設(shè)計(jì)知識的可視化定制技術(shù)及應(yīng)用

金博宇，李 凱，武正圓，周秋忠

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159；2.上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術(shù)中心，重慶 401122)

知識工程是一項(xiàng)以“知識”為基礎(chǔ)的、面向工程應(yīng)用的新興技術(shù)，是人工智能技術(shù)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展與延伸，是人工智能與計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAD技術(shù)不斷發(fā)展和融合的結(jié)果[1-2]?；谥R工程的或知識驅(qū)動的產(chǎn)品智能開發(fā)技術(shù)是利用邏輯推理和造型設(shè)計(jì)技術(shù)，將知識工程技術(shù)融合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域，以工程知識驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)決策的智能化與設(shè)計(jì)過程自動化，從而通過知識重用大幅度地提高設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提升制造企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力[3]。

基于知識工程的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)已成為促進(jìn)工程設(shè)計(jì)智能化的重要途徑，其一經(jīng)提出就受到了世界各國政府、研究機(jī)構(gòu)、工業(yè)界的高度重視，投入大量資源對其展開研究，取得了眾多成果。在當(dāng)前工程實(shí)踐中，主要的知識工程解決方案有四種：一是運(yùn)用Excel軟件中的相關(guān)功能來定義設(shè)計(jì)知識并完成數(shù)值計(jì)算[4]；二是在Matlab軟件中編輯設(shè)計(jì)知識，通過編譯得到計(jì)算結(jié)果[5]；三是依靠主流三維建模軟件(如CATIA、UG等)中的知識工程模塊將知識整合到結(jié)構(gòu)模型中[6-7]；四是針對特定產(chǎn)品開發(fā)的專用系統(tǒng)[8]。這些方案在解決知識重用、提高設(shè)計(jì)效率方面起到了一定的作用與效果，但與具有廣泛適用性、完整性、全面性、操作簡易性、低成本的理想解決方案之間還存在一定的差距。

針對當(dāng)前知識工程解決方案存在的不足，本文提出一種以可視化圖框表達(dá)設(shè)計(jì)知識，由用戶定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識，形成設(shè)計(jì)知識流程，經(jīng)過推理形成設(shè)計(jì)參數(shù)的流程定制設(shè)計(jì)技術(shù)。同時(shí)，通過集成三維建模軟件，綜合運(yùn)用其參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)及知識工程相關(guān)功能，形成一套面向知識重用的產(chǎn)品智能化、自動化設(shè)計(jì)解決方案。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識分類及可視化表達(dá)

知識是新產(chǎn)品競爭力的決定性因素。產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識包含設(shè)計(jì)過程中涉及到的所有規(guī)則、信息和經(jīng)驗(yàn)；根據(jù)知識的性質(zhì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識可劃分為描述性知識、判斷性知識、結(jié)構(gòu)性知識、過程性知識、方法性知識和手冊性知識[9]，其分類及其表現(xiàn)形式如圖1所示。

通過對這些不同表現(xiàn)形式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識進(jìn)行分析整理，可總結(jié)歸納出構(gòu)成產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的最基本要素——設(shè)計(jì)知識元。設(shè)計(jì)知識元是組成產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的最基本單元，任何產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識都是由不同設(shè)計(jì)知識元組成[10]。這些最基本的設(shè)計(jì)知識元包括變量賦值、公式計(jì)算、表格查詢、圖形查詢、插值查詢、條件判斷、參數(shù)讀取、模型加載、寫值驅(qū)動等。不同設(shè)計(jì)知識元用不同形式的圖框及其處理邏輯實(shí)現(xiàn)可視化表達(dá)與定義，各類知識元的圖框表達(dá)形式及含義如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)知識元的圖框表達(dá)形式及含義

用圖框表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識，使其以可視化圖形的方式直觀地呈現(xiàn)出來，使得用戶具有良好的視覺感受以及交互體驗(yàn)，可有效減輕使用人員的操作難度，同時(shí)提高知識維護(hù)管理的效率。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程的組織結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程是將圖框表達(dá)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識元按照邏輯順序關(guān)系，用單向線段兩兩連接起來形成一個(gè)整體，作為設(shè)計(jì)知識重用時(shí)知識推理的依據(jù)。根據(jù)流程的具體組織形式，產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程可分為基本結(jié)構(gòu)、嵌套結(jié)構(gòu)和鏈接結(jié)構(gòu)三種。

2.1 基本結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程的基本結(jié)構(gòu)表達(dá)的是不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識元之間的先后邏輯順序關(guān)系，具體又包括順序結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)兩種形式。

順序結(jié)構(gòu)是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程是一個(gè)開環(huán)，任何兩個(gè)設(shè)計(jì)知識元之間不存在回路，是一種最簡單的結(jié)構(gòu)形式。按照各個(gè)知識元的入度與出度數(shù)量，又有一對一、一對多以及多對一這三種結(jié)構(gòu)形式。一對一形式是指相互連接的兩個(gè)知識元都只有一個(gè)入度和一個(gè)出度(如圖2a所示)；一對多形式是指某個(gè)知識元有一個(gè)入度和多個(gè)出度的情況，表示該知識元執(zhí)行完后可同時(shí)啟動后續(xù)幾個(gè)知識元(如圖2b所示)；多對一形式則是指某個(gè)知識元有多個(gè)入度和一個(gè)出度的情景，表示該知識元需要在前繼知識元都執(zhí)行后才能啟用(如圖2c所示)。

圖2 設(shè)計(jì)知識流程的順序形式

循環(huán)結(jié)構(gòu)形式是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程中存在閉環(huán)，即某兩個(gè)設(shè)計(jì)知識元之間存在回路。為了保證流程推理需要，構(gòu)成循環(huán)結(jié)構(gòu)的前提條件是回路中必須存在邏輯或圖框與條件判斷圖框(設(shè)計(jì)知識元)，如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)知識流程的循環(huán)形式

邏輯或圖框不是設(shè)計(jì)知識元，是為保證回路循環(huán)進(jìn)行的銜接裝置，只要其任意一個(gè)前繼設(shè)計(jì)知識元被執(zhí)行，即可跳過該圖框繼續(xù)運(yùn)行后續(xù)設(shè)計(jì)知識元。條件判斷圖框是構(gòu)成回路的必要條件，其代表循環(huán)進(jìn)入與退出的兩個(gè)出度，是循環(huán)進(jìn)入或退出的閘門。

2.2 嵌套結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程的嵌套結(jié)構(gòu)形式是將流程中的一部分設(shè)計(jì)知識元整合到一個(gè)嵌套子框中形成設(shè)計(jì)子流程，并根據(jù)子框內(nèi)外設(shè)計(jì)知識元之間的邏輯順序關(guān)系，將子框融合到主流程中。使用嵌套子框組織設(shè)計(jì)知識流程的形式如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)知識流程的嵌套形式

嵌套子框不是設(shè)計(jì)知識元，其作用是當(dāng)設(shè)計(jì)知識流程過于復(fù)雜時(shí)，通過合理分割將其分解成多個(gè)子流程，實(shí)現(xiàn)模塊化、層次化的流程組織形式。

2.3 鏈接結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程的鏈接結(jié)構(gòu)形式是用鏈接子框?qū)⑼獠恳延歇?dú)立設(shè)計(jì)知識流程整合到當(dāng)前流程中，形成更高層級流程的一種實(shí)現(xiàn)方式。使用鏈接子框組織設(shè)計(jì)知識流程的形式如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)知識流程的鏈接形式

鏈接子框不是設(shè)計(jì)知識元，其作用是將現(xiàn)有的設(shè)計(jì)知識流程嵌套在當(dāng)前流程中，實(shí)現(xiàn)對已有知識的重用，并有效保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識源的唯一性。

3 基于知識的流程定制設(shè)計(jì)系統(tǒng)

知識表達(dá)與知識推理是知識工程的兩大核心問題，任何知識工程解決方案都需建立在一種知識表達(dá)方法及以此為基礎(chǔ)的知識推理機(jī)制之上。本系統(tǒng)采用可視化圖框來組織和呈現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識元，由用戶定制形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程；根據(jù)推理決策機(jī)制，自主規(guī)劃流程的運(yùn)行過程；通過與主流三維CAD軟件系統(tǒng)的集成，將數(shù)量龐大的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)模型知識統(tǒng)一到產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程中，實(shí)現(xiàn)集中管理。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)知識流程定制、設(shè)計(jì)知識流程推理、設(shè)計(jì)知識流程管理、三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，其總體原理如圖6所示。

圖6 基于知識的流程定制設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理

基于知識的流程定制設(shè)計(jì)系統(tǒng)用可視化流程框圖替代腳本語言定義設(shè)計(jì)知識元和設(shè)計(jì)知識流程，更簡單易用。其不僅可定義變量賦值、公式計(jì)算、圖表查詢、規(guī)則判斷等常規(guī)設(shè)計(jì)知識元，還可定義嵌套子流程和外部鏈接流程功能，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的有效組織管理，并定制形成復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程圖，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中反復(fù)、迭代的實(shí)際應(yīng)用需求，具有廣泛的通用性。同時(shí)，可通過定義加載三維參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型、參數(shù)讀取、參數(shù)寫入功能，實(shí)現(xiàn)與三維CAD軟件系統(tǒng)之間的交互，既可直接由推理決策形成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來驅(qū)動三維參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型，也可從三維結(jié)構(gòu)模型中提取相關(guān)屬性數(shù)據(jù)參與設(shè)計(jì)計(jì)算，從而達(dá)到產(chǎn)品及零部件結(jié)構(gòu)模型的快速參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 離合器設(shè)計(jì)應(yīng)用

離合器是通過接合與分離實(shí)現(xiàn)動力傳遞的裝置，而膜片彈簧離合器因其諸多優(yōu)點(diǎn)在各類車型中得到了廣泛應(yīng)用，并正朝著標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的方向發(fā)展。因此，在新款膜片彈簧離合器的設(shè)計(jì)過程中，融合利用知識工程與參數(shù)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)離合器設(shè)計(jì)知識的重用，從而達(dá)到快速設(shè)計(jì)十分必要。

膜片彈簧離合器的主要結(jié)構(gòu)包括從動盤總成與蓋總成。從動盤總成由摩擦片、從動片、從動盤轂、減振彈簧、阻尼片、減振器盤等主要零件組成；蓋總成由膜片彈簧、壓盤、支承環(huán)、蓋等主要零件構(gòu)成。膜片彈簧離合器設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求計(jì)算、校核，確定摩擦片、減振彈簧、從動盤轂、阻尼片、膜片彈簧、鉚釘?shù)戎饕慵某叽鐢?shù)據(jù)，其它零件尺寸可以此為依據(jù)按結(jié)構(gòu)關(guān)系確定。

通過查閱汽車工程設(shè)計(jì)手冊、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊等資料，整理出膜片彈簧離合器設(shè)計(jì)知識及流程，并根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)與關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)的有關(guān)方法，在CATIA軟件中建立整個(gè)離合器參數(shù)化模型。采用各類設(shè)計(jì)知識元及其圖框，綜合運(yùn)用嵌套子框和鏈接圖框，將膜片彈簧離合器的設(shè)計(jì)知識及流程定制到本系統(tǒng)中，并通過加載模型、寫入?yún)?shù)圖框?qū)⒛て瑥椈蓞?shù)化模型集成到流程中，形成了多層次可視化的完整設(shè)計(jì)知識流程(如圖7a)；以此定制流程為依據(jù)進(jìn)行推理，按運(yùn)行順序?qū)⒂脩艏夹g(shù)要求(見表2)以交互方式賦予相關(guān)變量，得到膜片彈簧離合器的主要尺寸計(jì)算數(shù)據(jù)(見表2)；最終通過加載模型、寫入?yún)?shù)圖框，將計(jì)算數(shù)據(jù)寫入?yún)?shù)化模型，驅(qū)動后生成新的摩擦片設(shè)計(jì)實(shí)例(如圖7b)，完成快速設(shè)計(jì)。

表2 設(shè)計(jì)中的相關(guān)數(shù)據(jù)

圖7 設(shè)計(jì)實(shí)例

5 結(jié)束語

采用可視化圖框直觀表達(dá)和呈現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識元，由用戶定制形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識流程，從而在可視化狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的重用及維護(hù)，降低了使用難度；運(yùn)用推理決策機(jī)制，自主規(guī)劃設(shè)計(jì)知識流程的運(yùn)行過程，在與用戶交互過程中完成產(chǎn)品數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程；通過集成三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將計(jì)算數(shù)據(jù)直接寫入三維參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型中，從而驅(qū)動生成新的設(shè)計(jì)實(shí)例。根據(jù)此思想開發(fā)的基于知識的流程定制設(shè)計(jì)系統(tǒng)為解決知識重用、提高設(shè)計(jì)效率、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的自動化與智能化提供了一種完整的解決方案。