《JOURNAL OF MANUFACTURING SYSTEMS》：MA-APKG: A multi-agent LLM-based method for construction aviation product assembly process knowledge graph
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构建复杂航空装配过程知识图谱的系统方法，提出多级本体建模、LLM驱动的多智能体信息抽取及动态语义更新机制，实验验证了方法在知识整合与动态维护中的有效性。
作者：蒲俊|郭宇|黄少华|周晨欣|田嘉俊|马丽军
中国南京航空航天大学机械与电气工程学院
摘要
为了解决复杂航空装配过程知识的特性，包括多样的知识类型、复杂的层次结构、强语义关联以及持续演变，本文提出了一种自上而下的装配过程知识图谱（KG）构建方法。首先，开发了一个多级装配过程本体，以统一和标准化地建模产品信息、装配过程知识、工具设备以及历史案例及其跨层关系，从而实现结构化的知识表示和语义一致性。其次，为了应对装配过程文本的语义复杂性，提出了一种基于大型语言模型（LLM）的多智能体协作三元组信息提取方法。通过整合本体约束和自洽思维链（CoT）机制，显著提高了提取结果的稳定性、准确性和可解释性。最后，采用基于语义嵌入的动态KG更新策略，在知识持续演变过程中保持实体唯一性和语义一致性。实验结果证明了所提出方法在复杂航空装配过程场景中的有效性和适用性。
引言
复杂航空产品的装配工作量通常占总制造工作量的50-60%[1]。装配过程规划整合并匹配产品设计信息、装配过程知识以及装配资源，生成可执行的装配过程计划，成为产品设计与制造之间的关键桥梁[2]。作为所有装配活动的主要数据来源，装配过程规划的质量和效率直接影响产品的服役性能和开发周期[3]。复杂航空产品的生产具有几个显著特点：一方面，高度复杂的产品结构和极高的系统集成度要求针对不同型号甚至同一型号的不同生产批次进行定制设计[4],[5]；另一方面，小众市场需求和客户特定的配置要求导致了典型的订单驱动生产模式[6]。此外，考虑到大量的研发投资、快速的技术进步以及与国家安全战略的紧密相关性，小批量和增量生产方式成为降低风险和优化资源分配的必然选择[7]。在这种背景下，研究复杂航空产品的知识驱动装配过程规划方法对于提高产品开发效率和制造能力具有重要意义。
复杂航空产品的装配过程与一般机械产品有很大不同，因为它对空气动力特性和装配精度有极其严格的要求[8]。航空产品的结构非常复杂，装配空间有限，涉及大量的零件和紧固件，其中许多零件尺寸较大、刚性较低且容易变形[9]。为了确保装配精度，必须在装配过程中使用各种复杂的夹具和工具[10]。同时，为了满足航空产品在轻量化设计、结构强度、抗疲劳性和密封性能方面的综合要求[11]，广泛采用铆接接头进行装配操作[12]，并广泛应用复合材料和航空铝合金等先进材料[13]。在这些装配特性和技术约束下，复杂航空产品的装配过程规划包括多个关键决策任务，如装配划分、基准选择、过程补偿设计、装配顺序规划以及工具和设备的选择[14]。因此，装配过程规划知识不仅包括传统的过程决策知识，还包括三维产品模型信息以及与工具、夹具和设备相关的资源信息。这些知识和数据主要来源于行业标准、历史过程文档、工具设备和产品3D模型，具有多源异构性、隐含性和分散性的特点[15]。传统的基于文档或数据库的管理方法难以有效表示知识元素之间的语义关系，也不适合知识重用或智能推理。因此，研究一种高效准确的知识建模方法，以系统地组织、统一管理和有效利用装配过程知识具有重要意义。
KG使用图结构将过程知识以“实体-关系-属性”的形式进行建模，这不仅实现了复杂过程知识的统一表示和关联管理，还为基于LLM的智能检索、推理和分析提供了基础支持。此外，随着航空装配技术的不断进步，新的工艺、设备和材料不断引入，导致装配过程规划知识的动态演变[10]。如何将新出现的元素更新到知识库中，并分析KG的动态演变机制，对于确保过程知识库的及时性和可靠性至关重要。为了解决这些挑战，本研究提出了一种基于LLM的航空产品装配过程KG构建方法，以及一种双向驱动的数据更新机制，以确保复杂航空产品装配过程知识的实时可用性和可靠性。本文的主要贡献如下：
(1)开发了一个多级装配过程KG本体，以解决装配知识的多样性、层次复杂性和强关联性问题，增强了其组织性和语义一致性。
(2)将传统的端到端三元组提取流程分解为具有明确定义角色的多个智能体（例如预处理、实体识别、关系生成和验证）。通过本体约束和反馈机制，减少了语义歧义和结构冲突。
(3)引入了多路径CoT生成和一致性评估机制，以稳定LLM推理，提高三元组提取的准确性、鲁棒性和可解释性。
(4)将KG动态更新建模为随时间演变的三元组，并通过实体相似性评估和冲突解决机制确保演化过程中的实体唯一性和语义一致性。
本文的其余部分安排如下：第2节回顾相关工作；第3节介绍复杂航空装配过程的自上而下的KG构建方法；第4节描述复杂航空产品装配过程知识库的本体构建；第5节介绍基于多智能体的三元组信息提取方法；第6节提供实验结果及相应分析；第7节给出结论和未来工作方向。
相关工作
随着航空产品装配过程的复杂性和知识密度的不断增加，装配过程知识的系统建模、自动化获取和动态演变已成为智能制造和知识工程领域的研究热点。国内外研究人员在装配过程知识的表示和KG构建方面进行了大量研究
复杂航空产品的自上而下装配过程KG构建框架
复杂航空产品的装配过程设计涵盖了产品设计的整个生命周期、过程准备和面向开发的生产，其具体工作流程如图1所示。在产品设计阶段，过程规划人员与产品设计人员合作，根据装配精度要求和功能要求做出关键过程决策，如装配基准、装配补偿策略和定位方法
复杂航空产品装配过程KG的本体构建
本节从实体、关系和属性三个方面详细阐述了航空产品装配过程知识库（APAPKB）的本体构建细节。APAPKB包括产品信息层、过程知识层、工具设备资源层、历史案例层和装配过程决策规则层。因此，APAPKB可以正式表示为：
其中PIL表示产品信息层，PKL
问题描述
基于LLM的三元组信息提取问题可以表示为以下数学模型。给定一段文本，LLM用于提取以下三类结构化信息：
a)实体集
其中每个实体由以下部分组成：
?名称：实体的唯一标识符；
?类型：从航空装配过程知识本体的实体类型集中选择
?属性：属性字段
实验数据集
为了验证所提出的KG构建方法在复杂航空装配过程领域的有效性，本研究构建了一个航空产品装配过程数据集。该数据集来自一家航空制造企业的真实技术文档库，包含大约61份与装配相关的技术文档和两个产品组件的3D模型，涵盖了航空制造手册、装配过程说明、工具和设备信息
结论
鉴于复杂航空装配过程知识的特性——如多样的知识类型、复杂的层次结构、紧密的语义关联以及持续的知识演变——本文重点关注装配过程知识的系统建模、自动获取和动态更新，并提出了一种自上而下的复杂航空装配过程KG构建方法。首先，从装配过程规划的业务逻辑出发
CRediT作者贡献声明
蒲俊：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、方法论研究、调查、形式分析、数据整理、概念化。
郭宇：监督、项目管理、方法论研究、资金获取。
黄少华：监督、方法论研究、资金获取、形式分析、概念化。
周晨欣：撰写初稿、可视化、验证、形式分析。
田嘉俊：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家重点科学技术项目（项目编号：2025ZD1603000）的支持。
