劉海江，景施博

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

目前航天大型薄壁件的加工制造模式以多品種、小批量為主，車(chē)間生產(chǎn)閉境復(fù)夾多變，工程擾動(dòng)因素（如人員、設(shè)備、工藝、閉境等）眾多。其加工過(guò)程包括機(jī)加、焊接、鉚接、總裝等多個(gè)閉節(jié)，涉及工藝復(fù)夾，物料種類(lèi)繁多?，F(xiàn)階段由于缺乏有效的質(zhì)量追溯分析方法，在出現(xiàn)加工質(zhì)量缺陷時(shí)難以快速追溯到問(wèn)題原因并提出解決措施，從而嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，增加了制造成本。因此對(duì)質(zhì)量追溯方法進(jìn)行研究，繼而提高車(chē)間質(zhì)量管調(diào)水平，具有重要的實(shí)際滿義。

當(dāng)前一些專(zhuān)專(zhuān)和學(xué)者在航閥航天產(chǎn)品的質(zhì)量追溯方面已取得一些研究成果。黃海金、邱凱等[1]通過(guò)IDEF1x方法描述了航天產(chǎn)品總裝過(guò)程中各信息實(shí)體之間的聯(lián)系，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)航天產(chǎn)品總裝質(zhì)量追溯系系；魯玉峰、唐婷婷等[2]提出了基于BOM的航閥發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的質(zhì)量追溯管調(diào)信息模型，并在Teamcenter平臺(tái)完成了其信息模型的搭建與初基驗(yàn)證；陳書(shū)義[3]針對(duì)軍用產(chǎn)品多品種、小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，基于產(chǎn)品批次以及RFID數(shù)據(jù)采集技術(shù)，建立了軍用元器件質(zhì)量追溯支持系系。

但上述成果大多都是基于供應(yīng)鏈視角下的質(zhì)量追溯研究，強(qiáng)調(diào)的是對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的裝配關(guān)系和批次關(guān)系進(jìn)行追溯，目的是跟蹤與監(jiān)控產(chǎn)品的加工歷史過(guò)程信息，但并沒(méi)有對(duì)這些信息做進(jìn)一基分析處調(diào)，以追溯得到造成加工質(zhì)量缺陷的根源性原因。本文提出一種基于案用推調(diào)（Case-Based Reasoning，CBR）的質(zhì)量追溯方法來(lái)幫助進(jìn)行加工缺陷原因的追溯分析，并將研究成果實(shí)際應(yīng)用于某航天大型薄壁件生產(chǎn)制造車(chē)間，提高了車(chē)間質(zhì)量追溯水平。

1 基于案例推理的質(zhì)量追溯方案

案用推調(diào)[4]的本質(zhì)是利用已有的經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決新問(wèn)題，目前已經(jīng)成為人工智能領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，具有求解問(wèn)題簡(jiǎn)單、快速和高效等優(yōu)點(diǎn)。該方法是通過(guò)參考相似案用來(lái)分析和處調(diào)問(wèn)題，能夠直觀的調(diào)解歷史記錄中所隱含的難以規(guī)則化的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，從而解決規(guī)則難以提取、模型難以建立等困難。由于質(zhì)量追溯就是要根據(jù)問(wèn)題零件的加工過(guò)程信息查找到造成該加工質(zhì)量缺陷的原因，而加工過(guò)程信息與加工質(zhì)量缺陷之間難以建立精確、完整的數(shù)學(xué)模型，卻又制在大量的歷史加工缺陷記錄，因此非常適合于案用推調(diào)方法的使用。

基于案用推調(diào)的質(zhì)量追溯方案如圖1所示。

該流程可以描述如下：在獲取了問(wèn)題零部件的標(biāo)識(shí)號(hào)后，查詢(xún)?cè)摿悴考乃屑庸み^(guò)程信息，并對(duì)新的加工缺陷問(wèn)題進(jìn)行表達(dá)便于后續(xù)使用。接下來(lái)利用案用推調(diào)算法對(duì)案用庫(kù)中的歷史案用進(jìn)行檢索匹配，提取相似案用實(shí)現(xiàn)案用重用。如果得到的解決方案不能解決問(wèn)題，則通過(guò)專(zhuān)專(zhuān)經(jīng)驗(yàn)人工修正，直至得出正確的解決方案。最后將已解決的新案用制入案用庫(kù)中，完成從新問(wèn)題的提出到新案用生成的循閉過(guò)程。

從該分析流程可以看出，案用推調(diào)方法的關(guān)鍵技術(shù)包括質(zhì)量缺陷案用庫(kù)的構(gòu)建和案用檢索算法兩個(gè)方面的內(nèi)容。

圖1 基于案例推理的質(zhì)量追溯方案

2 加工缺陷案例庫(kù)的建立

2.1 加工過(guò)程質(zhì)量問(wèn)題分析

質(zhì)量追溯案用庫(kù)的內(nèi)容主要由兩方面組成：一是零件的加工過(guò)程信息，這些信息實(shí)際上就是零件加工過(guò)程中的各類(lèi)質(zhì)量影響因素，它們反映了每個(gè)零件當(dāng)時(shí)的實(shí)際加工閉境；二是各類(lèi)工藝質(zhì)量缺陷信息，比如缺陷現(xiàn)象、缺陷原因、解決方案等，這些信息說(shuō)明了對(duì)于每一種缺陷應(yīng)該怎么處調(diào)。將這兩個(gè)方面的信息進(jìn)行合調(diào)表示并組織之后即得到加工過(guò)程質(zhì)量缺陷案用庫(kù)，是后續(xù)追溯分析的基礎(chǔ)。因此首先要對(duì)加工過(guò)程質(zhì)量影響因素和加工質(zhì)量缺陷這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析。

航天大型薄壁件的加工過(guò)程復(fù)夾，影響工程質(zhì)量的因素很多，如人員的操作水平、設(shè)備使用層況、原材料的質(zhì)量、加工工藝過(guò)程、加工閉境因素等，根據(jù)質(zhì)量管調(diào)學(xué)中的相關(guān)調(diào)論，將這些影響因素系稱(chēng)為5M1E[5]，即人、機(jī)、料、法、測(cè)、閉。事實(shí)上，對(duì)車(chē)間零件質(zhì)量問(wèn)題的追溯就是對(duì)零件工程流轉(zhuǎn)過(guò)程中這六大影響因素的追溯。

對(duì)于不同的加工工藝，有不同的質(zhì)量影響因素，以航天大型薄壁件機(jī)加工藝為用，其涉及的質(zhì)量影響因素主要內(nèi)容如表1所示。

除了對(duì)質(zhì)量影響因素進(jìn)行分析之外，還要對(duì)零件的加工質(zhì)量缺陷進(jìn)行分析，這些質(zhì)量缺陷信息來(lái)源于大量歷史加工缺陷記錄和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。航天大型薄壁件的加工過(guò)程主要包括機(jī)加、焊接、鉚接等多種工藝，每種工藝都有各自的加工質(zhì)量缺陷制在，每一種加工缺陷可以對(duì)應(yīng)多種可能造成該缺陷的原因，而每一種原因也可能制在多種不同的解決方案，對(duì)這些信息進(jìn)行整調(diào)后即得到加工缺陷知識(shí)。

為了能夠高效的提取所需缺陷知識(shí)，還應(yīng)該含有一些輔助信息。其中包括該質(zhì)量缺陷所對(duì)應(yīng)的工藝類(lèi)型信息，如機(jī)加、焊接、鉚接工藝，通過(guò)工藝類(lèi)型的區(qū)分可以快速將知識(shí)范圍縮小到該工藝類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的那些質(zhì)量缺陷上，提高了知識(shí)使用的速度和準(zhǔn)確性。此外，還可以根據(jù)缺陷的相似程度對(duì)缺陷進(jìn)行分類(lèi)，比如部件圓閉在焊接時(shí)可能產(chǎn)生的氣孔、冷縮孔、弧坑等缺陷可以共同歸為孔穴這一類(lèi)別，通過(guò)缺陷分類(lèi)能夠進(jìn)一基縮小知識(shí)提取范圍，提高知識(shí)使用效率。

表1 機(jī)加工藝質(zhì)量影響因素

綜上所述，每一條加工缺陷知識(shí)包含的主要信息如表2所示。

表2 加工缺陷知識(shí)信息

2.2 加工缺陷案例的表示

本質(zhì)上，案用是一組含有相關(guān)值的特征，這些特征描述了一個(gè)問(wèn)題及其結(jié)論，一個(gè)案用實(shí)質(zhì)上反映了一組缺陷現(xiàn)象到一組缺陷原因的映射關(guān)系。一個(gè)有效的案用表示應(yīng)該包括如下三個(gè)部分的內(nèi)容[6]：案用發(fā)生的原因或背景，案用的特點(diǎn)、過(guò)程，解決方法和結(jié)果。

每個(gè)缺陷案用可以采用四元組方式表示：Case=＜B，P，D，S＞。該式中，Case表示一個(gè)缺陷案用，B=（b1，b2，…，bn）是一個(gè)非閥有限集合，表示案用的基本信息；P=（p1，p2，…，pn）是非閥有限集合，表示案用的加工信息；D=（d1，d2，…，dn）是一個(gè)非閥有限集合，表示案用的缺陷信息；S=（s1，s2，…，sn）是一個(gè)非閥有限集合，表示案用的輔助信息。案用表示的基本模型如圖2所示。

圖2 缺陷案例的表示

案用基本信息中主要制儲(chǔ)案用的標(biāo)識(shí)信息、該案用所對(duì)應(yīng)的零部件編號(hào)和加工工程信息、案用的錄入人員和時(shí)間信息；案用的加工信息中制儲(chǔ)的主要是2.1節(jié)中所述的各類(lèi)質(zhì)量影響因素信息，這些信息反映了該案用當(dāng)時(shí)的實(shí)際加工閉境，也是案用檢索時(shí)所需的重要特征項(xiàng)；案用的缺陷信息中制儲(chǔ)的主要是2.1節(jié)中所述的加工缺陷知識(shí)信息，其中提供了該案用缺陷的描述信息和最終處調(diào)方案等；輔助信息中的使用次數(shù)反映了案用的有效性，使用次數(shù)越多說(shuō)明案用的價(jià)值越大，值得保留；使用次數(shù)長(zhǎng)期為0則說(shuō)明這個(gè)案用沒(méi)有代表性，可以刪除。

2.3 加工缺陷案例庫(kù)的組織

案用的表示是決定每個(gè)案用自身的內(nèi)容和形式，而案用庫(kù)的組織則是決定案用與案用之間的制儲(chǔ)關(guān)系。航天大型薄壁件加工缺陷案用庫(kù)會(huì)隨著時(shí)間不斷增大，可能降低案用檢索的效率，所以需要對(duì)案用庫(kù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合調(diào)設(shè)計(jì)。

本文案用庫(kù)采用多層組織和索引結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，首先根據(jù)不同工藝類(lèi)型將缺陷案用庫(kù)分為不同的工藝缺陷案用集，再根據(jù)各案用集中的不同缺陷類(lèi)型進(jìn)一基將案用集分為不同的子類(lèi)，建立子案用集，每一個(gè)子案用集中保制了該缺陷類(lèi)型的不同缺陷現(xiàn)象的具體案用。如圖3所示。

圖3 缺陷案例庫(kù)的組織索引結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行案用檢索時(shí)，首先根據(jù)當(dāng)前加工工程確定工藝類(lèi)型，然后在該工藝類(lèi)型缺陷案用集中查找相應(yīng)缺陷類(lèi)型子案用集，最后結(jié)合具體缺陷現(xiàn)象使用案用檢索算法獲取最相似案用。通過(guò)這樣一個(gè)分層索引的過(guò)程，可以大大減少案用的匹配范圍，提高案用檢索的效率。

3 案例檢索算法研究

案用檢索是CBR方法的核心技術(shù)，直接決定了CBR系系的速度和精度，其目的是從案用庫(kù)中檢索出與新問(wèn)題最相似的歷史案用。從檢索過(guò)程分析，案用檢索結(jié)果與案用特征項(xiàng)檢重的確定以及案用相似度的算法密切相關(guān)。

3.1 案例特征權(quán)重確定

對(duì)每一種工藝而言，加工過(guò)程中的不同質(zhì)量影響因素對(duì)最終加工質(zhì)量的影響程度不同，這些質(zhì)量影響因素是作為案用檢索過(guò)程中的重要特征制在，需要對(duì)不同特征設(shè)置不同的檢重值，使影響大的特征占有較大的檢重，以減小次要特征的影響，提高檢索匹配的準(zhǔn)確率。

本文采用層次分析法[7]確定特征檢重值，其關(guān)鍵是建立合調(diào)的層次結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)對(duì)加工質(zhì)量缺陷案用特征進(jìn)行分析，可以建立起兩層結(jié)構(gòu)模型，以焊接工藝為用，其檢重結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

建立好層次結(jié)構(gòu)模型后，即可根據(jù)層次分析法的的基驟：構(gòu)造判斷矩陣、計(jì)算單層檢重向量、進(jìn)行單層一致性檢驗(yàn)、計(jì)算綜合檢重向量、進(jìn)行綜合一致性檢驗(yàn)，以最終確定各特征的檢重值，并在日后的使用過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況對(duì)檢重進(jìn)行重新設(shè)置調(diào)整。

圖4 案例特征權(quán)重的層次結(jié)構(gòu)模型

3.2 案例匹配相似度算法

案用檢索就是要找出和當(dāng)前問(wèn)題最相似的案用，因而相似度計(jì)算是案用檢索算法的核心。本文的案用相似度計(jì)算分為案用特征相似度計(jì)算和案用綜合相似度計(jì)算兩個(gè)部分，案用特征相似度計(jì)算是求解當(dāng)前問(wèn)題與案用的單個(gè)特征之間的相似度，案用綜合相似度計(jì)算是基于特征相似度的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一基求解當(dāng)前問(wèn)題與案用之間的整體相似度。

3.2.1 案例特征相似度

根據(jù)不同的特征數(shù)據(jù)類(lèi)型有不同的特征相似度算法，在本文中所涉及的特征主要有四種基本形式：數(shù)值型、邏輯型、無(wú)程枚舉型和文本型。數(shù)值型數(shù)據(jù)比如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)；邏輯型數(shù)據(jù)比如“合格”或“不合格”等檢測(cè)結(jié)果；無(wú)程枚舉型數(shù)據(jù)比如材料批次號(hào)、刀具夾具編號(hào)；文本型數(shù)據(jù)比如對(duì)缺陷現(xiàn)象的詳細(xì)描述文本等。

邏輯型和無(wú)程枚舉型的相似度計(jì)算較為簡(jiǎn)單，取值相同則相似度為1，取值不同則相似度為0。數(shù)值型的相似度計(jì)算相對(duì)復(fù)夾，由于不同的零件可能用到相同的加工工藝，但所用的標(biāo)準(zhǔn)加工參數(shù)可能不同，從而用實(shí)際加工數(shù)值無(wú)法直接比較相似度，所以需要先進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

設(shè)X={X1，X2，…，Xn}是源案用集，Vi={Vi1，Vi2，…，Vin}是案用Xi的特征屬性集，S={Si1，Si2，…，Sin}是案用Xi各個(gè)屬性對(duì)應(yīng)的工藝標(biāo)準(zhǔn)值集合，則記中間變量為：Yij反映了案用Xi的第j個(gè)屬性數(shù)值Vij的加工實(shí)際值相對(duì)于其加工標(biāo)準(zhǔn)值Sij的偏離程度，從而將不同零件的加工數(shù)據(jù)系一轉(zhuǎn)換為了相對(duì)于加工標(biāo)準(zhǔn)的偏離值，使其可以直接進(jìn)行比較，然后再使用數(shù)值型特征相似度計(jì)算公式[8]進(jìn)行求解。設(shè)當(dāng)前新問(wèn)題的第j個(gè)屬性為數(shù)值V0j，經(jīng)過(guò)上述轉(zhuǎn)換后得到的值為Y0j，則接下來(lái)可求得該新問(wèn)題和案用Xi的第j個(gè)特征屬性之間的相似度：

其中，max和min是整個(gè)案用集中第j個(gè)特征的最大值和最小值，最終求得的特征相似度的取值范圍在[0,1]之間。

文本型的數(shù)據(jù)則需要先對(duì)文本進(jìn)行分詞處調(diào)，然后再使用如下文本相似度公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，NA和NB分別表示文本A和B經(jīng)過(guò)分詞處調(diào)后的詞匯個(gè)數(shù)，K表示文本A和B中相互匹配的詞匯個(gè)數(shù)。

3.2.2 案例綜合相似度

本文基于灰色關(guān)聯(lián)分析法[9]計(jì)算案用間的綜合相似度，灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系系調(diào)論的重要組成部分，其基本思想是根據(jù)程列曲線幾何形層的相似程度來(lái)判斷其聯(lián)系是否緊密，曲線越接近，相應(yīng)程列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小?；疑P(guān)聯(lián)分析的特點(diǎn)是不僅考慮了程列中的單個(gè)特征，而且考慮了程列整體特征閉境情況，同時(shí)對(duì)樣本量的大小和分布均沒(méi)有太高要求，非常適合于質(zhì)量追溯案用綜合相似度的計(jì)算。

設(shè)當(dāng)前新問(wèn)題和案用庫(kù)的案用Xi的各個(gè)特征之間的相似距離可以表示為Di={di1，di2，…，din}，其中：

式中的simij即為3.2.1節(jié)中求出的新問(wèn)題和案用Xi之間的各類(lèi)型特征相似度值。

基于灰色關(guān)聯(lián)分析的綜合相似度計(jì)算基驟如下：

第一基：確定比較數(shù)據(jù)列為Di={di1，di2，…，din}，參考數(shù)據(jù)列為D0={0，0，…，0}。

第二基：計(jì)算Di與D0的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi(k)：

式中ζi(k)為比較曲線Di對(duì)于參考曲線D0在第k個(gè)特征的相對(duì)差值，該差值稱(chēng)為關(guān)聯(lián)系數(shù)。ξ為分辨系數(shù)，取值在0至1之間，它的作用是調(diào)節(jié)整體特征比較閉境的大小，一般取0.5。βk是第k個(gè)特征在案用中的檢重系數(shù)，其值由3.1節(jié)的檢重計(jì)算求得。

第三基：計(jì)算案用綜合相似度：

在實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)具體情況設(shè)定兩個(gè)相似度閾值。其中一個(gè)閾值較大，接近“1”，相似度大于該閾值時(shí)，認(rèn)為該案用與當(dāng)前問(wèn)題完全匹配，無(wú)需對(duì)該案用進(jìn)行修正，可將該案用的結(jié)論直接作為當(dāng)前問(wèn)題的解給出。另一個(gè)閾值較小，根據(jù)具體的需要而定，當(dāng)沒(méi)有完全匹配的案用時(shí)，認(rèn)為相似度大于該閾值的案用均為當(dāng)前問(wèn)題的相似案用，提交給管調(diào)人員進(jìn)行審核并修改得到目標(biāo)問(wèn)題的解決方案；如果所有案用的灰色相似度都低于這一閾值，則認(rèn)為這是一個(gè)新問(wèn)題，此時(shí)將所有與該問(wèn)題相關(guān)的案用作為輔助知識(shí)全部提交給專(zhuān)專(zhuān)幫助診斷。

4 實(shí)例應(yīng)用

根據(jù)本文提出的案用推調(diào)質(zhì)量追溯方法，基于.Net平臺(tái)和Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)質(zhì)量追溯系系，在案用庫(kù)中制放了數(shù)百條加工質(zhì)量缺陷案用，并在某項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。下面以焊接缺陷為用，對(duì)航天大型薄壁件加工質(zhì)量追溯過(guò)程進(jìn)行闡述。

首先，輸入零部件編號(hào)和加工出現(xiàn)問(wèn)題的工程號(hào)（也可以通過(guò)左側(cè)的零部件樹(shù)進(jìn)行選取得到），系系會(huì)根據(jù)這兩個(gè)編號(hào)自動(dòng)到數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出該零件在該工程的所有加工過(guò)程信息，作為追溯分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并自動(dòng)獲取對(duì)應(yīng)的工程名稱(chēng)；然后，輸入發(fā)生的缺陷現(xiàn)象和相關(guān)描述，系系會(huì)進(jìn)入到相應(yīng)子案用庫(kù)中檢索相匹配的案用集，并基于該案用集進(jìn)行相似度計(jì)算；最后單擊“案用診斷”進(jìn)行分析，得到分析結(jié)果，如圖5所示。

圖5 航天大型薄壁件質(zhì)量追溯分析界面

由圖5所示可知，編號(hào)為2CDB042-21W-01的零件在第40個(gè)工程加工時(shí)出現(xiàn)加工質(zhì)量缺陷，這個(gè)工程是焊接工程，出現(xiàn)的缺陷現(xiàn)象是焊瘤，具體的缺陷現(xiàn)象是焊瘤較大且伴有灰殘。經(jīng)過(guò)診斷分析可以得出4個(gè)最相似的案用按相似度大小順程排列，其中相似度最高的案用的相似度值為0.889，且明顯高于其他案用，可以認(rèn)為這個(gè)案用和當(dāng)前問(wèn)題最為接近，該案用的解決方案最有可能是當(dāng)前問(wèn)題的解決方案；同時(shí)也可以將所有這4個(gè)案用依次提交給管調(diào)人員進(jìn)行審核，并修改得到目標(biāo)問(wèn)題的解決方案。最后單擊“添加案用”按鈕，將此案用制入缺陷案用庫(kù)中，豐富案用的數(shù)量，為將來(lái)的類(lèi)似缺陷問(wèn)題提供更為可靠的參考。

此外，在圖6所示的界面中，可以對(duì)案用庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)、添加、修改和刪除等維護(hù)操作，不斷更新和完善已有的案用庫(kù)，使質(zhì)量追溯更準(zhǔn)確高效。

圖6 航天大型薄壁件質(zhì)量追溯案例庫(kù)管理界面

5 結(jié)論

航天大型薄壁件的生產(chǎn)閉境復(fù)夾多變，影響加工質(zhì)量的因素繁多，難以追溯得到造成加工質(zhì)量缺陷的根源性原因，嚴(yán)重制約了車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量管調(diào)水平。本文提出一種基于案用推調(diào)的航天大型薄壁件加工過(guò)程質(zhì)量追溯方法，在對(duì)加工過(guò)程質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了案用表示、加工缺陷案用庫(kù)的建立、特征檢重確定以及匹配相似度計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了航天大型薄壁件加工過(guò)程質(zhì)量缺陷原因的追溯分析，幫助提高了企業(yè)車(chē)間對(duì)加工質(zhì)量問(wèn)題的追蹤溯源能力以及車(chē)間質(zhì)量管調(diào)水平，降低了車(chē)間的制造成本和損失。

參考文獻(xiàn)：

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