航天复合材料知识管理系统应用实践

/航天材料及工艺研究所

复合材料具有高比强度、高比刚度、性能可设计、结构功能一体化、易于实现结构整体化和大型化等优点，已成为高性能武器装备不可或缺的基础。但由于复合材料成型工艺相对复杂，存在研制周期长、成本高、质量一致性差等因素，又限制了它的广泛应用。因此，要改进复合材料制造工艺，通过应用信息化、数字化等先进技术，提高工艺设计水平和产品制造的自动化，以便有效缩短复合材料制造周期，提高产品质量一致性并降低制造成本。

目前，航天材料及工艺研究所复合材料构件的研制在一定程度上仍依赖于工艺技术人员的经验及以往成功的研制方案，但这些经验和成功方案并没有实现共享。因此，研究所决定应用信息化手段构建具有航天特色的复合材料知识管理系统，将研制过程中需要用到的经验、规定、原则和实例等用知识表示出来，并通过加速“数据—信息—知识”这一提取过程为研究所的材料研发人员、工艺技术人员及技术管理人员的工作和决策提供交互与共享的工作环境，以提升工艺设计可靠性和设计效率，同时也为发展智能制造奠定基础。

一、知识管理系统总体解决方案

1.需求分析

目前，航天复合材料研制的特点及存在的主要问题包括以下几个方面：一是复合材料产品研制工艺方案的制定是一个复杂过程，受设计技术条件以及工装、设备、人员经验、操作习惯的影响，且传统的工艺设计工作量大、重复劳动多、差错率高。二是复合材料构件新产品制造过程中大量应用“试错法”，需要开展大量的试验验证工作，费用高且周期长。三是复合材料构件成型与材料成型一次完成，其结构尺寸是否到位、内部缺陷量及其分布都与工艺技术有关。四是在新产品研制过程中，复杂构件试制工作量大，初次研制费用高且周期长。

针对这些问题，根据复合材料产品制造工艺流程及制造特点构建具有航天特色的知识管理系统，旨在为工艺技术人员提供一定类似度的产品研制技术参数，提升新产品工艺方案设计效率和设计水平。

知识管理系统以产品研制过程的需求为导向，基于材料研发人员和工艺人员为知识源的数据库，能够实现知识的整合、存储、共享和应用，通过知识规则、数据导入、文档管理、搜索引擎、知识仓库和专家系统等技术工具，以便使显性知识和隐性知识得到相互转化。

2.系统设计

复合材料知识管理系统采用程序设计语言JAVA及数据库技术Oracle 10g进行开发，采用C/S架构，系统功能组成如图1所示。

3.系统方案实现

复合材料知识管理系统由知识维护、知识使用和推理机制造三大部分组成。运维工程师从材料基础平台、工艺设计平台获得显性知识，利用维护工具构建知识库并负责维护知识库。

图1 结构复合材料知识管理系统功能组成

当各类知识被充分挖掘出来并加以利用时，知识管理系统就需要提供面向用户的知识管理平台，工艺技术人员在知识管理平台中利用系统界面指导工艺设计工作，用户界面则屏蔽系统内部的推理机和底层数据库。

信息输入。该模块主要解决与复合材料构件相关的材料数据、工艺知识数据等的知识管理平台输入问题。通过对材料数据库、工艺设计平台的集成，应用软件信息接口技术将相关数据（如材料力学性能、工艺参数等）传输到知识管理系统，信息输入模块能够接收用户的即时输入。

对于材料或工艺知识数据，数据格式可能不是统一规范，因此信息输入模块需要对输入的数据进行标准化，并采用一定的手段将它们转化为知识管理系统所能识别的标准格式数据。

信息输出。该模块负责将知识管理系统的方案建议、参数选择等提交给用户。

推理机。该模块的主要功能是实现知识管理系统的核心推理功能。其将信息输入模块中获得的相关设计的初始信息与知识库中的规则进行匹配和推理，从而得到对设计对象的方案建议、参数建议等，并传送给信息输出模块。整个推理机制可以分为基于规则的推理和基于实例的推理2个部分。

二、知识管理系统应用实践

1.材料管理和材料选择

材料管理主要是完成研究所在用及在研的复合材料数据管理，其思路是以工艺信息为纽带，连接材料应用的源头和末端，如图2所示。

通过树形管理分门别类地将各类材料放置在树形结构上，使用人员能够在不同层次中找到所需的材料名称。通过名称关联到材料的基础信息，包括基本参数、性能指标等，性能指标可以来源于手册、标准或测试。来源于手册、标准的，可以直接查到主编、出版商等，如果有原文还可以打开进行浏览；来源于测试的，可以关联到试验信息管理模块，从中找到试验结果的原始数据、处理方法等，同时可以获知试验条件、试样状况、试验设备等具体信息。

图2 材料管理数据传递关系

复合材料选择需要考虑多个因素，主要是设计人员依据型号产品对使用环境、载荷工况、重量、成本等的不同要求综合权衡、择优选用，选材决策树如图3所示。

图3 复合材料材料选择流程

2.工艺知识管理

复合材料工艺过程复杂、工艺数据多，主要包括复合材料成型过程中的材料数据、铺层数据、固化工艺参数、机加装配工艺参数等，用单一的知识表达形式处理大量的工艺信息是很困难的。因此，在系统中采用基于特征的工艺实例来组织知识模型，复合材料构件按照不同的特征划分成不同的典型构件类型，以便加快检索时的速度。系统将复合材料构件特征一级分类分为非回转体类和回转体类，非回转体类再继续划分为壳体类、壁板类（如井字形梁、工字形梁，L形等），回转类分为锥形和圆柱形等。

3.模具管理

模具是复合材料构件制造的主要工艺装备，复合材料需要在模具型面上完成铺叠、固化，从而得到复合材料构件的形状、结构关系、控制外缘和表面精度，所以模具的设计与制造直接影响复合材料构件的产品质量。模具管理模块集成复合材料模具知识系统，并读取系统中模具的参数信息，一般包括模具的型腔尺寸、型腔形状、开孔位置、监测孔位置、排气孔位置和数量等。

4.论文、专利管理

学术交流中下设学术研讨会、技术论坛、项目汇报、互动交流4个二级目录。学术研讨会为研究人员提供一个发起线上或线下开展学术研讨的平台；技术论坛允许用户在论坛中发帖，并针对某项技术展开深入的讨论；项目汇报为研究人员提供一个展示近期项目成果的平台；互动交流允许用户在平台上进行沟通和交流。

在“专利管理”界面中，主要提供用户上传专利信息。用户输入专利名称、专利发明人以及申请号/授权号，或通过输入关键字搜索已有专利。

航天材料及工艺研究所通过知识管理系统的应用，为本单位工艺技术人员提供所需的工艺知识及案例，这从一定程度上提升了新材料、新产品研发的起点和质量，并将人员从简单、琐碎、重复的工作中释放出来，从而提高产品工艺设计可靠性和设计效率，提升产品的质量稳定性，降低科研生产成本，缩短产品研制周期，进而更好地适应多品种、小批量快速生产。