汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)

    當(dāng)前，機(jī)械方案設(shè)計(jì)主要采取形態(tài)學(xué)矩陣法、鍵合法、專(zhuān)家系統(tǒng)3種方法。形態(tài)學(xué)矩陣法及鍵合法主要從功能角度對(duì)方案進(jìn)行組合分析，然后將組合好的方案一一列出，由于組合出的方案數(shù)目很多，因此要對(duì)其進(jìn)行逐一評(píng)價(jià)比較困難，難以獲得最佳的方案。專(zhuān)家系統(tǒng)的問(wèn)題主要在于知識(shí)獲取和推理比較困難。因此，需要改進(jìn)機(jī)械方案設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的智能性。汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)實(shí)際上就是一個(gè)實(shí)例推理和匹配的過(guò)程。關(guān)于汽車(chē)機(jī)械智能設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)取得了如下成果：唐愛(ài)坤等基于改進(jìn)遺傳算法對(duì)汽車(chē)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化了汽車(chē)散熱器的結(jié)構(gòu)；崔凱等基于實(shí)例推理對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)；邱健基于Hybrid cbr對(duì)汽車(chē)散熱器進(jìn)行智能設(shè)計(jì)。 關(guān)于案例推理（case based reasoning,CBR）和規(guī)則推理（rule based reasoning,RBR）的混合推理在汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究較少，因此本文提出基于CBR和RBR的汽車(chē)機(jī)械智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，試圖提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

    1 汽車(chē)機(jī)械智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

    汽車(chē)機(jī)械智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建知識(shí)案例庫(kù)，可以最大限度地應(yīng)用設(shè)計(jì)師長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，減少概念設(shè)計(jì)中的重復(fù)工作量，提高汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)效率，縮短研發(fā)時(shí)間。根據(jù)汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)研發(fā)中遇到的問(wèn)題（如知識(shí)匹配工作量大），構(gòu)建汽車(chē)機(jī)械知識(shí)案例庫(kù)和輔助信息庫(kù)，對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、齒輪等關(guān)鍵部件及整機(jī)性能進(jìn)行分析。使用合理的知識(shí)表達(dá)方式構(gòu)建的汽車(chē)機(jī)械智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。用戶(hù)通過(guò)友好的用戶(hù)界面，輸入汽車(chē)的設(shè)計(jì)要求，完成汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)的總體選型和功能設(shè)計(jì)，通過(guò)推理過(guò)程完成汽車(chē)機(jī)械各關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)，若設(shè)計(jì)結(jié)果不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求則重新設(shè)計(jì)。

圖 1 汽車(chē)機(jī)械智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    2 汽車(chē)機(jī)械智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)的構(gòu)建

    汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)涉及到的零部件數(shù)量較多，因此需要構(gòu)建信息量龐大的知識(shí)庫(kù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過(guò)查閱汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)資料，并和行業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)家進(jìn)行交流，確定知識(shí)庫(kù)的知識(shí)涵蓋范圍和知識(shí)表達(dá)方式，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確調(diào)用。本系統(tǒng)采用基于本體的方式和自上而下的方式對(duì)汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行本體知識(shí)建模，首先明確汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)的產(chǎn)品類(lèi)、組件類(lèi)、部件類(lèi)、零件類(lèi)及其分類(lèi)，然后分別描述汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)的相關(guān)實(shí)體、屬性、關(guān)系等元本體。設(shè)計(jì)的汽車(chē)機(jī)械智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)例知識(shí)模型如圖2所示，實(shí)例知識(shí)模型包括基本信息、產(chǎn)品信息及工程知識(shí)３部分，其中基本信息

圖 2 實(shí)例知識(shí)模型

    定義實(shí)例數(shù)據(jù)內(nèi)容，產(chǎn)品信息記錄設(shè)計(jì)實(shí)例的詳細(xì)信息，工程知識(shí)包括設(shè)計(jì)知識(shí)和工程設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。

    2．1 案例庫(kù)的構(gòu)建

    案例庫(kù)涵蓋了很多汽車(chē)機(jī)械零件的產(chǎn)品信息，包括產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)功能參數(shù)、型號(hào)、功率和用途等。對(duì)于不同的案例，根據(jù)不同的屬性參數(shù)可以采用成組技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)管理。案例庫(kù)構(gòu)建完成后，以*.ｄａｔ文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)類(lèi)型為“案例名稱(chēng)＋空格＋各元件編號(hào)”，方便系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的檢索匹配以及對(duì)各參數(shù)的提取調(diào)用。由于汽車(chē)機(jī)械零件種類(lèi)很多，案例庫(kù)不一一論述，現(xiàn)以汽車(chē)夾具單元案例庫(kù)為例描述案例庫(kù)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建的汽車(chē)夾具單元案例庫(kù)如圖3所示。

    2．2 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

    數(shù)據(jù)庫(kù)不僅能為機(jī)械零件過(guò)程決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，還能為知識(shí)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)及實(shí)例庫(kù)等提供底層數(shù)據(jù)源。本文結(jié)合知識(shí)存在的形式及實(shí)例表達(dá)，設(shè)計(jì)機(jī)械知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，其屬性關(guān)系及主要數(shù)據(jù)庫(kù)表如圖4所示，包括對(duì)象表、部件表、設(shè)備信息表、工藝方案表、零件失效信息表等數(shù)據(jù)表。

    應(yīng)用CBR和RBR兩者結(jié)合的推理模式，需要解決案例定位和案例相似度兩方面的問(wèn)題。解決案例相似度問(wèn)題之前，先假定案例參數(shù)：已存在案例C＝（c1，c2，…，c n），需要解決問(wèn)題案例p＝（p1，p2，…，p n），已存在案例對(duì)象ci＝（c1，c2，…，cm），問(wèn)題案例對(duì)象pi＝（f1，f2，…，fm），以上述假定為基礎(chǔ)定義相似度，見(jiàn)式（1）和式（2）。

圖 4 工藝知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯關(guān)系

    式中：sim（P，C）為需要解決問(wèn)題案例和已經(jīng)存在案例的相似度；pi為問(wèn)題的第i個(gè)對(duì)象；ci為案例中第i個(gè)對(duì)象；wi為權(quán)重，指第i個(gè)描述符對(duì)案例的重要性；sim（pi，ci）為問(wèn)題和案例中第i個(gè)對(duì)象的相似度；fi，bi分別為案例C中第i個(gè)對(duì)象的第i個(gè)屬性值和問(wèn)題案例P中第i個(gè)對(duì)象的第i個(gè)屬性值；di為屬性權(quán)重。

    案例定位問(wèn)題主要是指零件單元案例在汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)中的位置分布。設(shè)計(jì)師通過(guò)檢索將案例或組件調(diào)入工位進(jìn)行總成裝配時(shí)，能否正確確定裝配位置至關(guān)重要，在這個(gè)過(guò)程中需要對(duì)單元案例坐標(biāo)和汽車(chē)車(chē)身機(jī)械坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，如何正確變換汽車(chē)車(chē)身機(jī)械坐標(biāo)和單元案例坐標(biāo)是目前需要解決的問(wèn)題。本文中坐標(biāo)的變換分為2步：1）對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行平移，讓它和新的坐標(biāo)原點(diǎn)重合；2）進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，和坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)重合。

    坐標(biāo)轉(zhuǎn)換用矩陣表示如下：

    （x1，y1，z1，1）＝（x2，y2，z2，2）·A·B （3）

    式中：A為平移矩陣；B為旋轉(zhuǎn)矩陣。

    其中（x0，y0，z0）為新坐標(biāo)系原點(diǎn)。

    矩陣B中（i＝x，y，z；j＝1，2，3）是新坐標(biāo)系原點(diǎn)。

    4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)的汽車(chē)機(jī)械智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用CBR和RBR的混合推理流程對(duì)汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用前景十分廣闊。在今后的研究中，將進(jìn)一步完善汽車(chē)機(jī)械智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)和案例數(shù)據(jù)庫(kù)，為使用者提供更多符合需求的汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)知識(shí)，從而更好地完成汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，獲取更加精準(zhǔn)的檢索實(shí)例。