面向智能决策的结构化工艺知识建模建库技术研究.pdf

智能制造技术模具制造 2023年第9期面向智能决策的结构化工艺知识建模建库技术研究董会波1，许建新2，王宏如1，付移风1（1.中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安710077；2.西北工业大学机电学院，陕西西安710072）【摘要】为了解决智能制造工程中的工艺知识处理与决策技术问题，通过对工艺分析、工艺方案、等工艺业务过程的知识应用需求分析，重点研究工艺知识的表示、获取、处理、共享和决策等技术，并建立了工艺知识体系和可定制的结构化工艺知识模型，为知识驱动的工艺智能决策和快速工艺设计提供了坚实的基础和保障，对航空企业工艺知识库的建设具有一定的参考和指导意义。关键词：工艺知识；智能决策；知识模型；知识获取中图分类号：S219.06文献标识码：BDOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.09.054Research on Structured Process Knowledge Modeling and LibraryConstruction Technology for Intelligent Decision-makingDong Huibo1，Xu Jianxin2，Wang Hongru1，Fu Yifeng1（1.AECC Xian Power Control Technology Co.,Ltd.,Xian，Shaanxi 710077,CHN；2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xian,Shaanxi 710072,CHN）【Abstract】In order to solve the intelligent manufacturing engineering process knowledge processing and decision-making technology problems,through the process analysis,processscheme,process knowledge application demand analysis,focus on the research of processknowledge,acquisition,processing,sharing and decision technology,and established the processknowledge system and customizable structured knowledge model of the process knowledge,forknowledge driven process intelligent decision and rapid process design provides a solid foundation and guarantee,for aviation enterprise process knowledge base construction has a certainreference and guiding significance.Key words:process knowledge；intelligent decision-making；knowledge model；knowledge acquisition1引言随着航空企业不断研发新产品并提出更高要求，产品快速工艺设计成为产品开发的关键。数字化和智能化的工艺设计已成为加速研制过程的重要环节，企业迫切需要通过先进的知识管理方法支持工艺设计。工艺知识处理与决策技术是智能制造中的关键技术之一。计算机技术的发展为工艺设计的自动化奠定了基础，计算机辅助工艺设计（CAPP）的应用显著提高了工艺设计效率和自动化程度。但与国外制造企业相比，我国制造企业在工艺设计方面仍存在以下问题1。第一，缺乏先进的复杂零件工艺设计和优化手段，缺乏知识支持的快速工艺编制手段。第二，缺乏数控工艺设计经验和知识积累手段，未形成数控加工的“智库”，包括模板库、规范库、参数库和典型实智能制造技术 174智能制造技术模具制造 2023年第9期例库等。第三，现有制造工艺已无法满足多品种变批量混线生产模式的需求，零件制造工艺亟待优化，基于知识驱动的智能工艺设计方法和技术需求迫切。第四，仿真技术在工艺设计中的应用深度和广度不够，缺乏物性仿真与优化技术、基于实测数据的工艺分析和优化技术应用验证，需要突破大量关键技术。针对上述问题，国内许多学者在该领域已经展开了卓有成效的研究。例如，Xu等人提出了一种融合最近邻和人工神经网络算法的智能案例推理方法2。该方法在检索出的相似案例中建立高斯过程回归模型，以确定最优案例，准确预测产品表面粗糙度和残余应力。Huang等人提出了一种相似零件数控加工过程的知识表示方法，以形式化加工特征和加工策略之间的联系3。潘旭伟等人研究了基于知识载体、内容和情境的知识建模技术，实现了显性与隐性知识的统一处理4。刘金锋等人则采用面向对象方法，创建了以加工特征为核心的工艺信息层次化表达模型5。但是，国内在工艺知识建模和智能决策方面仍存在不足。本文通过研究某航空产品复杂零件的工艺知识体系，提出了一种结构化工艺知识构建方法，以满足智能化工艺设计的需求。本文介绍了工艺知识的积累与挖掘，阐述了构成工艺知识管理平台以及支撑工艺智能决策的应用。相关技术研究已在某航空复杂零件的工艺设计中进行了应用验证。围绕某航空产品复杂零件从工艺分析、工艺方案、工艺设计、数控编程、工艺仿真优化、制造现场应用等全业务过程进行工艺知识应用需求分析6，面向智能化工艺设计决策支持的目标，确定所需工艺知识内容、应用方式及其关系，建立知识体系，指导工艺知识建模、建库的研究工作，工程知识类型分析如图1所示。规则性知识控制性知识实例性知识事实性知识工程知识知识推送调度业务场景知识决策过程知识知识调度控制知识统计分析规则检查审核规则决策逻辑知识范例选择修订规则范例典型案例工程数据技术规范技术资料工作规范资源参数数据库术语词典约束图1工程知识类型分析2结构化工艺知识模型构建为解决工艺知识的存储，实现可定制结构化工艺决策知识建模，基于面向对象建模，建立了工程知识处理技术体系，构建完善了范例及逻辑决策表等知识表达方法、知识处理和共享、智能决策方法，便于事实性知识、实例性知识、规则性知识、过程性知识、元知识等知识建模、建库、维护与知识基决策。2.1工艺知识模型研究工艺知识包括事实性知识、决策知识和过程知识等类型，具有不同知识结构、不同知识应用方式，为适应工艺知识处理需求，将应用面向对象的结构化知识模型7，如图2所示，表达相关工艺知识。过程对象类 目标对象类文件对象类方案对象类资源对象类工程对象类信息建模对象类对象建模基础对象实例对象关系定义对象类及属性定义对象层次及继承对象实例对象实例关系基础数据库资源数据库材料数据库工艺技术知识库典型工艺方案、规程及其选择修订知识典型工艺单元特征加工工艺决策知识技术规范、技术成果知识检索推送模板工艺决策过程知识基于表达结构化知识建模基于表达用于组成简化匹配选择成组案例层次化决策树表达技术知识文档事实性知识逻辑决策表过程（内部预定义）表达式逻辑元逻辑决策知识约束范例决策任务过程用于匹配选择源于集合（普通、迷糊）定义图2面向对象的结构化工艺知识模型2.2面向对象的知识建模采用面向对象的结构化信息处理技术建立了基于对象的知识建模体系，表达基础性工程数据、技术资料和成果数据，并采用富文本处理技术满足工程需要，表达能力强，结构灵活。通过对象类、对象属性、对象层次、对象关系、对象实例、对象实例关系等定义和定制，构建业务领域的信息模型。基于信息模型，构建事实性知识、技术资料文档、实例性知识等知识模型。2.3逻辑决策表知识建模决策知识常常采用产生式规则表示方式，大多现有的规则表示仍存在不足。规则表示过于灵活，在规则数目比较大时，很难判断规则之间的逻辑关系以及跟踪和维护这些规则。现有的操作符主要还是一些简单的关系运算符和赋值运算符，缺少对集合型、枚举型、区间型等条件的处理；缺少命令、过程调用等操作符的处理，如创建、删除、查询、修改、调用其它规则、调用案例/范例等。对模糊问题、不确定问题的处理能力不足；仅能处理单一问题；数学模型库扩展能力差8。为了充分发挥工艺知识的产生式方式的优点，提升其知识表达能力，建立统一、可定制、可配置 175智能制造技术模具制造 2023年第9期的决策知识表示模式，提出了一种基于逻辑元的决策知识表示方式。为使决策表具有可定制、可扩展、可维护特性，把逻辑元的结构和实例数据两部分分离，以逻辑元结构部分建立逻辑元模型，逻辑元模型的组合构成决策表模型，基于决策表模型创建决策表数据库表结构，把相应的逻辑元实例数据存入决策表数据库表结构中形成逻辑决策规则记录，基于逻辑元的逻辑决策表模型，表达决策逻辑知识，表达能力强，结构灵活可定制，知识采集、查询、维护、管理便捷直观，并实现模糊逻辑的集成应用。2.4知识场景建模通过场景定义一套面向应用的服务框架，设计人员可以在此基础上进行应用的设计和界面的布局。场景定义如同一个组装厂，根据设计方案、界面元素资源的准备情况，进行具体产品的组装，根据具体的业务需求进行选择使用。在进行具体场景设计时，设计人员根据实际业务需求，将对象模型数据结构重新组织为场景数据结构，并根据每个节点的应用需求选择合格的按钮或页面。场景设计由三部分组成：数据组织区、功能操作区和界面显示区。其中，数据组织区建立在对象建模的基础上，根据实际应用需要将对象之间的关系重新组织，常见的节点类型有关系节点、常量节点和搜索节点。功能操作区实现了节点自身的操作以及通过节点关联的实例数据的操作。界面显示区包括：基本信息、按钮配置、页面配置等。3工艺知识的积累及知识挖掘工艺知识主要来自专业书籍、标准与规范、现行工艺文件、企业工艺数据库及领域专家的经验等，内容繁多，形式多样。传统上，工艺知识的收集和获取主要依靠人工实现，这种方式难以保证知识的准确性和可靠性，难以捕获到可能存在的隐性知识，也难以发现知识或数据间的内在逻辑关系，因此已难以满足制造系统智能化和信息化的要求。航空企业的产品的研制需要经过产品试制、定型、批产、改型、工程更改等多种研制阶段或状态，工艺技术在不同阶段不断研究、改进和优化。在产品试制-批产等转阶段、工程更改、产品系列化改进和研制，需要在已有工艺技术、工艺过程的基础上进行工艺设计和优化，产品研制前期积累工艺经验教训、工艺数据、制造质量数据等对工艺设计和优化具有关键作用，是企业重要的知识财富，对工艺技术、工艺经验进行不断总结和积累，并进行知识提炼，是企业工艺优化和工艺技术水平不断提升的关键，具体过程如图3所示。知识审核入库知识规范化处理知识总结归纳基于数据的知识挖掘知识获取知识总结工艺优化知识工程师-知识积累优化知识挖掘知识积累知识积累知识共享应用智能决策知识共享应用智能决策借鉴工艺经验教训借鉴试制工艺产品试制车间-产品试制阶段工艺设计工艺应用服务工艺经验总结工艺设计工艺经验总结工艺应用服务工艺经验总结工艺经验/教训产品批产车间-产品定型批产阶段批产工艺试制工艺工艺数据库工艺知识库企业数据及知识工艺决策知识案例范例知识技术资料/技术成果/制造资源知识工艺及质量控制要素方案图3历史工艺知识的提炼过程4工艺知识管理平台及智能决策应用为适应工艺知识的表达、获取、查询和决策需求，通过构建工艺知识模型数据库管理系统。如图 4所示，系统功能包括：知识建模功能、知识获取功能、知识库维护功能、知识网络、知识地图的形成、知识应用功能、知识库的安全管理。基于范例的参数化工艺决策工艺知识推送基于特征的工序详细设计基于知识的工艺数据自动校验制造资源的检索与关联知识基工艺设计构件工艺知识模糊查询检索、匹配构件工艺知识查询、检索、浏览、推送等服务构件工艺知识应用工艺知识交流共享知识浏览知识地图知识维护日志用户管理工艺知识系统门户工艺知识建模工艺知识管理工艺知识获取导航知识库维护管理知识获取工具集工艺知识交换工具知识检索集成展示一致性、规范性检查知识数据字典结构化对象模型技术文件案例范例逻辑决策对象工艺应用场景及过程模型基础数据库资源数据库材料数据库工艺技术知识库典型工艺方案、工艺规程典型工艺单元特征加工工艺决策知识技术规范知识检索推送模板图4可定制结构化的工艺知识库系统基于上述在工艺设计过程中，工艺人员需要在分析零件结构特点、关键要素、技术要求的基础上，查找大量技术资料和工程数据，包括相关相似案例、相关技术方案、材料、制造资源、技术规范、工艺技术成果等。在智能化工艺设计系统中，通过知识推送等相关技术实现智能化交互设计。主要包括：对象关联检索复用、基于对象属性约束/词典/术语的规范化输入、基于场景的知识自主推送、基于对象关键属性的知识自主推送、案例/范例/典型单元的智能检索匹配、基于规范/导则知识的信息检测等。在工艺设计过程中的不同阶段/场景，工艺知识可结合不同应用需求，为工艺人员实时提供相应的知识推送，满足其对知识/信息/技术/资料的查询浏览、工艺数据的规范化输入、工程数据复用、典 176智能制造技术模具制造 2023年第9期型工艺单元的选用、工艺信息完整性、一致性和规范化检测等工程需求。通过基于场景的信息检索与组织、基于过程的决策控制和知识调度、基于决策表模型的知识匹配和执行、基于决策过程的解释说明等决策逻辑过程，实现了基于知识模型的自动决策推理。本文以某航空复杂零件的机加工工艺设计过程涉及的工艺知识，按上述结构化工艺知识建模建库方法，构建了航空制造企业复杂零件工艺知识系统，并通过将工艺知识在工艺设计过程的智能决策进行应用验证，最终使某航空复杂零件工艺设计效率提升了30%以上。综上所述，工艺知识处理与决策技术是智能制造中的关键技术之一。本文通过研究某航空产品中的复杂零件的工艺知识体系，提出了一种满足智能化工艺设计要求的结构化工艺知识构建方法。该方法介绍了工艺知识的积累与挖掘，并阐述了工艺知识管理平台的构成及其在支持工艺智能决策方面的应用。此外，相关技术研究已经在某航空复杂零件的工艺设计中进行了应用验证，实现了工艺知识的结构化存储和应用。这一方法可以显著提升工艺设计的规范化水平，提高工艺设计效率和产品研发质量。同时，由于工艺知识可以有效继承、重用和拓展，在企业的可持续发展和提升企业核心竞争力方面具有不可估量的作用，是支撑工艺设计数字化转型的基石。参考文献1郭鑫,赵武,王杰,等.面向创新设计的工艺设计知识模型及检索方法研究J.机械工程学报,2017(15):6672.2Xu L,Huang C,Li C,et al.An improved case based reasoningmethod and its application in estimation of surface quality toward intelligent machiningJ.Journal of intelligent manufacturing,2021,32:313327.3Rui H,Zhang S,Xu C,et al.A flexible and effective NC machiningprocessreuseapproachforsimilarsubpartsJ.Computer-Aided Design,2015,62(C):6477.4潘旭伟,顾新建,仇元福,等.面向知识管理的知识建模技术J计算机集成制造系统,2003(07):2028.5刘金锋,吴健,周宏根,等.基于加工特征的工艺信息重用方法研究J.计算机集成制造系统,2016(04):791798.6李秀玲,张树生,黄瑞等.面向工艺重用的工艺知识图谱构建方法J.西北工业大学学报,2019,37(06):1174-1183.7王成,许建新,乔安杰.柔性化案例知识处理方法J.机械制造,2021,59(05):16.8李春磊.面向机加工艺设计过程的智能决策与工艺重用研究D.西安:西北工业大学,2017.第一作者简介：董会波，男，1984年10月生，汉族，陕西宝鸡人，硕士研究生，工程师，研究方向:制造业信息化，数字化设计、制造。（收稿日期：2023-5-16）DMM京 59-18X井产量有下降趋势，通过使用此装置进行套压的摸索，将套压值稳定在1.8MPa，使油井生产一直处于稳定状态，沉没度稳定在100米左右，日产油稳定在5.5t/d（如图6所示）。图6京59-18井生产曲线统计分析，利用改进后的定压放气阀调节控制套压，减轻员工的劳动强度，调整套压时间由1小时缩短至10分钟，员工一个人操作即可。同时，合理地控制套压，确保每口油井保持合理的液面，井筒工况得到了改善，最大限度延长了油井的生命周期。应用此装置后，作业区调整套压已累计增产200余吨。综上所述，改进后的套管定压放气阀不需要开关阀门，不需要拆装定压放气阀压帽，一次即可调至预计压力值，操作直观方便。岗位员工一个人在10分钟内即可完成调节操作，极大地提高了工作效率，减轻员工劳动强度。参考文献1吴涛,田云.抽油井套管气的回收技术研究J.云南化工,2018,45(07):138140.2佘泽华,李文华,费国兴.套管定压放气阀在抽油泵采油中的应用J.石油机械,1998(12):2526+67.3白彦锋.定压放气阀在庄211区块应用效果分析J.中国石油和化工标准与质量,2016,36(15):7677.第一作者简介：吉元强，男，1971年5月生，汉族，河南焦作人，大专，采油工，高级技师，主要研究方向：采油地面工程。（收稿日期：2023-04-15）DMM（上接第173页）177