朱昱穎，孫宏偉，朱加雷，趙曉鑫，周飛鴻

1.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617 2.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061

0 前言

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量的要求也不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)等新興學(xué)科的發(fā)展必將促進(jìn)焊接向自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型［1］。建立焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不僅可以對(duì)繁雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的儲(chǔ)存和管理，而且可有效降低廢品率及原材料的浪費(fèi)，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。企業(yè)將長期積累的焊接相關(guān)數(shù)據(jù)、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)整理成焊接共享數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫和模型庫，為企業(yè)和行業(yè)共享焊接數(shù)據(jù)和知識(shí)奠定基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)庫誕生于20世紀(jì)60年代，可對(duì)相關(guān)領(lǐng)域信息進(jìn)行科學(xué)的分類管理并提供高效的查詢［2］，焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由焊接數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）和應(yīng)用程序組成，如圖1所示。焊接數(shù)據(jù)庫按類保存焊接記錄，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為用戶提供管理數(shù)據(jù)庫的平臺(tái)，應(yīng)用程序?yàn)橛脩籼峁?yīng)用數(shù)據(jù)庫的接口。焊接數(shù)據(jù)庫有組織地存儲(chǔ)焊接領(lǐng)域內(nèi)各種數(shù)據(jù)、文件，供用戶高效查閱。面對(duì)復(fù)雜的焊接生產(chǎn)，焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在提高生產(chǎn)準(zhǔn)確率的同時(shí)還能優(yōu)化焊接工藝，即在無需人工經(jīng)驗(yàn)的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)生成合理的焊接工藝卡。因此，焊接數(shù)據(jù)庫在焊接領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛［3］。

圖1 焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of welding database

1 焊接數(shù)據(jù)庫的主要功能應(yīng)用

20世紀(jì)70年代末，英國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家先后將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于焊接領(lǐng)域，開展了焊接數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用研究。焊接數(shù)據(jù)庫的發(fā)展加速了計(jì)算機(jī)對(duì)焊接領(lǐng)域的輔助作用。國內(nèi)對(duì)焊接數(shù)據(jù)庫的研究稍晚于國外，從20世紀(jì)80年代開始國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了針對(duì)焊接數(shù)據(jù)庫的相關(guān)研究。隨著工藝計(jì)算機(jī)一體化的發(fā)展，焊接數(shù)據(jù)庫主要以焊接材料、焊接工藝方案及焊接工藝評(píng)定為主，包含的內(nèi)容逐漸豐富，基于專家系統(tǒng)與各種推理機(jī)制，不僅實(shí)現(xiàn)了知識(shí)咨詢和解釋功能，還實(shí)現(xiàn)了焊接工藝制定、WPS和WPQR的智能匹配，已形成具有自身行業(yè)特色的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)往往包含多個(gè)功能模塊，以焊接工藝數(shù)據(jù)庫為例，焊接系統(tǒng)如圖2所示，包含用戶界面模塊、焊接工藝制定模塊、知識(shí)庫維護(hù)和管理模塊、工藝文件管理模塊等。

圖2 焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能模塊Fig.2 Function module of welding database system

焊接數(shù)據(jù)庫的建立提高了設(shè)計(jì)效率、減少相同或相似試驗(yàn)投入，縮短了工程周期。為適應(yīng)數(shù)字化工業(yè)建設(shè)的需求，目前建立的焊接數(shù)據(jù)庫主要功能應(yīng)用包括以下方面：

（1）焊接工藝數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)。在焊接產(chǎn)品應(yīng)用前往往經(jīng)歷了大量的焊接實(shí)驗(yàn)摸索，產(chǎn)生了龐大的焊接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及文件，將其存儲(chǔ)于焊接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中并依據(jù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)最大程度的經(jīng)驗(yàn)共享。

（2）焊材和設(shè)備數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)。建立焊材和設(shè)備數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)方便企業(yè)對(duì)材料牌號(hào)、焊接方法等重要信息進(jìn)行快速方便的查詢和使用。

（3）焊接質(zhì)量診斷案例及管理系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)摸索過程中的焊接產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生許多焊接缺陷，因此會(huì)有大量分析缺陷產(chǎn)生原因及解決焊接缺陷的參考意見，建立焊接質(zhì)量診斷案例及管理系統(tǒng)可為后續(xù)生產(chǎn)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

（4）基于專家系統(tǒng)的焊接數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)。焊接事業(yè)在幾十年的發(fā)展中不斷壯大，已經(jīng)有一套自己的學(xué)科體系，包括很多應(yīng)用規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)公式，且焊接環(huán)境多變、焊接工藝復(fù)雜，整個(gè)焊接實(shí)驗(yàn)過程缺乏精確的定義和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?，特別是有些焊接指標(biāo)本身就模糊定義，焊接數(shù)據(jù)庫融入專家系統(tǒng)，可以直觀地給出焊接過程，并預(yù)測焊后結(jié)果。

2 焊接數(shù)據(jù)庫發(fā)展及應(yīng)用

2.1 焊接材料數(shù)據(jù)庫

焊接材料類型多，不同鋼材具備不同性能，不同材料也需要采用不同的焊接方式，1976年日本［4］成立了焊接數(shù)據(jù)庫委員會(huì)并于1986年提出應(yīng)當(dāng)建立焊接材料、焊接方法、坡口形狀、焊縫金屬化學(xué)成分、焊前處理、焊后加工等條件及焊接接頭性能（力學(xué)性能、腐蝕性能等）數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)焊接數(shù)據(jù)庫的發(fā)展確立方向。

1984年美國［5］在世界范圍內(nèi)收集材料數(shù)據(jù)，錄入焊接材料數(shù)據(jù)庫，將有關(guān)焊接材料的數(shù)據(jù)有機(jī)整合起來，其數(shù)據(jù)庫模型如圖3所示［6］。

圖3 焊接材料數(shù)據(jù)庫模型Fig.3 Model of welding material database

1986年日本國立金屬材料技術(shù)研究所［7］建立了焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)換圖（CCT圖）數(shù)據(jù)庫，不僅能查詢材料成分或相變臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CCT圖，還能依據(jù)編寫的熱循環(huán)計(jì)算程序，在輸入焊接工藝參數(shù)后給出指定點(diǎn)的CCT，計(jì)算熱影響區(qū)的組織成分和硬度，為選擇合適規(guī)范的焊接參數(shù)打下了良好的基礎(chǔ)。

1986年，甘肅工業(yè)大學(xué)和哈爾濱焊接研究所［8］開創(chuàng)了國內(nèi)焊接材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研究的先河，其數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括母材性能、焊接性測試結(jié)果及CCT圖等，為制定焊接工藝提供了指導(dǎo)。清華大學(xué)、北京科技大學(xué)分別針對(duì)不同焊接材料領(lǐng)域建立了相應(yīng)材料數(shù)據(jù)庫。

20世紀(jì)90年代中期，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展促使焊接技術(shù)進(jìn)入資源共享時(shí)代。1994年，EWI創(chuàng)建了最早的焊接資源網(wǎng)站http：//www.ewi.org，美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）聯(lián)合AWSA9標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)開發(fā)了焊接網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，焊接數(shù)據(jù)的共享加速了焊接工業(yè)的發(fā)展。

2011年內(nèi)蒙古科技大學(xué)［9］基于局域網(wǎng)建立了焊接數(shù)據(jù)平臺(tái)，包含材料庫、實(shí)驗(yàn)庫、模擬庫及預(yù)測庫，通過焊接模型和預(yù)測庫的數(shù)據(jù)分析可預(yù)測焊接熱循環(huán)曲線，為焊接工藝參數(shù)的制定提供了參考。大連鐵道學(xué)院利用局域網(wǎng)設(shè)計(jì)了激光加工數(shù)據(jù)庫材料查詢系統(tǒng)［10］。

2011年南京航空航天大學(xué)［11］構(gòu)建了鈦合金焊接領(lǐng)域數(shù)據(jù)庫，建立了可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程共享的平臺(tái)。

2.2 焊接工藝數(shù)據(jù)庫

焊接工藝多樣，將已有焊接工藝經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整合、學(xué)習(xí)，可以獲得良好的焊接接頭性能，對(duì)焊工作業(yè)進(jìn)行有效指導(dǎo)。

2003年韓國國立木浦大學(xué)［12］在數(shù)據(jù)庫和有限元模型基礎(chǔ)上，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，開發(fā)并驗(yàn)證了一個(gè)用于確定管道焊接各道次和焊接位置焊接參數(shù)的智能系統(tǒng)。初步試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)無需人工干預(yù)就能快速確定管道焊接的工藝參數(shù)，可生產(chǎn)出良好的焊件。該系統(tǒng)表明機(jī)器學(xué)習(xí)在提高焊接效率和降低成本方面具有很大優(yōu)勢。

2003年重慶大學(xué)［13］將專家系統(tǒng)嵌入焊接數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，用以實(shí)現(xiàn)焊接工藝制定，數(shù)據(jù)庫將模擬制定的焊接工藝結(jié)果保存到系統(tǒng)工藝文件庫中。

2006年西安石油大學(xué)［14］以生產(chǎn)實(shí)踐和工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，開發(fā)了匹配性優(yōu)良的螺旋埋弧焊管焊縫形狀控制與優(yōu)化工藝數(shù)據(jù)庫。以不同工藝條件下的焊縫評(píng)價(jià)為依據(jù)建立了數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫包括焊材性能、工藝因素、焊接規(guī)范等模塊。

2006年南京理工大學(xué)［［15］針對(duì)焊接制造過程中異地、數(shù)據(jù)異構(gòu)及管理困難的現(xiàn)狀，提出了焊接信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)方案，同時(shí)開發(fā)參數(shù)采集軟件模塊，基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫分析并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)體關(guān)系。此后哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南昌航空航天大學(xué)［16］針對(duì)JB4708-2000標(biāo)準(zhǔn)，建立了基于C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)的焊接工藝評(píng)定管理系統(tǒng)，完成了從判斷工藝評(píng)定必要性到編制工藝指導(dǎo)書、焊接工藝規(guī)程，生成工藝評(píng)定報(bào)告、各種試驗(yàn)記錄等一系列工作，有效提高了工藝制定的效率。

2007年愛爾蘭［17］將數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)相結(jié)合形成了一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)，建立了電阻點(diǎn)焊焊接接頭質(zhì)量智能計(jì)算數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可用于估計(jì)點(diǎn)焊接頭的質(zhì)量，并可用于建立自適應(yīng)新的焊接工藝，以保證焊接質(zhì)量的一致性。隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)性能得到了提高，并且可以在現(xiàn)場轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)中使用。

2011年華南理工大學(xué)［18］設(shè)計(jì)了工業(yè)以太網(wǎng)嵌入式焊接網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的以太網(wǎng)接入，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行有效管理。系統(tǒng)不僅可以設(shè)定焊接工藝參數(shù)、管理焊接工藝數(shù)據(jù)庫，還可以對(duì)焊機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。中航工業(yè)設(shè)計(jì)了以航空領(lǐng)域?yàn)閷?duì)象的沈飛數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了焊接信息的遠(yuǎn)程共享［19］。

2013年天津大學(xué)［20］依據(jù)企業(yè)生產(chǎn)情況，以BP學(xué)習(xí)算法為核心設(shè)計(jì)了管線鋼焊接工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可預(yù)測管線鋼焊接接頭力學(xué)性能（斷裂強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、沖擊功和斷面收縮率），幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效。2015年太原學(xué)院為了提高激光焊接工藝的精度和質(zhì)量，同樣采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的技術(shù)，設(shè)計(jì)了激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。2021年江蘇通宇鋼管集團(tuán)有限公司［21］設(shè)計(jì)了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中厚板焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可預(yù)測焊接工藝參數(shù)和對(duì)應(yīng)側(cè)壁熔深。

2020年埃及曼蘇拉大學(xué)［22］開發(fā)了一種焊接工藝選擇決策框架，該框架由強(qiáng)大決策引擎驅(qū)動(dòng)，與可訪問的數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫相連接，以適應(yīng)各種焊接因素（替代焊接工藝和焊接標(biāo)準(zhǔn)），并允許插入新的焊接因素。并將該框架開發(fā)為一個(gè)可移植軟件，然后根據(jù)現(xiàn)有案例進(jìn)行驗(yàn)證。該框架具有靈活的開放式結(jié)構(gòu)，可以管理現(xiàn)有和預(yù)期的工業(yè)問題。

2021年德國勃蘭登堡理工大學(xué)［23］為減少線弧添加劑制造（WAAM）焊接中局部過熱對(duì)零件生產(chǎn)的不利影響，研究了不同截面焊道焊接過程中的溫度變化，建立了不同尺寸焊道的最佳焊接功率與不同預(yù)熱溫度之間的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，有效管理熱輸入，減少了暫停過程的需要。

2021年印度達(dá)納拉克什米工程學(xué)院［24］以航空用鋁合金為對(duì)象創(chuàng)建了攪拌摩擦焊工藝變量數(shù)據(jù)庫，分析發(fā)現(xiàn)拉伸強(qiáng)度和工藝參數(shù)有一定的關(guān)系，此系統(tǒng)可根據(jù)施工需求為確定焊接工藝參數(shù)提供參考。

2.3 焊接工藝評(píng)定管理據(jù)庫

1986年英國焊接研究所依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BS4870-2000［25］開發(fā)了 Weld Spec焊接數(shù)據(jù)庫，用戶可按多種條件（工藝評(píng)定號(hào)、母材種類、接頭形式等）進(jìn)行焊接工藝評(píng)定記錄查詢。

20世紀(jì)90年代美國焊接研究所參照ASMEⅨ標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了焊接工藝規(guī)程/焊接工藝評(píng)定數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)焊接工藝和工藝評(píng)定管理及材料、焊接規(guī)范、填充式樣、焊后處理及力學(xué)試驗(yàn)要求的多重查詢；美國愛迪生焊接研究所（EWI）開發(fā)了焊接工藝規(guī)程與焊接工藝評(píng)定數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)WEDL-SPEC PLUS版本。英國焊接研究所（TWI）依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)B4S870開發(fā)了Weld-Spec焊接工藝數(shù)據(jù)庫（Weld-Spec），可通過多種方法進(jìn)行工藝評(píng)定記錄查詢。2000年TWI參照ASME IV標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了焊接工藝評(píng)定新版數(shù)據(jù)庫［26］。

1999年，太原重型機(jī)械學(xué)院和太重集團(tuán)開發(fā)了壓力容器焊接工藝評(píng)定專家系統(tǒng)，輸入相關(guān)參數(shù)，即可在系統(tǒng)中查詢相應(yīng)記錄，確定評(píng)定結(jié)果；如果查詢不到精確記錄，則可呈現(xiàn)模糊查詢的記錄以供參考。

2001年武漢理工大學(xué)［27］根據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了焊接工藝評(píng)定管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、中信重型機(jī)械集團(tuán)等也陸續(xù)展開焊接工藝評(píng)定管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)［28］。

2003年北京工業(yè)大學(xué)［29］聯(lián)合北京巴威公司設(shè)計(jì)了集專家系統(tǒng)、焊接工藝評(píng)定管理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)化智能焊接工藝評(píng)定管理系統(tǒng)。

2003年日本國立大學(xué)［30］將一個(gè)包含CCT圖的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和一個(gè)計(jì)算焊接熱過程的專家系統(tǒng)相結(jié)合，建立了一套基于互聯(lián)網(wǎng)的焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)。其采用“Data-Free-Way”分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)新技術(shù)，包含先進(jìn)的核材料和在尼姆斯焊接研究項(xiàng)目中獲得的材料信息。該系統(tǒng)可使用CCT圖表數(shù)據(jù)庫計(jì)算焊接熱過程以預(yù)測焊接接頭的性能，且數(shù)據(jù)庫現(xiàn)已在網(wǎng)上提供。

2004年法國［31］采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的方法對(duì)焊接接頭金屬結(jié)構(gòu)的疲勞失效進(jìn)行了分析，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析，建立了一個(gè)物理參數(shù)數(shù)據(jù)庫，包括材料特性、加載歷史和潛在裂紋部位周圍的應(yīng)力。各種機(jī)器學(xué)習(xí)工具用于搜索嵌入在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)學(xué)公式和數(shù)據(jù)模式，所得規(guī)則和公式可用于焊接金屬結(jié)構(gòu)的支撐設(shè)計(jì)，提供了新的定位易疲勞區(qū)域、預(yù)測疲勞壽命的方法，補(bǔ)充了經(jīng)典的確定性和統(tǒng)計(jì)疲勞失效預(yù)測。其技術(shù)方法的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于數(shù)據(jù)庫自動(dòng)學(xué)習(xí)技術(shù)方法的焊接接頭疲勞失效預(yù)測總體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure of fatigue failure prediction of welded joints based on database automatic learning technology

2016年南京航空航天大學(xué)［32］基于知識(shí)庫和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫的專家系統(tǒng)開發(fā)了一種智能焊接工藝評(píng)定系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于GBT25343.3-2010焊接標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)Q345R的焊接工藝進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)。設(shè)置焊接方法、母材、厚度等初始焊接參數(shù)，通過推理機(jī)進(jìn)行四步推理得出焊接工藝結(jié)果。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到焊接專家系統(tǒng)中，對(duì)焊接工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為焊接專家系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)分類及焊接工藝的制定提供了一種新的求解方法。

2019年美國圣托馬斯大學(xué)［33］使用超過400份焊接評(píng)定記錄，跨越30年，建立了一個(gè)評(píng)定試驗(yàn)的斷裂韌度（通過沖擊韌度試驗(yàn)量化）數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)包括許多焊接參數(shù)的顯著差異，這種僅基于焊縫金屬評(píng)估來表征焊接接頭斷裂韌性的能力可以減少評(píng)定試驗(yàn)的進(jìn)度和成本影響。

2020年南京焊接智能科技有限公司［34］將專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)引入軌道車輛焊接工藝編制領(lǐng)域，基于知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫開發(fā)了軌道車輛車架焊接工藝編制軟件，能夠維護(hù)企業(yè)鋼軌焊接系統(tǒng)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)通過集成工作流功能，支持多個(gè)部門和人員共同進(jìn)行WPS的編制和審核?？蓪⑼卉圀w中大量復(fù)雜的焊接接頭整合為一個(gè)匯總表，以減少相同或類似焊接接頭的重復(fù)焊接工藝評(píng)定（WPQ）。

2020年希臘佩特雷大學(xué)為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊焊縫零缺陷制造的實(shí)時(shí)控制以及對(duì)工藝參數(shù)的直觀技術(shù)支持，提出了一種基于紅外攝像機(jī)數(shù)據(jù)和CPS的焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件平臺(tái)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將預(yù)處理的成像數(shù)據(jù)歸類存檔，后利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行焊接質(zhì)量評(píng)估。

2.4 其他功能焊接數(shù)據(jù)庫

焊接數(shù)據(jù)庫除焊接材料數(shù)據(jù)庫、焊接工藝數(shù)據(jù)庫及焊接工藝評(píng)定管理據(jù)庫外，還包含焊工技能評(píng)定數(shù)據(jù)庫、焊縫性能預(yù)測數(shù)據(jù)庫、模型仿真數(shù)據(jù)庫及焊接裝配順序數(shù)據(jù)庫等。

1987年德國焊接協(xié)會(huì)建立兩個(gè)焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用于收集匯總有關(guān)焊接方面的文獻(xiàn)、記錄。

1989年美國巴地蒙雨電器公司建立了焊工技能評(píng)定數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)［35］。

1995年，清華大學(xué)開發(fā)的焊接數(shù)據(jù)庫可以進(jìn)行PQR、WPS、鋼材牌號(hào)、CCT的管理等。

2005年清華大學(xué)［36］與北京燕山石化合作開發(fā)了以壓力容器制造為應(yīng)用背景的焊接工藝制定數(shù)據(jù)庫與管理專家系統(tǒng)（WEMS），可直接用于生產(chǎn)。

2012年土耳其薩卡里亞大學(xué)［37］開發(fā)了一個(gè)應(yīng)用程序來評(píng)估使用3D焊接模擬器的焊工候選人。焊接參數(shù)、焊縫性能等記錄于焊接數(shù)據(jù)庫中，便于查看焊工技能情況。

2018年美國田納西州大學(xué)［38］采用了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來預(yù)測GTAW的背面寬度。先利用計(jì)算機(jī)視覺方法提取三維熔池表面的關(guān)鍵特征，建立了涵蓋多種焊接條件的數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)熔池寬度、拖尾長度和表面高度（SH）對(duì)預(yù)測背面寬度起主要作用。

2019年俄羅斯［39］基于面向?qū)ο蟮姆椒ń⒅悄苣K的知識(shí)庫，創(chuàng)建了一個(gè)公共數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)焊接過程中的信息，形成完整的屬性集合。根據(jù)焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)建立了自適應(yīng)焊接接頭質(zhì)量診斷平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程中技術(shù)人員、操作員和控制器的決策支持功能。2020年俄羅斯將原焊接工藝與焊接標(biāo)準(zhǔn)整合建立了一個(gè)開放的焊接工藝數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫，在多階段決策支持系統(tǒng)下能有效提高焊接方法選擇和工藝設(shè)計(jì)的效率。

2011年南京航空航天大學(xué)［40］通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了焊接測試數(shù)據(jù)的共享。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不僅完成了焊接文件的編制過程，而且根據(jù)現(xiàn)有工藝評(píng)定記錄（PQR）和制造規(guī)范，對(duì)評(píng)定試驗(yàn)的必要性做出決策。當(dāng)有足夠的測試數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型時(shí)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)被證明是預(yù)測焊接接頭力學(xué)性能的有效方法之一。

2012年天津大學(xué)［41］針對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)下同一種接頭形式存在不同尺寸的情況，利用AutoCAD提供的Object-ARX開發(fā)接口，實(shí)時(shí)參數(shù)化繪制接頭圖，此方法不僅提高了數(shù)據(jù)庫的管理效率，還節(jié)約了存儲(chǔ)空間。

2012年中國船舶重工集團(tuán)有限公司［42］引入數(shù)據(jù)庫管理，建立了基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的焊接工藝評(píng)定專家管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了船舶焊接工藝評(píng)定的全過程管理，對(duì)提高船舶焊接過程評(píng)價(jià)的技術(shù)水平、推進(jìn)企業(yè)信息化建設(shè)具有非常重要的意義。其船舶焊接工藝知識(shí)庫構(gòu)建過程如圖5所示。

圖5 船舶焊接工藝知識(shí)庫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure of knowledge base system for ship welding process

2014年江蘇科技大學(xué)［43］基于C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了大型船體結(jié)構(gòu)件部件焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（見圖6），系統(tǒng)基于可視化編程（Delphi）技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立部分船體結(jié)構(gòu)的焊接工藝管理、知識(shí)庫、變形控制以及系統(tǒng)維護(hù)四大功能模塊，同時(shí)系統(tǒng)提供了方便的知識(shí)庫維護(hù)方法，企業(yè)可自行補(bǔ)充和更新焊接數(shù)據(jù)庫。

圖6 大型船體結(jié)構(gòu)件焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Fig.6 Welding database system of large hull structure

2020年南京航大學(xué)［44］以航空鋁合金激光焊接智能建模為目標(biāo)建立了模型數(shù)據(jù)庫。該模型數(shù)據(jù)庫由材料數(shù)據(jù)庫、熱源模型數(shù)據(jù)庫和焊縫結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫組成。為了建立能夠管理鋁合金熱物理性能的材料模型數(shù)據(jù)庫，對(duì)航空航天鋁合金進(jìn)行了合理分類。根據(jù)不同的能量分布特點(diǎn)，總結(jié)了激光焊接熱源模型，建立了模型數(shù)據(jù)庫。接頭結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫包括對(duì)接接頭、T形接頭和搭接接頭。當(dāng)建模人員調(diào)用并組裝此模型數(shù)據(jù)庫時(shí)，可以快速高效地實(shí)現(xiàn)任意結(jié)構(gòu)的建模。

2021年波蘭［45］為規(guī)劃船體裝配過程，以焊接順序?yàn)橹攸c(diǎn)基于多實(shí)例的裝配規(guī)劃（MBAP）建立了船體焊接順序數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)造船廠對(duì)任何組裝船體進(jìn)行優(yōu)化裝配。

2020年山東某汽車公司［46］提出了集數(shù)據(jù)庫信息收集、信息推薦于一體的焊接專家系統(tǒng)。系統(tǒng)在給定的決策模型下生成WPS樣品，并根據(jù)工藝評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和能耗成本計(jì)算的結(jié)果對(duì)工藝進(jìn)行細(xì)化。生成的結(jié)果將返回到焊接知識(shí)庫中，形成新的知識(shí)。用戶可以方便快速地實(shí)現(xiàn)客戶委托信息推薦、焊工資格管理和其他相關(guān)工作，快速測試和評(píng)估數(shù)據(jù)。

2020年南京航空航天大學(xué)材料與技術(shù)學(xué)院［44］針對(duì)航空鋁合金的激光焊接，建立了可實(shí)現(xiàn)任意結(jié)構(gòu)的激光焊接數(shù)值模擬的模型數(shù)據(jù)庫。模型數(shù)據(jù)庫由3部分組成：材料模型數(shù)據(jù)庫、激光熱源模型數(shù)據(jù)庫和焊接接頭結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。借助該模型數(shù)據(jù)庫，可以快速有效地實(shí)現(xiàn)建模。

3 焊接數(shù)據(jù)庫發(fā)展趨勢

焊接生產(chǎn)產(chǎn)生的大量信息需要依靠數(shù)據(jù)庫技術(shù)對(duì)其進(jìn)行管理和分析，焊接數(shù)據(jù)庫的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)程是計(jì)算機(jī)進(jìn)步和發(fā)展的縮影。隨著數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，焊接數(shù)據(jù)庫技術(shù)也進(jìn)入一個(gè)全新的階段，從管理存檔類型來看，焊接數(shù)據(jù)庫已從傳統(tǒng)的簡單數(shù)據(jù)發(fā)展到多種類型的龐大復(fù)雜數(shù)據(jù)；從智能化程度來看數(shù)據(jù)庫融入焊接專家系統(tǒng)及機(jī)器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)及焊接數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)系，可為企業(yè)提供高效可靠的建議。對(duì)新技術(shù)的吸收以及對(duì)其他學(xué)科先進(jìn)成果的兼容，使得焊接數(shù)據(jù)庫不僅僅是數(shù)據(jù)的載體，更是透過現(xiàn)象看本質(zhì)的對(duì)未知的預(yù)測。

目前實(shí)際生產(chǎn)中使用的焊接數(shù)據(jù)庫功能并不完善，主要是進(jìn)行簡單查詢和指導(dǎo)工作，智能化程度低，且各個(gè)企業(yè)、組織各自為政，通用性差，大量焊接經(jīng)驗(yàn)不能在焊接領(lǐng)域流通。友好的分布式應(yīng)用結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)合、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與可擴(kuò)展標(biāo)記技術(shù)的結(jié)合、聯(lián)機(jī)分析處理、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等成為這個(gè)時(shí)代的主流技術(shù)，焊接數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用軟件的發(fā)展也必將向其靠攏，主要發(fā)展趨勢包括以下幾個(gè)方面：

（1）提高系統(tǒng)通用性。系統(tǒng)可集成多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)滿足不同人員需求，且各標(biāo)準(zhǔn)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

（2）引入人工智能技術(shù)。進(jìn)行工藝評(píng)定判斷增強(qiáng)其擴(kuò)展能力，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)參數(shù)調(diào)配與設(shè)計(jì)。

（3）充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件的分布式處理和協(xié)同工作，提高數(shù)據(jù)共享率。

（4）提高系統(tǒng)耦合性。實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)用軟件人機(jī)接口的智能化、擬人化，協(xié)調(diào)多平臺(tái)、多應(yīng)用協(xié)同工作。

（5）加強(qiáng)與多媒體等新技術(shù)的交互性。新興技術(shù)的引入推進(jìn)傳統(tǒng)焊接邁向焊接智能化，同時(shí)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、多媒體技術(shù)、多并發(fā)處理技術(shù)互相滲透、多元融合。

（6）提高系統(tǒng)交互性。用戶操作界面是系統(tǒng)的門面，友好的操作互動(dòng)界面可提升用戶體驗(yàn)。

焊接是一門專業(yè)性很強(qiáng)的學(xué)科，理論知識(shí)的學(xué)習(xí)是必要的，同時(shí)更需要大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)、長期的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)累積?？傊?，建立完整的焊接數(shù)據(jù)庫與一般意義上的數(shù)據(jù)庫開發(fā)有著很大不同，焊接數(shù)據(jù)庫的建立是依據(jù)實(shí)踐累積的一個(gè)循序漸近的過程，是增量式開發(fā)，即數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個(gè)功能不斷增加和完善的系統(tǒng)。