柔性化案例知識(shí)處理方法*

□ 王 成 □ 許建新 □ 喬安杰

1.西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 西安 710077 2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 西安 710072

1 研究背景

案例是表示問(wèn)題情境的模式,涵蓋對(duì)已發(fā)生問(wèn)題的表述及其解決方案?；诎咐耐评硎侵R(shí)基系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展最快的分支之一,也是人工智能發(fā)展較為成熟的一個(gè)分支[1]?；诎咐耐评硪褟V泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)、規(guī)劃、決策、分類(lèi)、評(píng)估等場(chǎng)景[2]。特別是在制造工程領(lǐng)域,有很多問(wèn)題需要沿用基于案例的推理方法進(jìn)行解決[3]。

基于案例的推理的思想與人類(lèi)處理問(wèn)題的方式類(lèi)似,目前仍是解決工程問(wèn)題的常用手段,因此對(duì)基于案例的推理進(jìn)行研究,仍具有重要的工程價(jià)值。

目前,對(duì)基于案例的推理進(jìn)行研究,重點(diǎn)分為案例的知識(shí)表示、檢索、調(diào)整、修改、學(xué)習(xí)等方面[4-5]。筆者著重對(duì)案例知識(shí)處理方法進(jìn)行研究,即案例的知識(shí)表示及其推理過(guò)程。原則上,常用的知識(shí)表示方法均可以作為案例知識(shí)表示的方法[6]。目前常用的案例知識(shí)表示方法有框架表示法[7]、面向?qū)ο蟊硎痉╗8]、本體表示法[9]等?，F(xiàn)有研究普遍根據(jù)求解問(wèn)題的特點(diǎn),吸收各種知識(shí)表示方法的優(yōu)點(diǎn),進(jìn)而形成新的知識(shí)表示方法。王寧等[10]研究了共性可擴(kuò)展的應(yīng)急知識(shí)元體系,結(jié)合情景劃分提出了應(yīng)急管理案例情景化表示方法,滿足了情景-應(yīng)對(duì)模式案例推理的需要。于峰等[11]基于基因模型構(gòu)建多級(jí)案例結(jié)構(gòu),形成了可應(yīng)對(duì)復(fù)雜突發(fā)事件情境-情景結(jié)構(gòu)的案例表示模型,增強(qiáng)了案例結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性表達(dá)。Mehla等[12]提出了一種新的層次化語(yǔ)義知識(shí)表示模型,用于表示案例結(jié)構(gòu),這一結(jié)構(gòu)將增強(qiáng)基于案例的推理的知識(shí)密集程度。在案例推理方面,學(xué)者們提出了很多有效的方法,用于提升案例的推理性能?？悼〗艿萚13]提出了一種基于最小二乘支持向量機(jī)模型的自適應(yīng)遺傳算法,用于優(yōu)化案例推理性能,大大提升了檢索精度,實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)目標(biāo)案例匹配。Low等[14]提出了一種針對(duì)不完整數(shù)據(jù)庫(kù)的多重檢索案例推理框架,為相似案例提供了統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的準(zhǔn)確排名,增強(qiáng)了案例推理的可靠性。Xu等[15]提出了一種融入最近鄰和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的智能案例推理方法,在檢索出的相似案例中建立高斯過(guò)程回歸模型,用于確定最優(yōu)案例,以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)品表面粗糙度和殘余應(yīng)力。從上述研究可以看出,案例推理過(guò)程在很大程度上受案例表示形式的影響,多數(shù)案例推理研究主要集中在求解問(wèn)題與目標(biāo)案例的匹配計(jì)算方面,將其它推理方法融合至案例推理中,并且已取得了成果。對(duì)于案例與案例之間內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系和重新組織的研究,則少有涉及。由此可見(jiàn),當(dāng)前案例的知識(shí)表示方法及其推理方法在深度和廣度層面有很大的提升,但解決問(wèn)題的能力還局限在案例內(nèi)部自身的表達(dá)和處理,無(wú)法發(fā)揮群體案例之間的關(guān)聯(lián)組織能力,在解決單一問(wèn)題方面可以起到積極作用,面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題或復(fù)合性問(wèn)題時(shí)則具有一定的局限性。

工程實(shí)際應(yīng)用中面對(duì)的問(wèn)題往往比較復(fù)雜,單一或固定案例求解方法已無(wú)法滿足實(shí)際問(wèn)題的求解需要,迫切需要一種柔性化的案例處理方法。為了挖掘群體案例的潛在價(jià)值,使案例的處理能力更加廣泛和柔性化,筆者提出了一種柔性化案例知識(shí)處理方法。這一方法采用不變部分+可變部分+可選部分+規(guī)則的組合框架來(lái)增強(qiáng)案例知識(shí)的處理能力,采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組織方式來(lái)表達(dá)案例內(nèi)部數(shù)據(jù)及案例與案例之間的層次關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了案例的結(jié)構(gòu)化組織和完整性表示。最后,以某企業(yè)民機(jī)典型零件的機(jī)加工工藝為例,驗(yàn)證了這一方法的可行性。

2 擴(kuò)展的案例知識(shí)表示

經(jīng)典的案例一般表示為三元組,即案例::=<問(wèn)題描述,方案描述,效果描述>。問(wèn)題描述指對(duì)求解的問(wèn)題及周?chē)澜缁颦h(huán)境的所有特征的描述,方案描述指對(duì)問(wèn)題求解方案的描述,效果描述指描述解決方案后產(chǎn)生的效果。隨著求解問(wèn)題的復(fù)雜化,三元組結(jié)構(gòu)已無(wú)法滿足知識(shí)表示的需要。因此,在三元組的基礎(chǔ)上,擴(kuò)展案例知識(shí)表示結(jié)構(gòu),提出四元組案例表示結(jié)構(gòu),形式為C::=〈B,S,R,P〉。C為擴(kuò)展的案例。B為案例的基本信息,包括案例標(biāo)志、案例名稱(chēng)、關(guān)鍵詞、摘要等。S為被選擇的規(guī)則集,S={r1,r2,...,ri,...,rm},是一個(gè)由m條規(guī)則組成的非空有限集合,ri是根據(jù)案例特征屬性進(jìn)行匹配的第i條規(guī)則,由條件、條件匹配閾值結(jié)論組成。條件由特征屬性、操作符、值域、權(quán)重組成,定義見(jiàn)表1。條件匹配閾值是執(zhí)行規(guī)則所要滿足的基本條件。結(jié)論真值用TRUE表示,假值用FALSE表示。規(guī)則采用IF-THEN方式表示,規(guī)則符號(hào)定義見(jiàn)表2。Kr為修訂的規(guī)則集,Kr={K1,K2,...,Ki,...,Kn},是一個(gè)由n條規(guī)則組成的非空有限集合。Ki的具體定義同ri,區(qū)別在于結(jié)論采用內(nèi)部變量的方式進(jìn)行參數(shù)化變量賦值,結(jié)論屬性定義見(jiàn)表3。P為實(shí)例,P={O,R},是一個(gè)由對(duì)象和關(guān)系組成的層次化、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集。Ο={O1,O2,...,Oi,...,Oy},表示由y組對(duì)象實(shí)例組成的集合,Oi表示第i組對(duì)象實(shí)例。R={R1,R2,...,Ri,...,Ry-1},表示由y-1組關(guān)系實(shí)例組成的集合。Ri=f(Oi,Oi+1),表示任意相鄰兩組對(duì)象實(shí)例滿足映射函數(shù)f的關(guān)系實(shí)例。采用結(jié)構(gòu)化方式對(duì)實(shí)例內(nèi)容進(jìn)行表達(dá),有助于數(shù)據(jù)的組織和利用。P由不變部分和可變部分組成,實(shí)例形式化表示如圖1所示。其中,不變部分以靜態(tài)數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行表示,可變部分以動(dòng)態(tài)參數(shù)化的形式進(jìn)行表示。

▲圖1 實(shí)例形式化表示

表1 條件屬性定義

從以上分析可以看出,經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的案例雖然適用性有了一定提升,但是仍然存在以下不足:① 僅能針對(duì)一些簡(jiǎn)單的問(wèn)題進(jìn)行求解;② 每一個(gè)案例的適用范圍比較窄;③ 案例結(jié)構(gòu)固定,靈活性不高。為彌補(bǔ)這些不足,在四元組案例表示結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步擴(kuò)展形成新的知識(shí)表示方式,即柔性化案例知識(shí)表示。

表2 規(guī)則符號(hào)定義

表3 結(jié)論屬性定義

3 柔性化案例知識(shí)表示

柔性化案例由一個(gè)二元組結(jié)構(gòu)進(jìn)行表示,形式為FC::=〈Cx,Rc〉。FC為柔性化案例集,Cx為第x個(gè)擴(kuò)展案例,Rc為案例之間的關(guān)系。由此可見(jiàn),柔性化案例是由多個(gè)擴(kuò)展案例組成的有層次的數(shù)據(jù)集。柔性化案例知識(shí)表示結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如上所述,柔性化案例建立在擴(kuò)展案例的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)擴(kuò)展案例的進(jìn)一步組織而形成,采用不變部分+可變部分+可選部分+規(guī)則的組合框架來(lái)應(yīng)對(duì)求解問(wèn)題的復(fù)雜變化。不變部分+可變部分形成了案例的主體信息,通過(guò)已知對(duì)象問(wèn)題特性要求及選用條件規(guī)則進(jìn)行案例選擇,得到能夠處理問(wèn)題特性要求的最佳案例。可選部分作為當(dāng)前主案例的補(bǔ)充內(nèi)容進(jìn)行有條件選用,選用方式與主案例的選用方式相同。從案例可以根據(jù)求解的需要進(jìn)行若干層組織。

▲圖2 柔性化案例知識(shí)表示結(jié)構(gòu)

4 柔性化案例推理過(guò)程

工程知識(shí)往往以案例的形式存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)中,需要解決新的工程問(wèn)題時(shí),根據(jù)新問(wèn)題的特性要求、主案例、從案例進(jìn)行優(yōu)選匹配,并對(duì)已選擇主案例或從案例的可變部分通過(guò)規(guī)則進(jìn)行參數(shù)化自動(dòng)修訂,最后得到解決方案。柔性化案例推理過(guò)程如圖3所示。

▲圖3 柔性化案例推理過(guò)程

步驟①為主案例選擇。獲取目標(biāo)對(duì)象特征信息,基于決策規(guī)則實(shí)現(xiàn)主案例與目標(biāo)對(duì)象特征信息的匹配度計(jì)算,并按照從高到低進(jìn)行排序。根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行篩選,如果在已篩選的序列中存在案例,那么選擇最優(yōu)匹配度案例,復(fù)制案例包含的實(shí)例信息,否則主案例選擇不成功,轉(zhuǎn)至步驟④。

步驟②為參數(shù)化修訂。復(fù)制的實(shí)例信息中包含兩部分內(nèi)容,即不變部分和可變部分。對(duì)可變部分進(jìn)行基于決策過(guò)程的參數(shù)化修訂,實(shí)例中含有參數(shù)的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)實(shí)際值替換。

步驟③為從案例選擇。檢查當(dāng)前案例是否包含從案例,如果不包含從案例,那么轉(zhuǎn)至步驟④。如果包含從案例,那么在從案例中基于決策規(guī)則實(shí)現(xiàn)從案例匹配度計(jì)算,然后篩選出大于設(shè)定閾值的從案例集,循環(huán)復(fù)制從案例包含的實(shí)例信息。每進(jìn)行一次復(fù)制后,執(zhí)行一次步驟②。

步驟④為程序結(jié)束。

5 實(shí)例驗(yàn)證

針對(duì)多品種變批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)件工藝編制周期長(zhǎng)、內(nèi)容復(fù)雜多變等問(wèn)題,采用筆者提出的柔性化案例知識(shí)處理方法進(jìn)行解決。以某企業(yè)民機(jī)典型零件的機(jī)加工工藝為例,驗(yàn)證筆者所提方法的可行性。首先,根據(jù)柔性化案例知識(shí)表示方法創(chuàng)建案例,并形成案例庫(kù),包括主案例和從案例。然后,執(zhí)行柔性化案例推理過(guò)程,生成最佳工藝方案。

根據(jù)柔性化案例知識(shí)表示方法進(jìn)行主案例和從案例的構(gòu)建。主案例的構(gòu)建形式如圖4所示,從案例的構(gòu)建形式如圖5所示。從圖4、圖5中可以看出,主案例和從案例均由所在層級(jí)、基本信息、選用規(guī)則、修訂規(guī)則及結(jié)構(gòu)化實(shí)例組成,通過(guò)所在層級(jí)實(shí)現(xiàn)主案例和從案例的組合。

屬性屬性值層級(jí)主案例標(biāo)識(shí)STP01名稱(chēng)結(jié)構(gòu)件典型工藝案例摘要按照規(guī)則進(jìn)行結(jié)構(gòu)件工藝的選用和修訂關(guān)鍵詞結(jié)構(gòu)件,合金鋼,特種工藝選用規(guī)則r1:IF 產(chǎn)品型號(hào) == 民機(jī)XXX AND 零件類(lèi)型 == 結(jié)構(gòu)件 AND 材料類(lèi)型 == 合金鋼AND 熱處理 == 常規(guī) AND 材料牌號(hào) in {4130,4330M} AND 表面處理 in {鉻酸陽(yáng)極化,鍍鎘}AND 特種檢驗(yàn) in {磁粉檢測(cè),熒光檢查} AND 毛坯類(lèi)型 == 鍛件THEN TRUE修訂規(guī)則變量定義:KV_SL,KV_SW,KV_HTL,KV_HTU,KV_S_SteelStrength,KV_S_PlatingThickness變量賦值:KV_SL=零件.毛坯長(zhǎng)度;KV_SW=零件.毛坯寬度;KV_HTL=220;KV_HTU=240;KV_S_SteelStrength =150;KV_S_PlatingThickness =0.02結(jié)構(gòu)化實(shí)例工序號(hào)工序名稱(chēng)工序類(lèi)型工序說(shuō)明1下料輔助工序下料尺寸按KV_SL×KV_SW要求。2領(lǐng)料輔助工序按BAC 5617標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。3機(jī)加工機(jī)加工序按MO01號(hào)數(shù)控程序執(zhí)行。4熱處理熱處理工序熱處理至KV_HTL～KV_HTU ksi。5硬度檢查特種工序按BAC 5617標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。6檢驗(yàn)檢驗(yàn)工序按BAC 5617標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行脫碳控制。7機(jī)加工機(jī)加工序按MO02號(hào)數(shù)控程序執(zhí)行。8中間檢查檢驗(yàn)工序按圖紙要求進(jìn)行尺寸和表面性能檢查。9消除應(yīng)力熱處理工序按AMS-QQ-P-416標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。10電鍍鎘表面處理工序按圖紙要求進(jìn)行精孔或局部區(qū)域保護(hù)。11電鍍鎘檢查檢驗(yàn)工序按企業(yè)電鍍鎘檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。12鍍鎘鈍化表面處理工序按企業(yè)鍍鎘鈍化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。13鍍鎘鈍化檢查檢驗(yàn)工序按企業(yè)鍍鎘鈍化檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。14涂底漆輔助工序按圖紙要求進(jìn)行精孔或局部區(qū)域保護(hù)。15底漆檢查檢驗(yàn)工序按企業(yè)底漆檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。16涂面漆輔助工序按圖紙要求選擇面漆顏色進(jìn)行精孔或局部區(qū)域保護(hù)。17面漆檢查檢驗(yàn)工序按企業(yè)面漆檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。18標(biāo)記輔助工序按企業(yè)標(biāo)記標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。19成品檢驗(yàn)檢驗(yàn)工序按圖紙要求進(jìn)行尺寸和性能檢驗(yàn)。20保護(hù)輔助工序按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。▲圖4 主案例構(gòu)建形式

屬性屬性值層級(jí)從案例標(biāo)識(shí)MPITO名稱(chēng)磁粉檢查典型工序案例摘要按規(guī)則進(jìn)行磁粉檢查工序的選用和修訂關(guān)鍵詞磁粉檢查選用規(guī)則r1:IF Operation.name exclude “電鍍” AND Operation.name include “機(jī)加”THEN TRUEr2:IF Operation.name include “電鍍” AND KV_S_SteelStrength <=160THEN INSERTr3:IF Operation.name include “電鍍” AND KV_S_SteelStrength >160AND KV_S_PlatingThickness <=0.0203THENADDr4:IF Operation.name include “電鍍” AND KV_S_SteelStrength >160AND KV_S_PlatingThickness >0.0203 AND KV_S_PlatingThickness <=0.127THEN INSERT,ADDr5:IF Operation.name include “電鍍” AND KV_S_SteelStrength >160AND KV_S_PlatingThickness >0.127THEN INSERT修訂規(guī)則NULL結(jié)構(gòu)化實(shí)例工序名稱(chēng)工序類(lèi)型工序說(shuō)明磁粉檢查特種工序 按BAC 5424標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行磁粉檢測(cè)?！鴪D5 從案例構(gòu)建形式

根據(jù)零件基礎(chǔ)信息,通過(guò)調(diào)用柔性化案例推理過(guò)程,在案例庫(kù)中匹配出最優(yōu)的主案例和從案例,并進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和處理,形成完整的工藝方案。基于柔性化案例推理的工藝方案實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖6所示。

▲圖6 基于柔性化案例推理的工藝方案實(shí)現(xiàn)過(guò)程

6 結(jié)束語(yǔ)

為了應(yīng)對(duì)工程問(wèn)題復(fù)雜多變的求解需求,筆者提出了一種柔性化案例知識(shí)處理方法。這一方法采用不變部分+可變部分+可選部分+規(guī)則的組合框架對(duì)傳統(tǒng)案例進(jìn)行了擴(kuò)展,充分發(fā)揮群體案例的再造價(jià)值,采用結(jié)構(gòu)化、層次化的方式有效組織案例內(nèi)部數(shù)據(jù)及案例與案例之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,拓寬了知識(shí)求解范圍,提高了案例知識(shí)處理能力。根據(jù)柔性化案例知識(shí)表示方法,構(gòu)建了案例庫(kù)。通過(guò)企業(yè)真實(shí)的工藝快速生成過(guò)程,驗(yàn)證了柔性化案例知識(shí)處理方法的可行性。

后續(xù)可從兩個(gè)方面進(jìn)行拓展:對(duì)選用規(guī)則進(jìn)行深入研究,不斷對(duì)規(guī)則適用范圍進(jìn)行擴(kuò)展,使規(guī)則滿足精準(zhǔn)、快速的匹配需求;在不變部分+可變部分+可選部分+規(guī)則組合框架的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有知識(shí)表示方法,研究案例實(shí)例的多樣化表示方法。