面向机械产品三维数模设计数据的知识图谱构建方法

本发明属于机械产品智能设计，更进一步涉及一种知识图谱的构建方法，以对三维数模完成设计数据的抽取、表征和复用，可用于机械产品结构方案的智能设计。

背景技术：

1、机械产品设计企业在设计与生产中积累了大量的设计经验数据，而这些数据往往以非结构化形式存在，包含非结构化文本资源数据，如技术原则、设计准则和行业标准和非结构化的三维数模数据。对于文本资料数据的处理方法已经比较成熟，可以通过知识表示、抽取和构建实现知识复用和统一化管理。然而，在处理三维数模数据方面，非结构化三维数模数据不仅仅是简单的几何图形，而且包含有丰富的隐性设计知识信息。这些信息包括产品的组成部分、各部分之间的衔接关系以及模型参数等。然而，目前由于缺乏有效的设计知识表示方法，机械工程师通常需要依赖个人经验和从纸质图纸、cad图纸或其他设计数据中提取设计理念、共性特点和设计知识等信息，以辅助产品的设计过程。对于三维数模数据的处理来说，在缺乏相应的模型设计知识表示和抽取方法的情况下，企业在设计生产结构件的过程中所积累的三维数模非结构化数据往往未能充分利用所蕴含的设计知识，其中潜在的价值往往被忽视。充分发挥这类数据的价值，实现对三维模型知识表示及抽取对设计领域知识库高质构建及设计知识高效复用具有重要意义。

2、哈尔滨工业大学在其申请号为202211230433.7的专利申请文献中公开了一种“基于电网人工智能仿真分析的知识表示方法及驱动系统”。其首先针对人工经验知识的多样性问题，设计了spo知识表示模型对调整的流程、操作和程序调用进行了知识建模,在统一知识表示的同时将定性-定量、关联-事理知识相结合以解决由于知识表示困难从而导致知识驱动模型构建困难的问题。该发明通过模块化的知识驱动框架实现电网数字仿真分析过程的智能化,使得分析调整过程无需人工参与也可以全流程自动进行；通过知识抽取算法从智库中提取知识并进行知识清洗，利用neo4j图数据库来可视化所构建的电网数字仿真分析知识图谱,并在改进的节点系统上验证了知识驱动模型的有效性和可行性。但该方法由于其知识来源的特殊性，导致知识表示与抽取模型扩展性不足，即仅能对相关行业的流程、操作和程序调用进行表示及抽取，而对于三维数模数据中包含的复杂设计知识却难以进行充分表征与获取。

3、中国人民解放军战略支援部队信息工程大学在申请号为202210770046.6的专利申请文献中公开了一种“基于知识图谱的地图知识表示方法”。该方法首先获取地图数据,从中抽取地图知识,包括概念类知识和规则类知识,所述概念类知识是地图学专业领域的常识性知识,且包括地图要素知识；规则类知识是地图制图过程中形成的各类模型、规则和原则；然后根据所述地图要素知识,基于知识图谱生成地图知识网络图；最后根据规则类知识进行知识推理,对地图知识网络图进行补全,以生成新的实体和/或新的实体关系。该方法存在的不足之处是，仅针对地图数据中的概念类知识和规则类知识进行了结构化表示及构建，而没有针对非结构化数据建立相应知识抽取模型，难以将其应用于拥有复杂特性信息的非结构化三维数模设计数据抽取领域。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术与研究的不足，提出一种面向机械产品三维数模设计数据的知识图谱构建方法，对机械产品三维数模设计数据进行获取、表征与处理，提高设计数据的复用率，促进设计数据赋能机械产品智能设计领域的发展。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

3、(1)对三维数模数据资源进行整合与处理：

4、(1a)整合与梳理同类结构件三维数模数据，将其作为非结构化数据的知识来源；

5、(1b)对知识来源中的三维数模数据依次进行建模流程规范化及特征操作命名规范化，得到处理后的数据集合；

6、(2)获取知识总集合：

7、(2a)将预处理后数据集合中的三维模型在现有的建模软件中打开；

8、(2b)在编程软件中构建自动化知识获取程序，从建模软件中已打开的三维模型数据中进行知识获取，得到隐藏在三维模型中的知识总集合tm，其中包含零件名称、零件几何体、草图、约束和特征这些信息；

9、(3)对知识总集合tm进行知识表示及约束：

10、(3a)采用功能-结构-约束联合的设计机理模型对知识总集合tm中的元素进行表达与组织，得到表示后的知识总集合tm′；

11、(3b)对知识总集合tm′中的知识元素进行约束，得到约束后的知识总集合tm″；

12、(4)构建功能特征树、结构特征树以及约束特征树：

13、(4a)从知识总集合tm″筛选提取出结构元素se以及约束元素ce；

14、(4b)整合所有结构元素se、约束元素ce，得到结构元素集sm及约束元素集cm；

15、(4c)对结构元素集sm中每个结构元素se逐一添加功能标签，形成对应于结构元素集sm的功能元素集fm；

16、(4d)结合三维模型本身建模树上表征的层级信息，分别对功能元素集fm、结构元素集sm和约束元素集cm进行遍历，再将遍历后的每个元素节点实例化为一个个对象容器od，以使节点具有表征三维数模特征序列信息的特性，重新整合后得到实例化后的fm′、sm′以及cm′；

17、(4e)利用treelib标准化模块，将实例化后的fm′、sm′和cm′数据转化成易于查询及扩展节点的树形结构，得到功能特征树ft、结构特征树st和约束特征树ct；

18、(5)构建结构-结构关系集、结构-功能关系集以及结构-约束关系集：

19、(5a)对结构特征树st以relinfo字段作为关系值进行展开，整合后得到结构-结构关系集s-sm；

20、(5b)对功能特征树ft以relinfo字段为关系值展开，再将结构树st中的结构元素与功能元素逐个对应，得到结构-功能关系集s-fm；

21、(5c)对约束特征树ct以relinfo字段为关系值展开，再将结构树st中的结构元素与约束元素逐个对应，得到结构-约束关系集s-cm；

22、(6)构建面向三维数模设计数据的领域知识图谱：

23、(6a)将上述得到结构特征树st、功能特征树ft、约束特征树ct、结构-结构关系集s-sm、结构-功能关系集s-fm、结构-约束关系集s-cm中的数据，统一整合为{头实体、关系、尾实体}三元组表示形式；

24、(6b)将三元组表示形式的数据导入到现有构建知识图谱的软件中，得到三维数模设计数据的领域知识图谱。

25、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

26、第一，设计知识的抽取效率与质量高。

27、本发明提出的基于功能-结构-约束联合表示的设计数据获取方法，将结构件三维数模的隐藏数据分解为多个层次，并以树形结构的形式表示，直到将结构特征信息分解为最细粒度的叶子节点信息，例如孔、板等。这种精细的结构拆解与表示可使得面向三维数模设计数据的表示与抽取的效率和质量更高。

28、第二，实现三维数模设计数据的高效管理、复用与扩展。

29、本发明提出的以功能-结构-约束联合的方式将结构件三维模型解析为结构特征树。通过采用树形结构来组织结构件功能和结构件约束信息，实现了结构件设计知识的模块化，并将其构建为知识图谱形式使设计知识得以高效管理、复用和扩展。