面向復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的知識重用機制

黃昕龍,吳新江（福建江夏學(xué)院,福州350108）

面向復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的知識重用機制

黃昕龍,吳新江
（福建江夏學(xué)院,福州350108）

針對現(xiàn)有復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的部件間耦合參數(shù)繁多，設(shè)計規(guī)范多，設(shè)計效率低下等問題，探討基于知識的復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)設(shè)計機制，提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計知識的層次表達(dá)模型，構(gòu)建了基于規(guī)則推理和實例推理的復(fù)合推理機制，提高了復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和智能化水平。

復(fù)雜機械；結(jié)構(gòu)設(shè)計；知識表達(dá)；知識重用

1　引言

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)是在機械傳動系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能目標(biāo)，詳細(xì)設(shè)計系統(tǒng)零部件的具體結(jié)構(gòu)。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計一般是從整體粗略設(shè)計到局部詳細(xì)設(shè)計。在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)從系統(tǒng)的層面充分考慮零部件的劃分、各零件間的裝配關(guān)系和零件間結(jié)構(gòu)參數(shù)的耦合關(guān)系。在零部件結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計過程中，不僅應(yīng)詳細(xì)設(shè)計各零部件的材料、形狀、尺寸、公差、表面粗糙度等具體技術(shù)要求，還應(yīng)充分考慮零部件的加工工藝、強度、剛度、精度等性能要求[1]。傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，是在靜力學(xué)與運動學(xué)理論指導(dǎo)下，參考樣機進(jìn)行類比與仿制，以經(jīng)驗公式、圖表、手冊等作為設(shè)計的依據(jù)，憑借著設(shè)計者的經(jīng)驗選擇設(shè)計參數(shù)，再經(jīng)過反復(fù)驗證與修改直至滿足強度、剛度要求。這種方法費工費時，設(shè)計時只能考慮有限的變量，常常忽略了應(yīng)當(dāng)考慮但又受限于條件難以考慮的，重要的，甚至必要的因素，導(dǎo)致最終設(shè)計結(jié)果比較粗略，設(shè)計的產(chǎn)品笨重，效率低下，成本也高，甚至形成“人為”的應(yīng)力集中點，不符合實際動態(tài)情況。近幾十年來，計算機的應(yīng)用給設(shè)計領(lǐng)域帶來了一場革新。特別是CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展及其在機械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用，大大提高了產(chǎn)品設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量[2,3]。但現(xiàn)有設(shè)計方法主要有人工操作設(shè)計軟件實現(xiàn)，而設(shè)計軟件自身缺乏對設(shè)計知識、經(jīng)驗知識等知識的表達(dá)和處理機制，設(shè)計結(jié)果的可靠性依賴于設(shè)計人員的知識水平。基于知識工程的發(fā)展，為實現(xiàn)復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)智能化設(shè)計提供了條件。因此，研究基于知識表達(dá)、處理和重用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計機制，提高設(shè)計過程的自動化和智能化水平，具有重要的理論現(xiàn)實意義。

2　設(shè)計知識模型

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計過程首先受到設(shè)計規(guī)范知識的制約，所有的設(shè)計必須遵循國家、行業(yè)、部門的規(guī)范。在結(jié)構(gòu)的設(shè)計與調(diào)優(yōu)過程中，還應(yīng)充分領(lǐng)用領(lǐng)域知識引導(dǎo)設(shè)計與調(diào)優(yōu)，從而提高設(shè)計效率與優(yōu)化質(zhì)量。專家經(jīng)驗知識是結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必不可少的知識，豐富的專家經(jīng)驗知識引導(dǎo)能夠縮短設(shè)計周期，保證結(jié)構(gòu)的性能。此外，借鑒歷史實例，從成功實例中挖掘吸取精華，充分利用歷史實例知識引導(dǎo)設(shè)計，也是提高設(shè)計效率的有效手段。在設(shè)計方案成形后，還應(yīng)采用強度評價知識、剛度評價知識、外觀評價知識等對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價。若結(jié)構(gòu)滿足評價要求，則設(shè)計過程結(jié)束；否則，應(yīng)重新利用領(lǐng)域知識、設(shè)計規(guī)范知識、專家經(jīng)驗知識等引導(dǎo)設(shè)計過程對設(shè)計方案進(jìn)行修改，直至結(jié)構(gòu)的評價滿足要求。因此，從知識構(gòu)成上，結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的知識包含領(lǐng)域知識、設(shè)計規(guī)范知識、專家經(jīng)驗知識、歷史實例知識、強度評價知識、剛度評價知識、外觀評價知識等。各知識構(gòu)成貫穿整個設(shè)計周期，且在不同的設(shè)計階段，角色不盡相同。

為便于結(jié)構(gòu)設(shè)計知識的表達(dá)、處理和重用，提出復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)設(shè)計知識模型如圖1所示。設(shè)計知識模型包含符號知識、樣本知識和評價知識等3部分。

設(shè)計知識模型的符號知識是指用規(guī)范化的符號語言進(jìn)行描述的知識，主要包括領(lǐng)域知識、設(shè)計規(guī)范知識和專家經(jīng)驗知識。符號知識不僅便于經(jīng)驗的總結(jié)和歸納，也便于計算機實現(xiàn)。符號知識的求解依靠基于規(guī)則推理的求解技術(shù)，這種求解技術(shù)屬于邏輯思維，具有簡單、靈活和易于理解、解釋機制良好、便于實現(xiàn)知識庫和推理機相分離等優(yōu)點，但同時也存在知識的任務(wù)依賴性較強、知識難以維護(hù)、推理耗時長等缺點。

設(shè)計知識模型的樣本知識是對歷史成功樣本的規(guī)范化描述，能夠表達(dá)符號知識難以描述的知識。樣本知識的處理采用基于實例推理的求解機制進(jìn)行求解，推理過程與設(shè)計人員的類比思維過程相吻合，推理效率高，且能實現(xiàn)知識的自動獲取，知識庫創(chuàng)建簡單、快速，維護(hù)方便，能夠彌補基于規(guī)則推理求解機制的不足。

設(shè)計知識模型的評價知識主要包含用于評價結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和邏輯規(guī)則。評價知識用于結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，評價結(jié)構(gòu)的外觀、剛度、強度等性能，主要包含外觀評價知識、剛度求解知識、強度求解知識。通過評價知識的評價，保證結(jié)構(gòu)在具有足夠的剛度、強度的同時，外形美觀。

3　設(shè)計知識重用機制

設(shè)計知識貫穿于整個設(shè)計過程中，設(shè)計知識的處理、重用機制不僅影響著設(shè)計質(zhì)量，也決定了設(shè)計效率。設(shè)計知識模型的樣本知識包含了歷史成功實例，應(yīng)用基于實例推理的處理機制能夠模仿人類專家設(shè)計的類比思維，設(shè)計效率高，因此用于設(shè)計初期快速生成初始設(shè)計方案。設(shè)計知識模型的領(lǐng)域知識、設(shè)計規(guī)范知識、專家經(jīng)驗知識等符號知識處理效率較低，主要用于類比設(shè)計后的結(jié)構(gòu)合理化微調(diào)及類比設(shè)計失敗時的重新設(shè)計。設(shè)計知識模型的評價知識作為評價結(jié)構(gòu)性能的主要手段，實現(xiàn)在結(jié)構(gòu)初始方案設(shè)計完成后對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評價并給出改進(jìn)依據(jù)。評價知識主要為結(jié)構(gòu)強度、剛度評價模型和結(jié)構(gòu)外觀評價模型。其中，剛度、強度主要通過有限元分析方法進(jìn)行計算，外觀采用符號推理的方式實現(xiàn)。

基于上述分析，構(gòu)建復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)設(shè)計知識重用機制如圖2所示。設(shè)計時，設(shè)計人員通過系統(tǒng)人機界面對設(shè)計任務(wù)進(jìn)行描述，將相關(guān)設(shè)計要求傳遞給系統(tǒng)。系統(tǒng)獲取設(shè)計任務(wù)后，首先調(diào)用基于實例推理的推理模塊，在樣本知識庫的基礎(chǔ)上，模擬設(shè)計專家的類比思維，從歷史成功實例中，查找與設(shè)計任務(wù)最匹配的歷史實例。如果查找成功，則基于成功的歷史實例對設(shè)計任務(wù)要求的結(jié)構(gòu)進(jìn)行類比設(shè)計，并在設(shè)計完成后調(diào)用基于規(guī)則推理的模塊，在符號知識庫的基礎(chǔ)上對設(shè)計方案進(jìn)行微調(diào)，是結(jié)構(gòu)更加符合設(shè)計任務(wù)要求，從而生成初始設(shè)計方案。若查找失敗，則在符號知識庫的基礎(chǔ)上調(diào)用基于規(guī)則推理的模型根據(jù)設(shè)計任務(wù)從頭開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，生成初始設(shè)計方案。當(dāng)初始設(shè)計方案生成后，系統(tǒng)調(diào)用結(jié)構(gòu)性能評價模塊，基于評價知識庫對結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度、強度和外觀評價。若評價結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，則輸出設(shè)計方案。若評價結(jié)果不滿足設(shè)計要求，則重新調(diào)用基于規(guī)則推理的符號知識處理機制，對結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行微調(diào)直至結(jié)構(gòu)方案滿足設(shè)計要求。

4　小結(jié)

探討了復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，充分利用領(lǐng)域知識、設(shè)計規(guī)范知識、專家經(jīng)驗知識、歷史實例知識等知識引導(dǎo)設(shè)計方向的必要性，提出了基于符號知識、樣本知識、評價知識的設(shè)計知識模型，并綜合利用基于規(guī)則推理和基于實例推理的機制，構(gòu)建了復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中知識的重用機制，提高了復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和智能化水平。

[1]蔡逸夫．探究機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的創(chuàng)新設(shè)計．科技與企業(yè)，2013，(12)：348,350．

[2]田合強,蘭清群,鄔平波.CAD/CAE技術(shù)在鐵道車輛輪對設(shè)計中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造，2008(04):64-66．

[3]商躍進(jìn),周建明,張海軍.CAD/CAE/CAM技術(shù)在吊桿設(shè)計制造中的應(yīng)用[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2006,25(03):1-4．

[4]殷國富,干靜,胡曉兵等．面向信息時代的機械產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計理論與方法研究進(jìn)展[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版),2006,38(05):38-47．

黃昕龍（1988—），男，福建福州人，碩士研究生，助教，研究方向：數(shù)控技術(shù)。