基于CBR-RBR集成推理的電除塵器智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

陶俊龍，王 勇，包雅媛

（南通職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通226007）

0 引言

電除塵器作為一種高效的除塵設(shè)備，在控制大氣污染方面發(fā)揮了十分重要的作用[1]。其體積龐大、子系統(tǒng)及零部件較多，含有大量的使用頻繁、重復(fù)性高、結(jié)構(gòu)特征相同或相似的零部件。設(shè)計(jì)時(shí)大量的重復(fù)勞動(dòng)占用了設(shè)計(jì)者的寶貴時(shí)間，導(dǎo)致工作強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)效率低，設(shè)計(jì)質(zhì)量難以保證[2-3]。將推理技術(shù)與三維造型軟件結(jié)合，可以有效地利用專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，支持產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)等創(chuàng)造性活動(dòng)，避免或減少設(shè)計(jì)中的重復(fù)勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的快速化和智能化[4]。本文根據(jù)電除塵器設(shè)計(jì)知識(shí)的特點(diǎn)，對(duì)其設(shè)計(jì)過程中的知識(shí)推理方法進(jìn)行了研究，提出了一種CBR與RBR相集成的混合知識(shí)推理方法。將基于實(shí)例推理的實(shí)例檢索流程劃分為三個(gè)層次兩個(gè)階段，同時(shí)對(duì)基于規(guī)則推理的實(shí)例修改過程進(jìn)行了說明，優(yōu)化了實(shí)例檢索的質(zhì)量，提高了實(shí)例修改的自動(dòng)化程度。構(gòu)建了電除塵器智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電除塵器設(shè)計(jì)知識(shí)的重用，有效縮短了電除塵器的設(shè)計(jì)周期。

1 基于RBR與CBR的集成推理機(jī)制

知識(shí)推理是實(shí)現(xiàn)知識(shí)重用的重要手段?；趯?shí)例的推理（Case Based Reasoning，CBR）實(shí)質(zhì)上是對(duì)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或設(shè)計(jì)結(jié)果的再利用，適用于涉及的知識(shí)較多或難于用準(zhǔn)確的理論模型描述的弱理論區(qū)域[5-6]。該方法推理效率較高，知識(shí)獲取比較方便，但對(duì)知識(shí)、信息的完備性要求較高，且缺乏良好的實(shí)例修改機(jī)制。基于規(guī)則的推理（Rule Based Reasoning，RBR）是一種傳統(tǒng)的推理方法，理論上也比較成熟，其核心是基于產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)進(jìn)行問題推理，易于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，但知識(shí)條目增多時(shí)，存在知識(shí)獲取困難、知識(shí)庫難易維護(hù)以及系統(tǒng)性能脆弱等問題?；谝陨戏治?，在電除塵器智能設(shè)計(jì)過程中，為克服單一知識(shí)推理方法在實(shí)際應(yīng)用中的不足，采用基于實(shí)例的推理（CBR）為主、基于規(guī)則的推理（RBR）為輔的集成推理方法，其推理流程如圖1所示。

圖1 基于CBR與RBR的集成推理流程

本系統(tǒng)采用自頂向下的方式對(duì)電除塵器產(chǎn)品進(jìn)行分層檢索，選出最佳實(shí)例后，用戶可通過RBR的方法獲得知識(shí)庫中相關(guān)零部件的修改指導(dǎo)信息，完成實(shí)例的修改及三維模型的建立，并進(jìn)行虛擬裝配、干涉檢驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)仿真以及結(jié)構(gòu)力學(xué)分析等，最終生成二維工程圖以及相關(guān)技術(shù)文檔，同時(shí)將設(shè)計(jì)完成的新產(chǎn)品存儲(chǔ)到各個(gè)實(shí)例庫中，以便于共享和重用。CBR與RBR的結(jié)合充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，推理過程更加符合設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思維，在滿足不同設(shè)計(jì)層次需求的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的推理準(zhǔn)確性和推理效率。

2 基于實(shí)例推理的分層實(shí)例檢索

2.1 實(shí)例檢索

電除塵器設(shè)計(jì)中的實(shí)例檢索實(shí)質(zhì)上是屬性的匹配過程，本文根據(jù)電除塵器的實(shí)例屬性的特點(diǎn)以及層次化的實(shí)例庫結(jié)構(gòu)，采用層次檢索法進(jìn)行實(shí)例檢索，并結(jié)合知識(shí)引導(dǎo)法以及最近鄰法，將實(shí)例的檢索過程分成三個(gè)層次兩個(gè)階段，如圖2所示，以達(dá)到快速準(zhǔn)確地找到最佳匹配實(shí)例的目的。

圖2 電除塵器三層兩階段實(shí)例檢索

根據(jù)檢索對(duì)象不同，檢索被分為產(chǎn)品級(jí)、模塊級(jí)以及零部件實(shí)例檢索，它們的優(yōu)先級(jí)依次降低。檢索開始時(shí)通過特征識(shí)別對(duì)電除塵器設(shè)計(jì)實(shí)例的定性屬性和定量屬性進(jìn)行提??；初步檢索時(shí)根據(jù)知識(shí)引導(dǎo)法利用重要的定性屬性（如材料、熱處理、結(jié)構(gòu)形式等）建立索引，并通過這些索引直接從實(shí)例庫中找出相似實(shí)例，形成實(shí)例子集以縮小檢索范圍；然后采用最近鄰法計(jì)算相似實(shí)例的定量屬性（如尺寸參數(shù)、性能參數(shù)等）與查詢實(shí)例的相似度，找出與查詢實(shí)例最相似的實(shí)例。

2.2 實(shí)例匹配算法

在分析電除塵器各組成部分的結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)電除塵器的模塊層次進(jìn)行劃分，并將電除塵器產(chǎn)品以往成功的設(shè)計(jì)方案、模塊組合、物料清單、裝配路線等知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)以一種結(jié)構(gòu)化的形式進(jìn)行組織，形成了電除塵器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)例庫。

實(shí)例庫中的實(shí)例包括產(chǎn)品級(jí)、模塊級(jí)以及零部件設(shè)計(jì)實(shí)例，均是滿足特定要求的設(shè)計(jì)結(jié)果，采用結(jié)構(gòu)化的表達(dá)形式表示為：

式中，i用于區(qū)分設(shè)計(jì)實(shí)例的類型，i=1時(shí)表示產(chǎn)品級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)例，i=2時(shí)表示模塊級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)例，i=3時(shí)表示零部件設(shè)計(jì)實(shí)例；k表示實(shí)例特征屬性的數(shù)量；m為實(shí)例庫中當(dāng)前實(shí)例的數(shù)量；ai,j,l（l=1，2，…，k）為當(dāng)前實(shí)例的第l個(gè)屬性值，根據(jù)它是否為單值可采用二元向量組或者結(jié)構(gòu)體、類等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行表示。

查詢實(shí)例反映了當(dāng)前用戶的設(shè)計(jì)需求，同理可表示為：

式中，i的取值用于區(qū)分查詢實(shí)例的類型；k表示查詢實(shí)例所包含特征屬性的數(shù)量；ai,0,l（l=1，2，…，k）為查詢實(shí)例Pi,0,k的第l個(gè)屬性值。

為表達(dá)屬性的重要程度添加權(quán)值的概念，權(quán)值越大，該屬性越重要。因此，查詢實(shí)例的屬性可以用一個(gè)三維向量組（Pi,0,lwi,0,lxi,0,l）來表示，其中Pi,0,l為屬性名，wi,0,l為屬性的權(quán)值，xi,0,l為屬性值。在實(shí)際應(yīng)用中權(quán)值的大小很難確定，通常采用主觀和客觀兩種方法進(jìn)行賦值。由于電除塵器設(shè)計(jì)實(shí)例庫中單個(gè)實(shí)例的特征屬性一般不會(huì)超過30個(gè)，本文采用層次分析法（AHP）對(duì)權(quán)重進(jìn)行賦值，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況稍作調(diào)整，但必須滿足實(shí)例各屬性的權(quán)值之和為1.

通過初步檢索得到若干個(gè)候選實(shí)例子集后，采用最近鄰法計(jì)算相似度，查詢實(shí)例Pi,0,l與候選實(shí)例Ci,j,l（l=1，2，…，k）的加權(quán)平均相似度計(jì)算公式為：

式中，Pi,0,k為查詢實(shí)例，Ci,j,k為候選實(shí)例，sim（Pi,0,k，Ci,j,k）為查詢實(shí)例與候選實(shí)例對(duì)應(yīng)屬性的相似度值，可根據(jù)屬性的取值類型選擇不同的計(jì)算方法，wi,0,l為第l個(gè)屬性的權(quán)值。實(shí)例的匹配是通過對(duì)比設(shè)計(jì)實(shí)例與查詢實(shí)例各特征屬性的相似度以及總相似度來實(shí)現(xiàn)，再通過設(shè)定相似度閥值V來衡量實(shí)例的相似程度，最終選取最匹配的實(shí)例。

2.3 實(shí)例檢索算例

以電除塵器收塵極振打系統(tǒng)為例，驗(yàn)證上述多級(jí)匹配檢索算法。側(cè)向撓臂錘式收塵極振打系統(tǒng)主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、振打機(jī)構(gòu)以及支撐系統(tǒng)等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。

圖3 收塵極振打系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 振打錘組件

收塵極振打系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例檢索屬于模塊級(jí)實(shí)例檢索，其實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）根據(jù)振打系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求生成查詢實(shí)例，并根據(jù)層次分析法確定各屬性的權(quán)值，如表1所示。

表1 電除塵器振打系統(tǒng)查詢實(shí)例屬性表

（2）利用基于索引的方法直接從設(shè)計(jì)實(shí)例庫C2,j,k中查找滿足設(shè)計(jì)要求（874 kg≤ F0≤ 966 kg，428 Hz≤f≤473 Hz，即取與振打力峰值和振打頻率相差±5%的范圍進(jìn)行檢索）的振打系統(tǒng)模塊實(shí)例，如表2所示。

表2 電除塵器收塵極振打系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例屬性表

（3）查詢振打系統(tǒng)的振打力峰值、振打頻率及錘頭形式等，可知表2中實(shí)例1、實(shí)例4以及實(shí)例6滿足約束條件“874 kg≤ F0≤ 966 kg，428 Hz≤ f≤473 Hz，錘頭形式為夾板錘”。因此，將這三個(gè)實(shí)例與查詢實(shí)例進(jìn)行多級(jí)相似匹配計(jì)算。

a）按照屬性權(quán)值的大小，選擇權(quán)值最大的屬性“振打力峰值”來進(jìn)行相似匹配計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為：S11=sim（920，950）＝ 0.71，S41=sim（920，930）＝ 0.86 ，S61=sim（920，880）＝ 0.43.根據(jù)設(shè)定的閥值 V ＝ 0.7，去除實(shí)例6，剩下候選實(shí)例1和實(shí)例4；

b）分別計(jì)算實(shí)例1、4與查詢實(shí)例的總相似度，得S1=0.726，S4=0.764；

c）比較總相似度S1、S4的大小，選取總相似度大的實(shí)例4作為最佳匹配實(shí)例。

3 基于規(guī)則推理的實(shí)例修改

通過CBR檢索出的電除塵器設(shè)計(jì)實(shí)例與查詢實(shí)例完全一致的情況比較少，因此還需要以檢索出的相似實(shí)例為藍(lán)本，對(duì)存在差異的地方進(jìn)行修改，以滿足設(shè)計(jì)要求。本文利用“IF-THEN”結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生式規(guī)則來進(jìn)行實(shí)例的修改，具體修改策略如下：

（1）如果檢索出的實(shí)例與查詢實(shí)例完全一致，則直接調(diào)用該實(shí)例，這種情況很少；

（2）如果檢索到的實(shí)例與查詢實(shí)例不完全一致，則不對(duì)檢索出的實(shí)例進(jìn)行整體修改，而是將其分解為若干子實(shí)例，再對(duì)子實(shí)例進(jìn)行檢索和推理，直至完成修改。當(dāng)涉及多條修改規(guī)則時(shí)，按照相關(guān)規(guī)則和約束的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行修改；

（3）如果未能檢索到相似的實(shí)例或相似度低于給定的閾值，則參考類似實(shí)例的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用示例

基于以上理論，本文以某公司研發(fā)的臥板式電除塵器為例，結(jié)合VS2010、SQL Server數(shù)據(jù)庫以及NX Open API等技術(shù)，在NX環(huán)境下開發(fā)出電除塵器智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)用戶的定制要求，交互式完成電除塵器的設(shè)計(jì)，快速生成電除塵器三維數(shù)字化模型。設(shè)計(jì)過程分為兩種模式：整體設(shè)計(jì)以及子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可以很方便地在兩種模式之間切換，設(shè)計(jì)過程比較靈活，如圖5所示。

圖5 電除塵器智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行示例

5 結(jié)語

將電除塵器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能CAD技術(shù)相結(jié)合，提出了一種實(shí)例推理為主、規(guī)則推理為輔的集成知識(shí)推理方法，優(yōu)化了實(shí)例檢索的質(zhì)量，提高了實(shí)例修改的自動(dòng)化程度。在NX平臺(tái)上開發(fā)了電除塵器智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電除塵器設(shè)計(jì)的智能化和自動(dòng)化，有效縮短了設(shè)計(jì)周期，體現(xiàn)了智能化設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。