王天龍， 陳 泳， 劉夢(mèng)飛

(上海交通大學(xué) a. 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院； b. 航空航天學(xué)院，上海 200240)

智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)之一，是“中國(guó)制造2025”的主攻方向[1].作為智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，智能工藝設(shè)計(jì)可以幫助制造企業(yè)處理利用日漸龐大的企業(yè)歷史數(shù)據(jù)，提高工藝設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確率.因此，高效、可靠的智能工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)已成為制造裝備、工人素質(zhì)等因素之外，又一個(gè)提高企業(yè)生產(chǎn)效率的突破點(diǎn).

智能工藝設(shè)計(jì)的一大核心是需要建立結(jié)構(gòu)化的工藝知識(shí)庫(kù)，使得智能工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以快速進(jìn)行工藝知識(shí)的搜索、推理與應(yīng)用.工藝知識(shí)是制造企業(yè)在生產(chǎn)活動(dòng)中涉及的包括工人經(jīng)驗(yàn)、工藝規(guī)范、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等在內(nèi)的各種形式知識(shí)的集合，是聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程與制造環(huán)節(jié)的紐帶，具有數(shù)據(jù)量大、種類(lèi)繁多、涉及知識(shí)領(lǐng)域廣、各類(lèi)知識(shí)間關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn).現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)很多制造企業(yè)仍然以書(shū)籍、文件等紙質(zhì)材料或Excel、Word等辦公軟件作為存儲(chǔ)、使用工藝知識(shí)的主要載體.這極大程度上制約了這些工藝知識(shí)的獲取、存儲(chǔ)與復(fù)用的效率，也阻礙了智能工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)在企業(yè)中的應(yīng)用.

為了解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者就結(jié)構(gòu)化的工藝知識(shí)表示方法進(jìn)行了廣泛的研究討論.文獻(xiàn)[2]針對(duì)制造工藝資源，采用面向?qū)ο笈c特征的方式構(gòu)建了特征模型.文獻(xiàn)[3]借鑒計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中鏈表的思想原理及本體技術(shù)，構(gòu)建了工藝特征和數(shù)據(jù)屬性的本體模型.文獻(xiàn)[4]將加工知識(shí)單元分為特征層、加工層和元素層，利用面向?qū)ο蟮姆椒▌?chuàng)建工藝信息的層次化表達(dá)模型.文獻(xiàn)[5]提出工步元、工序元和加工鏈的基本定義，創(chuàng)建機(jī)加工藝知識(shí)建模與管理框架結(jié)構(gòu)，并利用工藝知識(shí)的結(jié)構(gòu)模型及“概念-屬性-規(guī)則”圖表達(dá)工藝知識(shí)的關(guān)聯(lián)關(guān)系.文獻(xiàn)[6]采用面向?qū)ο蟮姆椒?，結(jié)合流程圖與可視化技術(shù)對(duì)工藝知識(shí)進(jìn)行建模.文獻(xiàn)[7]針對(duì)模具制造過(guò)程，利用產(chǎn)生式規(guī)則與面向?qū)ο蟮姆椒ū磉_(dá)工藝知識(shí)，并開(kāi)發(fā)了模具工藝專(zhuān)家系統(tǒng).然而，過(guò)去的研究有以下不足之處：① 研究大多針對(duì)特定制造領(lǐng)域或特定產(chǎn)品，缺乏通用性；② 部分工藝知識(shí)庫(kù)雖然具有一定的通用性，但在復(fù)雜工藝參數(shù)決策知識(shí)(如表格類(lèi)工藝知識(shí)、公式類(lèi)工藝知識(shí))的建模方面有所缺失，未建立能夠有效管理、利用這類(lèi)知識(shí)的方法.

針對(duì)上述不足，本文首先介紹了工藝信息的建模方法，隨后提出一種與之相應(yīng)的公式與表格類(lèi)工藝知識(shí)的建模方法，對(duì)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中常用的公式與表格知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表示.然后，通過(guò)復(fù)合模型將以上模型進(jìn)行集成，使計(jì)算機(jī)能夠在后續(xù)的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中自動(dòng)確定工藝屬性與工藝參數(shù)，快速產(chǎn)生工藝文件.最后，將以上建模方法應(yīng)用于原型系統(tǒng)，并在某電纜企業(yè)進(jìn)行驗(yàn)證.本文對(duì)復(fù)雜工藝參數(shù)決策知識(shí)建模與應(yīng)用方法的研究可克服傳統(tǒng)表格與公式類(lèi)工藝知識(shí)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中所面臨的一些難點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)智能工藝設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ).

1 工藝信息建模

智能工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是工藝信息的結(jié)構(gòu)化表達(dá)，因此首先介紹工藝信息的建模方法.作者在前期研究[8]中，提出了一種通用的工藝信息建模方法，也是本文研究的基礎(chǔ)，如圖1所示.這里簡(jiǎn)要介紹工藝路線、工序、工步等基本工藝組成信息及相關(guān)的工藝要求信息.

圖1 工藝信息Fig.1 Process information

1.1 工藝組成信息

工藝路線包含待加工產(chǎn)品在某個(gè)生產(chǎn)階段的所有工藝過(guò)程(即工序)，例如熱處理工藝路線等.在制造過(guò)程中，不同工序的完成將實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品特征(如材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等)的改變.因此，對(duì)于在一定程度上相似的產(chǎn)品，其對(duì)應(yīng)的制造工序與工序順序基本相同，即工藝路線基本相同.將多道工序按生產(chǎn)順序組合并建立工藝路線，可以加速一系列相似產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程.工藝路線的結(jié)構(gòu)化表示包括以下要素：工藝路線編號(hào)、工藝路線名稱(chēng)、工藝路線組成、工藝要求，其中工藝路線組成由多道工序按加工順序組合表示.

工序是指操作員在同一個(gè)工作地點(diǎn)，對(duì)一個(gè)或多個(gè)被加工物料連續(xù)進(jìn)行的生產(chǎn)制造過(guò)程，一般由一系列的工步組成.工序的劃分要素包括相同的操作員、工作地點(diǎn)、被加工對(duì)象以及“連續(xù)進(jìn)行”.每一道工序在企業(yè)中必須有能夠?qū)⑵鋵?shí)現(xiàn)的制造資源與之對(duì)應(yīng).一道工序可以由同一制造資源實(shí)現(xiàn)，也可以由多種制造資源配合實(shí)現(xiàn)，這些相互配合的制造資源往往在空間上密集分布.工序的結(jié)構(gòu)化表示包括以下要素：工序編號(hào)、工序名稱(chēng)、工序組成、工序要求、工序制造資源，其中工序組成以多個(gè)工步的有序組合來(lái)表示.

工步是生產(chǎn)制造過(guò)程中對(duì)每一個(gè)獨(dú)立作業(yè)過(guò)程的概括稱(chēng)呼，是工藝過(guò)程的基本組成單位，也是所有工藝要求最終落實(shí)的載體.將工序劃分為工步有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程更精細(xì)化的管控，也方便將工序要求細(xì)化為工步要求，精準(zhǔn)指導(dǎo)加工過(guò)程.工步的結(jié)構(gòu)化表示包括以下要素：工步編號(hào)、工步名稱(chēng)、工步要求.

1.2 工藝要求信息

工藝要求是對(duì)被加工物料在某個(gè)生產(chǎn)制造階段工藝方面的整體要求描述.這類(lèi)要求通常只關(guān)注該階段的工藝目標(biāo)，而不涉及實(shí)現(xiàn)這些工藝目標(biāo)所使用的具體方式，例如某電纜工藝路線的一條工藝要求為，成品電纜的阻燃特性應(yīng)符合IEC60332-1標(biāo)準(zhǔn).此類(lèi)要求需由工藝員確定工藝路線，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為工序、工步要求后才能直接指導(dǎo)生產(chǎn)制造過(guò)程.

工序要求是工藝員根據(jù)整體工藝要求，為每道工序安排制定的階段性要求.這類(lèi)要求在關(guān)注該工序階段目標(biāo)的同時(shí)，也影響著這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程.例如，部分工序要求可能需要制造資源有較強(qiáng)的加工能力，這將影響制造資源的選型過(guò)程.工序由一系列工步組成，工序要求實(shí)際上需要這些工步前后協(xié)作才能最終達(dá)成.因此，工序要求有必要進(jìn)一步細(xì)化為工步要求，以便更準(zhǔn)確地描述、指導(dǎo)每一步生產(chǎn)制造過(guò)程.

工步要求由工序要求分解、衍生而來(lái)，可分為兩類(lèi)[8]：目標(biāo)要求與操作要求.目標(biāo)要求是指對(duì)當(dāng)前工步加工結(jié)果的要求，由指導(dǎo)生產(chǎn)制造目標(biāo)的工序要求轉(zhuǎn)化而來(lái)，例如：“外護(hù)套工序”中護(hù)套材料相關(guān)的工序要求可以轉(zhuǎn)化為“擠出工步”中對(duì)擠出材料的工步要求.操作要求是指該工步為了達(dá)到目標(biāo)要求，在使用指定的制造資源(制造設(shè)備、場(chǎng)地、人員等)時(shí)需要依循的操作要素，例如各種設(shè)備的操作參數(shù)、場(chǎng)地環(huán)境參數(shù)等.目標(biāo)要求與操作要求均可以用工步屬性與工步參數(shù)來(lái)進(jìn)一步表示[8].工步屬性通常用以描述可枚舉的工步要求，例如絕緣材料、編織機(jī)錠數(shù)等.而工步參數(shù)則用來(lái)描述不適合枚舉的工步要求，例如材料用量、送線速度等.

1.3 工藝信息集成

在進(jìn)行相似產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)時(shí)，工藝員往往會(huì)參考已完成的工藝文件.為了提高這類(lèi)產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確率，工藝員可以建立工藝模板，將工藝路線、工序、工步及其相關(guān)要求進(jìn)行集成，形成一個(gè)工藝信息框架.1份工藝模板可以用1個(gè)四元組表示：

P=(NP,IP,C,R)

(1)

式中：NP為工藝模板的編號(hào)；IP為工藝模板的名稱(chēng)；C為工藝模板組成，包含其中的工藝路線、工序、工步；R為工藝模板的工藝要求集，包括由C引出的所有工藝要求、工序要求及工步要求.

工藝模板同時(shí)包含所有工藝組成信息及工藝要求信息，是待加工產(chǎn)品在某生產(chǎn)階段所有工藝信息的載體.建立工藝模板可以方便在后續(xù)過(guò)程中將工藝信息與復(fù)雜工藝參數(shù)決策知識(shí)進(jìn)行集成.

2 復(fù)雜工藝參數(shù)決策知識(shí)建模

智能工藝設(shè)計(jì)需要復(fù)雜工藝參數(shù)決策知識(shí)的支持.為了提高計(jì)算機(jī)對(duì)此類(lèi)知識(shí)的處理應(yīng)用能力，有必要將其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表示.本文主要研究?jī)深?lèi)常見(jiàn)的復(fù)雜工藝參數(shù)決策知識(shí)(公式類(lèi)工藝知識(shí)與表格類(lèi)工藝知識(shí))的建模方法.

2.1 公式類(lèi)工藝知識(shí)建模

代數(shù)式公式是工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中最為依賴(lài)的參數(shù)決策知識(shí)類(lèi)型之一.目前，此類(lèi)工藝知識(shí)并沒(méi)有一個(gè)合適的結(jié)構(gòu)化表示方法.文獻(xiàn)[9]雖然在代數(shù)式公式類(lèi)知識(shí)的信息化管理應(yīng)用方面做出了探索，但在該文獻(xiàn)中，表達(dá)式中包含的參數(shù)是固定關(guān)聯(lián)的，這種方式不符合工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的需要.在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，同一個(gè)公式可能會(huì)應(yīng)用在不同的參數(shù)決策過(guò)程中，公式中的變量需要根據(jù)工藝員需求動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)至不同的工藝參數(shù).因此，本文結(jié)合工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的特點(diǎn)，提出基于二叉樹(shù)的公式類(lèi)工藝知識(shí)結(jié)構(gòu)化表示模型.

2.1.1代數(shù)表達(dá)式的二叉樹(shù)表示 工藝設(shè)計(jì)(工藝參數(shù)計(jì)算)過(guò)程中所使用的公式通常只包含二元運(yùn)算符，對(duì)于這類(lèi)公式，在已知代數(shù)表達(dá)式的前提下，可以采用如下過(guò)程將其轉(zhuǎn)化為二叉樹(shù)表示.

步驟1將代數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)化為后綴表達(dá)式形式.

步驟2讀取后綴表達(dá)式中最后的操作符作為二叉樹(shù)的根，左右子節(jié)點(diǎn)待定.

步驟3讀取前一個(gè)字符，若為操作數(shù)，則直接將其作為上級(jí)節(jié)點(diǎn)的右子節(jié)點(diǎn)；若為操作符，則以此操作符作為根節(jié)點(diǎn)，重復(fù)步驟3～4，建立子樹(shù)，將該子樹(shù)作為上級(jí)節(jié)點(diǎn)的右子節(jié)點(diǎn).

步驟4讀取前一個(gè)字符，若為操作數(shù)，則直接將其作為上級(jí)節(jié)點(diǎn)的左子節(jié)點(diǎn)；若為操作符，則以此操作符作為根節(jié)點(diǎn)，重復(fù)步驟3～4，建立子樹(shù)，將該子樹(shù)作為上級(jí)節(jié)點(diǎn)的左子節(jié)點(diǎn).

以電纜導(dǎo)體面積計(jì)算公式為例：

(2)

式中：S為電纜導(dǎo)體面積；d為銅絲直徑；N為銅絲根數(shù).

將上述公式表達(dá)式轉(zhuǎn)化為后綴表達(dá)式形式：

πd2＾ ×N×4÷

(3)

通過(guò)步驟2～4，建立該公式表達(dá)式的二叉樹(shù).該公式用于計(jì)算銅絲經(jīng)束絲工序加工后的導(dǎo)體面積，公式中的d通常關(guān)聯(lián)至工步參數(shù)“結(jié)構(gòu)組成-直徑”；N通常關(guān)聯(lián)至工步參數(shù)“結(jié)構(gòu)組成-根數(shù)”，如圖2所示.

圖2 公式表達(dá)式的二叉樹(shù)及其關(guān)聯(lián)參數(shù)Fig.2 Binary tree of expression and its association parameters

2.1.2公式類(lèi)工藝知識(shí)模型 1個(gè)公式主要由三部分組成：等號(hào)左邊的輸出參數(shù)，等號(hào)與等號(hào)右邊的代數(shù)表達(dá)式[7].公式類(lèi)工藝知識(shí)可以用1個(gè)五元組進(jìn)行表示：

F= (NF,IF,O,E,B)

(4)

式中：NF為公式編號(hào)；IF為公式名稱(chēng)，可為空；O為公式的輸出參數(shù)，唯一且不能出現(xiàn)在同一公式的代數(shù)表達(dá)式中；E為公式的代數(shù)表達(dá)式；B為公式表達(dá)式對(duì)應(yīng)的二叉樹(shù).

上述模型采用二叉樹(shù)來(lái)表示公式的代數(shù)表達(dá)式，其子樹(shù)可以方便地替換更新，節(jié)點(diǎn)也能高效地支持與其他參數(shù)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，符合智能工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)代數(shù)表達(dá)式的動(dòng)態(tài)配置要求.

2.2 表格類(lèi)工藝知識(shí)建模

表格類(lèi)知識(shí)對(duì)于工藝屬性與工藝參數(shù)的決策過(guò)程也至關(guān)重要.但是，目前表格類(lèi)知識(shí)在多數(shù)企業(yè)中仍以紙面材料或辦公軟件為載體存在，計(jì)算機(jī)難以將其直接應(yīng)用于工藝決策過(guò)程.因此，迫切需要一種通用的表格類(lèi)工藝知識(shí)建模方法，將常用的工藝表格進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表示.通過(guò)對(duì)大量傳統(tǒng)工藝表格的分析，發(fā)現(xiàn)阻礙表格類(lèi)知識(shí)結(jié)構(gòu)化表示的主要原因是部分表格存在表頭屬性嵌套，表體值數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣，單元格合并等情況，圖3(a)為典型的此類(lèi)表格.

2.2.1表頭屬性有序樹(shù) 針對(duì)傳統(tǒng)工藝表格表頭屬性存在多層嵌套的情況，本文借鑒文獻(xiàn)[10]中對(duì)超文本標(biāo)記語(yǔ)言(HTML)表格的解析方法，采用有序樹(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)工藝表格的表頭屬性進(jìn)行建模.文獻(xiàn)[10]中采用內(nèi)容樹(shù)來(lái)表示一張HTML表格，將表頭，行、列屬性，表體值等都表示在其中，且行、列屬性間存在層級(jí)關(guān)系.這樣的結(jié)構(gòu)無(wú)法清晰地定義表格查詢(xún)條件與查詢(xún)結(jié)論，不利于工藝設(shè)計(jì)知識(shí)集成.本文提出的有序樹(shù)僅用來(lái)對(duì)表格的表頭屬性進(jìn)行建模(不包含表體值)，且行、列屬性將被分開(kāi)表示.

在部分屬性嵌套的工藝表格中，存在一些跨越多個(gè)嵌套層級(jí)的屬性，例如圖3(a)中的 “牌號(hào)”.對(duì)于這類(lèi)屬性，在構(gòu)建表頭屬性有序樹(shù)前，須先在原表格中將這些屬性所在單元格按其跨越的層級(jí)進(jìn)行拆分，拆分后的各層級(jí)單元格屬性均與拆分前的單元格一致.在經(jīng)過(guò)拆分后建立的表格屬性有序樹(shù)中，從根節(jié)點(diǎn)到每一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度均相等.對(duì)于同時(shí)存在行、列屬性的表格，應(yīng)分別建立行屬性有序樹(shù)與列屬性有序樹(shù)，如圖3(b)所示.圖4依次為圖3(a)的行屬性有序樹(shù)，圖3(b)的行屬性有序樹(shù)與列屬性有序樹(shù).

牌號(hào)淬火溫度/℃冷卻方式回火溫度/℃冷卻方式澆注方法ZG16Cr2MnTi890～910油冷150～170空冷熱型冷型550～600空冷熱型冷型ZG20Cr3Mo890～910油冷570～700空冷熱型ZG25Cr3Mo880～910油冷570～700空冷熱型………………(a) 結(jié)構(gòu)鋼鑄件熱處理表(部分)離子pH離子濃度10-110-210-3溶度積Sn2+0.571.071.571.58×10-28Sn4+0.250.50.751×10-56Pb2+7.047.548.041.26×10-15Pb4+---2.95×10-66……………(b) 20 ℃下金屬離子沉淀pH值表(部分)圖3 傳統(tǒng)工藝表格Fig.3 Traditional process table

圖4 表頭屬性有序樹(shù)Fig.4 Ordered tree of table properties

2.2.2表格類(lèi)工藝知識(shí)模型 根據(jù)以上分析，1張表格可以用1個(gè)六元組進(jìn)行表示：

T=(NT,IT,Ar,Ac,Av,V)

(5)

式中：NT為表格編號(hào)；IT為表格名稱(chēng)；Ar為表格的行屬性有序樹(shù)；Ac為表格的列屬性有序樹(shù)；Av為表格的值屬性，用來(lái)表示表體值的含義；V為表格的表體矩陣.Av通常出現(xiàn)于同時(shí)存在行、列表頭屬性的表格中，例如圖3(b)中的“pH”.對(duì)于傳統(tǒng)表格中的合并單元格，需先將其進(jìn)行拆分，并將值賦給拆分后的每一個(gè)單元格，再建立表體矩陣：

V=[agh]m×n

(6)

g=1, 2, …,m;h=1, 2, …,n

agh=〈(g,h),vgh,rgh〉

(7)

式中：agh為矩陣中處于第g行第h列的表體元素；m為列屬性有序樹(shù)的葉節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；n為行屬性有序樹(shù)的葉節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);vgh為agh元素的值，記錄表格對(duì)應(yīng)單元格中顯式的內(nèi)容，一般包含數(shù)值、公式、文本、圖片、其他表格名稱(chēng)等類(lèi)型，元素值的單位由對(duì)應(yīng)的行屬性、列屬性或值屬性的單位確定；rgh為agh元素的超鏈接，將該元素與表外的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，例如其他表格、公式模型等.

上述表格模型將傳統(tǒng)工藝表格的表格名稱(chēng)、表頭屬性(包括行、列、值屬性)與表體值均進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化的表示，可以解決計(jì)算機(jī)在處理傳統(tǒng)表格時(shí)面臨的絕大多數(shù)問(wèn)題.通過(guò)表體元素的超鏈接，可以解決表格內(nèi)嵌的表格、公式與工藝信息的集成問(wèn)題.

3 工藝設(shè)計(jì)知識(shí)集成

工藝設(shè)計(jì)知識(shí)集成是指將復(fù)雜工藝參數(shù)決策知識(shí)與工藝模板進(jìn)行集成，形成能夠根據(jù)工藝員輸入的自變量數(shù)據(jù)，自動(dòng)決策剩余因變工藝屬性與工藝參數(shù)的復(fù)合模型的過(guò)程.建立復(fù)合模型可以進(jìn)一步減少工藝員在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行的重復(fù)性勞動(dòng)，還能將工藝員在工藝屬性與參數(shù)的決策過(guò)程中所依循的決策知識(shí)及這些知識(shí)的運(yùn)用方式保留下來(lái)，產(chǎn)生新的工藝知識(shí).

3.1 復(fù)合模型

復(fù)合模型可以用1個(gè)六元組進(jìn)行表示：

M=(NM,IM,P,Ks,Kt,Kf)

(8)

式中：NM為復(fù)合模型的編號(hào)；IM為復(fù)合模型的名稱(chēng)；Ks為復(fù)合模型的選型知識(shí)集合；Kt為復(fù)合模型中工藝模板與相關(guān)表格集成形成的表格決策知識(shí)集合；Kf為復(fù)合模型中工藝模板與相關(guān)的公式集成形成的公式?jīng)Q策知識(shí)集合.

以上復(fù)合模型同時(shí)包含了工藝模板、兩類(lèi)參數(shù)決策知識(shí)與復(fù)合模型選型知識(shí)，是前文中所有工藝知識(shí)模型集成利用的載體.建立完整的復(fù)合模型是工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的核心步驟，能夠最大化地保存設(shè)計(jì)信息，方便知識(shí)復(fù)用.

3.2 復(fù)合模型集成選型知識(shí)

工藝相似度較高的一系列產(chǎn)品可以共用一個(gè)復(fù)合模型.由于在選擇復(fù)合模型時(shí)，工藝員還未進(jìn)行待加工產(chǎn)品的工藝路線設(shè)計(jì)，所以復(fù)合模型選型知識(shí)的確定應(yīng)以待加工產(chǎn)品的產(chǎn)品特征為依據(jù).選型知識(shí)集合具體表示如下：

Ks={ks t},t=1, 2, …

(9)

式中：ks t為一系列產(chǎn)品的特征約束，以(“產(chǎn)品特征名”+“關(guān)系符號(hào)”+“產(chǎn)品特征值”)的方式表示.

以某電纜復(fù)合模型為例，其適用的電纜產(chǎn)品應(yīng)滿足的部分要求為，產(chǎn)品系列為Flex-CVC系列，芯數(shù)Q在2～6芯之間，不帶對(duì)絞體.這部分適用條件對(duì)應(yīng)的選型知識(shí)可表示為：Ks={(產(chǎn)品系列=Flex-CVC)，(2

3.3 復(fù)合模型集成公式類(lèi)工藝知識(shí)

假設(shè)現(xiàn)有屬于復(fù)合模型M的工藝模板P與一個(gè)待集成的公式Fi，則有：

M=(NM,IM,P,Ks,Kt,Kf)

(10)

P=(NP,IP,C,R)

(11)

Fi=(NFi,IFi,Oi,Ei,Bi)

(12)

Kf={kfp},p=1, 2, …

(13)

式中：kfp為一系列公式?jīng)Q策知識(shí).

在工藝模板P的工藝要求集R中，同時(shí)包含了工藝要求、工序要求及工步要求，其中，最終指導(dǎo)生產(chǎn)制造過(guò)程的是其中的工步要求.為了方便描述，在此將這些工步要求所對(duì)應(yīng)的工步屬性與工步參數(shù)整合在一個(gè)集合PR中，并暫時(shí)不再區(qū)分目標(biāo)要求與操作要求，則有：

PR=(pR1,pR2, …)

(14)

公式Fi中包含兩類(lèi)待關(guān)聯(lián)的參數(shù)：一類(lèi)是輸出參數(shù)Oi，如前所述，輸出參數(shù)在每一個(gè)公式中唯一；另一類(lèi)是表達(dá)式二叉樹(shù)Bi中待賦值的參數(shù).為了描述方便，同樣將這些參數(shù)整合在一個(gè)集合PFi中：

PFi=(Oi,pFi1,pFi2, …,pFil)

(15)

式中：pFin來(lái)源于表達(dá)式二叉樹(shù)Bi中的待賦值參數(shù).

在將公式知識(shí)與工藝模板集成時(shí)，必須將集合PFi中所有的參數(shù)與集合PR中可運(yùn)算的元素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時(shí)指出輸出參數(shù)的數(shù)據(jù)保留形式.對(duì)應(yīng)公式Fi的決策知識(shí)可表示為

kfi=({〈Oi,pRi0〉, 〈pFi1,pRi1〉, 〈pFi2,pRi2〉, …, 〈pFil,pRil〉},Di,Fi)

(16)

式中：Di為輸出參數(shù)的數(shù)據(jù)保留形式，包括取值位數(shù)與取值方法.

工藝模板中的工藝參數(shù)與公式關(guān)聯(lián)后，可能會(huì)出現(xiàn)不同參數(shù)間的層層遞推.需要注意的是，工藝參數(shù)間一般不應(yīng)該出現(xiàn)循環(huán)遞推的情況.由于每個(gè)公式的結(jié)果保留精度不一定一致，循環(huán)遞推可能會(huì)導(dǎo)致部分參數(shù)計(jì)算結(jié)果的精度無(wú)法達(dá)到要求.

3.4 復(fù)合模型集成表格類(lèi)工藝知識(shí)

假設(shè)表格Tj為復(fù)合模型M中集成的表格之一，ktj為復(fù)合模型表格決策知識(shí)集Kt中與Tj對(duì)應(yīng)的一條表格決策知識(shí)，則有：

Kt={ktq},q=1, 2, …

(17)

ktj=(Xj,Yj,Tj)

(18)

Xj={xju},u=1, 2, …

(19)

Yj={yjw},w=1, 2, …

(20)

Tj=(NTj,ITj,Arj,Acj,Avj,Vj)

(21)

式中：Xj為查詢(xún)條件集；xju為一系列查詢(xún)條件；Yj為查詢(xún)結(jié)論集；yjw為一系列查詢(xún)結(jié)論.

在實(shí)際查表過(guò)程中，查詢(xún)條件可關(guān)聯(lián)的表格屬性為行屬性與列屬性.為了方便描述，將行、列屬性有序樹(shù)Arj與Acj中葉節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的屬性整合在一個(gè)集合PTj中：

PTj=(pTj1,pTj2, …,pTjk)

(22)

在添加查詢(xún)條件時(shí)，按實(shí)際查表需求選擇PTj中的屬性與集合PR中的工步屬性與參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并指明關(guān)聯(lián)方式.關(guān)聯(lián)方式分兩類(lèi)：關(guān)聯(lián)至屬性名與關(guān)聯(lián)至屬性值.前者指查詢(xún)條件為PR中的屬性或參數(shù)等于PTj中的表格屬性名；后者指查詢(xún)條件為PR中的屬性或參數(shù)等于PTj中的表格屬性名對(duì)應(yīng)的表體元素值.根據(jù)以上分析，查詢(xún)條件集Xj中第u條查詢(xún)條件可表示為

xju=(pTju,pRju,wju)

(23)

式中：pTju∈PTj；pRju∈PR；wju為關(guān)聯(lián)方式，其值為0或1，分別對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)至屬性名與關(guān)聯(lián)至屬性值.

(pTj1,pTj2, …,pTjk,Avj)

(24)

在本文中，查詢(xún)結(jié)論不需指明關(guān)聯(lián)方式，必定指向被關(guān)聯(lián)屬性對(duì)應(yīng)的表體元素值.查詢(xún)結(jié)論集Yj中第w條查詢(xún)結(jié)論可表示為

yjw=(pTjw,pRjw)

(25)

以上表格類(lèi)知識(shí)的集成方法可以模擬工藝員的查表活動(dòng)，建立表頭屬性與工藝參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.對(duì)于表格中嵌套子表或公式等復(fù)雜情況，也可通過(guò)表體元素超鏈接所指向的具體模型進(jìn)行進(jìn)一步集成.

4 應(yīng)用驗(yàn)證

為了驗(yàn)證提出的建模與集成方法，本文采用瀏覽器-服務(wù)器(B/S)架構(gòu)，開(kāi)發(fā)了一套基于知識(shí)的智能化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并在某電纜企業(yè)進(jìn)行了實(shí)施驗(yàn)證.

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)以Java語(yǔ)言作為業(yè)務(wù)邏輯的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，IntelliJ IDEA為主要開(kāi)發(fā)環(huán)境，Tomcat為服務(wù)器，MySQL為后端數(shù)據(jù)庫(kù).系統(tǒng)分為用戶層、系統(tǒng)層與數(shù)據(jù)層3個(gè)層次，如圖5所示.各層的主要功能如下.

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 System architecture

用戶層.使用智能化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用戶，包括系統(tǒng)管理員，工藝設(shè)計(jì)員及工藝專(zhuān)家等.系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、更新、維護(hù)等；工藝設(shè)計(jì)員負(fù)責(zé)工藝信息的前期錄入及工藝設(shè)計(jì)等；工藝專(zhuān)家通常作為咨詢(xún)對(duì)象，并負(fù)責(zé)一部分系統(tǒng)數(shù)據(jù)審核工作.

系統(tǒng)層.負(fù)責(zé)智能化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要功能模塊的實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)主要功能模塊涵蓋產(chǎn)品、制造資源、人員等企業(yè)的硬件信息管理，以及工藝信息、模板知識(shí)、工藝參數(shù)決策知識(shí)、智能工藝設(shè)計(jì)過(guò)程等企業(yè)的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的管理.

數(shù)據(jù)層.智能工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)底層的數(shù)據(jù)庫(kù).與系統(tǒng)層功能相對(duì)應(yīng)，包括產(chǎn)品信息庫(kù)、制造資源庫(kù)、工藝信息庫(kù)、復(fù)合模型庫(kù)、公式知識(shí)庫(kù)、表格知識(shí)庫(kù)、設(shè)計(jì)任務(wù)庫(kù)與用戶信息庫(kù)等.

4.2 復(fù)雜電纜工藝設(shè)計(jì)案例

本系統(tǒng)應(yīng)用于上海某電纜企業(yè)，選用該企業(yè)Flex-CVC CY系列，規(guī)格為“2×0.5+2×0.15”的電纜產(chǎn)品作為案例，驗(yàn)證本文提出方法及所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的有效性.規(guī)格表達(dá)式的含義為：該電纜產(chǎn)品的線芯部分主要由2根0.5 mm直徑的導(dǎo)體與2根0.15 mm直徑的導(dǎo)體絞合而成.基于本文提出的建模方法，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)主要包括以下幾步.

首先，對(duì)產(chǎn)品信息和工藝信息進(jìn)行建模：

(1) 產(chǎn)品分類(lèi)=“機(jī)械用普通柔性電纜Flex”；

(2) 產(chǎn)品系列=“Flex-CVC CY”；

(3) 產(chǎn)品規(guī)格=“2×0.5+2×0.15”；

(4) 產(chǎn)品屬性: {電壓=“300/500 V”, 測(cè)試電壓=“2 000 V/5 min”, …}；

(5) 產(chǎn)品參數(shù): {電纜標(biāo)稱(chēng)外徑=“7.88 mm”, 芯數(shù)=“2+2”，…}.

該產(chǎn)品常用的工藝模板如圖6(a)所示.其次，對(duì)復(fù)雜工藝參數(shù)決策知識(shí)進(jìn)行建模，建立表格知識(shí)庫(kù)與公式知識(shí)庫(kù).圖6(b)和6(c)為系統(tǒng)中建立的“成纜參數(shù)表(部分)”與導(dǎo)體計(jì)算外徑公式表達(dá)式.再次，建立復(fù)合模型，將上述內(nèi)容在該模型中進(jìn)行集成應(yīng)用.“成纜參數(shù)表(部分)”及導(dǎo)體計(jì)算外徑公式在復(fù)合模型中的集成如圖7所示.最后，使用復(fù)合模型，確定工藝要求，完成工藝設(shè)計(jì).在工藝設(shè)計(jì)模塊中，工藝員根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品創(chuàng)建工藝設(shè)計(jì)任務(wù)，從產(chǎn)品特征匹配結(jié)果中選用復(fù)合模型，輸入部分必要信息，然后由計(jì)算機(jī)根據(jù)復(fù)合模型自動(dòng)確定剩余的工藝要求，最終輸出的工藝文件如圖8所示.

圖6 系統(tǒng)中的工藝模板、表格與公式Fig.6 Process template, table, and formula in the system

圖7 系統(tǒng)中的知識(shí)集成Fig.7 Knowledge integration in intelligent process design system

圖8 工藝設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.8 Results of process design

4.3 應(yīng)用效果

上海某電纜企業(yè)是典型的多品種、小批量復(fù)雜電纜制造企業(yè)，該企業(yè)需要頻繁復(fù)用、變更工藝文件.由于缺乏合適的計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)(CAPP)系統(tǒng)，目前該企業(yè)仍使用Excel進(jìn)行工藝設(shè)計(jì).完成一份較為復(fù)雜的工藝文件平均需要花費(fèi)2人天(1人天通常表示1個(gè)人工作8 h)，存在效率偏低的問(wèn)題.

采用本研究開(kāi)發(fā)的智能化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，工藝員只需選擇合適的模板，即可重用公式、表格類(lèi)工藝知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)高效的工藝設(shè)計(jì)，并能支持工藝主管進(jìn)行快速的工藝審核.采用新系統(tǒng)后，完成一份工藝文件的設(shè)計(jì)與審核過(guò)程，平均只需花費(fèi)0.25人天，顯著提高了工藝設(shè)計(jì)的效率與準(zhǔn)確率.

5 結(jié)語(yǔ)

智能化的工藝設(shè)計(jì)是目前制造業(yè)發(fā)展的重要方向之一，而對(duì)各類(lèi)工藝知識(shí)的建模與集成應(yīng)用則是智能工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).本文在對(duì)工藝信息及常用工藝參數(shù)決策知識(shí)分析的基礎(chǔ)上，建立了工藝模板、公式、表格等模型.并據(jù)此建立了工藝知識(shí)復(fù)合模型，將以上模型進(jìn)行集成應(yīng)用.

在此基礎(chǔ)上，本研究開(kāi)發(fā)了基于知識(shí)的智能化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并在某電纜制造企業(yè)得到成功應(yīng)用.以某系列復(fù)雜電纜產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程為例，對(duì)本文提出的建模與集成方法進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證.結(jié)果表明，該電纜制造企業(yè)在采用智能化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)后，工藝設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量得到了顯著提高.