（机械制造及其自动化专业论文）基于kbe的石油钻机设计pdm系统开发研究.pdf

中文摘要 论文题目：基于k b e 的石油钻机设计p d m 系统开发研究 专业：机械制造及其 硕士生：李峰滏名 指导教师：鲍泽富( 签名) 摘要 圈前，石油钻机制造业面临饕市场需求旺盛、客户需求多变及只益激烈的全球性竞 争等矛盾。而国内的石油钻机制造企业存在着信息化水平低、管理水平与手段落后等方 面的缺点，极大豹制约了该行监的发震。p d m ( p r o d u c td a t a o f m a n a g e m e n t ) 是管理所 有产品穗关信息和赁有产瑟相关过程的技术，麓实现企业的信息集成，、提离企业的管理 水平及产品开发效率。因此，研究石油钻机产品、石油钻机的设计及p d m 系统的构建与 开发舆有极为重要的意义。 逶过对石油铸棍制造企渡酶调研，分耩蹬企业在锚橇设计中存在的众多闯题。对石 油钻机产熬进行研究，构建了石油钻枧产品结构树。研究石油钻机三维数字化设计的方 法，在参数化的建立石油钻机三维模型的同时，将知识工程融入到产晶的设计当中，指 导设计人员完成产品创新，并体现最健的设计实践。利用知识工程建立产晶知识库，冀 中包括产丞瓶则瘁、产品检查痒和产熬实铡库，将成熟鳇经验徽戚模援，使得榴似懿设 计可以重复的使用，从丽实现石油钻机产品设计中的产品优化配置和缩短产品设计周期。 分析石油钻机产晶的特点，运用c a t i a 的知识工程模块功能加速石油钻机的配置， 在p d m 系统中茯速匹配出符合要求酶石油锚桃。提嵩石油铺视豹配置效率，节省时闻和 成本的支出。剩髑攥则和检查建立专家库和规则库。初级人员可以将自己设计零件时的 经验和专家丰富的经验结合起来，大大加快产品的开发速度。 关穗谣：看浊钻机；钻棍设计；p d m ；产品结橡树；知识工程； 论文类型：应用研究 l 重 s u b j e c t ：t h ep d ms y s t e mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o ft h eo i ld r i l l i n gr i gb a s e do n t h ek b e s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n d a u t o m a t i o n n a m e ： i n s t r u c t o r ： l if c n g b a oz e f u ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e )绰 g 幽啦 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，o i ld r i l l i n gr i gm a n u f a c t u r i n gi sf a c i n gt ol o t so fc o n t r a d i c t i o n s u c ha st h e h e a r t yd e m a n do ft h em a r k e t ，t h er e q u i r e m e n t f o rc l i e n ta n di n c r e a s i n g l yd r a s t i cg l o b a l c o m p e t i t i o na n ds oo n h o w e v e r , t h ei n t e r n a le n t e r p r i s e so ft h eo i ld r i l l i n g r i gm a n u f a c t u r e h a v eag r e a tn u m b e ro fd i s a d v a n t a g e f o re x a m p e r , t h e l o w e rd e v e l o p m e n ta m o n g i n f o r m a t i z a t i o n 、m a n a g e m e n ta n dm e a n s ，w h i c hp r e v e n tc o r p o r a t i o n sf r o md e v e l o p m e n t t h e p d mi sak i n do ft e c h n o l o g y , w h i c hc o u l dm a n a g ea l lo ft h ei n f o r m a t i o na n dp r o c e s s r e l e v a n t i n gt ot h ep r o d u c t t h ep d mn o to n l yb ea b l e t or e a l i z ei n t e g r a t i o no fc o m p a n y i n f o r m a t i o n ，b u ta l s oc a ne n h a n c et h ea b i l i t yo fm a n a g e m e n ta n dd e v e l o p m e n te f f i c i e n c yo ft h e p r o d u c t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ht ot h eo i ld r i l l i n gr i g ，t h ed e s i g no ft h eo i ld r i l l i n gr i ga n dt h e p d ms y s t e mh a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e a c c r o d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o nt ot h ec o m p a n yw h i c hp r o d u c tt h eo i ld r i l l i n gr i g m u c h p r o b l e m sw e r ef o u n dd u r i n gt h ed e s i g no ft h eo i ld r i l l i n gr i g t h r o u g ht h er e s e a r c h o fo i l d r i l l i n gr i 如t h ep r o d u c ts t r u c t u r et r e eo f t h eo i ld r i l l i n gr i gw a se s t a b l i s h e d d u r i n gm a k i n gu s e o fm a n vp a r a m e t e r st om a k eu pt h r e ed i m e n s i o n am o l d ，t h ek b e w a si n s u r e di n t ot h ed e s i g no f t h ep r o d u c t sa st oc o n d u c td e s i g n e r st oh a v ea ni n n o v a t i o n c o n d u c t i n gs t a n d a r dc a t a l o g e s a b o u tp r o d u c t s k n o w l e d g ew h i c hi n c l u d ec a t a l o g e a b o u tp r o d u c t s r u l e s 、c h e c ka n d e x a l n p i e s , t h eg o o de x p e r i e n c ec a n b eu s e di nt h es i m i l a rd e s i g na g a i na n da g a i n ，i tc a nr e a c h a l la i mt h a ts h o r t e rt h et i m eo ft h ed e s i g nf o rt h ep r o d u c ta n dh a v eab e s tc o n f i g u r e a sa n l y s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eo i ld r i l l i n gr i g ，t h ek b e c a nb eu s e di nc a t i at o a c c e l e r a t et h ec o n f i g u r eo ft h eo i ld r i l l i n gr i g ，a na d a p t i v ec o n f i g u r ec a nb ed i s c o v e r e di na s h o r t e s tt i m ea n di nal o w e s tc o s t m a k i n gu s eo ft h ec a t a l o g eo ft h er u l ea n dc h e c g ，t h e d e s i g n e r sc a nl i n ko w n e r e x p e r i e n c ea n d o t h e re x p e r t s e x p e r i e n c es oa st oa c c e l e r a t et h es t e pt o t h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c t s k e y w o r d s ：o i ld r i l l i n gr i g ；d r i l l i n gr i gd e s i g n ；p d m ；p r o d u c t s t r u c t u r et r e e ；k b e t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 缉 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：磁5 凰2 d 嗣 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 在2 0 世纪的7 0 、8 0 年代，石油钻机在其设计和生产过程中开始使用c a d 、c a m 等c a x ( c o m p u t e ra i d e d 卜各_ 种计算机辅助) 技术，新技术的应黑在促进生产力发 展的同时也带来了薪的挑战。在石油钻机制造行业中，虽然目前c a x 的应用已使企业可 能实现无纸化和并行化的开发，缩短开发周期，提高产品质量，但是由于现行c a x 系统 的离散性，其支撑的文件格式和应用环境的差异，使得信息交流难以进行，降低了企业 的信息共享度，导致了设计的重复性，信息传递速度慢，管理及协作困难，形成所谓的“信 息孤岛”。计算机应用的飞速发展，随之而来的各种数据也急剧膨胀，对企业的相应管理 形成巨大压力：数据种类繁多、数据重复冗余、数据检索困难、数据的安全性及共享管 理等等。随着图际竞争的加强，石油钻机制造企业已经意识到，实现信息的有序管理将 成为在未来的竞争中保持领先的关键因素。 实践证明，p d m 是较好的解决办法之一。p d m 在实现企业的信息集成、提高企业 的管理水平及产品开发效率等方面表现出十分巨大的潜力，已为越来越多的企业接受和 应用。p d m 技术作为一个平台，将石油钻机设计和生产避程中的c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，计算机辅助设计) 、c a e ( c o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n g ，计算机辅助工程) 、c a p p ( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，计算机辅助工艺过程设计) 等c a x 子系统进行集成， 使之不再成为一个信息孤岛。为了能够使与项日相关联的入在石油钻机产品设计和生产 过程中共享与产品相关的数据，管理石油钻机产晶开发中的每一个阶段所产生出来的相 关资料，必须开发出有针对性的p d m 系统。 随着制造业生产技术的发展和多品种小批量的要求，特别是现代集成制造技术的发 展与运用，传统的工艺设计方法已经远远不能满足囱动化和集成化要求。c a p p 克赧了 传统工艺设计的许多缺点，借助计算机技术，来完成从产品设计到原材料加工成产燕所 需的一系列加工动作及其对资源需求的数字化描述。c a p p 在现代制造业中，具有藿要 的理论意义和广泛迫切的实际需求。c a p p 系统的应用不仅可以提高工艺规程设计效率 和设计质量，缩短技术准备周期，为将广大工艺人员从繁琐、重复的劳动中解放出来提 供了一条切实可行的途径，使工艺人员可以更多地投入工艺试验和工艺攻关当中，而且 可以保证工艺设计的一致性、规范化，有利于推进工艺的标准化。更重要的是工艺b o m 数据是指导企业物资采购、生产计划调度、组织生产、资源平衡、成本核算等的重要依 据，c a p p 系统的应焉将为企业数据信息的集成打下坚实的基础。 西安石油大学硕士学位论文 1 1p d m 的概念及其国内外的发展状况 1 1 。1p d m 的概念 p d m 麴中文名称为产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 。p d m 是- v j 周来管 理所有与产品相关信息( 包括零件信息、配置、文档、c a d 文件、结构、权限信息等) 和 所有与产品相关过程( 包括过程定义和管理) 的技术。 在2 0 世纪的6 0 、7 0 年代，企业在其设计和生产过程中开始使用c a d 、c a m 等技术， 新技术的应用在促进生产力发展的同时也带来了新的挑战。对于制造企业而言，虽然各 单元的计算机辅助技术已经冈益成熟，但都臼成体系，彼此之间缺少有效的信息共享和 利用，形成所谓的“信息孤岛”；并且随着计算杌应用的飞速发展，随之褥来的各种数据 也急剧膨胀，对企业的相应管理形成巨大压力：数据种类繁多，数据重复冗余，数据检 索困难，数据的安全性及共享管理等等。 许多企业已经意识到，实现信息的有序管理将成为在未来的竞争中保持领先的关键 因素。在这一背景下产生一项新的管理思想和技术p d m ，郎以软件技术为基础，以产晶 为核心，实现对产混相关的数据、过程、资源一体化集成管理的技术。p d m 明确定位为 面向制造企业，以产品为管理的核心，以数据、过程和资源为管理信息的三大要素。p d m 进行信息管理的两条主线是静态的产品结构和动态的产晶设计流程，所有的信息组织和 资源管理都是围绕产晶设计展开的，这也是p d m 系统有别于其他的信息管理系统，如企 业信息管理系统( m i s ) 、制造资源计划( m r pi i ) 、项目管理系统( p m ) 、企业资源计划( e r e ) 的关键所在【1 j 【5 i 。 p d m 的确是一种“管得很宽”的软件，凡是最终可以转换成计算机描述和存储的数 据，它都可以一概管之，例如：产晶结构和配置、零件定义及设计数据、c a d 绘图文件、 工程分析及验证数据、制造计划及规范、n c 编程文件、图像文件( 照片、造型图、扫描 图等) 、产品说明书、软件产品( 程序、库、函数等“零部件”) 、各种电子报表、成本 核算、产品注释等、顼嚣规划书、多媒体音像产品、硬拷贝文件、其它电子数据等。 p d m 可以广泛地应用于各工业领域中。但每个领域都有其自身的特点和需求，应用 的层次要求和水平都不相同，因而并无万能的p d m 系统可以包容。 在企业的信息集成过程中，p d m 系统可以被看作是起到一集成框架的作用。各种应 用程序诸；t i j c a d c a m c a e 、e d a 、o a 、c a p p 、m r p 、等将通过各种各样的方式， 如应用接口、开发( 封装) 等，直接作为一个个对象而被集成进来，使得分布在企业各 个地方、在各个应用中使用( 运行) 的所有产品数据得以高度集成、协调、共享，所有 产品研发过程得以高度优化或重组。 p d m 的核心思想：通过数据共享、人员协调、过程优化等手段，解决企业生产中的瓶 颈问题、缩短产品研制周期、实现全面质量管理。 2 第一章绪论 1 1 2 国外p d m 技术的发展及应用现状 美国c i m d a t a 公司调查的企业中，近5 0 的企业已采用了p d m 技术，9 8 的企业都 希望实旋p d m 。p d m 的应用能使产品设计周期缩短2 5 ，减少工程设计修改1 4 ，加快 产品投放市场进度5 0 - - 8 0 ，总成本削减2 5 以上剃。p d m 的使用范围非鬻的广泛，不 但应用到机械、电子、汽车、航空航天等制造领域，还能应用到交通、商业、电子出版 等非制造业领域。早在1 9 9 7 年，福特汽车就花费上亿美元购买了s d r c 公司的t a p h a s e ， 构建了自己的p d m 系统，得到高效网报后，许多制造商开始投资建设自己企业的p d m 系 统。如世界知名的劳斯菜斯集团、韩国大宇集团、法国空中客车飞机制造厂等相继成功 应用t c o m p u t e r v i s i o n 公司的先进p d m 软件o p t e g r a ，p r a t t & w h i t n e y 公司、e c l i p s e 航空公司、洛克希德马丁航空公司成功应用了u g s 公司的t e a m c e n t e r 等。p d m 系统的开 发也相应地成为软件业新的增长点，据美国c t m d a t a 公司的调查报告，1 9 9 5 年全球p d m 软件与服务市场规模为6 。8 4 亿美元，1 9 9 6 年达到8 。5 0 亿美元，2 0 0 1 年则达到2 5 亿美元1 7 j 【引。 目前囡外已有许多著名的p d m 软件，如：s d r c 公司的m e t a p h a s e 软件，该软件 具备了p d m 系统的主要功能模块，是典型的企业级p d m 系统；e d s 公司的i m a n 软件实 现了p d m 的电子仓库和文档管理、工作流管理、产品结构管理等基本功能，褥到了企业 的广泛认可；i b m 公司的p r o d u c t m a n a g e r ( p m ) 软件具有良好的软传结构，其电子仓库、 工作流程、配置管理和电子化协同工作环境都相当完善，极具市场竞争力；p t c 公司的 w i n c h i l l 软件把客户h i 务器的能力与因特网易实施、易管理和易使用的优点有机地结合 在一起，全面支持整个产品生命周期中有关产晶结构和变化的管理和信息通讯，为用户 提供了一种用于管理和增强并行工程开发的环境；u g s 公司推出的t e a mc e n t e r 是世界上 第一套完整的协同产品管理解决方案，能够使分散的知识用户和各种应用系统所组成的 虚拟企业协同工作，节约成本优化质量。此外，还有i b m 公司i 羚p r o d u c tm a n a g e r 、c o m p u t e r v i s i o n ( 筠称c v ) 公司的o p t e g r a 、a u t o d e s k 公司的a u t od e s kw o r k c e n t e r 等，它们基 本上代表了现今在p d m 技术上的最高水平l l j 。 1 1 。3 国内p d m 技术的发展及应用现状 餮内许多企业看到了p d m 所带来的巨大效益，率先实施7 p d m 系统。有些是采用国 外厂商开发的p d m 系统，如春兰空调厂、海尔集团、长虹、康佳等采用的p d m 产品是美 国e d s 公司的i m a n ，西安飞机设计所采用的p d m 产品是i b m 公司的p r o d u c tm a n a g e r ，航 天部二院2 0 4 所采用的p d m 产品是美国s d r c 公司的m e t a p h a s e 。 随着p d m 技术逐渐为国外掰重视，国内众多软件厂商也看到了p d m 市场的巨大潜 力，纷纷开发出自己的p d m 产品，其中包括高华公司的g h p d m s 、同创公司的p d m s 、 武汉华中软件公司的i n t e p d m 、武汉开目信息技术有限责任公司的开目p d m 、浙江大天 公司的g s p d m 、博通公司的博通p d m 等。其中：高华公司的g h p d m s 2 6 解决了c a d 3 西安石油大学硕士学位论文 图纸归档、查询、编码、变更控制等问题，实现了企业信息流、物流管理的计算机化； 同创p d m s 实现在网络上对各类技术信息透明的调用、编缉、处理检索、输出等集成管 理功能；武汉华中软件公司的i n t e p d m 采用面向对象技术和客户机棚疑务器体系结构，以 项目管理的方式将产品数据、设计活动、人员组织和应用工具统一组织和管理；开目p d m 系统通过与开目c a d 、开e i c a p p 的配合，进行整个产品生命周期的信息管理l l 】。国内大 多企业实施的p d m 系统采用国内厂商开发的p d m 产品，如宁波串菱有限公司、宁波海太 机械制造有限公司等采用的p d m 产熙是浙江大天公司的g s p d m ，江西五十铃汽车制造 厂、上海港口机械厂和苏州阀门厂等采用的p d m 产晶是武汉华中软件公司的i n t e p d m 。 浙江正泰电器集团、中国第一汽车集团、东风汽车股份有限公司、上海锅炉厂有限公司、 厦f 了工程机械股份有限公司、= l 艺京工业大学等企业采用的p d m 产晶是武汉开嚣信息技术 有限责任公司的开网p d m 。国内的p d m 软件起步较晚，其产品在功能、性能和稳定性 等方面与国外的p d m 产品还存在着差距，但在管理理念、满足企业需求、价格、技术支 持与服务等方面具有一定的优势。 1 2 课题的提出和研究内容 1 2 1 课题的提出 宝鸡石油机械有限责任公司( b o m c o ) 是中国石油天然气集团公司( c n p c ) 所属最 大的石油钻机制造企业。1 9 3 7 年建厂，经过七十年的发展，特别是近十年来的迅速发展， 工厂现占地8 0 余力平方米，资产2 2 3 亿元，各类设备2 2 0 0 余台套，其中大型精密设备1 0 0 多台，专监技术人员8 0 0 多入，是星内石油钻采装备制造业的龙头企业，也是我国石油钻 机的重要研发基地。年生产石油机械产品四万余吨，超深井钻机等产品占国内市场6 0 以上，现已实现大型成套石油钻采装备批量出口，海洋市场钻井装备占有率8 0 以上。 2 0 0 6 年完成9 0 台钻枫，泥浆泵5 0 0 多台，实现工业总产值2 q 亿元以上。公司钻机和泥浆泵 的产量已稳居世界第一，技术水平达到国内领先、国际先进。该公司技术开发中心是集 新产品开发、设计、新产品工艺研究和工艺设计等多专业、多学科开发研究为一体的综 合性研究机构，属省级技术中心，并与国内众多科研院所和著名大学有着良好的合作关 系。近年来，取褥了交流变频、整体拖挂、9 0 0 0 米超深井钴枫等多项国内领先的科研开 发成果。中心下设产品开发室、钻机室、结构室、钻采部件室、自动化室、冷加工整、 铆焊装配室等专业室；有职5 1 2 1 6 0 多人，其中高级工程师和工程师以上专业技术骨干近百 名。该中心主要从事陆上、海洋、特种环境下的成套大、中型石油钻机及钻采部件、并 控设备、抽油机、提升设备及工具、钢制压力容器、金属结构件等产品的设计开发工作。 她是公司产品的研发中心，承载着众多中国石油天然气集团公司及国家重大石油钻采装 备科研开发任务的使命。宝鸡石油机械有限责任公司，正是这样一个在圜内石油装备制 造领域中占有举足轻重地位的企韭，它在发展的同时，也同样遇到了机械制造行业诸如 霹 第一章绪论 企业内部网络不健全、信息安全性差、数据分散凌乱、电子数据与纸质图纸不一致、c a x 软件集成度低等闯题。那么，查找并分析该企业在石油钻机设计方面所存在的闯题，将 对于研究囡内石浊钻机领域p d m 系统的实旌具有极为典型的意义。 在对宝鸡石油机械有限责任公司深入调研的过程中，主要发现如下几方面的问题： ( 1 ) 技术中心内部信息集成的问题 a ) 企业内部的潮络不规范，很多数据允许在设计入员麴单机中保存，设计资料的安全 性差，易被泄密； b ) 产品数据大多以文件形式保存，数据分散、凌乱，查询不方便，共享程度低； c ) 在生产过程中，只更改生产依据的纸质文档，没有同时更改电子数据，使电子数 据与纸质技术文档不致，影响数据的一致性利用，以及文 牛的准确性和完整性； d ) 虽然产品的技术文档采用网络化管理的方式，但缺少工作流程管理，导致对文档 缺乏有效的版本管理，而造成不必要的重复设计，且信息更新传递速度慢，导致产品开 发周期长； 妨支撑技术不配套，在数据管理方面，不能有效管理图形、视频、语言等非结构数 据，无法实现过程管理、配置管理以及对应用工具的集成，因此难于缩短产品研发和生 产制造周期、降低成本、提高质量。 ( 2 ) 图纸工艺文档管理的问题 幻图纸工艺文档分发过程链很长，操作复杂，耗费时间长、效率低下( 如设计底图 完成，交档给档案中心，档案中心复制出蓝图再发放到技术中心三楼总资料室，总资料 室再发放到四楼资料室，四楼资料室最后发放到两个工艺室，工艺室才能够开始进行工 艺路线和备专照工艺的编制工作) ； m 过多的蓝图发放，成本增高，更改复杂，管理工作量增加，企业技术资料的安全 性降低； c ) 纸质文档共享程度低，版本无法控制，易损耗； 纸质文档信息无法集成，造成重复劳动增：0 1 1 ； e ) 查询检索不方便，人工翻阅效率低。 由于上述系列问题的存在，使得该企业的迸一步发展受到了很大程度的限制，如 何解次这些问题已是当务之急。该企业已经意识到，要想在激烈的市场竞争中站稳脚跟， 以最快的速度、最高的质量、最低的成本和最好的服务来赢得市场的竞争，只有实现信 息的有序管理再利用和快速准确地选择、匹配及设计出客户需求的钻机才能在未来的竞 争中保持领先的地位。 p d m 系统可将石油钻机整个设计开发过程中昀所有电子篷档和数据加以定义、组织 和管理，把所有与产品相关的信息和过程集成到一起，如c a x 文件、b o m 清单、产品配 置、工作流程等，且使这些产品数据在整个设计周期内保持一致，实现企业所有部门的数 据实时更新和共享，又可通过权限限制保证数据的安全，并为以后的e r p 系统提供准确 5 西安石油大学硕士学能论文 的产品数据。 本课题正是针对石油钴丰凡制造企监爵前所面临的这一系列问题褥进行的，结合该企 业现有的资源，设计开发出有针对性的p d m 系统，实现信息的有序管理和再利用。 l 。2 。2 研究内容 本文主要对石油钻机产品、石油钻机的设计及p d m 系统的构建与开发进行深入的研 究，具体研究内容包括： 1 分析和总结石油钻机制造企业在设计中所存在的问题，提出企业实施p d m 系统的 重要性，阐述课题的目的和意义。 2 对石油锚机产品进行分析，按照不同方式分类，构建石油钻机产品结构树。 3 。研究石漓钻机三维数字化设计的方法，利用专家经验和专家检查加快石油钻机的 配置和设计创新，提高石油钻机的配置效率。 4 分析用户对p d m 系统的功能需求，结合企业资源设计构建p d m 系统。 5 研究开发石油钴机设计的p d m 系统总体功箍，解决石油钻机制造企业在钻机设计 中存在的众多问题。 兰。3 创新点 1 通过分析石油钻机产品的特点，运用c a t i a 中知识工程的模块加速石油钻机的配 置，在p d m 系统中快速选择匹配_ 出符合要求的石油钻机。提高石油钻枫的配置效率，节 省时间和成本的支出。 2 在设计创新方面，利用规则和检查建立专家库和规则库。初级人员可以将自己设 计零件时的经验和专家丰富的经验结合起来，大大鸯爵快新产品的开发速度。 6 第二章基于k b e 石油钻机设计的p d i d 系统的构建 第二章基于k b e 石油钻机设计的p d m 系统的构建 2 1k b e 技术概述 知识工程( k n o w l e d g e - b a s e de n g i n e e r i n g ，k b e ) 是人工智能在知识信息处理方面 的发展，它主要研究如何运用计算机表示知识，进行问题的智能求解 9 】知识工程与c a d 技术的结合是先进制造技术发展的必然趋势，通过对知识型资源的重用，使设计者从设 计初期大量的重复性工作中解脱出来，使机械c a d 系统能利用计算机延伸以创造性思 维为核心的人类专家的设计能力，来尽可能地实现设计过程的自动化【l o 】【1 1 】 由于k b e 技术的开放性，迄今为止，尚无一种公认的、完备的k b e 定义【1 2 】： 英国大学的中心认为：k b e 是一种存储并处理与产品模型有关的知识，并基于产品 模型的计算机系统；是目前促进工程化、实用化产品开发的最值得注意的软件方法。 美国w a s h i n g t o n 大学机械工程系的d a l ee c a l i n s 教授认为：k b e 是一种设计方法学， 将与下一代c a d 技术紧密结合。使用启发式的设计规则，它将涵盖构件、装配和系统 的开发。k b e 系统存储产品模型，它包含了几何和非几何信息，以及描述产品如何设计、 分析和制造的工程准则。 美国f o r d 汽车公司的j a p e n o y e r 等人认为：k b e 运用知识完成工程任务，这些知 识是特意积累和存储的，并以计算机作为中介，通常是指使用一些计算机系统，如专家 系统、基于网络的知识。 英国c r a n f i e l d 大学的h u i h u a l i 博士认为：k b e 是一种特殊类型的基于知识的系统， 它专注于工程设计以及后续的制造、销售等活动。 世界著名的系统集成公司美国的e d s 公司认为：k b e 是获取智能对象或人造物( o n 零 件) 的生命周期内实质的方法，包括操作性、功能性和性能的要求，以及获取它的进一步 变化。e d s 更进一步指出，k b e 是可以记录和重用工程设计规则的系统，是可以记录和 重用工程公式的表单、选择和装配相关零件的系统。 k t i 公司认为：k b e 技术是利用人工智能和以技术结合，建立表示和处理知识的产品 模型，并通过推理机制来解决工程问题。k b e 技术基于产品本身和设计过程的信息来建 立工程模型，它表达了产品的整个设计过程、保存产品和设计过程的全部信息。 我国上海交通大学c a d 模具国家工程研究中心提出：k b e 是通过知识驱动和繁衍， 对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处理技术，是领域专家知识的继承、集成、 创新和管理，是c a x 技术与a i 技术的集成【1 3 】 总之，k b e 的内涵【1 4 j 可以简单概括为： ( 1 ) 以知识为处理对象，为那些需要专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段， 借用工程化的思想，对如何用人工智能的原理、方法、技术来设计、构造和维护知识型 系统的一门学科： 7 西安石油入学硕士学位论文 ( 2 ) k b e 是领域专家知识的继承、集成、创新和管理： ( 3 ) k b e 是c a d c a e c a m 技术与a i ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 技术的集成。 综上所述，k b e 的基本思想是在工程设计中重用已有知识和经验。丽这些知识和经 验以各种形式存在，如设计标准、设计经验和已有设计成果如零部件等。k b e 是领域专 家知识的继承、集成、仓l j 新和管理，是c a x ( 包括c a d 、c a m 、c a p p 、c a e ) 技术、 p d m 技术和a i ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 技术的集成阴。遴过与专家晌信息交流，对设计 领域知识、专家经验进行归纳总结，构建专业知识库，并通过知识库的管理和引用来实 现知识重用；自动地诱导产品设计人员进行产品的设计活动，如规划、造型和评价等， 从而使设计人员能具备专家设计水平。同时，设计入员在当前设计中获得相应的工程规 则，这些规则可以作为本次设计中积累的经验知识存放到知谈库中，供下次鲍开发和维 护时再利用，这样就实现了知识库的动态更新和扩充【l 5 。 知识工程应用的范围非常广泛，在工业领域中主要体现在航空、汽车、船舶等，使 用的软件平台也各有不同，主要有u g 、p r o e 、c a t i a 等，k 1 3 e 技术的优越性正曙益 得到体现。 2 。2 产品几何模型的知识驱动 在产品设计中应用k b e 技术，主要从知识获取、知识表示、知识推理以及知识应 用几个步骤来实现，图2 1 表示tk b e 技术在产品设计中一般的实现路线。 图2 1k b e 技术在产品设计中的一般实现路线 2 。2 1 知识获取 知识获取f 1 翻是珏e 系统的基础，它实际上是知识工程师与工程设计专家互逶知识 s 第二章基2 - k b e 石油钻机设计的p d m 系统的构建 信息的过程，通过与领域专家的交流，获得相关的设计知识与实践经验，主要包括： 关于设计过程的知识：即关于如何进行设计的知识，包括设计的一般原理和来自专家方 面的实践经验； 设计对象的知识：即设计对象的部件、结构、材料、用途等，还可以是一些典型产品的 结构原型和部件类型等： 用户方知识：即用户方对设计对象的要求和限制，包括企业标准、企业规范以及设计对 象的规格等。 2 2 2 知识表示 知识表示是知识驱动的c a d 系统设计中的关键步骤，是将知识描述成计算机能够 识别和处理的某种数据结构，u p o n 识的计算机符号化【l 7 1 。 实现知识的共享和重用，其中的关键和难点就是如何实现对知识的描述，以适合计 算机的识别和处理。常用的知识表达方法有一阶谓词逻辑表示法、产生式表示法、框架 表示法、语义网络表示法、过程表示法、面向对象表示法等l l 引。 由于知识表示恰当与否会影响到知识的有效存储和知识的运用效率，因此采用的表 示语言和表达方法，都必须满足表达充分、有效推理、易于理解和便于管理四个基本要 求。本文采用了c a t i a 知识工程语言v b e 语言来实现对知识的描述，并以产生式 表示法、面向对象表示法为主要表示方法来构建规则库。 2 2 3 知识推理 知识的推理【l9 】是按某种策略由己知判断推出另一判断的思维过程。一般来说，推理 都包括两种判断：一种是已知的判断，它包括己掌握的与求解问题有关的知识及关于问 题的己知事实；另一种是由已知判断推出的新判断，及推理的结论。知识的推理的基本 思想是：从用户提供的初始已知事实出发，在知识库中找出当前可适用的知识，构成可 适用知识集，然后按某种冲突消解策略从中选出一条知识进行推理，并将推出的新事实 加入到数据库中作为下一步推理的己知事实，然后再在知识库中选取可适用知识进行推 理，如此重复进行这一过程，直到求得所要求的解或者知识库中再无可适用的知识为止 在推理的过程中，系统要不断地用当前已知的事实与知识库中知识进行匹配，此时 可能发生以下几种情况： ( 1 ) 已知事实与知识库的任何知识都不能匹配； ( 2 ) 己知事实与知识库的一条知识匹配成功； ( 3 ) 己知事实与知识库的多条知识匹配成功； 对前两种情况，系统可以方便地得出问题的解或问题不能求解的结论。但是第三种 情况就要系统能得出用哪条知识进行推理，这就是推理的冲突。解决推理冲突的方法很 9 西安石油大学硕士学位论文 多，如按针对性排序、按已知事实的新鲜性排序、按匹配度排序和按上下文限制排序等。 知识推理1 2 键祝制主要实现两个任务，一是知识的运用，即从已掌握的与求解问题有 关的知识及有关的已知事实中推导避所需要的结论和知议；二是控制搜索过程，即确定 知识库中规则的扫描顺序，决定在每个控制信息下要触发的规则。知识推理的方法一般 可分为：正向推理( 又称数据驱动、前向链推理和囱底向上推理) 、反向推理( 又称目标 驱动、焉向链推理和自项向下推理) 和混合推理( 正向推理和反向推理相结合) 等方法。 在本文中采用弧向推理方法，其推理原理是：用户将求解问题的已知条件与知识库中存 储的知识或规则的前提条件进行匹配，若某条知识或规则匹配成功，则该知识或规则的 结论就是问题的结果。 2 2 4 知识应用 知识的应用就是各种知识和规则在产品设计中实现重用和共享的过程。在本文的产 品设计中，主要是基于v b 的环境下，利用c a t i a 犀面的知识工程的模块，在建立产品 数据库的基础之上进行参数化设计，基本框架如图2 。2 所示。 产菇每器枣 堂熊，鞯美聊 蕊磊讪尺掀髅 行圣莰诗蔫；湃 王 设计检 羲牟 塑鼍 酬塌圣 剥鬟 数 叫p v 叫弄 图2 2 参数化设计基本框架 这种基于产品知识的参数化设计把知识工程与参数化设计有机的地结合起来，它用 知识工程原理来组织产品的数据，表达成产品的知识库。用较完整的面向对象的高级语 言来描述特征，并在特征造型中使用参数化的同时，又利用结构化的高级语言参数化地 变动尺寸和特征。 利用c a t i a 中知识工程模块不仅可以随时调整产品的形状和尺寸，焉且可以随时调 整产品的结构和特征，同时实现尺寸驱动和特征驱动。另外，它还可以实时地监督设计 过程，检验设计是否符合要求，并提出适当的建议，与设计人员进行人机对话。通过学 习算法，设计人员可以不断丰富产晶的知识库，更有助于未来的设计。这样的参数化设 计极大的方便了产品的修正和改良，对缩短产品设计周期、节省产晶设计成本有着巨大 的实际意义，从而使产品设计变的更加灵活、高效、智能。拥有产品工艺库的产品数据 库，能进一步帮助和指导设计人员制定产品的工艺流程。 1 0 第二章基于k b e 石油钻机设计的p d m 系统的构建 2 3 产品设计知识库 2 3 1 知识库 产品设计知识库存储着产品设计时所需的各种知识和规则，主要由模板实例库、设 计规则库以及工程数据库等组成，如图2 3 所示： 图2 3 产品设计知识厍原理图 其中，模板实例库用于存放各种产品设计实例、模板设计文件以及控制结构等。 产品设计实例包括标准件库、组合件库、用户自定义特征库以及经典设计实例等； 模板设计文件可以是一个参数化设计模块模板，通过对模板的约束求解派生出所需的模 型实例，也可以是各种输出文件的模板文件，如工程图纸模板文件、e x c e l 模板文件等； 控制结构往往用于驱动设计结构中总体设计参数，通过几个设计变量来实现对产品设计 总体结构、尺寸的控制。 工程规则库用于存放各种支持产品设计的工程规则，包括设计规则库、布置规则库 以及约束校验库等。设计规则库主要包括产品构型规则、工程规则和几何造型规则【2 1 】 等，这些规则往往是些数学公式或条件语句，通过组合来确定产品的结构和几何参数进 而实现产品的几何造型；布置规则库用于设定产品的布置方式，如用户自定义特征的定 位等；约束校验库用来定义在产品参数化设计过程中变量的取值范围和函数间的约束关 系，对变量超出其限制范围或与其它变量取值冲突提出警告，此外函数间的相互制衡使 得在产品设计时能实现产品的优化设计。 工程数据库用于存储各种产品设计所需的工程数据，包括产品的设计参数库、零件 信息库以及产品标准和企业规范等。工程数据类型多样、结构关系复杂，因此必须根据 数据类型、数据结构的复杂程度以及用户需求等来确定各类工程数据的存储方式，如常 睡安石油大学硕士学侮论文 用o d b c 数据库来存储产品的设计参数，在很多企业中往往用e x c e l 电子表格实现对 各种零件信息的存储等。工程数据存储方式的多样性决定了在知识的调粥过程中也必须 定义相应的调用方式来实现知识的共享和重用。 2 3 。2 知识库管理系统 知识库管理系统是实现知识管理的工具，主要负责知识的查询、添加、删除、修改 等操作。由于知识库中知识的多样性，使得对知识的管理也各有不同，本文中知识瘴的 管理主要是对实例库和工程数据库的管理。实例麾的管理主要是对用户自定义特征 ( u d f ) 的管理，包括u d f 的添加、删除、修改和查看有关信息等功能：工程数据库 的管理根据数据类型的不同分为a c c e s s 数据库管瑷和e x c e l 电子表格数据管理，其中 a c c e s s 数据库管理可利用v b 的数据库管理功能和a c c e s s 本身功能实现添加、删除、 编辑和更新记录等操作，e x c e l 电子表格数据篱理则利用c a t i a 里面的知识工程顾问模 块专门来对e x c e l 表格的数据管理 2 4 产品几何无关知识的处理 通过利用c a t i a 里蕊的知识工程顾阀模块，实现了产品几何模型的知识驱动，但是 面向产品全生命周期的产品设计不仅要求记录几何信息，还应记录各种非几何知识以满 足产品全生命髑期各阶段对几何无关知识的需求。本文通过集成产品信息模型1 2 2 来实 现各种非凡何知识的提供。 2 4 1 集