基于知識(shí)重用的模塊化快速重組方法

黃　康,　陳　祥,　朱曉慧,　夏公川

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥　230009)

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基于知識(shí)重用的模塊化快速重組方法

黃康,陳祥,朱曉慧,夏公川

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥230009)

為了提高模塊化重組的效率,文章提出了一種快速重組方法。該方法分析了能夠描述模塊化重組過(guò)程的知識(shí)組成、知識(shí)表達(dá)形式,從而構(gòu)建知識(shí)庫(kù);利用知識(shí)庫(kù)建立了模塊匹配關(guān)系庫(kù)、模塊關(guān)系鄰接矩陣以及模塊匹配搜索算法,并進(jìn)行重組定位;在模塊知識(shí)庫(kù)和匹配算法的基礎(chǔ)上建立了接口約束向幾何約束轉(zhuǎn)化的流程。以某雷達(dá)典型結(jié)構(gòu)的模塊化重組為例,開(kāi)發(fā)出快速重組系統(tǒng),并驗(yàn)證了該方法的有效性。

知識(shí)重用;模塊化重組;模塊鄰接矩陣;模塊匹配搜索算法;約束轉(zhuǎn)化

模塊化設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)不同模塊的組合實(shí)現(xiàn)了以有限資源生產(chǎn)出盡可能多的產(chǎn)品系列,是一種面向大批量定制和敏捷制造的柔性設(shè)計(jì)方法[1],同時(shí)也是企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)的有效手段[2]。傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方法是依據(jù)功能-結(jié)構(gòu)原理,把產(chǎn)品組成劃分為功能結(jié)構(gòu)不同的各個(gè)模塊,然后把形成的各個(gè)模塊按照一定順序組裝,形成一個(gè)特定的產(chǎn)品系列,所有的產(chǎn)品系列便構(gòu)成了此模塊化產(chǎn)品的產(chǎn)品族[3]。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,一旦客戶需求要求對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品系列進(jìn)行變動(dòng),設(shè)計(jì)者大多會(huì)按照一定的邏輯關(guān)系重復(fù)執(zhí)行設(shè)計(jì)過(guò)程,產(chǎn)生大量重復(fù)性工作,大多數(shù)因效率太低導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)滿足客戶需求。

為了解決這個(gè)問(wèn)題,很多研究者針對(duì)模塊化裝配做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[4]提出了相似性、重用性、整體性的大批量定制基本原理,說(shuō)明了模塊化重組是一種柔性的設(shè)計(jì)方法;文獻(xiàn)[5]以汽車為例研究了模塊化裝配與傳統(tǒng)裝配系統(tǒng)的不同點(diǎn);文獻(xiàn)[6]基于DSM矩陣提出了一種加快模塊化裝配效率的框架結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)[7]針對(duì)模塊化裝配過(guò)程中模塊間的相似性與依賴性進(jìn)行了描述;文獻(xiàn)[8]基于模塊化思想建立了產(chǎn)品的拆卸模型,通過(guò)生成產(chǎn)品的層次網(wǎng)絡(luò)圖介紹產(chǎn)品拆卸序列的生成過(guò)程,可以看作是模塊化重組的逆過(guò)程;文獻(xiàn)[9]對(duì)面向過(guò)程的產(chǎn)品裝配建模進(jìn)行了研究,通過(guò)裝配關(guān)系識(shí)別來(lái)捕捉設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖。

上述研究在一定程度上描述了模塊化裝配與傳統(tǒng)裝配的異同點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)的框架結(jié)構(gòu),但是關(guān)于構(gòu)建模塊間的關(guān)系以及在重組時(shí)快速搜索到匹配雙方的研究較少,所以本文在文獻(xiàn)[10-11]論述的知識(shí)管理在模塊化設(shè)計(jì)中創(chuàng)新應(yīng)用思想的基礎(chǔ)上,提出了一種基于知識(shí)重用的模塊化快速重組方法。

1　整體技術(shù)路線

基于知識(shí)重用實(shí)現(xiàn)模塊化快速重組方法的整體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1　基于知識(shí)重用的模塊化快速重組整體技術(shù)路線

首先,對(duì)描述模塊化重組特性的“接口”概念進(jìn)行定義,并以一個(gè)典型的模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)例來(lái)描述其接口組成。

其次,定義“模塊有向圖”概念及其表達(dá)形式;用fxyz描述一般模塊化產(chǎn)品的組成及其相互關(guān)系,并探討其相關(guān)性質(zhì)。

然后,描述構(gòu)成知識(shí)庫(kù)組成的接口匹配關(guān)系庫(kù),并提出模塊關(guān)系鄰接矩陣的概念來(lái)定量化表示模塊組成及其相互關(guān)系,繼而提出模塊匹配搜索算法,實(shí)現(xiàn)模塊與模塊之間的精確匹配。

在完成模塊間的匹配后,便產(chǎn)生了特定的產(chǎn)品族序列。而要完成各模塊的重組,還需要對(duì)序列中的各個(gè)模塊之間實(shí)現(xiàn)從接口約束到幾何約束的轉(zhuǎn)化,并把幾何約束施加在對(duì)應(yīng)的實(shí)體上。

本文構(gòu)建了上述實(shí)例的接口約束庫(kù),提出了圓截法接口定位的方法,實(shí)現(xiàn)了模塊內(nèi)特定實(shí)體各個(gè)接口的定位,并在此基礎(chǔ)上提出接口約束向幾何約束轉(zhuǎn)化的流程,最終實(shí)現(xiàn)了幾何約束的轉(zhuǎn)化和施加,獲得了帶約束的模塊實(shí)體序列。

2　模塊化產(chǎn)品知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建

2.1接口定義

接口是模塊化產(chǎn)品中各模塊與其他模塊匹配的局部特征,在裝配環(huán)境中表現(xiàn)為零件自身的裝配屬性[12]。

對(duì)于一個(gè)典型的模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),定義接口的關(guān)鍵在于尋找準(zhǔn)確描述模塊間匹配關(guān)系的局部特征。一個(gè)模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)例如圖2所示，其中,接口包括圓孔、圓柱、方孔、方柱、三角孔和三角柱6種形式。

圖2　模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)例

2.2模塊有向圖定義

模塊化產(chǎn)品系列的有向圖如圖3所示。

圖3　模塊有向圖

有向圖定義為:

(1)

其中,V={v1,v2,…,vn}為結(jié)點(diǎn)的非空有限集;E={〈vi,vj〉}為結(jié)點(diǎn)的有序?qū)?表示結(jié)點(diǎn)間的關(guān)系,〈vi,vj〉稱為弧,vi為弧尾,vj為弧頭,注意〈vi,vj〉≠〈vj,vi〉。符合上述定義的圖稱為模塊化產(chǎn)品系列的模塊有向圖。

2.3模塊化產(chǎn)品fxyz組成及性質(zhì)

對(duì)圖3用數(shù)學(xué)模型fxyz來(lái)描述一般模塊化產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)。其中,x為模塊代號(hào);y為實(shí)體代號(hào);z為接口代號(hào);fx為模塊層;fx*y為特定模塊層內(nèi)的實(shí)體;fx*y*z為特定模塊層內(nèi)特定實(shí)體的接口;f為取數(shù)。

為了完整描述模塊化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式,結(jié)合模塊有向圖的定義及fxyz組成,定義2個(gè)描述有向圖中結(jié)點(diǎn)性質(zhì)的fxyz參量為:① itfx*y,特定模塊層內(nèi)實(shí)體的入度,有向圖中為指向結(jié)點(diǎn)的弧數(shù);② otfx*y,特定模塊層內(nèi)實(shí)體的出度,有向圖中為指離結(jié)點(diǎn)的弧數(shù)。

根據(jù)模塊化產(chǎn)品的一般特點(diǎn),得到fxyz的3條性質(zhì)如下:

(3) itfxminy=0,otfxmaxy=0。其含義是最小模塊層實(shí)體的入度為0,最大模塊層實(shí)體的出度為0。

圖2模塊有向圖的f表示如圖4所示。

圖4　模塊有向圖的f表示

根據(jù)(1)式可得:

3　模塊匹配

3.1模塊匹配關(guān)系庫(kù)

模塊匹配關(guān)系庫(kù)中存放的是模塊與模塊之間的接口匹配形式及其代號(hào)。圖2中的6種接口可形成3種接口匹配形式,圓柱孔連接、方柱孔連接、三角柱孔連接的接口匹配代號(hào)分別為1、2、3。

模塊與模塊之間的接口匹配形式采用一種語(yǔ)義描述,其優(yōu)點(diǎn)為:① 傳統(tǒng)幾何元素集成化,模塊與模塊之間匹配的不再是孤立的點(diǎn)線面,而是各類元素的集成,無(wú)需手工拾取,且更易于理解;② 每一種匹配形式均賦予區(qū)別于其他形式的代號(hào),用代號(hào)來(lái)表征匹配形式既能夠把抽象的匹配形式數(shù)字化,便于程序識(shí)別,同時(shí)根據(jù)模塊化產(chǎn)品的不同可無(wú)限制地?cái)U(kuò)充,實(shí)現(xiàn)知識(shí)重用。

3.2模塊關(guān)系鄰接矩陣

模塊關(guān)系鄰接矩陣是用矩陣的形式來(lái)表征一個(gè)具體模塊化產(chǎn)品系列的組成結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系。

對(duì)于一個(gè)確定的模塊化產(chǎn)品系列,采用(1)式對(duì)模塊關(guān)系圖G進(jìn)行描述,若圖G中有n個(gè)結(jié)點(diǎn),則形成n×n的模塊關(guān)系鄰接矩陣。矩陣元素為Aij,若〈vi,vj〉是E中的弧,則Aij=wij,wij為上述3種接口匹配形式對(duì)應(yīng)的接口匹配代號(hào);反之則Aij=0。

對(duì)圖2的模塊化產(chǎn)品系列用模塊有向圖3表示后,其對(duì)應(yīng)的模塊關(guān)系鄰接矩陣為10×10矩陣,即

3.3模塊匹配搜索算法

制定模塊匹配搜索算法的目的是當(dāng)選定一個(gè)特定模塊層的初始實(shí)體fx*y后,能夠通過(guò)算法準(zhǔn)確地匹配出與選定實(shí)體匹配的下一模塊的某一實(shí)體f(x*+1)y。

模塊匹配搜索算法如下:

(3) 搜索滿足Aij=wij的j值,確定下一結(jié)點(diǎn)代號(hào)vj。

(6) 賦予i=j,更新弧尾vi,返回步驟(1)循環(huán)執(zhí)行。

按照上述算法對(duì)圖4的模塊有向圖進(jìn)行模塊匹配搜索。

首先,選定初始實(shí)體f11,賦予vi=f11;然后再選定初始接口為f113;形式為圓孔,則其接口匹配形式為圓柱孔連接,接口匹配代號(hào)為1,wij=1;在A矩陣第1行中搜索滿足A1j=1的j值為4,下一結(jié)點(diǎn)代號(hào)為v4;根據(jù)模塊有向圖的f表示,v4對(duì)應(yīng)f23,從而形成結(jié)點(diǎn)有序?qū)Α磛1,v4〉和實(shí)體有序?qū)Α磃11,f23〉;此次搜索得到j(luò)=4,根據(jù)實(shí)體有序?qū)芍獙?duì)應(yīng)的模塊層x=2,沒(méi)有超過(guò)模塊層的最大值xmax=3;把當(dāng)前得到的結(jié)點(diǎn)有序?qū)Α磛1,v4〉中的弧頭v4作為弧尾,并選定v4對(duì)應(yīng)實(shí)體f23中的方孔作為初始接口,按照上述流程循環(huán)執(zhí)行,最終得到v1→v4→v10的結(jié)點(diǎn)有序列,以及對(duì)應(yīng)的f11→f23→f36的實(shí)體有序列。

最終得到的實(shí)體有序列f11→f23→f36中所包含的實(shí)體組成成分f11、f23、f36以及包含的實(shí)體有序?qū)Α磃11,f23〉、〈f23,f36〉均可以在模塊有向圖f表示中的V(G)和E(G)中找到,由此驗(yàn)證了此模塊匹配搜索算法的正確性。

4　接口約束向幾何約束的轉(zhuǎn)化

4.1接口約束庫(kù)

由于接口是實(shí)體的某一局部特征,或者是某些幾何元素的集合,因此接口約束必然不同于傳統(tǒng)的幾何約束,從本質(zhì)上來(lái)看,接口約束是若干相互關(guān)聯(lián)的幾何約束集,是一種形式化的語(yǔ)義描述。依據(jù)接口定義,圖2中模塊化產(chǎn)品系列模型的接口約束庫(kù)組成見(jiàn)表1所列。

由圖4可知,整個(gè)模塊化產(chǎn)品系列共有9個(gè)接口約束,依照表1得到其接口約束組成,見(jiàn)表2所列。

表2　圖4對(duì)應(yīng)接口約束組成

4.2接口約束向幾何約束的轉(zhuǎn)化

4.2.1圓截法接口定位

對(duì)于一個(gè)特定的模塊有向圖,使用圓截法定位每個(gè)實(shí)體的各個(gè)接口,如圖5所示。

圖5　圓截法接口定位

圓截法是在模塊化產(chǎn)品系列對(duì)應(yīng)的模塊有向圖中,以各個(gè)結(jié)點(diǎn)為圓心、ΔR為半徑畫(huà)圓,在保證該圓不與其他結(jié)點(diǎn)干涉的基礎(chǔ)上,沿逆時(shí)針?lè)较蚺c該結(jié)點(diǎn)的各弧依次相交,從單入度弧開(kāi)始依次標(biāo)記各交點(diǎn),從而定位實(shí)體包含的各個(gè)接口。

對(duì)于該種模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),通過(guò)圓截法確定各弧的弧頭接口代號(hào)均為1,且因?yàn)榈?模塊層入度為0,其接口定位從各出度弧開(kāi)始標(biāo)記。

4.2.2約束轉(zhuǎn)化算法

由表2可知,通過(guò)接口約束庫(kù)的組成,可將一般模塊化產(chǎn)品系列中的接口約束分解為對(duì)應(yīng)的幾何約束集，其分解過(guò)程即接口約束向幾何約束的轉(zhuǎn)化過(guò)程。轉(zhuǎn)化流程如下:

(1) 通過(guò)模塊匹配搜索算法得到一個(gè)特定的實(shí)體有序列f1y1→f2y2→…→fnyn。

(2) 從實(shí)體有序列中從左至右取出每個(gè)弧的弧尾弧頭所對(duì)應(yīng)的實(shí)體fxyx、f(x+1)y(x+1)。

(3) 用圓截法確定fxyx實(shí)體的接口fxyxzx,f(x+1)y(x+1)實(shí)體的接口根據(jù)圓截法接口定位可知為f(x+1)y(x+1)1。

(4) 程序識(shí)別接口fxyxzx的組成Mx以及接口f(x+1)y(x+1)1的組成Mx+1,判斷有序?qū)Α磃xyxzx.Mx,f(x+1)y(x+1)1.Mx+1〉是否屬于表2的組成成分,若屬于則根據(jù)表1中的接口約束形式施加幾何約束,直至〈fxyx,f(x+1)y(x+1)〉有序?qū)χ兴袑儆诒?的約束對(duì)均被施加約束。

(5) 判斷f(x+1)y(x+1)的出度otf(x+1)y(x+1)是否等于0,若不等于0,則弧按照實(shí)體有序?qū)1y1→f2y2→…→fnyn依次前進(jìn),弧頭和弧尾更新,返回步驟(2)循環(huán)執(zhí)行;若等于0,則執(zhí)行結(jié)束,f1y1→f2y2→…→fnyn實(shí)體有序列中的所有幾何約束均被施加,接口約束轉(zhuǎn)化完成。

利用模塊匹配搜索算法得到的實(shí)體有序列f11→f23→f36來(lái)說(shuō)明該約束轉(zhuǎn)化算法。

首先選取第1個(gè)弧所對(duì)應(yīng)的實(shí)體有序?qū)Α磃11,f23〉,用圓截法確定實(shí)體f11的接口為f113,實(shí)體f23的接口為f231;程序搜索屬于表2中〈f11,f23〉的所有組成成分分別為〈f113孔底面,f231柱頂面〉以及有序?qū)Α磃113內(nèi)孔面,f231外柱面〉,根據(jù)表1的接口約束形式對(duì)上述2個(gè)約束對(duì)施加約束;判斷實(shí)體f23的出度otf23=2,因此弧前進(jìn)對(duì)實(shí)體有序?qū)Α磃23,f36〉執(zhí)行上述流程,最后判斷otf36=0,執(zhí)行結(jié)束。上述流程使得f11→f23→f36實(shí)體有序列中的2個(gè)接口約束均全部轉(zhuǎn)化成幾何約束,并施加在了對(duì)應(yīng)的實(shí)體上,驗(yàn)證了上述約束轉(zhuǎn)化算法的正確性。

5　應(yīng)用實(shí)例

以某雷達(dá)典型結(jié)構(gòu)為例,它具有很高的模塊化特性,主要包含匯流盤(pán)(3種)、絕緣環(huán)(3種)、隔離環(huán)(4種)3個(gè)模塊,如圖6所示。

圖6　雷達(dá)典型結(jié)構(gòu)模塊化組成

模塊與模塊之間的連接通過(guò)兩側(cè)的凹凸臺(tái)實(shí)現(xiàn),同時(shí)為了區(qū)別各自的尺寸(2種規(guī)格),定義上述模型的接口有4種,分別為凸臺(tái)R1、凸臺(tái)R2、凹臺(tái)R1、凹臺(tái)R2。模塊有向圖和有向圖的f表示如圖7所示,接口匹配形式為凹凸臺(tái)R1連接和凹凸臺(tái)R2連接,對(duì)應(yīng)的接口匹配代號(hào)分別為1和2。模塊關(guān)系鄰接矩陣為:

圖7　雷達(dá)典型結(jié)構(gòu)模塊有向圖和有向圖的f表示

經(jīng)模塊匹配搜索算法得到的結(jié)點(diǎn)有序列及對(duì)應(yīng)的實(shí)體有序列見(jiàn)表3所列,圓截法接口定位如圖8所示。接口約束組成見(jiàn)表4所列,接口約束庫(kù)組成見(jiàn)表5所列。

表3　結(jié)點(diǎn)有序列及實(shí)體有序列

圖8　圓截法接口定位

實(shí)體有序?qū)涌诩s束組成

表5　接口約束庫(kù)組成

本文采用上述方法,利用Pro/E的Pro/Toolkit二次開(kāi)發(fā)技術(shù)開(kāi)發(fā)了雷達(dá)模塊化快速裝配系統(tǒng)(radar modular rapid assembly system,RMRAS),系統(tǒng)界面如圖9所示,利用該系統(tǒng)完成的幾種模塊化重組模型如圖10所示。

圖9　雷達(dá)模塊化快速裝配系統(tǒng)界面

圖9a表示模塊化設(shè)計(jì)小組連接同一個(gè)局域網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同工作(完成各自的模塊設(shè)計(jì)任務(wù));圖9b表示本文所定義的接口是后續(xù)裝配的前處理工作;圖9c表示從庫(kù)中選擇某一個(gè)已添加的模塊組合任務(wù)執(zhí)行。經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn),通過(guò)該系統(tǒng)完成一個(gè)模塊重組任務(wù)的效率比手工裝配的提高60%以上。

圖10　利用RMRAS系統(tǒng)完成的幾種模塊化重組模型

6　結(jié)　論

本文利用一個(gè)模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)例模型,用模塊有向圖來(lái)表示其組成結(jié)構(gòu),用fxyz表示其各組成成分,從而建立該模塊化產(chǎn)品系列的知識(shí)庫(kù);在知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)上建立了模塊匹配關(guān)系庫(kù)以及模塊關(guān)系鄰接矩陣,并基于此提出了模塊匹配搜索算法,實(shí)現(xiàn)了模塊間的自動(dòng)匹配;采用圓截法對(duì)匹配成功的模塊以及實(shí)體進(jìn)行接口定位,并通過(guò)約束轉(zhuǎn)化算法將接口約束轉(zhuǎn)化成幾何約束,并施加在對(duì)應(yīng)的實(shí)體上,實(shí)現(xiàn)了在知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)上的模塊化快速重組。

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(責(zé)任編輯胡亞敏)

A rapid modular restructuring method based on knowledge reuse

HUANG Kang, CHEN Xiang, ZHU Xiaohui, XIA Gongchuan

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to improve the efficiency of modular restructuring, a rapid restructuring method is proposed. The composition and expression form of knowledge are analyzed to describe the modular restructuring process and to construct the knowledgelib. Then the modular matching relationlib is established through the knowledgelib, and the modular relation adjacency matrix and modular matching search algorithm are constructed, so as to make the restructuring orientation. Finally, the process of the transform from interface constraints to geometric constraints is established based on the modular knowledgelib and matching algorithm. Taking the modular restructuring of a radar typical structure as an example, the rapid restructuring system is developed, and the validity of this method is verified.

knowledge reuse; modular restructuring; modular adjacency matrix; modular matching search algorithm; constraint transform

2015-03-19；

2015-04-25

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012KJZC0789)

黃康(1968-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.004

TP391.7

A

1003-5060(2016)07-0880-07