用信息元法构造CAPP系统框架
0、 前言
CAPP系统的针对性一直很强，适应性很差。在CAPP系统开发过程中存在大量的重复劳动。因此，CAPP的通用化和开放性成为研究的热点。虽然有关研究已经取得一些成果，但还远未能令人满意。
CAPP系统通用化的困难首先是零件对象种类多。包罗万象的完整零件信息模型的定义是不可能的。以往都是针对具体零件对象建立固定的信息模型(即使有柔性，也是小得很)，进行针对性的系统开发。其次是生产环境特殊性，不同厂家的生产设备、生产工艺可能很不一样，工艺知识和经验复杂多样。针对不同的生产环境重新总结整理工艺知识不可避免。再次是与其他系统的集成，目前任何一种产品数据交换标准都无法通用地完全满足CAPP系统与其他相关系统的信息集成。
固定的信息模型无法克服上述困难。在传统层次上对零件、产品或制造资源等进行抽象是不够的，需要更高层次更通用的抽象。同样地，传统的根据固定信息模型进行开发的CAPP方法学也要进行变革。本文提出了一种新的方法，称为信息元法，并以信息元法为指导建立一个CAPP系统框架THCAPP-SHELL。
1、信息元法
1.1 信息元的定义及其要素
关于任何事物的信息是对该事物各属性的描述的集合。属性名、描述值以及属性名与描述值之间的关系一起构成对该事物某属性的最简单描述，是信息的最小单元，称为信息元。例如，对于某个圆柱面的信息“直径=30 mm”，“直径”为属性名，“30 mm”是描述值，“=”是属性名与描述值之间的关系。
属性名、描述值、属性名与描述值之间的关系(以下简称关系)是信息元的三要素，缺少其中任何一个都构不成一条完整信息。
属性名确定以后，描述值和关系并不一定唯一，各种描述值和关系可能表达不相同的信息。
对于某个信息元，描述值可能有多个分值，且各个分值可能是相关的。例如信息元“该圆柱面的加工路线是粗车—半精车—淬火—粗磨—精磨”，这里“粗车”、“半精车”、“淬火”、“粗磨”和“精磨”为加工路线描述值的各个分值，先后顺序不能改变。
人为定义没有计量单位为一种特殊计量单位，称为空单位，则可以认为分值由数值和单位构成。
用传统实体建模的方法可以建立信息元的IDEF1X实体信息模型，如图1a。下文图中信息元实体均采用图1b所示的简略形式。
从实现机器的信息元运算考虑，关系的类型应体现出待描述属性的数据类型(整数、浮点数和字符串等)、描述值分值内部的关系(单值、范围、集合、序列等)以及属性名与描述值总体上的关系(等于、不等于、包含、被包含、子集、子列、相交和重叠等)。
1 信息元的实体信息模型
为描述方便，记第i个信息元为Ii，并引入记号“(T)”表示“正确”，“(F)”表示“错误”，“”表示“一定可以推理出”。
如果信息元Ii所表达的信息与实际相符，则称为正确信息元，记为Ii(T)；反之称为错误信息元，记为Ii(F)。
1.2 信息元组
若干信息元的集合称为信息元组。信息元组是关于某事物的信息的全体或局部。单个信息元是信息元组的特例。利用信息元组的概念可以分层次、分侧面地描述复杂事物的构成。
记信息元组j为Gj。若Ii是Gj里的一个信息元，则称Ii属于Gj，记为Ii∈Gj。
1.3 信息元之间的关系
对任意两个信息元Ii和Ij：
(1) 如果Ii和Ij属性名相同，则称Ii和Ij互为同类。
(2) 如果Ii和Ij的三要素都相同，则称Ii和Ij互为重复，记为Ii=Ij。互为重复的信息元可以只留其一。
(3) 如果Ii为正确信息元时一定可推出Ij为正确信息元，则称Ii与Ij相符，记为Ii(T)Ij(T)，简记为IiIj。Ii与Ij相符，不一定有Ij与Ii相符。
(4) 如果Ii为正确信息元时一定可推出Ij为错误信息元，则称Ii与Ij正排斥，记为Ii(T)Ij(F)。Ii与Ij正排斥，必然有Ij与Ii正排斥。
(5) 如果Ii为错误信息元时一定可推出Ij为正确信息元，则称Ii与Ij反排斥，记为Ii(F)Ij(T)。Ii与Ij反排斥，必然有Ij与Ii反排斥。
(6) 如果Ii与Ij正排斥，而且Ii与Ij反排斥。则称Ii与Ij互为完全排斥。
正排斥、反排斥和完全排斥统称为排斥。
1.4 信息元组之间的关系
对任意两个信息元组Gi和Gj：
(1) 如果Ij∈Gj，都Ii∈Gi，使得Ii(T)Ij(T)，则称Gi与Gj相符，记为Gi(T)Gj(T)，简记为GiGj。Gi与Gj相符，不一定有Gj与Gi相符。
(2) 如果Ij∈Gj，Ii∈Gi，Ii(T)Ij(F)，则称Gi与Gj正排斥，记为Gi(T)Gj(F)。Gi与Gj正排斥，必然有Gj与Gi正排斥。
(3) 如果Ij∈Gj，Ii∈Gi，Ii(F)Ij(T)，则称Gi与Gj反排斥，记为Gi(F)Gj(T)。Gi与Gj反排斥，必然有Gj与Gi反排斥。
(4) 如果Gi与Gj正排斥，而且Gi与Gj反排斥。则称Gi与Gj互为完全排斥。
1.5 采用信息元的基于知识的决策
从上文建立的概念出发，可以重建基于知识的决策的有关概念，实现高度通用、功能强大的决策器。例如，规则可定义为信息元之间或信息元与活动(从物理文件、数据库等信息源获取信息元和根据已知信息元进行某种操作等)之间的因果关系。
1.6 信息元法的特点
从信息元的概念出发，而不是从明确对象的各个具体属性出发，进行信息建模和系统开发的方法称为信息元法。传统的信息模型是针对具体对象，明确其具体属性建立起来的，在此称之为实体信息模型。信息元法所建立的信息模型可以认为是对传统信息模型的进一步抽象，在此称之为抽象信息模型。应当指出：①信息元本身也是一种实体，是一种特殊的、高度抽象的实体，其实体信息模型如图1所示。抽象信息模型就是以这种高度抽象的实体作为最基本实体所建立的信息模型。②定义某一具体对象，其抽象信息模型虽然高度抽象，但不一定是唯一的。关于零件的一种抽象信息模型如图2a所示。
采用特征法建立零件的传统实体信息模型时，一般先分析归纳特征的类型(如圆柱面、圆柱孔、平面和槽等)，并对各类特征作明确的定义(即确定其属性，如直径、长度等)，例如图2b；而图2a所示的抽象信息模型则没有确定特征具体类型(统一为一种特征组)及其具体属性(统一为信息元)。对比可知抽象信息模型更通用、更有柔性。
图2 零件的抽象信息模型和实体信息模型示例
信息元法显然是一种通用的方法，不仅适用于CAPP系统的开发。采用信息元法可以建立高度通用的系统框架，通过用户自定义应用对象的各种属性和过程把系统框架实例化为实用系统，或者先针对典型应用对象建立实用模板(定义好一定的属性和过程，用户可以修改、补充或删减)，再进一步实例化成各种实用系统，如图3。采用实用模板将大大减少用户实例化的工作量。实例化后，信息模型不一定以显式方式存在，而可能是隐含在信息和过程的描述之中。在实例化过程中，可以(但不一定)利用传统的信息建模方法。
图3 建立系统框架和实例化的过程
信息元法避免了对事物具体属性的事先理解。它的正确工作只需要一个假定：相同的属性名称具有相同的含义。各属性在系统工作中起什么作用，由用户在实例化时通过过程或规则描述告诉系统。
信息元法的优点是能实现统一机制，建立高度通用、高度柔性、易于重新配置的系统框架。虽然进行实例化还有不少的工作要做，但应该和能做到通用化的部分基本上做到通用了。
由于抽象信息模型与实体信息模型存在抽象与具体的本质区别，采用抽象信息模型建立的系统框架和采用实体信息模型建立的具体系统在开发和应用上有很大的不同：①前者根据与具体应用对象的具体属性无关的抽象实体—信息元进行开发，与应用对象基本无关；后者则根据应用对象的具体属性进行开发，与应用对象密切相关。②前者是“多功能”型的，可以由一个系统框架实例化出多个实用系统，例如一个CAPP系统框架可以实例化出回转体类零件CAPP系统(车间1)、回转体类零件CAPP系统(车间2)、箱体类零件CAPP系统、复杂结构件CAPP系统等，不需要重新开发；后者是“单功能”型的，只是一个具体的实用系统，比方说回转环境和条件开发，如果要应用于另一类零件或另一个生产环境，则须重新进行系统开发。③总结和改善工艺知识时，前者允许使用应用对象的任意属性；后者则限制为应用对象的既定的若干属性（甚至有些系统连工艺知识者采用程序编码，用户不能修改工艺知识），适应性和自由度很小，实用性难以保障。④正式使用前，前者要求用户作实例化工作，但主要工作量集中于总结工艺知识，这对后者来说一般也是必要的。使用操作上两者没有多大差别。
信息元法的缺点是运行效率比较低，并与信息元的数量密切相关。通用化与高效率是无法两全的，关键看实际需求和应用效果。通过以下方法可以大大提高运行效率：①注意算法的复杂性，在开发过程中尽可能采用复杂性阶次低的算法(例见2.1节)。②知识的分层分类控制和合理高效的组织。③在每一轮推理匹配前暂时屏蔽含未知变量的规则(不可能被触发)和该轮匹配过程中不起作用的事实信息元。④只从上游或用户接口提供的信息中提取匹配过程中会起作用的信息。通过上述前三条，实用系统THCAPP-CE利用17个规则库的258条规则生成某个具有103个基本特征、27个组合特征和44个分布特征(此处特征数仅计待加工特征)的很复杂零件(信息元多达2 000个左右)各特征的加工方法用时2.1 min，满足实用的需要。
2、用信息元法构造CAPP系统框架
2.1 构造CAPP系统框架的关键技术
(1) 信息模型应有充分的柔性
通过提供几个待定属性或“自由变量”是不能根本地解决这个问题的。目前的产品数据交换标准所统一的范围还十分有限。系统开发中采用柔性的信息模型十分必要。信息元法可以最大限度地满足这个需要。
(2) 与相关过程的集成接口也应有充分的柔性
由于信息元法避免了对事物具体属性的理解，从而具有高度的通用性，因而容易实现与其他相关过程的集成。
(3) 决策器应有强大的知识描述和运用的能力以及充分的通用性
工艺设计涉及的知识非常多，与不同零件对象、不同生产环境相关的知识还可能差别很大。这就要求有强大的知识描述和运用的能力，要求有充分通用的决策器的支持。信息元的描述能力和可操作性都很强，因而用信息元法建立CAPP系统框架的决策器同样具有很大的优越性。
(4) 支持多种工艺设计方法
派生式工艺设计和创成式工艺设计对工艺总结的要求差别很大，同时支持这两种方法对生产实践经验的收集和利用、工艺总结水平的不断提高和系统实用性的增强很有好处。只要是生产实践上总结出来的有价值的直接经验(如某个工艺片断)，都能在实例化时直接利用起来，并在使用过程中不断提高总结水平，使系统越来越实用，其功能越来越强大。
(5) 充分和友好的人机接口
鉴于人工智能技术的现有水平，工艺设计中应提供充分和友好的人工参与机会，以充分发挥人和机器各自的优势，否则难于形成实用的系统。
(6) 仔细考虑算法复杂性，避免或降低“组合爆炸”的严重性
这是各工艺设计功能模块设计时需要特别注意的问题。例如，假设工步排序规则表示工步信息元组(含工步信息元和该工步所加工特征的信息元)(T)前提信息元组(T)的工步应排在工步信息元组(T)结果信息元组(T)的工步之后，并设总工步数为n，记工步i为Oi，比较以下两种算法：
算法1：令Ok依次为O1到On，从Ok向后寻找Oi使得Oi的工步信息元组(T)Ij(T)，则称Gi与Gj相符，记为Gi(T)前提信息元组(T)，从Oi向后，寻找最后一个其工步信息元组(T)Ij(T)，则称Gi与Gj相符，记为Gi(T)结果信息元组(T)的工步Oq，把Oi移动到Oq之后，从Oi+1开始继续。
算法2：令Ok依次为O1到On，判断是否Ok的工步信息元组(T)Ij(T)，则称Gi与Gj相符，记为Gi(T)前提信息元组(T)，是则放入工步集合S，记下最后一个其工步信息元组(T)前提信息元组(T)的工步Op；从Op向后，寻找最后一个其工步信息元组(T)Ij(T)，则称Gi与Gj相符，记为Gi(T)结果信息元组(T)的工步Oq，把工步集合S移动到Oq之后。
判断信息元组之间的关系比工步移动等要耗时得多，只考虑判断信息元组之间的关系的次数，算法1的次数平均为nE(n-k)=n(n-(n+1)/2)=n2/2-n/2，算法2的次数平均为E(n+(n-p))=2n-(n+1)/2=3n/2-1/2，其中k，p以均等概率可能取值1，2，…，n，两种算法的复杂性相差一个阶次。
2.2 CAPP系统框架实例化的关键技术
(1) 实体信息模型
CAPP系统框架本身不要求实例化时一定要建立实体信息模型，但从与其他系统的数据交换、系统的工程管理、实例化时数据描述的规范化和避免错误等方面考虑，该工作还是有必要的。可以主要从工艺知识描述的需要(也即工艺设计的需要)出发，在工艺总结中逐步建立，在使用过程中进行维护。由于实体信息模型是由用户建立和维护的，所以并不削弱CAPP系统框架本身采用抽象信息模型所具有的通用性、柔性和开放性等优点。
(2) 工艺知识的总结、整理和组织
工艺知识总结工作量大，高层次的总结难度较大，这是CAPP应用的关键难点之一，必须确实付出一定的努力。用户应在平时的生产实践中注意工艺知识的收集、总结和整理。在实例化CAPP系统框架时可以采取由粗到精的方法，在应用中不断深化和改善。
(3) 使用中求改善
从开始实例化到得心应手地应用于生产实践，除了开始的知识和数据的收集和总结外，更重要的是用户在使用中不断地丰富和改善知识。开始使用时经历一个“不好用”阶段是很正常的。采用信息元法构造的系统框架提供了很强的知识描述和处理的能力，但需要用户去利用和发挥。
(4) 注意知识和数据的管理
包括必要的注释；增删改、问题及其解决和有关责任人等的历史记录；数据字典等。
2.3 用信息元法建立CAPP系统框架的一种方案
如图4所示，以本文第2部分所初步建立的理论和方法为指导。①首先采用信息元法建立零件、工艺、资源和知识等的抽象信息模型。②在此基础上建立一个充分通用的决策器。③然后根据抽象信息模型和决策器实现工艺设计的各项功能(包括常规的工艺设计功能和与相关过程双向的信息处理等)，建立起工艺设计系统框架。④并提供与实例化数据的应用接口，包括非常简单的数据格式、数据来源和去向的指定、各项工艺设计功能所采用知识库的选择(根据规则)等。
图4 用信息元法建立CAPP系统框架的一种方案
进行实例化时：①建立零件、工艺、资源和知识等的实体信息模型。②在此基础上整理总结领域知识、经验和数据，根据CAPP系统框架应用接口所确定的数据格式建立知识库和数据库。③根据CAPP系统框架的应用接口，配置数据来源和去向、知识库选择规则等。
应用时，CAPP系统框架就象发动机，带动实例化配置进行工作，完成工艺设计任务。一个CAPP系统框架可以带动任意多个实例化配置。
4、结论
应用的多样性和工艺经验的特殊性是CAPP通用化的最根本的困难。本文提出的信息元法能较好地解决这些困难。采用信息元法可以建立高度抽象、高度通用的系统框架，实现统一的机制，并能实例化为各种专用的实用系统。
