姚 佳 郭 宇

南京航空航天大學(xué),南京,210016

支持鐵路貨車快速設(shè)計(jì)的知識模型研究

姚 佳 郭 宇

南京航空航天大學(xué),南京,210016

為了適應(yīng)快速設(shè)計(jì)的需求,在對設(shè)計(jì)知識進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建了用于組織設(shè)計(jì)知識的設(shè)計(jì)流程;從設(shè)計(jì)約束、設(shè)計(jì)流程出發(fā),以設(shè)計(jì)知識間的關(guān)聯(lián)為基礎(chǔ),分別利用關(guān)鍵詞匹配和模型設(shè)計(jì)參數(shù)值匹配的方式,向設(shè)計(jì)人員提供全面的設(shè)計(jì)工具與參考知識集和模型集,并實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的提供方式;在此知識模型基礎(chǔ)上建立面向重用的設(shè)計(jì)過程模型,以適應(yīng)快速設(shè)計(jì)的需要。某鐵路貨車企業(yè)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的驗(yàn)證結(jié)果表明,該知識模型能有效地為產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)知識。

快速設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)流程;知識模型;模型檢索

0 引言

當(dāng)今市場的需求變化越來越快,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造需要尋求效率和質(zhì)量的結(jié)合。為適應(yīng)這種特點(diǎn),快速設(shè)計(jì)理念越來越受到重視,基于快速設(shè)計(jì)的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)平臺也有了越來越多的應(yīng)用。尤其在成熟產(chǎn)品領(lǐng)域,變型設(shè)計(jì)已經(jīng)成為主要的設(shè)計(jì)方式,基于實(shí)例推理(CBR)技術(shù)、面向產(chǎn)品族的設(shè)計(jì)技術(shù)已有大量的研究與應(yīng)用[1-8]。胡建[1]以本體論為基礎(chǔ)對設(shè)計(jì)知識進(jìn)行建模,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于知識引導(dǎo)的多視圖設(shè)計(jì)知識檢索模型和基于多維度的設(shè)計(jì)知識重用模型。車君華[2]采用支持向量機(jī)(SVM)的方法對文檔進(jìn)行分類,基于公理設(shè)計(jì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)知識表達(dá),在ROUGH SETS理論基礎(chǔ)上構(gòu)建知識獲取方法。上述研究側(cè)重于知識的檢索與發(fā)現(xiàn),對知識的組織依靠分類方式,沒有考慮設(shè)計(jì)知識的利用是跟隨設(shè)計(jì)過程的這一因素。Baxtor等[3]使用流程建模的方式組織包括流程信息、任務(wù)信息、產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)知識,但是沒有構(gòu)建不同類型的知識之間的相關(guān)性,知識的使用具有一定局限性。針對這兩個(gè)問題,我們把快速設(shè)計(jì)條件下知識模型的構(gòu)建過程分為約束獲取、知識組織、知識關(guān)聯(lián)。

1 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識模型

1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識分類

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是一個(gè)涉及多學(xué)科、多來源、不同性質(zhì)知識的活動。從知識的表現(xiàn)形式上可以分為顯性知識與隱性知識。知識的組織使用到如下三類知識(圖1):

圖1 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識分類

(1)設(shè)計(jì)流程。人們從產(chǎn)品設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)正確的知識中提煉出用于描述產(chǎn)品具體設(shè)計(jì)步驟、指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、保證設(shè)計(jì)過程正確、保證設(shè)計(jì)工具與設(shè)計(jì)參考知識規(guī)范使用的一類知識。設(shè)計(jì)流程可以被認(rèn)為是組織設(shè)計(jì)工具與設(shè)計(jì)參考知識的骨架模型。

(2)設(shè)計(jì)過程工具與參考知識。產(chǎn)品在具體設(shè)計(jì)階段對知識有大量需求,這些知識用于確定設(shè)計(jì)變量取值、為設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)等。該部分知識可以細(xì)分為設(shè)計(jì)工具類(計(jì)算和校核工具)、設(shè)計(jì)理論類(設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn))和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)類(仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))。

(3)設(shè)計(jì)成果知識。設(shè)計(jì)成果知識指設(shè)計(jì)完成后得到的知識,包括產(chǎn)品模型與相應(yīng)的設(shè)計(jì)過程表述(設(shè)計(jì)流程實(shí)例)。

1.2 設(shè)計(jì)流程的組織與表達(dá)

設(shè)計(jì)活動往往比較復(fù)雜,需要被分解為若干子任務(wù)進(jìn)行分發(fā),將這些任務(wù)、子任務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行詳細(xì)表達(dá)就產(chǎn)生了設(shè)計(jì)流程樹。設(shè)計(jì)流程樹(圖2)的組織具有層次化、有序化與模塊化的特點(diǎn),且存在設(shè)計(jì)流程的嵌套,這種嵌套的子設(shè)計(jì)流程體現(xiàn)為產(chǎn)品模塊劃分或子設(shè)計(jì)任務(wù)。依據(jù)設(shè)計(jì)流程的特點(diǎn),將產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)知識與設(shè)計(jì)流程、子流程或設(shè)計(jì)步驟建立關(guān)聯(lián)的,實(shí)現(xiàn)知識的準(zhǔn)確提供與有序利用。

一項(xiàng)設(shè)計(jì)活動D可以由兩個(gè)矩陣表達(dá):

圖2 設(shè)計(jì)流程的組織與表示

1.3 設(shè)計(jì)知識獲取與關(guān)聯(lián)

設(shè)計(jì)知識的搜索依據(jù)包括設(shè)計(jì)約束和當(dāng)前設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)步驟。設(shè)計(jì)知識包括設(shè)計(jì)過程工具與參考知識、設(shè)計(jì)成果知識,前者通常與設(shè)計(jì)步驟關(guān)聯(lián),后者與設(shè)計(jì)流程關(guān)聯(lián)。

1.3.1 約束獲取

設(shè)計(jì)約束來源于任務(wù)的下發(fā)過程,設(shè)計(jì)約束按設(shè)計(jì)流程結(jié)構(gòu)分解,因此需要提供能與設(shè)計(jì)流程方便匹配的設(shè)計(jì)約束表達(dá)形式。

1.3.2 設(shè)計(jì)過程工具與參考知識的獲取與關(guān)聯(lián)

設(shè)計(jì)過程需要的知識是多樣化的,單一地使用關(guān)鍵詞進(jìn)行相似度匹配難以完整地獲得所需的知識,并且知識間本該具有的相關(guān)性聯(lián)系不能得到體現(xiàn)。因此使用關(guān)鍵詞匹配與關(guān)聯(lián)模型相結(jié)合的方法來獲取參考知識。

關(guān)鍵詞匹配的基礎(chǔ)是由關(guān)鍵詞構(gòu)成的領(lǐng)域知識本體網(wǎng)絡(luò)Y(圖3),它在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上使用鏈表進(jìn)行存儲。需要說明的是,知識領(lǐng)域被劃分成若干子領(lǐng)域,如材料、結(jié)構(gòu)和任務(wù),屬于不同子領(lǐng)域的知識之間的關(guān)聯(lián)度約定為0。每一個(gè)知識單元都由網(wǎng)絡(luò)Y中的若干關(guān)鍵詞進(jìn)行描述。

圖3 典型領(lǐng)域本體描述

從設(shè)計(jì)流程(步驟)和設(shè)計(jì)約束中抽取的關(guān)鍵詞集合為

其中,X M、X S、X T分別為材料、結(jié)構(gòu)、任務(wù)領(lǐng)域范圍內(nèi)的關(guān)鍵詞集合。

尋找最佳匹配關(guān)鍵詞的過程如下:

(1)搜索領(lǐng)域本體網(wǎng)絡(luò)Y的鏈表,獲取Xi的位置。

(2)包含處理。如果X中某些關(guān)鍵詞之間具有包含與被包含關(guān)系,則被包含的關(guān)鍵詞被認(rèn)為更具有代表性。篩選被包含關(guān)鍵詞的過程為:從Xi向上搜索父節(jié)點(diǎn)Father,如果Father∈X,則停止搜索,并對節(jié)點(diǎn)Father處的關(guān)鍵詞做包含標(biāo)記;否則持續(xù)查找父節(jié)點(diǎn)直到根節(jié)點(diǎn)為止。按上述過程對X中所有關(guān)鍵詞進(jìn)行包含處理。

(3)消減父關(guān)鍵詞。從X中去除有包含標(biāo)記的關(guān)鍵詞,得到描述步驟和約束的最佳關(guān)鍵詞集合X′。

通過X′反推得到具有X′中一個(gè)或若干個(gè)關(guān)鍵詞的知識集合K′。在初步獲取知識集合K′的基礎(chǔ)上考慮知識間的以下關(guān)系實(shí)現(xiàn)知識集的擴(kuò)展,得到更加全面的知識集K:

(1)分類匹配項(xiàng)。從設(shè)計(jì)約束、設(shè)計(jì)流程上獲取設(shè)計(jì)類型與設(shè)計(jì)對象,在知識規(guī)范化分類基礎(chǔ)上獲得設(shè)計(jì)類型匹配的設(shè)計(jì)知識。

(2)關(guān)鍵詞匹配項(xiàng)。知識單元K′1的關(guān)鍵詞不全包含于X,以其他關(guān)鍵詞為媒介,得到共享相同關(guān)鍵詞的知識集合。

(3)引用匹配項(xiàng)。引用匹配項(xiàng)描述了設(shè)計(jì)知識之間的引用關(guān)系,例如K′中某一知識元引用了一處計(jì)算工具知識,該知識元與被引用的計(jì)算工具就形成了引用關(guān)系。構(gòu)建引用關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)引用知識的快速定位與使用。

(4)依賴匹配項(xiàng)。在知識集合K中的某些知識單元不具有獨(dú)立性的情況下,需要為這些知識提供依賴知識。

(5)人工干預(yù)項(xiàng)。為達(dá)到安全與可靠的目的,使用黑白名單以保證必要的知識被提供給設(shè)計(jì)人員,因某些原因(如保密等)不能提供給設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)知識不賦予訪問權(quán)限。

為實(shí)現(xiàn)這種知識的擴(kuò)展,要求在知識入庫或后期完善時(shí)完成分類、關(guān)鍵詞描述、引用和依賴關(guān)系描述等工作。上述各知識子集之間有一定的重復(fù)性,歸總K時(shí)剔除重復(fù)知識即可。

1.3.3 設(shè)計(jì)成果知識獲取

相似模型的檢索策略如下:

(1)初步過濾。檢索模型庫中所有模型的設(shè)計(jì)流程描述矩陣,匹配當(dāng)前設(shè)計(jì)描述矩陣Mdesi。

(2)構(gòu)建模型功能矩陣。Mdesi中由設(shè)計(jì)步驟aij(即ai j≠±1)確定的設(shè)計(jì)參數(shù)pij的值域是有限的,即 pij∈{V1,V2,…,Vm},記模型功能矩陣為即ci j的取值為0或pij取值在值域{V1,V2,…Vm}中的序列編號。

(3)匹配模型功能矩陣。新設(shè)計(jì)的模型功能矩陣記為

在此基礎(chǔ)上設(shè)定適當(dāng)?shù)南嗨贫乳撝?篩選出模型,將其與設(shè)計(jì)流程關(guān)聯(lián)。

1.4 知識的個(gè)性化提供

經(jīng)過上述處理獲取了設(shè)計(jì)知識集合K,考慮到設(shè)計(jì)人員的不同角色、不同設(shè)計(jì)習(xí)慣和知識使用習(xí)慣,需要納入用戶模型對K進(jìn)行二次處理,旨在向設(shè)計(jì)人員提供個(gè)性化的設(shè)計(jì)知識組織方式。設(shè)計(jì)知識的個(gè)性化提供依賴于下列幾個(gè)方面:①設(shè)計(jì)人員角色。設(shè)計(jì)人員所負(fù)責(zé)的領(lǐng)域不同,重點(diǎn)關(guān)注的知識范圍就不同。②多樣的知識分類與排序策略。從知識的分類上,按照設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)成果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供知識;從知識的使用上,按照個(gè)人使用頻率、個(gè)人評價(jià)標(biāo)記方式進(jìn)行知識歸類。

2 基于知識模型的設(shè)計(jì)過程

基于該知識模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)包含全新設(shè)計(jì)與重用修改設(shè)計(jì)兩種類型,針對不同的情況,采用不同的方式組織設(shè)計(jì)流程。

2.1 設(shè)計(jì)流程組織

Minti的每一行代表的設(shè)計(jì)流程都有相應(yīng)的模型實(shí)例知識集合與之對應(yīng),該模型實(shí)例知識集合經(jīng)模型相似度計(jì)算得到,并且被用于新設(shè)計(jì)流程。新設(shè)計(jì)流程的構(gòu)造分為下面幾步(圖4):

圖4 基于重用的設(shè)計(jì)流程構(gòu)建

(1)確定相似度的閾值,進(jìn)一步篩選可重用的模型,即相似度大于該閾值則表示該模型具有重用的價(jià)值,否則不進(jìn)行重用。

(2)如果與子設(shè)計(jì)流程相關(guān)的模型的相似度滿足重用要求,則不再對該子設(shè)計(jì)流程進(jìn)行分解,調(diào)出相似度匹配的設(shè)計(jì)模型,并在此基礎(chǔ)上修改;否則,繼續(xù)細(xì)分該子設(shè)計(jì)流程。

(3)重復(fù)步驟(2),確定所有可以重用的模型,其他不滿足重用要求的模型均使用原有設(shè)計(jì)流程,進(jìn)入全新設(shè)計(jì)過程。

2.2 模型生成與知識庫更新

遵循設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品模型經(jīng)過校驗(yàn)評估、修改后收錄于模型庫中。另外由于增加了新設(shè)計(jì),故需要更新知識庫關(guān)聯(lián)模型。首先增加該模型的設(shè)計(jì)流程實(shí)例,然后更新模型相似度,更新過程按1.3.3節(jié)設(shè)計(jì)成果知識獲取過程進(jìn)行。

綜合設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)過程工具與參考知識、產(chǎn)品模型等知識及它們之間的聯(lián)系,構(gòu)建的機(jī)械產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)知識模型如圖5所示。

3 應(yīng)用實(shí)例

圖5 機(jī)械產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)知識模型

某鐵路貨車企業(yè)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中有大量的鐵路貨車的設(shè)計(jì)知識需要提供給設(shè)計(jì)人員。現(xiàn)以貨車轉(zhuǎn)向架的輪對設(shè)計(jì)為例,建立快速設(shè)計(jì)知識模型,輪對結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 輪對結(jié)構(gòu)圖

3.1 約束獲取

表1列出了輪對的相關(guān)設(shè)計(jì)約束。

表1 輪對設(shè)計(jì)約束

附加設(shè)計(jì)約束的輪對設(shè)計(jì)流程如圖7所示。該設(shè)計(jì)活動的矩陣為

圖7 輪對設(shè)計(jì)流程

以車軸設(shè)計(jì)子流程為例,需要確定K 2j(j=1,2,3,4)和與車軸設(shè)計(jì)匹配的設(shè)計(jì)模型。領(lǐng)域本體網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

3.2 K的確定

以K21為例,從約束和步驟描述中提取關(guān)鍵詞X={{X M},{X S},{X T}}={{材料,優(yōu)質(zhì)碳素鋼},{車軸},{?}}。從領(lǐng)域本體結(jié)構(gòu)中搜索得到關(guān)鍵詞“優(yōu)質(zhì)碳素鋼”繼承于關(guān)鍵詞“材料”,搜尋得到的最佳匹配關(guān)鍵詞集合X′={優(yōu)質(zhì)碳素鋼,車軸}。繼而得到以這些詞為關(guān)鍵詞的知識集合K′。應(yīng)用知識的關(guān)聯(lián)性關(guān)系按1.3.2節(jié)的步驟對設(shè)計(jì)知識進(jìn)行擴(kuò)展。

3.3 相似模型的獲取

表2 設(shè)計(jì)約束值域

則該設(shè)計(jì)的模型功能矩陣為

模型庫中模型功能矩陣C′和權(quán)重歸一化后矩陣λ分別表示為

3.4 重用設(shè)計(jì)過程

對輪對設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行分解,得到主軸設(shè)計(jì)流程、車輪設(shè)計(jì)流程和軸箱設(shè)計(jì)流程。

(1)主軸設(shè)計(jì)流程 。C ⊕C′=[1 1 1 0],權(quán)重 歸 一 化 后 的 矩 陣 λ =[0.09 0.52 0.22 0.17],模型相似度 SIM=0.09+0.52+0.22=0.83。

(2)車輪設(shè)計(jì)流程。C⊕C′=[0 1 0 1],權(quán)重歸一化后的矩陣λ=[0.23 0.36 0.14 0.27],模型相似度SIM=0.63。

(3)軸箱設(shè)計(jì)流程 。C ⊕C′=[1 1 0 0],權(quán)重歸一化后的矩陣λ=[0.56 0.44 0 0],模型相似度SIM=1。

假設(shè)確定重用的相似度閾值為0.8,則新設(shè)計(jì)流程與重用矩陣表達(dá)如圖8所示。

圖8 新設(shè)計(jì)流程與矩陣表達(dá)

4 結(jié)語

本文分析機(jī)械產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的知識管理需求,構(gòu)建了以設(shè)計(jì)流程為主要組織形式的設(shè)計(jì)知識模型,其表現(xiàn)形式為設(shè)計(jì)活動描述矩陣和知識關(guān)聯(lián)矩陣。在篩選涉及約束的關(guān)鍵詞的基礎(chǔ)上,通過關(guān)聯(lián)模式匹配設(shè)計(jì)知識,在計(jì)算模型相似度的基礎(chǔ)上搜索可重用模型。以此知識模型為基礎(chǔ)構(gòu)造面向重用新設(shè)計(jì)流程,加快產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、修改過程。

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A Study of Know ledge Model Supporting Rolling Stock Rapid Design

Yao Jia Guo Yu
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

In order to meet the demands of rapid design,design p rocesses using for organizing design know ledge were constructed on the basis of design know ledge analyzing.Starting from design constraints and design processes,using key words and design parameter m atching,based on the relations among know ledges,engineers were obtained comprehensive,personalized design know ledge and appropriate CAD models.New design process for know ledge reusing was established based upon the know ledge model to gear rapid design requirements.In the end,an exam ple was given to testify the effectiveness of the know ledge model.

rapid design;design process;know ledgemodel;model retrieval

TP391

1004—132X(2011)06—0691—06

2010—05—27

(編輯 蘇衛(wèi)國)

姚 佳,男,1986年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)。郭 宇,男,1971年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授。