基于知识的复杂产品网络化制造

时间：2022-10-01 百科知识版权反馈

【摘要】：自20世纪90年代美国和部分欧洲国家提出网络化制造、敏捷制造等概念以来，国内外学术和工业界对其应用策略和关键技术进行了大量研究。1991年美国里海大学发表了“21世纪制造业发展战略”报告，提出了“敏捷制造”和“虚拟企业”的概念，具有划时代的意义。之后，1995年美国国防部和自然科学基金学会资助10个面向美国工业的研究单位，共同制定了以敏捷制造和虚拟企业为核心内容的“下一代制造”计划。

随着经济全球化和信息技术的发展，企业产品研制过程正经历如下变化：①客户、供应商、制造商在整个产品生命周期协同工作、全程参与，生产方式正在从“面向库存的生产”向“面向订单的生产”转变。②批量生产被单件小批量和大批量定制生产模式代替。③制造设备、车间向着网络化、数字化、知识化方向发展，制造过程以网络化制造链、知识链、供应链的融合为特征。④为了提高竞争力、快速响应市场，产品研制企业以组建动态联盟形式实现优势互补。制造企业的上述转变迫切需要实施网络化制造模式。

网络化制造是企业为了提高自身竞争力，快速响应市场需求，利用网络突破企业生产经营的地域约束，实现企业间协同和资源共享的先进制造模式，是在需求与技术共同驱动下发展起来的。在经济全球化和制造全球化趋势的推动下，越来越多的企业开始转变其制造模式，实施网络化制造。网络化制造对传统制造企业的生产和经营产生了巨大的影响，在组织生产、过程管理、产品销售等各个方面提供了新的方法和思路。

自20世纪90年代美国和部分欧洲国家提出网络化制造、敏捷制造等概念以来，国内外学术和工业界对其应用策略和关键技术进行了大量研究。1991年美国里海大学发表了“21世纪制造业发展战略”报告，提出了“敏捷制造”和“虚拟企业”的概念，具有划时代的意义。之后，1995年美国国防部和自然科学基金学会资助10个面向美国工业的研究单位，共同制定了以敏捷制造和虚拟企业为核心内容的“下一代制造”计划。国家863计划CIMS主题专家组较早就认识到网络化制造这种新的制造模式给制造业带来的变革和机遇，从“九五”期间开始对网络化制造技术的研究进行资助，取得了一系列成果。

（一）复杂产品网络化制造总体结构

参与复杂产品制造的合作企业通过公网或专网接入网络化制造协同工作平台，由于复杂产品制造过程知识密集，并且要求全过程的生产进度及质量管理，所以制造过程也可以说就是知识和信息动态获取并有效传输和转换的过程。要满足复杂产品制造过程需求，有效利用现有知识资源，必须实现知识与制造企业的紧密集成。

具体针对网络化制造过程，知识集成主要是通过对企业内外部知识资源进行有机组织，实现制造过程的智能化，提高任务执行过程的柔性和敏捷性。这一目标的实现主要需要从三个方面着手。

图2-20 复杂产品网络化制造总体结构

1.网络化制造协作企业间知识的充分共享与集成

每个企业在生产过程中都积累了大量的经验和知识，这些知识大多以数据库、知识库、纸质文件和人脑中隐性知识的形式存在，在知识的描述和管理上具有分布性和异构性的特点。在进行生产任务的协作时，要想充分共享和利用各企业的优势知识资源，协同处理覆盖产品整个生命周期的全部或部分环节的业务活动，必须为参与网络化制造的协作企业提供一个知识集成平台来实现共享知识资源的集成，以保证知识语义理解的一致性。因此，网络化制造环境下知识集成的内涵之一就是实现与协作企业间的知识共享，建立共同的知识语义模型。

2.网络化制造知识应用过程中知识间的动态关联集成

由于知识信息的离散性和独立性，有些知识在当前的网络化制造决策过程中并没有被有效地发现和利用。知识的使用和传递是动态的过程，在各业务活动间构成了知识流，并且有些知识间具有较强的依赖关系和关联性，如果能够充分挖掘各类知识之间潜在的关联性和依赖关系，实现多学科、多领域知识的关联应用，则能大大提高系统的决策效率。因此，网络化制造环境下知识集成的另一方面就是要构建制造全过程的知识应用与关联模型，实现离散知识的关联集成。

3.网络化制造过程知识与制造活动的集成

当前，企业已逐步认识到知识管理的重要性，纷纷开发与部署适合自身的知识管理系统，但是企业的知识管理实践普遍独立于业务过程，缺乏对知识相关情境的关注，缺乏知识与业务过程的关联，使得获取的知识无法解决所遇到的问题或者不适用于当前业务活动，需要以业务流程为导向进行知识与情境的集成。因此，网络化制造环境下知识集成的第三方面就是要将知识与网络化制造活动相关联，与制造过程进行集成，使得生产过程参与人员在恰当的时间获得需要的知识。

（二）复杂产品设计知识库特点

1.知识库的模块化

产品知识库中的知识是根据产品的应用领域特征、背景特征（获取时的背景信息）、使用特征、属性特征等而被构成便于利用的、有结构的组织形式。

模块化是指解决一个复杂问题时自顶向下逐层划分成若干模块的过程。一个产品在企业设计生产过程中，由多个部门参与完成，每个部门所掌握的产品信息不一。通过系统提供的管理功能，使产品信息通过模块化集中管理，掌握产品各信息部门分类建立完成一个特定的子功能产品信息，这样逐步将所有的模块按某种方法组装起来，成为一个整体，完成整个产品功能参数设置，在一个平台中关联各功能模块，方便应用者对产品知识的快速掌握。

图2-21 产品知识库模块化

2.产品知识库层次化

产品知识库的知识是有层次的。最低层是“事实知识”，中间层是用来控制“事实”的知识（通常用规则、过程等表示），最高层是“策略”，它以中间层知识为控制对象。策略也常常被认为是“规则的规则”。因此，产品知识库的基本结构是层次结构，是由其产品知识本身的特性所确定的。在产品知识库中，知识片段通常都存在相互依赖关系。产品规则是最典型、最常用的一种知识片。

图2-22 产品知识库层次化

3.产品知识库确定化

产品知识库中可有一种不只属于某一层次（或者说在任一层次都存在）的特殊形式的知识——可信度（或称信任度、置信测度等）。对某一问题，有关事实、规则和策略都可赋予可信度。这样，就形成了增广产品知识库。这部分知识在开发设计以及整个产品体系中确定可行的，例如产品的国家标准、行业标准、企业标准。所在的产品必须遵循确定的知识，这样形成的产品知识应用度很广，因此处理产品确定的知识可以统一在一个体系平台，便于管理和在企业的各项审批中的资料确认。

4.产品知识库典型化

产品知识库中还可存在一个通常被称作典型方法库的特殊部分。如果对于产品某些问题的解决途径是肯定和必然的，就可以把其作为一部分相当肯定的问题解决途径直接存储在典型方法库中。这种宏观的存储将构成产品知识库的另一部分。在使用这部分时，推理将只限于选用典型方法库中的某一层体部分。

图2-23 产品知识库典型化

（三）网络化制造过程中的知识集成模型

复杂产品网络化制造强调企业间的协作与社会范围内的资源共享，包括一系列的协同过程和复杂决策活动，需要有效利用各企业已有的知识资源，与制造过程进行集成，来指导网络化制造过程的运行，提高复杂产品制造快速决策能力。在制造过程的知识共享和重用方面存在的问题归纳起来主要有以下几点。

（1）企业在生产过程中积累了大量的经验和知识，但是由于缺乏有效的知识共享机制，在网络化制造过程中还没有被很好地组织和利用，业务协作需要耗费大量的时间用于相互沟通，业务运作过程中不能充分共享知识，知识传递与交流存在语义理解的障碍，无法为复杂产品网络化制造过程提供智能化支持，提高运行效率。

（2）复杂产品网络化制造过程需要主企业和协作企业多个部门、多种角色人员共同参与，而知识信息的离散性、独立性阻碍了整个网络化制造过程决策效率的提高，降低了做出快速反应的能力。只有充分整合各企业、各部门和个人的知识资源，将隐性知识显性化，发挥集体智慧，达到知识的充分共享，才能提高网络化制造过程快速响应和决策能力。

（3）复杂产品网络化制造过程企业间协作和信息交互频繁，制造活动之间具有较强的依赖关系和耦合性，对于知识密集的制造活动，需要将多部门、多学科的知识进行集成和融合，实现知识的关联共享。

（4）目前的网络化制造知识管理实践，普遍独立于业务过程，缺乏对知识相关情境的关注，使得获取的知识无法解决所遇到的问题或者不适用于当前业务活动，需要以业务流程为导向进行知识与情境的集成。

为了实现制造过程知识共享的最大化及知识的最优配置，实现知识驱动的制造过程协同，针对以上存在的问题，结合知识集成内涵，复杂产品网络化制造过程知识集成与应用的需求主要包括三个方面：

（1）对知识的交流、共享和企业间协同过程中保持知识的语义一致性的需求。复杂产品网络化制造过程企业间知识交互频繁，需要提供对知识的统一表达，将企业间异质的、运行在不同软硬件平台上的知识管理系统进行整合和集成，根据访问权限和需要对知识进行共享和查询。

（2）对知识使用过程中知识间关联分析和相关知识发现的需求。知识的组织和应用不是孤立的，复杂产品网络化制造过程中对关联知识的发现和聚类可以减少决策人员知识搜索的工作量，提高知识获取的智能化水平。例如在协同工艺设计过程中，主企业将任务的定型工艺发放到协作企业，协作企业需要根据自身的工艺习惯以及制造资源对工艺文件内容进行调整，首先从典型工艺库中确定典型工艺路线，根据典型工艺路线确定典型工序，再根据典型工序匹配设备、工装。通过分析企业对工艺知识和制造资源的使用偏好，建立知识间的关联，可显著提高工艺调整的效率。

图2-24 复杂产品网络化制造过程知识集成模型图

（3）对知识重用过程中，知识获取的及时性和准确性的需求。复杂产品网络化制造过程中，主企业和协作企业拥有大量的知识，对于众多的知识密集的决策活动，如何从海量的知识库中及时准确地获取知识显然很重要。知识获取的传统方法是根据用户定义的检索条件从知识库中搜索相关知识，近年来本体和语义网技术的应用使得基于语义的知识检索较关键字匹配具有较高的查准率和查全率。知识主动推送可以由系统自动识别获取当前制造活动的要素和属性，建立知识查询的情境模型，然后与知识库中知识的情境信息相匹配，实现将匹配的知识主动提供给操作人员。知识主动推送强调知识的主动服务性，减少了知识搜索的工作量。

从复杂产品网络化制造过程知识集成模型图中可以看出，首先通过构建网络化制造知识本体将主企业和协作企业分布式、异构知识源进行统一描述，提供对知识的共同理解，从而实现系统的异构知识语义集成和互操作。对于规则类的知识，在本体模型和OWL、描述逻辑（DL）对概念间复杂关系描述的基础上，可定义Rule文件保存推理规则知识。对知识情境进行建模并建立知识与情境之间的关联关系，通过知识检索或知识主动推送实现知识与制造活动的集成。在知识应用的过程中，决策人员对知识的使用效果进行评价和反馈，通过构建知识复杂网络，对知识节点重要性、知识节点间的关联和密切度进行分析和计算，实现知识间的关联集成，为知识检索和知识推送提供决策支持。

（四）基于知识集成的复杂产品网络化制造系统

根据对知识集成与应用的需求分析，本书提出构建基于知识集成的复杂产品网络化制造系统（KI-CPNMS），将制造知识的管理与应用和网络化制造过程进行无缝集成。KI-CPNMS系统提供制造任务管理、生产过程监控、制造过程协同、制造知识管理等主要功能，以及制造过程控制、功能模块定制等辅助功能，主生产企业与协作企业可以通过复杂产品网络化制造专网或公网接入系统，在系统的功能框架下基于共享的知识执行网络化制造过程。KI-CPNMS系统的体系结构分为四层，分别为资源支撑层、管理层、应用服务层和用户层。

图2-25 KI-CPNMS系统体系结构图

1.资源支撑层

资源支撑层是网络化制造过程运行的基础，它包括资源数据库、任务数据库、系统数据库以及共享知识库等。

任务数据库为网络化制造系统与其他应用系统（CAX、PDM、ERP等）集成共享的数据库，存储制造任务零部件的基本信息、三维模型、技术要求、质量标准等，为生产提供必要的任务信息；资源数据库存储主生产企业以及已注册的协作企业的各类制造资源信息，包括前文提到的设备、工装、物料、软件等；系统数据库存储所有维持网络化制造系统正常运作的各类数据，包括用户、角色、权限数据，工作流过程定义数据，系统操作日志等；共享知识库是主企业和协作企业进行生产协作的基础，存储企业间的共享知识资源。

2.管理层

负责管理整个网络化制造平台，确保平台安全、顺利运行。它主要由角色权限管理、用户管理、功能模块定制、流程控制、操作日志等模块构成。

角色权限管理模块是对系统操作人员的角色以及角色可执行的制造活动的定义和描述，明确了主企业和协作企业人员的系统操作职能；用户管理对各企业的参与人员进行管理，为他们配置密钥，并分配相应的角色；功能模块定制功能使每一个用户的操作界面都可以根据其角色进行个性化配置，使用户的操作界面更简洁、直观；流程控制定义网络化制造过程的工作流，控制数据在不同人员、制造活动间的流转，可以实现柔性的过程重组；操作日志负责记录用户在系统上的操作时间和操作内容，提高系统的安全可靠性。

3.应用服务层

它是KI-CPNMS系统的核心层，根据制造过程的功能需求为用户提供一系列的应用服务，可进一步分为四个功能单元：①制造任务管理。通过制造任务管理模块从任务数据库导入需要进行外协生产的任务信息，提供对制造任务的分解、发布，对外部协作企业的管理维护，以及任务执行过程中的状态查看等功能。②生产过程监控。复杂产品的生产对协作企业的进度以及质量控制有严格的要求，需要准确、实时地获取任务的进度数据、设备运行状态数据等，以便根据可能存在的各种干扰因素对生产计划进行及时的调整。生产过程监控主要包括任务进度查看、进度数据分析、资源状态监控、生产计划变更等功能。③制造过程协同。包括一系列与协作企业交互频繁的、知识密集的制造活动，如协作企业选择、合同签订、协同工艺设计、任务质量检验。④制造知识管理。提供对主生产企业已有知识与协作企业共享知识的管理与维护，包括领域知识本体的构建与维护、协作企业共享知识的注册与发布、知识库的维护以及知识的检索与应用。需要指出的是，知识的检索与应用与制造过程不是完全分离的两部分，而是集成到制造过程中的。

4.用户层

用户层指用户通过复杂产品网络化制造专网或公网进行知识共享与生产协同的交互功能接口，包括主企业项目管理人员、计划人员、工艺人员、质量人员、协作企业主管等在内的参与者。根据用户的权限级别，可以登录KI-CPNMS系统，通过交互功能接口获取系统提供的各类相关功能。

通常企业的制造系统与知识管理系统是相分离的两个系统，这样在业务过程执行中进行知识查阅非常不便，而且存在系统异构，导致数据的同步、更新难度大，对于网络化制造共享知识的管理更是捉襟见肘。知识管理与制造过程的分离使得大多把知识本身作为研究的对象，知识被当作一种凌驾于业务过程之上的对象进行存储传递。KI-CPNMS系统将知识管理与应用集成于网络化制造系统，具有以下优势：

首先，知识管理的最根本目的是知识重用，只有知识在制造过程中被重复利用，才能体现出知识的价值。KI-CPNMS系统将知识应用与制造过程紧密结合，可以在制造活动的执行过程中得到系统推送的知识或按照用户个性化需求检索知识，提高了知识获取的效率，能更好地辅助制造决策。

其次，KI-CPNMS系统通过收集用户在知识使用过程中的反馈信息，借助对知识的评价和关联分析，可以智能化地处理知识与人、知识与知识之间的关系，提高知识获取的准确性。

（五）KI-CPNMS系统主要功能展示

1.系统主要应用对象

以上海航天精密机械研究所航天复杂产品的网络化制造过程为例，该所某型号战术导弹由弹体、制导系统、动力装置、战斗部和弹上电源五个分系统组成，总零件数达到10万数量级，是典型的复杂产品。其中弹体作为构成导弹外形，安装和连接各系统的整体结构又由各舱段、弹翼、尾翼及各种弹上机构组成，随着军方对产品需求的不断扩大、供货周期要求越来越急迫，为了能按时、保质、保量地完成批量生产任务，该所充分利用外部制造资源，实施网络化制造。

弹体的关键部件贮箱用于储存发动机正常工作所需的推进剂和氧化剂，是弹体完整外形的重要组成部分，受推力、气动力、重力以及内部增压压力的作用，外形多是具有一定强度的圆筒形容器。需要进行外协的任务包括壁板、顶盖、筒段、Y形框、前底、后底，以及一些专用工装等。通过KI-CPNMS系统分别将各个任务发放到协作企业，并进行知识共享和过程协同，主生产企业通过网络对生产过程进行管理和监控。系统的主要运行流程为：任务分解→企业选择→任务发放→过程监控→工艺与进度调整→质量控制和管理→完工入库。

图2-26 弹体关键部位贮箱

2.协作企业选择中的知识推送

知识管理的最终目的是在制造活动中进行应用，系统提供了两种方式获取知识，即知识推送和知识检索。以贮箱中筒段壁板任务的企业选择过程为例，筒段是由若干块曲壁板焊接而成，首先需要将铝合金板材经过滚弯成形为曲壁板，然后在保证足够强度的基础上经过化铣工艺减轻结构的重量，最后将曲壁板和短壳装焊成型。

图2-27 基于知识集成的复杂产品网络化制造系统

企业选择过程中主要参考企业的制造能力知识、企业的综合评价知识以及已完成的相似任务的质量历史知识。企业的制造能力主要通过与任务匹配的制造资源进行体现。对于壁板的滚弯和化铣任务，根据本体图相似度知识匹配算法，系统匹配得到制造企业知识和制造资源知识共七条知识元，上海欣盟机械和吴江天龙机械厂具备任务的制造能力。点击“推送知识查看”按钮可在新窗口中打开知识可视化模板，并显示知识推送结果。

图2-28 知识推送结果

知识可视化模板按照知识类别以列表的形式显示知识，匹配的结果按照知识二分网络知识节点的度值，即知识的使用频率进行排序。推送结果只显示知识元的概要信息，如果该知识元满足制造活动需要，可进一步查看详细内容。

此外，系统提供了用户自定义知识检索功能，可以进行模糊检索或高级检索。高级检索根据知识元名称、类型、来源企业、关键字等缩小检索范围，检索词使用SPARQL查询进行扩展，可以提高知识检索的查全率，检索结果在知识可视化模板中按类别进行显示。例如对滚弯成形零件的质量历史进行查询。

3.协同工艺设计中的知识重用

工艺设计过程是知识密集的制造活动，协作企业可以利用双方共享的知识进行工艺设计，然后由主企业进行审核。以壁板化铣任务的工艺设计为例，主企业选择欣盟机械厂执行该任务，为了减轻结构重量，壁板表面要做成网格式结构，需要采用化学铣切的特种加工方法来解决。由于化铣工艺很难精确控制材料的腐蚀时间，容易出现尺寸超差，质量不易控制，所以需要参考已有的大量经验知识和数据。

下图是协同工艺设计界面左边显示零件的基本信息、图样以及知识获取接口，右侧页面在工艺文件编辑器中以所见即所得的方式进行工艺过程设计。工艺文件的内容以XML格式存储，与工艺模板是相分离的。

图2-29 对滚弯成形零件的质量历史进行查询

图2-30 协同工艺设计界面

4.知识评价与关联知识推荐

在知识检索或推送结果中可以查看知识元的详细内容，对于化学铣切典型工艺知识元，点击“查看详细”在新窗口中打开如下图所示的知识元内容查看界面，主要包括四部分内容：知识元内容查看、知识评价、关联知识推荐以及知识关联关系图。

知识元内容查看显示知识元的概要信息，可以在工艺卡片模板中显示典型工艺路线的具体内容，或者将满足要求的典型工艺路线导入到工艺文件编辑器，然后进行修改。此外，可以将知识元的内容导出为XML格式文件，便于知识的存储和传递。

系统将当前查阅的铝合金壁板化学铣切典型工艺路线知识元（表面预处理→涂保护层→固化→刻形→腐蚀→清洗→去保护层→检验）作为中心节点，利用知识复杂网络节点间关联关系的紧密程度，根据基于局域信息的知识凝聚算法进行关联知识推荐，得到六条知识元。可以看出，所推荐的保护涂层固化时间、化铣腐蚀时间控制与计算方法、铣切面尺寸计算、化铣溶液配比等知识都是壁板化铣工艺设计中需要用到的关键知识，推荐得到的制造资源是在以往生产过程中经常用到的设备，知识的关联推荐可以大大减少用户获取知识的工作量。

以上推荐的关联知识按类别进行显示，并且根据知识重要性评价方法或与中心节点的相关性大小进行排序。