面向鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的知識(shí)建模方法及應(yīng)用

余仁忠，余心宏

(西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 前言

隨著整個(gè)社會(huì)對(duì)知識(shí)的需求日益高漲和信息技術(shù)對(duì)知識(shí)的處理能力不斷提高，現(xiàn)代制造系統(tǒng)越來(lái)越呈現(xiàn)基于知識(shí)系統(tǒng)的特征，作為機(jī)械制造業(yè)支柱之一的鍛造行業(yè)這種情況更是突出［1］。

目前，鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)存在著如下問(wèn)題:①鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程比較松散，缺乏專業(yè)的開(kāi)發(fā)模式;②以前的開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的專業(yè)數(shù)據(jù)缺乏有組織的、系統(tǒng)的管理，影響了對(duì)這些鍛件開(kāi)發(fā)知識(shí)的重用;③鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)側(cè)重于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，難以突破經(jīng)驗(yàn)局限［2-4］。因此，需要對(duì)鍛件開(kāi)發(fā)知識(shí)進(jìn)行獲取、表達(dá)、組織、共享、檢索、運(yùn)用及更新［5-7］，構(gòu)建鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)，合理管理和重用已有的知識(shí)資源，重視知識(shí)創(chuàng)新，為設(shè)計(jì)人員能夠快速獲取和應(yīng)用知識(shí)提供重要保證。

1 鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)知識(shí)建模

基于知識(shí)的鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)必須將知識(shí)重用和開(kāi)發(fā)過(guò)程相結(jié)合，通過(guò)知識(shí)和開(kāi)發(fā)各階段的融合，使鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)在知識(shí)的指導(dǎo)下進(jìn)行，盡量減少鍛件新品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高開(kāi)發(fā)的成功率。鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)包括鍛件圖的制訂、鍛造設(shè)備的選擇、鍛造工藝設(shè)計(jì)、鍛件的制坯和鍛模的設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)人員根據(jù)鍛件的外部形狀、材料及其應(yīng)用領(lǐng)域，確定鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的批量、主要尺寸和一些性能參數(shù)。通過(guò)對(duì)基于知識(shí)的鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程分析可知，在鍛件的不同開(kāi)發(fā)階段會(huì)使用到不同類型的知識(shí)，每個(gè)階段應(yīng)用相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具和知識(shí)完成階段性的開(kāi)發(fā)任務(wù)。因此，從鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中涉及到的人員、工具和知識(shí)出發(fā)，可定義出3種典型鍛件開(kāi)發(fā)知識(shí):領(lǐng)域知識(shí)、實(shí)例知識(shí)和設(shè)計(jì)歷史知識(shí)，其具體知識(shí)框架如圖1所示。

圖1 鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)知識(shí)Fig.1 Development knowledge for forged pieces

1.1 領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)

鍛造行業(yè)的領(lǐng)域知識(shí)復(fù)雜多樣，包括:①標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、專利和文獻(xiàn)等文檔資料;②技術(shù)總結(jié)資料如試制報(bào)告、工藝指導(dǎo)文件、工藝說(shuō)明書(shū)、通用工藝規(guī)程和故障分析報(bào)告等;③鍛件材料冶金信息如材料基本信息、材料冶金方法、材料的化學(xué)成分、材料的鍛造工藝特性和材料的熱處理工藝特性等;④鍛造工藝知識(shí)如工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù) (常用術(shù)語(yǔ)、特殊符號(hào)、工藝標(biāo)準(zhǔn)和工藝手冊(cè)等)、工藝資源數(shù)據(jù) (鍛床、模具、加熱爐和工裝等)、模型數(shù)據(jù) (產(chǎn)品零件、工藝、工序等)和決策知識(shí);⑤質(zhì)量問(wèn)題處理報(bào)告 (包括綜合質(zhì)量問(wèn)題處理報(bào)告和專項(xiàng)質(zhì)量問(wèn)題處理報(bào)告);⑥新工藝、新技術(shù)和新方法;⑦模擬分析數(shù)據(jù)如材料流動(dòng)、模具填充、鍛造負(fù)荷、模具應(yīng)力、晶粒流動(dòng)、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷情況等;⑧評(píng)價(jià)決策方法與模型。

鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域知識(shí)具有形式多樣性、面向?qū)ο笮院驼w確定性而局部不確定性的等特點(diǎn)，在組織、描述和管理鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)領(lǐng)域知識(shí)時(shí)可采用分層和分類的庫(kù)模型。綜合分析各類知識(shí)表達(dá)方法的特點(diǎn)，對(duì)鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)領(lǐng)域知識(shí)采用規(guī)則/框架綜合表達(dá)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)知識(shí)表達(dá)。其基本表達(dá)原則:表達(dá)領(lǐng)域知識(shí)時(shí)以框架表達(dá)為主體，將規(guī)則嵌入到框架中;而在系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)，框架和規(guī)則可以相互調(diào)用。

1.2 實(shí)例知識(shí)庫(kù)

在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，實(shí)例知識(shí)作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)的參考，對(duì)制造行業(yè)的發(fā)展起到了一個(gè)巨大的推動(dòng)作用。在鍛造生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)例知識(shí)主要包括鍛件實(shí)例知識(shí)和鍛造工藝實(shí)例知識(shí)，其中鍛造工藝實(shí)例知識(shí)包括典型工藝、典型工序和典型工序參數(shù)等。圖2為鍛件開(kāi)發(fā)實(shí)例知識(shí)框架圖。

圖2 鍛件開(kāi)發(fā)實(shí)例知識(shí)框架圖Fig.2 Frame diagram of development case knowledge for forged pieces

由圖2知，鍛件實(shí)例知識(shí)和鍛造工藝實(shí)例知識(shí)都是結(jié)構(gòu)性知識(shí)，層次關(guān)系比較明確，因此需要選擇能夠體現(xiàn)層次關(guān)系的知識(shí)表達(dá)方法對(duì)實(shí)例知識(shí)進(jìn)行管理和使用，而框架表達(dá)方法能夠滿足這個(gè)要求。框架表達(dá)方法適合表達(dá)具有層次結(jié)構(gòu)和繼承關(guān)系的實(shí)例知識(shí)，表達(dá)時(shí)以框架為主體，用槽值描述設(shè)計(jì)屬性。實(shí)例的描述是一組框架按設(shè)計(jì)問(wèn)題的分解關(guān)系形成的框架樹(shù)，而框架中的每一個(gè)槽都具有特定的值，它們反映了設(shè)計(jì)實(shí)例的內(nèi)容。實(shí)例的主要特征位于第一層，次要特征位于第二層，依次類推。

1.3 設(shè)計(jì)歷史知識(shí)庫(kù)

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn):基于實(shí)例設(shè)計(jì)存在一些問(wèn)題，如:①對(duì)參考實(shí)例了解不夠深入，檢索或索引出的實(shí)例不能正常重用;②對(duì)原設(shè)計(jì)理解不夠而在解決新問(wèn)題時(shí)重復(fù)犯錯(cuò)或不能正確修改;③參考已有實(shí)例時(shí)可能固化思維，缺乏尋求更佳方案的動(dòng)力。但在參考設(shè)計(jì)實(shí)例時(shí)若同時(shí)考慮設(shè)計(jì)歷史知識(shí)，將有效克服這些問(wèn)題。

設(shè)計(jì)歷史的概念最早起源于軟件工程領(lǐng)域，可以定義為:圍繞產(chǎn)品模型進(jìn)化而展開(kāi)的設(shè)計(jì)行為及其原因的信息集［9］。其一般包括:①設(shè)計(jì)意圖 (what to do)，反映設(shè)計(jì)的功能需求、目標(biāo)和約束，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)活動(dòng)內(nèi)在的驅(qū)動(dòng)和制約因素;②產(chǎn)品數(shù)據(jù) (what we get)，反映滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束的最終和重要的階段性設(shè)計(jì)結(jié)果;③決策歷史，即設(shè)計(jì)原理 (why we choose)，反映產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有關(guān)設(shè)計(jì)決策和備選方案及其推理和評(píng)價(jià)過(guò)程的描述;④設(shè)計(jì)步驟 (how we get)，主要指設(shè)計(jì)者對(duì)模型進(jìn)行操作的信息交換序列，強(qiáng)調(diào)記錄影響產(chǎn)品具體數(shù)據(jù)的“設(shè)計(jì)軌跡”，以便進(jìn)行設(shè)計(jì)的回溯和重現(xiàn)。

設(shè)計(jì)歷史知識(shí)是實(shí)例知識(shí)的有力補(bǔ)充，也屬于結(jié)構(gòu)性知識(shí)，所以采用框架表達(dá)方法來(lái)進(jìn)行表達(dá)設(shè)計(jì)歷史知識(shí)。

2 新品開(kāi)發(fā)平臺(tái)的系統(tǒng)集成

本文針對(duì)鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)知識(shí)的特點(diǎn)，以規(guī)則/框架綜合知識(shí)表達(dá)方法為基礎(chǔ)，采用面向?qū)ο蠓椒▽㈩I(lǐng)域知識(shí)、實(shí)例知識(shí)和設(shè)計(jì)歷史知識(shí)集成為一體，提出了鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)知識(shí)集成表示模型，如圖3。

為了保證開(kāi)發(fā)出的系統(tǒng)保持先進(jìn)性，對(duì)鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和關(guān)鍵通信技術(shù)方面作了認(rèn)真選擇，旨在發(fā)揮數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與網(wǎng)路技術(shù)結(jié)合帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)上述鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)知識(shí)的建模方法，在Windows環(huán)境下，基于ASP．NET開(kāi)發(fā)平臺(tái)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)ORACLE，使用面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)語(yǔ)言C#開(kāi)發(fā)了基于WEB的鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，如圖4所示。

鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)采用B/S模式的三層結(jié)構(gòu)，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層和數(shù)據(jù)庫(kù)層。從系統(tǒng)門戶網(wǎng)站登錄，通過(guò)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的各種命令完成文檔和數(shù)據(jù)等知識(shí)的維護(hù) (如知識(shí)定義、分類、錄入、修改、刪除和校驗(yàn))，知識(shí)處理完后采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)連接方式 (如ODBC/ADO等)把網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) (如ORACLE或SQL SERVER)連接起來(lái)，再把知識(shí)分類存儲(chǔ)到各類知識(shí)庫(kù)中。當(dāng)要使用鍛件開(kāi)發(fā)知識(shí)時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的檢索界面輸入關(guān)鍵字從目標(biāo)知識(shí)庫(kù)中提取目標(biāo)知識(shí)或符合相似度的知識(shí)，再經(jīng)過(guò)ODBC或ADO接口把檢索到的知識(shí)調(diào)出到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊，并在系統(tǒng)的知識(shí)檢索界面網(wǎng)頁(yè)上按相似度大小排序呈現(xiàn)供設(shè)計(jì)人員參考，從而完成知識(shí)的使用過(guò)程如支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)或編制鍛造工藝等。

應(yīng)用結(jié)果表明，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了知識(shí)與開(kāi)發(fā)流程之間、各種軟件工具之間的緊密集成。每個(gè)設(shè)計(jì)階段通過(guò)調(diào)用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)可以有效的支持鍛件新品開(kāi)發(fā)，改變了傳統(tǒng)的以“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”為主的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了向創(chuàng)新設(shè)計(jì)和預(yù)定目標(biāo)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步提高了鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的水平和效率。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的分析，提出了面向鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的知識(shí)建模方法。將鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)知識(shí)劃分為領(lǐng)域知識(shí)、實(shí)例知識(shí)和設(shè)計(jì)原理知識(shí)。利用規(guī)則/框架結(jié)合的知識(shí)表達(dá)方法對(duì)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行組織表示，通過(guò)框架表達(dá)方法對(duì)實(shí)例知識(shí)進(jìn)行表示并使用CBR的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)例知識(shí)的檢索訪問(wèn)，采用框架表達(dá)方法對(duì)設(shè)計(jì)歷史知識(shí)進(jìn)行表示。實(shí)際應(yīng)用表明，本文的知識(shí)劃分及其建模方法可以有效表示鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)知識(shí)并方便實(shí)現(xiàn)集成，提高了鍛件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)水平和效率。

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