南 京 航 空 航 天 大 學 機 電 學 院 張鈞琰 安魯陵

中航工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司 李 薇 李紅偉

復合材料具有比強度、比剛度高和耐高溫、耐疲勞、性能可設計、工藝性好等許多優(yōu)異特性，在飛機上應用復合材料構件，質(zhì)量比應用金屬零件可減輕25%～30%，還可以減少零部件數(shù)量，降低裝配難度，縮短制造周期[1]。

復合材料構件制造和裝配有其自身特點，航空制造企業(yè)為此投入大量精力和財力，在總結工藝、制造方法和過程的基礎上，制訂了相應標準、規(guī)范，同時，工藝人員在長期的生產(chǎn)實踐中，積累了豐富的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，這些知識是企業(yè)的寶貴財富，將其進行整理、歸納，形成工藝設計知識庫，將有助于提升新的工藝設計人員的水平，提高工藝設計規(guī)范性和效率。

目前國內(nèi)外學者在復合材料構件的相關知識庫研究中做了很多工作。文獻[2]研究了復合材料構件設計知識庫，主要包括典型構件設計規(guī)則庫和設計實例庫；文獻[3] 研究開發(fā)了一個基于C/S的復合材料構件工裝設計知識庫系統(tǒng)。文獻[4]以工藝實例作為基本信息單元，涵蓋大量的成型工藝、工裝模具等數(shù)據(jù)信息，具有知識維護、知識匹配和知識修正等功能。對于B/S架構的系統(tǒng)而言，開發(fā)、維護等幾乎所有工作也都集中在服務器端，減輕了用戶系統(tǒng)維護與升級的成本[5]。

本文研究復合材料構件工藝設計知識庫構建技術，利用Oracle作為后臺數(shù)據(jù)庫，基于PHP平臺開發(fā)了B/S架構的復合材料構件工藝知識庫系統(tǒng)，可為采用復合材料制造工藝經(jīng)驗和實例等提供一個數(shù)字化的平臺。

復合材料構件工藝知識庫系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)采用B/S的3層瀏覽器/服務器結構，即由表現(xiàn)層（UI）、業(yè)務邏輯層（BLL）、數(shù)據(jù)訪問層（DAL）3部分組成。其中表現(xiàn)層位于最外層，主要用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，為用戶提供一種交互式操作的界面。業(yè)務邏輯層處于數(shù)據(jù)訪問層與表現(xiàn)層中間，其功能主要是負責數(shù)據(jù)庫的訪問，可以訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、二進制文件、文本文檔或是XML文檔。

知識框架由知識類別和知識條目組成。知識類別存儲在知識類別庫，知識條目根據(jù)內(nèi)容的不同包含在標準庫、制造工藝庫、制造資源庫中。其中，標準庫包括復合材料工藝設計過程中需要參考的各種標準規(guī)范，如復合材料預浸料制備規(guī)范、成型工藝標準、制孔標準、連接標準等；制造工藝知識庫包括相關工藝實例的特點、適用范圍、技術參數(shù)、方法與過程等；制造資源庫包括復合材料構件成型、檢測、裝配、運輸?shù)冗^程所用的裝備、工具。為了減少數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)庫訪問速度，對知識條目做索引存放到知識條目索引庫。因此，根據(jù)知識框架將復合材料構件工藝設計數(shù)據(jù)庫分為知識類別庫、知識條目索引庫、標準庫、制造工藝庫和制造資源庫。用戶可以根據(jù)具體的需要向上述數(shù)據(jù)庫添加、修改、刪除知識類別和知識條目。

復合材料構件工藝設計數(shù)據(jù)庫構建

1 知識類別庫和知識條目索引庫的構建

知識類別庫的結構為樹狀結構，知識類別庫主要解決樹狀結構的無限分類問題。由于知識類別庫的樹狀層次中內(nèi)容眾多，用戶也可以根據(jù)需要向知識類別庫添加知識類別，本文僅以機械連接工藝為例，說明樹狀層次結構以及知識類別庫中標記、編號等字段的意義。知識類別庫的層次結構如圖1所示。

為了減少數(shù)據(jù)存儲冗余和快速準確地描述知識類別庫的層次關系，設計了標記和編碼2個字段。

“標記”代表的意義為該知識類別的標識，其值在知識類別庫中具有唯一性。例如，知識類別“連接工藝”的標記為“1001”。

“編碼”代表的意義為若當前知識類別在某個其他知識類別下，則編碼的數(shù)值為父節(jié)點的編碼合并上本節(jié)點的標記的排序值，若當前知識類別沒在其他任何知識類別下，則標記和編碼相同。例：“鉚接工藝”編碼為父節(jié)點編碼“000210012010”加上本節(jié)點標記“3001”，因此“鉚接工藝”編碼為“0002100120103001”；“制造工藝庫”無父節(jié)點，其編碼與標記相同，為“0002”。若按照字符串排序由小到大規(guī)則，“0002100120103001”一定排列在“0002100120103002”之前，即“鉚接工藝”排列在“螺栓連接工藝”之前。這樣可以直接通過對編碼的排序來表示知識類別之間的層次結構。

知識條目索引庫是為連接知識類別庫與標準庫、制造工藝庫和制造資源庫而建立的。它在整個知識庫中有承上啟下的關鍵作用，其結構如表1所示。

表1中“名稱”代表的意義為索引的知識條目的名稱；“標記”字段的值與該知識條目所屬的知識類別在知識類別庫中標記字段的值相同，通過它，使知識類別庫與知識條目索引庫建立聯(lián)系；“索引號”中前2位代表的意義為要索引的庫的類型（標準庫01、制造工藝庫02、制造資源庫03），后5位與要索引的庫下該知識條目的索引號字段的值相同，通過它，使知識條目索引庫與要索引的庫建立聯(lián)系，7位索引號在知識條目索引庫中具有唯一性。系統(tǒng)通過標記和索引號兩個字段實現(xiàn)知識條目索引庫承上啟下的作用。

表1 知識條目索引庫結構

圖1 知識類別庫結構

2 標準庫、制造工藝庫和制造資源庫的構建

標準庫包括復合材料工藝設計過程中需要參考的各種標準規(guī)范，其結構如表2所示。

表2中“索引號”代表的意義為知識條目在知識條目索引庫中索引號的后5位，其值在標準庫中具有唯一性?！皹藴蕚渥ⅰ贝淼囊饬x為存儲該標準的適用范圍，例如索引號01012的普通鉚接中的標準備注應含有“本部分適用于半圓頭、平錐頭、沉頭、1200沉頭、大扁圓頭的普通鉚釘和高溫合金鉚釘?shù)你T接”?！皹藴蕛?nèi)容”代表的意義為上傳PDF等格式的文件。

制造工藝庫包括相關的工藝特點、適用范圍、技術參數(shù)、工藝過程等，以熱壓罐成型工藝為例，其結構如表3所示（其中“索引號”代表的意義與標準庫索引號類似）。

制造資源庫包括復合材料構件成型、檢測、裝配、運輸?shù)冗^程所用的裝備、工具，其結構如表4所示（其中“索引號”代表的意義與標準庫索引號類似）。

功能設計

本系統(tǒng)的設計主要采用PHP、XML、Java、Ajax、Oracle、Eclipse技術和工具，應用軟件工程技術和方法，經(jīng)過需求分析、總體設計、文檔和代碼的編制、模塊測試和系統(tǒng)實現(xiàn)幾個階段，最終完成基于B/S架構的復合材料構件工藝設計知識庫開發(fā)，主界面如圖2所示。

系統(tǒng)功能模塊的結構包括知識管理模塊、知識索引及搜索模塊、知識顯示模塊、系統(tǒng)用戶管理模塊、數(shù)據(jù)庫連接模塊、知識輸出模塊和相關應用模塊等，如圖3所示。

（1）知識管理模塊。

知識管理模塊主要實現(xiàn)知識類別和知識條目的添加、刪除、修改、調(diào)序等操作，這些操作是利用屏幕表單窗口，通過人機對話方式完成。在添加或修改操作時必須選擇知識類別，在此基礎上選擇添加或修改知識條目，并輸入相應具體知識，存入數(shù)據(jù)庫。在修改操作時也必須選擇知識類別，在此基礎上選擇要刪除知識條目，使其從數(shù)據(jù)庫中刪除。調(diào)位操作是在某一類別下完成，可以對此類別下的知識條目位置進行調(diào)序。知識管理模塊界面如圖4所示。

圖2 系統(tǒng)主界面

表2 標準庫結構

表3 制造工藝庫結構

表4 制造資源庫結構

圖3 系統(tǒng)組成結構圖

圖4 知識管理模塊界面

圖5 知識搜索模塊界面

圖6 知識索引模塊界面

圖7 知識顯示模塊界面

（2）知識搜索模塊。

知識庫中包含的知識種類多，且工藝設計人員對本系統(tǒng)知識框架不一定很熟悉。因此，本系統(tǒng)提供4種知識搜索方式：關鍵字搜索、用戶名搜索、添加日期搜索及上述3種方式的混合搜索。知識搜索模塊界面如圖5所示。

（3）知識索引模塊。

根據(jù)知識的內(nèi)容不同，知識庫中的知識需要分很多類別。一個類別中可能包含很多知識條目，對于知識條目而言，里面包含的內(nèi)容很多。如知識名稱、知識備注、相關圖片、相關PDF、相關工程圖、相關 3DXML、相關壓縮文件等。如果對某一類別的知識進行查找時，顯示其下所有知識條目的完全內(nèi)容是不可能的，因此知識庫系統(tǒng)必須對各類知識進行分別索引。知識索引模塊界面如圖6所示。

（4）知識顯示模塊。

知識顯示旨在將多種不同類別的知識條目在系統(tǒng)中集成展示。本系統(tǒng)以圖文并貌的形式來顯示知識條目，包括文字說明、文檔（*.pdf）、圖片（*.bmp）、工程圖（*.dwg）、3D 圖（*.3dxml）、壓縮文件（*.rar）等。知識顯示模塊界面如圖7所示。

（5）系統(tǒng)用戶管理模塊。

用戶根據(jù)權限分為系統(tǒng)管理員、高級用戶和普通用戶。系統(tǒng)管理員可以創(chuàng)建高級用戶或普通用戶、復位用戶密碼、刪除高級用戶或普通用戶，也可以修改自身的密碼。功能限定：普通用戶無權限對工藝設計知識條目和知識類別進行增加、修改、刪除；系統(tǒng)管理員和高級用戶擁有對知識條目和知識類別操作的全部的權限。

（6）知識輸出模塊。

知識庫中的一些知識可能需要導出到本地系統(tǒng)，方便用戶其他用途，本模塊就是基于此需求設計的。知識輸出模塊對具體知識條目進行輸出，包括對PDF輸出、DWG輸出、3DXML輸出等，以及整個知識條目進行打包輸出。

（7）其他功能模塊。

其他功能模塊包括登錄模塊和幫助模塊。登錄模塊提供登錄界面和用戶類型選擇；幫助模塊提供軟件使用的幫助文檔。

結束語

本系統(tǒng)采用B/S的架構，瀏覽器通過HTTP協(xié)議與服務器進行數(shù)據(jù)交換，降低其維護成本，易于系統(tǒng)升級，界面友好、操作簡單。本系統(tǒng)已應用于某航空制造企業(yè)的復合材料構件制造中。

[1] 范玉青.大型飛機數(shù)字化制造工程.北京：航空工業(yè)出版社, 2011.

[2] 梅中義,張麗華,范玉青.飛機復合材料構件設計知識庫的研究.制造業(yè)自動化,2006, 28(2):21-26.

[3] 張虹,周來水.飛機復合材料構件工裝設計知識庫研究與實現(xiàn) .中國制造業(yè)信息化 ,2007，36(3):16-19.

[4] 陳慶欣,李新軍,萬敏. 基于實例的飛機鈑金工藝知識庫的構建.北京航空航天大學學報, 2006, 32(6):734-737.

[5] 富威, 王鵬, 李慶芬. 基于Web的復合材料設計專家系統(tǒng). 哈爾濱工程大學學報, 2004,25(6): 773-776.