一種工藝設計綜合知識表示方法及其應用

趙昌葆，鄭 雙

（沈陽航空航天大學 航空宇航工程學院，沈陽 110136）

0 引言

工藝設計作為連接產品設計和生產制造的紐帶，是產品開發的關鍵環節之一。工藝設計由于過程復雜、涉及面廣，對經驗和知識的依賴性強，有效地組織、表示和利用工藝設計過程中的各種知識，是提高工藝設計水平和產品開發質量的重要途徑[1]。

迄今為止，對工藝知識的研究主要集中在三個方面：工藝設計專家系統中工藝知識的表達和推理，工藝知識處理技術和計算機輔助技術的結合以及基于本體的工藝知識組織與管理。工藝設計專家系統是將專家知識以產生式規則、框架和對象等知識表示方法，組織和存儲在知識庫中，推理機調用工藝知識進行工藝設計的智能系統。專家系統中各種形式化的知識表示方法，分別適合表達工藝設計中的決策準則、產品特征和結構關系等方面的知識，但工藝設計過程中，需要綜合利用各種不同的知識進行問題求解，專家系統難以滿足上述需求[2]。工藝知識處理技術與計算機輔助技術結合的最主要應用是工藝設計KBE（Knowledge Based Engineering，基于知識的工程）系統，它融合了計算機輔助設計、工程分析、規劃技術與知識推理技術，為工藝設計提供了一個智能化平臺，提高了工藝設計過程的集成度，而工藝知識的獲取、表達和推理技術并未改進[3]。基于本體的工藝知識組織和管理，目前的主要工作集中在工藝知識分類組織上，接近于概念化的工藝知識體系，與專家系統中用于機器推理的形式化知識相比，更適合人進行宏觀理解與把握，通用的本體知識推理引擎也難以適應不同類型的問題求解[4]。

本文通過對工藝設計的問題求解過程及知識應用特點的分析，提出了一種適用于工藝設計的綜合知識表示方法。給出了一類沖壓零件工藝設計的集成知識表示方法及其應用實例，驗證了工藝知識綜合表示方法的有效性。

1 工藝設計分析

零件的工藝設計是根據零件定義和生產要求確定具體的加工方法和步驟的過程。零件定義包括零件的結構、形狀、尺寸、精度、材料、熱表處理及技術要求等。零件工藝設計可以分為兩個階段：工藝流程設計和工序設計，主要內容包括毛坯形式、工序類型、工藝參數、工裝設備、材料和工時定額等內容的確定。從問題求解的角度考慮，工藝設計的“問題”為“符合工程要求的零件”，“解”為“獲得合格零件的加工方法和步驟”，約束條件為“內在的工藝過程規律和外在的生產制造環境”。

作為一類典型的工程問題，工藝設計過程具有以下特點：1）求解的逆向性：工藝設計從滿足一定工程特性的最終零件，即加工結果出發，推斷出得到該零件的加工過程和方法；2）信息的復雜性：零件定義信息、生產條件信息、工藝過程信息、工序描述信息所包含的信息類型較多、結構復雜，且隨零件種類及工藝方法的不同有所差異；3）約束的隱含性：任何工藝過程都是在具體的生產條件下發生的，工藝設計須符合技術先進性和經濟合理性等方面的要求。

鑒于零件加工（如切削、成形）機理和處理過程（如熱表處理、強化）的復雜性，在對零件工藝過程規律了解不完全的情況下，需要借助各類工藝知識，結合推理和計算，獲得零件的加工工藝。工藝知識須滿足以下條件：

1）工藝知識最大程度地體現“加工方法”和“加工結果”之間內在的因果關聯，它們是工藝設計的邏輯依據，由于對工藝過程規律的認識程度的不同，工藝知識表現為關聯強度不同的形式；

2）工藝知識涵蓋工藝設計中各個層次、各種類型、各種存在方式的知識，須對工藝設計中所涉及的各類知識及其邏輯關系進行合理表達和有效組織，以支持工藝設計問題的求解過程；

3）工藝知識容納工藝設計過程中涉及的各類約束，將約束顯性化并以恰當的形式再現，使約束滿足納入知識推理過程，以縮小解空間的范圍、加速求解過程和提高解的質量。

2 工藝知識綜合表示

根據工藝設計的特點及工藝設計過程對工藝知識的需求，本文提出一種綜合知識表示方法。

定義1：綜合知識（General Knowledge）由三部分組成：知識前件（Antecedent）、知識后件（Consequent），及知識前件與知識后件之間的映射（Mapping），知識前件是對問題的形式描述，知識后件是對解的形式描述，映射是前件與后件之間因果關聯的形式描述。

定義2：綜合知識的前件和后件均通過三種成分表示：知識對應對象的屬性（Attribute），知識對應對象的組成要素（Element），上述屬性及要素之間的關系（Relation）。

屬性按照語義類型不同可以分為：1）描述屬性（Descriptive Attribute）：即用于對象某方面性質或狀態描述的屬性；2）分類屬性（Classificatory Attribute）：即用于一簇對象按照某種特性進行分類的屬性。

根據在問題求解過程中的作用不同，關系可以分為以下類型：1）描述關系（Description Relation）：即用于要素之間或屬性之間關系的描述，存在于綜合知識的前件或后件中；2）約束關系（Constraint Relation）：即可行解必須要或盡可能滿足的約束，只存在于綜合知識的后件中。約束關系根據約束性質不同又可分為強制性約束（Compulsive Constraint）和推薦性約束（Recommendatory Constraint），前者將問題的解限制在可行解的范圍內，后者給出獲得較優解的建議。

映射反映了知識的本質，問題求解過程實質上就是問題空間與解空間的映射。問題空間與解空間的映射本質上是確定的，但由于認知程度的不同而表現為不同的形態。根據映射形態的不同，可以將映射關系分為：1）函數型映射（Functional Mapping）：問題空間是連續空間，映射關系可以用函數描述；2）歸結型映射（Inductive Mapping）：問題空間是離散的問題集合，映射關系可以通過問題和解的有序對描述；3）示例型映射（Illustrational Mapping）：映射關系無法顯式描述，蘊含在若干包含問題和解的信息的范例中。綜合知識的范式描述如表1所示。

表2 凸緣筒形件工藝設計綜合知識——前件屬性與要素

表3 凸緣筒形件工藝設計綜合知識——映射

表4 凸緣筒形件工藝設計綜合知識——后件約束

需要指出，上述綜合知識中的各種成分和類型，在某一范疇的工藝設計知識中不一定全部出現，須根據實際需要合理選用。

對于零件工藝設計的綜合知識，前件通常只包含屬性和要素兩種成分。屬性用于表達前件對應的對象的整體特征，例如零件的類型、形狀、尺寸、精度、材料、熱表處理及生產批量等。要素是零件的局部功能單元或加工區域，即結構特征，例如鈑金零件的孔、槽、凸起、下陷、圓角、凸緣、彎曲、平面體和圓筒體等。各種結構特征對應于特定的加工或成形方法。對于裝配工藝設計，綜合知識的前件包含屬性、要素和關系三種成分，其中屬性用于表達裝配體（如組件、部件或產品）的特征，要素為組成裝配體的零件，關系包括零件之間的定位關系、連接關系及配合關系等。

綜合知識的后件可以分為工藝流程和工序兩個層次。工藝流程是一系列工序的有序排列，而工序可看作是整個工藝過程的一個加工或處理單元，因此工序是綜合知識后件的要素。工序的主要內容包括操作方法、工藝參數和工裝設備等，這些內容均可作為后件的屬性。需要指出，一個工序對應一組屬性，屬性成組出現，一組屬性反映一個工序各個側面的信息，而不是關于整個工藝流程的信息。后件的關系包括工序之間的關系，以及不同工序的屬性之間的關系，一個工藝流程中的各工序之間的順序關系為描述關系，而工序之間的共存、互斥關系則屬于約束關系，不同工序的工藝參數之間的關系是一種常見的約束關系。約束可以通過等式、不等式或集合來表示。

映射是零件加工過程和加工結果之間因果關聯的邏輯表示，這種因果關聯可以從各種公式、圖表、規則、范例以及其它經驗數據和方法中發現和獲得，并根據關聯形式的不同表示為函數、表格和示例等。

圖1 基于綜合知識的凸緣筒形件工藝設計

3 工藝知識應用實例

沖壓零件工藝設計主要包括工藝流程設計和工序設計[5]，凸緣筒形件工藝設計綜合知識的組成部分示例如表2、表3和表4。

凸緣筒形件工藝設計的過程及其所利用的綜合知識，如圖1所示。

4 結束語

本文從工程問題求解的角度，分析了工藝設計的方法和過程特點，歸納了工藝設計對知識建模的要求，在此基礎上提出一種適合于工藝設計的綜合知識表示方法。該方法的特點是反映了“加工方法”和“加工結果”之間因果關聯的內涵，將各種形式的知識“片段”以恰當的方式納入工藝設計知識單元中，實現了豐富的語義表達和靈活的推理支持。

利用本文提出的綜合知識表示方法，在某飛機制造企業建立了沖壓工藝設計知識庫，開發了基于綜合知識的工藝設計系統。實踐表明，綜合知識表示方法是工藝設計知識有效的表示和組織方法：一方面有力支持工藝設計過程，提高了工藝設計質量；另一方面增加了知識的集成度，為工藝知識管理的提供了合理框架。

[1] 張振明,等.現代CAPP技術與應用[M].西安:西北工業出版社,2003.

[2] Kiritsis D.A Review of Knowledge-Based Expert Systems for Process Planning.Methods and Problems[J].The Internationa l Journal of Advanced Manufacturing Technology,1995,10(4):240-262.

[3] J.A.Penoyer,G.Burnett,D.J.Fawcett, and S.Y.Liou.Knowledge Based Product Life Cycle Systems: Principles of Integration of KBE and C3P[J].Computer Aided Design,2000,(32):311-320.

[4] 高煥明,等.基于本體的工藝知識管理方法研究[J].機械工程師,2009,(3):63-66.

[5] 薛啟翔,等.沖壓工藝與模具設計實例分析[M].北京:機械工業出版社,2008.