基于知識圖譜的飛機制造工藝路線推薦方法研究

郭興勇，盛國紅，舒鑾理，常芬芬

（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，四川成都 610092）

0 引言

飛機制造過程中，工藝流程規(guī)劃是溝通設計數據與制造數據的橋梁[1]，所產生的工藝路線直接影響飛機研制周期和質量。隨著飛機設計過程以MBD（Model Based Definition，基于模型定義）技術輸出三維實體模型，實現了在CAD三維實體模型中完整表達出產品設計信息，三維實體模型已成為當代飛機生產制造過程的唯一依據[2]。在飛機研制以二維圖紙作為唯一依據時，工藝人員需要通過解讀二維圖紙來提取設計信息，主要依據個人經驗判斷產品工藝路線，實現工藝流程規(guī)劃，存在工藝流程規(guī)劃效率低，工藝路線質量參差不齊，響應不及時等問題。

在面對新型飛機研制需求時，敏捷制造已成為飛機制造企業(yè)的核心競爭力之一。要實現對生產需求和設計更改的快速響應，使企業(yè)具備敏捷制造能力[3]，重點是要提升制造數據源頭的工藝流程規(guī)劃能力。本文通過分類和提取歷代飛機制造工藝流程規(guī)劃經驗知識，分析工藝路線更改和優(yōu)化過程的影響因素，構建飛機制造工藝流程規(guī)劃的知識圖譜，建立基于知識圖譜的工藝路線推薦方法，快速讀取和分解基于MBD的設計數據，依據推薦方法獲取最優(yōu)工藝路線，構建標準化的制造數據，提高飛機研制質量及效率，提升飛機制造企業(yè)的敏捷競爭力。

1 飛機制造工藝流程規(guī)劃知識的分類與提取

1.1 工藝流程規(guī)劃現狀

飛機設計數據主要有產品裝配結構、零組件組成關系、零組件材料與幾何尺寸、設計制造要求，通過設計物料清單（EBOM）來反映產品屬性和零組件間設計關系與要求[4]。飛機制造企業(yè)使用計劃物料清單（PBOM）組織科研生產，通過工藝流程規(guī)劃實現對EBOM的處理，形成飛機制造所需的部分設計屬性信息，以及工藝組合件和零組件工藝路線等工藝信息，發(fā)布反映生產交付順序、單裝數量等信息的物料清單。

在當代飛機研制過程中，飛機制造企業(yè)嘗試使用制造物料清單（MBOM）組織科研生產，構建EBOM—PBOM—MBOM工藝流程規(guī)劃，如圖1所示。

圖1 EBOM—PBOM—MBOM工藝流程規(guī)劃

從二代機、二代半到三代機的研制批產，設計數據都是以二維圖紙為唯一依據，導致工藝流程規(guī)劃一直沿用歷史經驗，未進行較大變動。工藝流程規(guī)劃依據規(guī)范未統(tǒng)一，工藝路線效率及質量受工藝人員能力水平影響較大。專業(yè)廠在不同時期的生產需求與能力有所不同，導致工藝路線數據更改頻繁，數據狀態(tài)跟蹤困難，維護工作量較大。

隨著飛機的革新換代，飛機制造行業(yè)逐漸進入數字化、信息化進程，企業(yè)對制造數據與設計數據的依存性和關聯性逐步加強[5]，新研機型以三維實體模型為制造依據，研制周期大幅縮短，工藝人員的工作經驗和能力水平不足以應對當前局勢，亟需通過計算機輔助獲取產品工藝路線推薦，以提高工藝流程規(guī)劃的效率和質量。

1.2 工藝流程規(guī)劃知識資源的分類

飛機制造過程工藝流程規(guī)劃知識的來源主要以技術要求、規(guī)范標準、協調要求為主，其數據存儲為紙質文檔、電子文檔、圖片、郵件等多種形式。按照資源數據的存儲和管理方式可以將工藝流程規(guī)劃知識資源劃分為結構化數據、半結構化數據和非結構化數據（表1）。

表1 飛機制造工藝流程規(guī)劃知識的來源

1.3 工藝流程規(guī)劃知識資源的歸納

將工藝流程規(guī)劃知識資源定義為PKR（Process Planning Knowledge Resources），通過對多源異構的工藝流程規(guī)劃知識資源分析、歸納、分類與總結，形成支撐飛機制造工藝流程規(guī)劃的數據庫[6]?？蓪KR歸納為工藝流程規(guī)劃對象類、工藝類、管理類和經驗類，可記為：=，其中，O表示工藝流程規(guī)劃對象類知識資源，P表示工藝流程規(guī)劃工藝類知識資源，M表示工藝流程規(guī)劃管理類知識資源，E表示工藝流程規(guī)劃經驗類知識資源，如表2所示。PKR的豐富可以為飛機制造工藝流程規(guī)劃知識實體、屬性、關系抽取等提供較為全面的底層數據支持，也可以構成飛機制造工藝流程規(guī)劃知識體系。

表2 飛機制造工藝流程規(guī)劃知識資源歸納

2 基于知識圖譜的飛機制造工藝路線推薦方法研究

飛機制造過程的工藝路線往往是多層次、多因素共同作用的結果，僅依靠企業(yè)制定的企業(yè)標準難以全面準確地完成工藝流程設計。通過應用知識圖譜的關鍵技術，充分發(fā)揮其構建知識網絡與展現知識的巨大優(yōu)勢[7]，為飛機制造過程中復雜的工藝路線知識資源提供一種新的分類、歸納、提取、存儲、組織、管理、更新和應用的手段?；谥R圖譜的飛機制造工藝路線推薦方法可理解為將設計發(fā)布的三維實體數模解析為標準的數據集，知識推薦方法依據知識數據庫自動推薦最合適的工藝路線，輔助工藝人員高效優(yōu)質地完成產品的工藝流程規(guī)劃。

2.1 工藝流程規(guī)劃知識圖譜的構建

飛機制造工藝流程規(guī)劃知識圖譜的構建過程主要包含知識提取、知識圖譜結構搭建、知識沉淀融合、知識推薦表達等4個方面，如圖2所示。

圖2 知識圖譜構建與推薦流程

知識提取過程將獲取到的飛機制造工藝流程規(guī)劃知識資源進行識別、分類和歸納提取，以支持模式層構建和數據層內容填充。通過構建基本模式層和拓展模式層實現模式層的融合互通，提高知識圖譜構建的完整性和準確性，最終形成以模式層融合為核心[8]，產品工藝路線實例為知識載體的工藝路線推薦方法。

智能樓宇應用根據系統(tǒng)功能的不同可以分為安全防護、綠色節(jié)能和高效便捷三大類[6]：①安全防護包括視頻監(jiān)控、入侵監(jiān)測、火災探測及報警、（車輛及人員）出入口控制以及應急響應等；②綠色節(jié)能包括制冷制熱、電器照明控制、環(huán)境監(jiān)測和能耗統(tǒng)計分析等；③高效便捷包括公共廣播、智能會議、訪客管理、信息引導及發(fā)布、資產管理等。

2.2 工藝流程規(guī)劃知識的分層提取

工藝流程規(guī)劃知識的分層提取主要是對收集的多源異構資源進行分類、歸納，按設定的知識規(guī)則提取輸出的知識實體集合或關系集合。通過梳理飛機制造工藝流程規(guī)劃過程，理清活動節(jié)點和審簽流程，解析影響工藝路線的多項外部因素，抽取工藝流程規(guī)劃的歷代經驗知識，進而編制標準化的作業(yè)表單，優(yōu)化工藝路線分工流程，制定工藝流程規(guī)劃原則。

2.2.1 基于PDM的知識編碼

飛機制造企業(yè)通過應用PDM（Product Data Management，產品數據管理）系統(tǒng)有機結合EBOM—PBOM—MBOM的產品數據轉換，實現對產品從設計信息到生產信息、制造信息的高效集成管理[9]。PDM系統(tǒng)的部署要求成系統(tǒng)的技術要求和管理規(guī)范，而工藝流程規(guī)劃作為整個飛機制造數據的源頭，制定相應的編碼規(guī)則，能夠有效提高工藝流程規(guī)劃的標準化水平，強化工藝數據管理效率。

資源數據中對企業(yè)各專業(yè)廠指定由3位數組成的代碼，使工藝路線數據標準化、簡潔化，有效縮小制造數據管理維護規(guī)模。

2.2.2 基于MBD的數據模型

隨著飛機設計過程MBD技術的應用，實現了在三維實體模型中完整表達出產品設計信息，如產品結構特征、尺寸、公差、特殊過程等設計數據。

產品的設計三維實體模型通過PDM系統(tǒng)發(fā)布后，工藝人員即可開始該產品的工藝流程規(guī)劃，構建產品的設計數據模型，如圖3所示。利用CATIA軟件可快速導出包含產品信息、原材料信息、設計要求、附件信息等數據的物料清單，為工藝人員提供準確可靠的產品設計信息。

圖3 基于MBD的設計數據模型

2.3 基于知識圖譜的工藝路線推薦

2.3.1 基礎規(guī)則函數

根據飛機制造工藝流程規(guī)劃知識，將歸納總結得到的工藝路線分工規(guī)則轉換為函數，實現對飛機制造工藝路線的推薦算法。

表3是根據工藝流程規(guī)劃分離面確定的設計關系、制造關系、裝配關系、界面關系，通過提取經驗數據為函數匹配不同的權重，確定工藝流程規(guī)劃的推薦算法函數：

表3 飛機制造工藝路線分工規(guī)則表

式中，x是零組件、成品、標準件等對象的制造裝配順序，α（x1）、β（x2）、γ（x3）、δ（x4）分別為不同工藝路線分工趨勢時的對應函數。

2.3.2 工藝組合規(guī)則

飛機制造過程中，因部分產品對制造工藝有特殊要求，使得這類組件不能完全按照設計圖紙要求交付下游單位，工藝人員依據工藝組合規(guī)則重新制定新組件，即是工藝組合件。工藝組合件與零組件的工藝路線分工等生產信息一起構成PBOM、MBOM數據，關系如圖4所示，工藝組合件建立的正確性，直接影響到飛機制造過程零組件流轉效率。

圖4 工藝組合件與零組件工藝路線關系

編制工藝組合件時，工藝人員篩選出不能滿足制造工藝要求的組件，利用PDM系統(tǒng)在PBOM數據中對EBOM產品結構進行修改，將其所屬件作增加或刪減等改變，重新定義零組件結構關系，形成工藝組合件。

2.4 實例分析

在某型飛機研制過程中，設計圖紙為基于MBD的三維實體模型，選取左平尾作為基于知識圖譜的飛機制造工藝路線推薦方法的實例應用。通過CATIA軟件實現對三維實體模型設計數據的提取，將設計數據導入到基于知識圖譜的工藝路線推薦函數中，迭代更新制造單位生產資源、零組件工藝技術能力及生產周期等參數，得到工藝路線推薦分工數據，形成16項零組件及4項工藝組合件工藝路線數據（表4）。

表4 左平尾工藝路線推薦示例

同時，右平尾工藝流程規(guī)劃仍沿用以往方法，耗時21 h。通過應用基于知識圖譜的飛機制造工藝路線推薦方法，左平尾工藝流程規(guī)劃周期降低至7 h，作業(yè)效率提升66.67%，工藝路線正確率達到97.4%，提高了飛機制造工藝流程規(guī)劃效率及質量，縮短了飛機研制周期。

3 結論

現代飛機研制要求飛機制造企業(yè)具有快速研制、小批量多品種、敏捷制造等能力，對工藝水平具有極高的要求。通過研究基于知識圖譜的飛機制造工藝路線推薦方法，構建工藝流程規(guī)劃知識圖譜，結合多種數據應用軟件實現對飛機設計圖紙的數據提取和分解，提高了工藝流程規(guī)劃的效率和質量，有效解決了工藝路線作為鏈接設計資源與生產資源的瓶頸問題，縮短了飛機制造周期，提升了飛機制造企業(yè)的敏捷競爭力。