面向飛機智能制造的工藝智能決策與知識庫技術(shù)

撰文/中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司 王　勃 杜寶瑞 趙　璐

?

面向飛機智能制造的工藝智能決策與知識庫技術(shù)

撰文/中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司 王勃 杜寶瑞 趙璐

工藝知識與決策技術(shù)是未來飛機智能制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文首先闡述了工藝知識與資源的獲取方法以及建模方法；其次，研究了工藝知能決策中的工藝知識推理與智能決策方法；最后，建立了面向飛機智能制造的工藝智能決策平臺，實現(xiàn)了典型零部件的智能化制造。

一、前言

21世紀以來，雖然知識經(jīng)濟已初見端倪，但制造業(yè)仍是經(jīng)濟的主要載體，在國民經(jīng)濟中仍占有非常重要的地位。飛機制造處于制造業(yè)的技術(shù)頂端，在新形勢下，飛機制造業(yè)不斷提升其數(shù)字化、自動化水平，并逐漸向智能制造演進。作為智能制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，智能工藝設(shè)計已成為飛機制造領(lǐng)域的研究熱點。

知識是智能的基礎(chǔ)，基于知識的工藝智能決策則是工藝設(shè)計智能化的靈魂所在，其利用現(xiàn)有知識通過人工智能手段實現(xiàn)工藝自動決策及優(yōu)化，同時不斷更新與完善工藝知識，使企業(yè)能夠更快地響應(yīng)新型產(chǎn)品的工藝需求。航空制造企業(yè)在多年的飛機研制過程中積累了豐富多樣的工藝知識。然而，現(xiàn)階段大量的知識尚無法以獨立的形式存在，而是依存于富有經(jīng)驗的工程師，或是被固化在特定的智能制造系統(tǒng)中。這使得企業(yè)無法對這些知識進行有效地維護、應(yīng)用、拓展及共享。此外，由于工藝員的水平及工作習(xí)慣不盡相同，而在工藝設(shè)計中又缺乏具有指導(dǎo)性的規(guī)范，致使相似零件選用的工藝方案及加工參數(shù)存在差異，從而容易造成產(chǎn)品加工效率低及加工質(zhì)量差等問題。因此，建立企業(yè)工藝知識庫與資源庫，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建工藝智能決策系統(tǒng)已成為智能制造中的亟待解決的關(guān)鍵問題。

國外基于知識的工藝系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)正朝著智能化方向發(fā)展。日本政府早在上世紀80年代初就設(shè)立了用于制造工藝數(shù)字化、智能化研究的專項基金，其建立的國家級數(shù)字化工藝參數(shù)庫已面向全國開放，并以此提高該國中小企業(yè)的制造工藝水平。美國和歐洲已建立了易維護、可重用的大型知識庫系統(tǒng)，影響較大的有美國軍方DARPA投資的HPKB及歐洲數(shù)國聯(lián)合開發(fā)的IBROW等。

國內(nèi)在此領(lǐng)域也已開展了卓有成效的研究。在知識庫構(gòu)建及系統(tǒng)開發(fā)方面，北京航空制造工程研究所建立了針對飛機構(gòu)件制造過程的工藝知識庫，該知識庫主要包括典型工藝、工藝參數(shù)、刀具和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等。北京航空航天大學(xué)開發(fā)了針對“機床/刀具/工件”的切削加工工藝系統(tǒng)，構(gòu)建了動態(tài)切削力、主軸功率與轉(zhuǎn)矩、工件與刀具的振動變形等工藝參數(shù)庫，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在工廠進行了推廣和應(yīng)用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過對樹脂基復(fù)合材料成型工藝決策數(shù)據(jù)分析，建立了基于粗糙集理論的復(fù)合材料成型工藝決策的知識挖掘模型，提出了一種基于知識相依性的復(fù)合材料成型工藝決策規(guī)則挖掘方法。然而，國內(nèi)目前在工藝智能決策方面仍存在明顯的不足，具體表現(xiàn)在兩個方面：一是尚未形成完整有效的工藝知識與資源庫，二是尚未實現(xiàn)基于知識的快速工藝設(shè)計。

針對上述問題，本文首先提出了工藝知識庫與資源庫的構(gòu)建方法，然后介紹了工藝智能決策的關(guān)鍵技術(shù)，最后闡述了工藝智能決策平臺的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　工藝智能決策與知識庫構(gòu)建的思路

二、工藝知識庫及資源庫體系

工藝知識是指在特定的設(shè)計制造過程環(huán)境中，經(jīng)過學(xué)習(xí)、整理、歸納及整合之后的具有統(tǒng)一結(jié)構(gòu)、普適性且可用于再生產(chǎn)的，并且本身不斷發(fā)展和改進的一種描述工藝設(shè)計過程及其相關(guān)資源的知識體系。工藝知識庫及資源庫的構(gòu)建過程從宏觀上講可分為兩個階段，即工藝知識的獲取與工藝知識的表達。

目前，航空制造企業(yè)中的工藝設(shè)計仍以經(jīng)驗型設(shè)計為主，工藝知識通常隱含或蘊藏在工藝設(shè)計系統(tǒng)的工藝參數(shù)或工藝設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗中，具有廣泛性、隱含性、多樣性、復(fù)雜性以及模糊性等特點。如何有效地獲取豐富的工藝知識是實現(xiàn)工藝設(shè)計智能化的重要技術(shù)基礎(chǔ)。在獲得工藝知識之后，還需要建立其結(jié)構(gòu)化模型，使其顯式化、邏輯化及數(shù)字化，進而使這些知識能夠在新產(chǎn)品的工藝設(shè)計中被有效地重復(fù)利用。

1.工藝知識的獲取

工藝知識主要來自于專業(yè)書籍、標準與規(guī)范、現(xiàn)行工藝文件、企業(yè)工藝數(shù)據(jù)庫及領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗等，內(nèi)容繁多，形式多樣。傳統(tǒng)上，工藝知識的收集和獲取主要依靠人工實現(xiàn)，這種方式無法保證知識的準確性和可靠性，難以捕獲到可能存在的隱性知識，而且也難以發(fā)現(xiàn)知識或數(shù)據(jù)間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，因此已難以滿足制造系統(tǒng)智能化和信息化的要求。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，當前主流的工藝知識獲取方法包括：（1）基于對象模型的工藝知識獲取。即建立工藝知識的對象模型，在模型的基礎(chǔ)上對專家知識進行分類、組織，并以概念、對象、文本和數(shù)據(jù)等形式表示出來，其核心是知識的建模。（2）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工藝知識獲取。這種方式主要應(yīng)用于工藝決策及工藝方案的自動生成方面，其關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計和學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本的準備，這兩項工作需要在大量專家經(jīng)驗和有效且完備的歷史數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行。（3）基于實例推理的工藝知識獲取。此類技術(shù)與傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)相比，獲取知識較為容易，其技術(shù)難點在于實例、修正知識及相似性評估等方面的問題。（4）基于KDD的工藝知識獲取。即利用企業(yè)工藝數(shù)據(jù)庫、資源庫，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從中分析、總結(jié)抽取工藝知識，其關(guān)鍵是建立符合工藝知識特點的挖掘算法和數(shù)據(jù)分析方法。

飛機智能制造中涉及到各類工藝知識，在知識獲取過程中應(yīng)對機加、鈑金、復(fù)材及裝配等制造流程進行全面的分析與整理。從加工對象、裝配對象的結(jié)構(gòu)性能及工藝特性出發(fā)，分析各類典型工藝，歸納工藝設(shè)計中涉及的事實參數(shù)，建立標準術(shù)語的準確定義及知識的規(guī)范性描述方法等，從工藝知識術(shù)語、流程、方法到規(guī)范性描述等多個層次對工藝知識進行詳細分類及梳理。具體包括：

（1）工藝流程及方法的梳理：對飛機制造各環(huán)節(jié)進行流程梳理，并對流程中涉及的工藝方案、加工方法、資源選擇、編程方法和資源參數(shù)等進行全面的分析與總結(jié)。

（2）標準術(shù)語整理：對工藝設(shè)計中涉及到的標準術(shù)語進行準確定義與合理分類，確保術(shù)語合理、準確且易理解，為后續(xù)工藝知識的規(guī)范描述奠定基礎(chǔ)。

（3）工藝知識的規(guī)范性描述：將工藝信息及知識進行分類，研究各類知識的規(guī)范性描述，將知識以規(guī)范化的方法進行描述，便于后續(xù)知識模型的構(gòu)建。

（4）典型工藝分析與總結(jié)：收集并整理結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工、鈑金制造、復(fù)材加工及裝配等典型工藝方案，形成各類加工對象、裝配對象的典型工藝流程、制造資源的選取方法、編程方法和加工操作方法等。

2.工藝知識的建模

傳統(tǒng)制造領(lǐng)域中常采用的工藝知識表示與建模方法主要包括謂詞邏輯法、基于規(guī)則法、框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)法、基于過程方法以及面向?qū)ο蠓ǖ取：娇罩圃祛I(lǐng)域的特點決定了其難以采用某種單一的方法有效地表達制造過程中的所有工藝知識。例如，謂詞邏輯法表達的知識具有比較嚴密的科學(xué)性，適用于確定性、陳述性和靜態(tài)性知識，但對于動態(tài)、變化、模糊的知識則很難表示。

基于本體論的方法強調(diào)領(lǐng)域知識的規(guī)范性定義，有較好的知識涵蓋和擴充性能。該方法具有良好的概念層次結(jié)構(gòu)，可對術(shù)語語義進行明確的、形式化的定義，進而實現(xiàn)邏輯推理。通過建立工藝知識本體模型來建立工藝知識及資源庫的過程如圖2所示。

圖2　基于本體的工藝知識庫框架

根據(jù)航空工藝設(shè)計的需求，需要建立的工藝知識模型主要包括如下類型：

（1）典型工藝流程模型。典型工藝流程模型主要描述采用何種形式表示結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工、鈑金制造、復(fù)材加工及裝配的典型工藝流程，以及局部的流程信息。圖3所示為某典型機加工工藝流程的層次模型。（2）典型方法模型。典型方法模型主要描述方法類的知識，例如典型特征的編程方法等。（3）事實參數(shù)模型。事實參數(shù)模型是一種對象模型，用于對結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工、鈑金制造、復(fù)材加工及裝配等環(huán)節(jié)工藝過程中的事實參數(shù)進行分類、歸納，分析其取值。如圖4所示為事實參數(shù)模型的示例。（4）規(guī)則類知識模型。規(guī)則類知識模型主要描述制造資源與加工方式的選擇方法以及編程經(jīng)驗等方法類知識，用于后續(xù)知識推理。（5）工藝資源模型。工藝資源模型是用于描述結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工、鈑金制造、復(fù)材加工及裝配等環(huán)節(jié)工藝過程中涉及到的設(shè)備、工具、工裝等資源的參數(shù)及三維模型等信息的模型，工藝資源模型可為制造資源的選擇提供基礎(chǔ)參數(shù)。（6）工藝資源仿真模型。工藝資源仿真模型主要用于工藝仿真，即在虛擬環(huán)境中驗證工藝方案，進而減少實際制造中的問題。以裝配仿真為例，需建立三維人體模型、三維工裝模型和三維工廠模型等。如圖6所示為工藝資源仿真模型示例。

圖3　工藝過程建模

圖4　事實參數(shù)建模

以飛機裝配工藝為例，在工藝知識及資源庫的構(gòu)建過程中，首先對飛機裝配過程中涉及到的知識進行分析與分類，梳理出裝配工藝知識的結(jié)構(gòu)化體系（圖7），然后構(gòu)建裝配工藝知識的本體模型，最終建成裝配工藝知識庫。知識庫的整體構(gòu)建流程如圖5所示。

圖5　裝配工藝知識本體構(gòu)建流程

圖6　工藝仿真資源模型

圖7　部件裝配工藝知識結(jié)構(gòu)化示例

三、工藝智能決策

工藝智能決策是基于工藝知識及資源庫，面向新的工藝需求，采用適當?shù)墓に囃评矸椒?，在工藝設(shè)計過程中由機器模擬人類的思維推理過程，構(gòu)建出最優(yōu)化的制造工藝。

工藝智能決策中涉及的關(guān)鍵理論及方法基礎(chǔ)包括工藝知識推理與工藝參數(shù)優(yōu)化。在這些技術(shù)基礎(chǔ)的支撐下，可實現(xiàn)基于模板的快速工藝決策，進一步實現(xiàn)工藝模板與制造資源相融合的智能工藝決策。

1.工藝知識推理

推理是指從已知的判斷出發(fā)，按照某種策略推導(dǎo)出一種新的判斷的高級思維過程。從推理方向的角度，工藝推理策略可分為正向推理與反向推理。正向推理是指由原始數(shù)據(jù)出發(fā)，按照一定的策略，依據(jù)數(shù)據(jù)庫知識，推斷出結(jié)論的方法。反向推理則是從目標出發(fā)通過推理最終得到初始數(shù)據(jù)的方法。從推理方法的角度，工藝知識推理可分為基于實例的推理與基于知識的創(chuàng)成式推理?；趯嵗耐评硪猿山M技術(shù)為基礎(chǔ)，建立零件族的典型工藝規(guī)程，并利用相似性原理來檢索現(xiàn)有工藝規(guī)程。創(chuàng)成式推理根據(jù)零件輸入信息，在推理過程中綜合應(yīng)用各種工藝決策規(guī)則進行判斷，為新的產(chǎn)品自動生成新的工藝規(guī)程。此外，還有綜合了上述兩種方法以及人工交互法的混合式推理方法等。

在工藝知識推理過程中，工藝參數(shù)選取的合理性在很大程度上決定了產(chǎn)品的制造質(zhì)量，其中參數(shù)優(yōu)化與路徑優(yōu)化是飛機制造工藝優(yōu)化的核心內(nèi)容。以數(shù)控加工為例，目前航空制造企業(yè)尚未形成有效合理的加工參數(shù)庫，往往依靠工藝員的自身經(jīng)驗決定加工參數(shù)，合理性難以保證，并且偏向保守。為此，可采用等材料切削模型對加工參數(shù)進行優(yōu)化，從而使單位時間內(nèi)刀具的切除材料體積相等，以保證刀具在加工過程中的狀態(tài)穩(wěn)定，降低刀具損耗，提高零件的加工質(zhì)量。此外，路徑優(yōu)化是關(guān)乎零件加工效率高低的另一關(guān)鍵，可采用遺傳算法、模擬退火算法、粒子群算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法對加工路徑進行優(yōu)化，并構(gòu)建路徑優(yōu)化模型。例如，在飛機結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工中，為了減少空走刀行程，可采用模擬退火法進行加工單元排序，進而提高工藝規(guī)劃質(zhì)量及加工效率。

2.工藝智能決策方法

工藝智能決策可分為兩個層次，即基于工藝模板的快速工藝決策以及工藝模板與制造資源相融合的工藝智能決策。

基于工藝模板的快速工藝決策是指在工藝模板基礎(chǔ)上，通過可視化、圖形化且便捷化的方式實現(xiàn)工藝決策模型的自定義，實現(xiàn)模型驅(qū)動的工藝快速決策。以數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件為例，為保證工藝設(shè)計質(zhì)量，結(jié)構(gòu)相似的零件應(yīng)選用相似的工藝方案，因此，針對典型零件的加工工藝，首先建立如圖3所示的加工方案模型。在工藝設(shè)計過程中，只需要交互指定機床、刀具和工裝等加工資源的參數(shù)即可完成工藝設(shè)計。

工藝模板與制造資源相融合的工藝智能決策是指，通過讀取產(chǎn)品MBD模型中的工藝要求，結(jié)合產(chǎn)品三維模型的特征識別結(jié)果，自動選擇工藝模板及制造資源，并且將模板與資源進行深度融合，進而實現(xiàn)工藝的自動決策。同時，通過建立一定的規(guī)則，對工藝方案的有效性進行檢查。如圖8所示為工藝智能決策流程。

圖8　工藝智能決策流程

四、工藝智能決策平臺

在前述技術(shù)基礎(chǔ)上，可建立面向飛機智能制造的工藝智能決策平臺，實現(xiàn)典型零部件的智能化制造。平臺中主要包括工藝知識及資源庫、工藝知識及資源關(guān)系系統(tǒng)、工藝智能決策系統(tǒng)以及智能化應(yīng)用系統(tǒng)等關(guān)鍵構(gòu)成部分。

1.工藝知識及資源庫

工藝知識及資源庫為決策平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，其中工藝知識庫包括工藝模板庫、工藝方案庫、規(guī)則類庫、參數(shù)優(yōu)化庫和事實參數(shù)庫等；工藝資源庫包括機床參數(shù)庫、切削參數(shù)庫、工裝標準件庫、刀具參數(shù)庫、三維仿真模型庫、工裝標準件及典型件庫及工件材料庫等。工藝知識庫及資源庫通過特定的數(shù)據(jù)接口與系統(tǒng)各功能模塊進行數(shù)據(jù)交換。

2.工藝知識及資源管理系統(tǒng)

工藝知識及資源管理系統(tǒng)以飛機制造的工藝流程為中心，對工藝知識及資源庫中的知識進行統(tǒng)一管理，使其成為統(tǒng)一、多層次、可重用且科學(xué)的工藝知識體系。管理平臺可對工藝知識及資源進行檢索、插入、刪除以及修改等操作。為了提高工藝設(shè)計效率，該系統(tǒng)提供了多樣化的知識檢索手段，例如分類檢索、關(guān)鍵字檢索、語義檢索以及實例檢索等。此外，對于知識的管理，系統(tǒng)對普通用戶、高級用戶以及管理員用戶分別設(shè)定了不同的權(quán)限。普通用戶具有只讀權(quán)限，高級用戶和超級用戶都具有管理員權(quán)限，但超級用戶比高級用戶擁有更高的權(quán)限。

3.工藝智能決策系統(tǒng)

基于知識的工藝智能決策系統(tǒng)中實現(xiàn)了大量的工藝知識推理方法及工藝參數(shù)優(yōu)化方法，形成了面向飛機制造的工藝推理機制與決策邏輯策略，可實現(xiàn)基于模板的工藝快速設(shè)計以及基于模板與資源融合的工藝自動設(shè)計。

在工藝智能決策過程中，首先從零件MBD模型中提取幾何信息、材料信息、產(chǎn)品性能要求及工藝要求等，依據(jù)這些輸入信息有選擇性地訪問工藝知識及資源庫；然后通過檢取到的規(guī)則類知識推理出所需的工藝模板、機床、刀具、工裝和切削參數(shù)等，并借助優(yōu)化模型及算法對初選結(jié)果進行優(yōu)化選擇；然后根據(jù)映射關(guān)系將工藝模板與各類制造資源進行深度融合，將制造資源分配到對應(yīng)的工序及工步中；最后經(jīng)過有效性檢查等自動校驗過程，推理出結(jié)構(gòu)件的合理工藝方案。

4.智能化應(yīng)用系統(tǒng)

知識庫的強大不僅在于它能夠為工藝決策提供豐富的知識支撐，而且在于它具有自學(xué)習(xí)與自維護的能力，能夠使其在應(yīng)用過程中不斷更新、完善與拓展。在工藝決策過程中，系統(tǒng)可記錄新的工藝知識及工藝決策方案，在用戶允許的情況下將其添加至工藝知識庫。隨著知識庫中新知識的不斷加入，知識庫中各知識單元之間的相互影響與聯(lián)系隨之變得復(fù)雜。為此，系統(tǒng)提供了對知識的自維護功能，對新加入的知識可進行正確性、一致性及完備性檢查維護。知識的正確性維護即檢查知識庫是否能夠推理出合理的工藝；一致性維護即檢查知識單元記錄格式的標準化和規(guī)范化，以及檢查知識之間是否存在冗余、矛盾和循環(huán)等錯誤；完備性維護主要是排除由于多余輸入或死節(jié)點或編碼遺漏所造成的知識缺失。

五、結(jié)語

智能制造是信息化與工業(yè)化兩化深度融合的重要體現(xiàn)，工藝智能決策與知識庫技術(shù)則是實現(xiàn)智能制造的一項關(guān)鍵技術(shù)。將專家的工藝設(shè)計經(jīng)驗知識進行結(jié)構(gòu)化存儲，并基于此實現(xiàn)工藝快速及智能化決策，可以顯著提升工藝設(shè)計的規(guī)范化水平，提高工藝設(shè)計效率和產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量。同時，由于工藝知識可以有效繼承、重用與拓展，在企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及提升企業(yè)核心競爭力方面將起到不可估量的作用。