1、第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun 2023模具设计知识表示方法李宝清1,王运平1,曹立林1,李西宁2,叶园园2(1.中国航发西安动力控制科技有限公司,陕西 西安 710000;2.西北工业大学 机电学院,陕西 西安 710072)摘要:设计知识有效表示是模具智能化设计的前提和基础,对提高模具设计质量和效率具有重要的作用和意义。首先,对传统知识表示方法如谓词逻辑、产生式、框架、语义网络、面向对象和基于本体表示法的基本原理以及研究现状进行了总结。然后,对比分析了不同知识表示方法的优缺点,分析了知识表示的
2、发展趋势并介绍了知识图谱的基本概况。最后,结合知识特点,将模具知识分为 3 类,即事实类知识、规则类知识和实例类知识。阐述了基于知识图谱进行知识表示的基本流程,主要包括:信息抽取、知识融合和知识加工,并以凸模结构形式(部分)知识为例,完成了相关知识图谱的构建。关键词:知识表示;知识分类;知识图谱;模具设计;智能制造DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.024中图分类号:TG385.2 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0176-09Representation method on mold design knowledgeLi
3、Baoqing1,Wang Yunping1,Cao Lilin1,Li Xining2,Ye Yuanyuan2(1.AECC Xian Power Control Technology Co.,Ltd.,Xian 710000,China;2.School of Mechanical Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,China)Abstract:Effective representation of design knowledge is a prerequisite and foundation
4、for intelligent design of mold,which plays an im-portant role and significance in improving the quality and efficiency of mold design.Firstly,the basic principles and research status of tra-ditional knowledge representation methods such as predicate logic,production,framework,semantic network,object
5、-oriented and repre-sentation of ontology were summarized.Then,the advantages and disadvantages of different knowledge representation methods were com-pared,the development trends of knowledge representation were analyzed,and the basic overview of knowledge graph was introduced.Fi-nally,based on the
6、 characteristics of knowledge,the mold knowledge was divided into three categories:practical knowledge,rule knowl-edge and instance knowledge,and the basic process of knowledge representation through knowledge graph was elaborated,mainly inclu-ding information extraction,knowledge fusion and knowled
7、ge processing.In addition,taking the punch structure form(partial)knowledge as an example,the relevant knowledge graph construction was completed.Key words:knowledge representation;knowledge classification;knowledge graph;mold design;intelligent manufalturing收稿日期:2022-08-15;修订日期:2022-11-10基金项目:中国航发自
8、主创新专项资金项目(ZZCX-2019-026)作者简介:李宝清(1983-),男,本科,工程师E-mail:1322182169 通信作者:李西宁(1971-),男,博士,副教授E-mail:lixining 知识库的形成可划分为 5 个阶段:知识认知、知识收集、知识表示、知识库建立和知识库维护,各阶段环环相扣、相互关联。知识表示作为构建知识库的中间环节,在整个过程中具有关键作用。合理的知识表示是实现智能制造的前提,并在一定程度上决定了智能制造的发展速度。如今,各种知识表示方法层出不穷,并具有不同的属性和优缺点,如何根据知识的特点来选择合适的表示方法是本文的主要研究内容。首先,介绍了传统知识
9、表示方法及其研究现状,并分析了每种表示方法的优缺点;其次,介绍了知识图谱的有关概况;最后,结合模具设计知识类型特点,以凸模结构形式为例,构建了知识图谱模型。1 知识表示方法及其研究现状1.1 谓词逻辑表示法谓词逻辑是人工智能领域中最早、最广泛的知识表示方法之一1-2。P(x1,x2,xn)为此表示法的一般形式,其中:P 用于表示谓词名称,用来描述命题中个体之间的关系;x1,x2,xn为个体,表示独立存在的事物或概念;n 为个体项数。此方法在数理逻辑的基础上,将命题里的个体、量词等成分之间的逻辑关系和相关规律进一步分析,从而获得一个命题逻辑子系统。谓词逻辑表示法能够很好地契合人类语言的表示习惯,
10、因此,在人工智能技术方面,该方法在很多领域得到了广泛应用。为实现快速、准确和低成本的设计制造目标,基于谓词逻辑表示法的知识工程设计理念被越来越多的学者应用于零部件的设计阶段。Lu J 等3根据加工方法定义和推导了用于表示工艺计划的谓词逻辑。李国昌等4根据冷弯成形工艺过程的知识特点,采用谓词逻辑表示法对冷弯成形知识进行了表示。除上述研究外,谓词逻辑表示法常与其他技术相结合,进而实现更多新的功能。Kushida H 等5将约束满足问题(Constraint Satisfaction Problem,CSP)的通用框架应用于谓词逻辑,从而形成了1 个新的语义。李慧清6在 Petri 网的设计过程中加
11、入了谓词逻辑概念,完成了机械产品设计过程中信息的表示。宋久鹏7利用谓词逻辑表示法,设计了一种机械设计领域的知识表示方法。1.2 产生式表示法产生式表示法8的基本形式为:IF(前提 1)&(前提 2)&,THEN(结论 1)&(结论 2)。IF 部分记录了知识表示的先决条件,THEN 部分记录了知识表示的结论。产生式表示法中存在大量事件的因果关系,可以通过事件中具有的规律行为来解决相关问题,善于表达规则性知识,一般记录过程知识之间的先后关系和之间的相互作用。岳喜娜9根据知识表示均为“name-value”格式的特点,将产生式表示法与公式表达式相结合,完成对研究知识的表示。李猛等10应用产生式表示
12、法建立了包含启发性知识和事实性知识的故障诊断知识库,知识库各表之间的联系和存储结构如图 1 所示。杨宇希11使用产生式表示法完成了对车载设备规范信息知识的表示。黄利江等12将工艺信息分为两类,即不变信息和可变信息,其中可变信息以产生式表示法表达。图1 知识库存储结构Fig.1 Storage structure of knowledge base 在工业领域的设计方面,产生式表示法也得到了较为广泛的应用。王诚13根据齿轮加工误差方面的知识,利用产生式表示法建立了知识库。刘佳等14基于设计规则创建了高速面铣刀设计知识库,实现了切削铝合金高速面铣刀模型知识的快速重用。产生式表示法也常常与其他表示方
13、法相结合,用以实现复杂知识的转换。李新等15在知识表示方法为产生式的基础上,结合粗糙集理论,提高了刀具选配的效率。路浩等16将谓词逻辑表示法和产生式表示法相结合,根据焊接工艺的需求建立了专家系统。刘尚仁17针对汽车焊装夹具设计领域的知识特点,将夹具设计内部知识利用产生式表示法转化,将外部知识利用面向对象表示法转化。Li H C 等18将改进的和声搜索算法与神经网络相结合,提出了一种改进的加权模糊产生式规则提取方法。1.3 框架表示法框架表示法是把某一事件或对象的所有知识储存在一起的复杂数据结构19-20。框架顶层往下被划分为若干槽,上层知识的不同属性被存储于各个槽中,而每个槽根据实际情况又可分
14、为若干侧面。当槽值和侧面是另一个框架的标题名,此时两个框架之间则存在一定的联系21。框架的一般形式如下22:/771第 6 期李宝清等:模具设计知识表示方法 因为框架表示法的结构性强,所以,常用在对案例知识的表示。Mandolini M 等23提出了一个用于制造和成本相关知识形式化的新框架,可实现快速分析和估算组件的生产成本。Wei X B 等24通过基于规则的推理,实现了结构的智能设计。张永春等25采用框架表示法在计算机存储重现获取的知识,并结合具体的推理方法构建了模具设计系统,其冷冲压模具设计框架如图 2 所示。张孝木26采用框架知识表示法对驱动桥壳涉及到的方法类知识进行了表示。黄德浩等2
15、7在刻画分类法的基础上结合知识表示方法,提出了采用框架表示法的组件库构建模型。张立志等28针对复杂产品的管理提出了基于框架表示法与其他方法相结合的应对表示方法。柯旭贵等29利用框架表示法作为冲压模具结构设计表达方法,实现了冲压模具典型结构的表示。图 2 基于知识工程的冷冲压模具设计框架Fig.2 Design framework of cold stamping die based on knowledge engineering1.4 语义网络表示法语义网络30是通过节点之间的有向线段网络图进行知识表示。语义网络中的节点用来描述实体等,节点之间的有向连线则用来描述事件、情况等之间的关系。一般
16、的语义网络表示法是由词法、结构、过程和语义这 4 部分所组成,是表示概念链接之间的关系网络31。基本的语义网络形式是一个 3 元组:节点 A、弧 RAB、节点 B,如图 3 所示。语义网络多数情况下被应用于复杂事件的分类推理领域。Sarica S 等32为帮助工程师快速理解新的、复杂的设计知识,提出了一种由语义网络提供支持的网络映射方法。Chen L Q 等33基于计算创造力理论在语义和视觉上提供的灵感,提出了一种通过应用人工智能和数据挖掘技术来增强设计理念的图 3 铰制孔螺栓的语义网络表示Fig.3 Semantic network representation of reamed hole bolts综合方法。刘璨34为了便于知识的转换,将零件知识分解为零件、体和面等不同层级知识,并在此基础上利用语义网络来表示零件知识。顾复等35针对设计实例与需求特点,在相关本体建模知识的基础上,在建立了语义网络产品结构模型。郑金桥等36在大型复杂冲压件的成形工艺知识方面,在建立冲压件的知识模型时,采用语义网络表示法来表达获取的成形图形知识。1.5 面向对象表示法面向对象表示法认为客观世界是由一系
