基于實例推理的高速動車組總體方案設計

張海柱，黎 榮，鄒益勝，閻開印，丁國富

（西南交通大學 機械工程學院，成都 610031）

0 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展和成熟車型型號的增多，為使高速動車組滿足多樣化需求，滿足不同地理環(huán)境條件、線路條件、供電條件、信號條件以及旅客個性化需求等，如何運用既有成熟的高速動車組設計經驗和實例知識，形成一套快速響市場變化和個性化需求的高速動車組設計方法成為一個發(fā)展方向。

以知識工程的觀點而言，高速動車組總體設計是一個沿襲已有動車組平臺對設計知識的重用、繼承、創(chuàng)新、集成和管理的復雜設計過程。在傳統(tǒng)的車輛總體設計領域中[1～3]，很多關鍵設計參數(shù)的確定原理復雜，很大程度上依賴經驗的積累，要不斷去調整方案，每一次的調整都要重新計算、仿真、分析、評審，影響設計質量和效率，研發(fā)周期又受到快速市場響應的制約，并且動車組總體方案設計知識種類繁多，設計知識結構化程度差，分散性大，因此缺乏對已有車輛設計實例知識的表達和重用技術的研究，使得車輛總體設計難以提高設計效率及結果的可靠性?；趯嵗评恚–ase Based Reasoning，CBR）是采用過去求解類似問題的成功經驗和實例來獲取當前設計問題的一種類比推理模式[4]，該技術可以充分的利用和組織現(xiàn)有動車組設計實例知識，并且有效的應用到新實例設計中。

因此將基于實例推理的設計思想引入到動車組的總體方案設計中。本文提出基于實例推理的動車組總體方案設計的實現(xiàn)方法，首先對動車組總體方案設計實例知識進行表達，形成動車組總體方案設計實例庫，然后結合層次分析法與基于最鄰近的相似度計算方法來檢索相似實例，在選取相似實例的基礎上進行修改重用，并開發(fā)相應的用戶界面，提高總體方案設計的可視性，最后以某型動車組總體方案設計為例驗證該方法。

圖1 動車組總體方案設計內容及流程

1 動車組總體方案設計

總體方案設計是新產品設計的首要核心環(huán)節(jié)，動車組總體技術方案內容包括主要運用條件、主要技術參數(shù)、總體與關鍵子系統(tǒng)模塊的技術方案等。總體方案設計任務是確定動車組的編組方式、平面布局、結構型式、牽引與制動性能、主要參數(shù)和各組成部件的設計要求等[5]。動車組總體方案設計內容及流程如圖1所示。

2 設計實例知識表示

動車組總體方案設計實例的表示應包括問題描述和解決方案兩部分，問題描述是動車組主要運用條件的集合，即是設計要求的結構化組織；解決方案是在滿足運用條件下所獲得的主要技術參數(shù)和總體方案設計結果的集合，即設計結果的結構化組織。

設計實例知識表示關鍵在于實例屬性主要特征的提取。動車組總體方案設計需對運行環(huán)境和路網條件進行適應性設計，也要滿足設計速度、列車長度、舒適性等結構和性能，除此之外還要滿足旅客功能需求。因此以環(huán)境、路網、性能、結構、功能需求特性作為設計實例表示問題描述的屬性，解決方案部分主要包括動車組總體設計的組成方式、結構型式、平斷面布局和主要參數(shù)等屬性。因此以環(huán)境、路網、性能、結構、功能、方案設計六種特性來描述實例的屬性內容如表1所示。其中，環(huán)境主要描述動車組對運行的自然環(huán)境適應性包括溫度、海拔等；路網主要描述動車組運行的系統(tǒng)環(huán)境適應性包括站臺、軌距、供電條件、通信信號等；性能主要描述動車組運輸能力、安全性、舒適性等；結構主要描述動車組列車及車輛等尺寸參數(shù)等；功能主要描述動車組旅客界面及特殊需求等；方案設計主要描述動車組主要技術參數(shù)及組成方式等。

表1 動車組總體方案設計中的實例屬性

續(xù)(表1)

因此，動車組總體方案設計實例知識可以形式化描述為：

其中，i表示動車組總體設計方案實例庫中的實例編號；j表示問題描述部分屬性的個數(shù)；k表示解決方案部分屬性的個數(shù)。

3 基于實例推理的動車組總體方案設計流程

利用基于實例的推理技術，在已有的相似設計實例的基礎上做適應性變型設計，避免了從最初開始設計，減少重復工作，提高設計效率。基于CBR的動車組總體方案設計主要任務是：分析用戶需求，識別出設計參數(shù)和評價參數(shù)，采用相似度計算來匹配檢索相似實例，得到初步的動車組總體設計方案，然后對設計參數(shù)完全匹配的方案進行評價，依據評價結果，有滿足設計指標要求的實例則直接重用并輸出該方案，若不滿足設計指標要求則提取相似方案實例進行修改直至滿足設計指標要求，若方案的設計參數(shù)不完全匹配，則輸出最相似動車組總體方案設計實例進行方案修改，最后通過評審輸出最終方案并作為新的實例存儲于方案實例庫中?；趯嵗评淼膭榆嚱M總體方案設計流程如圖2所示。

3.1 實例檢索

實例檢索的關鍵在于屬性權重的確定和實例相似度的計算。本文首先運用基于指數(shù)標度的層次分析法來確定動車組總體方案設計實例中屬性的權重，然后采用基于最鄰近的相似度計算方法，來檢索相似動車組總體方案設計實例。

圖2 基于實例推理的動車組總體方案設計流程

1）屬性權重

采用基于指數(shù)標度bn的層次分析法[6]。首先，確定比例標度，其中n=0～8，b=1.316，從而確定判斷矩陣標度如表2所示。

表2 判斷矩陣標度

然后，構造判斷矩陣。利用指數(shù)標度通式計算動車組總體方案設計實例中屬性i和屬性j的重要性之比為bijn，并利用互反性原則，即判斷矩陣中的元素bijn與bjin互為倒數(shù)。對方案設計實例屬性分別進行兩兩比較，最終得到判斷矩陣K=（bij）mxm，m為參與權重計算屬性的個數(shù)。求出判斷矩陣的最大特征值λmax，并進行隨機一致性檢驗，若滿足一致性要求則進行屬性權重計算，否則調整判斷矩陣直到滿足為止。

最后，提取最大特征值λmax所對應的特征向量并歸一化，即得到參與權重計算屬性的權重系數(shù)ωi。

2）相似度計算

本文采用在CBR系統(tǒng)中應用最為廣泛的最鄰近法來進行動車組總體方案設計實例的檢索，實例整體相似度與屬性的數(shù)量和局部相似度大小密切相關。通過海明距離[7]來度量實例屬性的相似性，則新目標方案（caseobj）與已有實例方案（casei）之間的相似度計算公式為：

式中：d為新實例中屬性數(shù)量，l為已有實例屬性數(shù)量，m為二者用來做相似性度量的屬性數(shù)量。sim（aij，aobjj），dist（aij，aobjj）分別為aij與aobjj的相似度值和距離，ωj為第j（j=1，2，…，m）個實例屬性的權重。

3.2 實例的重用

根據實例檢索相似度計算結果，當sim（caseobj，casei）=1時，表示目標動車組總體方案實例與最相似實例完全匹配，則形成初步方案，評價滿足設計要求該方案實例可以直接完全重用。當0＜sim（caseobj，casei）＜1時，表示目標動車組總體方案實例與最相似實例不完全匹配，則該方案實例可以部分重用，對不滿足的部分進行修改調整直到通過評審滿足目標方案的設計要求。

實例包含了大部分的事實性知識、規(guī)則性知識和實例性知識，實例修改即重用實例知識的過程[8]，對于動車組總體方案設計實例的修改調整方式主要是根據設計要求對方案實例進行設計參數(shù)的修改和零部件的替換調整形成新實例或基于設計經驗規(guī)則驅動進行適應性修改等方式。

4 應用實例

本文以某型動車組總體方案設計（稱為目標實例）為例，首先在動車組總體方案問題描述部分選取幾個主要運用條件包括速度等級（a9）、最大軸重（a11）、加速度（a12）、定員（a24），并利用上述權重計算方法得到各屬性權重。然后根據此動車組設計需求，從動車組總體方案實例庫中檢索相似實例，推斷動車組總體設計方案。實例庫中的典型動車組總體方案實例參照文獻[9]進行歸納整理出case1、case2、case3、case4四個實例。應用本文提出的基于CBR方法求解，開發(fā)的用戶界面如圖3所示。

按照相似度從大到小進行排序sim（caseobj，case4）＞sim（caseobj，case3）＞ sim（caseobj，case1）＞sim（caseobj，case2），從計算結果可知，推理出case4為最相似實例，將作為參考方案，與實際項目中該動車組總體方案設計的技術基礎方案實例一致。根據case4實例的方案設計和目標動車組方案設計用戶需求中的環(huán)境、線路、功能、性能、結構需求可以得到目標動車組的初始方案，對初始方案中不滿足需求的部分進行修改調整，速度等級、旅客界面等根據運用特點進行適應性調整，車體結構、轉向架、制動、空調等系統(tǒng)結構和參數(shù)進行相應優(yōu)化，修改后通過評審直到滿足目標方案的設計需求，確定為最終方案。

圖3 基于實例推理的動車組總體方案設計用戶界面

5 結束語

對于高速動車組總體方案設計，將基于實例推理思想引入到動車組總體方案設計領域，提出一種基于CBR的動車組總體方案設計方法。在分析高速動車組總體方案設計內容的基礎上，提出基于CBR的高速動車組總體方案設計流程，為動車組的總體方案設計研究提供了新的思路，有助于克服當前設計效率不高的問題，并實現(xiàn)設計實例知識和經驗的重用。但該方法還存在著一定的不足，如在實例相似度計算方法和實例的重用設計方面還需深入研究。

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