基于灰色关联度的船舶分段装配工艺设计

周宏根，袁志超，李 磊，韩子延

（江苏科技大学机械工程学院，江苏 镇江 212003）

1 前言

船舶产品的装配过程是其建造周期中最耗时且耗费精力较大的步骤之一，装配环节施工前，对产品的装配工艺设计是最重要的步骤。高效合理的工艺设计方法对提高装配工艺设计效率，降低施工成本，缩短建造周期和提高产品质量具有重要意义。传统的船体装配工艺设计主要根据工艺人员经验，设计效率和能力不高，难易满足当前船舶建造数字化、信息化和智能化需求。随着现代造船工艺水平的提高，要求有效利用长期积累的工艺知识，提高工艺设计的数字化和智能化水平。在基于实例匹配的装配工艺设计方面，大量学者做了广泛研究：文献[1]提出了一种基于K近邻的协同过滤算法，并将这种算法在智能匹配系统中运用；文献[2]提出了基于实例推理研究钢铁生产工艺的方法；文献[3]在此研究基础上提出改进实例推理，通过局部相似度计算方法并与最邻算法结合来匹配工艺；文献[4]通过零件特征将其相似度的计算分为3个阶段，提出了基于焊装工艺相似的实例检索方法；文献[5]提出了基于知识设计装配工艺的方法，该方法将批量数据与成功的旧设计结合使用，以推断产品组装过程的范围；文献[6]提出基于文本相似性算法实现装配工艺的匹配，使用基于文本的相似性和检索算法从集中式存储库中检索已有装配工艺实例；文献[7]提出了基于阈值的确定性方法和概率方法，对制造应用零件进行分类。

以上方法在实例匹配过程中无法确定各装配元素在装配工艺设计中所占不中，故实例匹配的结果存在一定的客观性。因此，建立装配实例知识库，并基于灰色关联度进行装配实例与目标工艺间相似性排序，完成装配实例的推送。

2 船舶装配实例知识库

在设计船舶装配工艺过程中，很少采用规则推理法。现存的工艺包含大量工艺人员的经验，与待设计的目标工艺之间存在一定的相似性，在新分段艺设计过程中具有借鉴作用。故建立装配实例知识库，辅助新分段的工艺设计。

2.1 船舶装配工艺过程分析

从现代造船的技术特点来看，船体装配可分为三个过程：由数量不多的板材和型材组合成部件或组件；由组件、部件、板材型材装配焊接组合成分段；在船台或船坞上将分段、少量板材和型材组装成船体。其中，部件和分段装配是船体装配的主要任务，消耗工时最长，工艺过程最为复杂。为实现装配工艺快速生成，首先将装配工艺元素分为装配对象、装配资源、装配操作要求以及装配规范四大类。装配对象分为五类，分别是平面分段、曲面分段、直T型部件、弯T型部件、拼板部件。装配资源包含材料资源，零件资源，设备资源以及构件分段信息。装配操作要求包括划线要求、基本工序、点焊要求。装配规范包含装前检查项目以及精度检测要求。具体装配工艺信息如下表1所示。

表1 船舶装配工艺信息表Tab.1 Ship Assembly Process Information Sheet

2.2 装配实例工艺知识库建立

船舶装配实例工艺由船舶装配的工艺特性以及工艺目标所定义，通过一定形式对其进行匹配和修改，工艺人员可得到新的部件和分段的装配工艺。在产品工艺设计时所积累的经验与各种决策信息进行归纳总结而得到的称为装配工艺实例知识。根据上文对船舶装配工艺的分析，建立基于知识元的船舶装配工艺知识模型。船舶装配工艺知识元是装配工艺知识单元的简称，是构成船舶装配工艺的基本单元，装配工艺知识元由工艺知识的概念、属性和规则构成，其表达式，如（1）所示：

式中：STKR—工艺知识的规则；STKA—工艺知识的属性；STKC—工艺知识的概念。

以某船舶分段工艺为例：装配工艺知识的概念包括装配对象名称及编号、所属船型及总段的编号；装配工艺知识的属性包括分段重量、装配方法、零件材料类型、装配工作位置；装配工艺知识的规则包括装配基准面、检查项目、划线要求、装配顺序、装焊工序、点焊参数及精度控制要求等。将装配实例知识的概念和部分属性作为匹配项进行实例的匹配。装配实例工艺知识库是对这些工艺知识进行合理组织的集合，建立装配工艺实例知识库以存储实例知识，并在工艺设计时通过匹配快速查找相似的工艺。

3 装配任务相似性分析

以船舶的装配任务为基础，根据装配对象及资源的特性，从实例知识库中匹配出具有相似性的典型工艺，加快工艺设计的效率。基于灰色关联度完成相似实例工艺的推送，设计装配工艺，流程，如图1所示。

图1 基于灰色关联度的船舶工艺设计流程Fig.1 Design Process of Ship Based on Gray Correlation

3.1 相似性计算模型的建立

若要实现船舶装配工艺的快速设计，则需重用已有的实例工艺知识。在工艺生成设计过程中，在实例工艺知识库中通过相似性匹配得到可用的装配工艺，对此工艺进行适当修改，提升装配工艺的设计效率。

为了快速匹配到和待设计任务所相似的装配任务，需分析不同装配对象的装配工艺相似性，船舶装配任务主要包含的内容是产品对象和装配资源。所以，衡量装配任务的相似性需从装配产品对象和装配资源的相似性的角度来分析。装配任务的属性分为文本字符串、数值及类型描述符这三类。

3.1.1 文本字符串

文本字符串指名称等属性，是无法对其进行精确量化比较，由包含自然语义的字符串组成。构建语义字符串类属性的相似性标度方法，并将字符作为基本的比较元素，比较单元由字符的集合构成。设两个装配任务中待比较的字符串属性分别为STi和STj，则相似性计算公式为：

式中：STi⋂STj—STi和STj中共有的字符子集；STi↦STj—仅存在于STi的字符子集；STj↦STi—仅属于STj的字符子集。

3.1.2 类型描述符

如果仅用字符型来表达装配任务属性则会存在较大误差，且装配产品对象以及装配资源的种类划分仅用字符型表达无法区分其差异，因此需加入类型描述符。船体装配对象可划分为多个种类，例如“T型部件类”、“平面结构类”、“立体结构类”、“曲面分段类”、“特殊分段类”等都是表示该划分的分类描述符。通常，描述符由字符及数字组合而成，若两个装配任务中含有的类型描述符为TPi和TPj，则两者的相似性计算公式如下：

3.1.3 数值属性相似度

数值属性的比较可从定量的角度表达数值之间的差异，装配任务中NUi和NUj数值属性间的相似性计算公式如下：

其中，因为数值类属性都包含工程意义，因此NUi，NUj∈R+。从装配任务相似性分析的角度来说，需选用数值的共性特征来计算装配产品对象和装配资源的相似性。

3.2 基于灰色关联度的装配任务相似性比较

3.2.1 船舶装配任务参考序列的构建

为了从装配工艺实例知识库中匹配到相似的装配工艺，影响任务相似性的特征因素的确定是首要的。从装配对象和装配资源中选取重要属性，如装配对象和装配资源的名称、装配对象的重量、装配位置和装配方法的选择。

由这些属性可建立待分析属性序列A={a1，a2，….an} 。参与分析相似性的任务可分为待比较任务与目标任务。目标任务是所需设计的装配工艺的任务；待比较任务是指可能与目标任务相似并已存储于装配工艺实例知识库中的任务。一般会有多个待比较任务存在，并由此可构建待比较任务集合。根据上文分析，带入计算的装配工艺属性，如表2所示。

表2 船舶装配工艺属性表Tab.2 Ship Assembly Process Attribute Table

通过对待设计装配任务与待比较任务的装配对象及装配资源属性相似性对比来判断它们的相似度，将属性作为特征因素建立量化灰色关联度的方法。对于∀ai∈A，设待设计装配任务为Obj，待比较任务集合为CP={cp1，cp2，…，cpm}，则待设计装配任务与各待比较任务的相似度矩阵如下：

其中，Sim(Obj(ai)，cpj(ai))为待设计装配任务Obj与待比较任务cpj对于属性ai的相似度。船舶装配任务相似性判断的输入数据以相似度矩阵S列出的待设计装配任务与各个待比较任务在不同属性方面的相似度为依据。该行的最大值作为灰色关联度分析的参考值，S中每个ai所对应行的相似度最大值表示为max(ai)，列出其参考序列：

3.2.2 任务属性的关联系数

为了便于分析，需进一步规范化表达比较序列与参考序列。将式（6）对应的参考序列简化表示为：

以上式（5）的相似度矩阵为基础，将待比较任务集合对应的比较序列表示为：

式中：Sj—第j个待比较任务与待设计装配任务构成的属性相似性比较虚列。

综上，可得出r0(i)与sj(i)的关联系数计算公式：

ρ∈(0，∞)，称为分辨系数。ρ越小，分辨力越大，一般ρ的取值区间为（0，1），具体取值可视情况而定。当ρ≤0.5463时，分辨力最好，通常取ρ=0.5。

3.2.3 基于装配任务关联度的工艺实例推送

从船舶装配工艺的匹配角度来说，不同装配任务间的相似性可用它们的关联进行表达。任意sj与参考序列R0关联度计算公式如下：

在生成装配工艺时，C(Sj)表示第j个待比较任务与待设计装配任务的相似性，可作为检索典型工艺信息依据。

为了在原型工艺库中匹配到有参考价值的信息，通过上式（10），可得到参考序列和待比较任务的关联度值，推出关联度序列如下所示：

由式（11），通过对c中各项数值进行由大到小排列，可得到新序列C′={C′(S1)C′(S2)… C′(Sm)}。在工艺生成中，可直接选择C′(S1)对应的待比较任务并对其进行修改从而实现待设计装配任务的生成。

4 实例验证

以某船体分段为例，验证前文所述方法的有效性。定义待装配任务“单层底分段装配”，并导入装配对象与装配资源，如表3所示。

表3 “单层底分段”装配任务信息Tab.3 "Single Layer Bottom Segment"Assembly Task Information

为了快速生成单层底分段装配工艺，从原型工艺库中获取具有参考性的已有实例工艺，如表4所示。

表4 实例工艺信息Tab.4 Example Craft Letter

为验证相似度计算方法的正确性，需要确定装配任务的待分析属性序列A，该序列，如表5所示。

表5 待分析属性序列Tab.5 Sequence of Attributes to be Analyzed

根据上述分析，首先计算待装配任务和比较任务的属性相似度。采用式（5）可获得如下相似度矩阵：

根据式（12）的计算结果，构件参考序列和比较序列：

根据式（9），可得到如下关联系数矩阵：

为了反映待装配任务与比较任务在数值上的整体关联度，依据式（10）获得所示关联度序列：

根据上述结果，排序待比较任务的关联度，得到以下结论：

设当前可接受的装配任务关联度阈值λ=0.85，则有且仅有cp1可作为可参考的装配任务，所以提取cp1的装配工艺，对其进行修改，以此为基础生成“单层底分段”的装配工艺文档。装配任务相似性匹配界面，如图2所示。工艺界面，如图3所示。

图2 装配任务相似性匹配界面Fig.2 Assembly Task Similarity Matching Interface

图3 装配工艺管理界面Fig.3 Assembly Process Management Interface

5 结语

提出了基于灰色关联度的船舶装配工艺设计方法，在分析船体结构装配工艺的基础上开发了船舶装配工艺知识库，建立基于属性相似性计算的船舶分段装配工艺匹配算法并基于灰色关联度算法完成工艺实例知识的相似性计算及实例推送，提高了工艺设计的效率。以某单层底船体分段为对象，基于所开发系统验证了该方法的可行性。