基于多庫支撐的軌道車輛車體焊接工藝智能系統的設計與實現

于巖　王陸釗　侯震冬　關凱楠　楊鑫華

摘要：焊接生產是軌道列車車體生產中最重要工藝手段之一。優化車體生產工藝，尤其是優化焊接工藝文件的編制過程，是提高車體生產效率、保證車體焊接質量的重要方式和途徑，也是車體焊接工藝的重要研究內容。軌道車輛車體生產過程中因車型及組成部件復雜且使用材料不同使得規則、標準及知識具有不通用性，往往需要多個智能系統以滿足車體生產的需求。這不僅增加了開發成本和工作量，而且不同系統的切換會導致工作效率降低及交互性變差。針對上述問題，提出構建多種類庫操作，并通過多種庫的自由切換和動態管理滿足生產需求，減少開發成本、優化用戶操作性和提高實際生產效率。

關鍵詞：軌道車輛;車體焊接;工藝文件編制;智能系統;多種類庫

中圖分類號：TP29 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0022-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.06

0 前言

焊接工藝是軌道車輛車體生產中應用最為廣泛的工藝方法之一。車體焊接生產中，焊接工藝設計和相應的工藝文件編制水平、效率與質量一直是其中重要工作的內容。焊接工藝文件編制過程的發展可以分為三個階段：純手工編制階段、輔助手工編制階段和智能化編制階段[1]。傳統的依靠人工的方法對工程技術人員的依賴度較高，且效率低，數據冗余度較高，涉及的項目、部件、焊工、設備等相關信息可重用性低，特別是對小批量、多品種產品的工藝設計，其不足尤為明顯。隨著各行業知識交叉應用深度的提高，借助于計算機技術和智能化技術，通過計算機代替人工操作或者人工干預的方式，實現車體工藝文件自動化編制是該項工作的發展趨勢。焊接智能系統最早在20世紀80年代中期開始進行研究[2]，如：美國焊接研究所完成了可為用戶選擇SMAW、GMAW、FEAW等焊接方法的焊條或焊絲的Weld selector系統[3];英國焊接研究所的Lucas W團隊完成了焊接保護氣體系統Gas Selector[4];日本大阪大學焊接研究所的WELSYS主要用來解決有關壓力容器制造行業的焊接工藝問題。我國在該領域從基礎理論、算法到工程應用開發也都取得了較好的進展，如南昌航空工業學院的方宇洞與陳圣鴻共同研發的“焊接方法選擇智能化系統”等;哈爾濱工業大學聯合廣東湛江發電廠共同研發了鋁合金焊接工藝設計智能化系統[5]，沈喜慶等[6]、吳葉軍等[7]分別針對承壓設備開發了焊接工藝設計專家系統，大連交通大學聯合中車唐山機車輛有限公司共同研發了軌道車輛轉向架構架焊接工藝文件智能編制系統并投入應用[1，8]，王巧玲等[9]開發了航空用焊接數據庫及專家系統平臺。

軌道車輛車體因其分類和組成的復雜性和多樣性，會出現知識、標準和規則不通用的問題。兼顧軌道車輛車體焊接生產及其工藝設計的特點，以構建多數據庫為基礎，借助計算機和人工智能技術，通過多庫數據共享和自由切換，實現車體焊接工藝文件的智能編制、數據管理、共享以及線上審批、簽核等功能，從而實現車體焊接工藝文件系統的智能化、信息共享化及綠色無紙化，有效解決實際生產中的問題，充分滿足實際操作和業務的需求。

1 車體焊接工藝智能系統的設計

系統設計是系統開發的前提，系統構架及結構層次的合理性決定著系統開發的簡易程度、用戶操作難易程度、后期維護難度以及實用性等多個方面。合理的系統設計在參考部署環境和用戶需求的同時，也應盡量輕化系統結構層次，提高用戶操作性及可維護性。

1.1 網絡模式選擇

軟件系統的模式一般分為B/S（Brower/Server）模式和C/S（Client/Server）模式，其中C/S模式優點如下：

（1）C/S模式無需依賴網頁界面且操作界面樣式結構豐富，可充分降低系統操作難度，提高用戶的交互性。

（2）C/S模式可以充分利用計算機硬件環境，有利于第三方交互。

（3）C/S網絡模式為雙層架構，可以有效的提高系統相應速度，從而提升系統的操作流暢度。

考慮到實際焊接生產環境、后續維護擴展、網絡安全性、系統性能及相應速度等因素，選擇C/S模式作為系統的網絡開發模式。

1.2 模塊化設計

系統設計過程中采用模塊化設計思路，通過業務功能將系統分為系統管理、數據管理、文件編制以及審批流程四大模塊，并且在四大功能模塊下進行子模塊的劃分。這種劃分可使系統結構層次更加明確，用戶操作更加便捷。其次，功能模塊化科降低各功能之間的耦合性，更加有利于后期維護。系統結構模塊如圖1所示。

1.3 多庫設計

軌道車輛車體由側墻、端墻、底架等多種重要組裝部件構成。焊接生產過程中因為車型不同或者各組成部件的材料構成不同，將導致推導規則、行業參考標準及知識庫的不通用性。因此，通過設計多種材料庫、材料相對應的標準庫以及對應知識庫，能夠更好的滿足車體焊接工藝文件智能編制的需求，這也是系統功能成功實現的基礎。

實際車體焊接生產裝配中，材料的種類往往直接影響著工藝文件編制中使用的知識、標準和推理規則。考慮實際工藝生產中使用材料，將材料分為鋼材和鋁材，并按照材料和其對應經驗及行業標準，構建對應的知識庫和規則庫。其結構設計如圖2所示。

2 車體焊接工藝智能系統的實現

系統采用C#語言開發實現。所實現的功能包括智能編制功能、多種庫動態創建功能、數據動態維護功能及審批簽核功能等。

2.1 智能編制功能的實現

車體焊接工藝文件的智能編制功能是智能化技術、信息化技術及傳統編制方法有效結合的產物，是完成工藝文件編制的核心環節。智能編制功能的實現由知識庫、規則庫及推理機制等完成。

知識庫是行業知識和經驗標準等內容的集合，是完成智能推理的數據基礎。其主要可以分為事實性知識、描述性知識、過程性知識及規則性知識等[4]。規則庫是按照某種方式獲取知識以得到目標內容的規則集合。可根據對數據庫調用情況分為動態規則和靜態規則[5]。推理機制是按照領域專家的思維，完成整個推理過程的順序邏輯機制。焊接工藝文件智能系統可通過三者間的共同作用實現工藝文件智能編制的功能，基本功能實現如圖3所示。

2.2 庫和數據管理功能的實現

數據是系統運行和操作的基礎內容。基于多庫的焊接工藝文件智能編制系統，其各庫之間結構邏輯相對復雜且數據量較大。因此，數據的管理和維護是多庫系統設計和實現的難點和重點。

系統初始設計鋼材、鋁材、基礎數據庫以及對應的子數據庫（知識庫、規則庫、標準庫等），并通過動態創建數據庫的方式實現后續材料庫的擴展，而對其子庫同樣通過動態創建表結構、選擇表功能及動態添加數據的方式完成。

針對多種類庫結構復雜及數據量大的特點，設計維護總表和維護子表，并通過動態生成的方式建立總表和子表間的維護關系。為進一步提高用戶交互性，設置office接口，用戶可通過定義模板、導出模板、導入模板及導出數據的方式，實現系統和Excel文件的互通，基本結構流程如圖4所示。

2.3 審批功能的實現

線上審批是實現工程生產綠色無紙化的重要途徑，其不僅能夠減少線下傳遞的工作，而且符合可持續發展的戰略思想。實際生產中因工藝文件類型眾多，且審批簽核等級不盡相同，因此需要針對文件設定特定的審批等級。其次，根據實際需求，需要針對每類文件設置特定的審批人員，并且參考線下流程設置通過和駁回操作環節。基本流程如圖5所示。

3 實現界面與工程應用

系統在C/S構架的基礎上進行了界面設計，其中主界面如圖6所示，包括了系統設置、數據管理、文件編制、審批流及多庫自由切換等功能。

工程應用反饋是評價系統應用價值和實際意義的有效參考標準。根據系統實際應用反饋，在保證標準化和準確率的前提下，應用本系統編制效率大約可提高50%。其中多庫操作模式在完成業務需求的同時，還能有效降低用戶的操作難度，具有較高的實用性。

智能系統是在標準化的基礎上運行的，這也從側面促進了企業標準化的建設。其次，將標準化的數據以固定格式進行存儲，通過C/S模式實現信息共享，為企業信息化的實現提供了參考。針對企業需求的定制性設計，可有效減少人工干預程度，為完全智能化的實現奠定基礎。焊接工藝文件編制作為焊接生產中的重要部分，其智能化的實現能夠加速產業智能化和工程一體化的進程。

4 結論

焊接工藝智能化系統是焊接工藝生產與智能化技術深度交叉的產物，是符合行業發展和需求的重要內容。多種類庫的焊接工藝智能編制系統可有效解決軌道車輛車體焊接工藝文件編制中存在的知識、規則及經驗標準通用性差的問題。系統通過設計工藝文件自動編制功能、多種數據庫動態創建功能及審批簽核流程等功能，實現了車體焊接工藝文件的自動化編制。并進一步針對多庫數據結構復雜、數據量大的問題，使用動態數據管理的方式可增強系統維護性和可管理性。系統的試用情況表明，應用本系統在提高編制效率50%的同時，還能夠為企業標準化、信息化、智能化及工程一體化的實現，提供參考和奠定基礎。

參考文獻：

[1] 關凱楠. 轉向架構架焊接工藝文件智能編制系統的設計與開發[D]. 遼寧：大連交通大學，2020.

[2] 馬玉剛，石運偉，王宗杰. 國外焊接專家系統的發展[J].沈陽工業大學學報，1997（4）：105-109.

[3] Jone J. Expert System Matches Welding Electrodes to theJob[J]. Welding Journal，1987（4）：52-53.

[4] Lucas W. Welding Engineering Expert System and Multi-media Computer programs[J]. Welding & Metal Fabrication，1995（4）：141-148.

[5] 許春義，周麗華，魏艷紅，等. 基于Client/Server的鋁合金焊接工藝設計專家系統[J]. 焊接，2004（1）：19-22.

[6] 沈喜慶. 基于NB/T47014標準的焊接專家系統設計[D].遼寧：沈陽工業大學，2017.

[7] 吳葉軍，魏艷紅. 承壓設備焊接工藝專家系統的設計與開發[J]. 焊接，2019（1）：50-54，67-68.

[8] 關凱楠，胡文浩，付瑤，等. 基于知識庫的構架焊接工藝文件編制方法與實現[J]. 焊接技術，2020，49（3）：59-62+6.

[9] 王巧玲，榮建，陳洪宇，等. 航空用焊接數據庫及專家系統平臺的設計與開發[J]. 電焊機，2018，48（9）：16-20.

收稿日期：2020-09-03

基金項目：中車唐山機車車輛有限公司科技項目（P81906）

作者簡介：于 巖（1987— ），男，碩士，工程師，主要從事軌道車輛焊接工藝及質量控制的研究工作。E-mail：191813201@qq.com。