基于模糊規(guī)則推理的船舶焊接工藝規(guī)劃

裴大茗，任　帥，景旭文，周宏根，李　磊，汪　浩

（1.中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京100000；2.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212000）

基于模糊規(guī)則推理的船舶焊接工藝規(guī)劃

裴大茗1，任帥2，景旭文2，周宏根2，李磊2，汪浩1

（1.中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京100000；2.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212000）

針對船體焊接工藝設計和制定效率較低，且缺乏設計過程知識的積累和繼承等問題，提出基于模糊知識推理的船體焊接工藝設計方法。該方法將傳統(tǒng)的船體焊接工藝知識歸納整理形成專家經(jīng)驗，存儲到知識庫中，并采用三角形隸屬度函數(shù)對工藝推理條件進行模糊化處理，進而基于模糊邏輯建立焊接工藝規(guī)劃流程，最終匹配專家經(jīng)驗獲取相關(guān)的焊接工藝參數(shù)。設計和開發(fā)了船體焊接工藝設計專家系統(tǒng)，驗證了基于模糊規(guī)則推理的有效性和合理性。

船舶；焊接工藝；模糊知識；規(guī)則推理

0　前言

焊接是船舶建造重要的工藝過程，焊接工藝制定是其中最為關(guān)鍵的設計內(nèi)容。目前，大多數(shù)工藝設計人員利用圖文計算工具（Word、CAD設計、計算器）結(jié)合工藝數(shù)據(jù)的檢索進行焊接工藝設計。由于工藝文檔數(shù)據(jù)管理不規(guī)范和查找效率低，導致工藝設計質(zhì)量參差不齊，標準化與規(guī)范化程度不高，難以滿足船體焊接設計高質(zhì)量、短周期、高效率及信息化的要求[1]。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，專家系統(tǒng)已經(jīng)在焊接工程中獲得越來越廣泛的應用。國外焊接專家系統(tǒng)多采用面向?qū)ο笈c技術(shù)結(jié)合的表示方法。Mostafa Jafarian，S.Ebrahim Vahdat以知識為基礎(chǔ)，采用模糊層次分析法對熔化焊焊接工藝的十個選擇因素進行研究[2]；T.W.Liao提出基于模糊規(guī)則的不同類型的焊接缺陷診斷專家系統(tǒng)[3]。國內(nèi)的焊接工藝設計專家系統(tǒng)研究與開發(fā)著重于焊接知識表示和焊接工藝推理兩部分。焊接知識的表示多采用一階謂詞、產(chǎn)生式、框架式知識表示方式[4-5]，其中產(chǎn)生式知識表示既包括焊接工藝事實類知識，又包括焊接規(guī)則和過程性知識；焊接工藝推理研究中基于實例的模糊規(guī)則推理技術(shù)，能從事實出發(fā)進行規(guī)則匹配，高效地完成焊接工藝的制定[6-7]。

本研究在分析焊接工藝數(shù)據(jù)及工藝流程的基礎(chǔ)上，提出基于模糊規(guī)則推理的船體焊接工藝設計方法。首先，實現(xiàn)焊接工藝的模糊知識表達與數(shù)據(jù)庫存儲，并采用三角形隸屬度函數(shù)對推理條件進行模糊預處理；其次，設計工藝規(guī)則推理的模糊邏輯，獲取焊接工藝參數(shù)；最后，設計和開發(fā)船舶焊接工藝計算機輔助規(guī)劃系統(tǒng)，實現(xiàn)了典型船體焊接工藝的設計。

1　基于模糊規(guī)則推理的典型船體焊接工藝流程設計

模糊規(guī)則推理技術(shù)的原理是：通過定義語言變量、語言值及相應的隸屬函數(shù)，采用一組“If-Then”形式的模糊規(guī)則來描述系統(tǒng)輸入與輸出之間的對應關(guān)系。本研究提出基于模糊規(guī)則推理的船舶焊接工藝輔助規(guī)劃技術(shù)，其中焊接工藝的知識可以看作是推理的前提，而方法則是如何運用知識得出結(jié)論。主要技術(shù)流程如圖1所示，包括數(shù)據(jù)模糊化預處理、模糊推理、結(jié)果評價。

圖1　模糊知識推理流程

具體過程如下：將知識存儲到SQL中的知識庫中，當系統(tǒng)輸入初始條件參考值后，采用三角形隸屬度函數(shù)對輸入值進行模糊化預處理，同時結(jié)合知識庫中的焊接知識進行模糊推理，獲得第一步推理結(jié)果，再進行模糊評價，若結(jié)果符合約束條件則輸出，否則重新進行模糊規(guī)則推理。獲取的第一步推理結(jié)果作為下一步的輸入?yún)⒖迹貜蜕鲜霾襟E，直至推理出所有焊接工藝。

對船體焊接工藝而言，主要工藝包括焊接方法、坡口形式、焊材與直徑、焊接參數(shù)。其推理流程如圖2所示。將母材厚度、焊縫長度、焊接位置、坡口有無等作為初始條件，根據(jù)模糊知識推理原理可獲取焊接方法；再結(jié)合接頭形式，作為第二步推理的初始條件便可推斷出坡口形式；同理結(jié)合母材材料可推理出焊絲材料和焊絲直徑；最后以上述結(jié)論為輸入?yún)⒖贾担赏评沓龊附訁?shù)（焊接電流、焊接電壓、焊接速度、氣體流量等）。

圖2　船體典型焊接工藝推理流程

2　焊接工藝知識的模糊化預處理

焊接知識不僅包含了大量的簡單事實，而且包含了規(guī)則和過程性知識，因此采用關(guān)系模型表示產(chǎn)生式系統(tǒng)中的大規(guī)模知識，并建立焊接工藝知識庫。焊接工藝知識庫主要包括焊接母材庫、焊接接頭庫、焊接設備庫、焊接材料庫、焊接規(guī)則庫。其中焊接規(guī)則庫相對復雜，重點對焊接規(guī)則庫進行研究，將其分為五部分，分別為焊接材料推理規(guī)則、焊接材料直徑推理規(guī)則、焊接方式推理規(guī)則、焊接坡口推理規(guī)則、焊接參數(shù)推理規(guī)則。以焊接材料推理為例，知識庫中存儲的焊接材料推理規(guī)則如表1所示。

表1　焊材直徑推理規(guī)則

例如，SAW焊接工藝的焊材直徑的選用與母材板厚、焊接方法、有無坡口和接頭形式有關(guān)。其中焊接方法可以窮舉，坡口有無只分為有（1）或無（0）兩種狀態(tài)，接頭形式分為對接（Butt，簡記為B）、角接（Fillet，簡記為F），但母材厚度論域相對較大，因此根據(jù)上述焊接知識模糊預處理原理將母材厚度進行模糊預處理。

模糊化預處理即將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，主要步驟為：

（1）對輸入量進行處理變成模糊控制器要求的輸入量。

（2）對處理過的輸入量進行尺度變換，使其符合論域范圍。

（3）進行模糊處理，使精確的輸入量變成模糊量。

本研究采用三角形隸屬度函數(shù)對焊接工藝數(shù)據(jù)進行模糊化處理，即用為一模糊樣本，U為其論域，對U作一次序分割{Pi}ri=1且其相對應的語言變數(shù)為{Li}ri=1，設mi為其分割集合Pi的中間值，若xj介于mi和mi+1之間，則其屬于語言變數(shù)Li之隸屬度為根據(jù)隸屬度的大小，將xj劃分為特定論域Pi。

當板厚h=17 mm時，根據(jù)表1可得：此厚度滿足規(guī)則1、2、7、8，采用三角形隸屬度函數(shù)對焊接工藝數(shù)據(jù)進行模糊化處理，選擇隸屬度大的一條規(guī)則：通過計算可得，該板厚在16～32模糊量之間，即規(guī)則2的隸屬度大，因此選擇規(guī)則2。

3　基于模糊邏輯的船體焊接工藝規(guī)則推理

模糊推理（模糊推理機）是模糊控制器的核心，其基于模糊邏輯中的蘊含關(guān)系及推理規(guī)則，具有模擬人的基本模糊概念的推理能力。典型的模糊推理法主要有Min-Max重心法、代數(shù)積加法-重心法、關(guān)系合成推理法。本研究采用Min-Max重心模糊推理方法，其模糊規(guī)則推理形式如下[8]：

Rule 1∶If A1and B1Then C1

Rule 2∶If A2and B2Then C2

……

Rule n∶If Anand BnThen Cn

Case∶x0and y0

Conclusion∶C'

其中，An，Bn，Cn，C'分別是經(jīng)典集合X，Y，Z的模糊集合，x0∈X，y0∈Y。

推理流程如圖3所示，其中k為數(shù)據(jù)庫中的規(guī)則條數(shù)。用戶提供一些事實內(nèi)容，存放于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中，從表示事實的條件出發(fā)，對于每個表示事實的條件考慮其所適用的規(guī)則，并與規(guī)則的前提進行匹配，如果匹配，把得到的結(jié)論添加到動態(tài)數(shù)據(jù)庫中，完成該步推理[9]。即由前提“x0and y0”和模糊規(guī)則“Aiand BiCi（i=1，2，…，n）”可得規(guī)則i推理結(jié)果C'i

繼續(xù)重復上述過程，用更新后的數(shù)據(jù)庫中所有事實與規(guī)則庫中另一條規(guī)則進行匹配，并用其結(jié)論再次修改動態(tài)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，直至規(guī)則庫中無匹配的規(guī)則，結(jié)束整個推理過程。其最終結(jié)果C'為

在焊接工藝推理過程中，根據(jù)表1焊材直徑推理規(guī)則，當接頭形式為角接且焊接方法為SAW時，Rule1、2、3、4滿足要求。當x0=17 mm，y0=1時，僅Rule1、2滿足要求。首先判斷這兩條規(guī)則的真度（Trust，簡稱T）大小，一般選擇真度值大的，但這兩條規(guī)則的真度均為0.8。在此情況下則采用三角形隸屬度函數(shù)對x0進行模糊化處理，根據(jù)小節(jié)2可得規(guī)則2的隸屬度大，因此選規(guī)則2作為推理選用規(guī)則，即推理出焊材直徑為3.2mm。

圖3　規(guī)則推理流程

4　船體焊接工藝模糊推理結(jié)果評價及實現(xiàn)

4.1船體焊接工藝模糊推理結(jié)果評價

本研究將改進傳統(tǒng)的產(chǎn)生式規(guī)則，采用加權(quán)模糊法來處理焊接規(guī)則。設式（3）為n個（n≥2）加權(quán)命題，其真度分別為

若實數(shù)w1，w2，…，wn為滿足且wi≥0的權(quán)系數(shù)，則得出

也是個加權(quán)命題式，并稱其為“xi的加權(quán)合取式”，其真度為

即合取式的真度為各子式真度的加權(quán)和。當T（x）≥τ時則表示該規(guī)則正確，其中τ為規(guī)則的使用閾值。

Rule1的真度T=0.8，若假設其權(quán)系數(shù)wi=0.9，則真度的加權(quán)為wi·T=0.8×0.9=0.72。同理可計算其他焊接規(guī)則下的真度的加權(quán)，并進行相加，若各子式真度的加權(quán)和大于用戶給定的使用閾值τ，則推理工藝可信，否則需要對原匹配條件進行修改或添加新規(guī)則重新進行焊接工藝推理。

4.2船體焊接工藝模糊推理實例

基于上述推理技術(shù)，設計和開發(fā)了典型船舶焊接工藝計算機輔助規(guī)劃系統(tǒng)。基本焊接條件輸入界面如圖4a所示，焊接工藝結(jié)果以表格的形式表達，如圖4b所示。按照焊接工藝推理制定的流程，采用人機交互的方式，系統(tǒng)對用戶提出一些選擇性的條件，根據(jù)用戶或推理機制的選擇控制推理的流程，直至生成結(jié)果。若滿足使用閾值，則導出成EXCEL格式，方便工藝的保存與打印。

該方法使得推理更具有針對性，完善了對推理過程中某些細節(jié)分支的流程控制。同時交互式的推理策略可以使用戶對推理過程有一個把握，增強用戶對專家系統(tǒng)的信任，從另一個方面來說也實現(xiàn)了對推理過程的監(jiān)控，并且在推理失敗時有助于用戶對原匹配條件進行修改或添加推理新規(guī)則。

圖4　焊接工藝推理界面

5　結(jié)論

提出了基于產(chǎn)生式知識表示和模糊規(guī)則推理的焊接專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)既具有很強的知識表達和處理能力，為知識庫的維護和更新、工藝推理及問題求解提供了良好的基礎(chǔ)，又具有利用專家經(jīng)驗知識制定合理焊接工藝的能力。

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Welding process planning of ship based on fuzzy rule reasoning

PEI Daming1，REN Shuai2，JING Xuwen2，ZHOU Honggen2，LI Lei2，WANG Hao1
（1.ChinaShipbuildingIndustryComprehensive Technical and Economic Research Institute，Beijing 100000，China；2.JiangsuUniversity of Science and Technology，Zhenjiang212000，China）

As the design ofship welding process is lowefficiency and lack of accumulation and inheritance of knowledge，a method based on fuzzy rule reasoning is proposed in this paper to design ship welding process.The traditional welding process knowledge is organized and stored into the repository as the form of expert experience for reasoning in this method.The reasoning condition is done fuzzy pretreatment byusing the triangle membership function，and then welding technology planning process is established based on fuzzy logic，eventually the relevant welding parameters are obtained through matching expert experience.Finally，expert system for welding process design ofship is designed and developed toverifythe validityand rationalityofrule-based fuzzyreasoning.

ships；welding process；fuzzy knowledge；rule reasoning

TG409

A

1001－2303（2016）05－0063-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.14

2015-09-07；

2015-09-17

某部委基礎(chǔ)科研項目（JCKY2013414C001，JCKY 2013206C004）

裴大茗（1978—），男，北京人，高級工程師，碩士，主要從事主要從事艦船數(shù)字化設計制造技術(shù)、國防科技管理等研究工作。