基于實(shí)例推理的水泵設(shè)計(jì)

江靈玲 姜巧巧 王柳云

摘 要：近些年來，隨著我國綜合國力與科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)亦取得了較大的進(jìn)步。由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不能完成全部的設(shè)計(jì)工作任務(wù)，因此研究基于實(shí)例推理的設(shè)計(jì)理論具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。文章簡要介紹了基于實(shí)例的推理與設(shè)計(jì)相關(guān)理論，闡述了實(shí)例檢索理論的相關(guān)內(nèi)容，重點(diǎn)分析了基于實(shí)例推理的水泵設(shè)計(jì)過程，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)例的改寫與保存方法做了簡要的說明。

關(guān)鍵詞：實(shí)例推理；檢索理論；水泵設(shè)計(jì)；改寫保存

引言

根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品不同的性能需求和物理約束條件，結(jié)合工程領(lǐng)域中特定的知識(shí)并參考創(chuàng)新性的要求來進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，是一種嶄新的設(shè)計(jì)理念。機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法主要有三種，即常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)、創(chuàng)新機(jī)械設(shè)計(jì)和變型機(jī)械設(shè)計(jì)。常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)是依據(jù)理論和經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，而創(chuàng)新機(jī)械設(shè)計(jì)則是突破常規(guī)的理論與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。變型機(jī)械設(shè)計(jì)方法的主體思想是在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)需求，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，其與上述兩種從頭至尾的設(shè)計(jì)方式相比具有明顯的優(yōu)越性，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了普遍應(yīng)用。水泵某些部分的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高，運(yùn)用傳統(tǒng)基于規(guī)則與模型的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行水泵設(shè)計(jì)的工作難度很大，而使用基于實(shí)例推理的設(shè)計(jì)方法可以高質(zhì)量地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。因此，研究并發(fā)展基于實(shí)例推理的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于實(shí)例的推理與設(shè)計(jì)相關(guān)理論

1.1 實(shí)例推理與設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

實(shí)例推理簡稱CBR（Case-based reasoning），是一種基于記憶進(jìn)行推理的認(rèn)知行為，其心理學(xué)基礎(chǔ)為情景與記憶等相關(guān)理論。簡單來說，就是依靠過去有記憶的實(shí)例指導(dǎo)新的設(shè)計(jì)，是一種具有類比性質(zhì)的設(shè)計(jì)方法。實(shí)例推理的關(guān)鍵在于依靠過去的實(shí)例與相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，利用以往的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行推理與設(shè)計(jì)，如此便極大地減少了設(shè)計(jì)過程的工作量，提高了設(shè)計(jì)效率。

1.2 實(shí)例推理設(shè)計(jì)的過程

基于實(shí)例推理的設(shè)計(jì)方法的主要組成部分是實(shí)例庫的組成、實(shí)例的檢索、實(shí)例設(shè)計(jì)修正和存儲(chǔ)，其設(shè)計(jì)過程較為簡單，具體的過程為：（1）用關(guān)鍵字標(biāo)記當(dāng)前問題的主要特征；（2）在已有實(shí)例中檢索符合條件的實(shí)例；（3）根據(jù)新需求，調(diào)整過去實(shí)例的設(shè)計(jì)方案；（4）判定其所提出的設(shè)計(jì)方案是否合格，若合格則將其引入實(shí)例庫，若否則查找相關(guān)原因；（5）修改設(shè)計(jì)方案；（6）驗(yàn)證修改后的設(shè)計(jì)方案是否滿足要求；（7）如合格，則將該實(shí)例存入設(shè)計(jì)實(shí)例庫中，以備引用與查詢。

2 實(shí)例檢索理論

2.1 實(shí)例檢索的定義

實(shí)例檢索是基于實(shí)例推理設(shè)計(jì)過程中的重要組成部分。在設(shè)計(jì)中遇見相關(guān)問題時(shí)，依據(jù)檢索信息在實(shí)例庫中查找并選擇與設(shè)計(jì)問題類似的實(shí)例的過程稱為實(shí)例檢索。實(shí)例檢索是基于實(shí)例推理設(shè)計(jì)的重要影響因素，其直接關(guān)系到CBR設(shè)計(jì)過程效率的高低。通常來說，實(shí)例指派索引與檢索是實(shí)例檢索的兩個(gè)重要過程。

2.2 指派索引與檢索

指定特定的用于檢索的設(shè)計(jì)需求信息被稱為指派索引，其最終目的是為了獲得接近設(shè)計(jì)要求的實(shí)例。通常情況下，判斷索引實(shí)例的是否合格，需要考慮其設(shè)計(jì)推理的難易程度、是否全面體現(xiàn)實(shí)例特征、是否體現(xiàn)了實(shí)例的特殊要求和可修改性四個(gè)方面的因素。索引的實(shí)現(xiàn)方式主要是人機(jī)交互與編程。常用的索引方法包括基于清單和差異索引、基于解釋方法的索引和引導(dǎo)學(xué)習(xí)法索引等。

檢索是依靠實(shí)例索引在實(shí)例庫中匹配選擇幾個(gè)相似實(shí)例的過程。其依靠實(shí)例索引和實(shí)例的具體組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行相似實(shí)例的選擇，最近鄰檢索、歸納檢索與知識(shí)引導(dǎo)檢索法是目前較為常用的檢索方法。最近鄰檢索法的核心是在實(shí)例庫中選擇出與設(shè)計(jì)實(shí)例距離最近的實(shí)例；歸納法是對(duì)目標(biāo)實(shí)例的特征進(jìn)行總結(jié)歸納，將其作為索引的特征進(jìn)行檢索；知識(shí)導(dǎo)引檢索的關(guān)鍵點(diǎn)在于依靠知識(shí)經(jīng)驗(yàn)確定主要的索引特征進(jìn)行檢索。

3 水泵設(shè)計(jì)實(shí)例分析

3.1 水泵設(shè)計(jì)中的主要問題

水泵設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是根據(jù)給定的流量、最大轉(zhuǎn)速、最大揚(yáng)程和效率等參數(shù)，并且結(jié)合特定的工作條件要求確定水泵的未知幾何參數(shù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以通過理論計(jì)算得出部分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，但是無法得出全部數(shù)據(jù)，其他參數(shù)需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。因此，設(shè)計(jì)人員采用基于實(shí)例的設(shè)計(jì)方法，即基于以往的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行水泵的設(shè)計(jì)工作，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 水泵設(shè)計(jì)實(shí)例分析

根據(jù)水泵的流量、最大轉(zhuǎn)速、最大揚(yáng)程和效率等基本參數(shù)，結(jié)合水泵的性能曲線，計(jì)算水泵設(shè)計(jì)中的重要數(shù)據(jù)，如葉輪尺寸、軸功率和比轉(zhuǎn)數(shù)等。由于篇幅有限，文章以葉輪出口直徑的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析，表1給出了不同實(shí)例與設(shè)計(jì)目標(biāo)的主要參數(shù)。

表1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)例的主要參數(shù)

（1）確定語義距離值

（2）根據(jù)模糊相識(shí)優(yōu)先比矩陣進(jìn)行排序

（3）設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)（2）步驟中的方法對(duì)水泵的其他參數(shù)進(jìn)行分析，可以得到出口直接的相似程度排序?yàn)門2={A3 A1 A3}，效率的相似程度排序?yàn)門3={A1 A2 A3}，比轉(zhuǎn)數(shù)的相似程度排序?yàn)門4={A1 A3 A2}。

綜上可知，A1的相關(guān)數(shù)據(jù)與目標(biāo)設(shè)計(jì)條件的相似程度最高，應(yīng)該基于A1的相關(guān)數(shù)據(jù)指導(dǎo)進(jìn)行水泵的設(shè)計(jì)工作。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例的改寫與保存方法

設(shè)計(jì)實(shí)例的改寫是基于實(shí)例推理設(shè)計(jì)工作中的重要環(huán)節(jié)。改寫的一般步驟為：評(píng)價(jià)目標(biāo)實(shí)例與檢索實(shí)例的不同點(diǎn)；根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)確定具體的差異變量與元素；根據(jù)相關(guān)要求修改此類變量與元素；評(píng)價(jià)改寫的最終結(jié)果，若不合格重復(fù)上述過程至合格為止。得出符合條件的實(shí)例后必須進(jìn)行保存操作，實(shí)際情況中合格實(shí)例的保存有三種情況：替換新實(shí)例保存、不替換與舊實(shí)例并列保存、新實(shí)例與原來舊實(shí)例進(jìn)行合并后保存。

5 結(jié)束語

利用基于實(shí)例推理的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行水泵的設(shè)計(jì)，可以得出依數(shù)值計(jì)算無法得出的參數(shù)數(shù)值，為設(shè)計(jì)工作開辟了一條嶄新的道路。依據(jù)以往具體的設(shè)計(jì)實(shí)例來解決水泵設(shè)計(jì)過程中遇到的問題，可以明顯提高設(shè)計(jì)工作者的設(shè)計(jì)效率。實(shí)例的檢索是基于實(shí)例推理設(shè)計(jì)工作中的重要組成部分，最近鄰檢索法、歸納檢索法和知識(shí)引導(dǎo)檢索法是三種較為常用的檢索方法。實(shí)例的改寫亦是基于實(shí)例推理設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作，其中可能涉及到重復(fù)改寫的過程。實(shí)例的保存工作的目的是便于后期的實(shí)例查找?；趯?shí)例推理設(shè)計(jì)方法的計(jì)算過程工作量較大，其過程也有一定的繁瑣性，仍然需要在今后的實(shí)踐中不斷改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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