一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法

本发明属于智能产线领域，具体涉及一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法。

背景技术：

1、个性化定制生产系统以机器人化的模块化工位为基础，采用agv智能物流作为连接，根据快速变化的小批量定制化产品动态重构，是个性化生产的主要模式。生产系统设计过程根据产品工艺要求，进行设备机械及系统布局设计，生产工艺流程规划，自动化系统电气设计和plc编程，功能与性能验证及调试，对已经设计的方案进行反馈修正，直至系统满足设计要求。

2、个性化定制生产产品不断变化，要求生产系统能够根据变化动态快速重构调整，对系统设计提出了高要求。然而，目前虽然有商用工具和信息化手段支撑，但是文档管理(查询数据)、工程实施(建模、编程)、验证判断(判断设计是否符合要求)、流程协作(反馈修正)等四个重要环节，仍然离不开人的作用；过多的人工参与，导致整个流程缺少自动化手段，费时、易出错、难以保证方案最优，调整成本极高，无法满足个性化定制生产要求。因此，建立减少人工参与、全流程自动协作的设计方法，是本领域的研究挑战，以解决个性化定制生产系统设计依赖人工经验的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

2、一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法，包括：

3、步骤一：从生产系统的机械、电气、自动化软件设计工具中获取与产品、工艺和设备相关的历史工程数据；

4、步骤二：对获取的工程数据进行知识融合处理，建立基于全局-领域层次化本体的规则模板和知识图谱实例，得到三类知识库；

5、步骤三：用户定义新的产品个性化需求，作为生产系统设计方案重构的任务需求；

6、步骤四：通过需求分解、设备选型和集成验证过程，完成对设计知识图谱的检索，得到生产系统内设备集成方案结果；

7、步骤五：根据知识图谱中所选的设备集成方案结果，利用生产系统设计工具，完成生产系统机械、电气、自动化设计。

8、所述该方法利用工程数据自动建立生产系统设计知识图谱，当产品个性化需求发生变化后，通过知识图谱检索得到满足新需求的设计方案，实现生产系统机械、电气、自动化多学科联合设计，并自动验证方案是否满足要求。

9、所述全局-领域层次化本体包括：领域本体，用于分别对产品组件及装配连接关系、工艺流程顺序和设备结构能力进行定义；全局本体，用于定义组件化的系统基本构成单元和组件关系。

10、所述领域本体包括：

11、产品领域本体，用于描述产品部件、端口和装配关系组成的三元组product＝(component,port,liaison)；component为产品部件；port为产品部件之间的连接面；liaison代表相邻两个部件之间具有装配连接关系；

12、工艺领域本体，用于为活动、端口和时序关系组成的三元组；process＝<activity,port,temporal relation>；其中，activity为各类装配活动；temporalrelation指出相邻两个装配活动之间的先后顺序关系；

13、设备领域本体，用于为设备、设备端口和协作关系组成的三元组equipment＝(equipment,port,coordination)；其中，equipment为各类型设备；port为设备之间的接口；coordination代表设备之间的协作关系。

14、所述对获取的工程数据进行知识融合处理，包括：根据产品工艺需求、设备工艺能力基本关系，对工艺知识和设备资源知识，根据本体中三元组的定义建立规则模板；采用知识抽取方法，从工程数据中抽取实例、填充知识图谱实例，最终生成三类知识库。

15、所述三类知识库，包括：

16、实例库，用于后续产品、工艺流程、设备实例配置；

17、类型库，用于抽象类型的选型；

18、模板库，用于描述产品需求、工艺需求，设备需求。

19、所述通过需求分解、设备选型和集成验证为通过加载规则、根据分解用户定义的产品需求，通过查询搜索选择与设备类型匹配的实例并进程验证，得到生产系统结构和完整的生产业务流程，具体包括：

20、对用户定义的产品结构进一步分解需求，得到动作级工艺和模块级别的设备需求集合；并在设备实例库中，进行需求和设备能力的匹配，得到设备类型备选集合；在备选集合定义的设备类型，对应的设备实例，对最小粒度的设备模块实例进行集成组合，排除接口不兼容的结果，得到系统级别的集成方案；对系统集成方案，进行系统级别的功能性能验证，进一步排除不满足设计要求的系统级组合方式，最终得到系统级别的设备模块集成方案结果。

21、是通过知识图谱与工程工具的接口，生成机械设备组合布局、电气设计布局和控制逻辑代码，实现机械、电气、自动化设计。

22、当产品发生变化后，首先根据步骤三重新定义产品结构，根据步骤四重新进行需求分解、设备选型和系统验证，根据步骤五完成最终的机械、电气、自动化设计方案。

23、一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计装置，包括：处理器和存储器，存储器中存储有以下各程序模块，当处理器加载各程序模块时执行如上所述的方法步骤，实现根据用户个性化产品需求、对生产系统设计方案进行快速重构；

24、工程数据采集模块，用于获取与生产线相关的产品、工艺和设备资源的工程数据；

25、知识融合模块，用于对获得的产品、工艺、资源的相关工程数据进行知识融合处理，建立基于全局-领域层次化本体的规则模板和知识图谱实例，得到三类知识库；

26、任务需求模块，用于用户定义新的产品个性化需求，作为生产系统设计方案重构的任务需求；

27、集成结果模块，用于通过需求分解、设备选型和集成验证过程，完成对设计知识图谱的检索，得到生产系统内设备集成方案结果；

28、执行模块，用于根据知识图谱中所选的设备集成方案结果完成生产系统机械、电气、自动化设计。

29、本发明具有以下有益效果及优点：

30、1.本发明使用已开发的工艺和设备领域本体，为集成工艺规范和装配工作站配置制定新方法。本发明设计方法的制定侧重于以下方面，以解决已识别的知识差距，实现工艺流程的个性化定制：

31、2.本发明可以提出装配任务的分解和专业化方法；

32、3.本发明方法提出了将所需的过程能力与现有硬件能力相匹配的方法；

33、4.本发明方法提出了将设备模块集成到装配工作站的方法；

34、5.本发明方法提出了装配工作站过程能力的综合方法。

技术特征：

1.一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法，其特征在于，利用工程数据自动建立生产系统设计知识图谱，当产品个性化需求发生变化后，通过知识图谱检索得到满足新需求的设计方案，实现生产系统机械、电气、自动化多学科联合设计，并自动验证方案是否满足要求。

3.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法，其特征在于，所述全局-领域层次化本体包括：领域本体，用于分别对产品组件及装配连接关系、工艺流程顺序和设备结构能力进行定义；全局本体，用于定义组件化的系统基本构成单元和组件关系。

4.根据权利要求3所述的一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法，其特征在于，所述领域本体包括：

5.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法，其特征在于，所述对获取的工程数据进行知识融合处理，包括：根据产品工艺需求、设备工艺能力基本关系，对工艺知识和设备资源知识，根据本体中三元组的定义建立规则模板；采用知识抽取方法，从工程数据中抽取实例、填充知识图谱实例，最终生成三类知识库。

6.根据权利要求5所述的一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法，其特征在于，所述三类知识库，包括：

7.权利要求1所述的一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法，其特征在于，所述通过需求分解、设备选型和集成验证为通过加载规则、根据分解用户定义的产品需求，通过查询搜索选择与设备类型匹配的实例并进程验证，得到生产系统结构和完整的生产业务流程，具体包括：

8.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法，其特征在于，是通过知识图谱与工程工具的接口，生成机械设备组合布局、电气设计布局和控制逻辑代码，实现机械、电气、自动化设计。

9.根据权利要求1所述的一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法，其特征在于，当产品发生变化后，首先根据步骤三重新定义产品结构，根据步骤四重新进行需求分解、设备选型和系统验证，根据步骤五完成最终的机械、电气、自动化设计方案。

10.一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计装置，其特征在于，包括：处理器和存储器，存储器中存储有以下各程序模块，当处理器加载各程序模块时执行如权利要求1-9任意一项所述的方法步骤，实现根据用户个性化产品需求、对生产系统设计方案进行快速重构；

技术总结
本发明涉及一种基于知识图谱的个性化定制生产系统快速重构设计方法，包括：获取与产品、工艺和设备相关的历史工程数据；进行知识融合，建立全局‑领域层次化本体，形成生产系统设计知识图谱；用户定义新的产品个性化需求，作为生产系统设计方案重构的任务需求；通过需求分解、设备选型和集成验证等过程，完成对设计知识图谱的检索，得到设备集成方案结果；根据设备集成方案结果完成生产系统机械、电气、自动化设计。本发明方法用于利用工程数据自动建立生产系统设计知识图谱，当产品个性化需求发生变化后，通过知识图谱检索得到满足新需求的设计方案，实现生产系统机械、电气、自动化多学科联合设计，并自动验证方案是否满足要求。

技术研发人员：王鹏,王忠锋,胡琨元,李力刚,王楚,崔世界,邵帅,杨廷泽
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15