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采用基于案例推理（CBR）的造船分段装配规划
摘要：使用基于案例的推理（CBR）的过程规划系统被开发用于造船中的分段装配。分段装配规划问题被建模为约束满足问题，其中分段装配操作之间的优先关系被认为是约束。为了找到类似的情况，我们提出两个相似系数，用于发现相似的情况和发现类似的情况下，基于他们在组装中的角色，然后匹配与之匹配了的分段之间的关系。首先考虑更多操作中涉及的分段部件。过程计划系统被应用于简单的例子以用于验证和比较。还开发了用于从CAD模型提取信息，准备用于过程计划的数据以及用于视觉验证装配顺序的交互系统。
关键词：分段装配；工艺方案；案例推理；相似系数；约束满足问题。
1.前言
工艺规划（生产设计）是将图纸或CAD模型中指定的设计信息转换为诸如操作，装配，夹具和固定装置（胎架和船台），工具，加工条件和机器等制造（加工）信息的活动。它还估计工时，并将结果发布为工序流程表。由于工艺规划（生产设计）专家的数量在减少，并且手工过程规划可能是主观的和不一致的，已经做出巨大努力来建立基于它的知识库和计算机辅助工艺规划（CAAP）系统。CAAP系统可以分为三种类型：变体类型，生成类型和自动类型。变型CAAP系统通过修改类似部件的过程计划来生成部件的生产计划。 有时它指的是多个部分的多个流程计划。它被工业认为是实用的，因为它利用隐含地存储在现有工艺规划（生产设计）中的领域知识。 生成CAAP系统基于部件的制造特征选择操作，并且使用知识库确定操作的顺序。 知识库可以具有各种形式，但是不管其形式如何，知识库包含关于制造特征和操作之间的匹配的知识以及操作之间的优先级。 自动CAAP系统包含特征识别功能，通过识别存储在CAD模型中的制造特征，自动生成CAAP系统（通常是生成系统）的输入。
虽然在加工领域已经报道了许多关于CAAP的研究，但是在其他领域报告的研究很少，例如造船工业的分段装配。船体建有数百个分段。 一个船体分段由船体外板，纵骨和横梁组成(Okurmoto amp; Matsuzaki, 1997)。装配过程包括三种操作（图1）：对接焊（对接），通过其他零件（穿过）和角焊（圆角）。由于基于干涉，变形和专有技术的过程排序的原理不能容易地制定，只能由有经验的技术人员确定装配顺序。自然地，装配工艺/计划可以随人而异。 因此，必须使装配工艺/计划一致以提高生产率。 同样重要的是具有自动生成替代装配方案的系统，以便使分段装配车间实现自动化。Cho, sun, and Oh (1999) 开发了一种用于分段焊接操作计划系统的专业系统，其中系统可以确定焊接姿态，焊接方法和焊接机器。Cho, Lee, and Chung(1996)早期开发了用于大型分段装配规划系统，其可能需要分段翻身。 他们使用基于案例的推理（CBR）方法，使用描述性索引方案(Maher，Balachandran，amp;Zhang，1995)，其中基于船舶类型，船体形状和分段数量将案例分为几组。在确定装配顺序时，检索类似组中的分段以找到类似的分段。 相似的组别容易识别，因为它们已经由属性分类。 这种方法是有效的，但它可以解决的问题类型有限。
图1连接类型。 （a）角接（p1，p2）（b）对接（p1，p2）（c）贯穿（p1，p2）
2. 分段装配过程规划系统
根据船舶的类型和外形，船体分段具有不同的形状，因此其装配顺序往往不同。根据主船体的部位，一条船的船体分段包括具有不同的形状。例如，散货船的中部由几个方块组成，例如双层底部，料斜边舱，舷侧结构，顶边舱，甲板结构和舱壁(Park amp; Kang, 1999)，然而，船体分段基本上是用板，桁架和扶强材制成的。 通过避免零部件之间的干扰，并通过最小化焊接过程中的变形来确定分段装配的公差和几何公差来确定可行的装配顺序。
图2 分段装配规划系统
在此研究中，我们构建了一个案例库，其中将分段单元的建造流程规划示例设计为约束满足问题，并利用案例库开发流程规划系统。整体系统如图2所示。 首先，从CAD模型中提取块模型的BOM（物料清单）数据，使用该模型定义零部件之间的关系，CASP（计算机辅助顺序规划程序）使用基于案例的推理确定装配顺序。在装配计划被验证之后，生成用于机器人焊接操作的程序。 机器人模块正在开发中，本文没有描述。
我们提出一个CBR CAAP系统用于小型分段的自动装配计划/工艺。 在我们的系统中，部件之间的拓扑关系被考虑，使得来自不同类型的船的分段被考虑，使得可以检索来自不同类型的船和来自船舶的不同区域的分段。 在实现所提出的方法中使用专业船体系统CLIPS（http//www.ghg.net/clips/CLIPS.html）。
3.案例推理
在CBR方法中，知识作为案例存储。 案例由问题定义部分和解决方案部分定义。 CBR系统通过找到类似案例并调整检索到的解决方案来解决问题（Kolodner＆Leake，1996）。CBR方法已经应用于许多工程问题，如制造工艺设计，检验和知识管理（Liao，2005）。为了使搜索过程更容易，案例库建立了各种索引方案。 索引方案可以分为描述性方案和关系方案（Mather et al，1995）。 使用描述性方案，案例首先根据属性值进行分类，并由案例库中的组存储。Tsai, Chiu, and Chen,2005年使用了一个描述性方案，他们将案例分组，并为每个组分配了一个代表性的案例，他们称之为一个不同年份的案例。 找到一组类似的问题与不同年份的案例情况之间的差距。关系方案侧重于属性之间的结构关系。 它使用FBS（函数，行为，结构）模型，因果关系模型或定性模型来表示结构关系。 如果使用关系方案，只要案例具有相同的结构关系，我们可以利用其他领域的案例。 例如，我们可以参考建筑施工领域解决机械装配问题的案例。Pu和Purvis（1990）将CBR应用于机械装配规划问题。 他们将案例定义为约束满足问题，并使用结构映射方法，这是一种关系方案，用于检索类似案例。 它们将两部分之间的装配关系定义为INSIDE，SHAFT-HOLE等。如果问题中的零件对与案例中的另一对具有相同的关系，则认为两个关系之间存在对应关系。 该系统通过使用最近领域相似性度量来找到最相似的情况。 描述性方案可以更快地解决问题，因为所有的情况都是按照排序存储的，但它的应用程序区域可以被限制。 关系方案更适合于复杂的问题，如设计或规划问题。
一旦检索到类似的情况，就可以得到一个初始解决方案，它是最类似案例的解决方案的副本。 如果初始解决方案不能令人满意，则进行适应过程。 在适应过程中，专家系统有时使用利用一般知识。
Cho等人，1996年在造船的分段装配规划中应用了CBR方法。 按船舶类型，船体形状和分段组号的情况存储在树型数据结构中。 当给出分段模型时，他们的系统搜索特定的组以获得类似的情况。
在本研究中，关系方案用于索引基于案例，并且使用相似性索引来找到类似的情况。 如果我们使用描述性方案，其中分段装配案例由船舶分组，并且船体不能使用。 结构映射是一种有吸引力的方法，但是通过关系名称，只有在找到一小组候选作为对应关系时才会有问题，因为在分段装配中只存在几种类型的关系，即对接焊缝，角焊和通过关系 。 而且，部件匹配更为有效，因为部件数量小于部件之间的关系数量。图3显示了一个船体分段及其部分关系图，其中节点是部分，实心有弧线是圆角操作，点划线弧通过操作，虚线是对接操作。 节点的形状表示部件的类型。 假设我们正在比较一个案例和与图3相同的问题大小的问题，我们需要考虑7x7匹配的匹配和匹配的15x15匹配的匹配。 因此，我们首先找到匹配的部分，然后找到匹配关系。
图3 分段和关系图
3.1 代表案例
分段装配计划的案例可以定义为公式 （1）。
（1）
其中，Ck代表一个案例，Pk是组合的一组零件，Rk是零件对之间的一组关系（组装操作），Nk（Rk）是组装过程中要满足的关系之间的一组约束，Nk（ Rk）是一组解决方案（汇编序列）。 因此，情况基数B可以表示为B = {Ck}，一组情况。 然后，分段组合问题可以表示为等式 （2）。
（2）
其中，QA是要组装的一组零件，RA是零件对之间的一组关系。 设定NA（RA）和解集SA（RA）的约束是组装计划员找到的集合。 因此，使用CBR的分段装配规划问题是从类似的案例集中找到{NA（RA），SA（RA）}。
表1示出了采用公式 （1）分段装配问题。 案例由以begin-case和end-case定界的属性定义。 这些属性由组装的部分组成，在组装过程中要完成的关系（操作），组装过程中要保持的关系之间的约束以及解决方案。 在表1的部分属性中，r1和r2是肋骨部分，pl是板等。在关系属性中，变量定义为关系。 这些变量是为关系定义的。 变量v1表示定义p1和p2之间的对接关系的变量，v9表示通过部分g2和r2之间的关系定义的变量。
表1 代表性案例
在焊接和贯穿操作等关系的定义中，零件不可交换。 第一部分和第二部分在运作中有不同的作用。 例如，圆角（a，b）和圆角（b，a）是不同的操作。关系的约束来自几何干涉，由特定操作顺序引起的偏转以及基于经验的其他规则。代表性方案与机械装配问题（Pu＆Purvis，1990）和机械加工（Fuh，Chang，＆Melkanoff，1996）中使用的方法类似。约束在两个关系之间定义。 有一个优先规则，其中一个关系应该在另一个之前执行，两个关系将连续完成的分组规则。 例如，在表1中，“v9 v11”表示v9，表示移动g2至r2的操作，应在v11之前进行，表示p2上的g2的焊脚焊接。 “= v2.v3”表示v2和v3操作属于同一组，因此应该在两个操作之间进行两个操作，而不进行其他操作。 “或v8 v9”表示如果v8或v9操作完成，则另一个不必要。 解决方案是关系的有序列表，其中每个关系具有与其在列表中的位置相对应的数值。 在表1中，v1等于1，v3等于2，v2等于3等。
在本研究中，我们使用CLIPS来构建案例库。 CLIPS是一种能够进行列表处理的专家系统shell。 下面显示了一个用于定义案例的模板。
一个案例有部分插槽，关系插槽，约束插槽和解决插槽。 每个元素的每个插槽与由CLIPS处理的事实地址相关联。 我们的流程规划系统解析表1中表示的数据，并使用模板存储案例。 以下显示运行时存储的情况。 事实地址由CLIPS在执行期间分配。
3.2采用CBR的工艺规划
我们的流程规划系统通过四个步骤制定流程计划。 首先检索类似案例，其次是匹配案例与问题关系;第三，适应参数，最后通用规则应用于实际的解决方案。
以下总结了整个流程规划流程
流程规划
（0）定义问题，A = {QA，RA，NA（RA），SA（RA）}。
（1）检索一组类似的病例，称之为Bs。 其中，B是按照相似性按降序排列的一组案例。
（2）假设B中存在N个情况，对于k = 1，...，N重复（2-1） - （2-4）。
（2-1）删除B的第一个元素，并将其称为Ck。
（2-2）匹配A和Ck的关系。 假设Ck的关系R#39;k与RA的部分集合R#39;A匹配。
（2-3）从约束集Nk（R#39;k）和Ck的解Sk（R#39;k）生成A的约束Nk（R#39;A）和解Sk（RA）
（2-4）如果生成的约束Nk（R#39;A）与当前解SA（RA）冲突，则调整关系RA的值，而不违反现有约束。
NA（RA）。
NA（RA）-NA（RA）cup;Nk（RA）。
（3）如果RA中没有赋值的变量，则可以任意赋值给这些变量。
（4）对解决方案SA（RA）应用分组规则。
（5）编辑SA（RA）。
3.2.1类似的案例检索
CBR一直是确定案例与问题之间的相似性的主要议题。 相似度的最常见定义是等式（3）中属性的相似度的加权和（Kolodner，1993）。 其中，wi是每个属性的权重，sim是每个属性的相似度函数，上标A和C表示问题和案例。
Kowalski，Meler-Kapcia，Zielinski和Drewka（2005）在其船舶机舱设计问题中使用了诸如梯形，三角形或高斯函数的隶属函数来应用CBR。 Tsai等人（2005）通过使用案例集群的代表性案例与属性作为维度的空间中的问题之间的距离来定义相似性。
在我们的研究中，相似系数定义为等式（4），以找到类似的情况。
其中，下标A和C分别表示问题和案例。 Num（。）是返回集合中元素数量的函数，type（。）是返回由所涉及的部分类型连接的关系类型的函数。例如，对于关系圆角（a，b），其中部分a 是一个肋骨，部分b是一个palte，类型（圆角（a，b））返回符号圆形字母。 如果问题类型的值和情况相同，则两个关系被认为是相似的。 因此，SAC是案例与问题的共同关系的数量除以问题与案例的关系。 我们可以在SAC上设置阈值，以便我们可以控制我们参考的类似情况的数量。 最相似的情况用作基本情况，其他类似情况也用作生成解决方案的参考。
3.2.2 匹配
为了通过复制约束条件和案例解决方案，从类似案例中产生解决
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