基于知识的飞机装配工艺设计关键技术研究

摘要

由于飞机装配过程的复杂性，以及工艺设计与环境、经验相关的特点，开发智能化的飞机装配CAPP是一种典型的复杂问题，存在知识总结难、问题求解难、知识应用难等尚未解决的难题。随着飞机数字化制造工程的实施，如何开发飞机装配工艺设计的智能化系统，以提高装配工艺设计的效率和自动化水平已成为飞机研制过程迫切需要解决的问题之一。针对这一问题，本文以飞机部件装配工艺设计为研究对象，提出了“以知识库为基础，以推理机为核心，实现具有一定智能的计算机辅助飞机装配工艺设计”的构想。基于此构想，深入分析了飞机装配工艺设计过程，综合应用了本体论、知识工程和基于实例推理技术，灵活应用了XML技术，率先对装配知识表示、推理、应用等关键问题进行了系统研究，开发了基于知识的飞机装配工艺设计原型系统，旨在提高飞机装配工艺设计的自动化、智能化水平，使之成为飞机数字化制造的支撑。论文的主要研究工作如下： 1、飞机装配工艺设计领域的知识本体模型 研究了本体构建的原则与方法，提出了一种A2P2本体构建方法。严格按照A2P2法，深入分析飞机装配工艺设计过程，收集了大量飞机装配工艺设计领域的数据，在领域专家的参与指导下，对数据进行分析，研究了影响飞机装配工艺设计的因素以及装配工艺文件内容的基本形式，形成了装配知识的初步框架，为装配知识模型的形成奠定了基础。对初始知识框架进行转换、重构的概念化处理，建立了它们之间的联系，形成了领域术语。以领域术语为基础，提出了飞机装配工艺知识的本体模型，并对本体模型的合理性进行了评价。 飞机装配工艺知识本体模型填补了在该领域知识本体研究的空白，也为装配知识表示、推理和应用奠定了基础。 2、基于XML的装配知识表示及装配知识库构建 基于框架表示和XML，研究了装配知识本体的形式化描述方法，设计了装配知识本体模型的BNF和XML Schema描述文件。全面比较、分析了XML与RDB在数据处理方面各自的优缺点，得出了在构建飞机装配知识库时必须同时使用XML和RDB两种数据处理技术的结论，并选用了Oracle XML DB作为装配知识库的底层支撑数据库。研究了XML与RDB之间的数据存储、映射策略，提出了一种混合式的飞机装配知识存储策略，并设计了装配知识库的逻辑结构。研究了装配知识库的索引机制，提出了一种递进关系的装配结构特征路径索引策略，构建了装配知识库的索引。应用XML和RDB着重解决了装配知识描述、组织和管理等问题。 3、装配知识相似匹配推理技术 基于框架表示知识推理和最近邻法的思想，设计了装配知识的匹配策略及算法过程，运用Delphi法与AHP法相结合科学地计算出各装配知识相似元的权重。分析了装配结构特征的特点，针对用树型结构描述的装配结构特征，提出了一种考虑语义、基于结构约束的装配结构相似匹配算法。分析了装配知识准确度的特征，提出了两种准确度的相似匹配策略，并建立了相应的数学模型。构建了装配知识匹配辞典，提出了一种基于匹配辞典的装配知识特征相似匹配算法，该方法从语义层面计算以字符形式描述装配特征的相似度。结合装配知识表示、知识库的特点及k-最近邻法的思想，设计了装配知识的推理过程，确定了搜索限制策略、冲突消解和求解策略，使得装配知识相似匹配推理在算法效率与匹配精度上达到较好的平衡。 4、装配知识应用与知识库完善技术 基于人机混合智能，研究了装配知识的复用过程、适应修改方法及知识学习方法。提出了一种基于系统问题求解经验的索引策略，并通过评分和时间戳的方式构建了索引，可以提高知识库和问题求解的质量。 5、基于BOM的系统集成技术 研究了飞机制造工程中xBOM的形成过程、MBOM与装配知识特征之间的关系以及装配知识特征的获取方法，设计了从MBOM中获取装配结构特征的算法过程，着重解决了待求解装配问题形成及系统集成的问题。 最后，设计并开发了一个基于知识的飞机装配工艺设计原型系统，简称为KBA2P2(Knowledge Based Aircraft Assemblv Process Planning)，对本文的研究思路、方法及关键算法进行了验证。结合企业的实际情况，对原型系统的推广实施进行了探讨。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1数字化飞机装配工艺设计的重要性和特殊性

1.1.1数字化——飞机制造业的新发展方向

1.1.2装配在飞机制造中的重要作用与意义

1.1.3飞机装配工艺过程概述

1.2基于知识的飞机装配工艺设计的构想

1.2.1需求背景分析

1.2.2可行性分析

1.2.3基于知识的飞机装配工艺设计系统的构想

1.3国内外研究现状及存在问题分析

1.3.1国内外研究现状综述

1.3.2存在问题分析

1.4研究内容及思路

1.4.1研究对象

1.4.2研究内容

1.4.3研究思路

1.4.4研究重点、难点

1.5研究背景及意义

1.5.1论文选题背景

1.5.2理论意义

1.5.3应用价值

1.6论文逻辑结构及章节安排

1.7本章工作总结

本章参考文献

第2章飞机装配工艺知识本体

2.1引言

2.2相关研究工作及本章研究内容提出

2.2.1相关研究工作概述

2.2.2本章研究内容

2.3本体构建的原则与方法

2.3.1本体构建原则

2.3.2 A2P2本体构建方法

2.4飞机装配工艺知识本体的概念模型

2.4.1知识本体应用范围确定

2.4.2领域数据收集与知识分析

2.4.3术语的形成

2.4.4飞机装配工艺知识本体的初步形成

2.4.5飞机装配工艺知识本体评价

2.5飞机装配工艺知识本体的形式化描述

2.5.1飞机装配工艺知识本体形式化的方法

2.5.2飞机装配工艺知识本体实例

2.6本章工作总结

本章参考文献

第3章飞机装配工艺知识库

3.1引言

3.2相关研究工作及本章研究内容提出

3.2.1相关研究工作概述

3.2.2本章研究内容提出

3.3装配知识数据存储相关技术研究

3.3.1是XML还是RDB

3.3.2底层支撑数据库选定

3.4飞机装配工艺知识库的存储策略

3.4.1飞机装配工艺知识的XML文档类型分析

3.4.2 XML到RDB的三种存储方法分析

3.4.3 Oracle XML DB的数据存储模式

3.4.4飞机装配工艺知识的存储设计

3.5飞机装配工艺知识的数据映射策略

3.5.1 Oracle XML DB的数据映射方法

3.5.2飞机装配工艺知识的数据映射

3.6飞机装配工艺知识库结构与索引

3.6.1知识库结构设计

3.6.2飞机装配工艺知识库索引的任务

3.6.3飞机装配工艺知识库索引的构建

3.7本章工作总结

本章参考文献

第4章飞机装配工艺知识推理

4.1引言

4.2相关研究工作及本章研究内容提出

4.2.1相关研究工作概述

4.2.2本章研究内容提出

4.3装配知识匹配策略

4.3.1基于框架表示的装配知识匹配策略

4.3.2相似元的选择

4.3.3相似元权重的确定

4.3.4相似度计算策略

4.4装配结构相似匹配

4.4.1相关算法分析

4.4.2装配结构特征分析

4.4.3装配结构相似算法思想

4.4.4算法实现与分析

4.5准确度相似匹配

4.5.1一般准确度的相似匹配算法

4.5.2特殊准确度的相似匹配算法

4.6基于辞典的相似匹配

4.6.1基于辞典相似匹配构想的提出

4.6.2装配知识匹配辞典的构建

4.6.3基于匹配辞典的相似匹配算法

4.7装配知识的推理控制策略

4.7.1装配知识的推理过程

4.7.2装配知识的搜索和限制策略

4.7.3装配知识的冲突消解和求解策略

4.8本章工作总结

本章参考文献

第5章知识应用与知识库完善

5.1引言

5.2相关研究工作及本章研究内容提出

5.2.1相关研究工作概述

5.2.2本章研究内容提出

5.3装配知识应用

5.3.1装配知识解方案的应用过程

5.3.2装配知识解方案的适应修改方法

5.4装配知识库完善

5.4.1知识库质量完善

5.4.2知识库数量完善

5.5本章工作总结

本章参考文献

第6章基于BOM的系统集成

6.1引言

6.2相关研究工作及本章研究内容提出

6.2.1相关研究工作概述

6.2.2本章研究内容提出

6.3飞机制造过程中的BOM

6.3.1 BOM的概念与特点

6.3.2 BOM的分类与关系

6.3.3飞机制造BOM的形成过程

6.3.4装配特征与MBOM的关系

6.4待求解问题形成与装配特征获取

6.4.1待求解装配问题形成

6.4.2装配结构特征获取

6.4.3其他装配特征获取

6.5本章工作总结

本章参考文献

第7章基于知识的飞机装配工艺设计原型系统

7.1引言

7.2系统开发策略与系统架构

7.2.1系统开发策略

7.2.2系统架构

7.2.3系统功能模块

7.3系统功能实现

7.3.1 KBA2P2系统实现技术

7.3.2主要功能模块实现

7.4系统实施若干问题思考

7.5本章工作总结

本章参考文献

第8章结束语

8.1论文工作总结

8.2论文研究创新点

8.3进一步研究工作展望

攻读博士学位期间发表的学术论文及参与课题

致谢

附录