轨道车辆焊接制造智能决策模型与方法研究

轨道车辆焊接制造智能决策模型与方法研究

孙述城  丁福军

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东青岛   266000）

摘要：焊接结构在轨道车辆制造中占据重要地位，其应用广泛而深入。焊接制造的每一个环节，均蕴含着众多的决策要点，这些决策过程具有跨学科的复杂性、多阶段的交互性以及数据的高度融合性。人为决策的不确定性和可变性，不仅导致了大量重复性工作的出现，更可能引发任务执行的混乱和错误，形成信息孤岛，影响整体生产流程的顺畅进行，提出了将信息技术与智能技术深度融合的策略，旨在对传统焊接制造技术进行革新。

关键词：轨道车辆；焊接制造；智能决策；模型与方法

1轨道车辆焊接制造智能决策的框架要点

（1）在面向结构化数据的决策研究中，首先采集具有特定结构格式的焊缝过程文件，然后基于文件的结构特征抽取出焊缝的结构信息，并建立相应的结构化数据库。基于邻域粗糙集属性约简，确定条件属性相对于决策属性的范围，并基于约简后的属性组合训练决策模型。在保证计算精度的前提下，对所建立的模型进行解析。

（2）对于非结构化文件的研究，目前尚无相应的研究成果，因此对知识图谱构建是非常必要的。为此，知识图的构建主要包括实体识别和关系提取两个子任务。通过实体模型训练实现非结构化数据实体的自动提取，通过关系提取模型训练实现关系的快速提取。将识别和提取结果组合成三元组，以支持图谱构建。此外，针对非结构化关系的抽取提出关系发现模型并以三元组的形式输出以补充知识图谱。

图1焊接制造智能决策研究框架

2轨道车辆焊接制造智能决策模型与方法

2.1面向结构化焊接文件的决策

（1）首先，在轨道车辆焊接制造决策操作过程，必须采集海量的决策辅助数据。因为待训练的数据直接决定了决策模型的质量，所以在应用前必须经过严谨的筛选与确认。依据具体的文件结构，自动抽取并构造出规范的结构化文件。然后，结合实际生产中的实际情况，将其划分为已知（辅助决策）与不确定（待决策的对象）两类。

（2）将所有研究数据定义为一个信息决策系统，其中已知数据作为条件属性，未知数据作为决策属性。基于决策系统中的条件属性，计算所有决策属性的属性重要性。删除重要性较低的条件属性，剩下的条件属性为相应决策属性的关联属性。通过使用这种属性简约方法来减少无效属性对决策结果的负面影响，可以提高模型的准确性。

（3）在保证模型高决策质量的前提下，对模型进行解释性分析。在此基础上，利用XGBoost和解释法，计算各条件属性与其对应的决策属性的沙普加值，并在此基础上画出各条件属性对决策属性的影响力散点图，刻画条件属性在决策中的作用大小。最后，通过与工程实践及经验对比，检验解析结果的可靠性。

图2基于邻域粗糙集和XGBoost的解释性决策过程

2.2基于知识图谱的知识表示及决策支持

铁路车辆焊接决策知识图的构建主要包括两个子任务，即命名实体识别和关系提取。在这些研究中，关系抽取主要包含了两个方面：一是对非结构化信息进行关系抽取，二是针对结构化信息进行关系挖掘。本项目的研究内容如下：命名实体识别是一项重要的工作，它需要从海量的焊接文件中筛选出具有一定知识价值、指导性和准确性的规范文件。接着，利用关键标点对文本进行分段，得到句子级别的数据，并根据条件随机将其划分为词向量。在此基础上，以已标注的切分词汇为样本，对样本进行对比训练，获取样本研究基准及最佳实体辨识模型，完成实体辨识任务。

2.3面向工程一体化的多模态混合决策

(1)感知层的实现主要以焊接接头图为例，通过卷积神经网络从图像中获取重要信息。在信息提取之前，需要对联合图进行图像灰度处理和边缘检测，以降低图像数据的维数，增强重要信息的特征梯度。根据图像中的重要信息，如关节类型、基底材料形式、凹槽形式等，定义分类任务。通过比较和训练不同结构的卷积神经网络，获得最佳感知模型。最后，通过测试数据验证了信息提取的质量，并利用可视化技术对模型信息提取过程进行了分析。

图3面向工程一体化的多模态混合决策流程

（2）在数据层上，重点研究了项目信息整合中的数据结构，并建立了用于辅助决策的领域知识图谱。其中，知识图谱的建立涉及命名实体的确定和关系抽取两个方面。通过对轨道车辆的焊接及生产工艺进行了研究，构建了相应的知识分类模型。然后，利用模型训练，实现对实体与关系的识别，并将其表示为三元组。通过构建感知层与数据层间的对应关系，提出了基于感知层与数据层的映射方法。在此基础上，以知识图谱为基础进行规则推理，实现了感知层和知识图谱间的相互联系。

（3）在推理层次上，通过对各种不同类型、不同数据特点的推理方式与模型进行协作。针对轨道车辆焊接制造一体化的信息数据模式，其推理必须以统一的数据中心（即领域知识图谱）为基础，构建推理层与数据层的关联性是非常必要的。在此基础上，提出了一种基于多种推理机制的混合关系建模方法。该方法将关系结点引入到知识图谱中，并为之定义键值，利用关键字间的关键字关系，构建了知识图谱中的推理及与知识图谱的结点之间的联系。

3结语

随着我国轨道车辆焊接制造模式及制造业转型升级，以及我国制造业信息化建设的不断深入，迫切需要为我国轨道车辆生产管理提供决策支持。在轨道车辆焊接决策过程中，基于工程数据，设计、训练和构建决策模型和方法。为我国轨道车辆焊接制造的发展与应用提供理论与技术支撑。

参考文献：

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[2]李德堃,崔旭,于建国.城铁车辆转向架构架数字化焊接产线建设[J].今日制造与升级,2023,(02):95-97.

[3]高加.柔性化智能制造系统在轨道车辆转向架构架焊接生产中的应用[J].工业技术创新,2020,07(06):75-80.