基于知识图谱的飞机制造工艺路线推荐方法研究

郭兴勇，盛国红，舒銮理，常芬芬

（航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都 610092）

0 引言

飞机制造过程中，工艺流程规划是沟通设计数据与制造数据的桥梁[1]，所产生的工艺路线直接影响飞机研制周期和质量。随着飞机设计过程以MBD（Model Based Definition，基于模型定义）技术输出三维实体模型，实现了在CAD三维实体模型中完整表达出产品设计信息，三维实体模型已成为当代飞机生产制造过程的唯一依据[2]。在飞机研制以二维图纸作为唯一依据时，工艺人员需要通过解读二维图纸来提取设计信息，主要依据个人经验判断产品工艺路线，实现工艺流程规划，存在工艺流程规划效率低，工艺路线质量参差不齐，响应不及时等问题。

在面对新型飞机研制需求时，敏捷制造已成为飞机制造企业的核心竞争力之一。要实现对生产需求和设计更改的快速响应，使企业具备敏捷制造能力[3]，重点是要提升制造数据源头的工艺流程规划能力。本文通过分类和提取历代飞机制造工艺流程规划经验知识，分析工艺路线更改和优化过程的影响因素，构建飞机制造工艺流程规划的知识图谱，建立基于知识图谱的工艺路线推荐方法，快速读取和分解基于MBD的设计数据，依据推荐方法获取最优工艺路线，构建标准化的制造数据，提高飞机研制质量及效率，提升飞机制造企业的敏捷竞争力。

1 飞机制造工艺流程规划知识的分类与提取

1.1 工艺流程规划现状

飞机设计数据主要有产品装配结构、零组件组成关系、零组件材料与几何尺寸、设计制造要求，通过设计物料清单（EBOM）来反映产品属性和零组件间设计关系与要求[4]。飞机制造企业使用计划物料清单（PBOM）组织科研生产，通过工艺流程规划实现对EBOM的处理，形成飞机制造所需的部分设计属性信息，以及工艺组合件和零组件工艺路线等工艺信息，发布反映生产交付顺序、单装数量等信息的物料清单。

在当代飞机研制过程中，飞机制造企业尝试使用制造物料清单（MBOM）组织科研生产，构建EBOM—PBOM—MBOM工艺流程规划，如图1所示。

图1 EBOM—PBOM—MBOM工艺流程规划

从二代机、二代半到三代机的研制批产，设计数据都是以二维图纸为唯一依据，导致工艺流程规划一直沿用历史经验，未进行较大变动。工艺流程规划依据规范未统一，工艺路线效率及质量受工艺人员能力水平影响较大。专业厂在不同时期的生产需求与能力有所不同，导致工艺路线数据更改频繁，数据状态跟踪困难，维护工作量较大。

随着飞机的革新换代，飞机制造行业逐渐进入数字化、信息化进程，企业对制造数据与设计数据的依存性和关联性逐步加强[5]，新研机型以三维实体模型为制造依据，研制周期大幅缩短，工艺人员的工作经验和能力水平不足以应对当前局势，亟需通过计算机辅助获取产品工艺路线推荐，以提高工艺流程规划的效率和质量。

1.2 工艺流程规划知识资源的分类

飞机制造过程工艺流程规划知识的来源主要以技术要求、规范标准、协调要求为主，其数据存储为纸质文档、电子文档、图片、邮件等多种形式。按照资源数据的存储和管理方式可以将工艺流程规划知识资源划分为结构化数据、半结构化数据和非结构化数据（表1）。

表1 飞机制造工艺流程规划知识的来源

1.3 工艺流程规划知识资源的归纳

将工艺流程规划知识资源定义为PKR（Process Planning Knowledge Resources），通过对多源异构的工艺流程规划知识资源分析、归纳、分类与总结，形成支撑飞机制造工艺流程规划的数据库[6]。可将PKR归纳为工艺流程规划对象类、工艺类、管理类和经验类，可记为：=，其中，O表示工艺流程规划对象类知识资源，P表示工艺流程规划工艺类知识资源，M表示工艺流程规划管理类知识资源，E表示工艺流程规划经验类知识资源，如表2所示。PKR的丰富可以为飞机制造工艺流程规划知识实体、属性、关系抽取等提供较为全面的底层数据支持，也可以构成飞机制造工艺流程规划知识体系。

表2 飞机制造工艺流程规划知识资源归纳

2 基于知识图谱的飞机制造工艺路线推荐方法研究

飞机制造过程的工艺路线往往是多层次、多因素共同作用的结果，仅依靠企业制定的企业标准难以全面准确地完成工艺流程设计。通过应用知识图谱的关键技术，充分发挥其构建知识网络与展现知识的巨大优势[7]，为飞机制造过程中复杂的工艺路线知识资源提供一种新的分类、归纳、提取、存储、组织、管理、更新和应用的手段。基于知识图谱的飞机制造工艺路线推荐方法可理解为将设计发布的三维实体数模解析为标准的数据集，知识推荐方法依据知识数据库自动推荐最合适的工艺路线，辅助工艺人员高效优质地完成产品的工艺流程规划。

2.1 工艺流程规划知识图谱的构建

飞机制造工艺流程规划知识图谱的构建过程主要包含知识提取、知识图谱结构搭建、知识沉淀融合、知识推荐表达等4个方面，如图2所示。

图2 知识图谱构建与推荐流程

知识提取过程将获取到的飞机制造工艺流程规划知识资源进行识别、分类和归纳提取，以支持模式层构建和数据层内容填充。通过构建基本模式层和拓展模式层实现模式层的融合互通，提高知识图谱构建的完整性和准确性，最终形成以模式层融合为核心[8]，产品工艺路线实例为知识载体的工艺路线推荐方法。

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2.2 工艺流程规划知识的分层提取

工艺流程规划知识的分层提取主要是对收集的多源异构资源进行分类、归纳，按设定的知识规则提取输出的知识实体集合或关系集合。通过梳理飞机制造工艺流程规划过程，理清活动节点和审签流程，解析影响工艺路线的多项外部因素，抽取工艺流程规划的历代经验知识，进而编制标准化的作业表单，优化工艺路线分工流程，制定工艺流程规划原则。

2.2.1 基于PDM的知识编码

飞机制造企业通过应用PDM（Product Data Management，产品数据管理）系统有机结合EBOM—PBOM—MBOM的产品数据转换，实现对产品从设计信息到生产信息、制造信息的高效集成管理[9]。PDM系统的部署要求成系统的技术要求和管理规范，而工艺流程规划作为整个飞机制造数据的源头，制定相应的编码规则，能够有效提高工艺流程规划的标准化水平，强化工艺数据管理效率。

资源数据中对企业各专业厂指定由3位数组成的代码，使工艺路线数据标准化、简洁化，有效缩小制造数据管理维护规模。

2.2.2 基于MBD的数据模型

随着飞机设计过程MBD技术的应用，实现了在三维实体模型中完整表达出产品设计信息，如产品结构特征、尺寸、公差、特殊过程等设计数据。

产品的设计三维实体模型通过PDM系统发布后，工艺人员即可开始该产品的工艺流程规划，构建产品的设计数据模型，如图3所示。利用CATIA软件可快速导出包含产品信息、原材料信息、设计要求、附件信息等数据的物料清单，为工艺人员提供准确可靠的产品设计信息。

图3 基于MBD的设计数据模型

2.3 基于知识图谱的工艺路线推荐

2.3.1 基础规则函数

根据飞机制造工艺流程规划知识，将归纳总结得到的工艺路线分工规则转换为函数，实现对飞机制造工艺路线的推荐算法。

表3是根据工艺流程规划分离面确定的设计关系、制造关系、装配关系、界面关系，通过提取经验数据为函数匹配不同的权重，确定工艺流程规划的推荐算法函数：

表3 飞机制造工艺路线分工规则表

式中，x是零组件、成品、标准件等对象的制造装配顺序，α（x1）、β（x2）、γ（x3）、δ（x4）分别为不同工艺路线分工趋势时的对应函数。

2.3.2 工艺组合规则

飞机制造过程中，因部分产品对制造工艺有特殊要求，使得这类组件不能完全按照设计图纸要求交付下游单位，工艺人员依据工艺组合规则重新制定新组件，即是工艺组合件。工艺组合件与零组件的工艺路线分工等生产信息一起构成PBOM、MBOM数据，关系如图4所示，工艺组合件建立的正确性，直接影响到飞机制造过程零组件流转效率。

图4 工艺组合件与零组件工艺路线关系

编制工艺组合件时，工艺人员筛选出不能满足制造工艺要求的组件，利用PDM系统在PBOM数据中对EBOM产品结构进行修改，将其所属件作增加或删减等改变，重新定义零组件结构关系，形成工艺组合件。

2.4 实例分析

在某型飞机研制过程中，设计图纸为基于MBD的三维实体模型，选取左平尾作为基于知识图谱的飞机制造工艺路线推荐方法的实例应用。通过CATIA软件实现对三维实体模型设计数据的提取，将设计数据导入到基于知识图谱的工艺路线推荐函数中，迭代更新制造单位生产资源、零组件工艺技术能力及生产周期等参数，得到工艺路线推荐分工数据，形成16项零组件及4项工艺组合件工艺路线数据（表4）。

表4 左平尾工艺路线推荐示例

同时，右平尾工艺流程规划仍沿用以往方法，耗时21 h。通过应用基于知识图谱的飞机制造工艺路线推荐方法，左平尾工艺流程规划周期降低至7 h，作业效率提升66.67%，工艺路线正确率达到97.4%，提高了飞机制造工艺流程规划效率及质量，缩短了飞机研制周期。

3 结论

现代飞机研制要求飞机制造企业具有快速研制、小批量多品种、敏捷制造等能力，对工艺水平具有极高的要求。通过研究基于知识图谱的飞机制造工艺路线推荐方法，构建工艺流程规划知识图谱，结合多种数据应用软件实现对飞机设计图纸的数据提取和分解，提高了工艺流程规划的效率和质量，有效解决了工艺路线作为链接设计资源与生产资源的瓶颈问题，缩短了飞机制造周期，提升了飞机制造企业的敏捷竞争力。