基于典型工藝的相似工藝路線檢索方法

羅年猛，李 雄

（華中科技大學 國家企業(yè)信息化應用支撐軟件工程技術研究中心，湖北 武漢 430074）

0 引言

相似零件的工藝有70%～80%的相似性［1］，故企業(yè)在進行新的工藝設計時，迫切需要參考已有的相似實例，重用以往的工藝知識。工藝知識的獲取與重用的研究大多集中在工藝設計開始階段，基于零件相似性采用實例推理的方法獲取相似實例［2－4］；而在工藝設計過程中，在工藝路線已被初步制定的情況下，可以基于工藝路線相似性獲取已有的相似實例，從另一視角為工藝設計過程提供參考實例與工藝知識。

為了從另一視角重用以往的工藝知識，本文提出了基于典型工藝路線的聚類獲取，從最相似的一個或多個典型工藝路線聚類組中檢索出相似工藝路線的方法。

1 工序編碼表達

企業(yè)在工藝設計過程中積累了大量的工藝路線數(shù)據(jù)，為了便于工藝路線的識別、處理以及相似度計算，需要對工藝路線進行編碼。

對于工藝路線Xm＝（x1，x2，…，xi，…，xm）中的工序xi，采用柔性編碼方案［5］進行編碼，將工序表達為大類、中類、小類、工序細化參數(shù)類的層次結構。

參考機械行業(yè)標準JB／T5992.1，對工序進行編碼。對于企業(yè)中實際存在的工序類型（大類、中類、小類編碼相同的工序為同一類型），結合專家經(jīng)驗，預先確定此類工序所需的細化參數(shù)的類別及其對工序的影響權值、某類參數(shù)可提供的具體選擇，對工序的細化參數(shù)進行分類編碼，建立如表1所示的工序細化參數(shù)編碼表。

為便于衡量工序相似性，將工序xi編碼為：

其中：Li1，Li2，Li3分別表示當前工序xi的大類、中類、小類信息；Cik表示工序中第k類參數(shù)的具體選擇；Qik表示第k類參數(shù)對工序的影響權值。

例如三道工序：鏜Φ2孔、磨外圓、磨平面。根據(jù)上述工序編碼方案，其編碼形式依次為：316（01，0.5，00，0.3，2，0.2），321（01，0.7，2，0.3），321（00，0.7，2，0.3）。示例說明同類型的工序其編碼形式一致，而不同類型的工序其編碼維度不同，且編碼所代表的工藝含義也完全不同。

表1 工序細化參數(shù)編碼表

2 工藝路線相似度計算

為計算工藝路線間的相似度，文獻［6］采用歐式距離的計算方法，文獻［7］采用最長公共子序列的計算方法，文獻［8］采用多級最長公共子序列的計算方法。工藝路線數(shù)據(jù)實際為維度不確定的多維序列數(shù)據(jù)，且需要更嚴格的區(qū)分不同的工序，故本文在多維最長公共子序列［9］的基礎上，提出了適合于檢索過程中工藝路線相似度的多維工藝路線最長公共子序列算法。

對于兩條工藝路線Xm＝（x1，x2，…，xi，…，xm）與Yn＝（y1，y2，…，yj，…，yn），其中工序xi與yj的編碼形式依次為：

當兩工序的前三位編碼一致時，有Qik＝Qjk，或Qik，Qjk中有一個為零值。

對于上述兩條工藝路線，采用多維工藝路線最長公共子序列算法計算其相似度SIM：

其中：MLCS′（Xm，Yn）為兩工藝路線間多維最長公共子序列的長度，其遞推式為：

其中：θ為預先設定的工序相似度閾值；sim（xi，yj）為當前工序xi與yj的相似度：

其中：Q為工序細化參數(shù)的影響權值之和，Q＝0表示至少有一道工序的細化參數(shù)沒有選??；α為一般相似度。

例如，有工藝路線A：下料－車削－銑削（粗銑平面）－淬火－車削－磨削（磨外圓）－鉗工；以及工藝路線B：下料－車削－調質－銑削（精銑平面）－車削－磨削（磨平面）－鉗工。對兩工藝路線進行編碼，同時為簡化說明，只對其中的銑削及磨削工序的細化參數(shù)進行編碼，工藝路線A編碼為：711－311－312（00，0.6，3，0.4）－513－311－321（01，0.7，2，0.3）－356；工藝路線B編碼為：711－311－515－312（00，0.6，2，0.4）－311－321（00，0.7，2，0.3）－356。

依據(jù)上述相似度計算方法，兩工藝路線中銑削工序相似度sim＝0.6，磨削工序相似度sim＝0.3。若θ＝0.6，則磨削為不同工序，兩工藝路線間多維最長公共子序列長度 MLCS′＝5，相似度SIM＝0.71；若θ＝0.8，則磨削、銑削均為不同工序，兩工藝路線間多維最長公共子序列長度 MLCS′＝4，相似度SIM＝0.57。示例說明了工序細化參數(shù)對工序相似度及工藝路線相似度的影響。

3 工藝路線檢索方法

3.1 典型工藝路線獲取

典型工藝路線是指企業(yè)實際生產(chǎn)中典型的、普遍適用于同類型零件的加工方案，同類型新零件的工藝方案在典型工藝路線的基礎上通過少量的工藝修改即可獲取?，F(xiàn)有的研究多采用聚類劃分的方法以獲取典型工藝路線，本文采用文獻［8］中的方法獲取典型工藝路線以及聚類分組結果，后續(xù)的檢索方法將在此基礎上展開。

3.2 基于典型工藝路線的檢索方法

在獲取典型工藝路線聚類分組的基礎上，采用多維工藝路線最長公共子序列算法計算新工藝路線與已有的典型工藝路線間的相似度，對于相似度不滿足閾值要求的典型工藝路線及其聚類分組，不參加后續(xù)檢索計算，從而過濾不相關工藝路線。

根據(jù)實際需要，選取相似度最高的一個或多個典型工藝路線聚類分組作為候選工藝路線，再次使用多維工藝路線最長公共子序列算法計算新工藝路線與候選工藝路線間的相似度，按照計算出的相似度大小依次呈現(xiàn)檢索結果。

4 實例驗證

本文以企業(yè)實際的工藝路線數(shù)據(jù)為例，說明檢索相似工藝路線的過程。從企業(yè)工藝路線數(shù)據(jù)庫中隨機選取20條工藝路線進行編碼表達，由于第2節(jié)中的實例已說明了工序細化參數(shù)對工藝路線相似度的影響，故為簡化示例、側重說明過濾檢索過程，實例中的工序只列出前三位編碼，如表2所示。

表2 工藝路線數(shù)據(jù)

采用文獻［8］中的方法進行聚類劃分以獲取典型工藝路線以及相應的聚類分組，得到3個聚類分組。聚類分組1：｛1，2，3，4｝，聚類分組2：｛5，6，7，8，9｝、聚類分組3：｛10，11，12，13，14，15｝。每個聚類分組對應的典型工藝路線分別為：工藝路線2，工藝路線8，工藝路線12。

對于新缸體零件，其新制定的初步工藝路線為：鑄造－時效－車削－車削－鉆削－銑削－鉗工。由于其中工序的細化參數(shù)還沒有選定，故其細化參數(shù)編碼均取零值，前三位編碼形式為：021－518－311－311－315－312－356。

現(xiàn)在需從上述15條工藝路線中檢索出相似實例以供參考，設定當前需要檢索到的相似工藝路線的最低相似度為SIM＝0.75。

采用多維工藝路線最長公共子序列算法計算新工藝路線與已有的3條典型工藝路線2，8，12間的相似度，結果分別為：0.33，0.42，0.86，從而過濾掉聚類分組1以及分組2，只有聚類分組3中的6條工藝路線成為候選工藝路線。

然后再次使用多維工藝路線最長公共子序列算法計算新工藝路線與6條候選工藝路線間的相似度，結果如表3所示。

最終檢索出的滿足最低相似度SIM＝0.75的相似工藝路線按相似度大小排列依次為｛12，14，10｝。然后按工藝設計的實際需求從中選取適當?shù)膮⒖紝嵗?/p>

5 結論

（1）提出了多維工藝路線最長公共子序列算法，能夠充分利用工序中包含的各類信息，更細致地度量工藝路線間的相似性。

（2）設計了基于典型工藝路線的過濾機制，預先過濾掉不相關的工藝路線，從而減小相似工藝路線檢索的范圍。

表3 檢索計算結果

［1］ 陳宗舜.機械制造業(yè)工藝設計與CAPP技術［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［2］ 朱文博，李愛平.基于工藝相似的沖壓件實例檢索方法［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2007，13（4）：721－726.

［3］ 龍紅能，殷國富，成爾金，等.基于實例推理的相似工藝度量算法［J］.四川大學學報（工程科學版），2004，36（1）：77－82.

［4］ 晁永生，劉海江.基于焊裝工藝相似的白車身零件實例檢索［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2011，17（1）：30－35.

［5］ 曹小波.基于優(yōu)先工序序列實例的CAPP策略及其關鍵技術研究［D］.西安：西北工業(yè)大學，2005：32－34.

［6］ Liu S，Zhang Z.A typical process route discovery method based on clustering analysis［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，35（1／2）：186－194.

［7］ 劉偉，劉振宇.基于工藝相似性的產(chǎn)品模塊構建方法及其應用［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2010，22（10）：1547－1554.

［8］ 張輝，裘樂淼，張樹有，等.基于智能聚類分析的產(chǎn)品典型工藝路線提取方法［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2013，19（3）：490－498.

［9］ Vlachos M，George K.Discovering similar multi－dimensional trajectories［G］／／Proceedings of 18th International Conference on Data Engineering.San Jose：CA ，2002：673－684.