基于知識的大型機電產品制造能耗模型及預測的研究.pdf

1、產品制造過程中的節(jié)能潛力很大，在大力加強技術節(jié)能、依靠技術進步降低單位產品能耗的同時，還需要對能源消耗進行精細管理，以保證節(jié)能效果發(fā)揮到最大程度。目前，離散制造業(yè)的能源管理方式還很不完善，需要由經驗管理向現(xiàn)代化管理轉變。通過建立產品制造過程的能源消耗模型，可以理清能耗的來源及組成，在此基礎上減少或消除不必要的能源消耗；還可以指導能耗數(shù)據(jù)與加工過程相對應，從而為基于知識的能耗預測打下基礎；在能耗模型指導下開發(fā)能源管理系統(tǒng)，可以使能源管理工

2、作更具有科學性、合理性和實用性。另一方面，對于難以用數(shù)學方法精確估算產品制造過程中能耗值的問題，隨著人工智能及計算機技術的發(fā)展，用基于知識的方法來解決成為可能。能耗估算結果是能源管理的基礎，同時可以為工藝方案評價及調度等決策活動提供支持，也是綠色制造等研究中能源消耗研究的基礎，因此，本文進行了產品制造過程能耗模型及基于知識的能耗預測的研究。全文的研究內容主要包括以下幾個部分：
　　建立了產品制造過程的能耗模型。通過對制造過程中幾個

3、概念的分析，明確本文面向能耗的研究體系。接著分析了產品制造過程中的能源消耗，并建立了產品制造過程中能耗的數(shù)據(jù)模型，包括提出能耗模型要解決的問題；對能源消耗方面的一些術語進行定義；對術語及能耗控制的規(guī)則進行形式化等內容。其中術語定義包括機械加工工藝過程中工序能耗的各個定義，零件機械加工過程中的能耗及產品制造過程中的能耗等的定義。分析了產品制造過程能耗模型的作用，它可以為能耗的精細管理提供支持。
　　提出了產品制造過程能耗知識的語義模

4、型及其表示方法。能耗信息采集后，與工藝實例及切削參數(shù)等結合后形成為能耗知識，通過明確與能源消耗有關的各種概念及其關系，建立了產品制造過程和機械加工過程能耗知識的語義模型。通過對幾種承載語義模型的語義表示語言的比較之后，以 OWL語言為基礎來表示與能耗相關的概念實體集、概念實體屬性集及關聯(lián)集。對能耗相關概念體系中的公理和約束，以制造對象為例，進行了一階邏輯表示的研究。接著提出了機械加工工藝過程中能耗相關信息的層次結構。
　　提出了基

5、于實例推理的工藝過程能耗預測方法。首先建立了基于 CBR的零件機械加工工藝過程能耗預測的過程模型。接著針對能耗預測的特點，提出了基于所屬產品的檢索、面向零件的檢索和基于機床設備的匹配檢索三個主要步驟的實例檢索過程，并采用應用事務特性表技術的利用相似零件加工能耗結果的估算方法。以汽輪機轉子加工為例，驗證了上述方法的可行性及有效性。
　　提出了工序層次上基于神經網絡的能耗預測方法。首先，通過對單位體積金屬去除量的能耗公式的分析，知道能

6、源消耗與很多具體條件相關，很難精確計算出，而且機床和刀具等一經確定，切削用量的選擇就成為影響能源消耗的關鍵。在分析了 BP神經網絡的本質后，建立了能耗預測的神經網絡模型，說明了輸入變量及輸出變量的選取及其歸一化處理，并進行了隱含層節(jié)點數(shù)和傳遞函數(shù)的選取。以各切削用量組合及其對應能源消耗的歷史數(shù)據(jù)作為神經網絡訓練的樣本集，建立切削用量組合方案輸入和能源消耗輸出間的非線性關系，從而對新的切削用量參數(shù)組合進行能耗值的預測。以導葉片的粗銑加工為

7、例，驗證了該能耗預測方法的有效性。
　　在能耗模型和能耗知識語義模型的指導下進行了離散制造業(yè)能耗管理原型系統(tǒng)的開發(fā)。在分析了離散制造企業(yè)在能源管理方面的特點后，根據(jù)功能的獨立化、模塊化的設計思想，提出了包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層、用戶服務層三個層次的系統(tǒng)總體層次結構。指明了軟件系統(tǒng)的工作流程，并從產品能耗管理、設備能耗管理、能耗信息管理、能源消耗的預測和系統(tǒng)管理五個方面進行系統(tǒng)的實現(xiàn)。該系統(tǒng)有利于理清能源消耗的脈絡，找出降低能源消