一种基于任务引导的多层知识图谱的、由大型语言模型（LLM）增强的制造过程规划知识服务方法

《JOURNAL OF MANUFACTURING SYSTEMS》：An LLM-enhanced knowledge service methodology for manufacturing process planning based on task- guided multi-layer knowledge graph

制造过程规划涉及多阶段决策与知识动态适配，本文提出基于多层知识图谱的服务模型，构建了包含产品结构、加工资源、工艺约束的异构知识网络，开发了面向四类典型规划场景的差异化检索策略（过程调度、资源分配、参数优化、决策验证），并创新性地将大语言模型与知识图谱深度集成，形成迭代优化机制。通过民用飞机支架组件的规划验证，实现了跨阶段知识语义的连续映射与决策支持。

　　

黄泽川|郭欣|郭锡峰|彭涛|黄少华|赵武|张月丽|薛浩|李旭瑞|王杰

四川大学机械工程学院，中国成都610065

摘要

制造过程规划是一种渐进式设计流程，设计师以数字建模信息为起点，细致地规划和优化产品制造工作流程。该流程涉及对加工单元、制造操作和操作步骤等元素的反复考虑。过程规划被定义为一种分层设计流程，由特定阶段的任务目标驱动，其中决策约束逐步演变。不同阶段的任务对知识的需求不仅影响知识焦点的优先级，还对知识粒度、关联模式和推理方法提出不同要求。因此，在统一的知识组织框架内同时支持多阶段、多类型的决策制定是一个关键且复杂的挑战。本研究提出了一种基于多层知识图的过程规划知识服务模型。提出了知识演变与过程规划之间的迭代交互模型，明确描述了四种代表性的规划场景，以反映跨阶段的推理需求。定义了四种面向过程规划的检索策略，使不同的检索机制能够适应异构的任务需求和规划目标。采用集成大型语言模型（LLM）和知识图的工作流，实现多源过程知识的统一语义建模和结构化知识提取。所提出的方法通过民用飞机支架组件制造过程规划任务进行了验证。

引言

制造过程规划是一项高度复杂的设计活动[1]、[2]。一方面，它作为产品设计与制造实施之间的关键纽带，需要将设计意图有效转化为可行的制造解决方案[3]；另一方面，制造活动不仅涉及从数字产品模型中解释和处理结构信息，还包括设备、产品和作业中心等制造元素的协调分配[4]。制造过程规划的目的是生成一个可行且高效的制造流程[5]。这包括多个阶段，每个阶段在数据格式、决策目标和任务特征方面都存在显著差异。现有的关于制造过程规划的知识组织研究主要集中在特定过程任务上，显示出强大的知识辅助能力，以支持任务解决。相比之下，针对多阶段连续知识支持的研究——如制造单元选择、制造操作决策和操作步骤配置的协调考虑——从整个制造过程流的角度来看仍然相对有限。尽管大型语言模型（LLM）可以提高知识图的应用潜力，但在制造过程规划场景中，从知识提取到知识推理的不同阶段之间有效整合它们仍有很大的探索和改进空间。过程设计师在不同阶段的关注点各不相同。由于制造过程规划在不同阶段面临不同的目标，设计师的知识内容和关注领域会动态变化[6]、[7]。这不仅需要调整知识呈现方式以满足特定阶段的要求，还需要以不同的方式组织知识元素之间的语义关系、约束和因果逻辑。这种组织方式支持包括过程调度、资源分配和过程参数选择在内的任务的精确推理。

制造活动涉及多种类型的信息实体和过程[8]、[9]。不同层次的数据在结构格式、语义表达和粒度方面存在显著不一致性，导致制造数据内部存在明显的异质性[10]、[11]。当面临不同阶段对知识内容和关系结构的多样化需求时，以碎片化、孤立的方式存储和利用的跨阶段过程知识将难以支持连续且一致的设计和决策过程[12]、[13]。知识图及其相应的图算法逐渐成为过程规划领域中至关重要的知识组织技术，因为它可以整合多源异构制造知识，揭示过程元素之间的深层语义关系，并支持跨阶段的逻辑推理和决策优化[14]、[15]、[16]。大量研究表明，知识图不仅通过统一的语义模型组织复杂的设计和制造信息，还通过图查询、图嵌入和图推理等方法支持过程规划、工作流设计和资源分配等关键任务[17]、[18]。这显著提高了智能过程设计的准确性和可解释性。

过程知识在结构形式、语义表达和组织层次方面的高度异质性继续对其潜在价值的释放构成重大挑战[19]、[20]。知识在制造过程规划中的应用仍面临许多挑战：(1) 制造过程规划涉及具有高度不同决策目标和知识优先级的阶段。这些阶段之间的演变产生了异构的知识背景，使得难以保持语义一致性，并实现过程知识在不同阶段的自适应重用。(2) 制造过程规划同时受到产品结构特性、制造资源约束、法规限制和设计经验判断等多种因素的影响。其高度耦合的复杂相互关系对过程知识的结构化表示、因果推理和决策支持能力提出了重大挑战。(3) 缺乏一个涵盖制造过程规划所有阶段的全面知识服务框架。这一差距阻碍了对知识状态的持续监控、对其动态演变的 management 以及对细致规划决策的系统支持。

本研究的结构如下：1是引言；2部分包含制造过程规划的需求分析、基于知识图的过程知识检索方法以及LLM在知识系统中的应用综述；3部分描述了所提出的框架；4部分介绍了主要方法，包括面向过程的工作流、知识和过程规划的迭代模型以及四种检索策略；5部分描述了所提出框架在设计过程中的应用；6部分是本文的讨论；7部分是本文的结论。

章节片段

制造过程规划的需求分析

现有研究从任务目标、知识内容和决策约束等方面探讨了制造过程规划的需求。过程规划不仅需要明确的知识，如结构特征、加工能力和制造资源，还严重依赖于隐含知识，包括过程规则、经验约束和历史案例[21]。肖等人[22]对整个过程规划进行了研究

过程规划中多层知识图的推理框架

作为多阶段复合过程，过程规划通过构建和演变多层知识网络来体现其知识组织[54]。每个阶段的推进依赖于特定的、层次渐进的知识关联网络。为了实现跨阶段的上下文推理，有必要为每个网络层定义相关的知识系统。在满足每个阶段知识需求的约束下，这

知识和过程规划的迭代模型

过程规划是一个迭代和渐进的设计过程，包括四个主要组成部分：过程规划阶段（P）、领域知识空间（K）、输入信息流（I）和输出知识流（O）。知识和过程规划的迭代模型的数学公式如公式（1）所示。图2展示了所提模型在过程规划背景下的详细工作流程。

多层知识图存储

民用飞机组件的多层知识建模

为了验证所提方法的有效性，本研究收集了民用飞机领域制造公司关于外壳、管子和支架等部件类型的相关制造文档。在5M1E框架的指导下，并结合实际生产规则和经验，本研究定义了以下关键实体类别：PD、MM、CAD模型、MO、MS、ME。定义的主要关系如下：具有主要材料（Have_Main material）、具有CAD模型（Have_CAD model）、具有制造信息（Have_Manufacturing

讨论

在过程规划领域，相关研究已经进行了数十年，形成了一个相对系统化和成熟的研究框架[76]、[77]。现有的过程规划工作流逐渐实现了标准化和结构化[78]、[79]。在知识图等先进知识工程工具的支持下，过程知识的组织从离散表示进一步发展为分层和网络化结构。然而，在

结论

制造过程规划的逐步演变产生了不同的任务目标，这些目标不仅优先考虑了知识的焦点，还要求知识之间的多样化连接。特定阶段的知识组织通过它们的耦合和约束共同定义了多层知识图的结构层次、语义粒度和建模范围。为了有效地连接不同阶段的知识并实现精确的适应

CRediT作者贡献声明

黄泽川：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草案，软件开发。郭锡峰：撰写 – 审稿与编辑。李旭瑞：资源支持。薛浩：可视化。王杰：监督，概念化。张月丽：软件开发。彭涛：撰写 – 原始草案，可视化。郭欣：撰写 – 原始草案，监督，方法论，资金获取。赵武：概念化。黄少华：形式分析。

资助

本研究部分得到了国家重点科学技术项目[2025ZD1603000]和国家自然科学基金青年科学家基金项目[52405285]的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。