面向锻件产品开发的知识建模方法及应用

余仁忠，余心宏

(西北工业大学材料学院，陕西 西安 710072)

0 前言

随着整个社会对知识的需求日益高涨和信息技术对知识的处理能力不断提高，现代制造系统越来越呈现基于知识系统的特征，作为机械制造业支柱之一的锻造行业这种情况更是突出［1］。

目前，锻件产品开发存在着如下问题:①锻件产品开发过程比较松散，缺乏专业的开发模式;②以前的开发过程中产生的专业数据缺乏有组织的、系统的管理，影响了对这些锻件开发知识的重用;③锻件产品开发侧重于经验设计和实验设计，难以突破经验局限［2-4］。因此，需要对锻件开发知识进行获取、表达、组织、共享、检索、运用及更新［5-7］，构建锻件产品开发平台，合理管理和重用已有的知识资源，重视知识创新，为设计人员能够快速获取和应用知识提供重要保证。

1 锻件产品开发知识建模

基于知识的锻件产品开发必须将知识重用和开发过程相结合，通过知识和开发各阶段的融合，使锻件产品开发在知识的指导下进行，尽量减少锻件新品的设计开发时间，提高开发的成功率。锻件产品开发包括锻件图的制订、锻造设备的选择、锻造工艺设计、锻件的制坯和锻模的设计等。设计人员根据锻件的外部形状、材料及其应用领域，确定锻件产品开发的批量、主要尺寸和一些性能参数。通过对基于知识的锻件产品开发流程分析可知，在锻件的不同开发阶段会使用到不同类型的知识，每个阶段应用相应的开发工具和知识完成阶段性的开发任务。因此，从锻件产品开发过程中涉及到的人员、工具和知识出发，可定义出3种典型锻件开发知识:领域知识、实例知识和设计历史知识，其具体知识框架如图1所示。

图1 锻件产品开发知识Fig.1 Development knowledge for forged pieces

1.1 领域知识库

锻造行业的领域知识复杂多样，包括:①标准、规范、手册、专利和文献等文档资料;②技术总结资料如试制报告、工艺指导文件、工艺说明书、通用工艺规程和故障分析报告等;③锻件材料冶金信息如材料基本信息、材料冶金方法、材料的化学成分、材料的锻造工艺特性和材料的热处理工艺特性等;④锻造工艺知识如工艺基础数据 (常用术语、特殊符号、工艺标准和工艺手册等)、工艺资源数据 (锻床、模具、加热炉和工装等)、模型数据 (产品零件、工艺、工序等)和决策知识;⑤质量问题处理报告 (包括综合质量问题处理报告和专项质量问题处理报告);⑥新工艺、新技术和新方法;⑦模拟分析数据如材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷情况等;⑧评价决策方法与模型。

锻件产品开发的领域知识具有形式多样性、面向对象性和整体确定性而局部不确定性的等特点，在组织、描述和管理锻件产品开发领域知识时可采用分层和分类的库模型。综合分析各类知识表达方法的特点，对锻件产品开发领域知识采用规则/框架综合表达方法来实现知识表达。其基本表达原则:表达领域知识时以框架表达为主体，将规则嵌入到框架中;而在系统执行时，框架和规则可以相互调用。

1.2 实例知识库

在设计制造过程中，实例知识作为创新设计的参考，对制造行业的发展起到了一个巨大的推动作用。在锻造生产过程中，实例知识主要包括锻件实例知识和锻造工艺实例知识，其中锻造工艺实例知识包括典型工艺、典型工序和典型工序参数等。图2为锻件开发实例知识框架图。

图2 锻件开发实例知识框架图Fig.2 Frame diagram of development case knowledge for forged pieces

由图2知，锻件实例知识和锻造工艺实例知识都是结构性知识，层次关系比较明确，因此需要选择能够体现层次关系的知识表达方法对实例知识进行管理和使用，而框架表达方法能够满足这个要求。框架表达方法适合表达具有层次结构和继承关系的实例知识，表达时以框架为主体，用槽值描述设计属性。实例的描述是一组框架按设计问题的分解关系形成的框架树，而框架中的每一个槽都具有特定的值，它们反映了设计实例的内容。实例的主要特征位于第一层，次要特征位于第二层，依次类推。

1.3 设计历史知识库

在系统的设计过程中发现:基于实例设计存在一些问题，如:①对参考实例了解不够深入，检索或索引出的实例不能正常重用;②对原设计理解不够而在解决新问题时重复犯错或不能正确修改;③参考已有实例时可能固化思维，缺乏寻求更佳方案的动力。但在参考设计实例时若同时考虑设计历史知识，将有效克服这些问题。

设计历史的概念最早起源于软件工程领域，可以定义为:围绕产品模型进化而展开的设计行为及其原因的信息集［9］。其一般包括:①设计意图 (what to do)，反映设计的功能需求、目标和约束，体现了设计活动内在的驱动和制约因素;②产品数据 (what we get)，反映满足设计目标和约束的最终和重要的阶段性设计结果;③决策历史，即设计原理 (why we choose)，反映产品设计中有关设计决策和备选方案及其推理和评价过程的描述;④设计步骤 (how we get)，主要指设计者对模型进行操作的信息交换序列，强调记录影响产品具体数据的“设计轨迹”，以便进行设计的回溯和重现。

设计历史知识是实例知识的有力补充，也属于结构性知识，所以采用框架表达方法来进行表达设计历史知识。

2 新品开发平台的系统集成

本文针对锻件产品开发知识的特点，以规则/框架综合知识表达方法为基础，采用面向对象方法将领域知识、实例知识和设计历史知识集成为一体，提出了锻件产品开发知识集成表示模型，如图3。

为了保证开发出的系统保持先进性，对锻件产品开发系统的开发平台和关键通信技术方面作了认真选择，旨在发挥数据库技术与网路技术结合带来的优势。根据上述锻件产品开发知识的建模方法，在Windows环境下，基于ASP．NET开发平台和关系型数据库ORACLE，使用面向对象开发语言C#开发了基于WEB的锻件产品开发系统，如图4所示。

锻件产品开发系统采用B/S模式的三层结构，包括应用层、网络服务层和数据库层。从系统门户网站登录，通过调用网络服务的各种命令完成文档和数据等知识的维护 (如知识定义、分类、录入、修改、删除和校验)，知识处理完后采用统一的数据库连接方式 (如ODBC/ADO等)把网络服务模块和数据库管理系统 (如ORACLE或SQL SERVER)连接起来，再把知识分类存储到各类知识库中。当要使用锻件开发知识时，通过系统的检索界面输入关键字从目标知识库中提取目标知识或符合相似度的知识，再经过ODBC或ADO接口把检索到的知识调出到网络服务模块，并在系统的知识检索界面网页上按相似度大小排序呈现供设计人员参考，从而完成知识的使用过程如支持产品设计或编制锻造工艺等。

应用结果表明，整个设计过程实现了知识与开发流程之间、各种软件工具之间的紧密集成。每个设计阶段通过调用知识库中的知识可以有效的支持锻件新品开发，改变了传统的以“经验设计”为主的设计方法，实现了向创新设计和预定目标设计的转变，进一步提高了锻件产品开发的水平和效率。

3 结论

通过对锻件产品开发过程的分析，提出了面向锻件产品开发的知识建模方法。将锻件产品开发知识划分为领域知识、实例知识和设计原理知识。利用规则/框架结合的知识表达方法对领域知识进行组织表示，通过框架表达方法对实例知识进行表示并使用CBR的方法实现对实例知识的检索访问，采用框架表达方法对设计历史知识进行表示。实际应用表明，本文的知识划分及其建模方法可以有效表示锻件产品开发知识并方便实现集成，提高了锻件产品开发的设计水平和效率。

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［7］ Gailly F，Laurier W，Poels G．Positioning and formalizing the REA enterprise ontology［J］．Journal of Information Systems，2008，22(2):219 －248．

［8］ 姜跃，朱光菊，朱林立，姜懿庭．基于模糊逻辑的产生式－框架的知识表示及推理的研究［J］．云南大学学报 (自然科学版)，2007，29(S2):171－174．

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［10］ 李玉林，王岩．ASP．NET 2．0网络编程从入门到精通［M］．清华大学出版社，2006，9(1)．