軸系工藝知識建模與管理方法

周嘉偉，范世東，黃逢昱

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

在船舶動力裝置中，軸系裝配是按照一定要求和標準將軸系敷設成某種狀態，處于這種狀態下的軸系軸承負荷和各段應力都在標準范圍內，從而保證軸系安全正常的運轉。

以某載重量為13 800 t挖泥船為分析對象，該船為雙機雙軸驅動調距螺旋槳，軸系中心線對稱于船體中心線，距舯±6 000 mm，尾軸軸線高度距基線2 900 mm，主機曲軸及軸發軸線高度距極限4 020 mm。該船推進軸系由主機、彈性聯軸節、齒輪箱、液壓聯軸節、推進尾軸組成。艉管采用整體式安裝，整體式艉管采用環氧樹脂與船體鑄件相連，艉管軸承為油潤滑白合金軸承。

依據船舶軸系裝配流程，裝配過程具有以下特點。①流程眾多，裝配涉及組件較多；②關鍵對象較少，對象間關聯較多；③數據較多，總體信息量大。

由上特點看出，軸系裝配各環節所關聯的信息量是比較大的，會對裝配具體操作產生影響，增加信息處理的時間。為此，考慮采用智能化的知識存儲能夠刪減贅余信息，并以裝配對象為中心建立知識模型，以提高工藝知識篩選效率，減少信息處理時間，提高軸系裝配的質量和效率。

1 知識建模與管理

1.1 領域本體

本體通常用來描述領域知識，采用本體論方法可將軸系裝配工藝知識層次化分類表示，提高知識延展性，并且本體作為知識應用，也能夠使裝配人員利用本體結構存儲的信息便捷的得到具體準確的工藝知識[1-2]。

對軸系工藝裝配本體做出以下定義，領域本體API={AOB,ARO,APO,CR}，其中，AOB(Assembly object body)為裝配對象本體，ARO(Assembly resource ontology)為裝配資源本體，APO(Assembly process ontology)為裝配過程本體，CR(Conceptual relationship)為概念關系，其中裝配過程本體包含裝配任務本體，裝配任務本體包含裝配操作本體，裝配操作本體包含裝配動作本體，此外各本體又存在自身概念、關系和屬性集合[3-4]。

1.2 工藝知識建模

工藝知識建模是指創建工藝知識本體結構模型，用來實現工藝知識的結構化管理，便于提供智能化知識服務[5-6]。

實體-聯系圖(E-R圖)通常用來表示實體、屬性和關系，軸系裝配知識系統包含眾多工藝信息(包括零部件基本屬性、工藝裝配信息、裝配參數等數據)、復雜的聯接關系(多結構間存在多種聯系)、較多的層次結構等特點。為清晰地將裝配工藝信息的結構和層次表示出來，在E-R圖的基礎上，創建軸系裝配工藝知識的概念-屬性-關系(C-A-R)圖，用來表達裝配工藝知識的概念、屬性和關聯關系。軸系裝配作業C-A-R圖見圖1。

圖1 軸系裝配工藝知識C-A-R圖

挖泥船軸系裝配工藝中各類概念、屬性和關系見表1～6。為符合現代造船模式，對每個本體概念進行編碼[7]。規則如下。

1)對裝配過程、裝配任務、裝配操作和裝配動作采用4段代碼組成，每段代碼都包含兩位數字，此編碼結構符合語義拆分體系，按照語義層級進行知識表達。

2)裝配對象和裝配資源編碼由英文簡寫進行代替，可在計算機語言中將裝配對象和裝配資源穿插到各類信息要素中。

裝配過程屬性含義見表1。

表1 裝配過程屬性含義

裝配對象屬性含義見表2。

表2 裝配對象屬性含義

裝配資源屬性含義見表3。

表3 裝配資源屬性含義

裝配任務屬性含義見表4。

表4 裝配任務屬性含義

裝配操作屬性含義見表5。

表5 裝配操作屬性含義

裝配動作屬性含義見表6。

表6 裝配動作屬性含義

上述分類依據是以挖泥船實際裝配工藝進行歸納列舉的，其類別可以在系統中進行添加和修改，內容也可進行更新。

1.3 工藝知識管理

1.3.1 概念與屬性的組織與管理

工藝知識管理是面向專業人員(設計人員、裝配人員、管理人員等)進行的服務，將填充的工藝知識分類表達，旨在更快的提供專業人員需要的信息[8]。

基于所創建的C-A-R圖，提出采用概念和屬性相結合的方式實現工藝知識的組織與管理。

將工藝知識的概念分為關鍵部件類型、裝配特征類型、裝配工藝類型和工藝裝備類型4類，其對象下的概念與屬性分類見表7。

表7 工藝概念類型與屬性描述

以尾軸為例，其概念下屬性元素包括基本參數、裝配資源、裝配參數、關聯代碼，按照前文工藝知識模型中內容歸類可知，尾軸基本參數為長度4 600 mm及前端直徑500 mm，裝配資源為塞尺、吊裝設備和液壓千斤頂，裝配參數為艉管軸承下間隙約為0及左右間隙占總間隙的40%～60%，關聯代碼03-01-00-00、03-03-00-00、04-01-00-00等，通過尾軸獨立詞條的管理，方便專業人員獲取所有相關的工藝知識，以達到便捷指導的目的。

1.3.2 基于規則的組織與管理

規則管理用于具備特定因果關系的知識，其表達形式為：P→Q。其中P為規則觸發前提條件；Q為條件滿足所產生的結論操作。結合軸系裝配特點，將特定概念和屬性集合設為P，則裝配工藝規則集合即為結論Q，如以裝配過程中的裝配參數、精度要求為條件，則裝配方法、裝配路線為結論。其表達如下：

上述條件為軸系裝配工藝概念集合，也包括特征等區分條件；屬性為工藝知識概念的屬性信息，包括軸系裝配參數、精度要求等；關系為裝配工藝概念間的層次關系，包括裝配位置關系、裝配順序等；值為工藝屬性下的參數信息，包括裝配尺寸要求、間隙調整要求等。

2 知識驅動應用

2.1 系統結構

根據所提出的軸系裝配C-A-R圖知識建模方法，設計開發相應的知識管理系統。知識庫由領域本體、知識管理和標簽3個模塊組成，其中包含對象管理、資源管理、知識搜索、導航等知識管理系統的基本功能。

領域本體模塊主要由工藝知識樹和本體結構框架構成；知識管理模塊由基礎知識管理和標準化管理組成；標簽模塊實現標簽創建、標簽版本管理、標簽關聯、檢索等功能。

除上述基本功能外，良好的知識系統還應具備實用性、開放性和無二義性[9]。

2.2 知識庫

對于軸系工藝知識管理來說，知識主要有3種。

1)規則。指各模塊運行的依據，知識分類篩選過程中很多步驟都是按照相應的規則運行的，如概念屬性的映射、條件檢索等。

2)數值。指軸系裝配基礎數據信息，是知識系統管理的基礎，如結構參數、材料性能、裝配信息等。這些數據信息存儲在知識庫中供系統自動調用，以減少專業人員查找資料的時間。

3)方法。指在相應規則下對信息處理的方法，如參數化圖表生成、本體概念關系圖生成。

按照系統知識分類來說，知識又可以分為規范類知識、專家知識、方法知識。

2.3 更新機制

知識管理系統主要采用知識相似度方法進行知識更新，知識相似度實質上是基于記憶的篩選，將存在系統中的裝配知識以實例的形式表達，并與新知識進行相似度計算，去除重復的知識，保留重要知識，以此解決系統中信息冗雜的問題[10-11]。

在軸系裝配工藝知識建模與管理里，運用更新機制，主要按以下步驟進行。

1)新知識描述。輸入軸系裝配概念、參數、屬性等。

2)搜索實例。根據描述的新知識在知識管理系統中檢索相似知識。

3)形成解決方案。將條件代入到檢索得到的知識中，形成相似知識解決方案，并運用更新機理對方案進行實施。

4)保存知識。更新完成后將更新過程和解決方案存入到知識管理系統中。

在此過程中，最關鍵的是檢索相似知識，對知識p1和p2的相似度定義如下[12-13]。

(1)

(2)

式中：wi為屬性ai的權值；s(a1i,a2i)為屬性值相似度；a1i，a2i為p1和p2的屬性值。

當知識管理系統中沒有檢索出的知識時，通過模板建立信息的軸系裝配工藝知識。在使用更新機制時，應注意判斷知識的準確性和規范性，避免產生歧義詞語。

2.4 原型系統

如圖2所示，基于VB.NET編程環境，以Protégé為本體構建平臺，SQL Server為數據庫存儲系統，開發軸系裝配工藝知識管理平臺。平臺采用面向對象的方法進行知識表達與應用，將知識以類的方式進行連接與外部引用，通過界面上用戶的輸入輸出調整管理方法，提高系統運行效率，便于專業人員使用。

圖2 知識管理平臺原型系統

圖2所示知識管理系統在知識表達上，相較于傳統信息傳遞方式，更具備簡潔化和標準化，較快的知識檢索效率能夠提高實際裝配人員的裝配效率，其智能化管理模式也能保證知識的準確性。

3 結論

1)通過建立的C-A-R圖可以看出采用本體知識建模方法能夠更加清晰的表達軸系裝配知識間存在的結構層次。

2)根據原型系統驗證，本文提出的知識管理方式在處理較多知識時能夠簡化表達信息，提高知識利用效率和準確性，同時便于縮短工期。