊接知識(shí)管理系統(tǒng)[2-6]。但在知識(shí)模型建立的過(guò)程中并未充分考慮到焊接工藝知識(shí)的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性，故焊接工藝知識(shí)的可重用性并未得到較大的提升。因此構(gòu)造語(yǔ)義明確、關(guān)系清晰且具有良好可重用性的結(jié)構(gòu)化模型成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。結(jié)合船舶焊接工藝知識(shí)的特點(diǎn)，本文提出了一種基于本體的船舶焊接工藝知識(shí)圖譜構(gòu)建方法。凝練船舶焊接工藝知識(shí)并提取實(shí)體及語(yǔ)義關(guān)系以構(gòu)建知識(shí)圖譜，建立船舶焊接工藝知識(shí)本體與知識(shí)圖譜的映射機(jī)制，并采用類型表模型完成知識(shí)存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)船舶焊接工藝知識(shí)管理系統(tǒng)，驗(yàn)證了知識(shí)圖譜的本體建模技術(shù)對(duì)船舶焊接工藝知識(shí)管理中語(yǔ)義檢索的可行性。
1 方法理論概述
1.1 知識(shí)圖譜
知識(shí)圖譜采用圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為知識(shí)載體，描述客觀存在的各種概念或?qū)嶓w，以及實(shí)體、概念之間的關(guān)系，是大數(shù)據(jù)時(shí)代下一種表達(dá)知識(shí)的重要方式。知識(shí)圖譜能夠?qū)⒉煌N類的信息連接在一起形成關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，提供從“關(guān)系”的角度分析問(wèn)題的功能[7]。
1.2 本體與知識(shí)圖譜關(guān)系
本體是一種知識(shí)表示方法，表達(dá)領(lǐng)域中實(shí)體的固有特征，包括概念結(jié)構(gòu)、概念之間的關(guān)系等，側(cè)重于概念及概念間關(guān)聯(lián)關(guān)系的表達(dá)。而知識(shí)圖譜在本體的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展和延伸[8]：在實(shí)體概念的基礎(chǔ)上，添加了實(shí)體的內(nèi)在信息，著重體現(xiàn)了實(shí)體與實(shí)體間的推理關(guān)系。因此，本體主要是對(duì)知識(shí)進(jìn)行概括性、抽象性表示，約束著知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)的組織方式;知識(shí)圖譜主要融合了實(shí)體間的關(guān)系，并聯(lián)系語(yǔ)義網(wǎng)以組成知識(shí)的可拓網(wǎng)絡(luò)[9]。
1.3 基于本體的船舶焊接工藝知識(shí)圖譜構(gòu)建
本文提出知識(shí)圖譜的焊接工藝知識(shí)本體建模方法，具體包括：
(1)本體模型構(gòu)建層。基于船舶焊接工藝內(nèi)容凝練工藝知識(shí)，并進(jìn)行整理及分類;分析焊接工藝知識(shí)內(nèi)部具有的關(guān)系類型，并以本體語(yǔ)義關(guān)系的形式表達(dá)。
(2)知識(shí)圖譜構(gòu)建層。將知識(shí)圖譜劃分為概念層級(jí)關(guān)系圖與實(shí)體層級(jí)關(guān)系圖，采用三元組表達(dá)概念、實(shí)體間關(guān)系，基于船舶焊接工藝知識(shí)架構(gòu)完成知識(shí)圖譜的構(gòu)建，利用本體與知識(shí)圖譜之間的樹(shù)與圖關(guān)系建立并分析焊接工藝知識(shí)本體與圖譜間的映射機(jī)制。
(3)知識(shí)圖譜存儲(chǔ)層�；诒斫Y(jié)構(gòu)存儲(chǔ)方式將圖譜存儲(chǔ)入知識(shí)庫(kù)中，以便于焊接工藝知識(shí)的管理及重用。
2 船舶焊接工藝知識(shí)的本體模型
2.1 船舶焊接工藝知識(shí)分析
船舶焊接工藝知識(shí)包括大量工藝資源知識(shí)、工藝裝備知識(shí)以及現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)等。同時(shí)，焊接工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及大量的規(guī)則知識(shí)，例如坡口形式的選擇依據(jù)是母材厚度、焊接方法等參數(shù)。將焊接工藝知識(shí)劃分為 6 類，具體如表 1 所示。
2.2 焊接工藝知識(shí)關(guān)系提取
為便于焊接工藝知識(shí)的關(guān)系抽取，采用三階張量三元組(頭實(shí)體、屬性關(guān)系、尾實(shí)體)的表示方法，定義實(shí)體和關(guān)系的向量表示。
知識(shí)圖譜三階張量 Y(ei，rk，e)j 中，兩個(gè)維度“ith entity”和“j-th entity”分別代表焊接工藝知識(shí)圖譜中的第 i 個(gè)實(shí)體和第 j 個(gè)實(shí)體，第三個(gè)維度“k-th relation”代表知識(shí)圖譜中第 k 個(gè)關(guān)系。若三元組 Y (ei ，rk，e)j 存在于知識(shí)圖譜中，對(duì)應(yīng)三元組關(guān)系成立，否則不成立[10]。
3 船舶焊接工藝知識(shí)圖譜構(gòu)建
3.1 焊接工藝知識(shí)圖譜表示方法
焊接工藝知識(shí)圖譜的基本結(jié)構(gòu)由概念層次關(guān)系圖和實(shí)體關(guān)系圖組成，如圖 1 所示。其中，概念層次關(guān)系圖表示焊接工藝中本體概念層級(jí)，實(shí)體關(guān)系圖表示焊接工藝實(shí)體及其之間的關(guān)系。概念層級(jí)關(guān)系圖由概念節(jié)點(diǎn)及兩個(gè)概念之間的關(guān)系邊組成，實(shí)體關(guān)系圖由實(shí)體節(jié)點(diǎn)及連接兩個(gè)實(shí)體之間的關(guān)系邊組成。
在焊接工藝知識(shí)概念及實(shí)體關(guān)系體系中，父子關(guān)系、決定關(guān)系及整體與部分關(guān)系占主體部分。因此將焊接工藝知識(shí)圖譜知識(shí)間的關(guān)系劃分為兩大類：概念層級(jí)關(guān)系和實(shí)體關(guān)系。使用三元組 Y(ei，rk， e)j 表達(dá)語(yǔ)義關(guān)系，ei 與 ej 表示節(jié)點(diǎn)(概念或?qū)嶓w)，方向是由 ei 指向 ej，rk 表示語(yǔ)義關(guān)系每個(gè)三元組表示一個(gè)事實(shí)。如母材厚度決定焊接方法，其中邊“決定”表示語(yǔ)義關(guān)系，實(shí)體是“母材厚度”和“焊接方法”。
3.2 焊接工藝知識(shí)圖譜建立
構(gòu)建船舶焊接工藝知識(shí)圖譜首先要確定本體與知識(shí)圖譜映射匹配機(jī)制。本體的實(shí)質(zhì)是將關(guān)系和實(shí)體等進(jìn)行層次化抽象表達(dá)。將本體概念層級(jí)結(jié)構(gòu)當(dāng)作樹(shù)，本體概念層級(jí)結(jié)構(gòu)的概念、實(shí)例等作為樹(shù)的節(jié)點(diǎn)，其關(guān)系用連線表示。而知識(shí)圖譜相當(dāng)于一張巨大的語(yǔ)義網(wǎng)，將知識(shí)圖譜的概念層級(jí)關(guān)系圖當(dāng)作樹(shù)，概念節(jié)點(diǎn)作為樹(shù)的節(jié)點(diǎn)，則實(shí)體節(jié)點(diǎn)可作為知識(shí)圖譜的實(shí)體關(guān)系圖的節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系也用連線表示。故本體和知識(shí)圖譜的本體映射匹配模式可當(dāng)作樹(shù)與樹(shù)、樹(shù)與圖之間的映射。船舶知識(shí)圖譜映射匹配機(jī)制的構(gòu)建如圖 2 所示。
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本體和知識(shí)圖譜之間的樹(shù)與樹(shù)映射關(guān)系：焊接工藝知識(shí)本體概念層級(jí)由父概念和子概念構(gòu)成，以樹(shù)結(jié)構(gòu)描述本體，則其根節(jié)點(diǎn)為父概念，如工藝參數(shù)、焊接資源等;子節(jié)點(diǎn)為多層子概念，如焊接參數(shù)類知識(shí)及焊接設(shè)備等;概念最底層實(shí)例為葉節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)為上級(jí)子節(jié)點(diǎn)下的實(shí)例知識(shí)。將本體的概念樹(shù)結(jié)構(gòu)映射到知識(shí)圖譜中，從而形成了右側(cè)知識(shí)圖譜的概念層次關(guān)系圖。本體和知識(shí)圖譜之間的樹(shù)與圖映射關(guān)系：本體的實(shí)例層主要包含在概念樹(shù)結(jié)構(gòu)中為葉節(jié)點(diǎn)，其中存在較多語(yǔ)義關(guān)系。此時(shí)，將本體實(shí)例表示為圖的節(jié)點(diǎn)，蘊(yùn)含的關(guān)系表示為圖的邊，將本體中的實(shí)例及其語(yǔ)義關(guān)系完整地映射到右圖的知識(shí)圖譜中，完成知識(shí)圖譜的基本實(shí)體關(guān)系圖的填充。
4 船舶焊接工藝知識(shí)圖譜存儲(chǔ)
知識(shí)圖譜中的知識(shí)以三元組形式表達(dá)，故采用基于類型表的方式完成焊接工藝知識(shí)圖譜的存儲(chǔ)。為各類型焊接工藝知識(shí)構(gòu)建相應(yīng)數(shù)據(jù)表，同一類型實(shí)例存放在相同的表中。表的每一列表示該類實(shí)體的一個(gè)屬性，每一行存儲(chǔ)該類實(shí)體的一個(gè)實(shí)例。但此方式可能導(dǎo)致概念的共同屬性被重復(fù)存儲(chǔ)，例如管法蘭焊機(jī)的某些屬性在焊接資源表及工藝實(shí)例表中同時(shí)存在。因此，在構(gòu)建數(shù)據(jù)表時(shí)每個(gè)類型的數(shù)據(jù)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(jí)類型對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，下級(jí)表繼承上級(jí)表的所有屬性[11]。圖 3 為焊接工藝相關(guān)的類別體系，圖 4 為在該類別體系下設(shè)計(jì)的類型表。
5 實(shí)例應(yīng)用
系統(tǒng)提供了基于知識(shí)圖譜的語(yǔ)義檢索功能，在知識(shí)檢索時(shí)，可直接檢索與檢索目標(biāo)相關(guān)的所有知識(shí)。知識(shí)語(yǔ)義檢索實(shí)例如圖 5 所示，可以根據(jù)語(yǔ)義關(guān)系及閾值的不同搜索出相應(yīng)知識(shí)，確保檢索的精確性;知識(shí)語(yǔ)義檢索網(wǎng)絡(luò)如圖 6 所示，根據(jù)檢索內(nèi)容以知識(shí)圖譜的形式呈現(xiàn)出與其相關(guān)的其他型焊接知識(shí)，確保了檢索的全面性。
6 結(jié)論
本文提出了基于本體的焊接工藝知識(shí)圖譜構(gòu)建及存儲(chǔ)方法，提煉船舶焊接工藝知識(shí)，分析知識(shí)間的語(yǔ)義關(guān)系，構(gòu)建船舶焊接工藝知識(shí)圖譜并基于類型表模型結(jié)構(gòu)形式存儲(chǔ)，基于語(yǔ)義檢索實(shí)現(xiàn)了知識(shí)圖譜的應(yīng)用。結(jié)果表明，基于本體的知識(shí)圖譜建模及存儲(chǔ)方法優(yōu)化了船舶焊接工藝知識(shí)的模型架構(gòu)及存儲(chǔ)模式，依此建立知識(shí)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)船舶焊接工藝知識(shí)的有效管理，提高知識(shí)的可重用性。——論文作者：凡天娣 1 ，景旭文 1 ，肖志建 2 ，李 磊 1 ，徐建新 1
參考文獻(xiàn)：
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