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哈尔滨工业大学焊接国家重点实验室（150001） 魏艳红 刘爱国
哈尔滨电机厂工艺部（150046） 李卫东
本文作者
摘要 本文结合以往的工作，针对目前焊接工艺设计专家系统存在的问题，重新进行了焊接工艺设计专家系统的设计。首先进行了广泛的知识获取，可以进行碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金、钛合金及铜合金等各种材料的焊接工艺设计。同时，不仅可以进行单一焊接方法的工艺设计，而且可以进行组合焊接方法的工艺设计。其次，提供了方便的知识库维护方法，用户可以不断更新知识库，满足新的需要。
关键词：焊接工艺设计 专家系统 知识获取
前言
人工智能与原子能技术、空间科学一起并称为本世纪三大科技成就[1]。专家系统是人工智能的一个分支，产生于六十年代中期，虽然它只有三十年左右的历史，但其发展速度相当惊人。目前其应用领域已经渗透到数学、物理、化学、农业、地质、气象、交通、冶金、化工、机械、政治、经济、军事、法律、空间技术、环境科学等众多领域。专家系统的创始人E.A.Feigenbaum教授曾指出：“专家系统是第二次计算机革命的工具”[2]。由于焊接过程的复杂性难以量化，更多的需要专家知识来作出判断，被认为是应用专家系统的理想领域。焊接领域ES的研究约始于八十年代中期，随着其应用领域的拓宽日益受到重视，美、英、日、德等国家开展了焊接专家系统的开发与应用工作[3,4]，我国各高等院校及科研单位也纷纷开展了这项研究工作，涉及领域包括焊接生产的各个主要阶段和主要方面，并以焊接工艺设计专家系统居多。纵观目前的焊接工艺设计专家系统，仍然存在以下问题：
（1）应用范围比较窄
第一， 从涉及的材料方面来看，目前所建立的焊接工艺设计专家系统主要对象多为钢材焊接，并基本是同种材料的焊接，对于铝合金、钛合金及铜合金等有色金属的焊接及异种材料的焊接涉及的比较少。
第二， 从焊接方法上来看，主要以弧焊方法为主，并主要是单一的焊接方法，对于组合的焊接方法，考虑的比较少。
（2）缺少开放性
目前的很多焊接工艺设计专家系统，试图一劳永逸，建立后不再更新和扩展，更没有提供扩展的接口。事实上，焊接技术在不断发展，新材料新工艺不断涌现，焊接工艺设计知识，需要不断更新和补充，计算机技术也在迅猛地发展。专家系统设计人员，一方面要不断更新和改进系统，才能跟上时代发展的步伐；另一方面，要使所建立的系统，方便用户更新和修改，使用户可以不断添加知识，以满足新的需要。
（3）与实际应用有一定距离
现有的系统一般按照某一标准编制，设计的内容一般是一个大致范围，不够具体，和实际的焊接工艺设计书还存在一定的差异，不能直接使用。
（4）知识库更新困难
目前大多数焊接工艺设计专家系统的规则是直接基于知识的描述。这样的规则，给程序设计者带来了很大的方便，既能很好地实现规则设计和维护，又能很好地与其它专家系统交流。同时这又是其不足的根源，主要表现在：
第一， 用户看不懂规则 从软件开发者的上帝——用户角度考虑，真正的用户，很可能对专家系统的规则描述一点不懂，因此符号化的规则描述对用户的理解造成障碍。
第二， 规则维护不方便 从焊接工艺设计的特点看，规则众多，规则维护和设计采用文件形式的操作对用户来说，由于过多的英文和文件名，使用起来很不方便；
第三， 规则不易扩充 目前焊接工艺设计专家系统，对规则的扩充，无能为力，因为它包含了文件名的定义和关键字的定义，对用户来说，无法知道文件名和关键字的含义。
第四， 规则不安全，不易网络化管理 从安全角度考虑，目前焊接工艺设计专家系统的规则保存成文本，是公开的，没有一点安全保护措施，很容易被人盗用知识。从专家系统的发展方向看，开放性的、集成化的、网络化的，是今后发展的方向。基于文件操作的专家系统不能满足这方面的要求。
针对以上问题，本文在以往工作的基础上，利用Visual Basic6.0及Access数据库重新进行了焊接工艺设计专家系统的设计。
1 系统总体结构
焊接工艺设计专家系统采用模块化结构。系统由总控制模块和对象库开发模块、工艺设计模块、系统服务模块三大功能模块组成。总控制模块是一个主界面模块，负责实现系统菜单显示和用户各功能模块的调用。知识库开发模块具有知识库管理和知识库创建维护和学习功能。工艺设计模块具有工艺设计、工艺查询、工艺浏览和工艺管理功能。系统服务模块是本专家系统必不可少的辅助功能模块，为用户提供了一系列方便灵活的服务功能，包括联机帮助、工艺设计报表以及与数据库的通讯等。现在重点介绍其中的知识库开发模块和工艺设计模块。
2 知识库开发模块
专家系统是基于知识的系统(Knowledge Base System)。专家系统创始人E .A.Feigenbaum就曾精辟地指出：“专家系统的性能水平是它拥有的知识数量和质量的函数。”
专家系统的知识库是系统用来存储和记忆各种知识的集合，它存储了某个领域的专业知识以及关于知识本身如何构造和使用的高层次的知识。知识库开发系统作为知识库与用户的媒介，负责实现专家所需知识的获取，知识的表示，知识库建造、维护、扩充及调试，以增强专家系统的灵活性，可扩充性，实用性，提高系统自我完善的能力，为系统改进智能程度奠定基础。
2.1 知识获取
知识获取是解决机器的知识拥有量的问题,直接影响着专家系统的求解水平。
本专家系统的知识库中主要存放各种钢材（碳钢、合金钢、耐热钢及不锈钢）、铝合金、钛合金、铜合金及异种材料（不同种珠光体钢、铁素体钢、奥氏体及奥氏体-铁素体钢）焊接工艺设计规律，焊接方法除了常用的弧焊方法外，还有两种或两种以上组合焊接方法的焊接工艺设计规则，具体包括以下几个方面：
（1）焊缝坡口知识，包括坡口图形及其几何尺寸；
（2）焊材选择知识，包括焊材牌号及其相应尺寸；
（3）焊接热参数知识，如：预热温度、消氢温度及时间，后热温度及时间，热处理温度及时间；
（4）焊接工艺参数选择知识，包括，焊接层数，每一层的焊接方法、焊接材料、填充金属直径，焊接电流、焊接电压及焊接速度等规范参数。
2.2 知识库的创建和维护
专家系统要象人类专家那样能解决实际问题，就必须从人类专家及其有关资料中获取知识，并将知识以适当的表示形式储存在计算机内，以便检索、修改和应用。本专家系统，领域知识和基本事实都采用对象描述的方式表达，并将这些知识存放在不同的数据库中，根据各个对象之间的关系，将数据库进行关联。用户通过菜单根据需要选择材料种类、焊接方法，输入或选择相应规则，在系统的引导下完成知识库的建立，现举例说明。
图1为建立钢材焊接工艺设计知识库（对象库）的初始界面。
图1 对象初始条件输入界面
根据界面提示，可以选择或输入材料种类、选择或输入焊接方法，系统根据焊接方法将不同的对象添加到对象名称列表框中。当选择了碳钢及合金钢及钨极氩弧焊后，对象名称列表框中将出现焊接材料、焊缝坡口、焊接热参数、焊接电流、焊接电压、焊接速度、保护气体及其流量等有关的对象名。系统从用户选择或输入的对象判断出该对象在对象库中是否存在。若存在，则属于对象维护过程，能够从对象库中提取其属性和子对象；否则，属于对象创建过程。图2为不锈钢手工电弧焊时，焊接速度对象建立及维护界面。
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图2对象设计与维护界面
系统将可能作为焊接工艺设计规则条件的内容都分别作为不同的子条件，列出来，用户根据需要选择其中的一个或多个子条件，构造规则的前提。这些子条件主要包括：厚度、母材牌号、焊接措施、焊接位置、接头型式等，有些子条件，可能是某些规则的结论，如焊缝坡口图、焊条（焊丝）直径等，系统称这样的子条件为可重用对象。在涉及到重用对象时会自动调出可用的重用对象的属性值，供用户选择使用。然后用户可以输入结论。选择下一条规则，将进行下一条规则设计或维护
为了能正确方便维护重用对象，本专家系统需要对它们进行遍历，将已被作为子条件使用过的对象，用值标记为正在使用，这样在维护时，就不能删除。然后用户可以从菜单中选择要维护的重用对象，就可以维护这些可重用对象了。用户对这些可重用对象的修改，将会影响到以后涉及到该对象的推理过程，由此实现了动态的知识库管理。图3为其中的一个可重用对象--坡口图形的维护与管理。
图3 坡口图形管理
用户可以添加、删除、更新坡口图形及其他可重用对象。
图形库的开发和维护采用OLE技术把画笔和AutoCAD链接到程序中，来处理图形。坡口图形库收集了GB985-88,GB986-88标准及各种非标准图形，这些图形基本上能够满足用户的需要，但对于一些特殊的坡口图形该图形库没有收集，系统提供了图形修改和添加功能。
3 工艺设计系统的开发
工艺设计系统作为知识库推理系统，是知识库系统的主体之一，是知识库应用的核心模块。它将根据用户所选择的设计目标进行推理，确定这些目标参量的合理取值。推理机根据这些参量，运用知识库中的知识，进行逻辑推理，最终产生一个推理结论。
3.1专家系统推理机介绍
推理是思维过程的动态体现，只有通过推理，智能系统才能根据其自身的知识去解决问题。由于专家系统中存储有大量专门知识，要根据用户提出的问题和输入有关的数据式信息，按专家的意图选择利用知识库的知识，得到问题的解答，必须按照一定的控制策略去完成。
推理机的推理方式主要有以下三种。正向推理，是由原始数据出发，按一定策略，运用知识库的知识，推断出结论的方法。逆向推理，是先提出结论(假设)，然后去找支持这个结论的证据，其优点是可提高系统的运行效率。正反向混合推理，是根据数据库中的原始数据，通过正向推理帮助系统提出假设，然后用逆向推理寻找支持假设的证据，如此反复这个过程。
制定焊接工艺艺指导书时，在大多数情况下，用户一般都只能提供一些初始的、少量的数据，如焊材、厚度等，因此本专家系统采用正向推理机制。虽然此种方法缺少支持假设的证据，但对于编程人员来说，系统开发周期短，效率较高，对用户来说直观，符合用户的一般习惯。
3.2工艺设计系统推理机实现
推理的过程可分为以下几个步骤：
3.2.1事实采集
事实采集是推理的必要条件，通过用户选择的母材类型，系统提供可选择的焊接方法。根据用户所选择的焊接方法，系统会根据对象库中的知识和用户选择的母材类型、焊接方法，进行智能推理给出初始条件的****条件范围，包括自动检索出适合该焊接方法下的可能选用的母材，以及改焊接方法下的****的母材厚度值、可能的焊接措施、焊接位置等等，并以提示的形式给出。
这种动态给出条件范围，即随着用户所选的母材类型及焊接方法的不同，窗口显示不同的内容，而且随对象库中知识变化而可能变化，是系统具有很大的灵活性和扩展性。若输入的初使条件符合系统的约定，用户确定后，系统便将这此事实加入到一个事实库中，以备下一步推理时使用。
3.2.2 设计过程
系统根据采集的事实，进行推理设计。本系统根据对象的级别，进行多级推理。系统根据焊接工艺设计的特点，依据采集来的事实，首先推理出焊接层次、可用的焊接材料及尺寸，可以采用的坡口图形等供用户选择，如图4所示。
图4 焊接工艺设计中间结果
系统首先给出推荐的焊接层次、焊接方法、相应的焊材直径、可选的焊接材料及可以使用的所有焊缝坡口形式。用户不仅可以修改推理结果，而且可以添加内容，例如，如果用户点击焊层的第4个组合框，系统则出现“填充层/盖面层/其他层/第4层”的列表供用户选择。当然用户可以直接输入自己喜欢的名称。此时，用户需要进一步选择焊接方法，则点击第4个焊接方法的组合框，则出现“SAW/SMAW”(埋弧焊/手工电弧焊)的列表，供用户选择。如果用户选择埋弧焊，直径的第4个组合框中将出现“φ2.0/φ3.0/φ4.0”焊丝直径供用户选择，如果用户选择手工电弧焊，直径的第4个组合框中将出现“φ3.2/φ4.0/φ5.0”焊条直径供用户选择。添加和选择完毕各个层次的内容后，用户进一步选择焊条及焊丝牌号。随后，可以切换到接头形式页面，查看并选择合适的焊缝坡口。
根据用户所选择的内容，构造新的条件，结合初始条件，进一步推出其他工艺参数。例如，根据采用的坡口、焊接方法及母材厚度，可以推出钝边、间隙及坡口角度等参数，根据板厚、母材类型、焊接材料及其尺寸（直径）可以确定焊接规范等。推理结果如图5所示。
图5 焊接工艺设计推理结果
通过“总览”按钮，进入到焊接工艺指导书编制界面，该界面的格式和内容与实际所使用的焊接工艺指导书一致，系统所设计的结果已经代换到设计书中，用户可以将其他参数如工艺编号、工艺名称、编制人员及编制日期等输入后，可以预览、打印，并可以存放到数据库中，供以后查询调用。同时设计了与焊接工艺设技术管理系统的接口，可以将其导入管理系统中，以便在管理系统中直接管理和维护。
4 展望
专家系统技术作为比较成熟的技术已经得到了推广和应用，随着计算机技术及焊接技术的发展，将不断完善和提高，就目前看，焊接专家系统有以下发展趋势：
（1） 基于Internet的远程专家系统
这种专家系统不仅可以为本单位的焊接工程师服务，而且可以为其他单位提供有偿服务。
（2） 与神经网络ANN、面向对象及模糊系统组成的混合系统
（3） 基于网络的专家系统
（4） 与CAD、CAE等技术相结合的系统。
总之，焊接工程应用专家系统的功能会不断强度，在焊接中的应用将会日益受到重视。
1 P·R·Cohen，E·A Feigenbaum，The Handbook of Artificial Intelligence, Vol·I，Heuristerch Press；William Kaufmann，Inc．，1983
2 E·A Feigenbaum and P·Mocorduch，The Fifth Generation Artificial Intelligence and Japan’s computer challenge to the Wold，Addison-Wesley，1983
3 W.Lucas，Microcomputers，Packages and Expert System for the Welding Engineer, Welding & Metal Fabrication，1990，58(4): 206-212
4 Norrish.J and Atrutt.J.E. Expert System and computer Software Aids for Welding Engineer, Welding & Metal Fabrication, 1990,58(5):266~272
魏艳红简介：
教授/博士，焊接学会计算机应用委员会委员，英国“Science and Technology of Welding and Joining”杂志编委。
主要从事金属焊接性及其数值模拟和焊接工程软件的研究工作。先后参加和承担了国家攀登B计划子项目、国家自然基金、哈尔滨市重点科技攻关项目以及多项企业横向课题的研究工作，共发表论文近60篇，参编教材和手册6部。所撰写的论文连续三届在全国焊接年会上获得优秀论文奖。
随着计算机技术的发展，传统的焊接性分析方法及手工焊接工艺文件准备和编制，已经无法适应时代的发展。最初被认为是锦上添花的焊接工程应用软件，已成为现代化企业必备的工具。为了顺应时代发展的需要，在国内，率先针对焊接工程需要，将人工智能专家系统、人工神经元网络、数据库等理论和技术应用到焊接领域，解决了焊接领域知识获取、知识表示、推理设计等诸多关键理论问题，从而成功地研制了20余个系列工程应用软件，可以辅助焊接工程师完成进行焊接性分析、焊接工艺制定、焊接工艺规程编制与管理及焊接工艺评定等各个环节的工作，目前，软件已经商品化，并在上海宝钢集团、上海航天局、哈尔滨锅炉有限责任公司、大庆油田、华北油田、玉门油田、解放军第二炮兵技术总队、柳州工程机械厂、广东湛江发电厂等10余个不同部门投入使用。
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