余仁忠，余心宏

(西北工業(yè)大學材料學院，陜西 西安 710072)

0 前言

隨著整個社會對知識的需求日益高漲和信息技術(shù)對知識的處理能力不斷提高，現(xiàn)代制造系統(tǒng)越來越呈現(xiàn)基于知識系統(tǒng)的特征，作為機械制造業(yè)支柱之一的鍛造行業(yè)這種情況更是突出［1］。

目前，鍛件產(chǎn)品開發(fā)存在著如下問題:①鍛件產(chǎn)品開發(fā)過程比較松散，缺乏專業(yè)的開發(fā)模式;②以前的開發(fā)過程中產(chǎn)生的專業(yè)數(shù)據(jù)缺乏有組織的、系統(tǒng)的管理，影響了對這些鍛件開發(fā)知識的重用;③鍛件產(chǎn)品開發(fā)側(cè)重于經(jīng)驗設計和實驗設計，難以突破經(jīng)驗局限［2-4］。因此，需要對鍛件開發(fā)知識進行獲取、表達、組織、共享、檢索、運用及更新［5-7］，構(gòu)建鍛件產(chǎn)品開發(fā)平臺，合理管理和重用已有的知識資源，重視知識創(chuàng)新，為設計人員能夠快速獲取和應用知識提供重要保證。

1 鍛件產(chǎn)品開發(fā)知識建模

基于知識的鍛件產(chǎn)品開發(fā)必須將知識重用和開發(fā)過程相結(jié)合，通過知識和開發(fā)各階段的融合，使鍛件產(chǎn)品開發(fā)在知識的指導下進行，盡量減少鍛件新品的設計開發(fā)時間，提高開發(fā)的成功率。鍛件產(chǎn)品開發(fā)包括鍛件圖的制訂、鍛造設備的選擇、鍛造工藝設計、鍛件的制坯和鍛模的設計等。設計人員根據(jù)鍛件的外部形狀、材料及其應用領(lǐng)域，確定鍛件產(chǎn)品開發(fā)的批量、主要尺寸和一些性能參數(shù)。通過對基于知識的鍛件產(chǎn)品開發(fā)流程分析可知，在鍛件的不同開發(fā)階段會使用到不同類型的知識，每個階段應用相應的開發(fā)工具和知識完成階段性的開發(fā)任務。因此，從鍛件產(chǎn)品開發(fā)過程中涉及到的人員、工具和知識出發(fā)，可定義出3種典型鍛件開發(fā)知識:領(lǐng)域知識、實例知識和設計歷史知識，其具體知識框架如圖1所示。

圖1 鍛件產(chǎn)品開發(fā)知識Fig.1 Development knowledge for forged pieces

1.1 領(lǐng)域知識庫

鍛造行業(yè)的領(lǐng)域知識復雜多樣，包括:①標準、規(guī)范、手冊、專利和文獻等文檔資料;②技術(shù)總結(jié)資料如試制報告、工藝指導文件、工藝說明書、通用工藝規(guī)程和故障分析報告等;③鍛件材料冶金信息如材料基本信息、材料冶金方法、材料的化學成分、材料的鍛造工藝特性和材料的熱處理工藝特性等;④鍛造工藝知識如工藝基礎數(shù)據(jù) (常用術(shù)語、特殊符號、工藝標準和工藝手冊等)、工藝資源數(shù)據(jù) (鍛床、模具、加熱爐和工裝等)、模型數(shù)據(jù) (產(chǎn)品零件、工藝、工序等)和決策知識;⑤質(zhì)量問題處理報告 (包括綜合質(zhì)量問題處理報告和專項質(zhì)量問題處理報告);⑥新工藝、新技術(shù)和新方法;⑦模擬分析數(shù)據(jù)如材料流動、模具填充、鍛造負荷、模具應力、晶粒流動、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷情況等;⑧評價決策方法與模型。

鍛件產(chǎn)品開發(fā)的領(lǐng)域知識具有形式多樣性、面向?qū)ο笮院驼w確定性而局部不確定性的等特點，在組織、描述和管理鍛件產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域知識時可采用分層和分類的庫模型。綜合分析各類知識表達方法的特點，對鍛件產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域知識采用規(guī)則/框架綜合表達方法來實現(xiàn)知識表達。其基本表達原則:表達領(lǐng)域知識時以框架表達為主體，將規(guī)則嵌入到框架中;而在系統(tǒng)執(zhí)行時，框架和規(guī)則可以相互調(diào)用。

1.2 實例知識庫

在設計制造過程中，實例知識作為創(chuàng)新設計的參考，對制造行業(yè)的發(fā)展起到了一個巨大的推動作用。在鍛造生產(chǎn)過程中，實例知識主要包括鍛件實例知識和鍛造工藝實例知識，其中鍛造工藝實例知識包括典型工藝、典型工序和典型工序參數(shù)等。圖2為鍛件開發(fā)實例知識框架圖。

圖2 鍛件開發(fā)實例知識框架圖Fig.2 Frame diagram of development case knowledge for forged pieces

由圖2知，鍛件實例知識和鍛造工藝實例知識都是結(jié)構(gòu)性知識，層次關(guān)系比較明確，因此需要選擇能夠體現(xiàn)層次關(guān)系的知識表達方法對實例知識進行管理和使用，而框架表達方法能夠滿足這個要求?？蚣鼙磉_方法適合表達具有層次結(jié)構(gòu)和繼承關(guān)系的實例知識，表達時以框架為主體，用槽值描述設計屬性。實例的描述是一組框架按設計問題的分解關(guān)系形成的框架樹，而框架中的每一個槽都具有特定的值，它們反映了設計實例的內(nèi)容。實例的主要特征位于第一層，次要特征位于第二層，依次類推。

1.3 設計歷史知識庫

在系統(tǒng)的設計過程中發(fā)現(xiàn):基于實例設計存在一些問題，如:①對參考實例了解不夠深入，檢索或索引出的實例不能正常重用;②對原設計理解不夠而在解決新問題時重復犯錯或不能正確修改;③參考已有實例時可能固化思維，缺乏尋求更佳方案的動力。但在參考設計實例時若同時考慮設計歷史知識，將有效克服這些問題。

設計歷史的概念最早起源于軟件工程領(lǐng)域，可以定義為:圍繞產(chǎn)品模型進化而展開的設計行為及其原因的信息集［9］。其一般包括:①設計意圖 (what to do)，反映設計的功能需求、目標和約束，體現(xiàn)了設計活動內(nèi)在的驅(qū)動和制約因素;②產(chǎn)品數(shù)據(jù) (what we get)，反映滿足設計目標和約束的最終和重要的階段性設計結(jié)果;③決策歷史，即設計原理 (why we choose)，反映產(chǎn)品設計中有關(guān)設計決策和備選方案及其推理和評價過程的描述;④設計步驟 (how we get)，主要指設計者對模型進行操作的信息交換序列，強調(diào)記錄影響產(chǎn)品具體數(shù)據(jù)的“設計軌跡”，以便進行設計的回溯和重現(xiàn)。

設計歷史知識是實例知識的有力補充，也屬于結(jié)構(gòu)性知識，所以采用框架表達方法來進行表達設計歷史知識。

2 新品開發(fā)平臺的系統(tǒng)集成

本文針對鍛件產(chǎn)品開發(fā)知識的特點，以規(guī)則/框架綜合知識表達方法為基礎，采用面向?qū)ο蠓椒▽㈩I(lǐng)域知識、實例知識和設計歷史知識集成為一體，提出了鍛件產(chǎn)品開發(fā)知識集成表示模型，如圖3。

為了保證開發(fā)出的系統(tǒng)保持先進性，對鍛件產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的開發(fā)平臺和關(guān)鍵通信技術(shù)方面作了認真選擇，旨在發(fā)揮數(shù)據(jù)庫技術(shù)與網(wǎng)路技術(shù)結(jié)合帶來的優(yōu)勢。根據(jù)上述鍛件產(chǎn)品開發(fā)知識的建模方法，在Windows環(huán)境下，基于ASP．NET開發(fā)平臺和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫ORACLE，使用面向?qū)ο箝_發(fā)語言C#開發(fā)了基于WEB的鍛件產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，如圖4所示。

鍛件產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)采用B/S模式的三層結(jié)構(gòu)，包括應用層、網(wǎng)絡服務層和數(shù)據(jù)庫層。從系統(tǒng)門戶網(wǎng)站登錄，通過調(diào)用網(wǎng)絡服務的各種命令完成文檔和數(shù)據(jù)等知識的維護 (如知識定義、分類、錄入、修改、刪除和校驗)，知識處理完后采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫連接方式 (如ODBC/ADO等)把網(wǎng)絡服務模塊和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) (如ORACLE或SQL SERVER)連接起來，再把知識分類存儲到各類知識庫中。當要使用鍛件開發(fā)知識時，通過系統(tǒng)的檢索界面輸入關(guān)鍵字從目標知識庫中提取目標知識或符合相似度的知識，再經(jīng)過ODBC或ADO接口把檢索到的知識調(diào)出到網(wǎng)絡服務模塊，并在系統(tǒng)的知識檢索界面網(wǎng)頁上按相似度大小排序呈現(xiàn)供設計人員參考，從而完成知識的使用過程如支持產(chǎn)品設計或編制鍛造工藝等。

應用結(jié)果表明，整個設計過程實現(xiàn)了知識與開發(fā)流程之間、各種軟件工具之間的緊密集成。每個設計階段通過調(diào)用知識庫中的知識可以有效的支持鍛件新品開發(fā)，改變了傳統(tǒng)的以“經(jīng)驗設計”為主的設計方法，實現(xiàn)了向創(chuàng)新設計和預定目標設計的轉(zhuǎn)變，進一步提高了鍛件產(chǎn)品開發(fā)的水平和效率。

3 結(jié)論

通過對鍛件產(chǎn)品開發(fā)過程的分析，提出了面向鍛件產(chǎn)品開發(fā)的知識建模方法。將鍛件產(chǎn)品開發(fā)知識劃分為領(lǐng)域知識、實例知識和設計原理知識。利用規(guī)則/框架結(jié)合的知識表達方法對領(lǐng)域知識進行組織表示，通過框架表達方法對實例知識進行表示并使用CBR的方法實現(xiàn)對實例知識的檢索訪問，采用框架表達方法對設計歷史知識進行表示。實際應用表明，本文的知識劃分及其建模方法可以有效表示鍛件產(chǎn)品開發(fā)知識并方便實現(xiàn)集成，提高了鍛件產(chǎn)品開發(fā)的設計水平和效率。

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