朱若凡， 聶加俊， 鄭惠錦

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.蕪湖造船廠有限公司，安徽 蕪湖 241001)

0 引 言

在船舶制造業(yè)中，焊接是非常重要的環(huán)節(jié)，占總體工作量的40%～50%，焊接質(zhì)量直接影響船舶整體質(zhì)量[1]。為確保船舶焊接的準(zhǔn)確性和可靠性，必須針對(duì)特定的母材和焊接位置進(jìn)行焊接試驗(yàn)，經(jīng)船級(jí)社認(rèn)證，形成焊接工藝規(guī)范(Welding Procedure Specification，WPS)，并最終應(yīng)用于指導(dǎo)船舶焊接。在工藝設(shè)計(jì)過程中，一方面存在大量的焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要及時(shí)進(jìn)行基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)管理，另一方面由焊接專家積累的焊接經(jīng)驗(yàn)迫切需要以數(shù)據(jù)化形式記錄和分享，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)更加實(shí)用高效的試驗(yàn)方法。自20世紀(jì)80年代起中國(guó)開始焊接專家系統(tǒng)的研究，至1993年陸續(xù)報(bào)道近20個(gè)焊接過程專家系統(tǒng)[2]。近年來，圍繞焊接專家系統(tǒng)開展的學(xué)術(shù)研究和商業(yè)軟件開發(fā)仍是焊接自動(dòng)化和智能化的熱點(diǎn)和主要發(fā)展路線之一，出現(xiàn)大量具有不同功能的焊接專家系統(tǒng)[3-5]。我國(guó)船舶焊接專家系統(tǒng)的研究開始于20世紀(jì)90年代，雖經(jīng)多年研究取得長(zhǎng)足進(jìn)展，但并未出現(xiàn)大型全流程的船舶焊接專家系統(tǒng)，目前仍處于船舶焊接各環(huán)節(jié)專家系統(tǒng)研究，如工藝評(píng)定專家系統(tǒng)等。在研究中相繼出現(xiàn)將反向傳播(Back Propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于船舶焊接過程各環(huán)節(jié)工藝設(shè)計(jì)的報(bào)道[6-7]，說明作為三大智能算法之一的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于船舶焊接工藝的智能化研發(fā)，但并無將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于焊接熱輸入值預(yù)測(cè)的報(bào)道，該部分的工作有待進(jìn)一步深入研究。為進(jìn)一步提高船舶焊接試驗(yàn)自動(dòng)化和智能化水平，研發(fā)一種基于MySQL和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶焊接專家?guī)燔浖?/p>

1 船舶焊接專家?guī)炜傮w設(shè)計(jì)

在Visual Studio軟件開發(fā)環(huán)境中，結(jié)合MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，建立船舶焊接專家?guī)?，其整體架構(gòu)如圖1所示。用戶通過登錄和權(quán)限管理，輸入焊接試驗(yàn)條件和要求，即可快速查詢母材焊材、自動(dòng)生成報(bào)表、智能預(yù)測(cè)熱輸入值。專家數(shù)據(jù)庫(kù)可完成母材焊材數(shù)據(jù)和歷史WPS的快捷查詢修改。母材焊材查詢結(jié)果、試驗(yàn)條件、焊接工藝評(píng)定記錄(Procedure Qualification Record，PQR)和坡口圖作為WPS自動(dòng)生成的基本輸入。WPS生成結(jié)果不僅可直接以文件形式導(dǎo)出，而且可存入專家數(shù)據(jù)庫(kù)，作為智能熱輸入值預(yù)測(cè)機(jī)離線學(xué)習(xí)的依據(jù)。同時(shí)，當(dāng)前的WPS生成結(jié)果可作為智能熱輸入值預(yù)測(cè)機(jī)的基本輸入，預(yù)測(cè)得到當(dāng)前所需要的熱輸入值。

圖1 船舶焊接專家?guī)煺w架構(gòu)

基于整體架構(gòu)，將船舶焊接專家?guī)燔浖澐譃槿缦?個(gè)功能模塊：

(1)登錄模塊。用戶分為操作員用戶和管理員用戶，只有在正常登錄后才可進(jìn)行后續(xù)操作。

(2)權(quán)限管理模塊。管理員用戶和操作員用戶在登錄后的操作權(quán)限不同。管理員用戶具有全部的操作權(quán)限；操作員用戶權(quán)限受限制，無法進(jìn)行一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入修改和軟件設(shè)置的操作。

(3)母材焊材查詢模塊。支持普通碳鋼和特種鋼材的母材查詢，支持常用焊材查詢，支持國(guó)標(biāo)和美國(guó)焊接協(xié)會(huì)(AWS)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)坡口圖生成模塊。支持各種坡口圖的生成，主要分為4種類型：V形、U形、雙V形和雙U形。

(5)PQR生成模塊。根據(jù)PQR，可通過Office或金山辦公軟件自動(dòng)生成Word格式的PQR報(bào)表。

(6)WPS生成模塊。根據(jù)WPS的數(shù)據(jù)記錄，結(jié)合生成的坡口圖，可通過Office或金山辦公軟件自動(dòng)生成Word格式的WPS報(bào)表。

(7)熱輸入值預(yù)測(cè)模塊。主要分為離線學(xué)習(xí)過程和在線預(yù)測(cè)過程。首先，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)已有的WPS記錄進(jìn)行離線學(xué)習(xí)，記憶專家的焊接經(jīng)驗(yàn)；然后，將新獲取的WPS記錄輸入至經(jīng)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行在線熱輸入值的預(yù)測(cè)。

2 基于MySQL的專家數(shù)據(jù)庫(kù)

作為船舶焊接專家?guī)燔浖臄?shù)據(jù)中心，焊接材料專家數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)管理和分析焊接試驗(yàn)?zāi)覆膮?shù)、焊材參數(shù)、歷史WPS和試驗(yàn)條件環(huán)境的大型專家數(shù)據(jù)庫(kù)，具備大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)快速存儲(chǔ)、讀取和修改的功能，其功能如圖2所示。

圖2 焊接材料專家數(shù)據(jù)庫(kù)功能示例

專家數(shù)據(jù)庫(kù)選用MySQL 8.0進(jìn)行開發(fā)。MySQL是一種主流的開源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，采用結(jié)構(gòu)化查詢語言(Structured Query Language，SQL)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理。MySQL優(yōu)點(diǎn)主要包括：采用完全多線程的核心線程，支持多處理器運(yùn)行；支持?jǐn)?shù)據(jù)類型多樣；全面支持SQL的子句和函數(shù)；可在不同平臺(tái)工作，支持C、C++、Java、Python等語言?；贛ySQL可快速開發(fā)專家數(shù)據(jù)庫(kù)，支持后續(xù)的自動(dòng)化報(bào)表生成和智能熱輸入值預(yù)測(cè)開發(fā)。當(dāng)然，MySQL也存在安全系統(tǒng)復(fù)雜而不標(biāo)準(zhǔn)、缺乏標(biāo)準(zhǔn)引用完整性(Referential Integrity，RI)機(jī)制的缺點(diǎn)。

基于MySQL開發(fā)的專家數(shù)據(jù)庫(kù)，可提供母材焊材數(shù)據(jù)和WPS快速存取與查詢功能，母材表的規(guī)模是上限1 000條記錄，覆蓋主要的焊接用碳鋼型號(hào)和不銹鋼等特種鋼型號(hào)，母材信息如表1所示，其中：母材編號(hào)是主鍵。

表1 母材信息

焊材表的規(guī)模是上限5 000條記錄，除國(guó)標(biāo)型號(hào)外，覆蓋國(guó)內(nèi)外主要的焊材廠家，焊材等級(jí)如表2所示，其中：焊材編號(hào)是主鍵。

表2 焊材等級(jí)

WPS表的記錄下限是1 000條記錄，在超過10萬條時(shí)進(jìn)行分庫(kù)分表處理，若繼續(xù)增大則通過外部接口增加物理存儲(chǔ)設(shè)備。數(shù)據(jù)庫(kù)可進(jìn)行數(shù)據(jù)手動(dòng)直接備份和定時(shí)自動(dòng)備份，實(shí)現(xiàn)專家數(shù)據(jù)冗余備份。數(shù)據(jù)庫(kù)故障自動(dòng)計(jì)入管理日志中，管理員用戶可查詢?nèi)罩?。在出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)可自動(dòng)恢復(fù)，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

3 自動(dòng)報(bào)表生成器

自動(dòng)報(bào)表生成器是船舶焊接專家?guī)燔浖暮诵墓δ?，其自?dòng)生成流程如圖3所示。根據(jù)不同的焊接需求和觸發(fā)條件，進(jìn)行簡(jiǎn)單操作即可通過自動(dòng)報(bào)表生成器生成不同類型的圖表。值得注意的是：在WPS自動(dòng)生成器工作時(shí)需要調(diào)用坡口圖自動(dòng)生成器；同時(shí)，智能熱輸入值預(yù)測(cè)機(jī)也需要調(diào)用坡口圖生成器；在自動(dòng)報(bào)表生成器工作時(shí)，均需要通過查詢模塊對(duì)專家數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行母材焊材記錄的查詢。

3.1 坡口圖生成器

坡口圖生成器可在坡口底圖和用戶需要錄入的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定后生成特定的坡口圖。在生成WPS過程需要特定的坡口圖時(shí)，將坡口底圖錄入即可自動(dòng)生成坡口圖，自動(dòng)生成過程如圖3右側(cè)虛線框中的坡口圖生成器所示。

圖3 自動(dòng)報(bào)表生成器自動(dòng)生成流程

3.2 WPS生成器

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)、母材、焊材、試驗(yàn)條件等數(shù)據(jù)，在母材和焊材等基本信息錄入完畢、確定可選取時(shí)，即可進(jìn)行WPS生成，如圖3左側(cè)虛線框中的WPS生成器所示。整個(gè)WPS生成器流程需要用戶根據(jù)船舶焊接試驗(yàn)的實(shí)際需求，設(shè)定一系列基本參數(shù)和類型。選取母材和焊材的過程需要查詢專家數(shù)據(jù)庫(kù)。具體參數(shù)如表3所示，其中：焊接試驗(yàn)參數(shù)編號(hào)和WPS編號(hào)在專家數(shù)據(jù)庫(kù)中分別為外鍵和主鍵。

表3 焊接試驗(yàn)參數(shù)

4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能熱輸入值預(yù)測(cè)機(jī)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種智能熱輸入值預(yù)測(cè)機(jī)，通過充分學(xué)習(xí)歷史WPS記錄，可在輸入當(dāng)前WPS的前置條件(母材、焊材、試驗(yàn)條件等信息)后，預(yù)測(cè)獲得的熱輸入值精度達(dá)1%。

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

作為一種高度非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是主流智能算法之一，在機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、控制工程、系統(tǒng)建模等研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并取得令人矚目的成績(jī)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元是人工神經(jīng)元，基本結(jié)構(gòu)類型分為前向網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)、相互結(jié)合型網(wǎng)絡(luò)和混合型網(wǎng)絡(luò)等4種類型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法可分為有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法和無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)給定的學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的不斷迭代改進(jìn)，達(dá)到輸入輸出之間映射關(guān)系的近似逼近。

目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分為幾十種，如感知機(jī)、自組織映射(Self-Organizing Maps，SOM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等?？紤]熱輸入值預(yù)測(cè)機(jī)的輸入輸出簡(jiǎn)單，需要進(jìn)行有監(jiān)督學(xué)習(xí)，選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即可滿足學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)要求。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種典型的前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，選用樣本正向傳播、誤差反向傳播的BP學(xué)習(xí)算法進(jìn)行有監(jiān)督學(xué)習(xí)，分為輸入層、隱含層和輸出層，隱含層層數(shù)和各層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際需要確定。

4.2 智能熱輸入值預(yù)測(cè)機(jī)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)船舶焊接智能熱輸入值預(yù)測(cè)機(jī)，實(shí)現(xiàn)焊接熱輸入值的精確預(yù)測(cè)，其原理如圖4所示。智能熱輸入值預(yù)測(cè)機(jī)主要分為2種狀態(tài)：離線學(xué)習(xí)狀態(tài)和在線預(yù)測(cè)狀態(tài)。

圖4 智能熱輸入值預(yù)測(cè)機(jī)原理示例

在處于訓(xùn)練狀態(tài)時(shí)，將專家數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的大量歷史WPS數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)機(jī)離線學(xué)習(xí)樣本，以焊道編號(hào)、焊接方法、焊絲直徑、品牌牌號(hào)、電流極性、電流、電壓、送絲速度、保護(hù)氣體、送氣速度、行進(jìn)速度、用時(shí)作為輸入，以歷史熱輸入值作為監(jiān)督信號(hào)，輸入至BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)。

對(duì)焊道編號(hào)、焊接方法、品牌牌號(hào)、電流極性這些語言符號(hào)需要分別進(jìn)行數(shù)值化編碼，得到便于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的數(shù)值化學(xué)習(xí)樣本，即

X=[X1X2…X12]=

[焊道編碼值 方法編碼值 … 用時(shí)數(shù)值]

(1)

歷史熱輸入值采用17位二進(jìn)制編碼形式表示，

整數(shù)部分采用11位二進(jìn)制編碼表示，小數(shù)部分采用6位二進(jìn)制編碼表示，即

(2)

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線學(xué)習(xí)時(shí)，初始選取100～200隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，選擇Sigmoid函數(shù)作為神經(jīng)元激活函數(shù)，誤差在0.001或迭代300次時(shí)停止學(xué)習(xí)。在實(shí)際船舶焊接試驗(yàn)時(shí)，在輸入層中輸入實(shí)際參數(shù)數(shù)據(jù)即可自動(dòng)預(yù)測(cè)得到精確的熱輸入值。

5 軟件實(shí)現(xiàn)

船舶焊接專家?guī)燔浖\(yùn)行條件簡(jiǎn)單，適用于Windows 10、Windows 7操作系統(tǒng)，需要安裝2007版本以上的Office、2016版本以上的金山辦公軟件，安裝MySQL 8.0數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。

5.1 母材焊材查詢界面

在用戶或管理員成功登錄軟件后，可選擇不同的軟件功能。母材數(shù)據(jù)以國(guó)內(nèi)常用的碳鋼型號(hào)為主，數(shù)據(jù)庫(kù)初始化完成設(shè)置，無須用戶手動(dòng)進(jìn)行添加或刪除等修改操作。母材查詢界面如圖5所示，按照表格形式給出母材信息的查詢結(jié)果。軟件暫時(shí)不提供給用戶手工錄入焊材的軟件界面接口，而是采用由數(shù)據(jù)庫(kù)后臺(tái)集中更新的辦法進(jìn)行焊材更新。

圖5 母材查詢界面

焊材查詢界面如圖6所示，同樣按照表格形式給出焊材信息的查詢結(jié)果。焊材信息除廠標(biāo)外以中國(guó)船級(jí)社和美國(guó)船級(jí)社的標(biāo)準(zhǔn)為主，可相互對(duì)照進(jìn)行查詢匹配，其他各國(guó)船級(jí)社的標(biāo)準(zhǔn)作為參考。

圖6 焊材查詢界面

5.2 坡口圖生成界面

船舶焊接試驗(yàn)中的一道重要工序是開坡口，坡口的種類很多，參數(shù)也不一樣。軟件對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的常用坡口形態(tài)進(jìn)行抽取，繪制無參數(shù)的底圖庫(kù)，如圖7所示。用戶可直接從底圖庫(kù)中選取底圖，輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)即可生成實(shí)際的坡口圖，如圖8所示。最后，將實(shí)際的坡口圖合成至WPS中。

圖7 坡口圖底圖生成界面

圖8 坡口圖生成界面

5.3 WPS自動(dòng)生成與智能熱輸入值預(yù)測(cè)

軟件將WPS自動(dòng)生成過程中的WPS查詢、母材選取、填充金屬選取、試驗(yàn)參數(shù)錄入、焊接參數(shù)錄入、坡口圖參數(shù)合成、WPS規(guī)范生成等環(huán)節(jié)集成在一個(gè)統(tǒng)一界面中，滿足實(shí)際焊接試驗(yàn)需求的同時(shí)，提高船舶焊接試驗(yàn)中的WPS生成效率。圖9顯示W(wǎng)PS的規(guī)范自動(dòng)生成界面。圖10顯示最終生成的WPS，其中：在生成WPS時(shí)選擇預(yù)測(cè)熱輸入值功能，可在WPS中自動(dòng)獲得焊接試驗(yàn)可能的熱輸入值。

圖9 WPS的規(guī)范自動(dòng)生成界面

圖10 自動(dòng)生成的WPS和熱輸入值預(yù)測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 語

船舶焊接試驗(yàn)可驗(yàn)證船舶焊接專家?guī)煜到y(tǒng)軟件的有效性與實(shí)用性。接下來，需要開展大量船舶焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集工作，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)內(nèi)容作進(jìn)一步改進(jìn)，以期達(dá)到船舶焊接數(shù)據(jù)的通用性，進(jìn)而促進(jìn)船舶焊接專家?guī)燔浖鞑ズ屯茝V。