基于知識重用的火炮快速設(shè)計原型系統(tǒng)開發(fā)

羊 柳,徐亞棟,顧曉艷,張學(xué)飛

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.中科芯集成電路有限公司,江蘇 無錫 214035)

火炮是由眾多部件組成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的武器系統(tǒng),設(shè)計過程繁瑣[1]。為提高火炮設(shè)計質(zhì)量與效率,學(xué)者們開展了一系列火炮設(shè)計方法的研究。傳統(tǒng)火炮設(shè)計中逐漸融入現(xiàn)代設(shè)計方法。如文獻(xiàn)[2]將案例推理與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,通過案例推理獲取相似火炮設(shè)計案例,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展火炮設(shè)計參數(shù)預(yù)測,提高了火炮設(shè)計問題的求解質(zhì)量與效率;文獻(xiàn)[3,5]將參數(shù)化設(shè)計引入火炮部件的設(shè)計過程,生成可靈活調(diào)控的參數(shù)化模型,實(shí)現(xiàn)了火炮部件設(shè)計可視化。

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)在火炮設(shè)計中的應(yīng)用,改進(jìn)了火炮設(shè)計方法,簡化了設(shè)計步驟。為進(jìn)一步縮短設(shè)計時間,提高設(shè)計效率,將知識重用思想應(yīng)用于火炮設(shè)計中。設(shè)計知識重用是將已有設(shè)計資源以一定方式在新一輪設(shè)計中重新運(yùn)用,從而簡化新設(shè)計的過程[6]。將現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)與知識重用同時引入火炮設(shè)計,即是以組件、模板等形式對案例推理等設(shè)計技術(shù)進(jìn)行封裝,通過調(diào)用組件、模板實(shí)現(xiàn)設(shè)計重用。如文獻(xiàn)[7-8]開展了基于知識組件的火炮部件快速設(shè)計技術(shù)研究;文獻(xiàn)[9-10]開展了基于模板的火炮部件快速設(shè)計技術(shù)研究。無論基于組件還是模板進(jìn)行火炮設(shè)計資源的封裝重用,均可稱為基于知識重用的火炮快速設(shè)計技術(shù)。

為實(shí)現(xiàn)火炮設(shè)計技術(shù)的集成應(yīng)用,本文開發(fā)了基于知識重用的火炮快速設(shè)計原型系統(tǒng)。原型系統(tǒng)的開發(fā)分4個階段:需求分析、軟件設(shè)計、軟件實(shí)現(xiàn)、實(shí)例測試[11]。在分析基于知識重用的火炮快速設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,通過集成先進(jìn)的火炮設(shè)計技術(shù),促進(jìn)了火炮設(shè)計方法的更新,改變了火炮系統(tǒng)相對分散的設(shè)計方式,有利于火炮設(shè)計向著集成化、智能化、自動化方向發(fā)展。

1 原型系統(tǒng)需求分析

1.1 基于知識重用的火炮快速設(shè)計流程

基于知識重用的火炮快速設(shè)計流程如圖1所示?；鹋谠O(shè)計的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定,即火炮設(shè)計參數(shù)的求解。本文依據(jù)火炮設(shè)計參數(shù)求解方式的不同,將參數(shù)分為經(jīng)驗(yàn)型和計算型兩類:經(jīng)驗(yàn)型參數(shù)無明確設(shè)計規(guī)律,僅可參考設(shè)計經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值;計算型參數(shù)則有明確設(shè)計規(guī)律,可由公式直接計算求解。

圖1 基于知識重用的火炮快速設(shè)計流程

1.2 系統(tǒng)功能性需求

原型系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)火炮的快速設(shè)計為最終目的,必須滿足流程配置、設(shè)計引導(dǎo)、模型再生的功能要求。

①流程配置。綜合運(yùn)用組件與模板技術(shù),將火炮設(shè)計資源以最小單元進(jìn)行知識組件封裝;由組件集成案例推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)預(yù)測等流程模板;依次調(diào)用火炮設(shè)計流程模板,進(jìn)行火炮設(shè)計流程配置,最終實(shí)現(xiàn)火炮設(shè)計流程的快速構(gòu)建。

②設(shè)計引導(dǎo)。通過模板調(diào)用重構(gòu)火炮設(shè)計流程,火炮設(shè)計求解時,引導(dǎo)設(shè)計人員按照設(shè)計步驟,正確進(jìn)行系統(tǒng)操作,系統(tǒng)須為使用者提供設(shè)計引導(dǎo)。即明確當(dāng)前設(shè)計任務(wù),提供流程模板解釋說明;同時尋找當(dāng)前設(shè)計任務(wù)與其前一、后一設(shè)計任務(wù)間的切換方式,方便設(shè)計人員返回或繼續(xù)設(shè)計。

③模型再生。通過引入?yún)?shù)化設(shè)計,創(chuàng)建火炮零部件參數(shù)化模型,依據(jù)求解所得火炮設(shè)計方案修改模型參數(shù),驅(qū)動模型再生,最終實(shí)現(xiàn)火炮設(shè)計結(jié)果可視化?；鹋趨?shù)化模型能夠帶給設(shè)計人員最直觀的設(shè)計感受,便于問題的發(fā)現(xiàn),有利于設(shè)計方案的改進(jìn)。

1.3 系統(tǒng)非功能性需求

在滿足核心功能的基礎(chǔ)上,從用戶使用角度對系統(tǒng)提出可靠性、高效性、易用性的性能要求。原型系統(tǒng)的用戶為火炮領(lǐng)域的設(shè)計工作人員。

①可靠性。原型系統(tǒng)對火炮設(shè)計效率的追求,需以保證火炮設(shè)計質(zhì)量為前提,即需滿足功能可靠性。原型系統(tǒng)作為一個設(shè)計軟件,其能否在自身運(yùn)行環(huán)境下不出錯、穩(wěn)定地工作,決定了系統(tǒng)能否長期有效地被使用,即需滿足使用可靠性。

②高效性。利用原型系統(tǒng)進(jìn)行火炮設(shè)計,提高了設(shè)計效率,滿足了火炮設(shè)計的高效性。當(dāng)設(shè)計人員對原型系統(tǒng)進(jìn)行操作,則對系統(tǒng)本身的運(yùn)行效率也提出了要求。除系統(tǒng)設(shè)計功能的完善外,原型系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)自身運(yùn)行的高效性。

③易用性。原型系統(tǒng)的用戶可能是能夠迅速掌握系統(tǒng)操作的經(jīng)驗(yàn)豐富者,也可能是毫無使用經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計新手。因此,原型系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮使用者的不同情況,在確保系統(tǒng)功能完整的同時,使系統(tǒng)操作簡便,易于學(xué)習(xí)使用,即保證原型系統(tǒng)的易用性。

2 原型系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

如圖2所示,火炮快速設(shè)計原型系統(tǒng)框架由下至上分為4個層次。數(shù)據(jù)服務(wù)層利用預(yù)先建立的火炮設(shè)計知識庫為系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐,即為火炮快速設(shè)計提供可重用的設(shè)計資源。設(shè)計分析層由總體到局部,依據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行設(shè)計求解的分析,為系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)與模塊劃分打下基礎(chǔ)。功能實(shí)現(xiàn)層將火炮設(shè)計任務(wù)求解過程逐一轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)計功能,即通過依次調(diào)用流程模板,實(shí)現(xiàn)火炮設(shè)計技術(shù)的有序集成,完成設(shè)計求解。界面顯示層是用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互的途徑,依照設(shè)計分析層火炮總體到局部的設(shè)計思路,系統(tǒng)界面分為總體與部件設(shè)計2大模塊。

圖2 火炮快速設(shè)計原型系統(tǒng)框架

2.2 軟件功能模塊組成

原型系統(tǒng)的功能模塊劃分以系統(tǒng)框架設(shè)計為基準(zhǔn),與界面顯示層相呼應(yīng)。如圖3所示,原型系統(tǒng)由火炮總體設(shè)計模塊及火炮部件設(shè)計模塊兩部分組成?？傮w設(shè)計模塊通過火炮戰(zhàn)技指標(biāo)分析,選定火炮系統(tǒng)組成;參考相似設(shè)計案例,擬定總體設(shè)計方案。

圖3 火炮快速設(shè)計原型系統(tǒng)模塊組成

部件設(shè)計模塊在總體設(shè)計基礎(chǔ)上,進(jìn)行火炮部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。為確定火炮部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的尺寸參數(shù),依次開展經(jīng)驗(yàn)型參數(shù)預(yù)測,計算型參數(shù)求解,得到參數(shù)求解結(jié)果;通過參數(shù)化設(shè)計,實(shí)現(xiàn)火炮部件的參數(shù)化模型再生。

3 原型系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 開發(fā)環(huán)境和工具

火炮快速設(shè)計原型系統(tǒng)在Windows 7操作系統(tǒng)下進(jìn)行開發(fā)。為提高原型系統(tǒng)軟件的通用性與包容性,選擇Java語言基于Eclipse平臺作為原型系統(tǒng)的開發(fā)語言和開發(fā)環(huán)境。利用Matlab的數(shù)據(jù)處理能力,創(chuàng)建并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,用于火炮設(shè)計中經(jīng)驗(yàn)型參數(shù)預(yù)測。機(jī)械設(shè)計軟件中,Creo具備強(qiáng)大的三維參數(shù)化建模功能,利用Java進(jìn)行Creo二次開發(fā),最終實(shí)現(xiàn)火炮部件參數(shù)化模型再生。

3.2 火炮快速設(shè)計技術(shù)集成

火炮設(shè)計案例推理通過確定案例檢索方法,從預(yù)先建立的設(shè)計案例庫中獲取相似設(shè)計案例[12]。在火炮總體設(shè)計模塊,基于案例推理獲取相似設(shè)計案例,為火炮總體設(shè)計方案提供參考?；鹋谠O(shè)計案例推理中通過確定相似度計算方法實(shí)現(xiàn)案例檢索過程,案例的整體相似度計算由Java編程實(shí)現(xiàn)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種通過模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能,實(shí)現(xiàn)函數(shù)估計或近似的數(shù)學(xué)模型[13]。在部件設(shè)計模塊,從獲取的火炮相似設(shè)計案例中提取用以訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型的樣本方案,從而實(shí)現(xiàn)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火炮經(jīng)驗(yàn)型參數(shù)預(yù)測。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的創(chuàng)建與訓(xùn)練在Matlab軟件中實(shí)現(xiàn)。將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Matlab程序打包為jar包,進(jìn)行知識組件的封裝,以供后續(xù)在Eclipse平臺集成調(diào)用,從而構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)型參數(shù)預(yù)測流程模板。

參數(shù)化設(shè)計通過創(chuàng)建參數(shù)化模型,并建立參數(shù)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)修改模型參數(shù),驅(qū)動模型再生的效果[14]。參數(shù)化設(shè)計作為火炮設(shè)計的最后一步,便于設(shè)計結(jié)果的校驗(yàn)。通過Creo軟件建立火炮(零)部件參數(shù)化模型,創(chuàng)建模型正確的尺寸約束與參數(shù)關(guān)系,通過Java編程實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)修改再生的功能,即Creo的二次開發(fā)。

依照基于知識重用的火炮快速設(shè)計流程,利用組件、模板技術(shù)依次對案例推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)預(yù)測、參數(shù)化設(shè)計等火炮設(shè)計技術(shù)進(jìn)行集成。首先,將火炮設(shè)計計算過程進(jìn)行最小單元劃分,封裝設(shè)計資源,并設(shè)置接口與外界交互,開發(fā)火炮設(shè)計知識組件。接著,依照設(shè)計任務(wù)求解流程,調(diào)取相關(guān)火炮設(shè)計知識組件依次進(jìn)行組裝,形成設(shè)計任務(wù)求解方案,封裝火炮設(shè)計流程模板。即構(gòu)建案例推理、經(jīng)驗(yàn)型參數(shù)預(yù)測、參數(shù)化設(shè)計流程模板。最后,通過調(diào)用流程模板,實(shí)現(xiàn)火炮設(shè)計技術(shù)集成。

3.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

依據(jù)前文需求分析,系統(tǒng)需滿足流程配置、設(shè)計引導(dǎo)、模型再生的功能要求。流程配置是核心功能,用以實(shí)現(xiàn)火炮的快速設(shè)計。以火炮復(fù)進(jìn)機(jī)設(shè)計為例,進(jìn)行快速設(shè)計流程配置?；鹋诓考O(shè)計參數(shù)求解包括經(jīng)驗(yàn)型參數(shù)預(yù)測與計算型參數(shù)求解兩部分。因此,還需編寫參數(shù)計算程序進(jìn)行封裝,構(gòu)建計算型參數(shù)求解流程模板。圖4為復(fù)進(jìn)機(jī)快速設(shè)計流程配置圖。

圖4 復(fù)進(jìn)機(jī)快速設(shè)計流程配置

如圖4所示,依次調(diào)用案例推理、經(jīng)驗(yàn)型參數(shù)預(yù)測、計算型參數(shù)求解、參數(shù)設(shè)計流程模板,即可完成復(fù)進(jìn)機(jī)快速設(shè)計流程配置。其中,參數(shù)化設(shè)計流程模板的調(diào)用滿足了模型再生的系統(tǒng)功能要求。設(shè)計引導(dǎo)需求則通過在原型系統(tǒng)的界面中加入相應(yīng)輔助設(shè)計信息來滿足。

4 原型系統(tǒng)實(shí)例及測試

由于火炮設(shè)計過程繁瑣,工程浩大,火炮整體快速設(shè)計原型系統(tǒng)的開發(fā)短期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)。本文在前文復(fù)進(jìn)機(jī)快速設(shè)計流程配置的基礎(chǔ)上,以復(fù)進(jìn)機(jī)快速設(shè)計原型系統(tǒng)開發(fā)為例,驗(yàn)證火炮快速設(shè)計原型系統(tǒng)的有效性。

某典型單筒液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)的具體設(shè)計要求如表1所示。利用原型系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)進(jìn)機(jī)設(shè)計,通過輸入復(fù)進(jìn)機(jī)設(shè)計任務(wù),依次進(jìn)行復(fù)進(jìn)機(jī)設(shè)計案例推理、經(jīng)驗(yàn)型參數(shù)預(yù)測、計算型參數(shù)求解,最終通過參數(shù)化設(shè)計,得到可視化的復(fù)進(jìn)機(jī)設(shè)計結(jié)果。其中,原型系統(tǒng)調(diào)用案例推理及參數(shù)化設(shè)計流程模板,實(shí)現(xiàn)輸入復(fù)進(jìn)機(jī)設(shè)計要求,輸出參數(shù)化模型的效果如圖5所示。

圖5 原型系統(tǒng)流程模板調(diào)用實(shí)例

表1 某復(fù)進(jìn)機(jī)設(shè)計任務(wù)

如表2所示,基于原型系統(tǒng)的復(fù)進(jìn)機(jī)快速設(shè)計結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)計基本一致,能夠滿足復(fù)進(jìn)機(jī)的設(shè)計要求,驗(yàn)證了火炮快速設(shè)計原型系統(tǒng)的可行性與有效性。

表2 快速設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于知識重用的火炮設(shè)計技術(shù),實(shí)現(xiàn)了火炮快速設(shè)計原型系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。通過系統(tǒng)需求分析,構(gòu)建了火炮快速設(shè)計原型系統(tǒng)框架,劃分了系統(tǒng)軟件功能模塊。以知識組件、流程模板的形式封裝了案例推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)預(yù)測、參數(shù)化設(shè)計等設(shè)計技術(shù)。通過調(diào)用流程模板,以復(fù)進(jìn)機(jī)為例進(jìn)行了快速設(shè)計流程配置。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了復(fù)進(jìn)機(jī)快速設(shè)計原型系統(tǒng),作為火炮整體快速設(shè)計原型系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例?；谠拖到y(tǒng)的復(fù)進(jìn)機(jī)快速設(shè)計結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)計基本一致,驗(yàn)證了火炮快速設(shè)計原型系統(tǒng)的有效性。