基于CBR的剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)

基于CBR的剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)

王干,沈景鳳

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海200093)

摘要為在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中給設(shè)計(jì)人員提供更高效的知識(shí)服務(wù),提出了一種基于案例推理的智能設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)基于案例推理的關(guān)鍵技術(shù)研究和系統(tǒng)框架分析,以Visual Studio作為剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)工具,實(shí)現(xiàn)了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的快速生成,提升了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞CBR;剪叉式升降機(jī);智能設(shè)計(jì)

收稿日期:2015-04-13

作者簡(jiǎn)介:王干(1990—),男,碩士研究生。研究方向:CAD/CAE。E-mail:wanggan90@163.com。沈景鳳(1968—),女,副教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向:CAD/CAE。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.12.019

中圖分類號(hào)TP18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

Research on Intelligent Design System Based on CBR for Scissor-lift

WANG Gan,Shen Jingfeng

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractIn order to provide a more efficient knowledge service to the designer in mechanical design,we propose an intelligent design method based on case-based reasoning.The key technology and systems analysis framework for case-based reasoning are presented with Visual Studio as the scissor lift intelligent design system development tool to achieve the rapid generation of new product designs and to enhance the competitiveness of enterprises.

KeywordsCBR;scissor-lift;intelligent design

我國(guó)現(xiàn)階段剪叉式升降機(jī)的設(shè)計(jì),主要是對(duì)已有樣本進(jìn)行簡(jiǎn)單的模仿,升降機(jī)的設(shè)計(jì)缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)知識(shí)積累和管理。但隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈,用戶對(duì)產(chǎn)品交貨周期、產(chǎn)品質(zhì)量和個(gè)性化的要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已不能滿足企業(yè)發(fā)展的要求。如何能快速設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的產(chǎn)品方案是應(yīng)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的有效方式。基于案例的推理(Case-Based Reasoning,CBR)技術(shù)可檢索產(chǎn)品案例庫(kù)中與新設(shè)計(jì)要求相符合或相似的案例,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)。

基于案例的推理CBR是人工智能研究領(lǐng)域中一項(xiàng)重要技術(shù)方法[1]。通過(guò)模擬人類專家的思維方式,構(gòu)造智能設(shè)計(jì)系統(tǒng),利用舊案例來(lái)解決新問(wèn)題,是高效處理相近或類似設(shè)計(jì)問(wèn)題的重要手段。本文在分析了CBR關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)CBR案例推理技術(shù)作了全方位的探索,成功的實(shí)現(xiàn)了剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā),在解決剪叉式升降機(jī)的類似設(shè)計(jì)問(wèn)題方面,具有較好的理論與應(yīng)用價(jià)值。

1CBR關(guān)鍵技術(shù)

案例推理的過(guò)程包括4個(gè)環(huán)節(jié):案例檢索(Retrieve)、案例重用(Reuse)、案例修正(Revise)以及案例學(xué)習(xí)(Retain),這也被稱作“4R”的循環(huán)過(guò)程[2]。案例檢索是指從案例庫(kù)中檢索出最相似案例的過(guò)程。在CBR技術(shù)中案例檢索為關(guān)鍵部分,案例檢索的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品的最終設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求。目前,常用的案例檢索方法主要有最近鄰法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、知識(shí)引導(dǎo)法和歸納索引法等[3]。

最近鄰法在CBR推理機(jī)制中應(yīng)用最為廣泛,其是通過(guò)計(jì)算兩個(gè)對(duì)象在特征空間中的距離來(lái)計(jì)算兩個(gè)案例之間的相似性,比較適合于案例較小的案例庫(kù)[4]。本文中剪叉式升降機(jī)的案例庫(kù)的體積較小,選用最近鄰法對(duì)案例進(jìn)行檢索。過(guò)程如下:

(1)特征權(quán)重確定。權(quán)重大小反映了設(shè)計(jì)特征中各參評(píng)因素的相對(duì)重要程度。案例檢索過(guò)程中,如何確定權(quán)重,直接影響案例檢索的效果。因此,采用IAPH[5](改進(jìn)層次分析法)5標(biāo)度法進(jìn)行特征權(quán)重的確定。

(2)相似度計(jì)算。即將各個(gè)特征的距離與權(quán)重系數(shù)相乘并求和,可獲得當(dāng)前案例與案例 庫(kù)中各案例的總距離。

1) 特征值Di距離計(jì)算。當(dāng)Di連續(xù)時(shí)

(1)

當(dāng)Di離散時(shí)

(2)

2)案例相似度計(jì)算。

(3)

其中,Wi為第一步確定的各特征值權(quán)重,r=1時(shí),Distance(X,Y)為曼哈頓距離;r=2時(shí),Distance(X,Y)為歐幾里得距離。

(3)相似案例輸出。根據(jù)最近鄰算法計(jì)算目標(biāo)案例與案例庫(kù)中各案例之間的距離,對(duì)Distance(X,Y)進(jìn)行排序,輸出一個(gè)或多個(gè)相似案例,相似度越高說(shuō)明匹配的越好,最后設(shè)定閾值?？紤]到本文剪叉式升降機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)際情況,選取的尺寸數(shù)值,若滿足某范圍,即認(rèn)為該尺寸方案可行,有相似案例可參考。因此,規(guī)定相似度高于0.8的案例作為候選相似案例[6]。

2剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以SolidWorks及AutoCAD作為圖形支撐平臺(tái),以SQL Sever作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái),采用ADO技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn),Microsoft Visual Studio作為開發(fā)工具,通過(guò)對(duì)SolidWorks API的函數(shù)功能調(diào)用,實(shí)現(xiàn)了基于CBR的剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)。

圖1為剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)主要由用戶界面層、基礎(chǔ)功能層和技術(shù)支持層3部分組成,其中處于頂層的用戶界面層可實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交流,引導(dǎo)用戶輸入設(shè)計(jì)參數(shù),完成整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程;中間層為基礎(chǔ)功能層,主要包括知識(shí)庫(kù)、CBR推理機(jī)制和設(shè)計(jì)方案輸出3大模塊,其中案例為該層的基礎(chǔ),與案例相關(guān)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)庫(kù)、案例規(guī)則庫(kù)、幾何模型庫(kù)、系統(tǒng)方法集等構(gòu)成剪叉式升降機(jī)的知識(shí)庫(kù),通過(guò)案例檢索模塊和案例管理模塊對(duì)案例庫(kù)進(jìn)行操作,檢索、修正后的案例信息被反饋存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù),并對(duì)幾何模型的參數(shù)驅(qū)動(dòng),自動(dòng)生成三維模型、二維工程圖和設(shè)計(jì)報(bào)告;而處于底層的技術(shù)支持層則為整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建提供技術(shù)支持。

圖1　剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

3基于CBR的剪叉式升降機(jī)設(shè)計(jì)

基于CBR的剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng),通過(guò)對(duì)知識(shí)庫(kù)、案例庫(kù)和模型庫(kù)的結(jié)合,生成 “Smart model”以提供快捷的設(shè)計(jì)解決方案,實(shí)現(xiàn)了剪叉式升降機(jī)設(shè)計(jì)的智能化、自動(dòng)化和集成化。在構(gòu)建剪叉式升降機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過(guò)程中,充分融合設(shè)計(jì)知識(shí),實(shí)現(xiàn)了從系統(tǒng)底層到用戶界面上基于CBR的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)。

3.1剪叉式升降機(jī)設(shè)計(jì)流程

圖2為剪叉式升降機(jī)的設(shè)計(jì)流程,主要分為升降機(jī)方案設(shè)計(jì)和升降機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先獲取、分析用戶需求,然后進(jìn)行剪叉式升降機(jī)的總體方案設(shè)計(jì),方案設(shè)計(jì)流程分為4個(gè)子過(guò)程:分別為方案創(chuàng)造、方案分析、方案評(píng)價(jià)、方案修正。其中方案創(chuàng)造是參考現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品,構(gòu)造出能滿足設(shè)計(jì)需求的初始設(shè)計(jì)方案;方案分析是通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型進(jìn)行剪叉臂的力學(xué)分析和強(qiáng)度計(jì)算,液壓缸推力計(jì)算等系列過(guò)程,揭示當(dāng)前方案的可靠性和經(jīng)濟(jì)性;方案評(píng)價(jià)則是判斷方案分析中計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)是否滿足設(shè)計(jì)的要求,確保設(shè)計(jì)的剪叉式升降機(jī)達(dá)到額定的參數(shù);方案修正則是對(duì)評(píng)價(jià)不滿足設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整修改,并重新進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),直至得到滿足設(shè)計(jì)要求的升降機(jī)總體設(shè)計(jì)方案。其次,進(jìn)行升降機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),參考已給出的總體設(shè)計(jì)方案,確定剪叉式升降機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)及油缸的位置設(shè)計(jì)。最后,從系統(tǒng)的模型庫(kù)中依次選擇符合要求的部件模型,進(jìn)行驅(qū)動(dòng)裝配,在SolidWorks環(huán)境下進(jìn)行自底向上,完成零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。同時(shí)自動(dòng)生成指導(dǎo)剪叉式升降機(jī)生產(chǎn)制造的二維圖紙及相關(guān)設(shè)計(jì)文檔。

圖2　基于CBR的剪叉式升降機(jī)設(shè)計(jì)流程

3.2剪叉式升降機(jī)知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)涉及到大量的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù),合理有效地分類可將復(fù)雜的知識(shí)體系進(jìn)行有效地表達(dá),便于知識(shí)的使用[7]。

本文研究的剪叉式升降機(jī)主要由由平臺(tái)底座、下滑動(dòng)(固定)支撐、上滑動(dòng)(固定)支撐、承載平臺(tái)、液壓系統(tǒng)和電器件5部分構(gòu)成。通過(guò)對(duì)剪叉式升降機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)的收集、整理、歸納成可用于解決問(wèn)題的知識(shí)庫(kù)[8],以一定的形式放置在特定的文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中,供用戶檢索和利用。本系統(tǒng)根據(jù)剪叉式升降機(jī)知識(shí)的特點(diǎn),從知識(shí)域中提煉出模塊化的知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),構(gòu)建如圖3所示的剪叉式升降機(jī)知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)。同時(shí)在實(shí)踐中不斷完善知識(shí)庫(kù)、添加經(jīng)驗(yàn)知識(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)剪叉式升降機(jī)知識(shí)庫(kù)的動(dòng)態(tài)管理。

圖3　剪叉式升降機(jī)知識(shí)框架圖

3.3剪叉式升降機(jī)案例庫(kù)表達(dá)

基于案例推理技術(shù)(CBR)是從以往成功的設(shè)計(jì)案例中檢索到與當(dāng)前問(wèn)題最相近的案例作為新問(wèn)題的初始解。經(jīng)過(guò)對(duì)初始解案例的部分修改,使之滿足設(shè)計(jì)問(wèn)題的要求[9]。

在對(duì)剪叉式升降機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí),以及客戶需求指標(biāo)的歸納分析基礎(chǔ)上,將剪叉式升降機(jī)的特征屬性定為升降機(jī)的長(zhǎng)、寬、高和載荷4種。以這4種特征屬性為標(biāo)準(zhǔn)案例,采用 Case-Solution(Case為已有設(shè)計(jì)案例的記錄,Solution為對(duì)新設(shè)計(jì)案例的輸出)形式描述,建立案例的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:

Case_Number 案例編號(hào),案例的唯一索引

Case_Info Is

Model Length:模型長(zhǎng)度

Model Width:模型寬度

Model Height:模型高度(特指最大上升高度)

Model Weight:模型載重

Solution_info Is

Model DbName:模型數(shù)據(jù)庫(kù)名稱

Model DocName:模型文件名稱

Model DocPath:模型文件路徑

每個(gè)案例通過(guò)唯一案例編號(hào),進(jìn)行案例關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì),與設(shè)計(jì)結(jié)果相關(guān)的三維模型、二維圖紙以及設(shè)計(jì)報(bào)告則作為Solution存儲(chǔ)到特定的數(shù)據(jù)庫(kù)和路徑文件中。作為底層構(gòu)架,統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)基于案例推理(CBR)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)不同類型的知識(shí)的對(duì)應(yīng)案例屬性表示,將規(guī)則歸納提煉為不同標(biāo)準(zhǔn)案例以備調(diào)用,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息與案例庫(kù)的關(guān)聯(lián)和集成[10]。

4工程應(yīng)用

在開始剪叉式升降機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),啟動(dòng)SolidWorks,點(diǎn)擊自定義菜單中的“剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)”插件,進(jìn)入剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用戶參數(shù)設(shè)計(jì)界面,如圖4所示。在頁(yè)面輸入設(shè)計(jì)參數(shù):最大高度H,長(zhǎng)度L,寬度W,承載重量B。然后點(diǎn)擊“案例檢索”按鈕,進(jìn)入案例檢索界面,如圖5所示,點(diǎn)擊“開始檢索”按鈕,系統(tǒng)將對(duì)案例庫(kù)進(jìn)行檢索,并將檢索到的相似案例信息顯示在該頁(yè)面中,用戶可將顯示的案例作為參考,點(diǎn)擊“案例參數(shù)獲取”按鈕,提取最佳相似案例的設(shè)計(jì)參數(shù),點(diǎn)擊“返回”按鈕,重新回到圖4頁(yè)面,進(jìn)行升降機(jī)方案最終設(shè)計(jì),然后依次點(diǎn)擊“開始設(shè)計(jì)”“工程圖”按鈕。即可得到升降機(jī)的三維模型和工程圖設(shè)計(jì)圖紙,實(shí)現(xiàn)智能化快速設(shè)計(jì)。

圖4　剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)頁(yè)面

圖5　案例檢索界面

在實(shí)際進(jìn)行升降機(jī)新案例設(shè)計(jì)時(shí),升降機(jī)所能達(dá)到的最大高度和承載重量通常是設(shè)計(jì)人員優(yōu)先考慮保證的,因此,需初始化各設(shè)計(jì)特征值的相對(duì)優(yōu)先權(quán)重。而對(duì)于其余長(zhǎng)度和寬度兩個(gè)參數(shù)的確定,則是通過(guò)力學(xué)分析,參照已有案例庫(kù)的數(shù)據(jù),以及升降機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用要求,然后對(duì)已產(chǎn)生的二者初始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而最終選定。

表1　不同優(yōu)先權(quán)重后案例設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

表1為對(duì)特征值設(shè)置不同的相對(duì)優(yōu)先權(quán)重后,對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)與已有型號(hào)升降機(jī)參數(shù)對(duì)比。結(jié)果顯示,當(dāng)長(zhǎng)度L和寬度W優(yōu)先時(shí),最主要的高度H和承載重量B二者并不能完全同時(shí)保證,而對(duì)于剩下兩種情況,則滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)從CBR關(guān)鍵技術(shù)、知識(shí)庫(kù)構(gòu)建、案例庫(kù)表達(dá)等方面對(duì)CBR推理機(jī)制的論證,并結(jié)合工程實(shí)踐,開發(fā)了基于案例推理的剪叉式升降機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng),系統(tǒng)大幅縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,尤其為解決類比設(shè)計(jì)類的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]殷文君,郭翔.國(guó)外基于案例推理的應(yīng)急管理研究進(jìn)展[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊,2014(10):68-70.

[2]王海巧,孫蓓蓓.基于實(shí)例推理的數(shù)控刀架快速設(shè)計(jì)方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013(6):1232-1237.

[3]喻桂成,田小娟,徐駿,等.基于改進(jìn)AHP法的大壩安全性模糊綜合評(píng)價(jià)[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2014(4):31-34.

[4]卓廣平,孫靜宇,李鮮花,等.一種基于CBR的個(gè)性化推薦算法[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011(3):151-156.

[5]袁文鐸.基于改進(jìn)k-means的案例檢索優(yōu)化算法[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013(7):1933-1934,1949.

[6]汪思靜.基于CBR的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2014.

[7]胥軍,李剛炎,楊飛,等.剪叉式升降機(jī)舉升機(jī)構(gòu)分析與優(yōu)化[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2013(6):919-922,927.

[8]陳明,胡世德.基于知識(shí)的橋梁參數(shù)化建模[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2011(5):1-9.

[9]徐元浩,殷國(guó)富,許德幫,等.基于CBR的機(jī)床導(dǎo)軌智能設(shè)計(jì)研究[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014(12):177-186.

[10]楊宇,李成華,張國(guó)梁.基于實(shí)例推理的鏟式玉米精密播種機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009(12):51-55.