聯(lián)合收獲機(jī)知識組織與知識庫系統(tǒng)研究

劉宏新 李金龍 郭麗峰 張光甫

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

目前，我國農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品開發(fā)主要存在仿制多、創(chuàng)新少、投產(chǎn)上市速度慢等問題，直接影響我國農(nóng)機(jī)裝備的設(shè)計水平[1]，很難與國際先進(jìn)的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品形成競爭。以先進(jìn)的設(shè)計方法支持農(nóng)機(jī)裝備的研發(fā)過程，同時利用基于知識的設(shè)計方法的數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)對提高我國農(nóng)機(jī)裝備的設(shè)計水平、提升本土農(nóng)業(yè)裝備制造企業(yè)的國際競爭力具有重要意義，這也是農(nóng)機(jī)設(shè)計智能化的重要途徑[2-3]。

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計一般先通過經(jīng)驗(yàn)獲得設(shè)計參數(shù)，之后進(jìn)行整機(jī)設(shè)計[4]。在傳統(tǒng)研發(fā)模式下，聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計周期長、效率低、設(shè)計過程復(fù)雜且困難,在很大程度上依賴于設(shè)計人員的工作經(jīng)驗(yàn)，但多年的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和積累的設(shè)計知識并未進(jìn)行有效的收集、歸納和整理[5-6]。在這種模式下，知識很難在新產(chǎn)品開發(fā)中得以重用和高效運(yùn)用，導(dǎo)致在聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計過程中設(shè)計人員經(jīng)常重復(fù)性查詢知識，增加了開發(fā)成本，降低了設(shè)計質(zhì)量，延長了設(shè)計時間[7]。因此，建立知識庫系統(tǒng)、提高知識的集成化應(yīng)用程度、加強(qiáng)設(shè)計知識的高效獲取和設(shè)計知識的系統(tǒng)化，能夠減少概念設(shè)計過程中大量的重復(fù)性工作，有效縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期，對聯(lián)合收獲機(jī)的研制與開發(fā)具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對知識庫系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。JUAN等[8]運(yùn)用數(shù)據(jù)庫類型存儲庫和人工查詢模式的獨(dú)立規(guī)則庫開發(fā)了虛擬銀行數(shù)據(jù)知識庫系統(tǒng)，利用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，用戶可以查詢并獲取存儲的數(shù)據(jù)，為研究知識庫系統(tǒng)中知識的獲取方法開拓了思路。JAMES等[9]對知識庫系統(tǒng)的一致性整合進(jìn)行了研究，提出用框架表達(dá)知識庫中的各種運(yùn)算符，為研究知識庫系統(tǒng)中知識的表達(dá)方式提供了解決方案。YANG等[10]研究了知識庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)問題，認(rèn)為系統(tǒng)除了存儲知識還應(yīng)該具備推理規(guī)則，基于算法可以挖掘系統(tǒng)中的知識，增強(qiáng)知識庫系統(tǒng)中知識的重用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中知識的運(yùn)用。LI等[11]對知識庫系統(tǒng)的關(guān)系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述，通過理論分析證明，知識庫系統(tǒng)中知識具有相依性，其功能結(jié)構(gòu)相互依賴，這對知識庫系統(tǒng)架構(gòu)具有重要意義。丁志東[12]針對我國汽車工業(yè)的發(fā)展需求，對整車設(shè)計所涉及的相關(guān)知識進(jìn)行了初步整理和分析，從整車知識庫技術(shù)內(nèi)容需求出發(fā)，提出相應(yīng)的知識庫構(gòu)建路線，為知識庫系統(tǒng)的構(gòu)建提供了思路。曾福勝[13]針對整車零件設(shè)計信息量大且種類繁多的問題，研究了支撐產(chǎn)品設(shè)計知識管理的知識整合技術(shù)，有效解決了知識總量大且重用率低的問題。王馳等[14]研究了轉(zhuǎn)向器的總體結(jié)構(gòu)和其設(shè)計知識整合技術(shù)，構(gòu)建了轉(zhuǎn)向器知識庫系統(tǒng)，將知識整合技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計方法融合到系統(tǒng)中，通過實(shí)例驗(yàn)證完成了機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計，縮短了設(shè)計時間。李治[15]基于知識工程理論研究了產(chǎn)品的設(shè)計知識模型，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一套具有數(shù)字化設(shè)計能力的產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以初步構(gòu)建設(shè)計者所需的知識模型，提高了設(shè)計效率。國外知名農(nóng)機(jī)企業(yè)應(yīng)用多種信息技術(shù)手段和開發(fā)工具，紛紛建立了產(chǎn)品研發(fā)體系和知識積累平臺[16]，基于開發(fā)工具使用基于知識的設(shè)計方法是聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計智能化的重要途徑，將產(chǎn)品設(shè)計知識整理形成統(tǒng)一的知識框架體系，可以輔助設(shè)計人員完成產(chǎn)品設(shè)計過程。在進(jìn)行聯(lián)合收獲機(jī)的總體布置與零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，涉及參數(shù)較多，且對設(shè)計者的專業(yè)性要求較高[17-18]。在設(shè)計過程中，設(shè)計者需要查閱大量的公式、手冊、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等設(shè)計資料，收集、整理全部知識，工作效率較低。目前，對聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計中所涉及的參數(shù)、公式、標(biāo)準(zhǔn)、計算流程等知識還沒有整理形成統(tǒng)一的知識框架和設(shè)計體系，進(jìn)而通過知識庫系統(tǒng)推理機(jī)制輔助完成設(shè)計過程。

針對上述問題，本文應(yīng)用裝備譜系層次劃分方法及譜系拓?fù)鋱D對聯(lián)合收獲機(jī)知識進(jìn)行組織；按照智能化設(shè)計需求對知識庫系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)分析；將農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計知識特點(diǎn)與設(shè)計過程深度結(jié)合，應(yīng)用混合知識表示方法進(jìn)行表達(dá)，形成知識框架體系。通過建立聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計過程中知識的存儲管理、高效獲取與應(yīng)用，從而解決設(shè)計中的問題，體現(xiàn)智能化設(shè)計理念，將聯(lián)合收獲機(jī)知識集成化、系統(tǒng)化，提高知識的繼承性與重用性，形成通用的設(shè)計體系，為研究此類問題提供一種通用的方法。

1 聯(lián)合收獲機(jī)譜系圖構(gòu)建

1.1 譜系層次設(shè)置與模塊劃分

裝備譜系研究大多應(yīng)用在產(chǎn)品的方案分析上[19]，而對于農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計領(lǐng)域知識資源系統(tǒng)的分析與規(guī)劃還處于起步階段，近年來，本課題組一直致力于農(nóng)機(jī)裝備智能化設(shè)計技術(shù)的研究，提出利用裝備譜系分類與譜系拓?fù)鋱D的形式及聚類分析方法[20]為數(shù)字化資源、裝備知識資源提供高效系統(tǒng)的組織模式，聯(lián)合收獲機(jī)屬于復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，利用譜系層次設(shè)置及拓?fù)鋱D形式可以將聯(lián)合收獲機(jī)復(fù)雜的知識資源系統(tǒng)化組織。

聯(lián)合收獲機(jī)零部件種類繁多，其結(jié)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)，綜合形成一個復(fù)雜的體系，為了更好地實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)零部件設(shè)計中的知識資源表達(dá)，同時為知識庫系統(tǒng)中設(shè)計知識的存儲與查詢提供清晰的目錄及路徑，需要對聯(lián)合收獲機(jī)譜系進(jìn)行基礎(chǔ)性的研究，譜系層次設(shè)置是構(gòu)建聯(lián)合收獲機(jī)譜系拓?fù)鋱D的關(guān)鍵，是將聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計知識層次化組織的基礎(chǔ)。按照知識庫系統(tǒng)的層次化設(shè)計理念，結(jié)合聯(lián)合收獲機(jī)領(lǐng)域知識和相關(guān)特點(diǎn)，采用關(guān)系繼承性的樹狀結(jié)構(gòu)以及自頂向下的方法將聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，形成譜系層次結(jié)構(gòu)，譜系層次結(jié)構(gòu)中子模塊繼承父模塊所有屬性，按照零部件的功能與類型進(jìn)行劃分，如圖1所示。以聯(lián)合收獲機(jī)分類方式劃分基礎(chǔ)層次結(jié)構(gòu)，運(yùn)用與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的框架式表示方法將聯(lián)合收獲機(jī)按照零部件結(jié)構(gòu)類型與零部件功能進(jìn)行逐層分解，完成譜系層次結(jié)構(gòu)的設(shè)置。

根據(jù)裝備設(shè)計產(chǎn)品零部件之間的功能要求差異，其功能相關(guān)性也不同，從滿足產(chǎn)品功能要求的角度出發(fā)[21-22]，對聯(lián)合收獲機(jī)零部件間的輔助功能聯(lián)系的相關(guān)性進(jìn)行分析，同時根據(jù)零件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊的實(shí)際要求以及各個零部件自身功能相對性，將聯(lián)合收獲機(jī)譜系層次結(jié)構(gòu)中部件組成結(jié)構(gòu)分為專用件模塊、通用件模塊及標(biāo)準(zhǔn)件模塊，如圖2所示。其中傳動件、軸承、連接緊固件等標(biāo)準(zhǔn)件零件在聯(lián)合收獲機(jī)中與其他零部件相關(guān)性較弱，可以批量化生產(chǎn)使用，因此將它們歸為標(biāo)準(zhǔn)件模塊；脫粒裝置為聯(lián)合收獲機(jī)的核心零部件，同時部分機(jī)型的割臺與中間輸送裝置也存在專用性，根據(jù)不同的機(jī)型選擇不同的裝置類型，需要對其進(jìn)行專門研發(fā)與創(chuàng)新設(shè)計，因此這3個模塊中部分零部件劃分為專用件模塊；將其余零部件按照功能劃分為割臺模塊、脫粒模塊、中間輸送模塊、輸送模塊、清選模塊、動力模塊、驅(qū)動模塊和輔助模塊，在設(shè)計種類不同或同種類不同型號聯(lián)合收獲機(jī)時，這些模塊部件可以通用互換，滿足設(shè)計的功能需求，將其歸類于通用件模塊。

1.2 譜系拓?fù)鋱D

根據(jù)聯(lián)合收獲機(jī)譜系層次設(shè)置和零部件結(jié)構(gòu)功能模塊劃分結(jié)果，將獲取的聯(lián)合收獲機(jī)知識進(jìn)行系統(tǒng)化整理，分析聯(lián)合收獲機(jī)零部件類型與功能屬性，構(gòu)建聯(lián)合收獲機(jī)譜系拓?fù)鋱D，如圖3所示，以聯(lián)合收獲機(jī)類型為基本單元，具有與譜系層次設(shè)置對應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)，將聯(lián)合收獲機(jī)知識具體分解為多個模塊，譜系拓?fù)鋱D的建立不僅為聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)的知識查詢提供路徑支持，同時可作為聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)，將聯(lián)合收獲機(jī)知識層次性組織起來。

2 知識庫系統(tǒng)體系架構(gòu)

聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)是聯(lián)合收獲機(jī)智能化設(shè)計平臺的基礎(chǔ)，如圖4所示，聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計時需考慮設(shè)計方法、功能結(jié)構(gòu)要求、整機(jī)部件設(shè)計需求等，將相關(guān)CAX工具有效融合，按照技術(shù)區(qū)域分別設(shè)置了模型庫、數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實(shí)、知識庫系統(tǒng)等模塊，根據(jù)設(shè)計要求獲取知識并表達(dá)形成設(shè)計體系后與知識庫系統(tǒng)交互，知識庫系統(tǒng)按照設(shè)計需求將推送的知識傳遞給模型庫，進(jìn)行模型調(diào)用及參數(shù)化驅(qū)動變型，同時通過數(shù)據(jù)庫完成知識的雙向傳遞，各模塊之間彼此關(guān)聯(lián)，相互協(xié)作，知識庫系統(tǒng)在其中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，對知識庫系統(tǒng)內(nèi)部組織單元進(jìn)行架構(gòu)分析。

(1)知識瀏覽與查詢：以譜系拓?fù)鋱D為索引路徑對知識庫系統(tǒng)中的知識進(jìn)行瀏覽，并應(yīng)用模糊查詢方法查詢出設(shè)計要求相匹配的知識，提高用戶的查詢效率。

(2)知識推理與推送：一方面通過將公式規(guī)則轉(zhuǎn)換為程序，利用基于規(guī)則的推理方法解決問題，可以提供給用戶更加高效的求解過程。另一方面推理機(jī)不斷與知識庫系統(tǒng)進(jìn)行交互，用戶根據(jù)設(shè)計需求通過系統(tǒng)獲取滿足設(shè)計要求的知識和推理結(jié)果，并將其傳遞到已關(guān)聯(lián)的參數(shù)化模型設(shè)計過程中。

(3)知識存儲：將聯(lián)合收獲機(jī)知識以數(shù)據(jù)表的形式在SQL Server數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行有效的組織與存儲，應(yīng)用ADO.Net技術(shù)實(shí)現(xiàn)知識庫系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫知識的雙向傳遞，縮短知識再利用的時間，便于知識的組織管理。

(4)編輯功能：隨著聯(lián)合收獲機(jī)知識的不斷更新，知識庫系統(tǒng)應(yīng)該具備知識的增加、刪除、修改的編輯功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中知識更新的動態(tài)過程，提高知識的集成化程度及獲取速度。

(5)權(quán)限管理：主要分為用戶和管理員權(quán)限。用戶可以對系統(tǒng)中的知識進(jìn)行添加、修改、刪除以及查詢等功能；管理員對系統(tǒng)使用權(quán)限進(jìn)行管理。在系統(tǒng)登錄界面通過輸入賬號密碼的方式區(qū)別兩者，即使人員發(fā)生變動，也不會使系統(tǒng)中的知識丟失，有利于新用戶對知識進(jìn)行有效學(xué)習(xí)，便于知識的隨時利用。

通過人機(jī)交互的方式，由計算機(jī)智能地根據(jù)用戶需求調(diào)用資源進(jìn)行設(shè)計[23-25]，知識庫系統(tǒng)根據(jù)用戶需求獲取系統(tǒng)中的知識，將查詢及推理的知識提取，進(jìn)行模型知識的匹配，然后從模型庫中調(diào)用參數(shù)化模型，融合CATIA二次開發(fā)技術(shù)與建模過程，進(jìn)行參數(shù)化模型的設(shè)計，提高模型的靈活性、適應(yīng)性和可重用性，高效獲得滿意的知識與模型，提高設(shè)計效率，避免設(shè)計失誤，從而實(shí)現(xiàn)知識的高效獲取與應(yīng)用，體現(xiàn)智能化設(shè)計理念。

3 農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計知識分析與表達(dá)

3.1 設(shè)計知識分析

聯(lián)合收獲機(jī)屬于典型的農(nóng)機(jī)裝備，只有充分考慮農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)知識特點(diǎn)，才能夠?qū)β?lián)合收獲機(jī)進(jìn)行分類與表達(dá)，形成設(shè)計體系輔助完成設(shè)計過程。農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計知識種類繁多、知識信息總量大、形式復(fù)雜，不但需要考慮加工裝配、機(jī)械干涉等因素，還需要考慮作業(yè)環(huán)境、作物種類、種植模式，涉及整機(jī)與零部件間設(shè)計需求、功能、結(jié)構(gòu)等諸多因素。結(jié)合農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計過程及知識的表現(xiàn)形式，經(jīng)總結(jié)農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計知識有以下特點(diǎn)：

(1)模糊性：農(nóng)機(jī)裝備的工作條件復(fù)雜且作物具有時空變異性極大的材料力學(xué)特性，它們無法確切分析，通過建模以及現(xiàn)有的虛擬仿真分析軟件無法確定邊界條件，只能得到模糊數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)的取值范圍。同時農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計過程中零部件作業(yè)的性能要求等也存在模糊性，沒有明確的界限，例如脫粒效果差和清選效果差，有些狀態(tài)沒有明確的界限劃分。

(2)多變性：農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計具有個性化強(qiáng)、定制要求多的特點(diǎn)，不但需要考慮整機(jī)及內(nèi)部零部件之間具有的裝配尺寸約束關(guān)系、動力輸出匹配關(guān)系、運(yùn)動仿真約束前提等諸多限制關(guān)系，在設(shè)計過程中還需要根據(jù)農(nóng)機(jī)裝備復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境、作物種類的多樣性、作業(yè)季節(jié)以及種植模式等因素，這些因素對應(yīng)的設(shè)計知識彼此存在著聯(lián)系，需要根據(jù)多變的因素針對性分析后對農(nóng)機(jī)裝備進(jìn)行配置設(shè)計。

(3)多樣性：農(nóng)機(jī)裝備在設(shè)計時涉及整機(jī)與內(nèi)部零部件間配置、功能、結(jié)構(gòu)等諸多設(shè)計要素，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計和變型設(shè)計頻繁的特點(diǎn)，在使用不同的建模軟件、虛擬仿真軟件、分析方法進(jìn)行設(shè)計時，其對應(yīng)的農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計知識以函數(shù)公式、表格、敘述性規(guī)則、圖像及模型等多種形式體現(xiàn)在設(shè)計的各個階段，種類復(fù)雜、形式多樣。

3.2 設(shè)計知識分類

根據(jù)譜系拓?fù)鋱D中對聯(lián)合收獲機(jī)功能結(jié)構(gòu)的劃分，結(jié)合農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計知識的特點(diǎn)和表現(xiàn)形式，對其進(jìn)行分類。將聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計知識劃分為實(shí)例類知識、規(guī)則類知識、參數(shù)類知識、資料類知識和經(jīng)驗(yàn)類知識5類，如圖5所示。

實(shí)例類知識是指聯(lián)合收獲機(jī)裝備的設(shè)計任務(wù)和需求、屬性、設(shè)計方案等。分析并提取與設(shè)計需求相似的已批量化生產(chǎn)的聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)型的實(shí)例類知識作為當(dāng)前設(shè)計方案的參考，然后再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修改方案，實(shí)例類知識對于聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計必不可少。

規(guī)則類知識是指聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計過程中涉及的公式、參考的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)以及國家政策法規(guī)等。這些知識大多以數(shù)據(jù)表形式儲存在知識庫系統(tǒng)中，用于解決設(shè)計過程中的問題，規(guī)則類知識的數(shù)量直接影響到知識庫系統(tǒng)進(jìn)行基于規(guī)則推理的能力。

參數(shù)類知識是指聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計領(lǐng)域的產(chǎn)品實(shí)例的性能參數(shù)、作業(yè)環(huán)境參數(shù)以及內(nèi)部零部件的幾何參數(shù)等；聯(lián)合收獲機(jī)零部件設(shè)計時的結(jié)構(gòu)參數(shù)、選型參數(shù)、性能參數(shù)以及零部件的幾何形狀參數(shù)都屬于該范疇。

資料類知識是指聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計的產(chǎn)品說明書、設(shè)計流程、設(shè)計圖冊等；同時構(gòu)建聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)的方法、使用說明書、操作流程圖等都屬于資料類知識，以圖表形式儲存在知識庫系統(tǒng)中。

經(jīng)驗(yàn)類知識是指農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)、田間試驗(yàn)的方法和試驗(yàn)方案以及調(diào)研獲取的知識；農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件在對各設(shè)計參數(shù)初步擬定、詳細(xì)尺寸設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析以及設(shè)計圖紙的表達(dá)時，存在的一些可行及有效、經(jīng)過實(shí)踐證明的知識是經(jīng)驗(yàn)類知識的主要來源。同時在進(jìn)行聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵部件的工廠加工時，工廠技術(shù)人員給予的修正與建議方案也可歸于經(jīng)驗(yàn)類知識范疇。

3.3 設(shè)計知識表達(dá)

設(shè)計知識表達(dá)是指使用合適的知識表示方法將農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計知識形成框架設(shè)計體系，為知識庫系統(tǒng)服務(wù)，它不僅決定了知識的應(yīng)用形式，還影響知識庫系統(tǒng)的推理機(jī)制。知識的表達(dá)一直是知識工程研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，提出了多種知識表示方法，每種表示方法都有自己的特點(diǎn)和局限性。對同一種知識可以用不同的方法進(jìn)行表示，但表示的方法不同效果也不同。因此，在選擇知識表示的方法時應(yīng)考慮以下幾個因素[26]：①能夠?qū)⒃O(shè)計知識進(jìn)行有效的表達(dá)。②表達(dá)的知識應(yīng)易懂、易讀，便于知識的推理。③充分結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)裝備的設(shè)計過程。④利于領(lǐng)域內(nèi)知識的共享與應(yīng)用。

根據(jù)設(shè)計知識分類結(jié)果并結(jié)合農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計知識特點(diǎn)，應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)[27]將結(jié)構(gòu)化明顯的框架表示方法和邏輯性較強(qiáng)的產(chǎn)生式規(guī)則表示方法相互融合，將農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計過程中涉及的知識屬性和特征封裝在框架結(jié)構(gòu)中，使農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計知識的表達(dá)清晰明了，如圖6所示。將農(nóng)機(jī)裝備的設(shè)計需求、功能目標(biāo)和結(jié)構(gòu)組成以框架表示方法進(jìn)行表達(dá)，層次清晰；之后具體對內(nèi)部零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，通過分析零部件的設(shè)計過程，從設(shè)計的零部件功能、設(shè)計要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)來確定設(shè)計參數(shù)，利用產(chǎn)生式規(guī)則表示方法的思想，已知初始設(shè)計參數(shù)及方法函數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，通過建立知識模型，利用規(guī)則函數(shù)等推理得出需要的設(shè)計參數(shù)，此方法可以高效地實(shí)現(xiàn)對農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計知識的表達(dá)。

聯(lián)合收獲機(jī)屬于典型的農(nóng)機(jī)裝備，應(yīng)用此方法對聯(lián)合收獲機(jī)零部件設(shè)計知識進(jìn)行表達(dá)，紋桿滾筒式脫粒裝置是國內(nèi)外谷物聯(lián)合收獲機(jī)最常配備的關(guān)鍵部件，應(yīng)用最為廣泛[28]。以紋桿滾筒式脫粒裝置的設(shè)計過程為例，紋桿滾筒式脫粒裝置的工作性能受到許多因素影響，如谷物的喂入方式、凹板長度、凹板包角、滾筒直徑、紋桿數(shù)、凹板間隙、滾筒速度、喂入速度以及作物含水率、含雜率等。在其設(shè)計過程中，根據(jù)這些因素對脫粒過程的影響，正確選擇和確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)。紋桿滾筒式脫粒裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計開始時已知的結(jié)構(gòu)參數(shù)或用戶要求的參數(shù)、零部件裝配關(guān)系確定的參數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸系列數(shù)據(jù)。將設(shè)計知識進(jìn)行整理，應(yīng)用混合表示方法將紋桿滾筒式脫粒裝置的設(shè)計功能、要求、結(jié)構(gòu)組成及關(guān)鍵部件設(shè)計知識屬性特征封裝在一起，形成知識框架及設(shè)計體系，如圖7所示，其中總體參數(shù)如作物種類、喂入量等，輔助參數(shù)如作物性質(zhì)系數(shù)等，輸出參數(shù)如滾筒長度等共同決定脫粒裝置的設(shè)計目的與功能，這些知識來自農(nóng)機(jī)企業(yè)的產(chǎn)品目錄、設(shè)計手冊或標(biāo)準(zhǔn)等，經(jīng)收集整理及分類存儲在知識庫系統(tǒng)中通過人機(jī)交互的方式，進(jìn)行知識瀏覽、查詢、推理獲取，應(yīng)用混合表示方法可以將聯(lián)合收獲機(jī)零部件設(shè)計知識進(jìn)行有效表達(dá)，并建立通用的零部件設(shè)計體系，形成知識庫系統(tǒng)的推理機(jī)制。

4 系統(tǒng)中知識存儲與應(yīng)用方法

4.1 數(shù)據(jù)庫連接

以Visual Studio 2015作為開發(fā)工具構(gòu)建聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)，應(yīng)用SQL Server數(shù)據(jù)庫與其建立接口模塊的形式進(jìn)行兩者的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)知識的組織管理。在.NET環(huán)境下知識庫系統(tǒng)本身不具備對SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作的功能，它對數(shù)據(jù)庫的處理是通過Microsoft ActiveX Data Objects.Net(ADO.Net)實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)用ADO.Net技術(shù)[29]通過程序關(guān)聯(lián)存儲在SQL Server數(shù)據(jù)庫的知識，并在系統(tǒng)中以交互界面形式來呈現(xiàn)。ADO.Net主要包括以下4個對象，如表1所示。

表1 ADO.Net對象與功能Tab.1 ADO.Net objects and functions

ADO.Net包含不同類型的數(shù)據(jù)提供程序，本文在.Net環(huán)境下通過程序編輯與SQL Server數(shù)據(jù)庫建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)中知識的雙向傳遞，應(yīng)用ADO.Net技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫配置連接的關(guān)鍵程序如圖8所示。

4.2 知識存儲

知識庫系統(tǒng)中的知識是以數(shù)據(jù)表的形式存儲在SQL Server數(shù)據(jù)庫，通過ADO.Net技術(shù)將兩者進(jìn)行關(guān)聯(lián)后，實(shí)現(xiàn)知識的雙向傳遞。其中數(shù)據(jù)表的列屬性包括字段名、字段數(shù)據(jù)類型、字段長度等，這些屬性在創(chuàng)建表時被確定，數(shù)據(jù)表命名方式是以譜系拓?fù)鋱D與聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計知識分類結(jié)果為依據(jù)，圖9為聯(lián)合收獲機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件模塊知識存儲形式示例。

4.3 知識查詢

模糊查詢是指通過使用具有模糊特征的關(guān)鍵詞對系統(tǒng)中的知識進(jìn)行查詢，提高查詢的全面性[30]?；诖死碚摚疚膽?yīng)用關(guān)鍵字定位及模糊判斷的模糊查詢方法對聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)中的知識進(jìn)行查詢，其中關(guān)鍵字定位是指用戶根據(jù)設(shè)計需求在系統(tǒng)中輸入知識的關(guān)鍵字進(jìn)行匹配定位查詢；模糊判斷是指在用戶經(jīng)常遇到不確定具體數(shù)值，只能大概明確范圍時通過程序編輯設(shè)置條件，縮小查詢范圍，提高查詢效率。知識查詢過程應(yīng)用關(guān)鍵程序如圖10所示。

4.4 編輯功能

編輯功能包括在知識庫系統(tǒng)中對知識進(jìn)行添加、刪除與修改等，用戶可以根據(jù)設(shè)計需求應(yīng)用知識的編輯功能實(shí)現(xiàn)對新知識的高效獲取與再學(xué)習(xí)的過程。知識編輯過程分別使用Insert、Delete、Update的SQL語句，并編輯對應(yīng)限制條件實(shí)現(xiàn)知識的增加、刪除和修改功能，應(yīng)用關(guān)鍵程序如圖11所示。

5 系統(tǒng)技術(shù)集成與測試

5.1 交互界面設(shè)計

人機(jī)交互界面將人的思維方式與計算機(jī)的運(yùn)作方式相互轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)人與計算機(jī)之間的動作的雙向傳遞，首先交互界面的設(shè)計需要起到智能引導(dǎo)的作用，提高設(shè)計效率與準(zhǔn)確性。聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)登錄界面如圖12所示，包括用戶類型、密碼及用戶名選項(xiàng)。

知識庫系統(tǒng)主界面如圖13所示，根據(jù)知識庫系統(tǒng)的模塊架構(gòu)，主界面包括5部分，即知識瀏覽、知識查詢、知識存儲、知識推送和權(quán)限管理。

知識瀏覽界面如圖14所示，根據(jù)譜系拓?fù)鋱D對知識庫系統(tǒng)的知識目錄結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，在該模塊下用戶可以對系統(tǒng)中存儲的知識進(jìn)行瀏覽；隨著知識的更新，管理員對系統(tǒng)知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充和更新。

知識查詢界面如圖15所示，用戶在該模塊下應(yīng)用模糊查詢方法對系統(tǒng)中知識查詢，同時進(jìn)行知識的添加、刪除和修改等功能完成知識的再學(xué)習(xí)過程，并應(yīng)用ADO.Net技術(shù)將新編輯的知識同步更新并儲存到知識庫系統(tǒng)中。

知識存儲界面如圖16所示，在該模塊下根據(jù)聯(lián)合收獲機(jī)的知識分類結(jié)果對新知識進(jìn)行存儲。

知識推送界面如圖17所示，采用人機(jī)交互的方式，結(jié)合知識表達(dá)形成的設(shè)計體系融合系統(tǒng)推理機(jī)制，利用輔助對話框形式選取設(shè)計的初始參數(shù)，對儲存的知識進(jìn)行查詢、推理，將推理結(jié)果和獲取的滿足設(shè)計需求知識進(jìn)行推送，并調(diào)用關(guān)聯(lián)的參數(shù)化模型進(jìn)行設(shè)計，縮短用戶獲取所需知識的時間，提高設(shè)計效率。

5.2 CATIA二次開發(fā)接口技術(shù)集成

聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)除了具備知識的查詢、編輯、存儲等功能外，還與CATIA建模軟件通過接口技術(shù)集成，知識庫系統(tǒng)將知識推送后的模型設(shè)計知識傳遞給參數(shù)化模型，進(jìn)行變型設(shè)計，提高知識繼承性與模型的適應(yīng)性，從而提高用戶的設(shè)計效率。在Visual Studio 2015下對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)時，應(yīng)指明對象類型為CATIA的某種對象，否則可能執(zhí)行出錯，對象聲明的程序語句為

imports ProductStructureTypeLib

imports MECMOD

imports PARTITF

imports HybridShapeTypeLib

當(dāng)外部程序通過COM接口訪問CATIA內(nèi)部對象時，若CATIA未啟動，使用CreateObject函數(shù)打開CATIA；若CATIA已啟動，使用GetObject函數(shù)直接與CATIA建立連接，程序語句為

on Error Resume Next

dim CATIA As INFITF.Application

CATIA = GetObject(,"CATIA.Application")

if Err.Number <> 0 Then

CATIA = CreateObject("CATIA.Application")

CATIA.Visible = True

用戶獲取系統(tǒng)推送的模型知識后，將其傳遞給對應(yīng)的參數(shù)化模型，通過交互界面中的命令按鈕驅(qū)動模型變型。模型驅(qū)動的關(guān)鍵程序?yàn)?/p>

CATIA = CreateObject("CATIA.Application")

dim productDocument1 As INFITF.Document

productDocument1 = CATIA.ActiveDocument

dim product1 As Product

product1 = productDocument1.Product

dim product1 As Product

product1 = products1.Item("設(shè)計對象")

dim parameters1 As knowledgewareTypeLib.Parameters

parameters1 = product1.Parameters

parameters1.Item("模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)").Value = val(TextBox1.Text)

product1.Update()

5.3 系統(tǒng)測試

以紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計為例，分析其設(shè)計過程并應(yīng)用混合表示方法對紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計知識表達(dá)后，形成設(shè)計知識的框架體系，使用知識庫系統(tǒng)完成紋桿滾筒式脫粒裝置模型參數(shù)化變型設(shè)計。

5.3.1知識瀏覽

用戶在知識瀏覽模塊界面選擇“脫粒模塊”進(jìn)入脫粒裝置知識瀏覽界面，如圖18所示。首先需要對脫粒裝置的知識進(jìn)行瀏覽，包括圖片展示、特點(diǎn)及適用范圍、脫粒裝置類型以及功能命令選項(xiàng)，確定設(shè)計目標(biāo)。

5.3.2知識查詢

單擊“知識查詢”按鈕，調(diào)取系統(tǒng)中所有與紋桿滾筒式脫粒裝置相關(guān)的知識，用戶通過目錄樹選擇不同的知識來源對設(shè)計知識進(jìn)行瀏覽、查詢，獲取所需知識，如圖19所示。

當(dāng)用戶明確查詢目標(biāo)，在查詢窗口輸入目標(biāo)關(guān)鍵詞，以滾筒直徑為例，通過模糊查詢的方式對系統(tǒng)中的知識進(jìn)行查詢與定位，如圖20所示，用戶可以根據(jù)設(shè)計需求查詢系統(tǒng)中的知識并進(jìn)行編輯，將知識再利用。

在紋桿式滾筒式脫粒裝置設(shè)計時，可以根據(jù)用戶對不同參數(shù)的需求進(jìn)行模糊查詢，查詢最接近用戶要求的設(shè)計知識，以圖21為例，選中“長度”復(fù)選框，輸入范圍900～950 mm，查詢系統(tǒng)中已存儲的滾筒長度范圍在900～950 mm之間的實(shí)例類知識，作為當(dāng)前設(shè)計的參考。

5.3.3知識推理

若沒有滿足設(shè)計要求的知識，則在Visual Studio 2015下對紋桿滾筒式脫粒裝置的設(shè)計知識進(jìn)行推理。通過人機(jī)交互方式用戶輸入求解問題的初始參數(shù)，系統(tǒng)調(diào)用儲存的方法函數(shù)和公式進(jìn)行推理計算，得出具體零部件設(shè)計參數(shù)，如圖22所示，從系統(tǒng)中調(diào)取滾筒直徑、滾筒線速度后，通過程序?qū)?yīng)的公式類知識進(jìn)行表達(dá)，單擊“推理計算”按鈕，即可獲得滾筒轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)，單擊“下一步”按鈕獲取其他設(shè)計參數(shù)，并將計算結(jié)果保存。該方式將設(shè)計體系與系統(tǒng)推理機(jī)制融合，直接從系統(tǒng)中將知識提取，縮短用戶查詢公式及計算時間，提高設(shè)計效率。

將獲取的紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計知識結(jié)合知識表達(dá)形成的設(shè)計體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)計過程的程序化，程序流程如圖23所示。圖中Q為喂入量；μ0為作物性質(zhì)系數(shù)；q0為滾筒單位長度允許承擔(dān)的喂入量；qα為單位凹板面積允許負(fù)擔(dān)的喂入量；β為喂入作物中谷粒所占質(zhì)量的比率；vt為滾筒切線速度；vmax、vmin為最大、最小參考轉(zhuǎn)速；L為滾筒長度；L0、L1為紋桿孔位置尺寸；n為輻盤數(shù)；D為滾筒直徑；Z為紋桿數(shù)；N為滾筒轉(zhuǎn)速；A為凹板面積；α為凹板包角；δr、δc為脫粒間隙。

5.3.4知識推送

在紋桿滾筒式脫粒裝置知識推送界面，用戶根據(jù)輔助對話框提示選擇紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計所需知識，單擊“知識推送”按鈕，如圖24所示，選擇設(shè)計的脫粒裝置類型后，依次彈出產(chǎn)品設(shè)計的初始參數(shù)“作物種類”、“喂入量”、“滾筒單位長度允許承擔(dān)喂入量”、“作物性質(zhì)系數(shù)”、 “草谷比”、 “入口間隙”和“出口間隙”對話框，確認(rèn)后自動調(diào)取系統(tǒng)中對應(yīng)的“滾筒轉(zhuǎn)速”、“滾筒長度”、“凹板面積”等知識進(jìn)行提取或推理，并將提取與推理結(jié)果推送至界面顯示。

5.3.5模型驅(qū)動

最后單擊“調(diào)用模型”按鈕，用戶在脫粒裝置參數(shù)化模型庫中調(diào)取參數(shù)化模型，進(jìn)入紋桿滾筒式脫?？偝赡Ｐ万?qū)動界面，如圖25所示，在CATIA環(huán)境下二次開發(fā)，根據(jù)設(shè)計需求對已關(guān)聯(lián)的參數(shù)化模型進(jìn)行參數(shù)修改，單擊“模型驅(qū)動”按鈕，通過程序?qū)⑼扑偷脑O(shè)計參數(shù)知識傳遞到模型對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)上進(jìn)行模型驅(qū)動，在不同需求下完成模型參數(shù)化設(shè)計與變型，之后將模型設(shè)計知識存儲在知識庫系統(tǒng)中，增加系統(tǒng)中紋桿滾筒式脫粒裝置設(shè)計知識儲量，方便對系統(tǒng)知識的擴(kuò)充與獲取，并為同類設(shè)計作參考。

通過上述操作流程，可以完成紋桿滾筒式脫粒裝置知識的獲取、推理、編輯、推送以及模型的參數(shù)化變型設(shè)計過程，將設(shè)計過程系統(tǒng)化；隨著系統(tǒng)聯(lián)合收獲機(jī)知識量擴(kuò)充，應(yīng)用知識庫系統(tǒng)可以進(jìn)行聯(lián)合收獲機(jī)內(nèi)部零部件模型參數(shù)化設(shè)計，本課題組初步構(gòu)建了聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置與清選裝置參數(shù)化模型庫[3,18]，很好地為聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)提供模型資源的支持。

系統(tǒng)測試表明：聯(lián)合收獲機(jī)知識庫系統(tǒng)將設(shè)計方式轉(zhuǎn)變，應(yīng)用計算機(jī)代替人力查詢知識，從知識庫系統(tǒng)中直接獲取、推理并將設(shè)計知識推送給用戶，并融合CATIA參數(shù)化模型設(shè)計過程，最大限度減少了用戶查詢以及由于設(shè)計失誤重新設(shè)計的時間，這種設(shè)計方式將聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計知識集成化并高效獲取，提高知識的繼承性和模型的適應(yīng)性，從而提高設(shè)計效率。

6 結(jié)論

(1)應(yīng)用譜系及譜系拓?fù)鋱D形式對聯(lián)合收獲機(jī)知識資源進(jìn)行組織，按照聯(lián)合收獲機(jī)智能化設(shè)計平臺需求對知識庫系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)分析，對聯(lián)合收獲機(jī)知識進(jìn)行系統(tǒng)化管理。

(2)根據(jù)農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計知識特點(diǎn)與表現(xiàn)形式，應(yīng)用框架表示和產(chǎn)生式規(guī)則相結(jié)合的混合表示方法可以有效表達(dá)農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計過程。應(yīng)用ADO.Net技術(shù)，在.Net環(huán)境下實(shí)現(xiàn)知識庫系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫知識的雙向傳遞，并依據(jù)聯(lián)合收獲機(jī)知識分類結(jié)果與譜系拓?fù)鋱D進(jìn)行組織存儲，提高設(shè)計知識的集成化程度。

(3)通過人機(jī)交互的方式，系統(tǒng)將知識表達(dá)形成的設(shè)計體系封裝，借助相關(guān)技術(shù)將設(shè)計知識與開發(fā)工具融合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)知識的查詢、推理、編輯及推送功能，并通過CATIA參數(shù)化模型變型設(shè)計實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計過程中知識的高效獲取與應(yīng)用，提高了設(shè)計效率與聯(lián)合收獲機(jī)知識的繼承性。該方法具有通用性，可為農(nóng)機(jī)裝備智能化設(shè)計方案提供借鑒。