面向先進制造設備信息的知識建模研究

胡曉青 王艷娟

摘 要：本文在闡述制造知識分類的基礎上，針對制造知識中先進制造設備信息并結合零件的加工過程的信息特征，分析了制造知識建模技術的需求，討論了該知識建模技術如何支持制造知識建模的方法，最后通過實例說明了面向先進制造設備信息的制造知識設計模型。該研究為需要者提供了制造知識建模切實可行的方法。

關鍵詞：建模技術；設備信息；數控車床

當今的制造系統已經發展成為一個高度復雜的系統，它包含并積累了大量的知識，我們稱之為“制造知識”。制造活動的實質是將知識或信息記錄在原材料或制造設備上，以提高其知識含量，并轉化為產品[1]。伴隨著現代先進制造技術的發展，知識已逐漸成為現代制造企業爭奪的重要資源，特別是隨著智能制造的興起和大數據時代的到來，新的生產過程和生產設備都需要新的信息技術的支持。在知識含量已成為產品價值決定因素的今天，市場對產品性能的更高要求使得制造知識的度量更為重要。為了研究制造知識的度量，必須首先研究制造知識的分類，并研究制造知識的建模，從而快速、良好地制造產品，提高產品研發水平[2-6]。

1 制造知識的分類

從結構和信息特征等方面，運用開關因素的概念對制造知識進行分類[1]。

根據制造知識的結構，制造知識可分為單元知識和合成知識。所謂單元知識，是指其他制造知識（除了自身以外）所不能表達的知識；合成知識是指由單元知識綜合而成的表示某一整體特征的知識。

根據產品的信息特征， 制造知識可分為形狀特征知識和精度特征知識、裝配特征知識、檢驗特征知識、材料特征知識。上述特征知識又可歸納為三類： 第一類是形狀特征知識； 第二類特征是由精度特征、裝配特征和檢驗特征構成的精度特征知識； 第三類是材料特征知識。按制造知識產生的過程， 制造知識可分為設計知識、工藝知識、裝配知識、檢驗知識和材料知識等。工藝知識又包括宏觀變形知識（ 如沖壓、切削、鍛造等） 和微觀變形知識（ 如淬火、退火、冷處理、滲碳等）。

按照制造知識的用途，制造知識可分為一通用、常識知識、專門知識等。制造知識與設計和制造過程密切相關，它有許多方面和層次。它大致可以分為產品知識和制造過程知識。所謂產品知識是指準確描述產品特性所必需的信息，包括產品幾何形狀、尺寸、公差、材料、各種技術規格和技術要求；所謂制造過程知識，是指為了實現一定的制造過程，并獲得滿足預定要求的零件所需的制造過程的各種知識，包括工藝知識（ process knowledge ）和管理知識。

制造企業的產品種類繁多、復雜。本文只分析與加工過程和資源相關的知識，即設備知識。針對制造知識中先進制造設備信息結合零件的加工過程的信息特征， 本文將設備知識進一步劃分為零件制造的過程知識（ 第三類特征知識中的制造過程知識） 和零件制造的資源知識（ 包括形狀特征知識中的材料知識和工藝知識等）。

2 知識建模技術的需求分析

制造知識的建模技術是制造知識的重要技術，其基本需求是：

（1）可辨識性是通過對知識進行建模來識別不同種類的知識。

（2）統一性是將顯性知識與隱性知識統一建模，從而在加強隱性知識有效管理的同時，也有利于隱性知識轉化為顯性知識。

（3）開放性是知識建模技術必須能夠適應不同類型的企業和部門，適應企業不斷變化的條件和環境，適應知識的動態更新。

（4）易用性是使知識所有者自己易于知識建模，由自己獲得或擁有的知識進行建模是最合適的。

（5）知識模型的其他要求是計算機可實現的，并且獨立于特定的計算機平臺和應用環境等[7]。

3 知識建模的步驟

要建立客觀存在對象的替代物-模型，一般需經過若干步驟，因為數學模型在制造過程中應用較多，故以數學模型為例來介紹建模步驟。

1）提出問題

提出問題就解決了一半的問題，它是解決問題的關鍵一步。提出問題的目的是在面對實際的研究對象時，弄清問題的來龍去脈，抓住問題的本質，確定問題數學模型的類型、輸入/輸出變量及用什么建模方法，所以，問題提出的過程即是將一個實際問題轉化成一個數學問題的過程，只有對研究對象的物理本質、概念、名詞、術語都很清楚的專業技術人員才可能正確地完成此項任務。

2）量的分析

數學建模過程中應搞清原型對象的各種可獲取的常量和變量，分清主要的量和次要的量。

3）模型假設

對現實問題進行必要的抽象和簡化，抓住問題的本質和主要因素，忽略一些次要因素，這樣才有可能建立適用的數學模型。確定模型假設時要遵循以下簡化原則。

（1）目的性原則

從建模目的出發，用于設計、優化、控制、管理的模型，其目的會有差異，主次因素也會不同。

（2）合理性原則

因假設帶來的誤差能滿足建模目的允許的誤差要求，各個假設之間不應互相矛盾。

（3）適應性原則

假設要適應模型的建立、求解、檢驗、應用過程。

（4）全面性原則

要注意到假設的無偏性，要給出原型所處的環境條件。

4）模型建立與模型求解

根據實際問題和建模的目的、要求、以及建模人的數學特長，選用合適的數學工具建立數學模型，求解出模型的相關參數。值得指出的是，對同一實際問題可以構造出不同的數學模型，在達到預期目的的前提下，所用的數學工具越簡單越好。

5）模型分析與模型檢驗

為了判斷模型求解的結果是否與實際對象的特點相吻合，要對模型進行分析；為了判斷模型是否合適，如階次是否恰當，要對模型進行邏輯檢驗，反復修改、循環運作。經過模型分析與模型檢驗，方能建立一個合適的數學模型，用于替代實際對象。有了數學模型，就便于對實際問題進行分析、控制、優化等操作，也便于用計算機輔助技術來實現數學化處理。

4 制造知識模型

現以CNC車床加工為例，介紹一種建立制造知識模型的方法。

1）制造信息與知識的收集

一臺制造設備的知識可分為過程知識和資源知識。如在CNC車床上，可包括過程如粗車、精車等知識，資源如車刀、夾具、CAM軟件等知識。

過程信息可包括辨識現有制造過程所得信息和已辨識的每一過程的屬性，有了這些信息，就可以知道在每一過程中的制造特征的，獲得了過程知識。資源知識是結構化的信息及附加細節，它根據數控車削加工的以往經驗描述資源如何被使用。設備知識包含在該制造設備上辨識的過程知識和資源知識，為此需要定義一種結構以便存取、存儲各種類型的設備常識。

2）制造知識模型的設計

工業部門與研究機構的研究者們都把制造模型的概念作為制造信息的管理工具。用統一的建模語言表示知識的結構。在制造知識模型中，存取的制造信息與知識分為三類：過程知識、資源知識和設備知識。

當定義知識結構時，關鍵的事項是如何確定一臺制造設備上的知識并對其進行分類。可將設備知識分為兩超類。第一超類稱為設備知識，它關聯過程知識與資源知識，第二超類的為知識類型。

對于CNC車床而言，加工過程知識可分為車端面、粗車、精車等子類，類似地，資源知識可分為工具、機器、材料等知識子類，如圖1所示。

對于知識結構的創建，要求理解知識類別和“面向”概念，知識類別由支持某一特定決策而要求的技術訣竅所確定。而知識分類遵循面向對象概念。

“知識類型”為超類，顯示知識，默認知識和隱含知識為該超類的子類。重要的是定義合適的屬性來表示知識，例如，“知識類型”超類，具有的屬性有名稱，表示類型，辨識ID，修改次數，修改時間等，這些屬性具有管理設備知識的特征。此外，每個知識表達子類具有特定的屬性。

5 結束語

本文從結構、信息特征等方面闡述了制造知識的分類，從建模的設計需求出發，闡述了制造模型的建立步驟，在此基礎上對與機械加工過程及資源有關的知識，即設備知識進行了建模設計，建立了數控車削加工的制造知識模型，為先進制造業的制造知識建模提供了思路。同時在該知識建模技術的基礎之上，能方便地建立企業的制造知識軟件系統，對實際問題進行分析、控制、優化，為企業實現知識的共享和重用提供了技術基礎。

參考文獻

[1]李高正，師漢民.制造知識的表示及其度量方法的研究.中國機械工程，2003，14（12）：1025-1028.

[2]周佳軍，姚錫凡，劉敏等.幾種新興智能制造模式研究評述.計算機集成制造系統[J].2017，23（3）：624-639.

[3]胡玉杰.制造業知識管理中基于本題的產品知識表達研究[D]，浙江大學論文庫，2003.

[4]仇元福，潘旭偉，顧新建.現代制造企業的知識管理實施[J].慧眼聚焦，2002，40.

[5]姚永明.產品數據管理[J].機械與制造，2000，（3）.

[6]賓鴻贊.先進制造技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2017，（1）.

[7]潘旭偉，顧新建，仇元福，程耀東.面向知識管理的知識建模技術.計算機集成制造系統，2003，9（7）：517-521.

作者簡介

胡曉青（1983-），男，山東煙臺人，講師，碩士，研究方向：先進制造技術以及知識管理與創新。