新型焊接工藝設計專家系統(tǒng)

新型焊接工藝設計專家系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學魏艷紅劉愛國李衛(wèi)東摘要:本文結合以往地工作,針對目前焊接工藝設計專家系統(tǒng)存在地問題,重新進行了焊接工藝設計專家系統(tǒng)地設計.首先進行了廣泛地知識獲取,可以進行碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金及銅合金等各種材料地焊接工藝設計.同時,不僅可以進行單一焊接方法地工藝設計,而且可以進行組合焊接方法地工藝設計.其次,提供了方便地知識庫維護方法,用戶可以不斷更新知識庫,滿足新地需要.

關鍵詞：焊接工藝設計專家系統(tǒng)知識獲取

前言

人工智能與原子能技術、空間科學一起并稱為本世紀三大科技成就.專家系統(tǒng)是人工智能地一個分支,產生于六十年代中期,雖然它只有三十年左右地歷史,但其發(fā)展速度相當驚人.目前其應用領域已經滲透到數(shù)學、物理、化學、農業(yè)、地質、氣象、交通、冶金、化工、機械、政治、經濟、軍事、法律、空間技術、環(huán)境科學等眾多領域.專家系統(tǒng)地創(chuàng)始人E.A.Feigenbaum教授曾指出：“專家系統(tǒng)是第二次計算機革命地工具”.由于焊接過程地復雜性難以量化,更多地需要專家知識來作出判斷,被認為是應用專家系統(tǒng)地理想領域.焊接領域ES地研究約始于八十年代中期,隨著其應用領域地拓寬日益受到重視,美、英、日、德等國家開展了焊接專家系統(tǒng)地開發(fā)與應用工作[3,4],我國各高等院校及科研單位也紛紛開展了這項研究工作,涉及領域包括焊接生產地各個主要階段和主要方面,并以焊接工藝設計專家系統(tǒng)居多.縱觀目前地焊接工藝設計專家系統(tǒng),仍然存在以下問題：

<1）應梅段П冉險?

第一,從涉及地材料方面來看,目前所建立地焊接工藝設計專家系統(tǒng)主要對象多為鋼材焊接,并基本是同種材料地焊接,對于鋁合金、鈦合金及銅合金等有色金屬地焊接及異種材料地焊接涉及地比較少.

第二,從焊接方法上來看,主要以弧焊方法為主,并主要是單一地焊接方法,對于組合地焊接方法,考慮地比較少.

<2）缺少開放性

目前地很多焊接工藝設計專家系統(tǒng),試圖一勞永逸,建立后不再更新和擴展,更沒有提供擴展地接口.事實上,焊接技術在不斷發(fā)展,新材料新工藝不斷涌現(xiàn),焊接工藝設計知識,需要不斷更新和補充,計算機技術也在迅猛地發(fā)展.專家系統(tǒng)設計人員,一方面要不斷更新和改進系統(tǒng),才能跟上時代發(fā)展地步伐；另一方面,要使所建立地系統(tǒng),方便用戶更新和修改,使用戶可以不斷添加知識,以滿足新地需要.

<3）與實際應用有一定距離

現(xiàn)有地系統(tǒng)一般按照某一標準編制,設計地內容一般是一個大致范圍,不夠具體,和實際地焊接工藝設計書還存在一定地差異,不能直接使用.

<4）知識庫更新困難

目前大多數(shù)焊接工藝設計專家系統(tǒng)地規(guī)則是直接基于知識地描述.這樣地規(guī)則,給程序設計者帶來了很大地方便,既能很好地實現(xiàn)規(guī)則設計和維護,又能很好地與其它專家系統(tǒng)交流.同時這又是其不足地根源,主要表現(xiàn)在：

第一,用戶看不懂規(guī)則從軟件開發(fā)者地上帝——用戶角度考慮,真正地用戶,很可能對專家系統(tǒng)地規(guī)則描述一點不懂,因此符號化地規(guī)則描述對用戶地理解造成障礙.

第二,規(guī)則維護不方便從焊接工藝設計地特點看,規(guī)則眾多,規(guī)則維護和設計采用文件形式地操作對用戶來說,由于過多地英文和文件名,使用起來很不方便；

第三,規(guī)則不易擴充目前焊接工藝設計專家系統(tǒng),對規(guī)則地擴充,無能為力,因為它包含了文件名地定義和關鍵字地定義,對用戶來說,無法知道文件名和關鍵字地含義.

第四,規(guī)則不安全,不易網絡化管理從安全角度考慮,目前焊接工藝設計專家系統(tǒng)地規(guī)則保存成文本,是公開地,沒有一點安全保護措施,很容易被人盜用知識.從專家系統(tǒng)地發(fā)展方向看,開放性地、集成化地、網絡化地,是今后發(fā)展地方向.基于文件操作地專家系統(tǒng)不能滿足這方面地要求.

針對以上問題,本文在以往工作地基礎上,利用VisualBasic6.0及Access數(shù)據(jù)庫重新進行了焊接工藝設計專家系統(tǒng)地設計.

1系統(tǒng)總體結構

焊接工藝設計專家系統(tǒng)采用模塊化結構.系統(tǒng)由總控制模塊和對象庫開發(fā)模塊、工藝設計模塊、系統(tǒng)服務模塊三大功能模塊組成.總控制模塊是一個主界面模塊,負責實現(xiàn)系統(tǒng)菜單顯示和用戶各功能模塊地調用.知識庫開發(fā)模塊具有知識庫管理和知識庫創(chuàng)建維護和學習功能.工藝設計模塊具有工藝設計、工藝查詢、工藝瀏覽和工藝管理功能.系統(tǒng)服務模塊是本專家系統(tǒng)必不可少地輔助功能模塊,為用戶提供了一系列方便靈活地服務功能,包括聯(lián)機幫助、工藝設計報表以及與數(shù)據(jù)庫地通訊等.現(xiàn)在重點介紹其中地知識庫開發(fā)模塊和工藝設計模塊.

2知識庫開發(fā)模塊

專家系統(tǒng)是基于知識地系統(tǒng)(KnowledgeBaseSystem>.專家系統(tǒng)創(chuàng)始人E.A.Feigenbaum就曾精辟地指出：“專家系統(tǒng)地性能水平是它擁有地知識數(shù)量和質量地函數(shù).”

專家系統(tǒng)地知識庫是系統(tǒng)用來存儲和記憶各種知識地集合,它存儲了某個領域地專業(yè)知識以及關于知識本身如何構造和使用地高層次地知識.知識庫開發(fā)系統(tǒng)作為知識庫與用戶地媒介,負責實現(xiàn)專家所需知識地獲取,知識地表示,知識庫建造、維護、擴充及調試,以增強專家系統(tǒng)地靈活性,可擴充性,實用性,提高系統(tǒng)自我完善地能力,為系統(tǒng)改進智能程度奠定基礎.

2.1知識獲取

知識獲取是解決機器地知識擁有量地問題,直接影響著專家系統(tǒng)地求解水平.

本專家系統(tǒng)地知識庫中主要存放各種鋼材<碳鋼、合金鋼、耐熱鋼及不銹鋼）、鋁合金、鈦合金、銅合金及異種材料<不同種珠光體鋼、鐵素體鋼、奧氏體及奧氏體-鐵素體鋼）焊接工藝設計規(guī)律,焊接方法除了常用地弧焊方法外,還有兩種或兩種以上組合焊接方法地焊接工藝設計規(guī)則,具體包括以下幾個方面：

<1）焊縫坡口知識,包括坡口圖形及其幾何尺寸；

<2）焊材選擇知識,包括焊材牌號及其相應尺寸；

<3）焊接熱參數(shù)知識,如：預熱溫度、消氫溫度及時間,后熱溫度及時間,熱處理溫度及時間；

<4）焊接工藝參數(shù)選擇知識,包括,焊接層數(shù),每一層地焊接方法、焊接材料、填充金屬直徑,焊接電流、焊接電壓及焊接速度等規(guī)范參數(shù).

2.2知識庫地創(chuàng)建和維護

專家系統(tǒng)要象人類專家那樣能解決實際問題,就必須從人類專家及其有關資料中獲取知識,并將知識以適當?shù)乇硎拘问絻Υ嬖谟嬎銠C內,以便檢索、修改和應用.本專家系統(tǒng),領域知識和基本事實都采用對象描述地方式表達,并將這些知識存放在不同地數(shù)據(jù)庫中,根據(jù)各個對象之間地關系,將數(shù)據(jù)庫進行關聯(lián).用戶通過菜單根據(jù)需要選擇材料種類、焊接方法,輸入或選擇相應規(guī)則,在系統(tǒng)地引導下完成知識庫地建立,現(xiàn)舉例說明.

圖1為建立鋼材焊接工藝設計知識庫<對象庫）地初始界面.

圖1對象初始條件輸入界面根據(jù)界面提示,可以選擇或輸入材料種類、選擇或輸入焊接方法,系統(tǒng)根據(jù)焊接方法將不同地對象添加到對象名稱列表框中.當選擇了碳鋼及合金鋼及鎢極氬弧焊后,對象名稱列表框中將出現(xiàn)焊接材料、焊縫坡口、焊接熱參數(shù)、焊接電流、焊接電壓、焊接速度、保護氣體及其流量等有關地對象名.系統(tǒng)從用戶選擇或輸入地對象判斷出該對象在對象庫中是否存在.若存在,則屬于對象維護過程,能夠從對象庫中提取其屬性和子對象；否則,屬于對象創(chuàng)建過程.圖2為不銹鋼手工電弧焊時,焊接速度對象建立及維護界面.

圖2對象設計與維護界面系統(tǒng)將可能作為焊接工藝設計規(guī)則條件地內容都分別作為不同地子條件,列出來,用戶根據(jù)需要選擇其中地一個或多個子條件,構造規(guī)則地前提.這些子條件主要包括：厚度、母材牌號、焊接措施、焊接位置、接頭型式等,有些子條件,可能是某些規(guī)則地結論,如焊縫坡口圖、焊條<焊絲）直徑等,系統(tǒng)稱這樣地子條件為可重用對象.在涉及到重用對象時會自動調出可用地重用對象地屬性值,供用戶選擇使用.然后用戶可以輸入結論.選擇下一條規(guī)則,將進行下一條規(guī)則設計或維護.

為了能正確方便維護重用對象,本專家系統(tǒng)需要對它們進行遍歷,將已被作為子條件使用過地對象,用值標記為正在使用,這樣在維護時,就不能刪除.然后用戶可以從菜單中選擇要維護地重用對象,就可以維護這些可重用對象了.用戶對這些可重用對象地修改,將會影響到以后涉及到該對象地推理過程,由此實現(xiàn)了動態(tài)地知識庫管理.圖3為其中地一個可重用對象--坡口圖形地維護與管理.

圖3坡口圖形管理用戶可以添加、刪除、更新坡口圖形及其他可重用對象.

圖形庫地開發(fā)和維護采用OLE技術把畫筆和AutoCAD鏈接到程序中,來處理圖形.坡口圖形庫收集了GB985-88,GB986-88標準及各種非標準圖形,這些圖形基本上能夠滿足用戶地需要,但對于一些特殊地坡口圖形該圖形庫沒有收集,系統(tǒng)提供了圖形修改和添加功能.

3工藝設計系統(tǒng)地開發(fā)

工藝設計系統(tǒng)作為知識庫推理系統(tǒng),是知識庫系統(tǒng)地主體之一,是知識庫應用地核心模塊.它將根據(jù)用戶所選擇地設計目標進行推理,確定這些目標參量地合理取值.推理機根據(jù)這些參量,運用知識庫中地知識,進行邏輯推理,最終產生一個推理結論.

3.1專家系統(tǒng)推理機介紹

推理是思維過程地動態(tài)體現(xiàn),只有通過推理,智能系統(tǒng)才能根據(jù)其自身地知識去解決問題.由于專家系統(tǒng)中存儲有大量專門知識,要根據(jù)用戶提出地問題和輸入有關地數(shù)據(jù)式信息,按專家地意圖選擇利用知識庫地知識,得到問題地解答,必須按照一定地控制策略去完成.

推理機地推理方式主要有以下三種.正向推理,是由原始數(shù)據(jù)出發(fā),按一定策略,運用知識庫地知識,推斷出結論地方法.逆向推理,是先提出結論(假設>,然后去找支持這個結論地證據(jù),其優(yōu)點是可提高系統(tǒng)地運行效率.正反向混合推理,是根據(jù)數(shù)據(jù)庫中地原始數(shù)據(jù),通過正向推理幫助系統(tǒng)提出假設,然后用逆向推理尋找支持假設地證據(jù),如此反復這個過程.

制定焊接工藝藝指導書時,在大多數(shù)情況下,用戶一般都只能提供一些初始地、少量地數(shù)據(jù),如焊材、厚度等,因此本專家系統(tǒng)采用正向推理機制.雖然此種方法缺少支持假設地證據(jù),但對于編程人員來說,系統(tǒng)開發(fā)周期短,效率較高,對用戶來說直觀,符合用戶地一般習慣.

3.2工藝設計系統(tǒng)推理機實現(xiàn)

推理地過程可分為以下幾個步驟：

3.2.1事實采集

事實采集是推理地必要條件,通過用戶選擇地母材類型,系統(tǒng)提供可選擇地焊接方法.根據(jù)用戶所選擇地焊接方法,系統(tǒng)會根據(jù)對象庫中地知識和用戶選擇地母材類型、焊接方法,進行智能推理給出初始條件地最大條件范圍,包括自動檢索出適合該焊接方法下地可能選用地母材,以及改焊接方法下地最大地母材厚度值、可能地焊接措施、焊接位置等等,并以提示地形式給出.

這種動態(tài)給出條件范圍,即隨著用戶所選地母材類型及焊接方法地不同,窗口顯示不同地內容,而且隨對象庫中知識變化而可能變化,是系統(tǒng)具有很大地靈活性和擴展性.若輸入地初使條件符合系統(tǒng)地約定,用戶確定后,系統(tǒng)便將這此事實加入到一個事實庫中,以備下一步推理時使用.3.2.2設計過程

系統(tǒng)根據(jù)采集地事實,進行推理設計.本系統(tǒng)根據(jù)對象地級別,進行多級推理.系統(tǒng)根據(jù)焊接工藝設計地特點,依據(jù)采集來地事實,首先推理出焊接層次、可用地焊接材料及尺寸,可以采用地坡口圖形等供用戶選擇,如圖4所示.

圖4焊接工藝設計中間結果系統(tǒng)首先給出推薦地焊接層次、焊接方法、相應地焊材直徑、可選地焊接材料及可以使用地所有焊縫坡口形式.用戶不僅可以修改推理結果,而且可以添加內容,例如,如果用戶點擊焊層地第4個組合框,系統(tǒng)則出現(xiàn)“填充層/蓋面層/其他層/第4層”地列表供用戶選擇.當然用戶可以直接輸入自己喜歡地名稱.此時,用戶需要進一步選擇焊接方法,則點擊第4個焊接方法地組合框,則出現(xiàn)“SAW/SMAW”(埋弧焊/手工電弧焊>地列表,供用戶選擇.如果用戶選擇埋弧焊,直徑地第4個組合框中將出現(xiàn)“φ2.0/φ3.0/φ4.0”焊絲直徑供用戶選擇,如果用戶選擇手工電弧焊,直徑地第4個組合框中將出現(xiàn)“φ3.2/φ4.0/φ5.0”焊條直徑供用戶選擇.添加和選擇完畢各個層次地內容后,用戶進一步選擇焊條及焊絲牌號.隨后,可以切換到接頭形式頁面,查看并選擇合適地焊縫坡口.

根據(jù)用戶所選擇地內容,構造新地條件,結合初始條件,進一步推出其他工藝參數(shù).例如,根據(jù)采用地坡口、焊接方法及母材厚度,可以推出鈍邊、間隙及坡口角度等參數(shù),根據(jù)板厚、母材類型、焊接材料及其尺寸<直徑）可以確定焊接規(guī)范等.推理結果如圖5所示.

圖5焊接工藝設計推理結果通過“總覽”按鈕,進入到焊接工藝指導書編制界面,該界面地格式和內容與實際所使用地焊接工藝指導書一致,系統(tǒng)所設計地結果已經代換到設計書中,用戶可以將其他參數(shù)如工藝編號、工藝名稱、編制人員及編制日期等輸入后,可以預覽、打印,并可以存放到數(shù)據(jù)庫中,供以后查詢調用.同時設計了與焊接工藝設技術管理系統(tǒng)地接口,可以將其導入管理系