陳進平，劉元朋*，王 振，馮憲章，張樹生

(1.鄭州航空工業(yè)管理學院 航空工程學院,河南 鄭州 450046；2.西北工業(yè)大學 機電學院,陜西 西安 710072)

工程更改(engineering change, EC)在現(xiàn)代制造企業(yè)中扮演著不可或缺的角色，它主要包括：零部件設(shè)計更改、產(chǎn)品模型更改、軟件更改等[1]。零部件設(shè)計更改在整個工程更改中占有極其重要地位，企業(yè)通過對原有零部件及產(chǎn)品進行局部設(shè)計更改，輔助繼承、重用原有部分設(shè)計結(jié)果可以顯著提高設(shè)計效率、降低設(shè)計成本并減少設(shè)計風險[2]。以航空產(chǎn)品為例，航空產(chǎn)品具有輕量化、多功能、高可靠性等特點，其研制流程是“設(shè)計-制造-試驗-修改設(shè)計-再制造-再試驗”反復迭代優(yōu)化的過程。因此，航空產(chǎn)品在研制過程中不可避免的會發(fā)生設(shè)計更改現(xiàn)象，通過設(shè)計更改可以極大提高設(shè)計效率、節(jié)約研制成本。統(tǒng)計資料表明，一架中型飛機在研制過程中的設(shè)計更改數(shù)量為 4萬～6 萬項，所有更改處理的時間占整體研制周期的1/3～1/2[3]。由此可見，設(shè)計更改已成為助力飛機研制的重要手段。

中國工程院尹澤勇院士指出我國航空裝備研制最大的短板是設(shè)計問題[4]，其中設(shè)計周期長在設(shè)計問題中表現(xiàn)尤為突出，嚴重制約了我國航空裝備的研制進程。以設(shè)計更改為主體的快速設(shè)計方法是破解我國航空裝備研制周期長有效的方法之一。迄今為止，設(shè)計更改已成為航空、航天、汽車等領(lǐng)域制造企業(yè)實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的一條重要途徑[5]。制造企業(yè)對設(shè)計更改業(yè)務的處理通常遵循工程更改管理流程，具體流程為：(1)識別更改原因；(2)提出更改方案；(3)評估更改影響；(4)授權(quán)更改方案；(5)執(zhí)行更改方案；(6)檢查歸檔方案[1]。技術(shù)人員在對上述流程操作處理中發(fā)現(xiàn)流程(3)即評估更改影響的處理最困難且耗時間[5]。如何快速準確評估設(shè)計更改影響成為工程更改理論研究面臨的新課題。尤其在航空、航天、汽車等領(lǐng)域存在大量的設(shè)計更改業(yè)務活動，對先進適用的設(shè)計更改影響評估方法及其評估軟件的需求更為迫切。相應的更改影響評估方法及其評估軟件的研究業(yè)已受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，逐步成為工程更改理論研究的前沿和熱點方向。

近年來，隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、新材料技術(shù)等交叉融合，引發(fā)了新一輪產(chǎn)業(yè)革命。應運而生的《中國制造2025》正著力推動低成本，高質(zhì)量的定制化生產(chǎn)模式以滿足個性化、輕量化、品質(zhì)化需求。由于個性化、輕量化需求等原因，迫切需要對零件進行設(shè)計更改以響應市場和客戶對新產(chǎn)品的迫切需求。因此企業(yè)亟需輔助技術(shù)人員快速評估設(shè)計更改影響的系統(tǒng)軟件工具。為此，本文開展了零件設(shè)計更改影響快速評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究，旨在解決航空制造企業(yè)中復雜零件設(shè)計更改影響的快速評估問題。

1 評估系統(tǒng)的工作原理及框架體系

1.1 工作原理

受知識重用[6-10]理論在產(chǎn)品設(shè)計、制造領(lǐng)域的啟發(fā)，將知識重用理論作為零件設(shè)計更改影響評估的基礎(chǔ)。首先，將企業(yè)以往更改案例及其影響評估的結(jié)果構(gòu)建一個知識庫；然后，輸入將待評估的案例，識別其更改特征，與知識庫中的案例快速比對，檢索出相似案例；最后，依據(jù)相似更改案例的知識，采用貝葉斯定理結(jié)合最小交叉熵求解待評估更改案例的影響值。

1.2 框架體系

根據(jù)1.1節(jié)提供的工作原理，設(shè)計了零件設(shè)計更改影響快速評估框架體系，具體圖1所示。

圖1 零件設(shè)計更改影響快速評估的框架體系Fig.1 A framework system for rapid evaluation of part design change impact

2 評估系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計目標

系統(tǒng)設(shè)計要以服務評估人員方便、友好、快速地評估零件設(shè)計更改(主要是零件幾何更改)產(chǎn)生的影響為目標，因此在系統(tǒng)設(shè)計中必須遵循以下原則：

(1)系統(tǒng)設(shè)計必須符合用戶的使用習慣，并且界面友好，使用操作方便；

(2)為保證企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的安全性，設(shè)計系統(tǒng)時，要充分考慮權(quán)限設(shè)置，對企業(yè)中的工程更改分析評估人員、更改方案決策人員分配不同賬戶和登陸密碼；

(3)信息統(tǒng)計詳細、全面，方便用戶對相關(guān)信息的管理和更新, 使評估決策人員能根據(jù)系統(tǒng)提供的評估結(jié)果，做出有效的管理決策。

2.2 評估系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

評估系統(tǒng)開發(fā)的軟件環(huán)境為：操作系統(tǒng)平臺采用Windows 10，程序開發(fā)平臺選取Visual Studio 2020，底層數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2018，軟件開發(fā)平臺為SolidWorks 2018。評估系統(tǒng)將運行于如下硬件環(huán)境：處理器為Inter(R) Pentium(R) Dual 2.8 GHz CPU，內(nèi)存為2 GB，硬盤為1 TB的PC機。本評估系統(tǒng)在開發(fā)過程中采用SolidWorks 2018軟件是由法國達索公司(Dassault)研制的一款三維產(chǎn)品設(shè)計軟件，它相比于Pro/Engineer和CATIA等軟件，價格低廉。因此，深得國內(nèi)外中小型制造企業(yè)的歡迎，在中小型制造企業(yè)使用、普及率高。SolidWorks是一個開放性軟件系統(tǒng)，它為用戶提供了開發(fā)接口。目前SoldWorks系統(tǒng)提供了兩種開發(fā)方式：VBA宏錄制和SolidWorks API函數(shù)。本文采用了SolidWorks API函數(shù)接口開發(fā)技術(shù)，以C++語言[11-14]為編程語言，進行更改影響快速評估系統(tǒng)開發(fā)。

2.3 評估系統(tǒng)功能設(shè)計

評估系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括6個功能模塊：系統(tǒng)登錄管理功能模塊、系統(tǒng)I/O功能模塊、增加更改案例功能模塊、識別更改特征功能模塊、檢索相似案例功能模塊和評估更改影響功能模塊。每個模塊都要實現(xiàn)特定的功能，例如，系統(tǒng)管理功能模塊要實現(xiàn)三個功能：用戶登錄、權(quán)限管理(授權(quán)新用戶賬號及密碼)和退出系統(tǒng)。依次類推，系統(tǒng)I/O功能模塊要實現(xiàn)兩個功能：輸入更改模型和輸出影響值。由于篇幅所限，其它另外三個功能模塊就不一一列舉。

圖2 評估系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The functional structure diagram of the evaluation system

2.4 評估系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實際評估業(yè)務需求和用戶對評估系統(tǒng)的具體功能要求，評估系統(tǒng)的主要體系結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，它包括應用層(即用戶界面)、核心算法層和底層數(shù)據(jù)層，如圖3所示。其中，應用層由系統(tǒng)主界面與各功能模塊對話框構(gòu)成，運行在Visual Studio 2020 MFC環(huán)境中，它采用了圖形化界面與用戶交互、管理、瀏覽各種數(shù)據(jù)對象；此外，它還接收用戶輸入數(shù)據(jù)，并將評估結(jié)果顯示給用戶。算法層是在Visual Studio 2020與SolidWorks 2018軟件平臺下，采用封裝算法的形式，將各個功能模塊以特定算法保存在系統(tǒng)中，并且提供應用程序接口，供用戶調(diào)用。本系統(tǒng)主要封裝了三個算法：識別更改特征算法、檢索相似更改案例算法和評估零件設(shè)計更改影響算法。數(shù)據(jù)層主要為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲服務，它包括工程更改知識庫與工程更改特征庫等，其涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2018來開發(fā)，數(shù)據(jù)表采用更改ID號來關(guān)聯(lián)相關(guān)數(shù)據(jù)信息等。每個更改案例都有唯一標識ID號，將它作為表格關(guān)聯(lián)的主鍵(primary key)，便于系統(tǒng)的查詢和檢索。

圖3 評估系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The architecture diagram of the evaluation system

2.5 評估系統(tǒng)界面設(shè)計

評估系統(tǒng)的登陸界面如圖4(a)所示，將用戶角色分為兩類：評估技術(shù)員和系統(tǒng)管理員。為保證系統(tǒng)安全性，系統(tǒng)采用密碼訪問原則。工作人員只有在輸入正確的用戶名和密碼條件下才能訪問系統(tǒng)，才可以進行更改影響評估或者系統(tǒng)維護工作。圖4(b)顯示的為系統(tǒng)主界面，界面上有三個功能按鈕：“增加更改案例”、“影響評估”和“退出系統(tǒng)”。圖4(c)顯示了增加工程更改案例的具體工作業(yè)務界面，圖4(d)顯示了具體的更改影響評估工作界面。

圖4 系統(tǒng)工作界面設(shè)計圖Fig.4 The design diagram of system working interface

2.6 評估系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)庫設(shè)計

底層數(shù)據(jù)庫選用SQLserver 2018，主要數(shù)據(jù)表包括零件設(shè)計更改案例中的更改特征表、工作人員角色對應賬戶管理表、更改影響值的存儲表等。數(shù)據(jù)表對應的部分E-R模型如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)E-R 模型圖Fig.5 The model diagram of data E-R

在數(shù)據(jù)表的設(shè)計中各屬性域值(即取值范圍)根據(jù)具體的實際情況而定，各數(shù)據(jù)表的主碼依照唯一標識、可區(qū)分原則來選取。

3 評估系統(tǒng)的驗證

本文采用文獻[15]中的更改特征樣本庫(參見表1所示)作為評估系統(tǒng)仿真驗證的數(shù)據(jù)源。從樣本中選取更改案例EC-4，進行更改影響評估實驗。首先，分別向評估系統(tǒng)導入EC-4更改前、后的零件模型；其次，通過評估系統(tǒng)的更改特征識別功能模塊識別出EC-4擁有的特征；再次，通過檢索功能模塊檢索出數(shù)據(jù)庫中與EC-4最相似的3個工程更改案例；最后，通過評估功能模塊，評估EC-4的影響值，具體結(jié)果如圖6所示。評估系統(tǒng)顯示的更改影響值為低，這與樣數(shù)據(jù)源中更改案例EC-4實際的更改影響值相同，從而驗證了評估系統(tǒng)的正確性、可行性。

表1 更改特征樣本庫[15]中的部分案例
Tab.1 Partial cases in the change feature sample base

圖6 評估系統(tǒng)工作界面Fig.6 The working interface of evaluation system

4 結(jié)論

本文開發(fā)的零件設(shè)計更改影響智能評估系統(tǒng)，有效解決了制造企業(yè)內(nèi)部零件幾何外形更改產(chǎn)生的影響評估問題，但尚未考慮多屬性更改產(chǎn)生的影響，即零件的幾何、材料、精度等屬性共同發(fā)生更改時產(chǎn)生的影響。下一步，本研究團隊將重點圍繞零件幾何、材料、精度等多屬性作用機理這一關(guān)鍵科學問題開展研究，探索多屬性更改影響評估系統(tǒng)的開發(fā)方法，從而解決制造企業(yè)的多屬性設(shè)計更改影響評估難題，助推新產(chǎn)品的研制進程。