航天復合材料知識管理系統應用實踐

/航天材料及工藝研究所

復合材料具有高比強度、高比剛度、性能可設計、結構功能一體化、易于實現結構整體化和大型化等優點，已成為高性能武器裝備不可或缺的基礎。但由于復合材料成型工藝相對復雜，存在研制周期長、成本高、質量一致性差等因素，又限制了它的廣泛應用。因此，要改進復合材料制造工藝，通過應用信息化、數字化等先進技術，提高工藝設計水平和產品制造的自動化，以便有效縮短復合材料制造周期，提高產品質量一致性并降低制造成本。

目前，航天材料及工藝研究所復合材料構件的研制在一定程度上仍依賴于工藝技術人員的經驗及以往成功的研制方案，但這些經驗和成功方案并沒有實現共享。因此，研究所決定應用信息化手段構建具有航天特色的復合材料知識管理系統，將研制過程中需要用到的經驗、規定、原則和實例等用知識表示出來，并通過加速“數據—信息—知識”這一提取過程為研究所的材料研發人員、工藝技術人員及技術管理人員的工作和決策提供交互與共享的工作環境，以提升工藝設計可靠性和設計效率，同時也為發展智能制造奠定基礎。

一、知識管理系統總體解決方案

1.需求分析

目前，航天復合材料研制的特點及存在的主要問題包括以下幾個方面：一是復合材料產品研制工藝方案的制定是一個復雜過程，受設計技術條件以及工裝、設備、人員經驗、操作習慣的影響，且傳統的工藝設計工作量大、重復勞動多、差錯率高。二是復合材料構件新產品制造過程中大量應用“試錯法”，需要開展大量的試驗驗證工作，費用高且周期長。三是復合材料構件成型與材料成型一次完成，其結構尺寸是否到位、內部缺陷量及其分布都與工藝技術有關。四是在新產品研制過程中，復雜構件試制工作量大，初次研制費用高且周期長。

針對這些問題，根據復合材料產品制造工藝流程及制造特點構建具有航天特色的知識管理系統，旨在為工藝技術人員提供一定類似度的產品研制技術參數，提升新產品工藝方案設計效率和設計水平。

知識管理系統以產品研制過程的需求為導向，基于材料研發人員和工藝人員為知識源的數據庫，能夠實現知識的整合、存儲、共享和應用，通過知識規則、數據導入、文檔管理、搜索引擎、知識倉庫和專家系統等技術工具，以便使顯性知識和隱性知識得到相互轉化。

2.系統設計

復合材料知識管理系統采用程序設計語言JAVA及數據庫技術Oracle 10g進行開發，采用C/S架構，系統功能組成如圖1所示。

3.系統方案實現

復合材料知識管理系統由知識維護、知識使用和推理機制造三大部分組成。運維工程師從材料基礎平臺、工藝設計平臺獲得顯性知識，利用維護工具構建知識庫并負責維護知識庫。

圖1 結構復合材料知識管理系統功能組成

當各類知識被充分挖掘出來并加以利用時，知識管理系統就需要提供面向用戶的知識管理平臺，工藝技術人員在知識管理平臺中利用系統界面指導工藝設計工作，用戶界面則屏蔽系統內部的推理機和底層數據庫。

信息輸入。該模塊主要解決與復合材料構件相關的材料數據、工藝知識數據等的知識管理平臺輸入問題。通過對材料數據庫、工藝設計平臺的集成，應用軟件信息接口技術將相關數據（如材料力學性能、工藝參數等）傳輸到知識管理系統，信息輸入模塊能夠接收用戶的即時輸入。

對于材料或工藝知識數據，數據格式可能不是統一規范，因此信息輸入模塊需要對輸入的數據進行標準化，并采用一定的手段將它們轉化為知識管理系統所能識別的標準格式數據。

信息輸出。該模塊負責將知識管理系統的方案建議、參數選擇等提交給用戶。

推理機。該模塊的主要功能是實現知識管理系統的核心推理功能。其將信息輸入模塊中獲得的相關設計的初始信息與知識庫中的規則進行匹配和推理，從而得到對設計對象的方案建議、參數建議等，并傳送給信息輸出模塊。整個推理機制可以分為基于規則的推理和基于實例的推理2個部分。

二、知識管理系統應用實踐

1.材料管理和材料選擇

材料管理主要是完成研究所在用及在研的復合材料數據管理，其思路是以工藝信息為紐帶，連接材料應用的源頭和末端，如圖2所示。

通過樹形管理分門別類地將各類材料放置在樹形結構上，使用人員能夠在不同層次中找到所需的材料名稱。通過名稱關聯到材料的基礎信息，包括基本參數、性能指標等，性能指標可以來源于手冊、標準或測試。來源于手冊、標準的，可以直接查到主編、出版商等，如果有原文還可以打開進行瀏覽；來源于測試的，可以關聯到試驗信息管理模塊，從中找到試驗結果的原始數據、處理方法等，同時可以獲知試驗條件、試樣狀況、試驗設備等具體信息。

圖2 材料管理數據傳遞關系

復合材料選擇需要考慮多個因素，主要是設計人員依據型號產品對使用環境、載荷工況、重量、成本等的不同要求綜合權衡、擇優選用，選材決策樹如圖3所示。

圖3 復合材料材料選擇流程

2.工藝知識管理

復合材料工藝過程復雜、工藝數據多，主要包括復合材料成型過程中的材料數據、鋪層數據、固化工藝參數、機加裝配工藝參數等，用單一的知識表達形式處理大量的工藝信息是很困難的。因此，在系統中采用基于特征的工藝實例來組織知識模型，復合材料構件按照不同的特征劃分成不同的典型構件類型，以便加快檢索時的速度。系統將復合材料構件特征一級分類分為非回轉體類和回轉體類，非回轉體類再繼續劃分為殼體類、壁板類（如井字形梁、工字形梁，L形等），回轉類分為錐形和圓柱形等。

3.模具管理

模具是復合材料構件制造的主要工藝裝備，復合材料需要在模具型面上完成鋪疊、固化，從而得到復合材料構件的形狀、結構關系、控制外緣和表面精度，所以模具的設計與制造直接影響復合材料構件的產品質量。模具管理模塊集成復合材料模具知識系統，并讀取系統中模具的參數信息，一般包括模具的型腔尺寸、型腔形狀、開孔位置、監測孔位置、排氣孔位置和數量等。

4.論文、專利管理

學術交流中下設學術研討會、技術論壇、項目匯報、互動交流4個二級目錄。學術研討會為研究人員提供一個發起線上或線下開展學術研討的平臺；技術論壇允許用戶在論壇中發帖，并針對某項技術展開深入的討論；項目匯報為研究人員提供一個展示近期項目成果的平臺；互動交流允許用戶在平臺上進行溝通和交流。

在“專利管理”界面中，主要提供用戶上傳專利信息。用戶輸入專利名稱、專利發明人以及申請號/授權號，或通過輸入關鍵字搜索已有專利。

航天材料及工藝研究所通過知識管理系統的應用，為本單位工藝技術人員提供所需的工藝知識及案例，這從一定程度上提升了新材料、新產品研發的起點和質量，并將人員從簡單、瑣碎、重復的工作中釋放出來，從而提高產品工藝設計可靠性和設計效率，提升產品的質量穩定性，降低科研生產成本，縮短產品研制周期，進而更好地適應多品種、小批量快速生產。