基于知識的管路布局自動評價技術(shù)

龔 晶，劉檢華，趙柏萱，吳宏超

（北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081）

0 引言

管路主要作為燃料、冷卻液、潤滑液以及液壓傳動等液體或氣體的運輸載體，對產(chǎn)品的可靠性具有重要影響，在航空、航天、汽車和船舶等復(fù)雜機電產(chǎn)品中均有廣泛應(yīng)用。美國通用電氣公司經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，將近50%的發(fā)動機空中停車事故是由外部管路、線纜、傳感器損壞或失效引起的［1］。

管路的合理布局與優(yōu)化是保障其可靠運行的前提，其實質(zhì)是在三維空間中的路徑尋優(yōu)問題，它不僅受到機電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多、集成性高和內(nèi)部可行空間小等幾何約束［2］，還受到導(dǎo)管的可制造性、可裝配性、動力與靜力學(xué)特性和熱變形等工程約束，因此管路布局設(shè)計與優(yōu)化通常被認為是NP難題。

為了提高管路布局的效率和質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。東北大學(xué)柳強等［1］提出一種基于工程規(guī)則的航空發(fā)動機管路自動敷設(shè)算法，該方法將航空發(fā)動機布管問題描述為求取滿足一定規(guī)則的掃掠圓運動軌跡問題，并采用柱坐標系對航空發(fā)動機的回轉(zhuǎn)布管空間進行描述，在一定程度上提高了管路布局的質(zhì)量和效率，但該方法通常情況下只適用于單根導(dǎo)管的布局，缺乏對管路系統(tǒng)的整體評價與優(yōu)化；北京航空航天大學(xué)陳志英等［3］提出一種基于遺傳算法的管路自動布局方法，該方法基本解決了管路創(chuàng)建的自動繞障問題，但對于管路布局工程約束還缺乏充分考慮；樊江等［4］利用改進的Lee算法和最小斯坦納樹生成法，采用三維加權(quán)網(wǎng)格對發(fā)動機復(fù)雜三維模型進行網(wǎng)格劃分，開發(fā)了航空發(fā)動機網(wǎng)格敷管系統(tǒng)（Aircraft Engine's Grid Routing System，AEGRS），在一定程度上提高了管路布局效率，但這種方法也只考慮了管路路徑創(chuàng)建的自動繞障問題；哈爾濱工業(yè)大學(xué)付宜利等［5-6］先后開展了基于粒子群算法和混沌算法的管路自動布局方法的研究，并取得了一定成果，但無論是基于粒子群算法還是混沌算法的管路自動布局方法，都只關(guān)注管路路徑自動尋優(yōu)問題，對于工程約束仍然缺乏考慮；Christian Vander Velden等［7］提出一種融入知識工程技術(shù)（Knowledg Based Engineering，KBE）的管線智能布局方法，該方法利用改進的A＊算法在三維空間網(wǎng)格中進行路徑尋優(yōu)，并在算法中嵌入了部分工程約束，使自動生成的管線在質(zhì)量上有了很大提高，但由于該方法考慮的工程約束較少，且工程約束知識被寫入程序代碼，不能實現(xiàn)對知識的實時編輯和管理，其實用性有很大局限。

復(fù)雜機電產(chǎn)品中的管路布局設(shè)計是一個多學(xué)科綜合優(yōu)化難題，而目前的方法在管路布局設(shè)計中主要考慮導(dǎo)管路徑的避障問題，缺乏對直接影響到布局質(zhì)量的工程約束的系統(tǒng)考慮，以及對布局方案可行性的綜合評價。因此，筆者提出一種基于知識的管路布局自動評價方法，首先引入一階謂詞邏輯表示法對管路布局設(shè)計中的工程約束進行知識建模，形成以工程約束為基礎(chǔ)的可擴展的管路布局評價知識庫，在此基礎(chǔ)上建立了布局管路的評價體系；然后提出一種基于應(yīng)用服務(wù)提供商（Application Service Provider，ASP）推理機的管路布局自動評價算法，實現(xiàn)了管路的自動綜合評價；最后開發(fā)了基于知識的管路布局自動評價系統(tǒng)，并在某型號發(fā)動機液壓管路系統(tǒng)上對所提方法和理論進行了驗證。

1 管路布局設(shè)計問題描述

1.1 管路布局設(shè)計流程分析

通過對某航天發(fā)動機設(shè)計單位管路布局設(shè)計部門進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)航天發(fā)動機管路布局設(shè)計遵循如圖1所示的流程，其特點是：考慮的問題特別復(fù)雜，涉及結(jié)構(gòu)、振動和流阻等因素，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，一臺中型發(fā)動機的管路布局設(shè)計和協(xié)調(diào)時間長達4個月之久，這主要是以下三方面的原因：

（1）布局設(shè)計的管路經(jīng)常出現(xiàn)無法加工或裝配的現(xiàn)象，需要設(shè)計與制造部門反復(fù)協(xié)調(diào)與溝通，返工問題特別嚴重。

（2）在管路的細節(jié)設(shè)計中，各種參數(shù)的校核需要在不同分析軟件中進行，經(jīng)常因軟件版本不兼容等問題而進行一些不必要的文件格式轉(zhuǎn)換，嚴重延誤了產(chǎn)品的設(shè)計周期。

（3）由于知識面有限，而管路布局設(shè)計與優(yōu)化又涉及多個專業(yè)，導(dǎo)致設(shè)計師在管路的布局設(shè)計中缺乏對工程約束的全面考慮以及對管路的整體優(yōu)化，常常出現(xiàn)顧此失彼的現(xiàn)象，管路布局設(shè)計質(zhì)量往往不高，降低了產(chǎn)品的可靠性。

1.2 管路布局工程約束分析

復(fù)雜機電產(chǎn)品的管路布局設(shè)計往往在三維空間進行［8-9］，不僅要考慮管路路徑的避障問題，還必須滿足各種工程約束。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機管路布局設(shè)計中需要重點考慮的工程約束主要如表1所示。

其中，可制造性規(guī)則主要取決于數(shù)控彎管機的加工能力，如數(shù)控彎管機對導(dǎo)管彎曲成型的彎曲半徑和彎折角度都有相應(yīng)的要求；結(jié)構(gòu)緊湊規(guī)則要求管路系統(tǒng)應(yīng)盡量成束布局，同時應(yīng)防止大管徑導(dǎo)管交叉布局；輔助固定規(guī)則要求導(dǎo)管應(yīng)盡量沿著發(fā)動機安裝邊平行布局；可維修性規(guī)則要求滿足導(dǎo)管的拆裝可達性，拆裝頻率大的導(dǎo)管應(yīng)該布局在最外層，拆裝頻率小的導(dǎo)管應(yīng)布局在里層，同時當導(dǎo)管在遇到附件時，應(yīng)該沿軸向或周向繞過附件，不可徑向翻越附件，且導(dǎo)管應(yīng)避開油樣采集等檢查窗口；動力學(xué)規(guī)則要求布局導(dǎo)管要進行防共振設(shè)計，導(dǎo)管自振頻率fn按式（1）或式（2）調(diào)整：

式中：fmax為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速，fidl為發(fā)動機慢車轉(zhuǎn)速。靜力學(xué)規(guī)則主要在導(dǎo)管處于工作狀態(tài)時計算導(dǎo)管的許用壓力，導(dǎo)管的爆破壓力按式（3）計算：

式中：σb為材料極限強度，d為導(dǎo)管內(nèi)徑，δ為導(dǎo)管壁厚，導(dǎo)管最大許用壓力按式（4）調(diào)整：

式中：Pb為導(dǎo)管爆破壓力；Kb為材料強度儲備系數(shù)，通常情況下取Kb≥3.75。

2 基于知識的管路布局自動評價總體技術(shù)思路

根據(jù)對管路布局設(shè)計問題的描述，并針對目前管路布局設(shè)計中缺乏對直接影響管路布局質(zhì)量的工程約束的綜合考慮等問題，筆者提出一種基于知識的管路布局設(shè)計自動評價方法，通過對工程約束知識的形式化建模以形成評價知識庫，實現(xiàn)對布局設(shè)計管路的整體評價，其總體技術(shù)思路如圖2所示。

具體流程為：①獲取產(chǎn)品的設(shè)計、制造和裝配信息，在三維環(huán)境中完成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)體裝配，在此基礎(chǔ)上完成產(chǎn)品管路布局設(shè)計工作；②獲取管路布局設(shè)計工程約束知識，利用知識的形式化建模技術(shù)，建立基于工程約束的管路評價知識庫，并根據(jù)布局管路的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計管路的自動評價算法；③利用知識庫對布局管路進行評價，并將評價結(jié)果反饋到管路的三維布局設(shè)計環(huán)境中，對不滿足工程約束的管路進行人機交互式的修正。

根據(jù)上述分析，基于知識的管路布局設(shè)計自動評價需要研究以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）知識的形式化建模技術(shù) 計算機并不能識別以自然語言形式存在的工程約束知識，需要以適當?shù)姆绞綄⒐苈凡季衷O(shè)計工程約束知識編碼成計算機能處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，要實現(xiàn)布局管路基于工程約束知識的自動綜合評價，首先必須完成對管路布局設(shè)計工程約束知識的形式化建模。

（2）布局管路的評價體系建模 管路布局受如表1所示的八類工程規(guī)則的約束，不同類別的工程約束對管路布局方案可行性的影響程度不盡相同，因此，需要依據(jù)不同的企業(yè)需求科學(xué)地建立布局管路的評價體系，才能使評價結(jié)果具有實際工程意義。

（3）管路的自動評價算法 布局設(shè)計管路的數(shù)據(jù)存儲于管路的計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）模型中，需要實現(xiàn)管路的虛擬布局設(shè)計環(huán)境與基于知識的評價系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)布局設(shè)計管路的自動評價算法，要求該算法能利用形式化建模的工程約束知識，調(diào)用ASP推理機對布局設(shè)計管路方案的可行性進行自動綜合評價。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 管路布局設(shè)計工程約束知識的形式化建模

知識的形式化建模即知識的表示，就是用一套約定的符號將知識編碼成計算機可以直接識別，并能夠系統(tǒng)、正確地利用和管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［10］。常用的知識表示方法有產(chǎn)生式表示法、框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法和一階謂詞邏輯表示法等。

一階謂詞邏輯以數(shù)理邏輯為基礎(chǔ)，是到目前為止能夠表達人類思維和推理的一種最精確的形式語言，它不僅能夠表示具有因果關(guān)系的規(guī)則性知識，還能夠表示事物的概念、屬性和狀態(tài)等事實性知識［10］。在管路布局自動評價中，工程約束是表示事物關(guān)系的規(guī)則性知識，而布局設(shè)計的管路數(shù)據(jù)描述了管路的屬性和狀態(tài)，屬于事實性知識，因此筆者選擇一階謂詞邏輯表示法作為知識的表達方式。在進行知識表示時，獨立的謂詞并不能完整表達知識的含義，必須根據(jù)知識的語義，用邏輯連接詞將單一獨立的謂詞連接起來，形成能表意的謂詞公式，進行知識表示時常用的邏輯連接詞如表2所示。

表2 邏輯連接詞的含義

用一階謂詞邏輯表示知識的過程可以概括為如下三個步驟［10］：

步驟1 確定論域，對以自然語言形式存在的知識進行抽象和分解，根據(jù)對知識的抽象和分解結(jié)果確定研究對象。

步驟2 根據(jù)抽象和分解的研究對象定義謂詞符號集，并賦予集合中每個謂詞符號確切的含義。

步驟3 根據(jù)所要表達的知識語義，為每個謂詞中的變元賦以具體的值，并用邏輯連接詞將單一獨立的謂詞連接起來，形成能表意的謂詞公式。

通過查閱設(shè)計手冊和標準，并總結(jié)管路布局專家的經(jīng)驗，對表1所示的八類規(guī)則進行細分，得到管路布局的工程約束規(guī)則細化表，如表3所示。

表3 管路布局設(shè)計工程約束規(guī)則細化表

根據(jù)一階謂詞邏輯表示法表示知識的方法和步驟，對表3所示的知識進行抽象和分解，確定其研究論域，并定義如表4所示的謂詞符號集。

表4 謂詞符號集

確定了知識的研究論域并定義謂詞符號集之后，根據(jù)各條工程約束知識的含義，用恰當?shù)倪壿嬤B接詞將表4中單個獨立的謂詞連接起來形成能表意的謂詞公式，就完成了表3中管路布局工程約束知識的形式化建模，如下所示：

3.2 管路布局評價體系建模

管路布局設(shè)計工程約束規(guī)則可按表1所示分為八種類別，但這些規(guī)則對布局設(shè)計管路的約束強度和優(yōu)先級別不同，如“可制造性規(guī)則”是管路必須滿足的約束要求，因為布局設(shè)計的導(dǎo)管首先要能被加工出來，其布局設(shè)計方案才具有現(xiàn)實工程意義。因此，本研究將表1所示的八類知識分為強限制標準和優(yōu)化限制標準，如圖3所示。

其中，強限制標準包括導(dǎo)管的可制造性規(guī)則、靜力學(xué)規(guī)則、動力學(xué)規(guī)則和可維修性規(guī)則，它們直接關(guān)系到布局設(shè)計的導(dǎo)管能否被制造出來及管路系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性，是必須要滿足的約束，其中的任何一條規(guī)則不滿足都將直接導(dǎo)致管路布局方案的失敗；優(yōu)化限制標準包括結(jié)構(gòu)簡單規(guī)則、結(jié)構(gòu)緊湊規(guī)則、輔助固定規(guī)則和工程美學(xué)規(guī)則，它們主要從管路的設(shè)計成本、維護方便性和外形美觀程度等方面考慮，在布局設(shè)計時應(yīng)盡量滿足而不具有強制性。

在對布局設(shè)計管路進行評價時，除了將工程約束知識劃分為強限制標準和優(yōu)化限制標準外，還將對各條規(guī)則的限制參數(shù)區(qū)間進行等級劃分，并根據(jù)被評價管路參數(shù)所在區(qū)間對管路進行評分，通過評價分數(shù)可以直接得到布局設(shè)計管路對工程約束知識的整體符合程度。對于強限制標準，本文將該類評價標準下的管路布局設(shè)計工程約束知識的參數(shù)區(qū)間劃分為“Y”與“N”兩個級別，“Y”表示布局管路滿足這一條約束規(guī)則，“N”表示不滿足；對于優(yōu)化限制標準，將其參數(shù)區(qū)間劃分為“A，B，N”三個級別，“A”表示完全滿足該約束，“B”次之，“N”表示不滿足該約束。其中，各評價等級的區(qū)間值可由管路布局人員根據(jù)經(jīng)驗或設(shè)計手冊自行設(shè)定。按式（5）計算管路的評價得分：

式中：Wi為當前規(guī)則所占權(quán)重值；Ri為不考慮權(quán)重情況下，應(yīng)用第i條規(guī)則時管路的實際得分；Ti為不考慮權(quán)重情況下應(yīng)用第i條規(guī)則時管路的理想得分。管路最后的評價得分為考慮權(quán)重情況下應(yīng)用所有規(guī)則時的管路實際得分之和與管路理想得分之和的比值。布局設(shè)計管路的評分流程如圖4所示。

評價過程中，首先將形式化建模的工程約束知識讀入規(guī)則容器；然后逐條應(yīng)用這些知識對管路布局方案進行評價，評價等級為“Y”或“A”表示完全滿足該約束，評價等級為“B”表示管路布局方案并不是最優(yōu)，評價等級為“N”表示不滿足該約束。其中Ri的值可由管路布局設(shè)計人員自行設(shè)定。

3.3 管路布局評價知識庫的構(gòu)建與基于ASP的自動評價算法設(shè)計

復(fù)雜機電產(chǎn)品中的管路繁多且規(guī)格、用途各異，功能不同的管路系統(tǒng)適用的評價標準各不一樣，即使是同一用途的管路，針對具有不同加工能力的工廠，其布局方案的可行性評價標準也有差異。因此，在構(gòu)建布局管路的評價知識庫時，要求該知識庫能便于對管路布局工程約束知識的管理，具體就是要能根據(jù)用戶需求實時方便地對評價知識庫中的工程約束知識進行擴充和修改，而不能采用傳統(tǒng)KBE的設(shè)計方法，將知識以“If…Then…”的語句形式固化在程序代碼中。

構(gòu)建管路布局評價知識庫流程如圖5所示，圖中對知識庫中的每一條工程約束知識都賦予六方面的屬性，分別為：

（1）知識的編號id 評價完成后，對于不滿足工程約束的管路，通過該編號可以直接在知識庫中定位其不滿足的約束內(nèi)容。

（2）知識的類型type 用于指示該條知識是強限制標準或優(yōu)化限制標準。

（3）知識的自然語言描述desp 由于一般人員看不懂經(jīng)過形式化建模的工程約束知識，添加該屬性用于描述知識的詳細信息。

（4）知識包含的計算公式formula 如果知識中包含了計算公式，則用此屬性刻畫其數(shù)學(xué)計算表達式，該表達式將由預(yù)定義的謂詞符號和數(shù)學(xué)四則運算符號構(gòu)成。

（5）知識的選中狀態(tài)selected 在評價實施時，可能并不需要知識庫中的全部知識，因此用一個bool變量來指示該知識是否在評價時處于選中狀態(tài)。

（6）知識的評價級別與參數(shù)區(qū)間劃分range 在管路的評價體系建模時，將知識劃分為不同的評價級別，該屬性描述了知識的各評價級別及其參數(shù)區(qū)間。

基于知識的一階謂詞邏輯表示法，完成管路布局評價知識庫的建模以后，應(yīng)該根據(jù)布局管路的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計管路的自動評價算法，要求該算法能以知識庫中的工程約束知識為依據(jù)，調(diào)用ASP推理機對布局設(shè)計的管路進行自動綜合評價。筆者以課題組自主研發(fā)的虛擬裝配工藝規(guī)劃及其管理系統(tǒng)（Virtual Assembly Process Planning System，VAPP）為驗證平臺，VAPP系統(tǒng)的管路布局模塊采用以通徑為核心的數(shù)字化建模方法，在建模過程中將通徑控制點、導(dǎo)管段、管路接口，以及導(dǎo)管零件、管路附件零件集成在管路系統(tǒng)的通徑模型中，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖6所示。在VAPP 系統(tǒng)中完成布局設(shè)計的管路通徑實體模型如圖7所示，布局設(shè)計管路的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

如圖6所示，用實線連接的通徑控制點、導(dǎo)管段和管路接口是在管路布局中參與管路設(shè)計的元素，用虛線連接的導(dǎo)管零件和管路附件零件是在管路走向與形狀確定后，通過擬合或選擇形成的零件，管路附件零件包括管路系統(tǒng)中的接頭、管嘴、法蘭、三通和四通等。

在VAPP系統(tǒng)中，完成布局設(shè)計的復(fù)雜機電產(chǎn)品的管路系統(tǒng)由若干個管路通徑組成，在同一個管路通徑中，有相同的材料以及傳輸介質(zhì)、工作溫度、工作壓力等參數(shù)，如圖8所示。因此，在設(shè)計管路的自動評價算法時，也以一根通徑為最小評價單元，其中自動評價算法的輸入輸出如圖9所示，對管路的評價流程如圖10所示。

在管路的自動評價算法中，對知識的推理最終由ASP推理機完成，ASP程序由兩部分組成：一部分是對問題的描述，被稱作facts；另一部分是對解題邏輯的描述，被稱作rules。文中管路布局設(shè)計工程約束知識對應(yīng)rules，虛擬環(huán)境下布局設(shè)計的管路數(shù)據(jù)對應(yīng)facts，ASP的求解業(yè)務(wù)流程如圖11所示。

如圖11所示，VAPP系統(tǒng)與基于知識的管路布局自動評價系統(tǒng)之間通過可擴展標記語言（eXtensible Markup Language，XML）文件進行數(shù)據(jù)交換，ASP的求解結(jié)果是一階邏輯謂詞的形式，它將被翻譯解釋成兩部分內(nèi)容，一部分通過XML 文件讀寫接口寫入XML 數(shù)據(jù)文件，該文件可直接上載到VAPP系統(tǒng)，對不滿足工程約束的管路進行定位和高亮顯示；另一部分通過知識翻譯接口，根據(jù)知識的id編號讀取該知識的desp屬性，并將該知識的自然語言描述輸出到評價系統(tǒng)軟件界面，用戶通過該描述就能知道應(yīng)該對布局設(shè)計的管路作何修改。

4 應(yīng)用實例

基于知識的管路布局自動評價系統(tǒng)以課題組自主研發(fā)的VAPP系統(tǒng)為驗證平臺，在VAPP系統(tǒng)中完成布局設(shè)計的某型號發(fā)動機液壓管路系統(tǒng)的軟件界面，如圖12所示。

在對管路布局設(shè)計結(jié)果進行評價前，如需對知識庫中的工程約束知識進行修改，則通過系統(tǒng)的知識管理接口對知識進行編輯。通過知識管理接口，可以實現(xiàn)對知識的增添、修改和刪除等操作，如圖13所示。

完成管路布局設(shè)計數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和知識的編輯后，即可對管路布局設(shè)計結(jié)果進行評價，評價完成后，系統(tǒng)會將評價結(jié)果輸出到軟件界面上，對于工程約束知識的不同評價等級，系統(tǒng)會用不同的顏色標識，如果對某一條工程約束知識的評價結(jié)果為“不滿足”，系統(tǒng)則會以紅色的“N”來表示，當鼠標點擊對應(yīng)的評價等級方格時，系統(tǒng)會輸出該管路的布局設(shè)計缺陷的位置以及對管路的評分，并依據(jù)其不滿足的工程約束知識內(nèi)容提出設(shè)計修改建議，如圖14所示。

最后，將評價結(jié)果文件導(dǎo)入VAPP 系統(tǒng)，通過接口函數(shù)實現(xiàn)對不滿足工程約束管路的定位和高亮顯示，并指導(dǎo)設(shè)計師進行人機交互式的修正，如圖15所示。

5 結(jié)束語

本文深入分析了復(fù)雜機電產(chǎn)品的管路布局設(shè)計流程，基于知識的一階謂詞邏輯表達方式，建立了布局管路的評價知識庫和管路的評價體系，并提出了基于ASP的管路布局自動評價算法，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了管路布局設(shè)計自動評價軟件模塊，實現(xiàn)了基于知識的管路布局自動綜合評價。

該軟件模塊能實現(xiàn)對管路布局工程約束知識的動態(tài)管理，可根據(jù)需求對知識進行擴充和修改。此外，因為該軟件模塊與管路的三維布局設(shè)計平臺之間通過XML文件進行數(shù)據(jù)交換，使得其不依賴于任何管路布局設(shè)計CAD 平臺，所以通用性比較強。從該軟件模塊的輸出結(jié)果中，設(shè)計人員可以清晰地看到管路的布局設(shè)計方案對工程約束的滿足情況。通過數(shù)據(jù)接口將評價結(jié)果導(dǎo)入管路的三維CAD 模型中，可對不滿足工程約束的管路快速定位和高亮顯示，使設(shè)計人員能夠及時對管路布局設(shè)計方案進行人機交互式的修正，為提高管路布局設(shè)計的效率和質(zhì)量提供有效的解決辦法。

由于單一的知識表示方法的局限性，目前主要考慮了定量的布局規(guī)則，對于定性的布管規(guī)則沒有考慮。如何通過定性和模糊性的布局規(guī)則進行知識建模，并將其應(yīng)用到管路的綜合評價中，是后續(xù)研究重點。

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