基于知識工程的船體焊接工藝研究

馬國輝，田 凌，劉思超，陳俊宇

基于知識工程的船體焊接工藝研究

馬國輝，田 凌，劉思超，陳俊宇

(清華大學機械工程系，北京 100084)

船舶制造過程中船體焊接領域工藝知識缺乏有效的歸納與整理，導致其重用性和共享性差。針對上述問題，基于知識工程技術，研究了船體焊接工藝領域知識的獲取、分類、表示及推理應用的方法，并開發了工藝知識庫系統，有效實現了知識的共享與重用。首先提出了船體焊接工藝知識獲取途徑及分類模式；其次以此為基礎，將基于本體的知識表示方法的研究成果應用于船體焊接工藝，建立領域本體；然后提出焊接工藝推理模式，以國家標準、行業標準等規范性文件和專業書籍、專家意見等指導性文件為基礎構建工藝規則庫，設計模糊規則推理系統；最終設計開發面向船體焊接工藝的知識庫系統，規范化實現知識獲取、知識表示、知識推理及知識管理功能，為船體焊接領域相關工作人員提供知識共享及重用的支撐平臺，為船舶制造其他領域中知識工程技術的利用提供參考。

船體焊接工藝；知識工程；模糊推理；本體；知識庫；知識共享

在船舶制造過程中，焊接工藝是船體建造的主要工藝方法之一，其工作量占船體建造總工作量的30%~40%[1]，因此船體制造過程中焊接工藝的質量對船舶制造的質量、成本以及效率等各個方面有著直接的影響。在船體焊接生產設計階段，確定焊接位置，選擇最優的焊接方法、焊接材料以及焊接設備直接影響著焊接工藝的水平高低，從而影響船舶制造整體水平。然而由于船舶本身體積龐大、結構復雜、耗材繁多、系統精密、價格昂貴等特點，船舶行業一般都是單件小批量生產，而且制造周期較長，工序繁瑣復雜，制造過程中涉及的焊接工藝知識極多，能否對焊接工藝知識進行重復高效利用至關重要。經過多年積累，船舶制造領域相關知識已經十分豐富，然而就目前我國船廠的粗放式生產管理模式而言，工程知識缺乏有效的歸納和整理，大量知識散落于相關領域工作人員的本地儲存介質或是領域專家頭腦之中，重用性和共享性差，所以切實有效的知識管理迫在眉睫。

一些學者針對計算機輔助船舶焊接工藝設計以及焊接工藝信息化管理做了相關研究，鄧欣和吳松林[2]開發的船舶焊接工藝評定專家系統，引入知識管理和專家推理實現對焊接工藝評定的管理，但缺乏對知識類的定義缺乏規范性；馮志強和柳存根[3]提出的基于粗糙集理論的知識建模方法，可以應用于船舶焊接生產設計，通過對知識進行模糊化處理有效解決船舶焊接工藝知識難以利用的問題，但缺乏對于類間屬性的定義；王園[4]開發的船舶焊接工程管理系統，實現了焊接物量和焊接工時的定額制定標準化，但針對對象具有局限性；RUY等[5]以船舶設計CAD系統為基礎設計開發的焊接材料質量評價系統旨在實現用于設計和生產的信息在領域內實現提取和重用，但面向用戶具有局限性，信息的重用程度也十分有限；王素清和馬彥軍[6]基于SPD軟件平臺，提出的面向智能制造的焊接工藝模型的構建方案、郭溫[7]提出的基于實例推理的船舶焊接工藝設計策略以及裴大茗等[8]提出的基于模糊知識推理的船體焊接工藝設計方法均以數據庫技術為基礎，進行知識庫推理系統的設計與開發，但是在建模過程中缺乏對于知識概念類間屬性關系的定義，以至難以實現船舶焊接工藝知識的共享及重用。上述學者的研究側重于計算機對船舶焊接工藝設計的輔助作用，卻缺乏對工藝知識在工藝設計中重要性的認識，雖然部分研究中針對船舶焊接工藝知識的有效利用開發了工藝知識庫，但在知識建模過程中并未重視工藝知識類間屬性的關聯性，導致工藝知識的共享及重用難以實現。如何有效地利用成熟的工藝知識，保證工藝方法的穩定可靠是船體焊接領域面臨的主要問題。針對這一問題，本文從知識工程技術入手，進行了船體焊接領域相關問題的研究。

為了能夠充分利用船舶制造中船體焊接領域多年來積累下的工藝知識，并實現知識的共享與重用，本文將知識工程技術應用于船體焊接工藝知識領域，提出基于本體的知識表示方法對船體焊接工藝進行知識表示，并以此為基礎進行船體焊接工藝推理研究，最終實現船體焊接工藝知識庫的構建。首先確定船體焊接工藝知識的獲取途徑，并分析建立知識分類體系；提出既利于工藝知識共享與重用又能實現知識的規范化表達的船體焊接工藝知識表示方法，構建焊接工藝領域本體，實現對船體焊接工藝知識概念、關系、屬性和實例的描述；然后構建焊接工藝規則庫，設計知識庫推理規則，通過輸入必要的焊接初始條件推理給出合適的焊接參數；最后開發船舶船體焊接知識庫系統，實現對船體焊接知識查詢、管理等功能，最終支持在不同位置的相關工作人員間實現船體焊接工藝知識有效的共享與重用，打通信息孤島，打破知識壁壘。

1 知識獲取及知識分類

知識工程技術的首要活動就是要進行知識的獲取。針對船舶船體焊接工藝知識的特點，根據實際情況，主要從以下幾個方面進行獲取：

(1) 船舶企業及船舶工藝研究所等機構提供的內部文件、數據等。

(2) 船體焊接相關權威書籍及文章。

(3) 與船體焊接相關工作人員溝通過程中整理所得經驗性知識及規則性知識。

(4) 參觀實際生產過程并提取總結的相關知識。

(5) 國家標準、行業標準等提取的約束性知識。

以上途徑獲取的工藝知識分為顯性知識及隱性知識兩種類型，顯性知識主要指數據庫等形式存儲下來的以規范性方式呈現的知識，而隱性知識指儲存于焊接工作人員頭腦之中的經驗類知識，這種情況的知識難以獲取，格式也不規范，主要通過會議、交流及總結等方式獲取，通過領域本體的方式可以有效的將隱性知識表示為規范性知識并得以有效的儲存和管理，為后續知識的共享和重用奠定基礎。

知識的分類對于知識庫的構建至關重要，對船體焊接工藝知識進行合理分類，不僅方便對知識庫中的工藝知識進行查詢及管理，更有利于后續對于船體焊接領域本體的構建[9]。同時，在建立船體焊接工藝知識分類規則時，也要充分考慮到知識應用的需求。根據上述船體焊接工藝方式獲取的途徑以及形式的不同，將知識分為規則性知識、實例性知識、約束性知識及資源性知識。

規則性知識主要指通過經驗總結或大量數據整理得到的普遍適用于工藝設計的知識，如焊接方法的選擇、坡口形式的選擇、焊絲材料及直徑的選擇以及焊接參數的選擇等；實例性知識主要指通過船舶企業或者相關工作人員處獲取的典型船體焊接實例，通過管理共享大量的實例性知識可以對未來的工藝設計提供寶貴的參考信息；約束性知識主要指國家標準、企業標準等規定性文件中對船體工藝設計過程提出約束的知識；資源性知識包括焊接工藝過程中涉及到的母材種類、焊材種類、設備種類等以及其參數狀態。

2 基于本體的知識表示方法

經過多年來國內外學者的研究，目前已經有多種知識表示方法，使用較多的有邏輯表示法、產生式表示法、框架表示法、面向對象的表示法、基于本體的表示法等。其中，邏輯表示法具有精確、嚴密、易于實現的特點，但是卻無法表示不確定性的知識，并且效率低；產生式表示法多用于專家系統的規則性知識建模，不適用于以知識的共享及重用為基礎的知識庫系統的知識建模；框架表示法具有結構性、繼承性和自然性的優點，但缺乏過程性知識的表示；基于本體的知識表示方法表達了概念的結構、概念間的關系等領域中實體的固有特征，主要針對于共享這一概念。下面主要對本文中使用的基于本體的知識表示方法的特點以及船體焊接工藝領域本體的構建過程進行介紹。

2.1 本體表示法的特點

本體理論來源于哲學范疇，定義為“對客觀事物的系統描述”[10]。隨著人工智能的發展，計算機研究人員將本體概念引入并賦予新的定義，將本體應用于某一領域內，創建領域內的各種知識類別、屬性及相互之間的關系，完成既定目標的自動推理。近年來，許多學者針對不同的領域構建知識庫均采用基于本體的知識表示方法，充分說明了基于本體的知識表示方法在知識共享與重用中具有不可替代的優越性。

針對船體焊接工藝的本體構建需求，本文提出本體由以下4種要素構成：

(1) 類。概念的集合，針對船體焊接工藝明確劃分的、描述不同知識的種類。如船體焊接工藝方法、焊接設備等。

(2) 關系。類與類之間的交互作用，一般來說常用的關系有以下4種：表達父類與子類的繼承關系；表達局部與整體的從屬關系；表達類與實例的實例關系；表達類與屬性類的屬性關系。如“船體焊接工藝方法”與“氣體保護焊”即為繼承關系。

(3) 實例。表示某個概念類的具體實體。實例表示的是具體的對象，而類表示的是對象的集合。如“CO2氣體保護焊”即為“氣體保護焊”的實例。

(4) 函數。針對關系的一種特殊表現形式，利用特定的函數關系來描述類與類的關系。

根據本體特點，將基于本體的知識表示方法應用于船體焊接工藝知識庫的構建，具有以下優點：

(1) 本體表達了概念的結構、概念之間的關系等領域中實體的固有特征，將船體焊接知識形式化、規范化，便于工藝知識庫的共享與重用。

(2) 規范化的知識便于工藝知識庫的擴展和后續功能的開發。

2.2 船體焊接工藝領域本體構建方法

目前本體的構建方法尚未統一，不同研究人員根據項目需求和知識特點選擇不同的本體構建方法，其中，代表性的建模方法主要包含以下幾種：METHONOLOGY法、TOVE法、IDEF5法、骨架法、KACTUS法和七步法等。針對船體焊接工藝領域本體的特點，以及后續知識庫設計的需要，本文采用基于建模工具Protégé的七步法本體建模方法。該方法具體流程如圖1所示。

圖1 七步法構建流程圖

本文中涉及的船體焊接工藝領域本體主要圍繞工藝知識庫的功能實現來進行構建。對于船體焊接工藝而言，主要的工藝知識包括母材規格、焊接方法、坡口類型及參數、焊接參數等。具體的本體構建中頂層類的模式如圖2所示。

其中，為對頂層類進行更為詳盡的描述，以及后續功能的實現，使用Protégé本體建模工具構建船體焊接工藝模型，對船體焊接工藝本體模型中關鍵類和部分子類的可視化展示如圖3所示。用Protégé本體建模工具編輯的本體一般以RDF/XML格式保存為OWL文件。通過Protégé構建的知識本體模型，存在著實例添加繁瑣、已有知識模型修改困難等問題。將工藝知識本體模型存儲到數據庫中可以有效地解決這些問題，同時能夠很好地支持后續知識庫系統的開發[11]。本體OWL文件中的文本對應了本體的基本元素數據結構、本體及其實例的建立步驟等，然而OWL文件并不能直接存儲于數據庫中，在構建知識庫時，需要先進行OWL文件的解析，也就是識別出OWL文本中的類、屬性、限制、實例和關系，將其中的元素提取出來，存儲在數據庫中。有多種程序包可以實現這一功能，比如Python的Owlready和rdflib等包。

圖2 焊接工藝知識本體頂層類

圖3 船體焊接工藝類及子類部分關系軟件可視化

3 船體焊接工藝的知識推理

知識庫的推理方法依賴于系統中知識表示模式，將知識表示與利用以正確的形式結合才能使知識庫系統發揮最大的效用。船體焊接工藝本體的建立是基于焊接工藝，以產生式的思路逐漸擴展，同時本體的知識表示方法明確定義了本體間屬性，故推理機制主要以基于產生式規則的推理方式進行。由于焊接工藝中參數較多，系統采用正向推理模式進行設計。

3.1 船體焊接工藝推理模式

對于船體焊接工藝而言，主要工藝包括焊接方法、坡口種類及參數、焊材直徑及焊接參數。推理流程如圖4所示。將焊接對象、母材厚度、焊縫長度作為初始條件，推理給出適合的焊接方法；確定具體的焊接方法后，結合接頭形式、單雙面焊接、母材厚度，給出推薦的坡口形式及對應該坡口形式的坡口參數推薦值；根據初始條件母材厚度，結合確定的焊接方法、焊接坡口，給出推薦的焊材直徑；最后綜合以上所有結論，根據不同的焊接方法得出不同形式的焊接參數，如針對CO2半自動焊，給出焊接電流、焊接電壓、電感、焊接速度、焊絲伸出長度、氣體流量等焊接參數推薦值。實際推理過程中，每個流程相對獨立，例如初始條件中已確認焊接方法，可直接推理焊接坡口。

3.2 船體焊接工藝推理系統結構

產生式推理系統通常由規則庫、推理機和動態數據庫構成。

規則庫由領域規則組成，在機器中以某種動態數據結構進行組織，按其邏輯關系，一般可形成一個推理結構圖或者表[12]。對應到船體焊接工藝的每一個推理流程，在系統的工藝規則庫中都應有與之對應的工藝規則表。焊接方法推理規則見表1。焊接方法的確定影響因素很多，這里的推理規則表只是給出推薦，實際的焊接方法選取，如有其他條件(如場地、船廠設備等)制約，根據具體情況進行確定，由于推理流程的獨立性，這樣的情況并不影響后續的推理繼續進行，后續推理流程中，如遇相同情況做相同處理。

圖4 船體焊接工藝推理流程

表1 船體焊接方法推理規則表

推理機亦稱控制執行機構，是一個程序模塊，負責產生式規則的前提條件測試或匹配、規則的調度和選取、規則體的解釋和執行。即推理機實施推理，并對推理進行控制。針對船體焊接工藝推理的推理機某一次推理過程如圖5所示。

動態數據庫在推理過程中內容或者狀態不斷變化。如果把動態數據庫的每一組數據作為一個節點，則在船體推理過程中，就是一個從初始條件到目標參數的數據求解過程。

3.3 船體焊接工藝模糊規則推理

如手工電弧焊的坡口規則表所示，船體焊接工藝推理規則中存在很多模糊的規則：如取同一母材厚度，會有多種坡口形式符合規則；同時規則中的部分輸出為范圍推薦，在手工焊接范圍內，這樣的范圍推薦形式尚可存在，但是在自動焊中，卻需要向設備輸入明確的參數數值。所以單純的產生式規則推理并不能完全滿足船體焊接工藝推理系統。

圖5 推理機的一次推理過程

模糊規則推理是從不精確的前提集合中得出可能的、不精確的結論的推理過程。一個模糊規則推理系統基本上包括如圖6所示5個功能模塊，推理過程為：比較輸入變量和隸屬函數，獲得每個語言標示的隸屬值(模糊化)；對初始部分的隸屬函數作并運算，得到每個規則的激活權；依賴于激活權產生每一個規則的有效結果；疊加所有有效的結果，產生一個明確的輸出(去模糊化)。

圖6 模糊規則推理系統

將模糊推理引入船體焊接工藝推理系統，可以在初始條件輸入及推理參數輸出時有效地解決上述問題。例如，對母材厚度進行模糊化預處理，即將輸入的精確量轉化為模糊量。具體操作為：選取隸屬度函數()，對論域中任一元素，均有一個數()∈[0,1]與其對應，稱為上的模糊集，隸屬度()越接近于1，表示屬于的程度越高。本研究中采用三角形隸屬度函數對焊接工藝數據進行模糊化處理。即對分割集合來說，的隸屬度為

其中，和分別為的中心和寬度。然后根據隸屬度的大小，確定的特定論域。

當母材厚度取20 mm進行單面手工電弧焊接時，根據表2可知此厚度可采用V型坡口、Y型坡口、U型坡口，采用三星形隸屬度函數，對焊接工藝數據進行模糊化預處理(本研究針對母材厚度小于等于50 mm的研究對象)：

(1) 對于V型坡口隸屬度為

(2) 對于Y型坡口隸屬度為

(3) 對于U型坡口隸屬度為

表2 手工電弧焊坡口形式及坡口參數規則表

通過計算可知母材厚度為20 mm時，對于Y型坡口隸屬度最大，因此選擇Y型坡口。

在對參數輸出去模糊化運算中，典型的方法有面積中心法、TSK模糊模型等，本研究中采用對每個規則輸出取加權平均進行處理。其中權重由每種規則的隸屬度值計算得出。即最終系統輸出為

其中，為符合條件的規則數。針對規則表中存在的部分輸出為范圍推薦，采用去邊緣化取中值的處理方式。

4 知識庫的設計與開發

為實現船體焊接工藝知識管理，本文設計并開發了船體焊接工藝知識庫，面向船舶制造設計人員提供知識的共享與重用。如圖7所示，知識庫系統分為數據層、服務層及展示層。

數據層是系統的基礎和核心，包括了工藝知識庫、工藝規則庫、實例庫和用戶信息庫。主要負責數據的獲取及儲存，同時也是整個系統運行的數據來源。

應用服務層主要負責系統的數據處理及功能實現，又分為功能支撐層和服務組件層。功能支撐層主要包括數據的格式轉換、信息的模糊處理及負責工藝推理的推理機；服務組層主要包括知識管理、知識檢索、用戶權限管理。針對用戶及系統管理人員進行系統相關功能的實現。

展示層是基于Web實現用戶與知識庫系統的交互環境，包括用戶登錄、查詢、系統維護等界面。

系統采用B/S開發模式，該模式下用戶通過瀏覽器即可訪問服務器進行相關操作，實現船體焊接工藝知識的遠程共享與重用。同時系統以Java語言做作為開發語言，以Mysql數據庫管理系統進行知識資源的存儲，使用Protégé作為本體建模工具，通過jena接口存放本體至數據庫；用戶界面使用Web前端CSS框架Bootstrap編寫實現，在Windows 10系統環境下開發完成。

圖7 船體焊接工藝知識系統框架

5 結束語

本文將知識工程技術應用于船舶制造中船體焊接工藝，提出基于本體的船體焊接工藝知識表示方法，研究了船體焊接工藝的知識獲取和分類、知識推理和知識管理等關鍵技術，實現了焊接工藝領域知識的共享與重用，能夠為工作人員及時準確提供所需知識，為其提高工作效率、提升產品質量從而提升企業競爭力，同時為我國船舶制造領域在智能制造水平的提升上發揮作用。

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Research on hull welding techniques based on knowledge engineering

MA Guo-hui, TIAN Ling, LIU Si-chao, CHEN Jun-yu

(Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In the process of shipbuilding, the knowledge in the field of hull welding is lack of effective induction, which results in poor reusability and sharing. To solve these problems, based on knowledge engineering technologies, this paper studies the methods of knowledge acquisition, classification, representation and reasoning application in hull welding and develops a knowledge base of techniques, which effectively realizes the sharing and reuse of knowledge. Firstly, a classification mode and access to acquire the knowledge of hull welding were put forward. Secondly, on this basis, the results of the research on knowledge representation method based on ontology was applied to the hull welding process and a domain ontology was established. Thirdly, a reasoning mode of welding process was put forward, and a rule base of process was established based on normative documents such as national standards and industry standards and instructive documents such as professional books and expert opinions, then a fuzzy rule reasoning system was designed. Finally a knowledge base system for hull welding process was designed and developed, and such functions were standardized as knowledge acquisition, knowledge representation, knowledge reasoning and knowledge management, providing support platform of knowledge sharing and reuse for related personnel in the field of hull welding, and providing implications for the use of knowledge engineering technologies in other fields of shipbuilding.

hull welding process; knowledge engineering; ontology; fuzzy reasoning; knowledge base; knowledge sharing

U 671.83；TP 391.7

10.11996/JG.j.2095-302X.2020030430

A

2095-302X(2020)03-0430-08

2020-01-16；

2020-02-06

國家自然科學基金項目(51675299)；北京市自然科學基金項目(3182012)；國家高技術船舶科研項目(17GC26102.01)；清華大學自主科研計劃資助項目

馬國輝(1993-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生。主要研究方向為知識工程等。E-mail：mgh17@mails.tsinghua.edu.cn

田 凌(1963-)，女，遼寧鐵嶺人，教授，博士，博士生導師。主要研究方向為機械制造及自動化/數字化制造。E-mail：tianling@mail.tsinghua.edu.cn