基于多庫(kù)支撐的軌道車(chē)輛車(chē)體焊接工藝智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于巖　王陸釗　侯震冬　關(guān)凱楠　楊鑫華

摘要：焊接生產(chǎn)是軌道列車(chē)車(chē)體生產(chǎn)中最重要工藝手段之一。優(yōu)化車(chē)體生產(chǎn)工藝，尤其是優(yōu)化焊接工藝文件的編制過(guò)程，是提高車(chē)體生產(chǎn)效率、保證車(chē)體焊接質(zhì)量的重要方式和途徑，也是車(chē)體焊接工藝的重要研究?jī)?nèi)容。軌道車(chē)輛車(chē)體生產(chǎn)過(guò)程中因車(chē)型及組成部件復(fù)雜且使用材料不同使得規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)及知識(shí)具有不通用性，往往需要多個(gè)智能系統(tǒng)以滿(mǎn)足車(chē)體生產(chǎn)的需求。這不僅增加了開(kāi)發(fā)成本和工作量，而且不同系統(tǒng)的切換會(huì)導(dǎo)致工作效率降低及交互性變差。針對(duì)上述問(wèn)題，提出構(gòu)建多種類(lèi)庫(kù)操作，并通過(guò)多種庫(kù)的自由切換和動(dòng)態(tài)管理滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，減少開(kāi)發(fā)成本、優(yōu)化用戶(hù)操作性和提高實(shí)際生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：軌道車(chē)輛;車(chē)體焊接;工藝文件編制;智能系統(tǒng);多種類(lèi)庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）12-0022-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.06

0 前言

焊接工藝是軌道車(chē)輛車(chē)體生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的工藝方法之一。車(chē)體焊接生產(chǎn)中，焊接工藝設(shè)計(jì)和相應(yīng)的工藝文件編制水平、效率與質(zhì)量一直是其中重要工作的內(nèi)容。焊接工藝文件編制過(guò)程的發(fā)展可以分為三個(gè)階段：純手工編制階段、輔助手工編制階段和智能化編制階段[1]。傳統(tǒng)的依靠人工的方法對(duì)工程技術(shù)人員的依賴(lài)度較高，且效率低，數(shù)據(jù)冗余度較高，涉及的項(xiàng)目、部件、焊工、設(shè)備等相關(guān)信息可重用性低，特別是對(duì)小批量、多品種產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)，其不足尤為明顯。隨著各行業(yè)知識(shí)交叉應(yīng)用深度的提高，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能化技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)代替人工操作或者人工干預(yù)的方式，實(shí)現(xiàn)車(chē)體工藝文件自動(dòng)化編制是該項(xiàng)工作的發(fā)展趨勢(shì)。焊接智能系統(tǒng)最早在20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始進(jìn)行研究[2]，如：美國(guó)焊接研究所完成了可為用戶(hù)選擇SMAW、GMAW、FEAW等焊接方法的焊條或焊絲的Weld selector系統(tǒng)[3];英國(guó)焊接研究所的Lucas W團(tuán)隊(duì)完成了焊接保護(hù)氣體系統(tǒng)Gas Selector[4];日本大阪大學(xué)焊接研究所的WELSYS主要用來(lái)解決有關(guān)壓力容器制造行業(yè)的焊接工藝問(wèn)題。我國(guó)在該領(lǐng)域從基礎(chǔ)理論、算法到工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)也都取得了較好的進(jìn)展，如南昌航空工業(yè)學(xué)院的方宇洞與陳圣鴻共同研發(fā)的“焊接方法選擇智能化系統(tǒng)”等;哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合廣東湛江發(fā)電廠共同研發(fā)了鋁合金焊接工藝設(shè)計(jì)智能化系統(tǒng)[5]，沈喜慶等[6]、吳葉軍等[7]分別針對(duì)承壓設(shè)備開(kāi)發(fā)了焊接工藝設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)，大連交通大學(xué)聯(lián)合中車(chē)唐山機(jī)車(chē)輛有限公司共同研發(fā)了軌道車(chē)輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接工藝文件智能編制系統(tǒng)并投入應(yīng)用[1，8]，王巧玲等[9]開(kāi)發(fā)了航空用焊接數(shù)據(jù)庫(kù)及專(zhuān)家系統(tǒng)平臺(tái)。

軌道車(chē)輛車(chē)體因其分類(lèi)和組成的復(fù)雜性和多樣性，會(huì)出現(xiàn)知識(shí)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則不通用的問(wèn)題。兼顧軌道車(chē)輛車(chē)體焊接生產(chǎn)及其工藝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，以構(gòu)建多數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)和人工智能技術(shù)，通過(guò)多庫(kù)數(shù)據(jù)共享和自由切換，實(shí)現(xiàn)車(chē)體焊接工藝文件的智能編制、數(shù)據(jù)管理、共享以及線(xiàn)上審批、簽核等功能，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)體焊接工藝文件系統(tǒng)的智能化、信息共享化及綠色無(wú)紙化，有效解決實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題，充分滿(mǎn)足實(shí)際操作和業(yè)務(wù)的需求。

1 車(chē)體焊接工藝智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的前提，系統(tǒng)構(gòu)架及結(jié)構(gòu)層次的合理性決定著系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)易程度、用戶(hù)操作難易程度、后期維護(hù)難度以及實(shí)用性等多個(gè)方面。合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)在參考部署環(huán)境和用戶(hù)需求的同時(shí)，也應(yīng)盡量輕化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次，提高用戶(hù)操作性及可維護(hù)性。

1.1 網(wǎng)絡(luò)模式選擇

軟件系統(tǒng)的模式一般分為B/S（Brower/Server）模式和C/S（Client/Server）模式，其中C/S模式優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）C/S模式無(wú)需依賴(lài)網(wǎng)頁(yè)界面且操作界面樣式結(jié)構(gòu)豐富，可充分降低系統(tǒng)操作難度，提高用戶(hù)的交互性。

（2）C/S模式可以充分利用計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境，有利于第三方交互。

（3）C/S網(wǎng)絡(luò)模式為雙層架構(gòu)，可以有效的提高系統(tǒng)相應(yīng)速度，從而提升系統(tǒng)的操作流暢度。

考慮到實(shí)際焊接生產(chǎn)環(huán)境、后續(xù)維護(hù)擴(kuò)展、網(wǎng)絡(luò)安全性、系統(tǒng)性能及相應(yīng)速度等因素，選擇C/S模式作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)模式。

1.2 模塊化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化設(shè)計(jì)思路，通過(guò)業(yè)務(wù)功能將系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、文件編制以及審批流程四大模塊，并且在四大功能模塊下進(jìn)行子模塊的劃分。這種劃分可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次更加明確，用戶(hù)操作更加便捷。其次，功能模塊化科降低各功能之間的耦合性，更加有利于后期維護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊如圖1所示。

1.3 多庫(kù)設(shè)計(jì)

軌道車(chē)輛車(chē)體由側(cè)墻、端墻、底架等多種重要組裝部件構(gòu)成。焊接生產(chǎn)過(guò)程中因?yàn)檐?chē)型不同或者各組成部件的材料構(gòu)成不同，將導(dǎo)致推導(dǎo)規(guī)則、行業(yè)參考標(biāo)準(zhǔn)及知識(shí)庫(kù)的不通用性。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)多種材料庫(kù)、材料相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)以及對(duì)應(yīng)知識(shí)庫(kù)，能夠更好的滿(mǎn)足車(chē)體焊接工藝文件智能編制的需求，這也是系統(tǒng)功能成功實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

實(shí)際車(chē)體焊接生產(chǎn)裝配中，材料的種類(lèi)往往直接影響著工藝文件編制中使用的知識(shí)、標(biāo)準(zhǔn)和推理規(guī)則?？紤]實(shí)際工藝生產(chǎn)中使用材料，將材料分為鋼材和鋁材，并按照材料和其對(duì)應(yīng)經(jīng)驗(yàn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的知識(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 車(chē)體焊接工藝智能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。所實(shí)現(xiàn)的功能包括智能編制功能、多種庫(kù)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建功能、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)維護(hù)功能及審批簽核功能等。

2.1 智能編制功能的實(shí)現(xiàn)

車(chē)體焊接工藝文件的智能編制功能是智能化技術(shù)、信息化技術(shù)及傳統(tǒng)編制方法有效結(jié)合的產(chǎn)物，是完成工藝文件編制的核心環(huán)節(jié)。智能編制功能的實(shí)現(xiàn)由知識(shí)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)及推理機(jī)制等完成。

知識(shí)庫(kù)是行業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容的集合，是完成智能推理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其主要可以分為事實(shí)性知識(shí)、描述性知識(shí)、過(guò)程性知識(shí)及規(guī)則性知識(shí)等[4]。規(guī)則庫(kù)是按照某種方式獲取知識(shí)以得到目標(biāo)內(nèi)容的規(guī)則集合?？筛鶕?jù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用情況分為動(dòng)態(tài)規(guī)則和靜態(tài)規(guī)則[5]。推理機(jī)制是按照領(lǐng)域?qū)＜业乃季S，完成整個(gè)推理過(guò)程的順序邏輯機(jī)制。焊接工藝文件智能系統(tǒng)可通過(guò)三者間的共同作用實(shí)現(xiàn)工藝文件智能編制的功能，基本功能實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

2.2 庫(kù)和數(shù)據(jù)管理功能的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)是系統(tǒng)運(yùn)行和操作的基礎(chǔ)內(nèi)容?；诙鄮?kù)的焊接工藝文件智能編制系統(tǒng)，其各庫(kù)之間結(jié)構(gòu)邏輯相對(duì)復(fù)雜且數(shù)據(jù)量較大。因此，數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)是多庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)鋼材、鋁材、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)以及對(duì)應(yīng)的子數(shù)據(jù)庫(kù)（知識(shí)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)等），并通過(guò)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)的方式實(shí)現(xiàn)后續(xù)材料庫(kù)的擴(kuò)展，而對(duì)其子庫(kù)同樣通過(guò)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建表結(jié)構(gòu)、選擇表功能及動(dòng)態(tài)添加數(shù)據(jù)的方式完成。

針對(duì)多種類(lèi)庫(kù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜及數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)維護(hù)總表和維護(hù)子表，并通過(guò)動(dòng)態(tài)生成的方式建立總表和子表間的維護(hù)關(guān)系。為進(jìn)一步提高用戶(hù)交互性，設(shè)置office接口，用戶(hù)可通過(guò)定義模板、導(dǎo)出模板、導(dǎo)入模板及導(dǎo)出數(shù)據(jù)的方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和Excel文件的互通，基本結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

2.3 審批功能的實(shí)現(xiàn)

線(xiàn)上審批是實(shí)現(xiàn)工程生產(chǎn)綠色無(wú)紙化的重要途徑，其不僅能夠減少線(xiàn)下傳遞的工作，而且符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。實(shí)際生產(chǎn)中因工藝文件類(lèi)型眾多，且審批簽核等級(jí)不盡相同，因此需要針對(duì)文件設(shè)定特定的審批等級(jí)。其次，根據(jù)實(shí)際需求，需要針對(duì)每類(lèi)文件設(shè)置特定的審批人員，并且參考線(xiàn)下流程設(shè)置通過(guò)和駁回操作環(huán)節(jié)?；玖鞒倘鐖D5所示。

3 實(shí)現(xiàn)界面與工程應(yīng)用

系統(tǒng)在C/S構(gòu)架的基礎(chǔ)上進(jìn)行了界面設(shè)計(jì)，其中主界面如圖6所示，包括了系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理、文件編制、審批流及多庫(kù)自由切換等功能。

工程應(yīng)用反饋是評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義的有效參考標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用反饋，在保證標(biāo)準(zhǔn)化和準(zhǔn)確率的前提下，應(yīng)用本系統(tǒng)編制效率大約可提高50%。其中多庫(kù)操作模式在完成業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，還能有效降低用戶(hù)的操作難度，具有較高的實(shí)用性。

智能系統(tǒng)是在標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上運(yùn)行的，這也從側(cè)面促進(jìn)了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)。其次，將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)以固定格式進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)C/S模式實(shí)現(xiàn)信息共享，為企業(yè)信息化的實(shí)現(xiàn)提供了參考。針對(duì)企業(yè)需求的定制性設(shè)計(jì)，可有效減少人工干預(yù)程度，為完全智能化的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。焊接工藝文件編制作為焊接生產(chǎn)中的重要部分，其智能化的實(shí)現(xiàn)能夠加速產(chǎn)業(yè)智能化和工程一體化的進(jìn)程。

4 結(jié)論

焊接工藝智能化系統(tǒng)是焊接工藝生產(chǎn)與智能化技術(shù)深度交叉的產(chǎn)物，是符合行業(yè)發(fā)展和需求的重要內(nèi)容。多種類(lèi)庫(kù)的焊接工藝智能編制系統(tǒng)可有效解決軌道車(chē)輛車(chē)體焊接工藝文件編制中存在的知識(shí)、規(guī)則及經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)通用性差的問(wèn)題。系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)工藝文件自動(dòng)編制功能、多種數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建功能及審批簽核流程等功能，實(shí)現(xiàn)了車(chē)體焊接工藝文件的自動(dòng)化編制。并進(jìn)一步針對(duì)多庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，使用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理的方式可增強(qiáng)系統(tǒng)維護(hù)性和可管理性。系統(tǒng)的試用情況表明，應(yīng)用本系統(tǒng)在提高編制效率50%的同時(shí)，還能夠?yàn)槠髽I(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、智能化及工程一體化的實(shí)現(xiàn)，提供參考和奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2020-09-03

基金項(xiàng)目：中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司科技項(xiàng)目（P81906）

作者簡(jiǎn)介：于 巖（1987— ），男，碩士，工程師，主要從事軌道車(chē)輛焊接工藝及質(zhì)量控制的研究工作。E-mail：191813201@qq.com。