基于工艺过程的工艺知识建模方法研究

企业管理与信息化 张永利 王庆文郭明哲基于工艺过程的工艺知识建模方法研究 1 基于工艺过程的工艺知识建模方法研究 张永利 王庆文 郭明哲 北京航空航天大学 机械工程及 自动化学院 北京 1 0 0 1 9 1 摘要 对工艺经验知识进行 了分析 从 宏观 角度 出发 以工艺过程树状 结构 为基础建立 了工艺知 识的层次结构模型 从微观 角度 出发 以四元组结构为基础 采用 自然语言和 多媒体的方式建立 了工艺知识的知识元结构模型 最后给 出了应用实例 实例分析研究表明 该建模方法是有效 的 关键词 知识表达 工艺过程 知识层次结构 知识元表达 中图分类号 T P 1 8 2 T P 3 9 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 6 1 6 2 0 1 0 0 9 0 0 0 1 0 4 知识管理就是对企业信息资产进行标识 获 取 评价 调用与共享 的提升方法 和集 成方法f 1 J 为了实现知识的管理 需要有合理的知识建模技 术 基于框架 规则 模型 本体等多种知识建模技 术是在人工智能和知识 工程等领域发展起来 的 2 2 文献 3 针对不同的知识 采用事实 规则 和过程 3 种方法表示知识 文献 4 提出了基于本 体的知识建模方法 文献 5 研究 了基于知识载体 内容和使用情境的建模技术 文献 6 提出了基于 元模型的知识建模框架 这些技术适合表达结构 化知识 或者将非结构化知识转化为结构化知识来 实现知识的表达 对于经验知识这样难以转化的数 据则不适用 本文在分析经验知识特点的基础上 提出了一 种基于工艺过程的知识层次建模方法及以 自然语 言和多媒体方式描述最小知识粒度 的方法 最后 讨论 了该方法在某航空企业 中的应用 1 围绕工艺过程的工艺知识分析 生产过程是 由原材料制成各种零件并装配成 产品的全过程 工艺过程作为生产过程 的核心组 成部分 是指在生产过程中直接改变生产对象的形 状 尺寸 表面质量 性质及相对位置等 使其成为 成品或半成品的过程 本文研究的工艺知识 是指支持工艺过程中生 产活动的各种经验知识的集合 图 1 所示是工艺过 程中生产活动与工艺知识的关系 根据知识产生和 应用的领域的不同 将工艺过程分为 2个阶段 一是 生产准备阶段 包括生产资料准备 工艺设计过程和 制定工艺规范等 主要涉及工艺安排 设备选择等与 设计相关 的经验知识 二是加工阶段 包括 毛坯生 产 切削加工 装配等直接改变生产对象 的活动 主 要涉及加工技巧 生产反馈等经验知识 整个工艺 过程伴随着工艺知识的产生和应用 知识的输入与 工艺过程各个活动结合形成最终的产品 图 1 生产活动与 工艺知识 2 工艺知识建模 工艺知识建模 既包括单一 的知识表达模型 也包括知识的结构模型 前者从微观角度分析知 识的信息构成 后者则是从宏观的角度分析知识的 组织结构 以便于知识的组织和管理 2 1 工艺知识的层次结构建模 工艺过程 中的生产活动及其相互间的关系是 工艺知识的来源 因此工艺知识的层次建模要面向 收稿 日期 2 0 1 0 0 1 一l 1 作者简介 l 张永利 1 9 8 3一 男 天津人 北京航空航天大学硕士研究生 主要研究方向为 C AD C AM 和工艺知识管理 2 2 0 1 0年 5月 中国制造业信息化第 3 9卷第 9期 工艺过程 工艺知识依 附在生产活动上且独立存 在 知识之间是一种树状分类关系 而工艺过程作 为工艺知识的载体 本身就是一种树状结构 因此 以该结构作为工艺知识的层次建模 不论是生产准 备阶段还是加工阶段产生的工艺知识都可以覆盖 本文依据工艺过程的树状结构 将工艺知识划 分为若干工艺知识子集 而知识子集又是由一定数 量 相互区别 的知识元组成 的集合 体 建立 的工艺 知识的层次结构模型如图 2所示 将工艺知识分 为工艺层知识 工序层知识和工步层知识子集 工 艺层知识表示总体信息 由零件结构特点 加工方 案等知识子集构成 工序层知识是与工序相关的知 识集合 由机床 夹具等知识子集构成 工步层知识 是与工步相关 的知识集合 由刀具 量具 切削用量 等知识子集构成 而这些知识子集又可根据知识 来源的不同继续划分为原理型知识 经验型知识和 文献型知识 原理型知识是来源于书本 工艺规程 等的具有指导性的知识 经验型知识是员工在生产 加工实践中积累的设计经验 加工技巧等知识 文 献型知识是来源于文献资料的有关工艺知识 知 识子集由知识元构成 知识元是能够被标记 存储 使用和管理的最小知识个体 零件的结构特点 零件的加 l 方案 加工 反馈 图 2知 识 层 次结 构 模 型 通过对工艺知识的逐级细化 从总体到局部 检索技术的数据特征模型 建立了知识元索引模 从生产准备到生产加工 覆盖了各类工艺知识 同 型 如图3 所示 时该模型起到了很好的组织管理作用 基 本 属 性厂 面 2 2 工艺知识元 结构建模 一 通过工艺知识的层次建模 把工艺知识划分为 语 义 L 二 兰 j 有限的种类 这样才能对工艺知识进行分门 别类的 底 层 特 征l 零 件 分 类 码 l 结 构 特 征 码 工 特 性 酬 具体表达 对具体工艺知识内容的表达就需要我 广 1 们从微观角度分析 构建知识元的结构模型 L J 针对工艺经验知识主要存在于人脑 中 不易显 图3 知识元索引模型 性化和表现形式多样 的特点 本文提出的知识表达 模型 自顶 向下分为 4个层次 即基本属性 语 理念是 自然语言描述 多种媒体形式表现 目标是 义特征 底层特征 数据 基本属性和语义特征是 实现知识表达的简单化和统一化 方便知识获取和 基于知识外部特征的标引 基本属性是工艺知识的 检索 于是针对知识内容和知识索引建模 构建由 编号 名称 提供者和时间等属性 语义特征即常用 知识索引和知识体组成的知识元结构 的关键词检索 通过简单的字符语义匹配来提供检 2 2 1 知识索引建模 索 底层特征是以内容为主的标引方法 从知识的 知识索引是从不同层面和不 同角度对知识进 内容特征 零件分类信息 零件结构特征 知识特性 行信息的提取 本文针对知识的特性 借鉴多媒体 信息 中提取信息作为索引信息 一 一一 一一 一 一 一 一 II一 一一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 一 一 企业管理与信息化 张永利王庆文郭明哲基于工艺过程的工艺知识建模方法研究 3 知识索引模型 从知识的外在特征和内部特征 2个角度对知识进行标记 比较 准确地抽取 了知识 的特征 便于知识的检索 2 2 2 知识体建模 知识体是知识元模型的核心 是知识内容的具 体体现 本文从知识本身的内在含义角度考虑 借 鉴了文献 7 的思想 从解决问题 知识内容 应用 背景和实际案例 4个方面构建 了知识体表达模型 用四元组 KB表示为 KB K P KI K E KC 其中 K B为知识体 K P为解决 问题 即对 知识解 工艺 知识 知 识 索引 决的具体问题 的描述 KI 为知识 内容 即对知识 内 容的描述 并采用 自然语言和多种麒 体形式 K E 为应用背景 即知识应用的具体背景 是知识德以 重用的基 础之一 KC为实 际案例 即知识产生 的 实际案例 是知识共享和重用的重要基础 KP和 KI 从问题和解决方案角度出发 是知 识的重用部分 KE和 KC从过程出发 反映了知识 的情境 为知识的共享和重用提供了依据 结合知识索引和知识体模型 本文给出了工艺 知识元的结构模型 如 图 4所示 知 识 体 表 达 模 型 以知 识 拥 有 者熟 悉 的方 知识编号 名称 提供者等 关 键 词 零件分类码 I 结构特征码 l 加 I 特性码 器 强 聋 KI 釜 蚕 磐 KC 表现形式 表现形式 表现形式 语 奇描述 l 附件 I l I 土 土 土 文 图 视 档 片 频 谢 亩描述 I 附件 I I I 土 土 土 文 阁 视 档 片 频 语 言描述 l 附件 I l I 土 主 土 文 窿 视 档 频 一 表现形式 语 言捕述 I 附 牛 I I I 土 主 土 文 图 视 档 片 频 图 4工 艺知识元结构模型 式 自然语言和多媒体来实现对知识的表达 方 根据原生态知识 的内在和外在特征 分别提取 便了知识 的获取 而知识索引的建立 也 容易实现 基本属性 语义和底层特征信息 构成知识的索引 知识的检索 同时将知识内容转化为四元组结构 划分为 K P 3 应用 实例 将上述工艺知识建模方法应用于某航空企业 构建工艺知识的层次结构 如前面图 2所示 根据 自顶 向下逐步细化的原则 将工艺知识分为 4层 每一层包含若干知识子集 每一知识子集由一定数 量的知识元构成 零件 的加工方案 知识子集是加工方案相关 的知识元 的集合 本文以铝合金框类零件的加工方 案为例 说明知识元表达模型的实际应用情况 该 知识实例包含文字和图片等表现形式 它经过人 的 抽象和总结 存在于纸质文件或者 电子文档 中 本 文称之为原生态知识 KI K E和 KC 4个模块 每个模块用 自然语 言表达 核心内容 图片 文件等多媒体 以附件的形式存在 构建的铝合金框类零件的加工方案表达模型如图 5所 示 四元组结构从知识的问题 内容和情境等角度 全面完整地描述 了知识 方便地实现了从原生态知 识到知识元结构 的转化 有利于知识的获取 其中 知识情境的提出 为知识的共享和重用提供了重要 基础 基于工艺过程 的工艺知识组织结构 覆盖产 品全生命周期的工艺知识 实现知识的有效组织管 理 而采用多媒体检索技术建立的工艺知识索引 解决了自 然语言和多媒体表达引起的检索难题 提 高了知识检索的准确率 最 嚣 一 一 刊 4 2 0 1 0 年 5 月 中国制造业信息化第 3 9 卷第 9 期 4 结束语 本文通过对基于工艺过程的工艺知识的分析 基本属性 语义特征 r 底 层 特 征 KP 解决问题 内容 描述典型框类零件的 加一 方案 为工艺设 计提供依据 针对工艺经验知识的特点 以工艺过程为知识载体 和组织结构 从宏观和微观的角度出发 建立了工艺 知识名称 提供者 时闻等 铝会盒 框类 加 工 方案 航空零件f 铝合垒件I框类l 条憾板I凸台IT 型槽 生产批鬃l 设备条件 问题l 知淡内容 索 铝台鑫框类零件加 I 方案 K I 知识内容 内容 1 粗精加 I 分开 粗加j 实现单 位时间最大材料去除率 同时保 证精加 I 时有足够的冈 性 可定 位性和可装爽性 租加工翻量一 般为4 6 I l l n l 精加工实现高质量 加工表面 船1 二 精度和细节结构 2 睡件加 或套料加 I 一般采 用单件 加一 I 模式 附件 分类编 码 特 征编 码 特性编码 K E 应用活动 I K C 实际案例 内容 I I 内容 锻合金框类零件 加 I 附件 单面糕典型加工l 艺 铣方一糨加 l 一 一铣腹板 一 标印一成品检验 图5 铝合金框类零件的加工方案表达模型 知识的层次化结构模型和知识元结构表达模型 知 识层次结构模型分析 了工艺知识之间关系 以工艺 过程树状模型为基础 构建了工艺知识 的组织管理 结构 知识元表达模型采用自然语言和多媒体的方 式 建立了四元组结构 完整地描述 了知识的内容和 情境 利于知识的共享和重用 通过在某航空企业 中的具体应用表明 该建模方法是有效的 对推进制 造企业工艺知识管理具有一定的现实意义 参考文献 1 蒋祖华 苏海 工程设计类知识管理技术研究 J 计算机 集成制造系统 2 0 0 4 1 0 8 1 2 2 5 1 2 3 1 铝合金框类零件单 面框典型加 1 1 1 岂 2 D E V E I CV A s a v e y d r r c ml d m 蹦 t e c h n iq u e s l J J S y s t e m s w i t h A p p l i c a ti o n 1 9 9 9 1 7 4 2 7 5 2 9 4 3 张虹 周来水 飞机复合材料构件工装设计知识库研究与 实现 J 中国制造业信息化 2 0 0 7 3 6 5 1 6 1 9 4 王强 薛善良 高长伟 等 基于本体的船舶传动装置设计 知识建模研究 J 中国制造业信息化 2 0 0 9 3 8 6 1 8 2 1 5 潘旭伟 顾新建 仇元福 等 面向知识管理的知识建模技术 J 计算机集成制造系统 2 0 0 3 7 5 1 7 5 2 1 6 林慧萍 范玉顺 黄琛 产品设计中基于元模型的知识管理 J 计算机集成制造系统 2 0 0 7 7 6 6 3 6 6 7 7 R o s i n a We b e r S i d G u n a wa r d e n a G e o r g e A b r a h a m Re p r e s e n t i n g a n d r e t r i e v in g k n o wl e d g e a r t i f a c t s A 7 t h I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e nc e o n P r a c t i c a l As p e c t s o f Kn o wle d g e Ma na g e me n t C B e r l i n He i d e l b e r g S p r in g e r V e r l a g 2 0 0 8 1 1 l e Kn o wl e d g e M o d e l i n g Me t h od o f Te c h n o l o g i c a l Pr o c e s s Z HA NG Yo n g l i WANG Qi n g w e n GU 0 Mi n g z h e B e r i n g Un i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e r e p r e s e n t a t i o n a n d s h a r e o f t h e e x p e r i e n c e i n p r o c e s s i t p r o p o s e s t h e mo d e l i n g me t h od f o r p r oce s s k n o wl e d g e F r o m ma c r o v i e wp o i n t i t a n a l y z e s t