鉆床設(shè)備知識圖譜的構(gòu)建及應(yīng)用

劉政 張華 廖育武 肖國宏

（1.湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院 湖北省襄陽市 441053 2.湖北歐安電氣股份有限公司信息裝備部 湖北省襄陽市 441030）

1 引言

伴隨信息技術(shù)的發(fā)展和制造行業(yè)數(shù)字化改造的實施，國內(nèi)制造行業(yè)積累與沉淀了大量的制造設(shè)備工作過程數(shù)據(jù)，逐漸形成了工業(yè)大數(shù)據(jù)。這些設(shè)備中各種機床設(shè)備占有較大的比例[1]。為了有效利用機床設(shè)備的大數(shù)據(jù)信息，研究人員提出將數(shù)據(jù)存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫等當(dāng)中的數(shù)據(jù)進行調(diào)用并應(yīng)用于相關(guān)設(shè)備的健康狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及預(yù)測等[2]。隨著2012年谷歌公司正式提出知識圖譜的概念并應(yīng)用于提高搜索的能力以來，知識圖譜技術(shù)被廣泛關(guān)注并開始在各行業(yè)進行應(yīng)用[3]。Hai[4]等提出了半自動構(gòu)建知識圖譜并應(yīng)用于電網(wǎng)設(shè)備的運行及維修。Feng Yun[5]等提出了基于知識圖譜的電氣信息采集系統(tǒng)故障診斷知識問答系統(tǒng)，實現(xiàn)采集和維護故障診斷的高效化、智能化。知識圖譜的應(yīng)用大大提高了數(shù)據(jù)處理的效率，并能清晰直觀的表示知識間的深層關(guān)系，有利于采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機器學(xué)習(xí)算法對設(shè)備的健康狀態(tài)和故障隱患進行預(yù)測。本文針對制造設(shè)備中應(yīng)用較多的鉆床設(shè)備建立知識圖譜并將其在設(shè)備故障診斷與預(yù)測方面的應(yīng)用進行了探索，建立了相關(guān)知識圖譜框架及數(shù)據(jù)庫案例，并對其應(yīng)用進行了分析。

2 知識圖譜定義及架構(gòu)

2.1 知識圖譜的定義

百度百科中解釋知識圖譜為圖書情報界中的知識域可視化或知識領(lǐng)域映射地圖，是顯示知識發(fā)展進程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的一系列各種不同的圖形，用可視化技術(shù)描述知識資源及其載體，挖掘、分析、構(gòu)建、繪制和顯示知識及它們之間的相互聯(lián)系[6]。而知識圖譜作為知識的結(jié)構(gòu)化表示，是一種以圖的形式來描述知識和客觀世界萬物之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的技術(shù)方法[7]。本質(zhì)上，知識圖譜是一種描述實體、實體屬性與實體關(guān)系的大型語義網(wǎng)絡(luò)，其由節(jié)點與邊組成。節(jié)點可以代表一個概念、一個實體或一個屬性，邊可以代表實體、概念等相關(guān)屬性。

同時知識圖譜對于不同的領(lǐng)域可分為通用知識圖譜與領(lǐng)域知識圖譜。通用知識圖譜主要采用三元組的形式進行表示，實體構(gòu)建的規(guī)模較大，精確度要求較低一般應(yīng)用于搜索與問答。而領(lǐng)域知識圖譜側(cè)重于知識的質(zhì)量，需要行業(yè)數(shù)據(jù)進行構(gòu)建，一般應(yīng)用于軍事、機械、醫(yī)療等特定領(lǐng)域進行輔助決策。

2.2 知識圖譜的架構(gòu)

知識圖譜架構(gòu)主要從邏輯結(jié)構(gòu)與構(gòu)建技術(shù)兩方面進行區(qū)分。

2.2.1 知識圖譜邏輯結(jié)構(gòu)

知識圖譜的邏輯結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)層與模式層，知識的表示形式是事實，故而數(shù)據(jù)層由大量的事實構(gòu)成。而模式層由實體構(gòu)成，是知識圖譜的核心，是保證知識質(zhì)量的部分。其建立在數(shù)據(jù)層之上，利用本體與實體的相關(guān)公理、規(guī)則與約束條件對數(shù)據(jù)層的事實進行規(guī)范[8]。對于本體來說是概念的集合，是公認的概念事實，變化的概率較小，對于借助本體庫構(gòu)建的知識圖譜不僅結(jié)構(gòu)性強，知識質(zhì)量高冗余較小。

2.2.2 知識圖譜構(gòu)建技術(shù)

知識圖譜的技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

知識圖譜構(gòu)建的基本方法分為自頂向下的構(gòu)建方法、自底向上的構(gòu)建方法兩種方法，自頂向下的構(gòu)建方法指的是根據(jù)已有的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫定義本體與模式層，再從其他數(shù)據(jù)源中抽取實體加入到知識庫。該方法需要根據(jù)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫、專家知識及固定的知識體系進行實體與模式層的構(gòu)建，保障知識的質(zhì)量與準(zhǔn)確性。自低向上的構(gòu)建方法從開放的、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化或結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫、文本信息中抽取事實，選擇置信度較高的知識加入數(shù)據(jù)庫中構(gòu)建數(shù)據(jù)層。然后再根據(jù)數(shù)據(jù)層構(gòu)建相關(guān)實體與模式層[9]。目前通用知識圖譜大多數(shù)采用自底向上的構(gòu)建方法，如微軟的Satori 知識庫。

圖1：知識圖譜技術(shù)架構(gòu)

圖2：鉆床設(shè)備故障知識圖譜構(gòu)建步驟

但對于一些領(lǐng)域知識圖譜數(shù)據(jù)的特殊性及不完善性，通常采用自頂向下和自低向上相結(jié)合的方式進行構(gòu)建。一般首先建立模式層，設(shè)置實體、屬性及關(guān)系的相關(guān)規(guī)則；然后利用數(shù)據(jù)映射或知識抽取進行實體、屬性、關(guān)系的填充；最后再利用數(shù)據(jù)層知識的關(guān)系進行知識推理、知識更新擴展知識圖譜。

3 鉆床設(shè)備知識圖譜主要構(gòu)建技術(shù)

本文提出構(gòu)建鉆床設(shè)備的知識圖譜并根據(jù)鉆床設(shè)備數(shù)據(jù)的復(fù)雜性提出了相關(guān)構(gòu)建方法，提出利用自頂向下與自底向上結(jié)合的方式構(gòu)建知識圖譜,首先通過人工建立實體模式層，然后隨著數(shù)據(jù)的積累從事實進行實體更新與填充。根據(jù)鉆床設(shè)備故障數(shù)據(jù)的復(fù)雜性進行實體、實體關(guān)系的定義，鉆床設(shè)備知識圖譜的構(gòu)建過程主要包括知識表示即實體建模與存儲、知識映射、知識更新與可視化處理。其具體實現(xiàn)步驟如圖2 所示。

3.1 知識表示

知識表示是對知識的一種描述，將知識表示稱為一種計算機可理解的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)如今知識表示可分為邏輯表示[10]、產(chǎn)生式表示、框架表示、面向?qū)ο蟮谋硎?、本體表示、基于模型的知識表示等。對于鉆床設(shè)備的知識表示可分為數(shù)據(jù)的收集與本體的構(gòu)建，鉆床設(shè)備數(shù)據(jù)來源于設(shè)備使用手冊、生產(chǎn)制造積累的關(guān)系數(shù)據(jù)庫、專家經(jīng)驗、案例文本等結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，為本體模式層的構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)的支持。

本文以本體表示的方式進行知識表示，并將本體模型定義為P=＜C、R、S、A＞四元組形式，P 表示本體模型、C 表示本體概念即某實體類別的集合、R 表示概念之間的關(guān)系、S 表示子概念即實體元素、A 元素屬性，同時本文將概念的屬性與概念表示在一起，并未采用單獨表示的形式。根據(jù)定義的本體模型建立鉆床設(shè)備的網(wǎng)狀知識結(jié)構(gòu)，為了便于查詢與分析，也可以將其轉(zhuǎn)化為RDF 語言三元組的形式。

3.2 知識映射

知識映射是指建立兩個數(shù)據(jù)模型，利用相關(guān)語言或技術(shù)將模型之間的元素進行關(guān)系的鏈接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。鉆床設(shè)備故障事實一般存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，屬于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，所以本文提出基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行知識映射。將鉆床設(shè)備故障案例中的實體、關(guān)系、屬性等存儲于Mysql 關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，利用R2RML[11]、D2RQ 映射語言進行直接映射或采用間接映射將本體與數(shù)據(jù)同時存在Neo4j 中進行數(shù)據(jù)映射等。根據(jù)解析工具將本體解析為如＜主軸（實體）、故障原因（關(guān)系）、電機（實體）＞的形式，然后與建立的關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行相關(guān)映射，將數(shù)據(jù)庫中的如＜主軸反轉(zhuǎn)、出現(xiàn)、電機電源接反＞與本體中的主軸實體、故障關(guān)系、電機實體映射到解析的本體三元組中，建立本體與數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系。

本文中采用人工建立關(guān)系數(shù)據(jù)庫與本體的形式，將數(shù)據(jù)庫存儲與Mysql 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，形成XML 或Excel 關(guān)系表格并就將其存入Neo4j 圖數(shù)據(jù)庫中，然后利用protégé[12]軟件建立本體與實體形成SQL 語言文件并進行解析形成三元組。通過知識映射能更好地表示實體間關(guān)系，同時為知識推理與知識更新做了相應(yīng)的基礎(chǔ)，豐富了本體、實體間的關(guān)系。

3.3 知識推理與更新

知識推理是指對已建立的知識圖譜進行進一步的知識挖掘與預(yù)測，挖掘出實體間隱含的關(guān)系，并對未來的關(guān)系、屬性等進行預(yù)測，進而豐富擴充知識圖譜。Ni Lao·William W. Cohen[13]等提出了一種新的鄰近度度量方法用于路徑約束隨機行走，進行檢測實體間的關(guān)系。Lei[14]提出了改進的基于規(guī)則的推理方法來推理出微生物之間的相關(guān)性。

鉆床設(shè)備故障的知識推理可體現(xiàn)在如電機部件間的關(guān)系、使用時間與發(fā)生故障可能性的關(guān)系、主軸之間的位置關(guān)系等。其應(yīng)用的對象可以是設(shè)備的實體、屬性、實體的關(guān)系等。從推理的方式上知識推理可分為基于演繹的知識圖譜推理和基于歸納的知識圖譜推理。知識更新一般分為模式層更新與數(shù)據(jù)層更新，模式層更新就是對本體的增加、刪減、變更等[15]，但本體更改概率較小且會影響實體與其他概念，所以鉆床設(shè)備知識的更新一般采用數(shù)據(jù)層的更新。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的事實數(shù)據(jù)，篩選高質(zhì)量的知識進行實體的增加、刪減、變更等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)層的擴充。

3.4 知識圖譜可視化

鉆床設(shè)備知識圖譜數(shù)據(jù)可以采用三元組形式存儲，工作人員根據(jù)存儲的語言進行相關(guān)查詢，但并不能直觀清晰的查看實體間的關(guān)系，對于不具有工作經(jīng)驗的人員不能直接進行設(shè)備故障的檢測與判斷。故而本文提出采用Neo4j[16]對三元組知識進行處理，利用neo4j-admin import 將部分鉆床設(shè)備的關(guān)系型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Neo4j 中展示可視化圖譜。圖譜中包含了47 個實體事實、4 種關(guān)系。47 個實體分為三類屬性進行表示為18 個故障實體如絲杠、主軸、電機、數(shù)控裝置等并分別標(biāo)簽鉆床部件、氣動系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等屬性，16個發(fā)生現(xiàn)象如絲杠支撐松動、傳動精度減弱、主軸運動困難等標(biāo)簽為故障現(xiàn)象、13 個故障原因如灰塵進入數(shù)控裝置、主軸與皮帶過松或過緊等標(biāo)簽為故障原因。每個實體對應(yīng)一個節(jié)點，每個邊表示4 種關(guān)系，第一層關(guān)系為子類及包含、第二層關(guān)系為發(fā)生、第三層關(guān)系為發(fā)生的原因。實體及邊共同構(gòu)成了鉆床設(shè)備部分事實數(shù)據(jù)的知識圖譜，具有高性能、輕量級、嵌入式等優(yōu)點同時還提供了相關(guān)的圖算法更加便捷、清晰，可視化如圖3 所示。

圖3：鉆床設(shè)備知識圖譜的可視化

4 鉆床設(shè)備知識圖譜的應(yīng)用

知識圖譜已經(jīng)在語義搜索、智能問答、輔助決策以及一些垂直行業(yè)有所發(fā)展及應(yīng)用，并有了一些成熟的系統(tǒng)及平臺，比較著名的有蘋果的智能語音助手Siri,百度公司的小度APP 等。同時基于知識圖譜的輔助決策也被應(yīng)用于軍事、機械等行業(yè)，李代祎[17]等構(gòu)建了一種基于知識圖譜的軍事武器問答系統(tǒng)，喬驥[18]等提出了一種知識圖譜框架應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度故障處理的輔助決策。

鉆床設(shè)備是被廣泛應(yīng)用的通用性機械設(shè)備，可對零件進行鉆孔、擴孔、絞孔等工藝，同時鉆床可分為立式、臺式、搖臂式、深孔等類型。而對于通用性廣泛、種類較多的鉆床，其設(shè)備故障作為復(fù)雜事件，將會受到機械部件、數(shù)控系統(tǒng)、使用周期等各方面的綜合影響。例如鉆床電機發(fā)生不轉(zhuǎn)動故障，可能是器件接觸不良、電源故障等方面問題；某鉆床出現(xiàn)發(fā)熱、電流變大現(xiàn)象，可歸咎于數(shù)控設(shè)備進入灰塵，引起元器件絕緣電阻下降損壞器件；某型號鉆床打孔深度、大小不精確、出現(xiàn)誤差，主軸升降、正反轉(zhuǎn)出現(xiàn)故障可能由平臺偏移、主軸過松、電機故障引起。

針對不同種類的鉆床設(shè)備出現(xiàn)的故障事實可能屬于同類故障現(xiàn)象，也可屬于不同故障現(xiàn)象，共同構(gòu)成了復(fù)雜的事實知識網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。對于扁平化的關(guān)系數(shù)據(jù)庫則不能清晰明了的表示鉆床知識與展示知識間的深層關(guān)系，而知識圖譜對知識進行直接的表示，并進一步分析故障事實間的關(guān)系。所以鉆床設(shè)備知識圖譜將可應(yīng)用于故障案例的問答搜索，通過可視化界面進行相關(guān)部件的查詢并給出具有關(guān)聯(lián)性較大的實體及關(guān)系，同時建立的知識圖譜中包含解決方法幫助鉆床操作人員做出決策，起到輔助決策的作用。鉆床設(shè)備知識圖譜描述了鉆床實體、使用時間、實體關(guān)系等事件的復(fù)雜關(guān)系，在鉆床設(shè)備領(lǐng)域方面發(fā)揮了較大的技術(shù)作用，提升了設(shè)備故障診斷的智能化處理水平。應(yīng)用于故障診斷與預(yù)測方面不僅提高了數(shù)據(jù)的利用率及故障處理的效率，對于無經(jīng)驗的工作人員還具有重要的指導(dǎo)效果，能清晰直觀的展示故障對象、故障原因及解決方法，減少了處理不當(dāng)?shù)陌l(fā)生概率。

5 總結(jié)與展望

為了提高工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率，本文提出一種鉆床設(shè)備知識圖譜的構(gòu)建及其在設(shè)備故障診斷與預(yù)測中的應(yīng)用方法。介紹了關(guān)于知識圖譜的定義及架構(gòu)，并從知識表示、知識映射、知識推理與更新及可視化處理四個方面對鉆床設(shè)備故障案例知識圖譜的構(gòu)建進行了相關(guān)介紹。同時提出將該知識圖譜應(yīng)用與問答及輔助決策方面，分析了應(yīng)用特點及優(yōu)點。對于未來的工作將實現(xiàn)知識圖譜的具體建立并進行實際應(yīng)用，建立的知識圖譜將包含不同類型鉆床的故障案例實體，擴大本體與關(guān)系的建立。同時選擇最優(yōu)路徑選擇算法，實現(xiàn)最優(yōu)路徑并提供概率最大發(fā)生的故障實體與原因。