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    1. 基于长短期记忆网络的桁架车身结构轻量化设计优化
    贾良跃, 郝佳, 商曦文, 李作轩, 阎艳
    计算机集成制造系统    2023, 29 (10): 3317-3330.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.009
    摘要87)      PDF (4212KB)(108)    收藏
    为满足特种无人车辆高可靠机动、低成本研制等要求,在特种无人车辆的桁架车身结构设计早期阶段引入结构轻量化思想。为实现车身结构轻量化,提出基于长短期记忆网络的设计优化方法(LSTM-DO),利用LSTM-DO的快速搜索、高精度优化能力解决车身结构设计优化中收敛慢、局部最优等问题。建立了某无人车辆桁架车身参数化模型与有限元分析模型,采用代理模型技术提高设计优化过程中车身结构性能评估速度,结合LSTM-DO优化方法快速准确地生成方案。对比了常用的梯度优化算法与启发式优化算法,所提LSTM-DO方法在最优方案性能、收敛速度和鲁棒性方面均展现出明显的优势。
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    2. 产品风格计算研究现状与展望
    罗仕鉴, 王瑶, 刘长奥, 田馨, 沈诚仪
    计算机集成制造系统    2023, 29 (10): 3425-3439.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.018
    摘要159)      PDF (3637KB)(316)    收藏
    随着人工智能、生物测量技术的发展,产品风格认知和智能生成方式不断衍化,风格研究在产品设计开发、用户研究和产品族设计中发挥着巨大作用,而当前对风格研究的演进脉络和未来发展趋势尚未有完整、系统的讨论。以2000年~2023年作为研究时间跨度,通过对427个出版物的系统回顾和67篇核心文献的聚类挖掘,从产品风格的认知测量、产品风格的智能计算、产品风格的商业设计、产品风格的审美评估4个维度对产品风格研究内涵进行解读,分析以产品风格化设计思维的认知与测量技术、产品风格化概念设计的知识提取与表达技术、产品风格化概念设计的生成与演化技术、产品风格化概念设计的智能优化评价技术为主的关键技术发展,并从群智协同创新驱动的产品风格化设计、人工智能生成内容引领的云端智能设计平台、中国风格智能文化创意产品设计、产品风格化创新设计生态四方面,针对性地提出产品风格计算的研究热点和未来发展方向,为产品风格计算研究提供理论依据。
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    3. 多模式绳牵引刚柔结合夹持器设计与分析
    卢清华, 刘晋, 韦慧玲, 陈为林, 罗陆锋
    计算机集成制造系统    2023, 29 (10): 3269-3283.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.005
    摘要58)      PDF (6808KB)(100)    收藏
    为了解决夹持器难以稳定夹持轮廓复杂的易损异形物体的问题,以提高夹持器的自适应性和保护抓取能力,设计了一种包括绳索驱动系统和柔性铰链结构的绳牵引刚柔结合夹持器。通过设计夹持器的绳索路径实现多种抓取模式之间的相互转换。在载荷平衡方程的基础上对两种抓取模式进行静力学建模,得到输入力与输出夹持力之间的力学模型,并通过数值仿真和物理试验验证力学模型的正确性与夹持器的抓取性能。最后,分别对不同几何形状和不同刚度的抓取目标进行抓取试验,验证了夹持器自适应保护抓取的能力。
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    4. 基于安全点引导混合算法的启发式机器人动态路径规划
    吴琼, 袁杰, 马圣山, 郭振宇
    计算机集成制造系统    2023, 29 (10): 3284-3295.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.006
    摘要72)      PDF (7461KB)(104)    收藏
    针对机器人在复杂环境下路径规划难以兼顾全局最优和实时避障的问题,将改进的A*算法和人工势场法结合,提出一种具有启发式动态路径规划的安全点引导(SPG)混合算法。设计了终点逼近策略,解决了传统A*算法规划路径转折点过多的问题,同时采用平面向量积法避免传统人工势场法路径振荡。设计安全点引导的启发式策略将两种改进算法结合,既保证安全路径,又逃离局部极小值点。分别在静态和动态环境下对SPG混合算法进行仿真并与传统混合算法相比,静态环境和动态环境下的路径长度与运行时间分别缩短了10%,25.6%和9.5%,30.9%,表明SPG混合算法具有良好的全局路径规划与动态避障能力。最后在真实场景中验证了SPG混合算法的有效性。
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    5. 基于变论域模糊补偿的机械臂自适应控制
    陈引娟, 朱香将, 李宗刚, 杜亚江
    计算机集成制造系统    2023, 29 (10): 3306-3316.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.008
    摘要47)      PDF (2546KB)(64)    收藏
    针对存在建模不确定性和外部干扰的机械臂系统,设计了一种结合标称计算力矩控制器和变论域模糊补偿器的复合控制方案,其中利用变论域自适应模糊控制器对建模不确定项进行估计和补偿,利用计算力矩控制器求解标称系统控制力矩。针对伸缩因子设计的自适应律使得变论域自适应模糊控制器在不同时刻适用于状态空间的不同区域,提高了系统的响应速度,大幅减小了系统的稳态跟踪误差,而且跟踪过程平稳柔顺、抖振极小,从而提升了系统的轨迹跟踪性能。仿真结果和实体试验结果均表明所提方法具有有效性。
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    6. 面向复杂钣金件折弯的高效工序规划算法
    刘飞, 魏娜, 吕万林, 游有鹏
    计算机集成制造系统    2023, 29 (10): 3331-3339.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.010
    摘要42)      PDF (1747KB)(69)    收藏
    为了解决复杂钣金件工序规划难、效率低的问题,提出一种基于反向状态传递的高效工序规划算法。算法提出折弯可行性状态概念以及状态在先后折弯工序中的传递机制,在将状态数据作为经验充分利用的同时避免丢失,以减少传统工序规划中普遍存在的大量折弯可行性重复测试;考虑到钣金件的形状复杂度对折弯可行性的影响不同,采用从最终成形至零件毛坯的逆向推理方式减少无效的折弯可行性检测;为规避随折弯数增多导致解空间阶乘增长,采用经验的组合表示以避免重复的折弯可行性检测。实验结果表明,所提算法可以高效获得复杂钣金件的所有可行折弯工序,为最终通过评估、优选获得最优折弯工序奠定了基础。
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    7. 材料挤出工艺打印功能梯度材料路径规划策略
    马硕, 王世杰, 王龙, 韩晓伟, 杨杰, 段国林
    计算机集成制造系统    2023, 29 (10): 3340-3350.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.011
    摘要41)      PDF (5411KB)(68)    收藏
    鉴于增材制造技术中的材料挤出工艺操作方便、节省材料,而目前国内外对该工艺打印功能梯度材料的路径规划策略研究较少,对材料挤出工艺材料组分转变时的延迟现象进行分析,将延迟分为交付延迟和过渡延迟,并提出基于偏移距离对延迟现象进行补偿的打印策略。以Visual Studio 2019为开发平台提出一种自动生成任意功能梯度材料打印路径的新路径规划策略,该策略考虑了每层切片内材料组分的变化,针对不同变化方向生成相应的填充路径,以确保打印过程中的材料组分变化最小,从而提高成型件的材料精度。对多个功能梯度模型进行仿真演示,将生成的打印路径采用OpenGL可视化分析其材料组分误差,并通过实验验证了路径规划策略的正确性。
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    8. 基于磨削去除率的无心磨削ERWC碳排放模型与实验
    迟玉伦, 江欢, 吴耀宇, 李希铭
    计算机集成制造系统    2023, 29 (10): 3351-3365.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.012
    摘要29)      PDF (3462KB)(65)    收藏
    为准确量化无心磨削过程中的碳排放,提出一种新的无心磨削ERWC碳排放计算模型,该模型用基于功率信号的磨削材料去除率计算材料去除能耗、砂轮磨损碳排放等,相比以往基于经验公式计算得到的无心磨削碳排放,有效降低了与实际加工过程碳排放之间的误差。深入分析无心磨削碳排放的影响因素,提出建立无心磨削碳排放模型的方法;基于监测功率信号的无心磨削材料去除率模型,综合考虑能源消耗、资源消耗和废弃物对无心磨削碳排放的影响,建立无心磨削ERWC碳排放模型。将无心磨削ERWC碳排放等效模型用于企业工厂柱塞芯磨削加工实验表明,该无心磨削碳排放模型对无心磨削加工过程中的碳排放进行了准确量化,为后续优化磨削工艺参数、降低无心磨削加工过程中的碳排放打下了理论基础。
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    9. 基于概率推理的知识图谱链接预测方法
    姚建军, 李剑宇, 岳昆, 段亮, 付晓东
    计算机集成制造系统    2023, 29 (10): 3483-3495.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.023
    摘要64)      PDF (2381KB)(117)    收藏
    为了有效发现实体间隐含的关联关系并对其进行量化,以全面准确地进行知识图谱(KG)链接预测,提出基于概率推理KG链接预测方法。该方法以描述实体间隐含关联关系并度量链接存在的可能性为目标,基于AMIE算法挖掘KG中的规则并将其转换为Horn子句,进一步构建描述不同实体依赖关系的规则链接贝叶斯网(RLBN),将KG的链接预测任务转换为RLBN的概率推理任务来计算实体间的关联度,从而预测实体间的链接关系。实验结果表明,基于RLBN的KG链接预测精确率和召回率优于其他方法,验证了所提模型的有效性与高效性。
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    10. 基于XLNet的业务流程下一活动预测方法
    夏灿铭, 邢玛丽, 何胜煌
    计算机集成制造系统    2023, 29 (10): 3496-3503.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.024
    摘要35)      PDF (1177KB)(56)    收藏
    预测性业务流程监控侧重于使用事件日志预测正在运行流程的未来特征,针对大多数现有业务流程预测方法的缺点,例如无法捕获序列的长距离依赖、只能单向利用序列信息,提出一种基于XLNet的业务流程下一活动预测方法。该方法实现了长程记忆,并采用注意力掩码重构事件序列,以利用序列的双向信息。通过在4个公开数据集上进行评估表明,该方法的平均准确率具有优越性,且在日志记录充分时,该方法对业务流程下一活动的预测准确率较高,可为业务流程管理系统提供实时的决策依据。
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    11. 混合时间窗下多中心混合车队车辆路径优化
    范厚明, 杨成, 张跃光, 孙秀娜, 田攀俊
    计算机集成制造系统    2023, 29 (10): 3529-3546.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.027
    摘要72)      PDF (2875KB)(110)    收藏
    针对混合时间窗下多中心混合车队车辆路径优化问题,综合考虑多中心联合配送、客户混合时间窗、配送中心运力平衡和车辆装载量对油耗的影响,构建以车辆派遣成本、油耗成本、电动车能耗成本和时间窗惩罚成本之和最小化为目标的优化模型。设计遗传—大邻域混合算法求解模型,该算法采用聚类法生成初始解,基于运力平衡的返回策略设计交叉和变异算子,并引入变邻域搜索结构和大邻域搜索算法的移除与插入算子进行搜索优化。通过对比和分析多组算例验证了算法的有效性,并分析了运力平衡策略和混合时间窗对制定配送方案的影响。研究成果可丰富车辆路径问题的相关研究,为物流企业优化决策配送方案提供了理论依据。
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    12. 基于参考轨迹的移动机器人避碰决策及轨迹跟踪方法
    聂振邦, 于海斌
    计算机集成制造系统    2023, 29 (9): 2879-2889.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.001
    摘要123)      PDF (4934KB)(171)    收藏
    针对车间物流移动机器人轨迹跟踪的鲁棒控制问题,提出一种基于参考轨迹信息的避碰决策及轨迹跟踪控制方法。首先,基于参考轨迹全局信息构建了避碰触发条件,较现有的基于当前相对位置和相对速度信息的避碰条件更为精准,避免非必要的避碰动作;然后,综合考虑参考轨迹全局信息和避碰触发条件,设计了考虑避碰约束的移动机器人模型预测轨迹跟踪控制算法。仿真结果表明,本文所提方法在时间扰动和位置扰动下具有良好的避碰与轨迹跟踪性能,可实现多种场景下多移动机器人的鲁棒轨迹跟踪控制。
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    13. 考虑球面副润滑间隙的空间并联机构动力学建模与响应分析
    陈修龙, 樊慧凯
    计算机集成制造系统    2023, 29 (9): 2890-2898.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.002
    摘要55)      PDF (4071KB)(71)    收藏
    为了分析含球面副润滑间隙的空间并联机构动力学响应特性,以2RPS-SPR(R转动副,P移动副,S球面副)空间并联机构为研究对象,结合Reynolds方程和Gümbel边界条件,建立了含多个球面副润滑间隙的空间并联机构动力学模型,对比分析了含润滑间隙、不考虑间隙的理想情况和含干摩擦间隙的机构动力响应特性,以及分析了不同动力粘度、不同间隙值对润滑状况下的机构动力学响应的影响。结果表明,润滑间隙相比于干摩擦间隙能有效改善并联机构的动力特性,且随着润滑油动力粘度的增大以及间隙值的减小,机构运行状况越好。该研究为含球面副润滑间隙并联机构动力学响应特性分析提供了理论方法,为指导实际生产提供了理论依据。
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    14. 优化改进RRT和人工势场法的路径规划算法
    辛鹏, 王艳辉, 刘晓立, 马希青, 徐东
    计算机集成制造系统    2023, 29 (9): 2899-2907.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.003
    摘要115)      PDF (2257KB)(140)    收藏
    针对传统快速搜索随机数(RRT)算法在规划路径中随机性较大,搜索效率较低且规划的路径不利于机器人移动等缺点,从3个方向进行改进。首先,对于随机树扩展时随机性较大的问题,将传统的扩展方向加入改进人工势场法约束,使得随机树偏向目标点生长;其次,将改进RRT算法规划的路径进行关键点提取,并优化路径;最后,将优化后的路径按照关键点分段使用改进评价函数的动态窗口法。实验表明,优化改进RRT算法相较于传统A*算法、传统RRT算法在路径长度、路径规划时间以及拐点等方面效果都更好,融合算法在复杂环境中规划出的路径能够很好地避开障碍物,路径更加平滑且更短。
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    15. 基于随机森林和量子粒子群优化的SVM算法
    崔兆亿, 耿秀丽
    计算机集成制造系统    2023, 29 (9): 2929-2936.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.006
    摘要102)      PDF (2827KB)(127)    收藏
    特征属性过多及内部参数的优选是影响支持向量机(SVM)模型泛化能力的重要因素,针对以上两个问题,为了提高SVM模型的泛化能力和分类精度,将随机森林(RF)算法和量子粒子群优化(QPSO)算法结合优化SVM模型的核函数参数和惩罚因子。首先利用RF算法计算出每个特征的重要性,通过特征选择筛选出重要性高的特征作为特征子集;再利用QPSO算法的全局搜索能力寻找出SVM模型的最优核函数参数和惩罚因子,最后将最优参数应用于SVM模型中进行分类预测。实验仿真结果表明,与其他机器学习算法相比,所提模型具有较高的训练精度和预测精度,也证实了该模型具有较好的鲁棒性和泛化性能。
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    16. 工艺数据驱动的加工演变特征快速建模方法
    杜晨晓, 刘金锋, 李纯金, 周宏根, 刘晓军, 董磊, 康超
    计算机集成制造系统    2023, 29 (9): 2948-2962.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.008
    摘要70)      PDF (2978KB)(111)    收藏
    演变特征是工艺信息的载体,然而现有工艺模型以加工后特征表达为主,难以揭示加工过程演变特性。因此,提出工艺数据驱动的加工演变特征快速建模方法,旨在提高工艺设计准确性。首先,定义加工演变特征,构建动态与静态模型间几何关联机制;其次,基于时间维度创建加工特征演变信息模型,并阐述了其附属工艺数据的组织与管理方法;然后,建立加工截面与去除体之间的映射机制,提出了切削参数驱动演变特征几何模型的快速创建方法;最后,基于三维零件工艺设计系统开发加工演变特征创建模块,对提出的演变特征快速建模方法进行了有效性验证。
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    17. 考虑云制造服务协同的多用户任务调度优化
    王天日, 张敏敏, 刘娟, 张鹏志
    计算机集成制造系统    2023, 29 (9): 3006-3017.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.013
    摘要64)      PDF (2997KB)(105)    收藏
    云制造系统中有各种不同的分布式制造服务,而以往对制造服务调度的研究忽略了服务提供企业间的协同效应。为考虑云制造服务社会属性对服务协同的影响,从合作与竞争的角度建立了云服务间协同效应的测度模型。进而,以最大化平均用户满意度及最大化云服务协同效应为优化目标,构建了双目标云服务选择与调度模型。基于灰狼优化算法设计了一种灰狼优化模拟退火混合算法(GWO-SA)对该模型进行优化求解。使用算例进行测试并与其他多目标优化算法比较,仿真结果表明了该模型的有效性和GWO-SA算法的高效性。
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    18. 基于边云协同和增强现实的车间智能维修方法
    刘长春, 唐敦兵, 张泽群, 王震, 张林琦
    计算机集成制造系统    2023, 29 (9): 3041-3054.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.016
    摘要64)      PDF (7259KB)(110)    收藏
    针对运维人员对复杂结构设备的经验技术存在不足以及缺少直观可视化的辅助维修表征手段,导致运维人员的维修效率低、可靠性差且易受车间嘈杂环境影响而引起不当维修的现象,提出一种基于边云协同和增强现实的车间现场智能维修方法。通过融合自适应信息熵与锐化调整算法,克服传统面向快速旋转的二元鲁棒独立基本特征的同时定位与建图方法(ORB-SLAM2)在具有丰富纹理的维修场景中运行时,无法获得足够稳定的匹配点对导致姿态跟踪丢失的缺点。通过边云协同计算框架,在云端运行改进的ORB-SLAM2算法,反馈给可穿戴增强现实设备进行高精度特征提取与三维注册跟踪,实现车间现场环境下的待维修部件和维修过程说明的增强可视化指引。此外,构建远程专家系统解决未知根源的故障,实现车间现场远程维修。通过车间现场真实维修案例对比实验表明,所提方法能够有效提高车间现场人员维修的效率和可靠度。
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    19. 考虑合同双方利益最优的复杂设备分阶段维护外包策略
    张馨予, 刘勤明, 叶春明, 李佳翔
    计算机集成制造系统    2023, 29 (9): 3055-3065.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.017
    摘要32)      PDF (1259KB)(41)    收藏
    针对复杂设备维护外包策略制定过程中,仅考虑一方利益或第三方维护特点表现不明问题,提出了同时使设备使用商满意度最高和维护外包服务承包商利润最大的分阶段等周期预防性维护策略。首先,引入动态役龄递减因子来优化故障率变化规则;其次,以每个阶段的预防性维护次数和维护间隔以及维护外包服务承包商的平均响应时间为决策变量,构建了服务承包商利润模型和设备使用商满意度模型;最后,用NSGAII算法求解不同分段下的多目标最优方案并进行比较,得出两阶段预防性维护策略所得最优方案质量更佳;使用粒子群算法求出两阶段维护对应的单目标最优方案并与多目标最优方案进行对比,以验证多目标维护外包模型的优越性和实用性。
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    20. 具有安全间隙及物料装卸点的多行布局问题建模与优化
    计丹, 张则强, 刘俊琦, 方潇悦
    计算机集成制造系统    2023, 29 (9): 3074-3085.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.019
    摘要45)      PDF (1816KB)(64)    收藏
    针对当前多行布局研究中忽略设施安全间隙及假定物料装卸点重合的不足,结合实际布局情况,提出了具有安全间隙及物料装卸点的多行布局问题。以物流成本和布局面积为优化目标,构建了混合整数规划模型,并运用Gurobi对小规模算例进行了精确求解。结合问题特点,设计了一种融合生物地理学算法和线性规划的两阶段方法,通过分阶段迁移、反向学习机制、自适应变异、局部搜索等操作对原始算法进行改进,并采用双阈值停止准则,去除冗余循环次数。运用该算法求解规模为5~49的若干标准算例,结果对比验证了算法的高效性和稳定性。最后应用所提算法求解实际车间布局问题,经数据比对,进一步验证了算法在求解质量上的优越性。
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    21. 基于大偏差原理的多维偏差源扰动下装配精度保持性分析方法
    张学睿, 郭飞燕, 肖庆东, 韩洁, 曹冠宇
    计算机集成制造系统    2023, 29 (8): 2633-2645.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.011
    摘要62)      PDF (2401KB)(81)    收藏
    针对航空复杂产品装配过程中,多维装配偏差源间的非线性耦合作用会导致装配精度传递保持能力弱且可能发生极大装配超差的现象,提出一种基于概率法的装配过程精度保持性评价模型与方法。首先,分析装配偏差引起的应力作用,研究基于应力效应的多维装配偏差耦合聚焦超差效应,并以概率评价法为基础研究装配精度保持性;其次,采用大偏差原理中Gartner-Ellis定理分析装配过程极大超差问题的发生概率,建立融合偏差分析与大偏差原理的装配精度保持性评价概率模型;此后,利用动态滑动窗口法实现基于实测信息的超差概率计算,并以此结果为判据提出装配精度保持性的反馈调整措施。以某典型机翼盒段件为例,通过计算装配过程外形对缝间隙与阶差指标发生极大超差的概率,并借助装配超差预防优化系统实现装配过程的精确调整,提升装配质量约30%,增强了装配过程精度处于受控范围的能力。
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    22. 高性能齿轮传动数据库软件设计与开发
    刘怀举, 张洪春, 魏沛堂, 贾晨帆, 李扬
    计算机集成制造系统    2023, 29 (8): 2513-2523.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.001
    摘要169)      PDF (4892KB)(392)    收藏
    针对我国高性能齿轮传动基础数据管理不规范,齿轮传动数据库和设计软件功能欠缺等问题,设计了高性能齿轮传动数据库软件框架和数据库结构,基于C++语言、Qt应用程序框架和轻量化数据库引擎SQLite开发了高性能齿轮传动数据库软件,并应用于齿轮行业设计分析和生产管理。该软件实现了齿轮材料、工艺、结构、性能等基础数据的高效流程管理和科学数据分析;开发了包括工况分析、寿命预测、轴承选型、结构优化等齿轮传动系统设计模块,实现复杂可变边界条件下齿轮传动系统设计和多目标优化;成功应用于同向平双齿轮传动系统减重、特种车辆重载齿轮数据整理分析等,为高性能齿轮传动行业提供自主可控的有效工具支撑。
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    23. 基于深度迁移学习的多点频域振动响应预测
    崔振凯, 王成, 何霆, 李海波, 赖雄鸣, 张忆文
    计算机集成制造系统    2023, 29 (8): 2524-2536.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.002
    摘要291)      PDF (4253KB)(523)    收藏
    针对多输入多输出神经网络(MIMO-ANN)进行多点频域振动响应预测时需要为每个频率点独立建立神经网络模型、独立随机选择神经网络模型初值导致的训练时间长、预测精度低等问题,提出了一种基于多输入多输出人工神经网络(MIMO-ANN)和模型迁移学习的多点频域振动响应预测方法。本研究对于多源不相关载荷未知条件下的基于数据驱动的振动响应预测问题进行了形式化描述,并比较了其与不相关多源载荷已知情况下基于数据驱动的多点频域振动响应预测问题的不同之处。首先,将某频率点下的多个振动响应已知的测点的自功率谱作为输入,多个振动响应未知的测点的自功率谱作为输出,将两部分历史数据集构造成为训练集,利用MIMO-ANN建立该频率下的未知点振动响应预测模型;其次,根据传递函数在频域的连续性,利用该频率下训练好的MIMO-ANN的权值迁移到相邻频率作为其MIMO-ANN的初值;再次,利用此相邻频率下的历史数据进行训练,从而得到此频率下的预测模型;最后,不断循环此过程,直到所有频率点的模型全部训练完成。该方法解决了矩阵病态求逆问题,可以获得更好的神经网络模型的初值,不容易陷入局部最优,加快了神经网络的收敛速度。在圆柱壳声振实验数据集的多点响应预测结果表明,在多源载荷未知条件下,该方法比基于无迁移学习神经网络、多元线性回归、传递函数的方法,预测精度、训练效率更高。
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    24. 复杂环境下无人机全覆盖三维路径规划算法
    陈艺, 于纪言
    计算机集成制造系统    2023, 29 (8): 2563-2573.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.005
    摘要106)      PDF (2653KB)(140)    收藏
    针对复杂实际环境下无人机进行快速三维全覆盖路径规划的问题,提出了无人机全覆盖三维路径规划算法。首先,二维全覆盖路径规划由全局运动策略、局部运动策略和摆脱死区策略组成,在全局运动策略中改进标记函数和提出次层起点动态搜寻策略,摆脱死区策略由A*算法和改进环形搜索算法构成;三维全覆盖路径规划由分层规划策略、地图重构策略和层间连接策略组成,分层规划策略将三维分为不同间隔高度的二维环境,地图重构策略对二维进行动态地图构建,层间连接策略由头一层的遍历终点确定下一层的遍历起点。仿真结果表明:所提算法在二维全覆盖路径规划时,相较于传统的单环搜索方式摆脱死区策略,路径长度缩短2.7%,路径重复率减小3%;相较于无局部运动策略,路径长度缩短14.2%,总死点数目和路径重复率降低32.9%和4.4%,且运行时间减少6.7 s;在三维全覆盖路径规划时,相较于无地图重构策略,路径长度缩短27.33%,死点数目减少16.82%,运行时间减少70.8 s,路径重复率减小7%;最后进行参数分析,得出本算法性能最优时参数取值。综上,该算法能够适应复杂环境,且能有效降低死点数目和路径重复率,快速规划全覆盖路径,具有较好的鲁棒性。
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    25. 曲率信息驱动的飞机蒙皮装配变形建模方法
    李成渝, 胡俊山, 田威, 朱永凯, 石章虎
    计算机集成制造系统    2023, 29 (8): 2622-2632.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.010
    摘要46)      PDF (6096KB)(123)    收藏
    在飞机零组件装配过程中,蒙皮的变形严重影响产品的形面精度质量。面向蒙皮装配变形的监测需求,提出一种由曲线到曲面的建模方法,将多条粘有正交光纤光栅的形状记忆合金丝安装于蒙皮表面,通过实验标定方法实现光栅波长偏移量到合金丝曲线曲率的准确转换,再将曲率信息转化为曲线点的空间坐标信息,最后对每条曲线的坐标系进行配准,完成壁板蒙皮装配形状的建模。仿真和实验表明,提出的方法可以实现蒙皮在装配场景下的弯曲形态感知。实验以光学仪器C-Track的测量结果为基准,模型中蒙皮特征点对距离的绝对误差平均值和最大值分别为3.58 mm和8.67 mm,相对误差平均值和最大值分别为0.70%和1.94%。同时,还对曲线建模误差的变化规律进行了分析:数学论证和仿真结果均表明误差随曲率采样点间隔的变化呈现递增趋势且递增速度与曲线的挠率和曲率相关;并还指出误差随点位递推次序的变化并非一定呈现单增趋势,其与曲率的单调性等因素相关。
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    26. 面向设备点检故障根因分析的因果知识建模方法
    周彬, 花豹, 陆玉前, 李心雨, 李婕, 鲍劲松
    计算机集成制造系统    2023, 29 (8): 2708-2721.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.017
    摘要106)      PDF (4834KB)(181)    收藏
    设备点检记录是支撑故障原因分析与处理的重要信息来源,目前亟需对设备点检故障中的根因信息进行有效挖掘,以提升设备预防性维护的可靠性。鉴于此,首次将因果科学论引入制造领域,提出一种面向设备点检故障根因分析的因果知识建模方法。首先,从设备点检故障文档中提取事件知识,构建故障运维因果知识图谱;其次,定义故障运维因果知识规则,形成结构因果图模型;进而,设计一种基于ISPN的因果效应估计学习模型,对故障知识中混杂影响因素进行估计计算,挖掘出影响设备故障发生的语义关系,补全图谱节点间隐含的因果性语义链路;最后,以冶金设备点检故障文档的知识测试了所提方法,验证了因果知识模型估计设备故障根因知识间因果效应的可行性。
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    27. 改进序列二次规划算法用于轴对称非球面轮廓度误差评定
    卓少木, 王晗, 姚洪辉, 张嘉荣
    计算机集成制造系统    2023, 29 (8): 2676-2684.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.014
    摘要34)      PDF (2993KB)(56)    收藏
    为了高效率、高精度的评定轴对称非球面零件,提出一种改进序列二次规划算法并结合非线性方程组牛顿迭代法来评定非球面的轮廓度误差。对于测量仪器检测时存在的设计坐标系与测量坐标系不重合的问题,使用坐标变换矩阵来消除测量坐标系存在的位置误差;针对非球面的特点,构建二元非线性方程组来表示非球面的投影点,并采用牛顿迭代法精准计算投影距离;为解决计算的复杂性,采用改进序列二次规划算法构建误差子问题求解,并利用拟牛顿法求解大规模无约束非线性问题。最后,对多种非球面镜片进行仿真和实验分析,并与最小二乘法和熵函数法对比。结果表明,所设计的算法有效提高了计算轮廓度误差过程中的数据处理效率和精度。
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    28. 基于自由弯曲技术的管材弯曲回弹预测
    徐振华, 王华, 洪荣晶, 胡宇航, 刘连华
    计算机集成制造系统    2023, 29 (8): 2685-2695.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.015
    摘要43)      PDF (3377KB)(137)    收藏
    为克服有限元模拟中圆弧段采用动力显式算法无法获得准确回弹,值及解析法忽略过渡段S1为变曲率特性的问题,提出一种结合解析法和有限元模拟分析的求解方法,以此来对基于自由弯曲技术的管材回弹数值进行预测。对于过渡段S1,分别使用显式和隐式求解器完成成形和回弹过程的仿真,基于回弹值变化特点引入移动最小二乘法(MLS)对回弹数据进行拟合,建立了过渡段S1的回弹预测模型;同时,对圆弧段S2建立了考虑轴向推力引起的压缩应力的回弹预测模型。仿真结果表明,回弹主要发生在圆弧段,过渡段S1的回弹值在整体回弹值中所占比重较小;经过两组实验结果对比分析,所提出的预测方法与实验所得回弹角误差分别为15.09%与14.76%,传统求解方式(将过渡段S1视为定曲率)与实验所得回弹角误差分别为27.68%与24.32%,回弹角综合预测精度提升了11.08%。
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    29. 基于概率切片累积特征的轴承双向传感器信息融合故障诊断
    张龙, 刘杨远, 唐晓红, 张号, 肖乾, 赵丽娟
    计算机集成制造系统    2023, 29 (8): 2722-2732.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.018
    摘要44)      PDF (2895KB)(70)    收藏
    针对采集的轴承振动信号易受环境的影响而导致存在许多不确定性因素的现实情况,采用一种基于概率切片累积特征的轴承双向传感器信息融合故障诊断方法实现对轴承故障的定性分析。首先利用概率盒理论(P-box)将来自水平和垂直方向传感器的时域信号分别进行概率盒建模,从而减小认知不确定性带来的消极影响并充分提取多方位振动信号中故障信息;然后提取模型概率切片累积特征输入到构建的双通道并行卷积神经网络(PCNN)自适应训练,在此基础上通过在网络的全连接层之前添加一个融合层进行双向特征信息融合;最后利用归一化指数函数实现故障部位的辨识。某铁路局机务段轮对轴承数据分析结果表明,所采用方法在应对故障程度不均衡数据集时仍具有较高的准确性和稳定性,且在不同噪声条件下具有一定的鲁棒性。
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    30. 结合FJSP问题的跨层穿梭车仓储系统作业调度研究
    雷斌, 金彦彤, 刘海龙
    计算机集成制造系统    2023, 29 (8): 2751-2760.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.021
    摘要68)      PDF (1925KB)(134)    收藏
    为提高跨层穿梭车仓储系统的作业效率,通过分析系统内设备的服务时间,创新性地将柔性作业车间调度问题(FJSP)模型应用于解决跨层穿梭车仓储系统作业调度问题中,将穿梭车仓储系统中的出入库作业转化为FJSP中待加工的工件,同时考虑设备预先移动及并行情况,建立结合FJSP的跨层穿梭车仓储系统作业调度模型,并借助一种改进的灰狼算法,与传统的基于复合作业的调度模型进行对比。结果表明,所提出的结合FJSP问题的跨层穿梭车仓储作业调度出入库时间更短,模型通用性更高,能够有效地提高穿梭车仓储系统的作业效率。
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    31. 基于联合学习的概念设计知识抽取与图谱构建
    黄悦欣, 余隋怀, 初建杰, 苏兆婧, 王晗宇, 丛扬帆, 樊皓
    计算机集成制造系统    2023, 29 (7): 2313-2326.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.015
    摘要114)      PDF (4754KB)(191)    收藏
    为提高产品概念设计过程中设计知识获取效率,解决设计知识碎片化、推理性差、可视化程度不高等问题,提出了基于联合学习的设计知识抽取与图谱构建方法。首先,根据设计知识需求和产品概念设计流程,构建了面向产品概念设计的设计知识图谱框架,然后,分析了设计知识提取过程中实体关系重叠问题,建立了基于联合学习的设计知识抽取模型,该模型通过ELECTRA算法进行语义编码,利用联合学习方法将实体关系抽取转换为各关系上两实体映射。 通过真实设计数据和DuIE公共数据集对比实验表明,该模型知识抽取效果显著优于对比模型。最后,将该方法应用于文化创意产品设计知识图谱开发,为设计师提供关联化、可推理、可视化的设计知识,辅助进行产品概念设计。
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    32. 面向多视图的数字孪生制造单元数据集成与服务方法
    王闯, 冯雅倩, 周光辉, 李涵
    计算机集成制造系统    2023, 29 (7): 2139-2150.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.001
    摘要226)      PDF (5553KB)(275)    收藏
    传统车间在数据集成与服务方面存在智能化程度低、存储介质和生产介质单一的问题,为了解决这些问题,以数字孪生制造单元为研究对象,提出了面向多视图的数据集成与服务方法。首先,基于开放性生产控制和统一架构信息模型,构建了模型与数据实体之间的映射关系,并通过自组织的数据存储方法实现了制造单元的数据集成。其次,设计了面向多视图应用的表述性状态转移数据服务方法。最后,以数字孪生制造单元中具体的生产应用为案例,验证了所提方法具有更少的数据服务耗时和网络请求次数,可以有效提升数据集成的实时性。
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    33. 基于TOPSIS和MOEA/D的装夹布局方案规划方法
    秦国华, 王明明, 林锋
    计算机集成制造系统    2023, 29 (7): 2151-2165.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.002
    摘要70)      PDF (2169KB)(90)    收藏
    作为整个夹具设计中最为复杂和抽象的环节,装夹布局方案的规划直接影响着工件的加工质量、生产效率和制造成本。为此,在前期关于基于层次分析法与定位确定性的工件定位方案规划算法的研究基础上,进一步建立了一种基于逼近理想解排序法(TOPSIS)和基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)的夹紧方案设计方法。首先,通过建立选择夹紧表面的层次结构模型,提出了计算候选夹紧表面贴近度的TOPSIS方法。其次,考虑到工件稳定性和装夹变形的双重因素,建立了同时满足夹紧阶段和加工阶段的装夹布局多目标优化模型,在利用切比雪夫方法对多目标函数进行正对性分解的基础上,构建了夹紧方案多目标优化模型的MOEA/D求解方法。最后,利用建立的方法设计出非规则零件钻孔用的装夹布局方案,并与现有夹具结构方案进行对比和分析,结果表明设计方案与现有方案完全吻合。基于TOPSIS和MOEA/D的夹紧方案规划算法易于编程实现,既能为任意工件合理地规划出夹紧方案,也能为计算机辅助夹具设计系统的开发提供理论支持。
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    34. 基于天牛须搜索的装载机铲掘轨迹规划
    谌炎辉, 孟宇, 向上升, 白国星, 梁国栋, 谢国进
    计算机集成制造系统    2023, 29 (7): 2201-2210.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.006
    摘要72)      PDF (2047KB)(156)    收藏
    装载机常用于建筑、采矿等恶劣工作环境,实现其自主作业可以有效保障从业人员安全,已成为工程机械领域的发展趋势。铲掘轨迹是影响装载机自主作业能耗的关键因素,目前已有学者提出了一些以能耗最优为目标的轨迹规划方法,但这些方法大多仅以铲斗斗尖位置为规划目标,忽略了铲装过程中铲斗转角对自主作业能耗的影响,导致装载机自主作业能耗仅能达到局部最优。针对上述问题,提出一种基于天牛须搜索的装载机铲掘轨迹规划方法,首先建立作业机构运动数学模型,得到铲斗斗尖位置、铲斗转角与车体位移、动臂油缸和转斗油缸位移的关系,进而基于斗尖位置模型和铲斗转角模型确定以铲掘深度和转角系数表征铲掘轨迹的规划方案,形成一系列备选铲掘轨迹,最后以此为搜索空间采用新兴的启发式搜索方法——天牛须搜索方法,搜索以单位铲掘重量油耗最低为目标的近似最优的装载机铲掘轨迹。为验证该铲掘轨迹规划方法的节能降耗效果,搭建了5吨级装载机测试试验平台,并进行了人工铲掘作业和自主铲掘作业对比实验。实验结果表明,采用基于天牛须搜索的装载机铲掘轨迹规划方法进行自主铲掘作业时,单位铲掘重量油耗的平均值仅为14.13 ml·t-1,与人工铲掘作业相比降低达20.35%。
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    35. 数据驱动的滚动轴承实时健康状态评估方法
    王庆锋, 张程, 陈文武, 刘晓金, 张宇飞
    计算机集成制造系统    2023, 29 (7): 2211-2223.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.007
    摘要97)      PDF (2932KB)(129)    收藏
    为解决工业企业旋转设备滚动轴承健康状态难以实时在线量化评估的难题,基于单调性原则筛选多尺度互相关系数均值和多尺度谱距离指标均值作为健康指数,采用多尺度分析、改进的l1趋势滤波、模糊C均值聚类分析方法,构建了一种数据驱动的滚动轴承实时健康状态评估模型和评估准则知识库;借鉴迁移学习基本原理,提出了一种实时待测数据向构建的健康状态评估准则知识库对应的坐标体系下的数据映射方法;应用“运转到坏”的实验数据训练健康状态评估模型并实现工程实践运用。以辛辛那提大学智能维护系统(IMS)中心第二组轴承实验数据为模型训练数据,建立轴承健康状态评估准则知识库,应用IMS中心第一组实验数据和中国某石化公司加氢裂化装置P3409A离心泵轴承“运转到坏”的振动加速度数据为模型验证数据,对构建的滚动轴承健康状态评估模型进行验证。验证结果表明,该模型具有泛化性且能够有效表征滚动轴承健康状态,评估过程不依赖外部专家先验知识、不需要待评估轴承历史故障数据,对于实现旋转设备“无人化”智能运维具有重要的工程应用价值。
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    36. 基于特征空间变换的纺纱过程多关联参数质量波动异常检测
    胡胜, 李文, 赵小惠, 李哲, 陈臣
    计算机集成制造系统    2023, 29 (7): 2224-2232.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.008
    摘要47)      PDF (2340KB)(75)    收藏
    纺纱过程参数众多且相互关联,模糊了过程参数与纱线质量指标间的重要信息,针对纺纱过程参数强耦合带来的纺纱过程质量波动难以检测与控制的问题,提出一种基于特征空间变换的纺纱过程多关联参数质量波动异常检测方法。首先,分析纺纱过程参数间的关联关系,采用偏最小二乘法(PLS)消除参数之间的相关性,获得具有正交性的特征空间。然后,利用新的特征空间数据计算局部离群因子(LOF)统计量,判定纺纱过程是否稳定,定位异常波动区域。最后将相关性分析后的异常波动数据作为深度置信网络(DBN)模型的输入,识别纺纱过程异常波动类型。通过算例进行验证,结果显示所提模型将纺纱过程多关联参数异常检测精度提高到98.2%。
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    37. 区块链隐私威胁及保护机制研究综述
    刘海鸥, 周颖玉, 周鑫, 谢津
    计算机集成制造系统    2023, 29 (7): 2292-2312.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.014
    摘要94)      PDF (2225KB)(265)    收藏
    作为构建可信网络、实现价值互联的分布式新型计算范式,区块链以其去中心化、访问可控化和可匿名性等特征驱动传统行业新一轮的技术变革和应用创新,但同时也面临着严峻的隐私泄露威胁。通过梳理近年来与区块链隐私相关的研究成果,比较分析了区块链面临的账户隐私、交易隐私和通信隐私等隐私威胁,从隐私保护机制的角度探讨了区块链中的混币机制、信息隐藏机制和通道隔离机制。研究发现,区块链在隐私保护方面有较好的应用前景,但其面临的隐私威胁表明区块链隐私保护技术仍有改进空间,并从4个角度展望了区块链隐私保护未来的发展方向,为区块链隐私保护技术的持续探索与深入研究提供思路与参考。
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    38. 金属增材制造过程熔池动态监测研究综述
    王奉涛, 杨守华, 吕秉华, 彭世通, 郭嘉楠, 赵永杰
    计算机集成制造系统    2023, 29 (7): 2245-2259.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.010
    摘要156)      PDF (2625KB)(254)    收藏
    金属增材制造技术是近年来信息技术、新材料技术与制造技术等多学科融合发展的先进制造技术之一,然而,制件质量稳定性差和工艺可重复性低等缺点限制了该技术的广泛应用。其主要原因是金属增材制造过程是一个复杂的多物理场耦合的动态过程,而熔池作为重要载体包含着丰富的过程特征信息。熔池动态特征信息与制件质量和工艺可重复性密切相关,因此监测熔池动态能够为提高制件质量和工艺可重复性提供有力的数据支撑。通过对该领域文献的调研,总结了金属增材制造过程中熔池温度和形貌动态监测技术的研究现状,分析了现有技术存在的问题,展望了未来金属增材制造过程动态监测的研究方向和技术方法。
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    39. 基于混合Petri网的蓝宝石衬底生产线碳流动态建模与应用
    葛威威, 曹华军, 李洪丞, 邢镔
    计算机集成制造系统    2023, 29 (7): 2338-2350.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.017
    摘要47)      PDF (2234KB)(61)    收藏
    蓝宝石衬底广泛用作LED产品的衬底材料,其加工精度高且工序复杂,主要包括切片、倒角、研磨、退火、上蜡、铜抛、软抛、清洗环节。蓝宝石衬底在加工过程中存在设备能耗高、能效低且辅料回收利用率低等问题,从而导致生产成本高且对环境产生不利影响。以碳排放为表征量,对蓝宝石衬底生产线碳流动态建模开展研究。首先,定义了蓝宝石衬底生产线碳流系统边界,分析了蓝宝石衬底生产线中能量流、物料流和碳流,建立了蓝宝石衬底生产线碳流动态模型,并提出了基于生产性能与经济效益的两种碳效率评价指标;其次,根据碳排放与工艺过程的强耦合特性,基于混合Petri网对蓝宝石衬底生产线碳流动态特性进行了建模与仿真;最后,通过应用实例验证并求解了生产线的碳效率。
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    40. 基于环形邻域的增材制造分层自适应正向设计方法
    徐敬华, 盛红升, 高铭宇, 张树有, 刘晓健, 谭建荣
    计算机集成制造系统    2023, 29 (7): 2363-2375.   DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.019
    摘要55)      PDF (5391KB)(67)    收藏
    为了提升多特征成形的表面精度与制造效率,提出一种基于环形邻域的增材制造分层自适应正向设计方法。构建模型多阶环形邻域,基于变尺度的平均曲率高斯加权平均值计算模型显著度,运用动态聚类确定显著特征。以递归获取的形态显著线的变化确定初始分层厚度,建立自洽的分层规划正向设计数学模型。进一步运用数字孪生技术实现增材制造虚拟打印。以虚拟打印模型在打印坐标系正平面和侧平面的分层投影面积为材料热塑约束,并通过双向循环链表和八叉树计算投影面域集合的布尔并,实现多特征迭代的分层规划正向设计。采用接触式轮廓仪对打印模型不同特征区域进行了表面粗糙度测量。实例表明,该方法能够有效地对多特征流形模型进行自适应分层,有助于提升3D打印与4D打印层积制造品质与效率。
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