基于數(shù)據(jù)挖掘的工藝知識(shí)管理框架與應(yīng)用模式

◎首都航天機(jī)械公司 梁丹 敖洪峰 鄧如廳 鄭恩盈

在制造企業(yè)中，與工藝相關(guān)的知識(shí)貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)、研制生產(chǎn)、經(jīng)營管理的各個(gè)過程，工藝知識(shí)是保證產(chǎn)品質(zhì)量以及企業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的重要條件之一。首都航天機(jī)械公司在科研生產(chǎn)實(shí)踐過程中積累了豐富的寶貴知識(shí)資源，既有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、科研報(bào)告、工藝文件、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等顯性知識(shí)，又有研制經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)訣竅等隱性知識(shí)。而研制經(jīng)驗(yàn)等隱性知識(shí)是以言傳身教、師傅帶徒弟的方式進(jìn)行傳承，難以實(shí)現(xiàn)有效的工藝知識(shí)以及積累和再利用。

筆者應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘的方法建立了工藝知識(shí)管理框架，分析了框架的設(shè)計(jì)原則，并對(duì)建立工藝知識(shí)管理體系所涉及的管理方法和技術(shù)進(jìn)行了探討。

一、工藝知識(shí)管理過程分析

知識(shí)管理是一個(gè)從知識(shí)積累、知識(shí)創(chuàng)造、知識(shí)應(yīng)用、形成知識(shí)平臺(tái)，到再積累、再創(chuàng)造、再應(yīng)用、形成新的知識(shí)平臺(tái)的不斷循環(huán)的過程。工藝知識(shí)作為保持企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要組成部分,對(duì)于新產(chǎn)品研發(fā)、保證產(chǎn)品質(zhì)量以及提高企業(yè)管理水平具有重要作用。因此，如何將工藝知識(shí)有效地形成記錄并實(shí)現(xiàn)再利用，是企業(yè)不斷追求的目標(biāo)。對(duì)于制造企業(yè)而言，工藝知識(shí)分散在人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)，涉及產(chǎn)品開發(fā)、原材料、加工設(shè)備和工藝裝備、加工方法與加工參數(shù)等多方面的知識(shí)，甚至包括工藝及生產(chǎn)人員豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，種類多種多樣，給工藝知識(shí)的獲取和管理帶來很大難度。

大量工藝知識(shí)產(chǎn)生于產(chǎn)品研制階段，主要表現(xiàn)形式為工藝規(guī)程、工藝技術(shù)總結(jié)、工藝總方案等工藝文件。它們主要以非結(jié)構(gòu)化的文檔形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，通過企業(yè)現(xiàn)有的工藝系統(tǒng)進(jìn)行管理和維護(hù)。航天產(chǎn)品在由研制轉(zhuǎn)為批生產(chǎn)過程中，針對(duì)已形成的工藝文件進(jìn)行知識(shí)采集和再利用。在工藝知識(shí)被利用時(shí)，需根據(jù)用戶要求對(duì)工藝文件進(jìn)行分析、對(duì)比、綜合、推理，從而形成新的知識(shí)并進(jìn)行有序管理和存儲(chǔ)，利用知識(shí)地圖、分析代理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享。企業(yè)工藝知識(shí)管理過程如圖1所示。

二、工藝知識(shí)管理框架

近年來，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，大量學(xué)者針對(duì)工藝知識(shí)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究：將數(shù)據(jù)挖掘與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，利用關(guān)聯(lián)規(guī)則描述工藝知識(shí)，以用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提取工藝知識(shí)，基于語義結(jié)構(gòu)產(chǎn)生式規(guī)則的工藝知識(shí)表示方法等。這些研究對(duì)推動(dòng)工藝知識(shí)管理技術(shù)的研究與應(yīng)用起到了積極的作用。

應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)處理工藝知識(shí)是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，不僅涉及眾多的算法，而且通過數(shù)據(jù)挖掘得到的規(guī)則需整理成一定的表現(xiàn)形式，并建立基于工藝知識(shí)的評(píng)價(jià)機(jī)制，然后轉(zhuǎn)換為可用的工藝知識(shí)存入工藝知識(shí)庫。筆者針對(duì)航天制造企業(yè)工藝知識(shí)的管理現(xiàn)狀，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提出了工藝知識(shí)管理框架。

1.制造知識(shí)管理的特點(diǎn)

知識(shí)管理主要由知識(shí)的獲取、產(chǎn)生、儲(chǔ)存與維護(hù)、傳遞、應(yīng)用、評(píng)估等幾個(gè)核心流程組成，其關(guān)鍵是以人為基礎(chǔ)的方法和技術(shù)方法與工具之間找到適當(dāng)?shù)慕M合及有效的平衡。制造企業(yè)的知識(shí)管理主要是對(duì)生產(chǎn)過程中積累的工藝知識(shí)進(jìn)行有效整合，并優(yōu)化各個(gè)環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)，形成完整的知識(shí)管理體系。

在航天制造企業(yè)的知識(shí)管理過程中，面對(duì)多品種、小批量的生產(chǎn)模式，每一次產(chǎn)品制造過程交付的各類管理和技術(shù)資料都需要進(jìn)行整理與收集，工藝知識(shí)資源龐大且零散。因此可利用信息技術(shù)，從梳理企業(yè)核心業(yè)務(wù)入手，在企業(yè)各類管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)集成和綜合應(yīng)用。在知識(shí)獲取的過程中，對(duì)工藝知識(shí)的分類方法進(jìn)行研究，設(shè)定知識(shí)點(diǎn)所具有的分類特征和知識(shí)屬性，在此基礎(chǔ)上按照多個(gè)維度設(shè)計(jì)知識(shí)獲取模型。

在知識(shí)采集過程中，使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立工藝知識(shí)獲取模型，利用挖掘模型分析工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品裝配等過程因素與產(chǎn)品質(zhì)量之間的相互關(guān)系，找出工藝參數(shù)設(shè)定、操作過程等因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度，從而有效地提高工藝水平，縮短產(chǎn)品的研制生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

2.數(shù)據(jù)挖掘的過程模式

數(shù)據(jù)挖掘是許多學(xué)科的交叉應(yīng)用技術(shù)，不僅是面向特定數(shù)據(jù)庫的檢索和查詢，更重要的是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行微觀和宏觀的統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行綜合推理，從而發(fā)現(xiàn)事件之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，甚至利用已有數(shù)據(jù)對(duì)未來活動(dòng)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

數(shù)據(jù)挖掘的過程主要包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型建立、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果分析與知識(shí)應(yīng)用幾個(gè)階段，這些階段在具體實(shí)施過程中可能需要重復(fù)多次，在完成數(shù)據(jù)挖掘的過程中，需要業(yè)務(wù)分析、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理等人員的參與。

數(shù)據(jù)挖掘首先要通過簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析明確數(shù)據(jù)挖掘?qū)ο螅J(rèn)清數(shù)據(jù)挖掘的目標(biāo)。在數(shù)據(jù)挖掘的過程中，雖然最終結(jié)果或最終結(jié)構(gòu)是不可預(yù)測(cè)的，但對(duì)數(shù)據(jù)挖掘分析的目標(biāo)問題要明確。模型的建立應(yīng)從數(shù)據(jù)分析開始，選擇合適的變量可提高挖掘的效率和準(zhǔn)確性。

在模型建立過程中，通過對(duì)多種可選模型進(jìn)行應(yīng)用分析，最終找出能解決目標(biāo)問題的最優(yōu)模型。在確定模型的過程中，需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)定的參數(shù)不斷進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果要進(jìn)行評(píng)估和判斷，實(shí)際數(shù)據(jù)分析結(jié)果與建模時(shí)的結(jié)果相比往往有一些差異，還需通過可視化工具展示數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果，并進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果的差異性和可用性。

圖1 工藝知識(shí)管理過程

3.工藝知識(shí)管理體系框架

工藝知識(shí)包含的類型一般分為工藝實(shí)例、工藝規(guī)則、工藝資源等，知識(shí)獲取就是抽取領(lǐng)域知識(shí)并將其形式化的過程，通過業(yè)務(wù)流程和應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行工藝知識(shí)的數(shù)據(jù)交換與共享，從而獲得全面、系統(tǒng)、有針對(duì)性的工藝知識(shí)信息。工藝數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的信息主要是非結(jié)構(gòu)化的文檔，主要包括通用規(guī)程、工藝規(guī)范、工藝成果攻關(guān)、典型工藝方法等，在知識(shí)積累階段對(duì)非結(jié)構(gòu)化的文檔進(jìn)行有序管理并進(jìn)行存儲(chǔ)。

利用知識(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)生成有用的知識(shí)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，根據(jù)用戶的需求對(duì)有關(guān)信息進(jìn)行分析、對(duì)比、綜合、推理等形成新的知識(shí)?；跀?shù)據(jù)挖掘的工藝知識(shí)管理框架如圖2所示。

工藝知識(shí)管理框架以工藝實(shí)例庫、工藝規(guī)則庫和工藝資源庫為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)挖掘?yàn)楹诵?，通過對(duì)企業(yè)業(yè)務(wù)流程和應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，以及以非結(jié)構(gòu)化的文檔進(jìn)行存儲(chǔ)的知識(shí)庫進(jìn)行知識(shí)發(fā)現(xiàn)。通過對(duì)隱性知識(shí)的挖掘，所獲得的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)通過知識(shí)評(píng)價(jià)確認(rèn)后進(jìn)行固化，存儲(chǔ)在工藝實(shí)例庫和工藝規(guī)則庫中，實(shí)現(xiàn)工藝知識(shí)的應(yīng)用。通過數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)工藝知識(shí)的桌面推送，搭建基于知識(shí)和規(guī)則的工藝設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)等。

三、應(yīng)用實(shí)例

低溫閥門工作介質(zhì)為液氫和液氧，其零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，驗(yàn)收試驗(yàn)條件較為嚴(yán)苛，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，交付合格率較低，產(chǎn)品零件的形位公差和相互之間的匹配關(guān)系會(huì)引發(fā)箱壓高和漏量大等問題，直接影響產(chǎn)品的性能。為更好地進(jìn)行故障診斷，通過研究數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用模式找出匹配關(guān)系。

在以往產(chǎn)品的裝配和試驗(yàn)過程中記錄了大量產(chǎn)品和零件的配合尺寸、形位公差以及產(chǎn)品性能的歷史數(shù)據(jù)，影響裝配質(zhì)量的因素共計(jì)20多個(gè)。將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行清理和轉(zhuǎn)化，利用屬性權(quán)重分析算法獲得關(guān)鍵配合尺寸、形位精度與低溫試驗(yàn)性能的實(shí)際影響關(guān)系，影響最大的幾個(gè)因素便可以在實(shí)際裝配中重點(diǎn)關(guān)注。

利用關(guān)聯(lián)規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和知識(shí)發(fā)現(xiàn)，找出參數(shù)之間的相互關(guān)系及彼此影響裝配質(zhì)量的具體過程，形成可能的裝配方案。根據(jù)上述對(duì)應(yīng)變化規(guī)律制定確保低溫閥門的常溫裝配間隙、試驗(yàn)等要求，合理設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)裝配工藝控制要求，使閥門一次裝試合格率有所提高。

將歷史數(shù)據(jù)用于貝葉斯算法構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵配合尺寸、形位精度對(duì)裝配質(zhì)量的預(yù)判斷。以預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集作為模型的輸入量，由此得到裝配質(zhì)量的預(yù)測(cè)結(jié)果。利用屬性權(quán)重分析結(jié)論和關(guān)聯(lián)規(guī)則分析結(jié)論提前對(duì)工藝方案進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高了閥門一次裝試合格率。

圖2 基于數(shù)據(jù)挖掘的工藝知識(shí)管理框架