框架在汽車性能數(shù)據(jù)庫(kù)中的應(yīng)用

黃 林，申鵬祥，馬 穎，周建文

(中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

框架在汽車性能數(shù)據(jù)庫(kù)中的應(yīng)用

黃 林，申鵬祥，馬 穎，周建文

(中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

在對(duì)汽車性能相關(guān)的知識(shí)形態(tài)分析的基礎(chǔ)上，探索了支持汽車產(chǎn)品正向開發(fā)的以汽車性能指標(biāo)為核心的知識(shí)關(guān)聯(lián)機(jī)制。借助基于框架的知識(shí)建模方法對(duì)汽車性能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等支持正向開發(fā)的知識(shí)建模，開發(fā)了支持汽車性能開發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。

框架;汽車性能;正向開發(fā);數(shù)據(jù)庫(kù)

汽車產(chǎn)品開發(fā)是知識(shí)密集型的工作，開發(fā)周期漫長(zhǎng)，在沒有任何知識(shí)積累階段，逆向工程［1］是重要的技術(shù)手段，如在車身開發(fā)領(lǐng)域，首先選擇一款合適的標(biāo)桿車型，再對(duì)其整車進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量、解析和激光掃描，最后將掃描產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行建模及相關(guān)的分析等。逆向設(shè)計(jì)以龐大Benchmark數(shù)據(jù)作為支撐，在性能目標(biāo)不明確的情況下仿制，生產(chǎn)出樣車后再測(cè)試部分性能，人為剝離了結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)，是一種較為粗放的設(shè)計(jì)方式。目前國(guó)外主要的主機(jī)廠均建有自己的Benchmark數(shù)據(jù)庫(kù)，如以A2Mac1為代表的技術(shù)咨詢公司，可提供專業(yè)化的Benchmark服務(wù)及數(shù)據(jù);而在國(guó)內(nèi)還沒有比較成熟的Benchmark數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)涵蓋材料、工藝、結(jié)構(gòu)、性能等方面的知識(shí)，破解結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制也成為構(gòu)建汽車性能數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵。

在文獻(xiàn)［2］中，作者依據(jù)整車或零部件的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)模型，并調(diào)用該模型正向預(yù)測(cè)性能目標(biāo)，從性能目標(biāo)逆向推理得到結(jié)構(gòu)參數(shù);在文獻(xiàn)［3］中，作者利用基于MATLAB的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫(kù)模型，破解刀具結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)的復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系，以此來預(yù)測(cè)刀具的磨損情況;在文獻(xiàn)［4］中，作者提出以樹形這種非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建汽車產(chǎn)品試驗(yàn)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，方便知識(shí)維護(hù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)模型結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，不便于知識(shí)的擴(kuò)展，不易編碼實(shí)現(xiàn)，其模型精度受限于樣本的容量;樹形結(jié)構(gòu)的知識(shí)模型方便結(jié)構(gòu)知識(shí)的擴(kuò)展，但不便于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義上的邏輯關(guān)聯(lián)。汽車性能相關(guān)的知識(shí)具有以下特點(diǎn):經(jīng)驗(yàn)型數(shù)據(jù)較多;性能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等具有較簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，層次關(guān)聯(lián)模式簡(jiǎn)單;經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過修改、補(bǔ)充屬性完善對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。經(jīng)綜合比較，本文采用了基于框架的知識(shí)表示的方法［5］，對(duì)以汽車性能為核心的知識(shí)進(jìn)行建模，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了汽車性能數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 基于框架的知識(shí)建模

1.1 框架表示法

框架表示法理論是由美國(guó)的人工智能學(xué)者明斯基在1975年首先提出來的［6］。該理論認(rèn)為人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中各種事物的認(rèn)識(shí)都是以一種類似于框架的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在記憶中，當(dāng)面臨一個(gè)新事物時(shí)，就從記憶中找出一個(gè)合適的框架，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其細(xì)節(jié)加以修改、補(bǔ)充，從而形成對(duì)當(dāng)前事物的認(rèn)識(shí)，也就是說框架表示法表示的是一種經(jīng)驗(yàn)性的知識(shí)?？蚣苁敲枋鰧?duì)象(事物，事件或概念)屬性的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？蚣芫W(wǎng)絡(luò)是由不同的框架通過屬性之間的關(guān)系建立起來，充分表達(dá)相關(guān)對(duì)象之間的各種關(guān)系?？蚣苡扇舾蓚€(gè)被稱為槽的結(jié)構(gòu)組成，描述對(duì)象的某一方面的屬性;槽又可根據(jù)實(shí)際需要分為若干個(gè)側(cè)面，描述相應(yīng)屬性的一個(gè)方面;槽和側(cè)面所具有的屬性值分別稱為槽值和側(cè)面值，基本結(jié)構(gòu)如下:

1.2 性能指標(biāo)體系

1.2.1 指標(biāo)體系定義

與逆向設(shè)計(jì)相反的是正向設(shè)計(jì)，即汽車產(chǎn)品各階段性能指標(biāo)已知，以此來指導(dǎo)整個(gè)設(shè)計(jì)開發(fā)過程，將各性能指標(biāo)映射到零部件級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，借助CAE仿真及試驗(yàn)等手段來優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。性能指標(biāo)體系包括指標(biāo)參數(shù)、試驗(yàn)方法、設(shè)備等內(nèi)容，主要包括一些對(duì)用戶評(píng)價(jià)的定性與定量的描述參數(shù)，包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1.2.2 指標(biāo)體系知識(shí)建模

知識(shí)建模是構(gòu)建汽車性能數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵的步驟，主要解決知識(shí)表示、知識(shí)分類、知識(shí)標(biāo)準(zhǔn)化等問題，以方便對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)的挖掘利用。在框架系統(tǒng)中，對(duì)象間的聯(lián)系由槽名表述，定義一些公用、常用、標(biāo)準(zhǔn)槽名作為系統(tǒng)預(yù)定義槽名。確定對(duì)象劃分粒度時(shí)需將性能共享的屬性抽象出來;為了表達(dá)對(duì)象之間的父子繼承等關(guān)系，定義類似 a－kind－of(AKO)、attribute－of(ATO)、instance－ of(instance)描述框架網(wǎng)絡(luò)中框架關(guān)系槽名。在框架網(wǎng)絡(luò)中，以性能指標(biāo)作為主框架，通過該框架的關(guān)聯(lián)槽建立性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)、材料、工藝等框架的關(guān)聯(lián)，如圖1所示。

以性能指標(biāo)框架為例，性能參數(shù)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)大綱均為描述指標(biāo)屬性結(jié)構(gòu)的側(cè)面槽，槽及側(cè)面槽類型可以為過程類型、數(shù)值類型及框架類型。根據(jù)實(shí)際開發(fā)需要調(diào)整拆分粒度，如性能指標(biāo)框架:性能參數(shù)側(cè)面槽定義為框架類型，值為“燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)”框架，其定義片段如圖2所示。

圖2中，側(cè)面槽值為“燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)”參數(shù)，規(guī)定該參數(shù)指標(biāo)的約束條件:參數(shù)的單位，參數(shù)值類型(整型、實(shí)型、文本、曲線等)。

圖1 以汽車性能指標(biāo)為核心的主體框架

圖2 燃油性能指標(biāo)框架定義片段

1.2.3 指標(biāo)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)

性能指標(biāo)體系確定了整車開發(fā)的控制指標(biāo)，為達(dá)到指標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)匹配分析，對(duì)總成及部件提出性能指標(biāo)要求，最終落實(shí)到相關(guān)系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上(結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料、工藝)，借助CAE虛擬分析等技術(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)提出的目標(biāo)值。例如，燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)參數(shù)“帶空調(diào)(降速)等速100km/h行駛百公里油耗”目標(biāo)7.5L/100km，與該指標(biāo)關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

指標(biāo)與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)是通過“關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)”字段實(shí)現(xiàn)，如等速油耗7.5L/100km對(duì)整車的質(zhì)量參數(shù)提出需求，細(xì)分到零部件級(jí)，需對(duì)白車身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，關(guān)聯(lián)模式如圖4所示。

2 汽車性能開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)

2.1 需求分析

圖3 性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)、材料及工藝的關(guān)聯(lián)示例

圖4 關(guān)聯(lián)模式分析示例

根據(jù)開發(fā)的需求，支持汽車性能開發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)需要滿足以下主要功能。查詢:查詢性能、結(jié)構(gòu)等參數(shù)。對(duì)標(biāo):多個(gè)車型、系統(tǒng)或零部件的相同性能指標(biāo)作對(duì)比。結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián):用戶在查看某個(gè)性能指標(biāo)的同時(shí)，也能查看與該性能相關(guān)的零部件結(jié)構(gòu)。報(bào)表輸出:導(dǎo)出試驗(yàn)報(bào)告、數(shù)模、性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)維護(hù):靈活的擴(kuò)展性能及結(jié)構(gòu)指標(biāo)，批量化導(dǎo)入數(shù)據(jù)等。評(píng)價(jià)功能:在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，借助統(tǒng)計(jì)方法對(duì)某個(gè)指標(biāo)做出評(píng)價(jià)。需要從整車的性能指標(biāo)正向“映射”到具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，以指導(dǎo)概念設(shè)計(jì)開發(fā)。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)概念設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)之間是通過零件的件號(hào)來關(guān)聯(lián)的;性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)參數(shù)均定義唯一性的參數(shù)邏輯標(biāo)識(shí)符;基于框架的知識(shí)模型是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次的概念模型，各個(gè)框架的槽、側(cè)面槽等映射數(shù)據(jù)庫(kù)中的視圖、數(shù)據(jù)表等，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)E－R(實(shí)體－關(guān)系模型)［7］，如圖5所示。依據(jù)業(yè)務(wù)需要確定對(duì)象的劃分粒度，分為3個(gè)層級(jí):結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、產(chǎn)品，即3個(gè)主框架;性能對(duì)象框架的槽及側(cè)面槽對(duì)應(yīng)屬性分類、對(duì)象擴(kuò)展屬性參數(shù)，以此體現(xiàn)對(duì)某個(gè)性能指標(biāo)的分解過程。隨著工程師經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的豐富，可能會(huì)有修改性能參數(shù)、增添性能參數(shù)的需求，只需增加對(duì)象擴(kuò)展屬性參數(shù)，即修正性能對(duì)象框架的側(cè)面槽即可。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)E－R模型片段

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)程序開發(fā)

基于Oracle構(gòu)建業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，借助Web sphere portal中間件技術(shù)開發(fā)相應(yīng)的功能模塊:數(shù)據(jù)對(duì)比、報(bào)表輸出、高級(jí)搜索等知識(shí)應(yīng)用模塊;數(shù)據(jù)展現(xiàn)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系管理等知識(shí)管理模塊;用戶管理、權(quán)限策略控制等權(quán)限控制模塊，搭建支持汽車性能開發(fā)的汽車工程數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，如圖6所示。

圖6 汽車工程數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)架構(gòu)

數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)采用典型B/S架構(gòu)、IBM的SOA(面向服務(wù))技術(shù)方案，將對(duì)知識(shí)的應(yīng)用開發(fā)為知識(shí)應(yīng)用服務(wù)，部署到Web sphere portal的中間件平臺(tái)上，用戶通過Web享受相應(yīng)的技術(shù)服務(wù)，如數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)對(duì)比、報(bào)表輸出等。當(dāng)用戶需要查看與該性能相關(guān)的結(jié)構(gòu)時(shí)，點(diǎn)擊“關(guān)聯(lián)零件”即可查看與之相對(duì)應(yīng)的零部件結(jié)構(gòu)信息。性能指標(biāo)體系是汽車工程數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的核心，需要長(zhǎng)期的修正完善，數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的后臺(tái)管理模塊配備了相應(yīng)數(shù)據(jù)維護(hù)模塊，如依據(jù)用戶需求修正性能對(duì)象的定義(屬性、劃分粒度)、配置關(guān)聯(lián)關(guān)系等，建立性能、結(jié)構(gòu)、材料與工藝的關(guān)聯(lián)索引機(jī)制，支持汽車產(chǎn)品的正向開發(fā)。

3 結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建Benchmark數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)成為各汽車主機(jī)廠的迫切需求。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)并不能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與性能指標(biāo)參數(shù)的關(guān)聯(lián)，由于用戶及社會(huì)環(huán)境的需求，主機(jī)廠的關(guān)注點(diǎn)一直在不斷地變更，指標(biāo)體系也應(yīng)隨著需求而同步調(diào)整，如何以最小的變更代價(jià)來確保汽車性能開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能需求是數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)的關(guān)鍵。知識(shí)建模是對(duì)知識(shí)前處理的重要的技術(shù)手段，框架結(jié)構(gòu)的知識(shí)模型符合人類認(rèn)知的規(guī)律，按照經(jīng)驗(yàn)對(duì)框架的槽、側(cè)面槽修正及補(bǔ)充，以完善對(duì)事物的認(rèn)識(shí)，尤其適合經(jīng)驗(yàn)性的知識(shí)的建模，這為構(gòu)建易于擴(kuò)展維護(hù)的汽車性能開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)提供了一種比較便捷的途徑。

［1］鄭恒雍.逆向設(shè)計(jì)在汽車開發(fā)中的應(yīng)用［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2009(8):14－17.

［2］楊偉斌，吳光強(qiáng)，秦大同，等.汽車性能數(shù)據(jù)庫(kù)的建模［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，29(1):8－11.

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［5］Marvin Minsky.A Framework for Representing Knowledge［M］.Boston American:Massachusetts Institute of Technology A.I.Laboratory，1974:33－36.

［6］Gus Schreiber.知識(shí)工程和知識(shí)管理［M］.史忠植，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版，2003.

［7］王珊，薩師煊.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論［M］.4版.北京:高等教育出版社，2006.

Application of Framework in the Auto Performance Database

HUANG Lin，SHEN Pengxiang，MA Ying，ZHOU Jianwen
(China Automotive Engineering Research Institute of Co.，Ltd.，Chongqing，400039，China)

Based on the studying of auto performance and the knowledge related，it explores the knowledge correlation mechanism，attempts to establish knowledge model with the framework representation such as performance，structure and material，technical process.It develops an auto performance development database.

Framework;Auto Performance;Forward Development;Database

TP301.2

A

2095－509X(2013)11－0047－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.012

2012－10－22

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃863項(xiàng)目(2012AA111801)

黃林(1985—)，男，四川眉山人，中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司工程師，碩士，主要從事汽車共性技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)開發(fā)、知識(shí)工程等方面的研究工作。