基于场景匹配的铸造工艺设计阶段资源环境负荷数据获取方法

技术领域

本发明属于计算机辅助设计与制造领域，具体涉及一种基于场景匹配的工艺设计阶段资源环境负荷数据获取方法。

背景技术

铸造工艺是现代机械制造工业的基础工艺，是获得机械产品毛坯和零部件的主要方法之一。铸造业是国民经济的重要产业，在创造巨大经济财富的同时，也消耗了大量制造资源，并对环境造成了严重影响。因此，实施绿色制造工程，结合工艺环境影响评价，进行工艺绿色设计已成为铸造业可持续发展的关键战略。而进行工艺环境影响评价需要工艺过程资源环境负荷数据的支撑。由于在设计阶段工艺过程还未实施，所以存在工艺环境影响评价数据缺失的问题。在现有评价中，数据主要是基于工艺的共性分析计算得到。但是，受工艺类型、设备、产品、原材料、生产规模、生产现场以及管理水平等复杂工艺场景影响，不同工艺过程资源环境负荷数据差异很大，这导致工艺环境影响评价结果差异性也较大。因此，如何获取工艺在设计阶段的资源环境负荷数据，解决工艺环境影响评价数据缺失和质量不高的问题，是当前企业开展工艺绿色设计的迫切需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出基于场景匹配的工艺设计阶段资源环境负荷数据获取方法，通过在铸造工艺资源环境负荷数据库中检索与当前设计工艺相似的工艺场景，选择匹配场景的资源环境负荷数据用于该工艺场景在设计阶段的环境影响评价，解决了工艺环境影响评价数据缺失和质量不高的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于场景匹配的工艺设计阶段资源环境负荷数据获取方法，所述方法具体为：

步骤1：选定一个设计阶段待获取资源环境负荷数据的目标铸造工艺场景，明确影响场景匹配的场景要素属性及属性值，表示为：

式中，X表示待获取资源环境负荷数据的目标铸造工艺场景，a

步骤2：确定可以进行匹配的场景实例的集合，依据X的场景要素属性，提取对应属性值，表示为：

式中，Y表示可以进行匹配的场景实例的集合，Y

步骤3：计算X与Y

式中，Sim(X,Y

计算X与Y

3-1：采用相似粗糙集方法计算场景要素属性a

由于相似度权值一般采用经验值，其准确性较低。故本发明采用基于相似粗糙集理论的方法求解相似度权值，粗糙集理论通过属性约简及离散化，得到离散数据决策表，进而确定权值，其计算过程完全由特征数据决定，具有客观性、可靠性，广泛用于决策规则的提取。本发明采用粗糙集来挖掘特征数据中所蕴涵的信息，从中挖掘隐含的特征集，并进行数据处理确定属性权值。要素属性权值确定的具体方法如下：

采用等间隔法对连续要素属性进行离散化处理后得到要素属性离散数据权重决策表S＝(U,C∪D,V,f)，其中U为论域，A＝C∪D为非空的有限属性集合，V为属性集合A的值域，f为U和A的信息函数集，对于

式中，δ

3-2：计算

工艺场景的相似度分为数值型相似度和文本型相似度，计算方法为：

3-2-1：对于数值型的工艺场景要素属性，如原材料用量、辅料用量、输出部件重量等，为了消除属性之间的量纲影响，采用归一化的方法对其进行数据处理。将表示工艺场景相似程度的各相似元属性之间的空间距离结果映射至[0～1]，并以此作为相似度值，其计算方法如下式所示：

3-2-2：对于文本型的工艺场景要素属性，如工艺对象的材料类型、设备型号、输出部件的主要壁厚等，在数据库中以字符串形式进行描述。因此，不能直接利用距离公式进行度量，对于这类工艺场景要素属性的相似度计算方法如下式所示：

式中，cos(.)表示字符串余弦相似度计算函数；

步骤4：确定相似度阈值。目前系统相似度阈值主要依据经验设定，但在实际生产中铸造工艺场景实例库中工艺场景实例将不断增加，进而影响环境影响评价系统的快速性及稳定性。因此，需要采用一种更可靠、更准确的相似度阈值计算方法。为此本发明采用以下静态相似度阈值与动态相似度阈值相结合的方式确定工艺场景的相似度阈值。具体计算方法如下：

4-1：相似度阈值表示为Sim

4-1-1：静态相似度阈值(SSTD)确定

静态相似度阈值在专家经验上进行改善，通过比较案例库最大相似度阈值与领域专家相似度阈值，从而选择较小值作为系统阈值Sim

式中，Sim

4-1-2：动态相似度阈值(DSTD)确定

动态相似度阈值通过运用实例库中相应实例的相似度信息进行计算，可降低对专家经验的依赖，充分利用实例库资源，动态相似度阈值适用于相似度Sim与系统最大相似度Sim

式中，k从1开始取值，直到满足

4-2：选择相似度阈值计算方法。在实际情况中，由于前期工艺场景实例库中存储的工艺场景实例较少，随着系统的进一步应用，会不断地将符合工艺场景实例库质量标准以及需求的工艺场景实例存储到数据库中。故需要采用DSTD方法和SSTD方法相结合的方式确定相似度阈值，通过引入调节因子

式中，

步骤5：依据相似度阈值，选择匹配的场景实例，提取该场景实例的资源环境负荷数据，并把数据赋予X，实现资源环境负荷数据的获取。

本发明的有益效果在于：

依据本发明提出的工艺设计阶段资源环境负荷数据获取方法，能够解决LCA无法应用于工艺设计阶段的难题，进而快速实现对设计阶段的工艺过程进行生命周期评价，从而极大提高工艺设计的绿色性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1为本发明所述一种基于场景匹配的工艺设计阶段资源环境负荷数据获取方法的流程图；

图2为场景匹配相似度计算流程；

图3为基于相似度计算获取工艺场景数据的算法逻辑。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：

铸造工艺过程具有属性繁多、要素各异的特点，且处于设计阶段的铸造工艺过程难以用标准化的规则与经验进行环境影响评价；但同类型铸造工艺场景的生产过程具有相似性；因此可以根据工艺设计阶段的设备、关键工艺参数、工艺对象和辅料等属性特征，获得与目标工艺场景相似的工艺场景实例，结合系统阈值筛选相似的工艺场景实例的场景数据，进而快速实现对设计阶段的工艺过程进行生命周期评价，从而极大提高工艺设计的绿色性。基于此，本发明构建了一种工艺场景相似度计算方法，其流程如图2所示。

步骤1：选定一个设计阶段待获取资源环境负荷数据的目标铸造工艺场景，以某熔炼工艺场景为例，明确影响场景匹配的场景要素属性及属性值，表示为：

式中，X表示待获取资源环境负荷数据的目标铸造工艺场景，a

表1目标铸造工艺场景要素属性表示

步骤2：确定可以进行匹配的场景实例的集合，依据X的场景要素属性，提取对应属性值，表示为：

式中，Y表示可以进行匹配的场景实例的集合，Y

表2工艺过程实例要素属性表

步骤3：计算X与Y

3-1：采用相似粗糙集方法计算场景要素属性a

根据粗糙集方法进行特征属性约简，计算工艺场景实例各属性的特征属性权值过程如下：

根据公式

同理可得δ

基于上述计算结果，根据公式

其他相似元权重以同样的方法计算得到

3-2：计算

根据数值型相似度计算公式

任意两个工艺场景之间的匹配相似度由包括各属性值之间的相似度以及对应的权重值加权计算获得。进而根据公式

Sim(X,Y

Sim(X,Y

Sim(X,Y

表3工艺要素属性值之间的相似度

步骤4：确定相似度阈值。

在选择相似度阈值计算方法时，其实现算法如下所示：

式中，一般取调节因子

式中，Sim

步骤5：如图3为基于相似度计算获取工艺场景数据的算法逻辑。根据步骤3计算出目标铸造工艺场景X与工艺场景数据库实例的工艺场景Y

在本实施例中，采用静态阈值和动态阈值相结合的方法计算出系统相似度阈值Sim

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。