面向航空制造加工工藝的知識(shí)工程方法研究

汪禛旸

? 一、前言

計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)呈現(xiàn)的平臺(tái)系統(tǒng)化發(fā)展趨勢(shì)，是否能夠?yàn)橛脩籼峁┮粋€(gè)綜合性、集成化、網(wǎng)絡(luò)化以及多部門協(xié)同操作的功能將成為計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)的應(yīng)用需求已經(jīng)被大部分企業(yè)認(rèn)可，成為該計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)是否具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和生命力的重要考核指標(biāo)。簡(jiǎn)單的將現(xiàn)有的人工智能技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)相結(jié)合是不足以滿足制造業(yè)對(duì)輔助技術(shù)的需求。因此，深入研究人類知識(shí)傳承模型，并通過(guò)高科技技術(shù)模擬這一過(guò)程成為學(xué)術(shù)研究者的寵兒。實(shí)現(xiàn)這一模型的智能化計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)更成為技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。知識(shí)工程以專家系統(tǒng)、知識(shí)驅(qū)動(dòng)為建模基礎(chǔ)。并在此基礎(chǔ)上衍生出知識(shí)獲取、知識(shí)推理的技術(shù)特點(diǎn)。該技術(shù)使得根據(jù)用戶的特定需求（尺寸、參數(shù)化設(shè)計(jì)等）進(jìn)行判斷并自動(dòng)處理成為可能。

需要強(qiáng)調(diào)的是，工藝幾何特征和工藝特征之間缺乏必備的相關(guān)性。因此深入研究這兩者之間的依存關(guān)系是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)自動(dòng)化編程的關(guān)鍵。知識(shí)工程通過(guò)總結(jié)典型工程設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，提取特征函數(shù)，構(gòu)建成一個(gè)可以重復(fù)利用的知識(shí)庫(kù)，同時(shí)通過(guò)修改工藝庫(kù)中的參數(shù)進(jìn)行庫(kù)文件。知識(shí)工程（涵蓋知識(shí)獲取、知識(shí)管理、知識(shí)應(yīng)用、集成等模塊）與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，是相關(guān)產(chǎn)業(yè)的新一代發(fā)展趨勢(shì)。

? 二、航空制造加工工藝的知識(shí)分類體系

知識(shí)分類是知識(shí)管理的基礎(chǔ)和前提，也是未來(lái)的信息化系統(tǒng)中進(jìn)行知識(shí)導(dǎo)航、屬性標(biāo)定、知識(shí)展示的基礎(chǔ)。不同企業(yè)對(duì)于知識(shí)分類的維度有不同的認(rèn)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)研制（研發(fā)及制造）企業(yè)需要結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況，選擇知識(shí)分類維度，構(gòu)建自己的知識(shí)多維分類管理體系。

分類的標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果不是固定的，一定會(huì)隨著業(yè)務(wù)的調(diào)整而發(fā)生變化。結(jié)合知識(shí)管理標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐，進(jìn)行知識(shí)的多維管理體系的構(gòu)建，在離散制造企業(yè)中，知識(shí)分類要充分考慮產(chǎn)品研制的流程，因?yàn)橹R(shí)需要應(yīng)用到相應(yīng)的流程中。

如上所述，工藝知識(shí)具備相當(dāng)?shù)膶I(yè)特性，同時(shí)由于信息化建設(shè)、技術(shù)革新等因素，工藝知識(shí)的分類方法需要充分考慮知識(shí)的實(shí)用性和擴(kuò)展性，需要保障企業(yè)在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的分類體系，能夠支持未來(lái)的知識(shí)管理及應(yīng)用模式。因此，下圖1展現(xiàn)了工藝知識(shí)分類的大體情況。企業(yè)實(shí)際的知識(shí)分類需要根據(jù)企業(yè)工藝知識(shí)及管理模式進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

圖1 工藝知識(shí)分類

? 三、面向航空制造加工工藝的知識(shí)工程關(guān)鍵技術(shù)

航空制造加工工藝中往往存在老師傅的工藝經(jīng)驗(yàn)無(wú)法完全復(fù)制的問(wèn)題。剛接手的工作人員需要從最基本的軟件操作、參數(shù)設(shè)置開(kāi)始學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程經(jīng)驗(yàn)積累才能熟練掌握航空制造加工工藝。這導(dǎo)致員工的培養(yǎng)成本居高不下。新手常犯的加工錯(cuò)誤也往往導(dǎo)致企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本的大幅度增高。為此，本文將圍繞如何繼承加工經(jīng)驗(yàn)展開(kāi)研究，針對(duì)航空制造加工工藝經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)通用性參數(shù)，利用知識(shí)工程技術(shù)，通過(guò)知識(shí)獲取、知識(shí)表示、知識(shí)推理和知識(shí)管理等關(guān)鍵技術(shù)手段，為航空制造加工工藝探討一種可行的方案實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)的繼承與管理。

（一）知識(shí)工程的含義分析

知識(shí)工程是一種以知識(shí)為核心驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化工程決策工具。它能夠?qū)こ虇?wèn)題提供優(yōu)化解決方案，幫助從業(yè)人員最大限度的重復(fù)勞動(dòng)。

綜合來(lái)看，面向航空制造加工工藝的知識(shí)工程需要構(gòu)建的核心內(nèi)容為：

1.管理體系的建立。知識(shí)工程平臺(tái)的建立基礎(chǔ)一定是面向特定管理需求和技術(shù)場(chǎng)景的，因此需要在平臺(tái)搭建之初就定義一套能支撐系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用的制度保障和組織模式。

2.系統(tǒng)建設(shè)。知識(shí)工程平臺(tái)是一個(gè)信息化技術(shù)平臺(tái)，管理著企業(yè)的核心資產(chǎn)，特別是本文中所述的航空制造加工工藝內(nèi)容。

3.資源分類。工藝知識(shí)管理系統(tǒng)核心管理航空制造加工相關(guān)知識(shí)，因此需要為所管理的技術(shù)內(nèi)容構(gòu)建統(tǒng)一的分類體系和標(biāo)簽標(biāo)定機(jī)制，實(shí)現(xiàn)未來(lái)知識(shí)條目的良好導(dǎo)航和快速獲取。

4.知識(shí)應(yīng)用環(huán)境。知識(shí)管理系統(tǒng)建設(shè)不是為了靜態(tài)的管理知識(shí)，而是為了提高知識(shí)的應(yīng)用性，支持業(yè)務(wù)環(huán)境，因此需要基于系統(tǒng)構(gòu)建多種應(yīng)用模式來(lái)支持當(dāng)前及未來(lái)的應(yīng)用需求。

以下通過(guò)對(duì)飛機(jī)制造過(guò)程中裝配工藝、鈑金工藝的分析，總結(jié)出裝配過(guò)程中所需要的通用性參數(shù)：

（二）面向航空制造的裝配工藝設(shè)計(jì)分析

飛機(jī)機(jī)體是由各種大部件對(duì)接而成的，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求嚴(yán)格，為保證裝配工作順利進(jìn)行，必須進(jìn)行部件裝配工藝設(shè)計(jì)。部件裝配工藝設(shè)計(jì)主要解決：如何合理地劃分裝配單元和制定裝配路線;保證裝配準(zhǔn)確度的理論和方法;裝配時(shí)工件的定位方法;裝配中所采用的各種連接技術(shù)。各種結(jié)構(gòu)的裝配方法和過(guò)程：裝配型架的構(gòu)造與制造技術(shù);保證工藝裝備之間協(xié)調(diào)的原理和方法等問(wèn)題。主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1）裝配單元的劃分。（2）確定裝配基準(zhǔn)和裝配定位方法。（3）選擇保證準(zhǔn)確度、互換性和裝配協(xié)調(diào)的工藝方法。（4）確定各裝配元素的供應(yīng)技術(shù)狀態(tài)。（5）確定裝配過(guò)程中的工序、工步組成和各構(gòu)造元素的裝配順序。（6）選定所需的工具、設(shè)備和工藝裝備。（7）零件、標(biāo)準(zhǔn)件、材料的配套。

（三）面向航空制造的鈑金工藝設(shè)計(jì)分析

鈑金工藝，利用材料的可塑性，采用冷壓技術(shù)把毛料形成各種零件的工藝。該工藝是航空制造工程的重要組成部分。需要強(qiáng)調(diào)的是，現(xiàn)代飛機(jī)的殼體主要是鈑金鉚接結(jié)構(gòu)。航空鈑金類零件分類是根據(jù)零件的相似性，按照一定的原則對(duì)零件分類。相似性分為材料相似性、工藝相似性和結(jié)構(gòu)相似性。材料相似性是指材料品種、狀態(tài)的相似形;工藝相似性是指零件的加工方法、工藝裝備和使用設(shè)備的相似性;結(jié)構(gòu)相似性是指零件尺寸、形狀、使用部位以及零件上所具有的結(jié)構(gòu)要素的相似性。在文件的設(shè)計(jì)中，鈑金制造工藝包括：工藝分類、工藝方法、工藝方式、 工藝參數(shù)、成形系數(shù)、成形極限、工藝缺陷、工藝要求。

? 四、面向航空制造加工工藝的知識(shí)獲取

知識(shí)獲取就是從具體從業(yè)人員處獲取專業(yè)背景知識(shí)，并將其轉(zhuǎn)化輸入廣義知識(shí)庫(kù)的過(guò)程。如何實(shí)現(xiàn)知識(shí)獲取是知識(shí)工程核心難點(diǎn)之一。在此基礎(chǔ)上，這些技術(shù)會(huì)幫助系統(tǒng)尋找各個(gè)數(shù)據(jù)間的相關(guān)性。遺憾的是，目前這些知識(shí)獲取技術(shù)尚處于研究階段。知識(shí)獲取是構(gòu)建知識(shí)工程系統(tǒng)的“瓶頸”。換句話說(shuō)，理論上知識(shí)工程系統(tǒng)應(yīng)該具備自學(xué)習(xí)功能。事實(shí)上，截至目前，機(jī)器學(xué)習(xí)還沒(méi)有達(dá)到那么高的水平?？紤]到可實(shí)現(xiàn)性和可靠性，本文所構(gòu)建的面向航空制造加工工藝的知識(shí)工程系統(tǒng)主要通過(guò)人機(jī)對(duì)話，先將行業(yè)專家對(duì)領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)知識(shí)存到程序中去，再進(jìn)行符合邏輯的知識(shí)管理、擴(kuò)展和衍生，即實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)知識(shí)獲取。

對(duì)于面向航空制造加工工藝的知識(shí)工程而言，航空制造加工工藝知識(shí)庫(kù)是工藝知識(shí)資源的管理中心。所以，在本文先將用于企業(yè)在日常的產(chǎn)品研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)環(huán)節(jié)所形成的航空制造加工工藝相關(guān)技術(shù)訣竅、經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)資料進(jìn)行總結(jié)、轉(zhuǎn)化、采集輸入系統(tǒng)平臺(tái)，形成面向航空制造加工工藝的知識(shí)資源中心。其具體的細(xì)節(jié)如下：

（一）新建知識(shí)

新建知識(shí)是指用戶創(chuàng)建上傳一天新的知識(shí)條目，系統(tǒng)根據(jù)不同的知識(shí)分類提供的不同類型知識(shí)模板，不同的知識(shí)模板展示不同的知識(shí)屬性，用戶根據(jù)知識(shí)內(nèi)容得要求，填寫知識(shí)內(nèi)容，包括標(biāo)題、關(guān)鍵字、摘要、分類、專業(yè)、知識(shí)附件等內(nèi)容。詳見(jiàn)圖2。

圖2 上傳知識(shí)

（二）知識(shí)采集

除了通用的知識(shí)上傳功能外，為保障多種類型的知識(shí)入庫(kù)，系統(tǒng)還提供了：

a）圖片識(shí)別：能夠從圖片文件（bmp，jpeg，pdf）中讀取印刷體文字信息。并將識(shí)別內(nèi)容自動(dòng)填充到知識(shí)模板中，形成知識(shí)條目的基本信息，并支持用戶手動(dòng)調(diào)整。

b）知識(shí)解析：支持各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)根據(jù)知識(shí)模板形成特定知識(shí)內(nèi)容的json、xml內(nèi)容，并通過(guò)知識(shí)調(diào)取知識(shí)模板服務(wù)，或者離線將文本內(nèi)容導(dǎo)入知識(shí)庫(kù)，快速形成知識(shí)條目。

c）知識(shí)標(biāo)記：用戶可通過(guò)筆記界面單條提交條目類知識(shí);支持筆記類知識(shí)的標(biāo)簽功能。

d）知識(shí)接口：支持與第三方知識(shí)數(shù)據(jù)源的集成，能夠?qū)⒌谌街R(shí)數(shù)據(jù)源的內(nèi)容提取過(guò)來(lái)。系統(tǒng)支持外部系統(tǒng)通過(guò)webservices調(diào)取知識(shí)生產(chǎn)接口，也支持開(kāi)放數(shù)據(jù)源與知識(shí)模板及屬性的映射集成。

（三）知識(shí)審批

知識(shí)管理系統(tǒng)一方面是企業(yè)的技術(shù)資源中心，負(fù)責(zé)這各類知識(shí)條目的管理，一方面由于其知識(shí)獲取方式的多樣靈活，入庫(kù)的知識(shí)是否能夠滿足管理要求，是否能夠起到支撐業(yè)務(wù)的作用，特別是一些關(guān)鍵的航空制造加工工藝參數(shù)知識(shí)，如果發(fā)生錯(cuò)誤，將會(huì)給企業(yè)帶來(lái)非常不利的影響，因此需要通過(guò)審批機(jī)制，借助信息化流程和企業(yè)專家的智慧，對(duì)入庫(kù)的知識(shí)進(jìn)行審核、分解、評(píng)價(jià)，從而對(duì)知識(shí)內(nèi)容有一個(gè)可靠性的識(shí)別。系統(tǒng)支持靈活的審批流程配置，不同的審批流程關(guān)聯(lián)不同的知識(shí)分類。

（四）文件管理

文件是企業(yè)最常見(jiàn)、最重要的技術(shù)資源載體和知識(shí)形態(tài)。對(duì)于航空制造加工工藝而言，大量的模型、圖紙、參數(shù)等，都是依賴文件進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，因此對(duì)文件的有效管理是知識(shí)管理重要的管理對(duì)象內(nèi)容。詳見(jiàn)圖3。

圖3 文件管理

文件夾是常見(jiàn)的，也是有效的文件組織形式，符合一般用戶的常規(guī)辦公場(chǎng)景模式，具有非常好的人機(jī)交互體驗(yàn)。另外，文件夾本身也是分類、授權(quán)的中介，通過(guò)文件夾級(jí)別的權(quán)限配置，也可以起到技術(shù)資源安全管理的目的。如圖4所示。

圖4 上傳文件

? 五、面向航空制造加工工藝的系統(tǒng)集成

內(nèi)部部署著多個(gè)業(yè)務(wù)、管理系統(tǒng)或平臺(tái)，支撐著整個(gè)產(chǎn)品研制活動(dòng)有序進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)海量知識(shí)的聚集管理與應(yīng)用，知識(shí)管理系統(tǒng)提供開(kāi)放、通用的集成手段，來(lái)講各個(gè)分散業(yè)務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)資源，按照統(tǒng)一的管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匯集，形成更大范圍內(nèi)容技術(shù)知識(shí)中心。系統(tǒng)需具備標(biāo)準(zhǔn)的Webservice接口，能夠?yàn)橥獠啃畔⑾到y(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

圖5 系統(tǒng)集成

如圖5所示，系統(tǒng)建設(shè)中，對(duì)于開(kāi)發(fā)編碼要求，文件的命名、備份以及接口運(yùn)行日志的收集規(guī)則，接口開(kāi)發(fā)時(shí)均遵守企業(yè)內(nèi)部接口開(kāi)發(fā)規(guī)范及要求。集成策略主要包括：合規(guī)性集成、統(tǒng)一提示、靜態(tài)資源集成。

? 六、結(jié)論

本文深入分析了知識(shí)工程技術(shù)的基本思想，結(jié)合航空制造加工工藝的特點(diǎn)，主要介紹了面向航空制造加工工藝的知識(shí)工程關(guān)鍵技術(shù)。在介紹知識(shí)工程的基本概念的基礎(chǔ)上，通過(guò)知識(shí)獲取等關(guān)鍵技術(shù)手段，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和知識(shí)重用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為國(guó)內(nèi)外其他航空制造企業(yè)在工藝知識(shí)管理及應(yīng)用方面提供一定的參考依據(jù)。

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