基于知識工程的鍍膜機快速設(shè)計研究

焦美萍，仲梁維，戴秀海

（1.上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093；2.光馳科技（上海）有限公司，上海 200436）

當(dāng)前，全球經(jīng)濟正處在以原材料和能源消耗為基礎(chǔ)的“工業(yè)經(jīng)濟”向以信息和知識為基礎(chǔ)的“知識經(jīng)濟”轉(zhuǎn)變的歷史時期［1］。鍍膜機作為目前電子工業(yè)廣泛使用的設(shè)備，客戶對產(chǎn)品的需求也隨著時代的變化日益多樣化和個性化［2］。然而傳統(tǒng)CAD軟件對鍍膜機的設(shè)計，主要是以幾何特征為重點，一般不支持概念設(shè)計階段的創(chuàng)新活動［3］，缺乏對已有設(shè)計經(jīng)驗和設(shè)計知識的融合，并且在設(shè)計過程中大量的標(biāo)準(zhǔn)查詢、公式計算、參數(shù)輸入以及模型建立等重復(fù)性工作，嚴(yán)重影行了鍍膜機的設(shè)計效率。目前，知識工程取得了廣泛關(guān)注，阮雪榆等開發(fā)了注塑模具KBE系統(tǒng)，比之前效率提高了10倍［4］。張君媛等開發(fā)了基于知識的車門附件布置設(shè)計系統(tǒng)［5］。雷雨成等運用知識工程理論構(gòu)建變速箱設(shè)計專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了齒輪的優(yōu)化設(shè)計［6］。福特公司將知識工程技術(shù)應(yīng)用到汽車車身和零部件中，使開發(fā)效率提高了30倍［7］。

在鍍膜機行業(yè)，一款機型可用于多種用途，大部分產(chǎn)品是在原產(chǎn)品基礎(chǔ)上變型設(shè)計完成，只有15%的產(chǎn)品需要創(chuàng)新設(shè)計，而知識工程（Knowledge Based Engineering，KBE）能實現(xiàn)知識的重用，將CAD技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，使產(chǎn)品設(shè)計與知識工程技術(shù)相結(jié)合，能夠避免大量的重復(fù)性勞動，提高產(chǎn)品的開發(fā)效率、節(jié)約開發(fā)成本。因此，將基于知識工程的快速設(shè)計應(yīng)用到鍍膜機的設(shè)計中，對提高企業(yè)競爭力有重要作用。

1 基于KBE的鍍膜機快速設(shè)計研究

Feigenbaum E.A.認(rèn)為，知識工程［8－9］技術(shù)是利用人工智能的原理與方法，為那些需要專家知識才能解決的應(yīng)用難題提供求解的手段。恰當(dāng)運用知識的獲取、表達和推理過程的構(gòu)成與解釋，是設(shè)計基于知識的系統(tǒng)的重要技術(shù)問題。

1.1 知識獲取技術(shù)

知識獲取是指把用于問題求解的各種專門知識從知識源中提煉出來，并將其轉(zhuǎn)化成計算機上可執(zhí)行代碼的過程，知識的獲取方式主要包括：自動（機器學(xué)習(xí)）和非自動（人工）［10］。

鍍膜機知識獲取采用了人工獲取的方式，由于模塊之間往往存在著很多約束規(guī)則，工程師首先將產(chǎn)品按照功能進行模塊劃分。鍍膜機快速設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)了知識獲取的界面接口，其中具體包括兩部分：鍍膜機所有結(jié)構(gòu)模塊的獲取和各結(jié)構(gòu)模塊之間約束規(guī)則的建立。結(jié)構(gòu)模塊的獲取如圖1所示，功能模塊關(guān)系的建立如圖2所示。

圖2 功能模塊關(guān)系的建立

1.2 知識庫的建立

知識庫是存儲、管理知識的機構(gòu)，是領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗、知識、事實、規(guī)則和概念的集合，是通過知識獲取途徑得到，并能被推理機制所采納的集成到設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集合?；贙BE的鍍膜機知識庫包括：設(shè)計知識庫、規(guī)則知識庫、實例知識庫、專家經(jīng)驗庫以及約束知識庫等方面信息。

知識表示把知識方便地、有效地變成計算機能夠識別和處理的某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［11］。常用的知識表示方法有產(chǎn)生式表示法、框架表示法、面向?qū)ο蟊硎痉?、范例表示法等?2］。

由于鍍膜機設(shè)計領(lǐng)域知識的規(guī)則比較復(fù)雜，使用單一知識的表達方式很難完整、準(zhǔn)確地描述。因此，在鍍膜機快速設(shè)計系統(tǒng)中主要采用了產(chǎn)生式表示法和基于范例表示法。

產(chǎn)生式表示法又稱產(chǎn)生式規(guī)則表示法，是一種適合表示因果關(guān)系的表示模式，它在語義上表示為“If（條件）Then（結(jié)論）”的因果關(guān)系。以鍍膜機OTFC－1300為例，在該型號產(chǎn)品概要設(shè)計過程中，功能模塊之間的約束規(guī)則往往存在以下關(guān)系，例如：

基于范例的問題求解方法是將以前已解決的問題的經(jīng)驗與當(dāng)前需要解決的問題聯(lián)系在一起，作為處理某類問題的參考。在鍍膜機產(chǎn)品方案過程中，將設(shè)計人員每次完成的產(chǎn)品方案以范例的形式保存到知識庫中，客戶通過某種推理方式獲取所保存的案例知識。以鍍膜機OTFC－1300為例，在產(chǎn)品模塊方案配置完成后，需要將客戶名稱、地址、日期、合同號和所配置的功能模塊參數(shù)以一條記錄的方式保存到數(shù)據(jù)庫中，以部分存儲信息為例來說明鍍膜機概要設(shè)計的存儲方式，具體存儲形式如表1所示。

表1 鍍膜機概要設(shè)計案例庫表

1.3 系統(tǒng)設(shè)計推理

知識推理是依據(jù)一定的策略，從已知判斷推出另一種判斷的思維過程［13］。基于實例的鍍膜機快速設(shè)計的原則是從整體到部分進行鍍膜機實例檢索，再由部分到整體進行設(shè)計重組。鍍膜機實例檢索的過程實質(zhì)上是鍍膜機產(chǎn)品各個模塊的相同屬性匹配過程，運用最近相鄰策略法進行鍍膜機模塊化產(chǎn)品實例檢索的具體算法描述如下：

設(shè)鍍膜機產(chǎn)品源實例為X＝｛X1，X2，…Xn｝，目標(biāo)實例為Y＝｛Y1，Y2，…，Yn｝，Xi，Yi（i∈［1，n］）分別代表鍍膜機源實例的第i個配置屬性值和目標(biāo)實例的第i個配置屬性值。源實例與目標(biāo)實例的相似度為：

式中，sim（Xi，Yi）是兩實例之間第i個配置屬性的相似度，且sim（Xi，Yi）∈［0，1］；

wi（i∈［1，n］表示鍍膜機源實例中第i個配置屬性的權(quán)重值［14］，且滿足：wi＝1；SIM（X，Y）∈［0，1］，當(dāng)所檢索的實例屬性值與目標(biāo)實例屬性值完全相同時，則SIM（X，Y）值取為1，即完全匹配。SIM（X，Y）值越接近1，所檢索到的實例就越滿足用戶的需求。

以鍍膜機產(chǎn)品概要設(shè)計的具體設(shè)計參數(shù)為例，說明相似實例的檢索。表2中的數(shù)據(jù)包含了產(chǎn)品的配置屬性、權(quán)重、實例庫中部分實例的配置屬性值和目標(biāo)實例的產(chǎn)品配置屬性值。

按照上述的檢索算法計算得到：

表2 產(chǎn)品案例－目標(biāo)需求表

對比相似度值易知：S1047與目標(biāo)需求值更接近。

檢索出的相似實例往往不能套用在目前的設(shè)計中，要通過變形設(shè)計技術(shù)或模塊替換等方法進行局部修改或替換，例如檢索出的基板回轉(zhuǎn)機構(gòu)是1130×R1100×1型式，而目標(biāo)要求是φ1180×R1100×4型式，因此需要對檢索出來的總體配置方案進行修正［15］，再進行重新組裝，從而設(shè)計出滿足客戶需求的產(chǎn)品。而新設(shè)計出的模塊將作為新的產(chǎn)品模塊保存到模塊庫中，這樣也使模塊庫不斷的擴充，方便下次設(shè)計。

2 基于KBE的鍍膜機快速設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)

2.1 鍍膜機快速設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)及運行環(huán)境

鍍膜機產(chǎn)品方案快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)主要是基于Miscrosoft Visual Studio 2005、SQL Sever2000、Pro ENGINEER5.0、Microsoft Office 2003進行的，數(shù)字化樣機系統(tǒng)主要采用Visual Basic.NET為開發(fā)環(huán)境，同時結(jié)合Pro／E的API函數(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的參數(shù)化功能。后臺采用SQL Sever2000數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對于產(chǎn)品的總體設(shè)計報告書、詳細設(shè)計概要書及詳細設(shè)計清單等文檔的開發(fā)，則是通過Visual Basic.NET語言對 Microsoft Word 2003、Microsoft Execl 2003進行二次開發(fā)實現(xiàn)的。

2.2 基于KBE的鍍膜機快速設(shè)計流程

基于KBE的鍍膜機快速設(shè)計主要流程如圖3。首先，設(shè)計人員把在產(chǎn)品設(shè)計中涉及的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、特征關(guān)聯(lián)、設(shè)計參數(shù)、尺寸約束等信息，通過知識獲取機制以關(guān)系式、規(guī)則等表達形式對知識進行處理，進而形成常用設(shè)計知識庫。其次，根據(jù)輸入的初始參數(shù)，通過知識推理機制從知識庫中提取相關(guān)的模塊設(shè)計知識。再次，采用知識庫接口和二次開發(fā)工具將知識庫的數(shù)據(jù)輸入到Pro ENGINEER5.0系統(tǒng)，驅(qū)動Pro／E系統(tǒng)，生成不同模塊的三維模型。最后，通過模塊屬性匹配對各模塊進行重組，完成鍍膜機的快速設(shè)計。

2.3 鍍膜機快速設(shè)計系統(tǒng)模塊劃分

基于KBE的鍍膜機快速設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，分為三個管理模塊，分別為：總體設(shè)計管理模塊、詳細設(shè)計管理模塊、分塊設(shè)計管理模塊，設(shè)計界面分別如圖5、圖6、圖7所示。數(shù)字化樣機如圖8所示。

圖3 基于KBE的鍍膜機快速設(shè)計流程

圖4 鍍膜機快速設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖5 總體設(shè)計管理模塊界面

圖6 詳細設(shè)計管理模塊中蒸發(fā)源及相關(guān)部件設(shè)計界面

圖7 分塊設(shè)計管理模塊中的空氣壓強系統(tǒng)設(shè)計界面

圖8 鍍膜機數(shù)字化樣機

3 結(jié) 論

（1）基于KBE的鍍膜機快速設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了鍍膜機設(shè)計效率；

（2）知識庫的建立，實現(xiàn)了知識的累積和重用，降低了設(shè)計人員的工作強度；

（3）實現(xiàn)了企業(yè)信息的共享，保證了數(shù)據(jù)的一致性和完整性。

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