基于本體的拖拉機變速器系統(tǒng)設計知識表示研究

陸鳳祥，石小龍，李春燕

(1.江蘇悅達智能農(nóng)業(yè)裝備有限公司，江蘇 鹽城 224007)(2.鹽城工學院汽車工程學院，江蘇 鹽城 224051)(3.鹽城工學院機械工程學院，江蘇 鹽城 224051)

拖拉機是農(nóng)業(yè)機械化中重要的動力機械。它與拖帶的農(nóng)機具配合，用途廣泛，可以用于耕地、播種和收割等田間作業(yè),又可用于開溝、推土和運輸作業(yè),還可以用于脫粒等其他農(nóng)產(chǎn)品的加工作業(yè)。變速器是拖拉機傳動系統(tǒng)的主要組成部分，同時也是拖拉機設計中新工藝采用最多的部分，其作用是擴大發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化范圍，以適應不同的行駛條件，并且讓發(fā)動機在最優(yōu)工況下(功率較高、油耗較低)工作[1]。變速器的設計過程對它的質(zhì)量、成本和壽命起著決定性的作用，尤其是設計方法的優(yōu)劣直接影響著變速器產(chǎn)品的質(zhì)量、研制周期和成本。目前，在變速器系列產(chǎn)品的設計過程中，主要存在著重復工作量大、開發(fā)周期較長等問題，導致變速器產(chǎn)品更新速度滿足不了市場快速發(fā)展的需求。

知識表示是知識獲取的基礎，也是知識庫構建的依據(jù)，是實現(xiàn)智能化設計最關鍵的技術。由于拖拉機變速器結構復雜，除一般機械設計知識外，其自身特點也較多，單一的知識表示方法已經(jīng)滿足不了復雜的智能化設計系統(tǒng)的需求。因此，在歸納和總結變速器設計知識和經(jīng)驗的基礎上，采用合理的知識表示方法，對于提高變速器的設計效率和質(zhì)量具有重要的意義。

1 常用知識表示方法

知識表示就是將人類在認知客觀世界時產(chǎn)生的知識用計算機能夠識別的語言表示出來[2]。不同的知識表示方法，直接影響后續(xù)的知識處理。隨著對于知識表示研究的不斷深入，在智能設計系統(tǒng)中，常見的知識表示方法有面向?qū)ο蟊硎痉āa(chǎn)生式表示法、語義網(wǎng)絡表示法、框架表示法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡表示法、謂詞邏輯表示法以及基于本體的知識表示法[3]。各表示方法的優(yōu)缺點見表1。

表1 常用知識表示方法的優(yōu)缺點

當單一的知識表示方法滿足不了復雜的智能化設計系統(tǒng)的需求時，可以把幾種知識表示方法混合起來使用，以此增強知識表示能力。本文在對變速器設計知識的特點進行歸納總結的基礎上，形成一種以本體知識表示為主，其他表示方法為輔的知識表示框架，實現(xiàn)對變速器各類知識有效的表達和管理。

2 拖拉機變速器的知識表示

2.1 變速器的知識特點

拖拉機變速器結構復雜，除一般機械設計知識外，其自身特點也較多。主要特點如下：

1)知識的模糊性。設計數(shù)據(jù)的模糊性，如關鍵零部件的應力要求、傳動比的分配等。

2)知識的耦合性。變速器零部件的裝配及運動協(xié)調(diào)等關系主要體現(xiàn)為設計變量間的關系。

3)知識的層次性。產(chǎn)品與零部件以及結構相似的零部件的關系。

4)知識的復雜性。由于仿真約束的前提較多，得到的知識差異也較大。

2.2 本體的介紹

本體論(ontology)是一種對客觀存在的事物及其關系的描述[4]。它最早是哲學里的一個概念，其關注的是“存在”，所以哲學上的本體論是對任何領域內(nèi)真實存在的東西的客觀描述。20世紀80年代以來，本體論被廣泛地運用于計算機領域，特別是在人工智能(AI)和知識工程領域得到長足發(fā)展。本體利用獨立于應用的表示方法從不同層次模式上描述不同詞匯之間的相互關系，實現(xiàn)不同系統(tǒng)間知識的重用?？梢钥闯霰倔w可以更清楚地表達知識結構，提高知識利用率。

隨著對知識表示不斷深入的研究，出現(xiàn)了諸多知識表示方法，但一種知識表示方法通常情況下只能表達特定類別的知識，對于類型和領域比較復雜的情況往往通用性很差。變速器的領域知識類型繁雜、結構多變，包括了設計手冊、專家經(jīng)驗和工程圖庫等。在對變速器知識進行總結和劃分的基礎上，結合各知識表示方法的特點，采用以本體表示方法為主、其他表示方法為輔的混合式知識表示方法。本文采用分類法，總結出5類基本建模元語[5]：

1)類(classes)或者概念(concepts)，它表示對象的集合；

2)屬性(properties)，它描述的是概念的性質(zhì)；

3)關系(relations)，它表示概念之間的關聯(lián)；

4)函數(shù)(functions)，它表示第n個元素由第(n-1)個元素唯一決定；

5)實例(instances)，它表示某個概念類的具體實體。

形式化的表示為Ot={C,P,R,F,I}。

從語義上講，知識基本關系有4種：1)part-of表示概念間部分和整體的關系；2)kind-of表示概念間繼承關系；3)instance-of表示概念實例與概念間的關系；4)attribute-of表示某個概念是其他概念的屬性。

針對變速器知識的特點，本文采用組合式知識表示方法對變速器設計知識進行表示，這樣有助于知識表示的有效性和全面性。采用面向?qū)ο蟊硎痉ū硎緦傩灶愔R，這樣可以發(fā)揮它唯一性的優(yōu)勢；采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法表示規(guī)則類的知識，可以提高知識表示的邏輯推理能力。

2.3 變速器本體構建過程

領域本體是用來描述特定領域內(nèi)的概念及各概念之間關系的。目前構建領域本體的難點在于提取概念間的關系并且正確全面地表達出來。構建領域本體和基于知識建模是并行的過程，它是在分析設計知識領域后，對設計知識進行建模的過程。

在實際工程應用中，出現(xiàn)了幾種構建本體的方法，如斯坦福大學研發(fā)的七步法、愛丁堡大學人工智能研究所研發(fā)的骨架法、評價法和馬德里理工大學人工智能實驗室研發(fā)的Methontology法[6]。骨架法側(cè)重于本體開發(fā)的指導方針，而較少描述細節(jié)；七步法詳細描述了構建步驟，加上Protégé的支持，大大提高了效率，但七步法對前期知識的收集和分析表述卻不夠詳細。

變速器本體的構建指的是整理和歸納相關類、屬性、關系、函數(shù)和實例，并將它們存儲在計算機之中的過程。具體的構建流程如圖1所示。

變速器本體的構建過程如下：分析變速器設計領域知識，把相關變速器的重要術語一一列舉出來，定義相關概念的分類和層次，利用自頂向下的方法建立變速器設計領域本體概念的分類層次，且形成概念本體樹，如圖2所示；對概念及關系進行函數(shù)關系的確定。變速器被看作是由多個個體本體組成的，其中的個體，如概念或函數(shù)的關系都是穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，建立之后一般不需要修改。本體構建結束后，找出有待完善的地方，引入新的知識，并按照之前的流程進行修改與完善。

圖1 變速器本體構建流程

圖2 變速器概念本體樹

3 基于本體的變速器系統(tǒng)知識表示實例

3.1 本體描述語言OWL

本體的描述語言主要分為傳統(tǒng)的描述語言和基于Web的描述語言。而隨著Web技術的快速發(fā)展，基于Web的本體描述語言已經(jīng)成為本體研究領域的熱點。本文采用Web本體語言OWL對拖拉機變速器進行知識表示。

OWL語言是一種國際通用的本體描述語言，是以描述邏輯為理論基礎的語言系統(tǒng)。它在原有的語言基礎上添加了大量的語言元語，從而能更好地描述和構建本體語言。OWL語言的可擴充能力極強，在表達能力上比RDF、XML、DAML+OIL等本體語言更強。

3.2 基于OWL的軸用彈性擋圈設計知識表示

在充分挖掘產(chǎn)品中包含的設計知識及經(jīng)驗知識的基礎上，把知識按照概念、屬性、關系、函數(shù)及實例進行分類，采用基于本體的混合式知識表示方法對上述知識進行表示，從而提高知識表示的全面性、靈活性。以標準件GB/T894.1—1986 A型軸用彈性擋圈為例，采用混合式表示方法進行表示。部分代碼如下，代碼說明軸用彈性擋圈屬于擋圈一類，材料為65Mn或者60Si2MnA，此變速器選用的軸徑d0介于40與55之間，此外還給出了軸用彈性擋圈厚度s和上端圓面距離b與軸徑d0之間的關系。

40

55

If d0 less 48 and greater Then 40 Then

1.5

Else

2

If d0 less 48 and greater Then 40 Then

0.5

Else

5.48

4 基于本體的混合式知識表示系統(tǒng)開發(fā)實例

本系統(tǒng)在產(chǎn)品的數(shù)字化模型方面，采用NX作為參數(shù)化設計平臺；在產(chǎn)品管理及數(shù)據(jù)管理之間的集成方面，使用Microsoft SQL Server作為數(shù)據(jù)管理基礎；在二次開發(fā)方面，采用NX Open API等技術，同時在結合本文提出的混合式知識表示方法的基礎上，開發(fā)出拖拉機變速器智能化設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)能根據(jù)客戶特定的定制需求，自動完成通用部件的選擇及專用件的設計，然后快速生成客戶需要的變速器系統(tǒng)三維數(shù)字化模型，實現(xiàn)設計過程的智能化。

以A型軸用彈性擋圈為例，用戶根據(jù)需要，確定擋圈的類型，輸入軸徑d0,并且選擇相關的材料，最后點擊應用，系統(tǒng)會根據(jù)設計庫中存儲的設計標準、材料屬性等推理出彈性擋圈的結構設計圖及相關的三維參數(shù)化模型，圖3和圖4分別是彈性擋圈的設計界面和生成的參數(shù)化模型。

5 結束語

在對拖拉機變速器設計知識充分研究的基礎上，利用混合式知識表示方法對拖拉機變速器設計知識進行表示，使得知識表達更加簡潔、有效和全面。最后將這種方法運用到變速器設計系統(tǒng)中來，

較好地實現(xiàn)了知識的表示和推理，大大減少了設計中人工干預的過程，減少了很多重復勞動，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計的知識化與智能化，對其他復雜產(chǎn)品的設計具有參考意義。

圖3 彈性擋圈設計界面 圖4 彈性擋圈參數(shù)化模型

參考文獻：

[1] 張文春.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[2] 彭穎紅,胡潔.KBE技術及其在產(chǎn)品設計中的應用[M].上海:上海交通大學出版社,2007.

[3] 張科杰,袁國華,彭穎紅.知識表示及其在機械工程設計中的應用探討[J]. 機械設計,2008,14(3)：417-424.

[4] 王生發(fā),顧建新,郭劍鋒,等.面向?qū)嵗评淼漠a(chǎn)品設計本體建模研究及應用[J].機械工程學報,2007,43(3)：112-117.

[5] 徐保祥,葉培華.知識表示方法的研究[J].情報科學，2007,25(5)：690-694.

[6] 朱文博,李愛平,劉雪梅.基于本體的沖壓工藝知識表示方法研究[J].中國機械工程,2006,17(6):616-620.