制造知识的表示及其度量方法的研究

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基金项目： 国家自然科学基金资助重大项目 （’,,,"#-"）
万方数据
中国机械工程第 0G 卷第 0! 期 !AA" 年 I 月下半月
! 制造知识的结构表示
在人工智能中， 国内外的学者们进行了知识 结构表示的研究工作， 例如语义网、 框架和其它一 些知识表达模型。这些知识结构表示模型大体上 可分为 " 个层次， 即实际应用模型、 概念模型和客 观模型。而在 #$%& ’ %(#)* 分类当中， 一个数据 模型就是一个物理应用库或其应用类的概念模 型， 具有专门用途的数据模型称为专用数据模型 （%+,-） ， 面向通用目的的数据模型称为通用数据 模型 （ .(+,-） 。这些零件数据模型， 在一定意义 上， 就是该零件知识结构的表示。因此， 将这两类 模型统称为知识表达 （或信息） 模型。 !/" 知识表达模型的回顾与分析 （0）实体—关系模型 （ 123435— 61783492-:4;， <)） ［=］ 该模 型 是 最 早 的 通 用 模 型 之 一， 由 *:12 提 出， 后 来 >:19615 提 出 了 扩 展 实 体—关 系 模 型 （<<)） 。他们将产品分为实体和实体的关系来表 达产品的信息， 并用属性来描述实体， 用约束来描 述关系。 <) 和 <<) 模型都是静态的概念模型， 不支持模型的修改， 尤其是删除操作。 （ ! ） $4?--@2 信 息 分 析 模 型 （ $&#, ）
提供支持 部 分 集 成 管 缺乏 （假设 缺乏 （假设 缺乏 （假设 （假设部分 理 完全集成）完全集成）完全集成） 集成） 静态的、 某 静态的、 某 静态的、 某 是否支持模 些 结 构 基 些 结 构 基 些 结 构 基 完全支持 式进化 本支持 本支持 本支持
值得注意的是， 这些产品的知识表达模型存 在如下不足： !忽略了零件的宏观特征信息； "不 便于作为制造产品整个生命周期的表达模型； # 不适合作为度量表达模型； $不便于建立产品库，
［% . *］ 接进行制造知识的计量， 并作了有益的探索 。
但仍有许多关键问题需要进一步进行研究。笔者 从制造信息学和描述复杂性的角度对制造知识的 分类、 结构表示及其度量和度量方法进行了初步 的探索性研究。
! 制造知识的分类
本文从结构、 信息特征等方面， 借用开关因素 的概念， 对制造知识进行了分类。 按制造知识的结构， 制造知识可分为单元知 识和合成知识。所谓单元知识是指不能被其它制 造知识 （除它本身以外） 表示的知识； 合成知识是
制造知识的表示及其度量方法;"%） !""# $ !%&! !& $ !"&’ $ "#
制造知识的表示及其度量方法的研究
李高正 师汉民
摘要： 对制造知识进行了定义和分类； 以制造知识中产品知识为例， 对产 品建模方法进行了对比研究， 提出了一种新的适合于产品制造知识度量的建 模方法。从描述复杂性和信息量的角度， 给出了机械加工零件几何知识度量 的一般性计算方法。根据成组技术中关于机加工零件相似性的研究成果， 提 出了基于事件推理方法进行零件几何知识计量的框架。 关键词： 制造知识； 知识表达； 知识度量； 基于事件推理 中图分类号： ()!* 文献标识码： + 指由单元知识合成， 表示某一整体特征的知识。 按产品的信息特征， 制造知识可分为形状特 征知识和精度特征知识、 装配特征知识、 检验特征 知识、 材料特征知识。上述特征知识又可归纳为
［!， &］ 量则决定了其交换价值 。如果说， 在以物质、
由精度特征、 装配特征和检验特征构成的精度特 征知识 （按照国际标准和我国国家标准， 表面粗糙 度和几何公差的标注范围中已经包含了装配知识 因而第二类统称为精度 0 信息和检验知识 0 信息， 特征知识） ； 第三类是材料特征知识。 按制造知识产生的过程， 制造知识可分为设 计知识、 工艺知识、 装配知识、 检验知识和材料知 识等。工艺知识又包括宏观变形知识 （如冲压、 切 削、 锻造等） 和微观变形知识 （如淬火、 退火、 冷处 理、 渗碳等） 。 按制造知识的用途， 制造知识可分为常识、 通 用知识、 专门知识、 技巧和诀窍知识等。 制造知识与设计及制造过程紧密相联， 具有 多个侧面和层次， 它大致可分为产品知识和制造 过程知识。所谓产品知识是指确切描述产品的特 征所必需的信息， 它包括产品的几何形状、 尺寸、 公差、 材质、 各种技术规范及技术要求； 所谓制造 过程知识， 是指为了实现某一制造过程， 并获得满 足预定要求的零件所需注入制造过程的各种知 识， 包括生产控制信息 （工艺知识） 和管理知识。 制造企业的产品各式各样、 纷繁复杂。本文 仅研究与机械加工零件几何特征有关的知识， 即 几何知识。针对制造知识中的几何知识结合零件 的信息特征， 本文将几何知识进一步划分为零件 的几何造型知识 （第一类特征知识， 即形状知识） 和零件的几何属性知识 （包括形状定型知识， 如形 状尺寸和位置尺寸等， 以及第二类特征知识） 。 ・ !"&’ ・
制造知识的表示及其度量方法的研究— — —李高正
师汉民
根据零件的几何相似性， 运用基于事件推理的方 法进行产品制造知识的度量。针对以往模型的优 点和不足之处， 本文提出了一种新的零件表达模 型。 !!! 零件表达模型 根据国际标准和我国标准， 可将零件的特征 表达分为三大类型： 几何造型特征表达、 几何属性 （尺寸与公差） 特征表达和材料特征表达。由于零 件的整体特征隐含在零件的几何造型特征和属性 特征背后， 需要借助于零件整体特征的定义和推 理方法， 才能知道零件的整体特征。为便于表达 模型建库、 查询和检索， 本文将零件的整体特征作 为辅助特征添加到零件的特征表达中。综合空间 因素理论和零件特征的表达类别， 运用零件的宏 观特征、 几何造型、 几何属性和材料 " 个因素建立 零件的知识表达模型能够准确、 完整地表达零件， 形成一个完整的概念体系。根据零件的这一结 构， 可以如下定义零件的表达空间： 定义 # 零件的表达空间可以用一 个数组 其中， " ! 为零 ! & 来定义， 件的整体特征集合， 根据不同的宏观分类方法和 构造法则会有不同的宏观特征集合； # ! 为基本 模块集合， 也可称为基元集合， 基元是指在集合 （除了它本身） 不能被其它元素定义和表示 #! 中 ! 的元素； 表示一个预置关系的全 $ 为关系集合， 集； 热处理方式以及 #% ! 表示零件材料的种类、 硬度等属性的全集。 本文没有研究零件的整体特征的提取， 而是 直接引用了文献 ［$， 借鉴 &’() %］中的研究成果。 中关于零件分类编码理论， 结合零件的加工方法 对零件的宏观特征进行分类， 将零件分为轴类、 箱 体类、 支架类、 盘套齿轮类、 连接零件类、 标准件类 以及其它特殊形状零件类等七大类型。 在 &*+ 系统中， 零件的表达有两种通 用 形 式， 即边界表达 （ , - ./0）和实体造型 （ &)1）表 达。 边界表达是用点、 线、 面作为基元， 来表示零 件； 实体造型是将低层次的点、 线、 面经过浓缩而 形成具有一定几何特征的几何体， 然后通过一组 布尔运算来完成零件的表示。 根据各种 &*+ 平台 中 &)1 运用的特征体素， 本文将 &)1 表达的基元 归纳为四面体、 立方体、 圆柱体、 圆锥体、 球体、 环、 螺旋体、 管道体、 延展体， 以及其它复杂形体 #2 种。 根据零件表达空间的定义， 机械加工零件几 何表达在一定的粒度下总可表示为｛" ， ， 其 #， $｝ ! 中， " 为整体特征集合 " 中的一个特征， # 为零 万方数据 "!， #!， $!， #% !
合成对象内 有限支持 的关系 对象结构的 支持 关系 易变元素的 不支持 关系 变量关系 不支持 运算中定义 不支持 的变量关系 外部应用的 不支持 集成管理
支持， 通过 支持， 通过 优先关系 优先权实 现 实现 支持 支持 不支持 部分支持 部分支持 支持 支持 支持 完全支持 完全支持
支持 有限支持 不支持 不支持 不支持
表"
评估因素 完全抽象 数据类型 多层实例化 合成对象
产品知识表达模型的对比与评价
<) 模型 缺少算子 支持部分 命令 支持 $&#, 模型 缺少算子 支持部分 命令 支持 有限支持 <F;61-模型 通过操作 约束实现 支持部分 命令 支持 <+, 模型 通过操作 约束实现 支持部分 命令 支持
$4?--@2 信息分析模型的基础是二元关系法。 $&B #, 模型提供了很小一组经过仔细定义的结构， 然后利用这些结构为用户组建 （构造） 高层次的结 构。$&#, 模型像 <) 模型一样， 也有两个原始单 元。一个是实体， 它有两种形式： 词法形式 （ CD>） 和非词法形式 （ $DCD>） ， 非词法形式和 <) 模型 的实体概念非常一致， 而词法形式是一些非词法 形式的名字和属性的对象。 $&#, 模型的另一个 基本元素是角色 （)971） ， 它粗略地对应于 <) 模型 中的 “关系” 。 $&#, 模型的特点是它以自然语言 为基础， 使用信息的图形表达， 并由 *+* 公司提 供的各种工具支持。)971 约束的广泛使用， 使 $&B #, 模型比 <) 模型稍微正式一点。另外， $&#, 模型是 (+<% E %><( 标准主要使用的信息模型之 一。 （"） <F;61-- 模型 <F;61-- 是一种概念模型语 言， 并且已经开发为 (+<% E %><( 内容的一部分。 ［00］ 。 <F;61-- 语言主要集中在感兴趣事件的定义上 事件由数据和行为定义。数据表示一个认识实体 的属性， 行为由规则来定义和表示。一个用 <FB ;61-- 语言表示的产品知识表达模型包括事件的 定义 （实体、 类型、 功能等） ， 定义事件关系的规则， 以及 作 用 在 关 系 上 的 规 则。后 来 又 开 发 了 <FB ［00］ ， 它是 <F;61-- 模型的图形表达， ;61--—. 模型 万方数据 ・ 0A!I ・