基于灰色關(guān)聯(lián)度的船舶分段裝配工藝設(shè)計(jì)

周宏根，袁志超，李 磊，韓子延

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 前言

船舶產(chǎn)品的裝配過程是其建造周期中最耗時(shí)且耗費(fèi)精力較大的步驟之一，裝配環(huán)節(jié)施工前，對產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計(jì)是最重要的步驟。高效合理的工藝設(shè)計(jì)方法對提高裝配工藝設(shè)計(jì)效率，降低施工成本，縮短建造周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。傳統(tǒng)的船體裝配工藝設(shè)計(jì)主要根據(jù)工藝人員經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)效率和能力不高，難易滿足當(dāng)前船舶建造數(shù)字化、信息化和智能化需求。隨著現(xiàn)代造船工藝水平的提高，要求有效利用長期積累的工藝知識(shí)，提高工藝設(shè)計(jì)的數(shù)字化和智能化水平。在基于實(shí)例匹配的裝配工藝設(shè)計(jì)方面，大量學(xué)者做了廣泛研究：文獻(xiàn)[1]提出了一種基于K近鄰的協(xié)同過濾算法，并將這種算法在智能匹配系統(tǒng)中運(yùn)用；文獻(xiàn)[2]提出了基于實(shí)例推理研究鋼鐵生產(chǎn)工藝的方法；文獻(xiàn)[3]在此研究基礎(chǔ)上提出改進(jìn)實(shí)例推理，通過局部相似度計(jì)算方法并與最鄰算法結(jié)合來匹配工藝；文獻(xiàn)[4]通過零件特征將其相似度的計(jì)算分為3個(gè)階段，提出了基于焊裝工藝相似的實(shí)例檢索方法；文獻(xiàn)[5]提出了基于知識(shí)設(shè)計(jì)裝配工藝的方法，該方法將批量數(shù)據(jù)與成功的舊設(shè)計(jì)結(jié)合使用，以推斷產(chǎn)品組裝過程的范圍；文獻(xiàn)[6]提出基于文本相似性算法實(shí)現(xiàn)裝配工藝的匹配，使用基于文本的相似性和檢索算法從集中式存儲(chǔ)庫中檢索已有裝配工藝實(shí)例；文獻(xiàn)[7]提出了基于閾值的確定性方法和概率方法，對制造應(yīng)用零件進(jìn)行分類。

以上方法在實(shí)例匹配過程中無法確定各裝配元素在裝配工藝設(shè)計(jì)中所占不中，故實(shí)例匹配的結(jié)果存在一定的客觀性。因此，建立裝配實(shí)例知識(shí)庫，并基于灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行裝配實(shí)例與目標(biāo)工藝間相似性排序，完成裝配實(shí)例的推送。

2 船舶裝配實(shí)例知識(shí)庫

在設(shè)計(jì)船舶裝配工藝過程中，很少采用規(guī)則推理法。現(xiàn)存的工藝包含大量工藝人員的經(jīng)驗(yàn)，與待設(shè)計(jì)的目標(biāo)工藝之間存在一定的相似性，在新分段藝設(shè)計(jì)過程中具有借鑒作用。故建立裝配實(shí)例知識(shí)庫，輔助新分段的工藝設(shè)計(jì)。

2.1 船舶裝配工藝過程分析

從現(xiàn)代造船的技術(shù)特點(diǎn)來看，船體裝配可分為三個(gè)過程：由數(shù)量不多的板材和型材組合成部件或組件；由組件、部件、板材型材裝配焊接組合成分段；在船臺(tái)或船塢上將分段、少量板材和型材組裝成船體。其中，部件和分段裝配是船體裝配的主要任務(wù)，消耗工時(shí)最長，工藝過程最為復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)裝配工藝快速生成，首先將裝配工藝元素分為裝配對象、裝配資源、裝配操作要求以及裝配規(guī)范四大類。裝配對象分為五類，分別是平面分段、曲面分段、直T型部件、彎T型部件、拼板部件。裝配資源包含材料資源，零件資源，設(shè)備資源以及構(gòu)件分段信息。裝配操作要求包括劃線要求、基本工序、點(diǎn)焊要求。裝配規(guī)范包含裝前檢查項(xiàng)目以及精度檢測要求。具體裝配工藝信息如下表1所示。

表1 船舶裝配工藝信息表Tab.1 Ship Assembly Process Information Sheet

2.2 裝配實(shí)例工藝知識(shí)庫建立

船舶裝配實(shí)例工藝由船舶裝配的工藝特性以及工藝目標(biāo)所定義，通過一定形式對其進(jìn)行匹配和修改，工藝人員可得到新的部件和分段的裝配工藝。在產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)時(shí)所積累的經(jīng)驗(yàn)與各種決策信息進(jìn)行歸納總結(jié)而得到的稱為裝配工藝實(shí)例知識(shí)。根據(jù)上文對船舶裝配工藝的分析，建立基于知識(shí)元的船舶裝配工藝知識(shí)模型。船舶裝配工藝知識(shí)元是裝配工藝知識(shí)單元的簡稱，是構(gòu)成船舶裝配工藝的基本單元，裝配工藝知識(shí)元由工藝知識(shí)的概念、屬性和規(guī)則構(gòu)成，其表達(dá)式，如（1）所示：

式中：STKR—工藝知識(shí)的規(guī)則；STKA—工藝知識(shí)的屬性；STKC—工藝知識(shí)的概念。

以某船舶分段工藝為例：裝配工藝知識(shí)的概念包括裝配對象名稱及編號(hào)、所屬船型及總段的編號(hào)；裝配工藝知識(shí)的屬性包括分段重量、裝配方法、零件材料類型、裝配工作位置；裝配工藝知識(shí)的規(guī)則包括裝配基準(zhǔn)面、檢查項(xiàng)目、劃線要求、裝配順序、裝焊工序、點(diǎn)焊參數(shù)及精度控制要求等。將裝配實(shí)例知識(shí)的概念和部分屬性作為匹配項(xiàng)進(jìn)行實(shí)例的匹配。裝配實(shí)例工藝知識(shí)庫是對這些工藝知識(shí)進(jìn)行合理組織的集合，建立裝配工藝實(shí)例知識(shí)庫以存儲(chǔ)實(shí)例知識(shí)，并在工藝設(shè)計(jì)時(shí)通過匹配快速查找相似的工藝。

3 裝配任務(wù)相似性分析

以船舶的裝配任務(wù)為基礎(chǔ)，根據(jù)裝配對象及資源的特性，從實(shí)例知識(shí)庫中匹配出具有相似性的典型工藝，加快工藝設(shè)計(jì)的效率。基于灰色關(guān)聯(lián)度完成相似實(shí)例工藝的推送，設(shè)計(jì)裝配工藝，流程，如圖1所示。

圖1 基于灰色關(guān)聯(lián)度的船舶工藝設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design Process of Ship Based on Gray Correlation

3.1 相似性計(jì)算模型的建立

若要實(shí)現(xiàn)船舶裝配工藝的快速設(shè)計(jì)，則需重用已有的實(shí)例工藝知識(shí)。在工藝生成設(shè)計(jì)過程中，在實(shí)例工藝知識(shí)庫中通過相似性匹配得到可用的裝配工藝，對此工藝進(jìn)行適當(dāng)修改，提升裝配工藝的設(shè)計(jì)效率。

為了快速匹配到和待設(shè)計(jì)任務(wù)所相似的裝配任務(wù)，需分析不同裝配對象的裝配工藝相似性，船舶裝配任務(wù)主要包含的內(nèi)容是產(chǎn)品對象和裝配資源。所以，衡量裝配任務(wù)的相似性需從裝配產(chǎn)品對象和裝配資源的相似性的角度來分析。裝配任務(wù)的屬性分為文本字符串、數(shù)值及類型描述符這三類。

3.1.1 文本字符串

文本字符串指名稱等屬性，是無法對其進(jìn)行精確量化比較，由包含自然語義的字符串組成。構(gòu)建語義字符串類屬性的相似性標(biāo)度方法，并將字符作為基本的比較元素，比較單元由字符的集合構(gòu)成。設(shè)兩個(gè)裝配任務(wù)中待比較的字符串屬性分別為STi和STj，則相似性計(jì)算公式為：

式中：STi?STj—STi和STj中共有的字符子集；STi?STj—僅存在于STi的字符子集；STj?STi—僅屬于STj的字符子集。

3.1.2 類型描述符

如果僅用字符型來表達(dá)裝配任務(wù)屬性則會(huì)存在較大誤差，且裝配產(chǎn)品對象以及裝配資源的種類劃分僅用字符型表達(dá)無法區(qū)分其差異，因此需加入類型描述符。船體裝配對象可劃分為多個(gè)種類，例如“T型部件類”、“平面結(jié)構(gòu)類”、“立體結(jié)構(gòu)類”、“曲面分段類”、“特殊分段類”等都是表示該劃分的分類描述符。通常，描述符由字符及數(shù)字組合而成，若兩個(gè)裝配任務(wù)中含有的類型描述符為TPi和TPj，則兩者的相似性計(jì)算公式如下：

3.1.3 數(shù)值屬性相似度

數(shù)值屬性的比較可從定量的角度表達(dá)數(shù)值之間的差異，裝配任務(wù)中NUi和NUj數(shù)值屬性間的相似性計(jì)算公式如下：

其中，因?yàn)閿?shù)值類屬性都包含工程意義，因此NUi，NUj∈R+。從裝配任務(wù)相似性分析的角度來說，需選用數(shù)值的共性特征來計(jì)算裝配產(chǎn)品對象和裝配資源的相似性。

3.2 基于灰色關(guān)聯(lián)度的裝配任務(wù)相似性比較

3.2.1 船舶裝配任務(wù)參考序列的構(gòu)建

為了從裝配工藝實(shí)例知識(shí)庫中匹配到相似的裝配工藝，影響任務(wù)相似性的特征因素的確定是首要的。從裝配對象和裝配資源中選取重要屬性，如裝配對象和裝配資源的名稱、裝配對象的重量、裝配位置和裝配方法的選擇。

由這些屬性可建立待分析屬性序列A={a1，a2，….an} 。參與分析相似性的任務(wù)可分為待比較任務(wù)與目標(biāo)任務(wù)。目標(biāo)任務(wù)是所需設(shè)計(jì)的裝配工藝的任務(wù)；待比較任務(wù)是指可能與目標(biāo)任務(wù)相似并已存儲(chǔ)于裝配工藝實(shí)例知識(shí)庫中的任務(wù)。一般會(huì)有多個(gè)待比較任務(wù)存在，并由此可構(gòu)建待比較任務(wù)集合。根據(jù)上文分析，帶入計(jì)算的裝配工藝屬性，如表2所示。

表2 船舶裝配工藝屬性表Tab.2 Ship Assembly Process Attribute Table

通過對待設(shè)計(jì)裝配任務(wù)與待比較任務(wù)的裝配對象及裝配資源屬性相似性對比來判斷它們的相似度，將屬性作為特征因素建立量化灰色關(guān)聯(lián)度的方法。對于?ai∈A，設(shè)待設(shè)計(jì)裝配任務(wù)為Obj，待比較任務(wù)集合為CP={cp1，cp2，…，cpm}，則待設(shè)計(jì)裝配任務(wù)與各待比較任務(wù)的相似度矩陣如下：

其中，Sim(Obj(ai)，cpj(ai))為待設(shè)計(jì)裝配任務(wù)Obj與待比較任務(wù)cpj對于屬性ai的相似度。船舶裝配任務(wù)相似性判斷的輸入數(shù)據(jù)以相似度矩陣S列出的待設(shè)計(jì)裝配任務(wù)與各個(gè)待比較任務(wù)在不同屬性方面的相似度為依據(jù)。該行的最大值作為灰色關(guān)聯(lián)度分析的參考值，S中每個(gè)ai所對應(yīng)行的相似度最大值表示為max(ai)，列出其參考序列：

3.2.2 任務(wù)屬性的關(guān)聯(lián)系數(shù)

為了便于分析，需進(jìn)一步規(guī)范化表達(dá)比較序列與參考序列。將式（6）對應(yīng)的參考序列簡化表示為：

以上式（5）的相似度矩陣為基礎(chǔ)，將待比較任務(wù)集合對應(yīng)的比較序列表示為：

式中：Sj—第j個(gè)待比較任務(wù)與待設(shè)計(jì)裝配任務(wù)構(gòu)成的屬性相似性比較虛列。

綜上，可得出r0(i)與sj(i)的關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式：

ρ∈(0，∞)，稱為分辨系數(shù)。ρ越小，分辨力越大，一般ρ的取值區(qū)間為（0，1），具體取值可視情況而定。當(dāng)ρ≤0.5463時(shí)，分辨力最好，通常取ρ=0.5。

3.2.3 基于裝配任務(wù)關(guān)聯(lián)度的工藝實(shí)例推送

從船舶裝配工藝的匹配角度來說，不同裝配任務(wù)間的相似性可用它們的關(guān)聯(lián)進(jìn)行表達(dá)。任意sj與參考序列R0關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式如下：

在生成裝配工藝時(shí)，C(Sj)表示第j個(gè)待比較任務(wù)與待設(shè)計(jì)裝配任務(wù)的相似性，可作為檢索典型工藝信息依據(jù)。

為了在原型工藝庫中匹配到有參考價(jià)值的信息，通過上式（10），可得到參考序列和待比較任務(wù)的關(guān)聯(lián)度值，推出關(guān)聯(lián)度序列如下所示：

由式（11），通過對c中各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行由大到小排列，可得到新序列C′={C′(S1)C′(S2)… C′(Sm)}。在工藝生成中，可直接選擇C′(S1)對應(yīng)的待比較任務(wù)并對其進(jìn)行修改從而實(shí)現(xiàn)待設(shè)計(jì)裝配任務(wù)的生成。

4 實(shí)例驗(yàn)證

以某船體分段為例，驗(yàn)證前文所述方法的有效性。定義待裝配任務(wù)“單層底分段裝配”，并導(dǎo)入裝配對象與裝配資源，如表3所示。

表3 “單層底分段”裝配任務(wù)信息Tab.3 "Single Layer Bottom Segment"Assembly Task Information

為了快速生成單層底分段裝配工藝，從原型工藝庫中獲取具有參考性的已有實(shí)例工藝，如表4所示。

表4 實(shí)例工藝信息Tab.4 Example Craft Letter

為驗(yàn)證相似度計(jì)算方法的正確性，需要確定裝配任務(wù)的待分析屬性序列A，該序列，如表5所示。

表5 待分析屬性序列Tab.5 Sequence of Attributes to be Analyzed

根據(jù)上述分析，首先計(jì)算待裝配任務(wù)和比較任務(wù)的屬性相似度。采用式（5）可獲得如下相似度矩陣：

根據(jù)式（12）的計(jì)算結(jié)果，構(gòu)件參考序列和比較序列：

根據(jù)式（9），可得到如下關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣：

為了反映待裝配任務(wù)與比較任務(wù)在數(shù)值上的整體關(guān)聯(lián)度，依據(jù)式（10）獲得所示關(guān)聯(lián)度序列：

根據(jù)上述結(jié)果，排序待比較任務(wù)的關(guān)聯(lián)度，得到以下結(jié)論：

設(shè)當(dāng)前可接受的裝配任務(wù)關(guān)聯(lián)度閾值λ=0.85，則有且僅有cp1可作為可參考的裝配任務(wù)，所以提取cp1的裝配工藝，對其進(jìn)行修改，以此為基礎(chǔ)生成“單層底分段”的裝配工藝文檔。裝配任務(wù)相似性匹配界面，如圖2所示。工藝界面，如圖3所示。

圖2 裝配任務(wù)相似性匹配界面Fig.2 Assembly Task Similarity Matching Interface

圖3 裝配工藝管理界面Fig.3 Assembly Process Management Interface

5 結(jié)語

提出了基于灰色關(guān)聯(lián)度的船舶裝配工藝設(shè)計(jì)方法，在分析船體結(jié)構(gòu)裝配工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)了船舶裝配工藝知識(shí)庫，建立基于屬性相似性計(jì)算的船舶分段裝配工藝匹配算法并基于灰色關(guān)聯(lián)度算法完成工藝實(shí)例知識(shí)的相似性計(jì)算及實(shí)例推送，提高了工藝設(shè)計(jì)的效率。以某單層底船體分段為對象，基于所開發(fā)系統(tǒng)驗(yàn)證了該方法的可行性。