大型发电设备制造工艺设计信息化平台的关键技术与应用研究
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摘要
大型发电设备具有零部件数量多、形状复杂、制造周期长、工艺复杂、精度要求高等特点，通用的计算机辅助工艺设计(CAPP)系统难以满足其制造工艺复杂性和动态性的要求。因此，对适应这类复杂机械产品的工艺设计方法和专用工艺设计信息化系统进行研究对促进我国大型发电设备制造企业的快速反映能力，提高市场竞争力有重要作用。
用于大型发电设备制造企业的工艺设计信息处理系统不仅能用计算机技术完成复杂产品的工艺文件设计，还应具备工艺设计过程管理、工艺信息资源管理以及与产品数据管理(PDM)系统、企业资源规划(ERP)系统等进行信息交互共享等功能。因此，研究集工艺设计、工艺资源管理、工艺文档管理与工艺设计过程管理为一体的工艺信息处理系统是推动发电设备制造企业全面实施工艺信息化的一个关键问题。
本文以国家863／CIMS主题项目“发电设备行业现代集成制造系统总体方案设计研究”(编号2001AA411150)、四川省重点科技攻关项目“基于PDM技术的网络分布式CAPP工具系统研究”(编号：008038)和“东方汽轮机厂工艺设计与过程管理网络化平台系统”课题为背景，进行适应于大型发电设备产品工艺设计信息化系统构建的工艺设计过程管理、工艺知识管理与获取方法、实例工艺设计方法、远程协同工艺设计方法等关键技术的研究，提出大型发电设备制造工艺设计信息化平台的体系结构，研制针对大型发电设备制造行业需要的“工艺资源管理与网络分布式CAPP工具系统(SCU-CAPPTool)”并在实际中应用验证。本文主要研究成果和特色如下：
(1) 提出了面向产品工艺设计、过程管理与制造资源一体化集成的工艺设计信息化平台的构建思想。建立了以多模式工艺设计为基础、以制造资源数据为核心，集工艺设计、工艺资源管理、工艺文档管理与工艺设计过程管理为一体的制造工艺设计信息集成体系结构，以支持大型发电设备制造企业信息化建设中制造工艺信息平台的构建。
四川大学博士论文
(2)针对大型发电设备工艺设计过程管理的特点，较系统地探讨了基于工
作流思想的工艺设计过程管理原理，提出一种基于知识的工作流建模方法，增
强了工作流管理系统对业务流程变化的适应性，详细讨论了模型的框架构造和
知识表示，通过使用知识表示模式和相关谓词建立了系统的更改传播机制，增
强了系统的可靠性和柔性。对工艺设计任务元分派的求解问题，提出了基于任
务元偏序图和任务元深度值的遗传算法，为得到任务元的最优分派策略奠定了
基础。
(3)通过分析整理大型汽轮机制造工艺知识的应用特征，提出了由工艺决
策知识、工艺实例知识和辅助型工艺知识组成的汽轮机制造工艺知识的描述方
法和获取方法。建立了扩展规则知识表示模型和基于知识/实例的工艺决策知识
表示模型，阐述了辅助型工艺知识库的组成和特点，提出了由工艺规程实例、
典型工艺、标准工艺组成的制造工艺实例知识的管理方法。
(4)基于数据挖掘技术讨论了各种辅助型工艺知识的自动获取方法及相关
技术，提出一种基于聚类分析方法处理工艺数据提取工艺字典知识的算法，以
及基于序列中的知识发现从工艺序列中挖掘常用工艺元的算法。通过从工艺数
据中进行工艺知识的抽取、转换和处理，为提供灵活多样的工艺知识重用方式
和辅助手段奠定了基础，有利于提高CAPP系统的实用性。
(5)基于实例推理的工艺可重用技术有助于增强CAPP系统的智能化水平，
针对大型发电设备工艺设计的实际，提出了基于“.实例十规则”的工艺决策策略
和渐进式工艺知识应用方法，提出了基于汽轮机叶片部件特征层次描述模型的
汽轮机叶片部件相似度算法，基于汽轮机转子主轴粗车和精车不同加工阶段特
点的转子主轴相似工艺两步抽取策略及相应算法，以及考虑汽轮机回转体零件
几何形状特征在车削过程中变异关系的相似度算法和工艺信息筛选算法，提高
了系统以成熟工艺数据为基础的工艺设计和工艺决策能力。
(6)在分析远程协同工艺设计的特点、研究远程协同工艺设计的管理技术
的基础上，将远程协同工艺设计系统中的功能实体Ageni化，对Agent的角色
进行了划分，研究了基于多Agent的协同工艺设计模型，提出了以过程控制为
核心，通过多Agent之间的相互通讯与合作实现远程协同工艺设计的方法。
(7)在本文理论研究的基础上开发的SCU一CAPPTool系统在东方汽轮机厂
获得成功应用，取得了“建成企业级面向产品及管理的制造工艺信息集成，实
现产品工艺设计与工艺管理一体化，工艺与设计、工艺与制造的全面集成”的
应用效果，验证了上述研究成果的正确性和实用性。同时，研究成果己通过四
川省科技厅“整体国内先进水平、部分国内领先水平”的技术鉴定。
关键词:大型发电设备，工艺设计信息化平台，工作流技术，工艺知识，数据
挖掘，实例推理，远程协同工艺设计，计算机辅助工艺设计
The large size power-generation equipment consists of a lot of mechanical elements and has the features of complication in shapes, long production cycle, complication in process and high accuracy demand so that the general used CAPP can not meet requirements of its complicated process and dynamic production plan. Hence research on process planning method and development of special process planning informatization system for this kind of products play an important role in promoting the rapid response ability and improving the market competitiveness of national large size power-generation equipment enterprises.Process planning information processing system for large size power-generation equipment manufacturing enterprise is not only required to use computer to conduct the process planning of the complicated product, but also possess such functions as process management of process planning , process information resource management and information exchange and share with Product Data Management (PDM) system and Enterprise Resource Management (ERP) system. Hence it is a key issue to study process planning information processing system which incorporates process planning, process resource management, process documents management and process management of process planning to push the process informatization for large size power-generation equipment manufacturing enterprise.Based on the achievement of the following project: national 863/CIMS projects-"General Scheme Planning and Research on CIMS for Power-generation Industry" under GrantsNo.2001AA411150, Sichuan province's key science and technology project-"Research onNetwork CAPP system Based on PDM technology" under Grants No.00B038 and "Network Distributed Platform system for Process Planning and Process Management of Dongfang Steam Turbine Works (DFSTW)", this dissertation explains the study of the key technique of process management, process knowledge management, process knowledge acquisition method,
case-based reasoning method and collaborative process planning and information sharing method in network adapting to process planning informatization for large size power-generation equipment and presents architechture of process planning informatization platform for large size power-generation equipment. Aiming at the practical requirements of large size power-generation equipment, "Process resource management & distributed CAPP tool in network (SCU-CAPPTool)" has been developed and demonstrated practically. The main research results and characteristic are as follows:(1) The idea of constructing process planning informatization platform towords the integration of process planning is presented, process management and information resource. Integrated architechture of manufacturing process planning information system is established based on multi-model process planning with manufacturing resource data as core, incorporating process planning, process resource management, process documents management and process management of process planning, which supports the construction of process planning informatization platform of enterprise under the circumstance of large size power-generation equipment manufacturing enterprise's informatization.(2) Aiming at the features of process planning process management of large size power-generation equipment, process planning process management theory is discussed deeply and systematically based on workflow idea. A knowledge-based workflow system model is proposed, which reinforces the adaptability of workflow management system (WfMS) for the changes in business processes. The frame structure and knowledge representation of the workflow model are discussed in detail. By using knowledge representation scheme and dependency predicates, a change propagation mechanism is provided to increase the soundness and flexibility of workflow system. Meanwhile, genetic algorithm is presented based on the restriction of the meta-task deviated order diagram and meta-task depth value for solution of the process planning meta-task scheduling
用于大型发电设备制造企业的工艺设计信息处理系统不仅能用计算机技术完成复杂产品的工艺文件设计，还应具备工艺设计过程管理、工艺信息资源管理以及与产品数据管理(PDM)系统、企业资源规划(ERP)系统等进行信息交互共享等功能。因此，研究集工艺设计、工艺资源管理、工艺文档管理与工艺设计过程管理为一体的工艺信息处理系统是推动发电设备制造企业全面实施工艺信息化的一个关键问题。
本文以国家863／CIMS主题项目“发电设备行业现代集成制造系统总体方案设计研究”(编号2001AA411150)、四川省重点科技攻关项目“基于PDM技术的网络分布式CAPP工具系统研究”(编号：008038)和“东方汽轮机厂工艺设计与过程管理网络化平台系统”课题为背景，进行适应于大型发电设备产品工艺设计信息化系统构建的工艺设计过程管理、工艺知识管理与获取方法、实例工艺设计方法、远程协同工艺设计方法等关键技术的研究，提出大型发电设备制造工艺设计信息化平台的体系结构，研制针对大型发电设备制造行业需要的“工艺资源管理与网络分布式CAPP工具系统(SCU-CAPPTool)”并在实际中应用验证。本文主要研究成果和特色如下：
(1) 提出了面向产品工艺设计、过程管理与制造资源一体化集成的工艺设计信息化平台的构建思想。建立了以多模式工艺设计为基础、以制造资源数据为核心，集工艺设计、工艺资源管理、工艺文档管理与工艺设计过程管理为一体的制造工艺设计信息集成体系结构，以支持大型发电设备制造企业信息化建设中制造工艺信息平台的构建。
四川大学博士论文
(2)针对大型发电设备工艺设计过程管理的特点，较系统地探讨了基于工
作流思想的工艺设计过程管理原理，提出一种基于知识的工作流建模方法，增
强了工作流管理系统对业务流程变化的适应性，详细讨论了模型的框架构造和
知识表示，通过使用知识表示模式和相关谓词建立了系统的更改传播机制，增
强了系统的可靠性和柔性。对工艺设计任务元分派的求解问题，提出了基于任
务元偏序图和任务元深度值的遗传算法，为得到任务元的最优分派策略奠定了
基础。
(3)通过分析整理大型汽轮机制造工艺知识的应用特征，提出了由工艺决
策知识、工艺实例知识和辅助型工艺知识组成的汽轮机制造工艺知识的描述方
法和获取方法。建立了扩展规则知识表示模型和基于知识/实例的工艺决策知识
表示模型，阐述了辅助型工艺知识库的组成和特点，提出了由工艺规程实例、
典型工艺、标准工艺组成的制造工艺实例知识的管理方法。
(4)基于数据挖掘技术讨论了各种辅助型工艺知识的自动获取方法及相关
技术，提出一种基于聚类分析方法处理工艺数据提取工艺字典知识的算法，以
及基于序列中的知识发现从工艺序列中挖掘常用工艺元的算法。通过从工艺数
据中进行工艺知识的抽取、转换和处理，为提供灵活多样的工艺知识重用方式
和辅助手段奠定了基础，有利于提高CAPP系统的实用性。
(5)基于实例推理的工艺可重用技术有助于增强CAPP系统的智能化水平，
针对大型发电设备工艺设计的实际，提出了基于“.实例十规则”的工艺决策策略
和渐进式工艺知识应用方法，提出了基于汽轮机叶片部件特征层次描述模型的
汽轮机叶片部件相似度算法，基于汽轮机转子主轴粗车和精车不同加工阶段特
点的转子主轴相似工艺两步抽取策略及相应算法，以及考虑汽轮机回转体零件
几何形状特征在车削过程中变异关系的相似度算法和工艺信息筛选算法，提高
了系统以成熟工艺数据为基础的工艺设计和工艺决策能力。
(6)在分析远程协同工艺设计的特点、研究远程协同工艺设计的管理技术
的基础上，将远程协同工艺设计系统中的功能实体Ageni化，对Agent的角色
进行了划分，研究了基于多Agent的协同工艺设计模型，提出了以过程控制为
核心，通过多Agent之间的相互通讯与合作实现远程协同工艺设计的方法。
(7)在本文理论研究的基础上开发的SCU一CAPPTool系统在东方汽轮机厂
获得成功应用，取得了“建成企业级面向产品及管理的制造工艺信息集成，实
现产品工艺设计与工艺管理一体化，工艺与设计、工艺与制造的全面集成”的
应用效果，验证了上述研究成果的正确性和实用性。同时，研究成果己通过四
川省科技厅“整体国内先进水平、部分国内领先水平”的技术鉴定。
关键词:大型发电设备，工艺设计信息化平台，工作流技术，工艺知识，数据
挖掘，实例推理，远程协同工艺设计，计算机辅助工艺设计
The large size power-generation equipment consists of a lot of mechanical elements and has the features of complication in shapes, long production cycle, complication in process and high accuracy demand so that the general used CAPP can not meet requirements of its complicated process and dynamic production plan. Hence research on process planning method and development of special process planning informatization system for this kind of products play an important role in promoting the rapid response ability and improving the market competitiveness of national large size power-generation equipment enterprises.Process planning information processing system for large size power-generation equipment manufacturing enterprise is not only required to use computer to conduct the process planning of the complicated product, but also possess such functions as process management of process planning , process information resource management and information exchange and share with Product Data Management (PDM) system and Enterprise Resource Management (ERP) system. Hence it is a key issue to study process planning information processing system which incorporates process planning, process resource management, process documents management and process management of process planning to push the process informatization for large size power-generation equipment manufacturing enterprise.Based on the achievement of the following project: national 863/CIMS projects-"General Scheme Planning and Research on CIMS for Power-generation Industry" under GrantsNo.2001AA411150, Sichuan province's key science and technology project-"Research onNetwork CAPP system Based on PDM technology" under Grants No.00B038 and "Network Distributed Platform system for Process Planning and Process Management of Dongfang Steam Turbine Works (DFSTW)", this dissertation explains the study of the key technique of process management, process knowledge management, process knowledge acquisition method,
case-based reasoning method and collaborative process planning and information sharing method in network adapting to process planning informatization for large size power-generation equipment and presents architechture of process planning informatization platform for large size power-generation equipment. Aiming at the practical requirements of large size power-generation equipment, "Process resource management & distributed CAPP tool in network (SCU-CAPPTool)" has been developed and demonstrated practically. The main research results and characteristic are as follows:(1) The idea of constructing process planning informatization platform towords the integration of process planning is presented, process management and information resource. Integrated architechture of manufacturing process planning information system is established based on multi-model process planning with manufacturing resource data as core, incorporating process planning, process resource management, process documents management and process management of process planning, which supports the construction of process planning informatization platform of enterprise under the circumstance of large size power-generation equipment manufacturing enterprise's informatization.(2) Aiming at the features of process planning process management of large size power-generation equipment, process planning process management theory is discussed deeply and systematically based on workflow idea. A knowledge-based workflow system model is proposed, which reinforces the adaptability of workflow management system (WfMS) for the changes in business processes. The frame structure and knowledge representation of the workflow model are discussed in detail. By using knowledge representation scheme and dependency predicates, a change propagation mechanism is provided to increase the soundness and flexibility of workflow system. Meanwhile, genetic algorithm is presented based on the restriction of the meta-task deviated order diagram and meta-task depth value for solution of the process planning meta-task scheduling
引文
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