郭興勇，盛國紅，舒鑾理，常芬芬

（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，四川成都 610092）

0 引言

飛機制造過程中，工藝流程規(guī)劃是溝通設(shè)計數(shù)據(jù)與制造數(shù)據(jù)的橋梁[1]，所產(chǎn)生的工藝路線直接影響飛機研制周期和質(zhì)量。隨著飛機設(shè)計過程以MBD（Model Based Definition，基于模型定義）技術(shù)輸出三維實體模型，實現(xiàn)了在CAD三維實體模型中完整表達(dá)出產(chǎn)品設(shè)計信息，三維實體模型已成為當(dāng)代飛機生產(chǎn)制造過程的唯一依據(jù)[2]。在飛機研制以二維圖紙作為唯一依據(jù)時，工藝人員需要通過解讀二維圖紙來提取設(shè)計信息，主要依據(jù)個人經(jīng)驗判斷產(chǎn)品工藝路線，實現(xiàn)工藝流程規(guī)劃，存在工藝流程規(guī)劃效率低，工藝路線質(zhì)量參差不齊，響應(yīng)不及時等問題。

在面對新型飛機研制需求時，敏捷制造已成為飛機制造企業(yè)的核心競爭力之一。要實現(xiàn)對生產(chǎn)需求和設(shè)計更改的快速響應(yīng)，使企業(yè)具備敏捷制造能力[3]，重點是要提升制造數(shù)據(jù)源頭的工藝流程規(guī)劃能力。本文通過分類和提取歷代飛機制造工藝流程規(guī)劃經(jīng)驗知識，分析工藝路線更改和優(yōu)化過程的影響因素，構(gòu)建飛機制造工藝流程規(guī)劃的知識圖譜，建立基于知識圖譜的工藝路線推薦方法，快速讀取和分解基于MBD的設(shè)計數(shù)據(jù)，依據(jù)推薦方法獲取最優(yōu)工藝路線，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的制造數(shù)據(jù)，提高飛機研制質(zhì)量及效率，提升飛機制造企業(yè)的敏捷競爭力。

1 飛機制造工藝流程規(guī)劃知識的分類與提取

1.1 工藝流程規(guī)劃現(xiàn)狀

飛機設(shè)計數(shù)據(jù)主要有產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)、零組件組成關(guān)系、零組件材料與幾何尺寸、設(shè)計制造要求，通過設(shè)計物料清單（EBOM）來反映產(chǎn)品屬性和零組件間設(shè)計關(guān)系與要求[4]。飛機制造企業(yè)使用計劃物料清單（PBOM）組織科研生產(chǎn)，通過工藝流程規(guī)劃實現(xiàn)對EBOM的處理，形成飛機制造所需的部分設(shè)計屬性信息，以及工藝組合件和零組件工藝路線等工藝信息，發(fā)布反映生產(chǎn)交付順序、單裝數(shù)量等信息的物料清單。

在當(dāng)代飛機研制過程中，飛機制造企業(yè)嘗試使用制造物料清單（MBOM）組織科研生產(chǎn)，構(gòu)建EBOM—PBOM—MBOM工藝流程規(guī)劃，如圖1所示。

圖1 EBOM—PBOM—MBOM工藝流程規(guī)劃

從二代機、二代半到三代機的研制批產(chǎn)，設(shè)計數(shù)據(jù)都是以二維圖紙為唯一依據(jù)，導(dǎo)致工藝流程規(guī)劃一直沿用歷史經(jīng)驗，未進行較大變動。工藝流程規(guī)劃依據(jù)規(guī)范未統(tǒng)一，工藝路線效率及質(zhì)量受工藝人員能力水平影響較大。專業(yè)廠在不同時期的生產(chǎn)需求與能力有所不同，導(dǎo)致工藝路線數(shù)據(jù)更改頻繁，數(shù)據(jù)狀態(tài)跟蹤困難，維護工作量較大。

隨著飛機的革新?lián)Q代，飛機制造行業(yè)逐漸進入數(shù)字化、信息化進程，企業(yè)對制造數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)的依存性和關(guān)聯(lián)性逐步加強[5]，新研機型以三維實體模型為制造依據(jù)，研制周期大幅縮短，工藝人員的工作經(jīng)驗和能力水平不足以應(yīng)對當(dāng)前局勢，亟需通過計算機輔助獲取產(chǎn)品工藝路線推薦，以提高工藝流程規(guī)劃的效率和質(zhì)量。

1.2 工藝流程規(guī)劃知識資源的分類

飛機制造過程工藝流程規(guī)劃知識的來源主要以技術(shù)要求、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)調(diào)要求為主，其數(shù)據(jù)存儲為紙質(zhì)文檔、電子文檔、圖片、郵件等多種形式。按照資源數(shù)據(jù)的存儲和管理方式可以將工藝流程規(guī)劃知識資源劃分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（表1）。

表1 飛機制造工藝流程規(guī)劃知識的來源

1.3 工藝流程規(guī)劃知識資源的歸納

將工藝流程規(guī)劃知識資源定義為PKR（Process Planning Knowledge Resources），通過對多源異構(gòu)的工藝流程規(guī)劃知識資源分析、歸納、分類與總結(jié)，形成支撐飛機制造工藝流程規(guī)劃的數(shù)據(jù)庫[6]?？蓪KR歸納為工藝流程規(guī)劃對象類、工藝類、管理類和經(jīng)驗類，可記為：=，其中，O表示工藝流程規(guī)劃對象類知識資源，P表示工藝流程規(guī)劃工藝類知識資源，M表示工藝流程規(guī)劃管理類知識資源，E表示工藝流程規(guī)劃經(jīng)驗類知識資源，如表2所示。PKR的豐富可以為飛機制造工藝流程規(guī)劃知識實體、屬性、關(guān)系抽取等提供較為全面的底層數(shù)據(jù)支持，也可以構(gòu)成飛機制造工藝流程規(guī)劃知識體系。

表2 飛機制造工藝流程規(guī)劃知識資源歸納

2 基于知識圖譜的飛機制造工藝路線推薦方法研究

飛機制造過程的工藝路線往往是多層次、多因素共同作用的結(jié)果，僅依靠企業(yè)制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)難以全面準(zhǔn)確地完成工藝流程設(shè)計。通過應(yīng)用知識圖譜的關(guān)鍵技術(shù)，充分發(fā)揮其構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)與展現(xiàn)知識的巨大優(yōu)勢[7]，為飛機制造過程中復(fù)雜的工藝路線知識資源提供一種新的分類、歸納、提取、存儲、組織、管理、更新和應(yīng)用的手段?；谥R圖譜的飛機制造工藝路線推薦方法可理解為將設(shè)計發(fā)布的三維實體數(shù)模解析為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)集，知識推薦方法依據(jù)知識數(shù)據(jù)庫自動推薦最合適的工藝路線，輔助工藝人員高效優(yōu)質(zhì)地完成產(chǎn)品的工藝流程規(guī)劃。

2.1 工藝流程規(guī)劃知識圖譜的構(gòu)建

飛機制造工藝流程規(guī)劃知識圖譜的構(gòu)建過程主要包含知識提取、知識圖譜結(jié)構(gòu)搭建、知識沉淀融合、知識推薦表達(dá)等4個方面，如圖2所示。

圖2 知識圖譜構(gòu)建與推薦流程

知識提取過程將獲取到的飛機制造工藝流程規(guī)劃知識資源進行識別、分類和歸納提取，以支持模式層構(gòu)建和數(shù)據(jù)層內(nèi)容填充。通過構(gòu)建基本模式層和拓展模式層實現(xiàn)模式層的融合互通，提高知識圖譜構(gòu)建的完整性和準(zhǔn)確性，最終形成以模式層融合為核心[8]，產(chǎn)品工藝路線實例為知識載體的工藝路線推薦方法。

智能樓宇應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)功能的不同可以分為安全防護、綠色節(jié)能和高效便捷三大類[6]：①安全防護包括視頻監(jiān)控、入侵監(jiān)測、火災(zāi)探測及報警、（車輛及人員）出入口控制以及應(yīng)急響應(yīng)等；②綠色節(jié)能包括制冷制熱、電器照明控制、環(huán)境監(jiān)測和能耗統(tǒng)計分析等；③高效便捷包括公共廣播、智能會議、訪客管理、信息引導(dǎo)及發(fā)布、資產(chǎn)管理等。

2.2 工藝流程規(guī)劃知識的分層提取

工藝流程規(guī)劃知識的分層提取主要是對收集的多源異構(gòu)資源進行分類、歸納，按設(shè)定的知識規(guī)則提取輸出的知識實體集合或關(guān)系集合。通過梳理飛機制造工藝流程規(guī)劃過程，理清活動節(jié)點和審簽流程，解析影響工藝路線的多項外部因素，抽取工藝流程規(guī)劃的歷代經(jīng)驗知識，進而編制標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)表單，優(yōu)化工藝路線分工流程，制定工藝流程規(guī)劃原則。

2.2.1 基于PDM的知識編碼

飛機制造企業(yè)通過應(yīng)用PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）系統(tǒng)有機結(jié)合EBOM—PBOM—MBOM的產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對產(chǎn)品從設(shè)計信息到生產(chǎn)信息、制造信息的高效集成管理[9]。PDM系統(tǒng)的部署要求成系統(tǒng)的技術(shù)要求和管理規(guī)范，而工藝流程規(guī)劃作為整個飛機制造數(shù)據(jù)的源頭，制定相應(yīng)的編碼規(guī)則，能夠有效提高工藝流程規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)化水平，強化工藝數(shù)據(jù)管理效率。

資源數(shù)據(jù)中對企業(yè)各專業(yè)廠指定由3位數(shù)組成的代碼，使工藝路線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、簡潔化，有效縮小制造數(shù)據(jù)管理維護規(guī)模。

2.2.2 基于MBD的數(shù)據(jù)模型

隨著飛機設(shè)計過程MBD技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了在三維實體模型中完整表達(dá)出產(chǎn)品設(shè)計信息，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征、尺寸、公差、特殊過程等設(shè)計數(shù)據(jù)。

產(chǎn)品的設(shè)計三維實體模型通過PDM系統(tǒng)發(fā)布后，工藝人員即可開始該產(chǎn)品的工藝流程規(guī)劃，構(gòu)建產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)模型，如圖3所示。利用CATIA軟件可快速導(dǎo)出包含產(chǎn)品信息、原材料信息、設(shè)計要求、附件信息等數(shù)據(jù)的物料清單，為工藝人員提供準(zhǔn)確可靠的產(chǎn)品設(shè)計信息。

圖3 基于MBD的設(shè)計數(shù)據(jù)模型

2.3 基于知識圖譜的工藝路線推薦

2.3.1 基礎(chǔ)規(guī)則函數(shù)

根據(jù)飛機制造工藝流程規(guī)劃知識，將歸納總結(jié)得到的工藝路線分工規(guī)則轉(zhuǎn)換為函數(shù)，實現(xiàn)對飛機制造工藝路線的推薦算法。

表3是根據(jù)工藝流程規(guī)劃分離面確定的設(shè)計關(guān)系、制造關(guān)系、裝配關(guān)系、界面關(guān)系，通過提取經(jīng)驗數(shù)據(jù)為函數(shù)匹配不同的權(quán)重，確定工藝流程規(guī)劃的推薦算法函數(shù)：

表3 飛機制造工藝路線分工規(guī)則表

式中，x是零組件、成品、標(biāo)準(zhǔn)件等對象的制造裝配順序，α（x1）、β（x2）、γ（x3）、δ（x4）分別為不同工藝路線分工趨勢時的對應(yīng)函數(shù)。

2.3.2 工藝組合規(guī)則

飛機制造過程中，因部分產(chǎn)品對制造工藝有特殊要求，使得這類組件不能完全按照設(shè)計圖紙要求交付下游單位，工藝人員依據(jù)工藝組合規(guī)則重新制定新組件，即是工藝組合件。工藝組合件與零組件的工藝路線分工等生產(chǎn)信息一起構(gòu)成PBOM、MBOM數(shù)據(jù)，關(guān)系如圖4所示，工藝組合件建立的正確性，直接影響到飛機制造過程零組件流轉(zhuǎn)效率。

圖4 工藝組合件與零組件工藝路線關(guān)系

編制工藝組合件時，工藝人員篩選出不能滿足制造工藝要求的組件，利用PDM系統(tǒng)在PBOM數(shù)據(jù)中對EBOM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行修改，將其所屬件作增加或刪減等改變，重新定義零組件結(jié)構(gòu)關(guān)系，形成工藝組合件。

2.4 實例分析

在某型飛機研制過程中，設(shè)計圖紙為基于MBD的三維實體模型，選取左平尾作為基于知識圖譜的飛機制造工藝路線推薦方法的實例應(yīng)用。通過CATIA軟件實現(xiàn)對三維實體模型設(shè)計數(shù)據(jù)的提取，將設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入到基于知識圖譜的工藝路線推薦函數(shù)中，迭代更新制造單位生產(chǎn)資源、零組件工藝技術(shù)能力及生產(chǎn)周期等參數(shù)，得到工藝路線推薦分工數(shù)據(jù)，形成16項零組件及4項工藝組合件工藝路線數(shù)據(jù)（表4）。

表4 左平尾工藝路線推薦示例

同時，右平尾工藝流程規(guī)劃仍沿用以往方法，耗時21 h。通過應(yīng)用基于知識圖譜的飛機制造工藝路線推薦方法，左平尾工藝流程規(guī)劃周期降低至7 h，作業(yè)效率提升66.67%，工藝路線正確率達(dá)到97.4%，提高了飛機制造工藝流程規(guī)劃效率及質(zhì)量，縮短了飛機研制周期。

3 結(jié)論

現(xiàn)代飛機研制要求飛機制造企業(yè)具有快速研制、小批量多品種、敏捷制造等能力，對工藝水平具有極高的要求。通過研究基于知識圖譜的飛機制造工藝路線推薦方法，構(gòu)建工藝流程規(guī)劃知識圖譜，結(jié)合多種數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件實現(xiàn)對飛機設(shè)計圖紙的數(shù)據(jù)提取和分解，提高了工藝流程規(guī)劃的效率和質(zhì)量，有效解決了工藝路線作為鏈接設(shè)計資源與生產(chǎn)資源的瓶頸問題，縮短了飛機制造周期，提升了飛機制造企業(yè)的敏捷競爭力。