基于專家系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)研究

陳應飛，李彥儒，殷鳴，殷國富

基于專家系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)研究

陳應飛，李彥儒，殷鳴，殷國富

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

為實現(xiàn)柔性生產(chǎn)線模型創(chuàng)建的高效性和有效性，縮短柔性線的設(shè)計周期，提出一種基于專家系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)的研究方法，并結(jié)合數(shù)字化技術(shù)提高柔性生產(chǎn)線的建模效率。對專家系統(tǒng)中的獲取、構(gòu)建、表達以及推理四個知識模塊進行了闡述，并說明其是如何在該系統(tǒng)中進行設(shè)計運用的。通過Visual Studio 2015平臺，使用C#語言進行快速設(shè)計系統(tǒng)的界面設(shè)計，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫和三維軟件的數(shù)據(jù)連接。最后，對該系統(tǒng)進行實例應用，通過輸入需求參數(shù)，生成了預期內(nèi)的柔性生產(chǎn)線模型。

柔性制造系統(tǒng)；專家系統(tǒng)；數(shù)字化技術(shù)；知識工程；二次開發(fā)

柔性制造系統(tǒng)是現(xiàn)代制造業(yè)智能化和系統(tǒng)化的集中體現(xiàn)。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始運用柔性生產(chǎn)線對零件及產(chǎn)品進行加工和裝配，柔性生產(chǎn)線的仿真技術(shù)得到大量運用，其三維模型的建立復雜繁瑣、周期長且結(jié)構(gòu)布局具有一定的通用性[1]。為此，本文提出一種基于專家系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)，解決柔性生產(chǎn)線建模過程效率低、過程重復的問題，并能根據(jù)用戶需求，智能提供一種或多種柔性生產(chǎn)線布局模型，供用戶使用和參考。

基于各種計算機算法的快速建模仿真技術(shù)是未來三維建模的發(fā)展趨勢。劉濤等[2]通過運用實例推理算法對工業(yè)機械手進行智能快速設(shè)計，將已經(jīng)驗證過的成熟的設(shè)計實例與新的問題進行比較，匹配出相似度高的方案，最后再按照設(shè)計要求進行相應的修改、調(diào)整。郭炎福等[3]研究的基于專家系統(tǒng)的智能變電站二次檢修安措票自動生成技術(shù)，通過對配置數(shù)據(jù)庫的遍歷，得到檢修的相關(guān)信息，并在規(guī)則庫中進行匹配，最后對匹配結(jié)果進行優(yōu)先級的排序，從而自動生成所需的安措票。近年來，專家系統(tǒng)在快速設(shè)計、建模方法中得到了較多的運用。專家知識庫是專家系統(tǒng)最重要的組成部分，也是專家系統(tǒng)的核心之一，其最主要的功能作用是存儲和管理來自于書本上的相關(guān)知識或者由專家們在長期的工作和學習中總結(jié)出來的經(jīng)驗知識。

1 專家系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 概述

專家系統(tǒng)是一種計算機程序系統(tǒng)，它能夠相對準確地模擬人類專家解決各自領(lǐng)域的專業(yè)問題。專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中含有大量的某個專業(yè)領(lǐng)域?qū)＜宜降膶I(yè)知識和實踐經(jīng)驗，它能夠利用人類專家的專業(yè)知識、實踐經(jīng)驗以及解決實際問題的方法策略等來處理相關(guān)的專業(yè)領(lǐng)域問題[4]。

基于專家系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計方案

1.2 功能模塊

1.2.1 獲取專家知識

在此模塊的功能設(shè)計中，由于柔性生產(chǎn)線的設(shè)計需要查閱大量專業(yè)資料、聽取專家和有相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗的工程師的建議，才能完成相關(guān)生產(chǎn)線的設(shè)計工作，且所獲取的知識需要具有一定的時效性、可行性和客觀性，所以在工作過程中不僅是對知識進行簡單的編輯整理，還需要具有一定的知識拓展能力和自學習能力。

目前，人們提出了許多算法，也創(chuàng)建了多種獲取知識的工具，以便能夠高效、準確地獲取專家知識，例如基于實時數(shù)據(jù)采集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)挖掘等的獲取知識方法[5]。

知識為顯式和隱式兩類。顯式知識是指從書籍和文獻等有直接記錄的容易獲取的地方取得的；隱式知識又稱啟發(fā)性知識，是指該領(lǐng)域的專家或者工程師們，從理論分析和大量的工作試驗中，日積月累得出的經(jīng)驗知識。

1.2.2 構(gòu)建專家知識

在獲取了足夠的專家知識之后，需要對所獲取的專家知識進行合理構(gòu)建，建成專家知識庫（以下簡稱知識庫），方便在使用中能夠準確、完整地應用知識。本研究系統(tǒng)的知識庫在SQL Server數(shù)據(jù)庫平臺上進行搭建，工程師能夠?qū)υ擃I(lǐng)域的書本知識、文獻資料和專家經(jīng)驗知識等進行有效的存儲和管理。

1.2.3 表達專家知識

表達知識模塊是專家系統(tǒng)中的重要技術(shù)之一，其主要的功能是分析應該用什么樣的方法把待解決問題的所需知識存儲在計算機系統(tǒng)中，便于后續(xù)計算機進行處理分析。目前運用較多的知識表示法有：框架表示法、面向?qū)ο蟊硎痉āa(chǎn)生式表示法、過程表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法和腳本表示法等。本研究系統(tǒng)主要應用前四種表示法。

1.2.4 推理專家知識

推理知識功能模塊是專家系統(tǒng)中處理專業(yè)知識的核心部分，也是專家系統(tǒng)區(qū)別于普通數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的標志之一。推理模式是指專家系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶提供的需求說明，通過對已掌握的知識進行結(jié)合、拓展，并解決問題的過程。

目前各個研究領(lǐng)域比較常用的知識推理模式主要分為兩種：一種是基于規(guī)則的推理模式，另一種是基于實例的推理模式。本研究系統(tǒng)主要運用后者，其推理過程主要分為四步：檢索、重用、修正和保存。實例推理采用最近鄰算法，分析計算正在處理方案的特征參數(shù)與專家知識庫中特征參數(shù)的距離，進一步轉(zhuǎn)化為相似度，從而選取相似度最高的實例提供給工程師參考或使用。其中距離的主要計算公式為：

式中：為設(shè)計目標實例；為實例庫中的實例；Dis(,)為空間距離；Sim(,)為距離；C為第個實例的第個屬性；X為目標實例的第個屬性；ω為第個屬性所分配的權(quán)重比。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 設(shè)計流程

柔性生產(chǎn)線的相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)主要來自于需求任務(wù)書，其主要的設(shè)計參數(shù)有加工中心類型和配置數(shù)量、物流輸送機構(gòu)配置參數(shù)和生產(chǎn)節(jié)拍等。柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)是基于Visual Studio 2015平臺、使用C#語言開發(fā)而成，設(shè)計人員只需要在系統(tǒng)軟件中輸入需求任務(wù)書中的需求數(shù)據(jù)即可建立相應的生產(chǎn)線三維模型。

柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)的具體設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)流程圖

首先通過對需求任務(wù)書中的需求條件進行分析，確定初步布局方案（設(shè)計系統(tǒng)中給定了一些常用的布局方案），然后系統(tǒng)根據(jù)選定的初步布局方案，自動對應相關(guān)的加工及運輸方案選項。設(shè)計人員可以根據(jù)系統(tǒng)提示完成生產(chǎn)線的參數(shù)化輸入，最后系統(tǒng)會根據(jù)輸入的參數(shù)自動生成柔性生產(chǎn)線的三維模型。如果實例庫中沒有所需的布局方案，設(shè)計人員可以在系統(tǒng)提供的自定義中進行設(shè)計，自定義設(shè)計完成后，系統(tǒng)會自動把布局方案添加至實例庫，方便以后遇到類似的方案設(shè)計時可以更快地調(diào)用[6]。

2.2 子系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.2.1 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要完成人工時間、零件加工時間與物流運輸系統(tǒng)時間的合理分配，盡可能地提高柔性制造系統(tǒng)中的設(shè)備利用率，并且還能實現(xiàn)與其他子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互功能。其中生產(chǎn)節(jié)拍計算為：

＝T/T

式中：T為可用工作時間，min/天；T為客戶需求，件/天；為生產(chǎn)節(jié)拍。

通過計算出的生產(chǎn)節(jié)拍與知識庫中已儲存的生產(chǎn)節(jié)拍相比較，獲得最優(yōu)的布局方式。當知識庫中已存在生產(chǎn)節(jié)拍數(shù)據(jù)時，可直接調(diào)用相對應的生產(chǎn)布局；當知識庫中不存在的生產(chǎn)節(jié)拍數(shù)據(jù)時，可根據(jù)式（3）拉格朗日插值法進行計算，根據(jù)計算結(jié)果系統(tǒng)調(diào)用最接近此數(shù)值的生產(chǎn)布局，并對加工設(shè)備間隔距離、小車運行速度、物流線長度等做相應的調(diào)整[11]。

2.2.2 知識應用子系統(tǒng)

如1.2節(jié)所述，知識應用的一般步驟分為獲取知識、構(gòu)建知識和推理知識。知識應用系統(tǒng)的功能就是將大量知識源中的有效知識存入到知識存儲器中，然后再運用到柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)中，這些知識都是可增加、可刪除和可重復利用的。

2.2.3 建模子系統(tǒng)

以SolidWorks軟件作為三維建模設(shè)計平臺，軟件自身提供了應用程序編程接口API，將其與C#編程語言相結(jié)合，同時運用模板驅(qū)動技術(shù)，開發(fā)人員可以通過在快速設(shè)計系統(tǒng)中輸入相應的設(shè)計參數(shù)，系統(tǒng)自動調(diào)用SolidWorks軟件，完成柔性制造系統(tǒng)的參數(shù)化建模。

3 應用實例

此柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)，主要是以某機床廠的實際需求為背景，目的是為了縮短在柔性生產(chǎn)線三維模型建立上所消耗的時間，提高工廠的加工和生產(chǎn)效率，使工廠能夠產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益。

設(shè)計工程師可以在柔性生產(chǎn)線設(shè)計系統(tǒng)中確定初步布局方案、加工方案配置、物料運輸配置、物料庫配置和生產(chǎn)節(jié)拍等。以該機床廠的需求任務(wù)書為例，驗證系統(tǒng)的使用方式和運行結(jié)果。該任務(wù)書要求設(shè)計一款柔性制造系統(tǒng)，采用單側(cè)布局方式（有上下料臺），如圖3所示，其中加工方案配置包括精密臥式加工中心3臺，運輸線配置包括托板庫1個、有軌搬運小車1個、托板32個以及上下料工位2個。在設(shè)計軟件中設(shè)置對應參數(shù)后，運行軟件得到柔性生產(chǎn)線三維模型，如圖4所示。

4 總結(jié)

將柔性制造系統(tǒng)數(shù)字化建模技術(shù)和專家系統(tǒng)相結(jié)合，使柔性制造系統(tǒng)建模達到智能化、快速化的目的。對專家系統(tǒng)中的獲取、構(gòu)建、表達及推理四大功能模塊進行了分析與運用。闡述了柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計流程，及部分重要子系統(tǒng)的功能和實現(xiàn)形式。最后通過實例應用展示了柔性生產(chǎn)線快速設(shè)計系統(tǒng)的使用流程，及通過軟件自動建立的三維模型。

圖3 柔性線設(shè)計系統(tǒng)某設(shè)計方案預覽圖

圖4 柔性生產(chǎn)線三維模型

[1]趙洪志，張健，陶小剛. 航彈控制艙裝配工藝路線設(shè)計專家系統(tǒng)的研究[J]. 成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2018，35（2）：34-39.

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[11]S. P. Leo Kumar. Knowledge-based expert system in manufacturing planning: state-of-the-art review[J]. International Journal of Production Research，2019（57）：4766-4790.

Fast Design System of Flexible Production Line Based on Expert System

CHEN Yingfei，LI Yanru，YIN Ming，YIN Guofu

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In order to achieve the high efficiency and effectiveness of FMS model and shorten the design period, a research method of rapid design system based on expert system is proposed. The modeling efficiency of FMS is improved by using a combination of this method with digital technology. The four knowledge modules of acquisition, construction, expression and reasoning in the expert system are expounded, and how they are designed and applied in the system is explained. Through the Visual Studio 2015 platform, C# language is used to design the interface of the rapid design system and realize the data connection with the database and 3d software. Finally, the model of FMS is generated by input demand parameters.

flexible manufacturing systems (FMS)；expert system；digital technology；knowledge engineering；secondary development

TH165

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.09.009

1006－0316 (2020) 09－0056－05

2019－10－29

國家科技重大專項課題（2018ZX04032001-003）；四川省科技計劃項目（2018GZ0109）

陳應飛（1994－），男，四川成都人，碩士研究生，研究方向智能制造，E-mai 457371225@qq.coml；

殷國富（1956－），男，四川西充人，教授，博士生導師，主要研究方向為制造自動化、智能設(shè)計技術(shù)、CAD/CAM/CIMS。