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基于软件工程的高速列车铝合金焊接专家系统研究
时间:2020-10-11 20:41 | 栏目:软件工程 | 浏览:次
硕士论文网第2020-10-11期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇软件工程文章《基于软件工程的高速列车铝合金焊接专家系统研究》，供大家在写论文时进行参考。
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本篇论文是一篇 软件工程硕士论文，软件工程师一门研究如何利用较为成熟的系统化、规范化、数量化等工程原则和方法设计、开发和维护软件的学科。其实质，就是采用工程的概念、原理、技术和方法来开发和维护软件，把经验证证明有效的管理方法和当前先进且主流的软件开发技术相结合，应用到软件开发及维护过程中，以生产出符合高品质、低成本要求的软件系统。
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
近十年间，我国的高速铁路建设飞速发展，取得了举世瞩目的成就。通过引进、消化、吸收核心设计制造技术，并在此基础上发展创新，建立自己的设计制造体系，我国高铁产业实现了飞跃式的发展，并跻身世界高铁强国之林。1994 年，完全依靠我国自己力量建成的广深准高速铁路开通，运行时速达 160 千米/小时；1999 年 8 月 16 日，秦沈铁路客运专线全面开工， 2003年 7 月 1 日建成通车，线路全长 404.65 千米，试验期间最高时速达 321 千米；2008 年 8 月 1日，京津城际铁路，作为我国首条具有自主知识产权、具备国际一流设计制造水平的城际高速铁路建成通车，最高运行时速达到 350 千米/小时； 2013 年 6 月 30 日，京沪高铁建成通车，设计时速 380 千米/小时，运营时速 310 千米/小时。我国《中长期铁路网规划》中提出，全国铁路总里程到 2020 年将达到 12 万千米以上，客运铁路专线达到 1.6 万千米的目标。由此可以预见，高速铁路产业在当前及未来很长一段时期内，都将保持稳步较快的增长趋势。而高速铁路产业的迅猛发展对其产业链中各个环节的促进作用也非常明显。 作为高铁产业链中最为重要的环节之一，高速铁路列车制造行业在此轮发展浪潮中获得了前所未有有的发展机遇，但与此同时，也对我国的高速列车车体设计制造水平提出了更高更严格的要求。运载工具的设计和制造轻量化，是国内外相关工作从业者长期追求的目标，基于节能、提高运行速度、减少能源消耗等多方面的考虑，铝合金以其比强度高、散热性好、耐蚀性强等诸多优势特性在高速列车车体制造中被广泛采用。目前，我国国产的 200～350km/h 高速铁路列车已广泛使用铝合金。 焊接技术作为一项重要的连接工艺，在高速列车车体制造中被广泛采用。高速列车车体大部件，包括底架、侧墙、车顶等部件均为焊接用量非常大的部件，据粗略统计，一辆 CRH380A车体焊缝总长度可以达到 2.5km 左右，而一列车(8 辆车体组成)的焊缝总长度高达 20km。因此焊接工艺设计的水平直接决定了高速列车制造企业的生产制造水平。 此外，在高速列车制造企业，焊工的管理与焊工任务的分派也同样是一项繁重的任务。对面具有成百上千名在录焊工的企业，如何有序合理得依据每位焊工具有的焊接资质安排其工作任务，如何对在录焊工的个人信息、技能信息进行管理、维护、更新，如何有序管理焊工的工作记录也同样耗费大量的人力和财力。
1.2 存在问题及不足
调研国内已开发并供使用的焊接专家系统可以发现，这些已有的系统在实际中确实能够对焊接工程师完成很多复杂且繁琐的工作，为企业或相关单位节省可观的经费，但仍然存在着一些非常实际且急需解决的问题，主要表现在以下几点： 1） 开发的系统与实际用户需求契合度不够。在专家系统开发前，需求分析作为一项非常重要的工作需要开发人员给予极大的重视，然而用户往往也对自己需要什么样的系统没有非常明确的概念，这样导致在开发者获取用户需求时，不能准确得知晓用户需要，在设计及后续开发中便无法使系统功完全能契合用户实际需求。 2） 缺少标准化、规范化的开发流程，开发效率较低。一套标准化、规范化的开发规则或流程，能够有效保证系统开发的效率和成本，并且，这样的一套开发流程还能更好得使系统开发的结果更符合原始需求及设计的要求和规定。 3） 系统维护性及可扩展性较差。目前大多数的专家系统都是根据获得的用户需求一次性完成开发工作，维护及扩展性能较差。但当焊接标准、规则或数据发生更改时，需要及时对原有的系统进行维护和扩展，以满足新的需要，这样就要求开发的焊接专家系统具备较强的可维护性及扩展性。 4） 开发技术相对滞后。目前国内焊接专家系统相关软件大多为焊接行业从业者开发，囿于专业限制，较少采用当前主流的软件开发技术，造成开发成果使用性能较差，用户体验不高，且开发效率较低。此外，相对滞后的开发技术也是后期软件维护困难，扩展性能差的另外一个原因。 5） 针对高速列车行业，其相应的焊接专家系统的研究几乎空白。高速列车制造是一个焊接用量非常大的行业，其焊接材料、方法、工艺均有其自身的复杂性和特点，但针对高速列车制造行业的焊接专家系统却极少。
第二章 技术路线及研究方法
本章将结合用户需求与开发者已经具备的相应技能，确定本课题的开发技术路线，包括开发环境、架构、所用编程语言等。此外，还将确定本课题中知识表示形式为面向对象的知识表示，以更好得对知识数据收集、整理和维护。最后，还将确定本课题系统的功能构成。
2.1 开发技术分析
目前可选的网络构架有两种：B/S(Browser/Server，浏览器/服务器)模式和 C/S(Client/Server,客户机/服务器)模式。B/S 结构的用户工作界面通过浏览器实现，极少部分较为简易的事务逻辑在前端，即 Browser 端实现，主要事务逻辑对系统资源占用较大，需要硬件具备较强的运算能力，因此置于服务器端，即 Server 端实现。C/S 架构在客户端和服务端均需要开发特定的软件系统以实现其功能，该架构的优势在于能充分发挥客户端计算机硬件资源的处理能力，很多工作可以在客户端处理提炼后再提交给服务器，减少服务器与客户端之间的数据传输量，从而提高系统的响应速度。但网络构架的选择应当以软件用户的实际需求状况为依据。实际用户的需求有以下特点：1)基于数据安全性要求，系统只限于局域网使用，不允许接入英特网；2)客户端计算机及服务器均需要进行数据处理，因此要求系统客户端及服务端均具备一定的数据处理和计算能力。根据上述用户需求考虑，本课题将采用 C/S(Client/Server)网络架构，即客户机/服务器模式，进行系统开发，网络架构如图 2.1 所示。开发平台。本课题采用微软的.NET Framework 平台进行开发，该平台是微软提供给软件开发者的一个普及的开发平台，用于构建 Windows、Windows Phone、Windows Store、Windows Server 和 Windows Azure 的应用程序。 .NET Framework 平台包括 C# 和 Visual Basic 编程语言、 公共语言运行库和广泛的类库。使用.NET Framework 开发应用程序，就是使用.NET 代码类库编写代码。.NET Framework 包含一个非常完善的代码库，这些代码库能够实现软件开发中一些基本的功能，用户可以通过面向对象编程技术(OOP)来访问这些代码库。在.NET Framework 平台开发的应用程序，通过公共语言运行库(CLR, Common Language Runtime)来管理其执行。CLR 负责参与应用程式运行时的内存管理、安全性处理、跨语言调试等过程。在公共语言运行库控制下运行的程序处于托管状态，这种方式能够保证应用程序不再使用某些内存时，这些闲置的内存能被自动释放，从而降低计算机的硬件负荷。本课题拟采用微软的 Webservice 技术作为服务端的开发技术。Webservice 是一个构建在独立平台上、可实现松散耦合、自包含的、基于可编程的 Web 的应用程序，可使用开放的XML(Extensible Markup Language)标准来描述、发现、发布、协调和配置这些应用程序，用于开发分布式的互操作应用程序。该应用程序能够与数据库实现交互，请求获取数据库中数据，同时还能通过数据服务的发布，与客户端实现数据的交互。系统后台数据库采 SQL 结构化查询语言进行后台数据库系统的开发。SQL 结构化查询语言功能丰富、语言简洁、使用方法灵活，因而备受软件开发人员欢迎，目前已被众多计算机软件公司所采用。
目前可选的网络构架有两种：B/S(Browser/Server，浏览器/服务器)模式和 C/S(Client/Server,客户机/服务器)模式。B/S 结构的用户工作界面通过浏览器实现，极少部分较为简易的事务逻辑在前端，即 Browser 端实现，主要事务逻辑对系统资源占用较大，需要硬件具备较强的运算能力，因此置于服务器端，即 Server 端实现。C/S 架构在客户端和服务端均需要开发特定的软件系统以实现其功能，该架构的优势在于能充分发挥客户端计算机硬件资源的处理能力，很多工作可以在客户端处理提炼后再提交给服务器，减少服务器与客户端之间的数据传输量，从而提高系统的响应速度。但网络构架的选择应当以软件用户的实际需求状况为依据。实际用户的需求有以下特点：1)基于数据安全性要求，系统只限于局域网使用，不允许接入英特网；2)客户端计算机及服务器均需要进行数据处理，因此要求系统客户端及服务端均具备一定的数据处理和计算能力。根据上述用户需求考虑，本课题将采用 C/S(Client/Server)网络架构，即客户机/服务器模式，进行系统开发，网络架构如图 2.1 所示。开发平台。本课题采用微软的.NET Framework 平台进行开发，该平台是微软提供给软件开发者的一个普及的开发平台，用于构建 Windows、Windows Phone、Windows Store、Windows Server 和 Windows Azure 的应用程序。 .NET Framework 平台包括 C# 和 Visual Basic 编程语言、 公共语言运行库和广泛的类库。使用.NET Framework 开发应用程序，就是使用.NET 代码类库编写代码。.NET Framework 包含一个非常完善的代码库，这些代码库能够实现软件开发中一些基本的功能，用户可以通过面向对象编程技术(OOP)来访问这些代码库。在.NET Framework 平台开发的应用程序，通过公共语言运行库(CLR, Common Language Runtime)来管理其执行。CLR 负责参与应用程式运行时的内存管理、安全性处理、跨语言调试等过程。在公共语言运行库控制下运行的程序处于托管状态，这种方式能够保证应用程序不再使用某些内存时，这些闲置的内存能被自动释放，从而降低计算机的硬件负荷。本课题拟采用微软的 Webservice 技术作为服务端的开发技术。Webservice 是一个构建在独立平台上、可实现松散耦合、自包含的、基于可编程的 Web 的应用程序，可使用开放的XML(Extensible Markup Language)标准来描述、发现、发布、协调和配置这些应用程序，用于开发分布式的互操作应用程序。该应用程序能够与数据库实现交互，请求获取数据库中数据，同时还能通过数据服务的发布，与客户端实现数据的交互。系统后台数据库采 SQL 结构化查询语言进行后台数据库系统的开发。SQL 结构化查询语言功能丰富、语言简洁、使用方法灵活，因而备受软件开发人员欢迎，目前已被众多计算机软件公司所采用。
2.2 面向对象的知识表示方式
焊接知识库是焊接专家系统的一个重要组成部分，用以存储焊接专家系统在处理业务时所必须的各种知识、标准规则及专家经验。而知识表示方式又是知识库构建过程中非常重要的一个环节，选择合理的知识表示方式将直接关系到所开发的焊接专家系统的使用性能。专家系统经过长期发展，在知识库的开发中，出现了以下几种常用的知识表示方式，分别是 1)逻辑表示法；2)产生式表示法；3) 语义网络表示法和框架表示法；4) 人工神经网络知识表示法；5) 面向对象表示法。面向对象是一种对现实世界中事务理解和抽象的方法。通过面向对象的方式，可以将现实世界的事务抽象成对象，而现实世界中的关系则可抽象成类和继承，帮助人们实现对现实世界的抽象与数字建模；面向对象的方法更符合人类的理解、思维方式对复杂系统中元素和关系的分析、设计或编程的过程。在面向对象的知识库中，问题域中所涉及到的概念、实体等都可以被视作对象，各个对象以分类关系构成类，对象的属性、方法可以封装在对象框架中。例如，在本课题中，可以将一份焊接工艺规程看作一个对象，该对象包括若干属性，每个属性对应焊接工艺规程中的一条信息，对这些信息的操作和处理，便可以转换为对对象属性的操作和处理；对系统中用到的专家知识或规则，同样可以看作一个对象，这个对象中可能包含某些方法，将这些方法可以封装在对象中，在使用时，创建一个对象的实例，便可进行使用。通过面向对象知识表示方式，专家系统的开发人员可以方便得对知识库中的知识进行管理和使用；并且对象的封装、继承、多肽的特性又能够方便开发人员对已有代码的重用和扩展；同时，当对象所承载的焊接知识发生变化或需要更新时，也便于开发人员对其维护，从而提升整个专家系统的实用性和使用价值。
第三章 基于软件工程理论和方法的系统开发策略
3.1 软件工程的内容
3.2 软件工程的基本原理
3.3 软件工程的开发原则
3.4 系统开发策略
3.5 本章小结
第四章 焊接工艺设计系统
4.1 系统需求
4.2 系统知识库设计
4.3 工艺设计功能实现
4.4 系统知识库的功能实现
4.5 标准焊接工艺评定报告库维护
4.6 本章小结
第五章 焊工管理系统
5.1 系统需求
5.2 EN ISO9606-2 标准研究及知识表示
5.3 系统功能实现
5.4 本章小结
第六章 焊材消耗定额计算系统
6.1 系统需求
6.2 焊接材料定额计算模型建立
6.3 系统功能实现
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
本文分析高速列车车体制造企业的实际需求，开发了一套集成焊接工艺设计、焊接工艺免评判断、焊工管理、资质评定与匹配、焊接材料定额计算等功能的焊接专家系统，该系统所实现的各项功能均为目前高速列车车体制造企业最为关心的问题。本文研究内容主要有以下几个方面：1）本文尝试将软件工程的理论、方法和原则应用到焊接专家系统的开发中来，应用这些原则，对专家系统的开发过程划分了开发阶段，确定了各个阶段的开发任务，并以此为依据进行焊接专家系统的开发工作，更加规范得以用户实际需求为依据，使开发的专家系统能够更好得满足用户的要求，同时开发过程更加标准化、规范化。2）将目前商业软件开发中主流的开发技术应用到焊接专家系统开发中，提高系统开发效率的同时，也改善了系统的可维护性和扩展性。3）利用面向对象的知识表示方法，建立了焊接专家系统知识库，使知识库的知识构成更加接近人类的思维过程。此外，面向对象的继承、封装等特征也使知识库的维护更为方便。4）结合 GBT 25343.3-2010 标准中对焊接工艺设计的规定和规范，设计并开发了一套焊接工艺系统，该系统集成接头设计、焊接工艺规范参数设计、预焊接工艺指导书生成、焊接工艺免评判断、工艺评定项目提取等一系列功能，贯穿工艺设计工作始终，有效提高了工艺设计及评定工作的效率。5）本文中设计的焊工管理系统实现了对焊工自然信息、资质信息的有序管理。通过对 EN ISO9606-2 标准中焊工资质匹配和认可规则的研究，开发了焊工自动选择功能，从而为制定工作试件计划时选取焊工这项工作提供了方便，提高了效率。6）焊材消耗定额系统实现了复杂焊接过程材料定额的计算及部件焊材消耗快速估算两项功能，为企业准备生产原材料、估计生产成本提供具有较高参考价值的依据。 1）焊接专家系统作为计算机软件系统的一种，先进和主流的软件开发技术的应用必然会对其发展产生积极良好的促进作用。随着焊接专家系统应用水平和要求的不断提高，引入成熟的软件开发技术和平台将成为焊接专家系统开发的趋势，这些新技术、新思想、新平台的应用，将为焊接专家系统及其他焊接工程应用软件的研究和开发提供新的动力。2）面向对象的知识表示方法由于其对客观对象的描述更符合人类的思维过程，将更多得被应用于焊接专家系统知识库的建立过程中。3）焊接工艺设计专家系统将依然长期成为焊接专家系统开发者关注的焦点而存在，根据标准规则及工艺设计工程师知识和经验，探索合理的知识表示、构造规范的知识结构、寻找有效的推理机制将更为有效得为工艺设计提供方便。
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