面向鍛件產品開發的知識建模方法及應用

余仁忠，余心宏

(西北工業大學材料學院，陜西 西安 710072)

0 前言

隨著整個社會對知識的需求日益高漲和信息技術對知識的處理能力不斷提高，現代制造系統越來越呈現基于知識系統的特征，作為機械制造業支柱之一的鍛造行業這種情況更是突出［1］。

目前，鍛件產品開發存在著如下問題:①鍛件產品開發過程比較松散，缺乏專業的開發模式;②以前的開發過程中產生的專業數據缺乏有組織的、系統的管理，影響了對這些鍛件開發知識的重用;③鍛件產品開發側重于經驗設計和實驗設計，難以突破經驗局限［2-4］。因此，需要對鍛件開發知識進行獲取、表達、組織、共享、檢索、運用及更新［5-7］，構建鍛件產品開發平臺，合理管理和重用已有的知識資源，重視知識創新，為設計人員能夠快速獲取和應用知識提供重要保證。

1 鍛件產品開發知識建模

基于知識的鍛件產品開發必須將知識重用和開發過程相結合，通過知識和開發各階段的融合，使鍛件產品開發在知識的指導下進行，盡量減少鍛件新品的設計開發時間，提高開發的成功率。鍛件產品開發包括鍛件圖的制訂、鍛造設備的選擇、鍛造工藝設計、鍛件的制坯和鍛模的設計等。設計人員根據鍛件的外部形狀、材料及其應用領域，確定鍛件產品開發的批量、主要尺寸和一些性能參數。通過對基于知識的鍛件產品開發流程分析可知，在鍛件的不同開發階段會使用到不同類型的知識，每個階段應用相應的開發工具和知識完成階段性的開發任務。因此，從鍛件產品開發過程中涉及到的人員、工具和知識出發，可定義出3種典型鍛件開發知識:領域知識、實例知識和設計歷史知識，其具體知識框架如圖1所示。

圖1 鍛件產品開發知識Fig.1 Development knowledge for forged pieces

1.1 領域知識庫

鍛造行業的領域知識復雜多樣，包括:①標準、規范、手冊、專利和文獻等文檔資料;②技術總結資料如試制報告、工藝指導文件、工藝說明書、通用工藝規程和故障分析報告等;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鍛造工藝知識如工藝基礎數據 (常用術語、特殊符號、工藝標準和工藝手冊等)、工藝資源數據 (鍛床、模具、加熱爐和工裝等)、模型數據 (產品零件、工藝、工序等)和決策知識;⑤質量問題處理報告 (包括綜合質量問題處理報告和專項質量問題處理報告);⑥新工藝、新技術和新方法;⑦模擬分析數據如材料流動、模具填充、鍛造負荷、模具應力、晶粒流動、金屬微結構和缺陷情況等;⑧評價決策方法與模型。

鍛件產品開發的領域知識具有形式多樣性、面向對象性和整體確定性而局部不確定性的等特點，在組織、描述和管理鍛件產品開發領域知識時可采用分層和分類的庫模型。綜合分析各類知識表達方法的特點，對鍛件產品開發領域知識采用規則/框架綜合表達方法來實現知識表達。其基本表達原則:表達領域知識時以框架表達為主體，將規則嵌入到框架中;而在系統執行時，框架和規則可以相互調用。

1.2 實例知識庫

在設計制造過程中，實例知識作為創新設計的參考，對制造行業的發展起到了一個巨大的推動作用。在鍛造生產過程中，實例知識主要包括鍛件實例知識和鍛造工藝實例知識，其中鍛造工藝實例知識包括典型工藝、典型工序和典型工序參數等。圖2為鍛件開發實例知識框架圖。

圖2 鍛件開發實例知識框架圖Fig.2 Frame diagram of development case knowledge for forged pieces

由圖2知，鍛件實例知識和鍛造工藝實例知識都是結構性知識，層次關系比較明確，因此需要選擇能夠體現層次關系的知識表達方法對實例知識進行管理和使用，而框架表達方法能夠滿足這個要求。框架表達方法適合表達具有層次結構和繼承關系的實例知識，表達時以框架為主體，用槽值描述設計屬性。實例的描述是一組框架按設計問題的分解關系形成的框架樹，而框架中的每一個槽都具有特定的值，它們反映了設計實例的內容。實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 設計歷史知識庫

在系統的設計過程中發現:基于實例設計存在一些問題，如:①對參考實例了解不夠深入，檢索或索引出的實例不能正常重用;②對原設計理解不夠而在解決新問題時重復犯錯或不能正確修改;③參考已有實例時可能固化思維，缺乏尋求更佳方案的動力。但在參考設計實例時若同時考慮設計歷史知識，將有效克服這些問題。

設計歷史的概念最早起源于軟件工程領域，可以定義為:圍繞產品模型進化而展開的設計行為及其原因的信息集［9］。其一般包括:①設計意圖 (what to do)，反映設計的功能需求、目標和約束，體現了設計活動內在的驅動和制約因素;②產品數據 (what we get)，反映滿足設計目標和約束的最終和重要的階段性設計結果;③決策歷史，即設計原理 (why we choose)，反映產品設計中有關設計決策和備選方案及其推理和評價過程的描述;④設計步驟 (how we get)，主要指設計者對模型進行操作的信息交換序列，強調記錄影響產品具體數據的“設計軌跡”，以便進行設計的回溯和重現。

設計歷史知識是實例知識的有力補充，也屬于結構性知識，所以采用框架表達方法來進行表達設計歷史知識。

2 新品開發平臺的系統集成

本文針對鍛件產品開發知識的特點，以規則/框架綜合知識表達方法為基礎，采用面向對象方法將領域知識、實例知識和設計歷史知識集成為一體，提出了鍛件產品開發知識集成表示模型，如圖3。

為了保證開發出的系統保持先進性，對鍛件產品開發系統的開發平臺和關鍵通信技術方面作了認真選擇，旨在發揮數據庫技術與網路技術結合帶來的優勢。根據上述鍛件產品開發知識的建模方法，在Windows環境下，基于ASP．NET開發平臺和關系型數據庫ORACLE，使用面向對象開發語言C#開發了基于WEB的鍛件產品開發系統，如圖4所示。

鍛件產品開發系統采用B/S模式的三層結構，包括應用層、網絡服務層和數據庫層。從系統門戶網站登錄，通過調用網絡服務的各種命令完成文檔和數據等知識的維護 (如知識定義、分類、錄入、修改、刪除和校驗)，知識處理完后采用統一的數據庫連接方式 (如ODBC/ADO等)把網絡服務模塊和數據庫管理系統 (如ORACLE或SQL SERVER)連接起來，再把知識分類存儲到各類知識庫中。當要使用鍛件開發知識時，通過系統的檢索界面輸入關鍵字從目標知識庫中提取目標知識或符合相似度的知識，再經過ODBC或ADO接口把檢索到的知識調出到網絡服務模塊，并在系統的知識檢索界面網頁上按相似度大小排序呈現供設計人員參考，從而完成知識的使用過程如支持產品設計或編制鍛造工藝等。

應用結果表明，整個設計過程實現了知識與開發流程之間、各種軟件工具之間的緊密集成。每個設計階段通過調用知識庫中的知識可以有效的支持鍛件新品開發，改變了傳統的以“經驗設計”為主的設計方法，實現了向創新設計和預定目標設計的轉變，進一步提高了鍛件產品開發的水平和效率。

3 結論

通過對鍛件產品開發過程的分析，提出了面向鍛件產品開發的知識建模方法。將鍛件產品開發知識劃分為領域知識、實例知識和設計原理知識。利用規則/框架結合的知識表達方法對領域知識進行組織表示，通過框架表達方法對實例知識進行表示并使用CBR的方法實現對實例知識的檢索訪問，采用框架表達方法對設計歷史知識進行表示。實際應用表明，本文的知識劃分及其建模方法可以有效表示鍛件產品開發知識并方便實現集成，提高了鍛件產品開發的設計水平和效率。

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