Application of knowledge template in aerospace product design

朱　里，董碧丹，侯俊杰

（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

ZHU Li,　DONG Bi-dan,　HOU Jun-jie

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知識(shí)模板在宇航產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用

Application of knowledge template in aerospace product design

朱里，董碧丹，侯俊杰

（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

ZHU Li,DONG Bi-dan,HOU Jun-jie

摘要：在宇航產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中存在知識(shí)與設(shè)計(jì)過(guò)程關(guān)聯(lián)度較低的問(wèn)題，應(yīng)用知識(shí)模板，通過(guò)功能-行為-結(jié)構(gòu)模型（FBS）提高知識(shí)模板與產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程關(guān)聯(lián)度，并生成知識(shí)模板映射流程。同時(shí)應(yīng)用基于實(shí)例的推理方法，綜合考慮確定屬性和模糊屬性，通過(guò)相似度矩陣計(jì)算全局相似度，得到滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求的知識(shí)模板。最后，以液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的滑閥設(shè)計(jì)為實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明知識(shí)模板能提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，保證其可靠性。

關(guān)鍵詞：知識(shí)模板；設(shè)計(jì)過(guò)程；FBS模型；CBR

0　引言

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是設(shè)計(jì)者利用已有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)對(duì)設(shè)計(jì)需求或問(wèn)題進(jìn)行求解的過(guò)程，在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到的知識(shí)范圍廣、數(shù)量大、種類多，如何提高知識(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)用的效率直是學(xué)者們關(guān)注的問(wèn)題。目前，設(shè)計(jì)過(guò)程的知識(shí)研究主要集中在對(duì)知識(shí)本身的研究：王國(guó)新[1]等將坦克裝甲車輛設(shè)計(jì)知識(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)流程將劃分為種不同類型，并利用本體、基于實(shí)例推理、功能結(jié)構(gòu)映射和模板方法對(duì)種類型的設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行組織建模；秦海峰[2]等基于特征與知識(shí)對(duì)航空鈑金的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，建立了以設(shè)計(jì)知識(shí)為核心的廣義數(shù)據(jù)。陳永亮[3]等對(duì)模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)分類與面向?qū)ο蟮谋硎?、基于有向圖的產(chǎn)品模塊布局和構(gòu)型表示進(jìn)行了研究。

本文應(yīng)用知識(shí)模板來(lái)解決宇航產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中的知識(shí)關(guān)聯(lián)問(wèn)題，首先對(duì)宇航產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程的特點(diǎn)進(jìn)行分析，研究設(shè)計(jì)過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)之間的關(guān)系與約束。通過(guò)知識(shí)模板對(duì)復(fù)雜的宇航產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行表達(dá)，提高設(shè)計(jì)的可靠性，減少設(shè)計(jì)的迭代次數(shù)。

1　宇航產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程特點(diǎn)與知識(shí)分類

2）多學(xué)科綜合；宇航產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，在處理各種接口問(wèn)題和橫向協(xié)調(diào)時(shí)，面臨大量的跨系統(tǒng)和跨組織的更，容易產(chǎn)生混亂。

為將知識(shí)與設(shè)計(jì)過(guò)程相關(guān)聯(lián)，不僅要考慮設(shè)計(jì)過(guò)程，也要對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的知識(shí)進(jìn)行劃分。在設(shè)計(jì)過(guò)程中所用到的設(shè)計(jì)知識(shí)包括事實(shí)、規(guī)則和常識(shí)性知識(shí)，從知識(shí)的來(lái)源劃分，可將知識(shí)分為靜態(tài)知識(shí)和動(dòng)態(tài)知識(shí)；從知識(shí)的結(jié)構(gòu)劃分，可分為系統(tǒng)級(jí)知識(shí)和模塊級(jí)知識(shí)。將知識(shí)與設(shè)計(jì)過(guò)程關(guān)聯(lián)后，其復(fù)雜程度會(huì)成倍增長(zhǎng)，因?yàn)椴煌脑O(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)的需求也不相同。從設(shè)計(jì)階段去考慮，在概念設(shè)計(jì)階段對(duì)已有的需求進(jìn)行分析，從而確定產(chǎn)品的研發(fā)目標(biāo)、主要性能等指標(biāo)，因而在該設(shè)計(jì)階段，不僅借鑒已有的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)需要大量參考規(guī)范和法規(guī)等約束；在初步設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)產(chǎn)品的可行性、產(chǎn)品研發(fā)周期等進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)確定頂層設(shè)計(jì)要求，因而需要參考設(shè)計(jì)規(guī)范和法規(guī)、明確接口關(guān)系和規(guī)劃、強(qiáng)制性驗(yàn)證等文件；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，明確可制造性、可裝配性以及后期維護(hù)性、設(shè)計(jì)資料的完整（圖紙、數(shù)字化圖形文件、軟件清單、試驗(yàn)和驗(yàn)證、驗(yàn)收準(zhǔn)則）、制定初步的產(chǎn)品規(guī)范，對(duì)涉及到的學(xué)科知識(shí)需要進(jìn)行系統(tǒng)的梳理。

2　知識(shí)模板的構(gòu)建

2.1知識(shí)模板概述

宇航產(chǎn)品設(shè)計(jì)遵循“系列化、組合化、模塊化”的思想，同系列的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中具有所采用的設(shè)計(jì)原理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及相互關(guān)聯(lián)關(guān)系都類似，知識(shí)模板應(yīng)具有以下種特性：

通用性，模板是對(duì)具有相似特性事物的抽象表達(dá)，而表達(dá)應(yīng)規(guī)范，能應(yīng)用于大部分場(chǎng)合；

封裝性，側(cè)重考慮輸入與輸出，避免考慮繁瑣的中間過(guò)程。

2.2知識(shí)模板生成

FBS模型根據(jù)所需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，即功能，確定知識(shí)的層次屬于概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)或詳細(xì)設(shè)計(jì)；再匹配能實(shí)現(xiàn)各不同功能的基本工作原理，即行為，確定知識(shí)所應(yīng)用的層級(jí)，屬于系統(tǒng)級(jí)、模塊級(jí)或部件級(jí)；然后尋找能實(shí)現(xiàn)該工作原理的相應(yīng)結(jié)構(gòu)來(lái)匹配，從而實(shí)現(xiàn)從功能到結(jié)構(gòu)的映射過(guò)程。在對(duì)某功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)匹配時(shí)，首先滿足功能需求，在滿足功能的多個(gè)結(jié)構(gòu)中，通過(guò)約束條件在多個(gè)結(jié)構(gòu)中選出最合理的結(jié)構(gòu)解。

具體的映射方式有兩種，首先明確最終實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，尋找能實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)時(shí)，再將實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的總功能分解為若干子功能，并分析功能類型，確保子功能的集合能夠完全實(shí)現(xiàn)總功能。隨后，將子功能分解為個(gè)個(gè)可實(shí)現(xiàn)的行為，通過(guò)行為類型、行為關(guān)系的分析，綜合考慮行為之間的約束和配合，確定結(jié)構(gòu)。最后，通過(guò)結(jié)構(gòu)部件將各個(gè)功能映射到對(duì)應(yīng)的工作原理，滿足最終的設(shè)計(jì)需求。

圖1　設(shè)計(jì)過(guò)程映射流程圖

3　知識(shí)模板的匹配

3.1屬性相似度計(jì)算模型

知識(shí)模板形式簡(jiǎn)潔，匹配難度較低，通常選用CBR方法?；趯?shí)例推理CBR主要分為：最近鄰法、歸納推理法、知識(shí)引導(dǎo)法和模板檢索法。最近鄰法是較為通用的方法，基于相似度來(lái)對(duì)模板進(jìn)行匹配，原理簡(jiǎn)單[7]。為計(jì)算知識(shí)模板的相似度，由最近鄰法得出精確屬性之間的相似度，綜合模糊屬性計(jì)算，算出各個(gè)屬性的相似度矩陣；隨后根據(jù)各屬性的權(quán)值，得出知識(shí)模板的全局相似度，最后可比較得出與設(shè)計(jì)需求最接近的知識(shí)模板。

當(dāng)計(jì)算兩個(gè)實(shí)例之間的相似度時(shí)，根據(jù)確定屬性值是離散還是連續(xù)的，可分為以下兩類：

1）當(dāng)x，y為連續(xù)確定屬性值時(shí)，其相似度計(jì)算公式為：

2）當(dāng)x，y為離散確定屬性值時(shí)，其相似度計(jì)算公式為：對(duì)于模糊屬性相似度的計(jì)算需要應(yīng)用特別的關(guān)系函數(shù)，如角函數(shù)、梯形函數(shù)、線性函數(shù)、高斯函數(shù)等。角函數(shù)與線性函數(shù)的表達(dá)能力有限，高斯函數(shù)計(jì)算相對(duì)較復(fù)雜，因而本文采用基于梯形函數(shù)的模糊集合來(lái)計(jì)算模糊屬性的相似度，根據(jù)梯形函數(shù)的面積比法，其公式如下：

其中，A代表對(duì)于隸屬函數(shù)的區(qū)域面積，xi,yi分別代表其模糊屬性域，x代i表兩個(gè)模糊屬性域的交集，x代i 表兩個(gè)模糊屬性域的并集。

在得出各個(gè)屬性的相似度后，依據(jù)相似度和各屬性的權(quán)值計(jì)算出全局相似度。設(shè)定各屬性權(quán)值較通用的方法為：專家打分法、成對(duì)比較法、調(diào)查統(tǒng)計(jì)法、模糊綜合評(píng)判決策法、遺傳算法等，前四種方法是在專家先驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)上來(lái)確定權(quán)重值，算法簡(jiǎn)單。本文選取專家打分法生成各屬性權(quán)重W={wi,wi,…,wk},i,j,k={1,2,3…}，從而給出全局相似度的計(jì)算模型是：

其中CS是連續(xù)確定屬性的相似度，CP是離散屬性的相似度，F(xiàn)S是模糊屬性的相似度。

3.2實(shí)例檢索算法

具體匹配算法步驟如下：

步驟2：以問(wèn)題實(shí)例點(diǎn)中權(quán)值較大的幾個(gè)屬性為約束條件在知識(shí)模板庫(kù)中進(jìn)行檢索，按屬性的權(quán)值從大到小來(lái)進(jìn)行檢索，若無(wú)法匹配，則刪除權(quán)值最小的屬性后再次進(jìn)行檢索，找出滿足約束條件的知識(shí)模板，跳轉(zhuǎn)步驟3。若多次刪除后屬性個(gè)數(shù)小于2或權(quán)值之和小于0.3時(shí)，則跳轉(zhuǎn)步驟1，重新輸入問(wèn)題實(shí)例點(diǎn)。

步驟4：計(jì)算K個(gè)實(shí)例中確定屬性與模糊屬性的相似度，對(duì)應(yīng)屬性的相似度建立相似度矩陣。

2）重復(fù)執(zhí)行上述操作，依次求出MiNj的精確屬性相似度CS、CP，以及模糊屬性相似度FS。

3）重復(fù)執(zhí)行，根據(jù)所求相似度得出K個(gè)實(shí)例的相似度，組成相似度矩陣：

步驟5 用矩陣計(jì)算求出M0N0與MiNj的相似度：

4　實(shí)例驗(yàn)證

從設(shè)計(jì)階段劃分，確定滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段；從設(shè)計(jì)層次劃分，滑閥屬于部件級(jí)設(shè)計(jì)。首先通過(guò)FBS模型對(duì)燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行映射分解，隨后將對(duì)滑閥的設(shè)計(jì)需求轉(zhuǎn)化為功能、行為和結(jié)構(gòu)之間的映射，通過(guò)知識(shí)模板的方式描述設(shè)計(jì)需求與各結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系。

表1　燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)系統(tǒng)FBS關(guān)系描述

從功能域和行為域映射可以看出，滑閥是燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部件之，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有直接的影響。用FBS模型對(duì)滑閥進(jìn)步分解，得到映射關(guān)系如表2所示。

表2　滑閥FBS關(guān)系描述

在滑閥零件的性能中，其穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力對(duì)滑閥的穩(wěn)定性有很大的影響，而其液動(dòng)力又受到滑閥位移、液流出口處的通道形狀、刃邊厚度等多個(gè)指標(biāo)的影響?，F(xiàn)給出初步的設(shè)計(jì)需求，由關(guān)系映射得出知識(shí)模板如表3所示，通過(guò)CBR算法從表4中選取相似度最大的實(shí)例節(jié)點(diǎn)，具體步驟如下：

以滑閥設(shè)計(jì)問(wèn)題點(diǎn)為問(wèn)題實(shí)例點(diǎn)，檢索相似的實(shí)例節(jié)點(diǎn)。

輸入滑閥的問(wèn)題實(shí)例點(diǎn)，并由專家打分確定各屬性的權(quán)值，屬性范圍來(lái)自專家經(jīng)驗(yàn)。如表3所示。

表3　滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力實(shí)例點(diǎn)屬性表

實(shí)例類型為滑閥零件的實(shí)例節(jié)點(diǎn)，找出滿足設(shè)計(jì)要求的實(shí)例節(jié)點(diǎn)。從實(shí)例庫(kù)中取些實(shí)例節(jié)點(diǎn)，如表4所示。

表4　設(shè)計(jì)實(shí)例點(diǎn)屬性表

求解實(shí)例M0N0與各實(shí)例節(jié)點(diǎn)的的相似度。首先，計(jì)算對(duì)應(yīng)確定屬性（空載額定流量、供油壓力、回油壓力、液壓油密度、刃邊厚度、滑閥節(jié)流槽）和模糊屬性（滑閥開口）的相似度，然后根據(jù)計(jì)算得出實(shí)例M0N0與五個(gè)實(shí)例節(jié)點(diǎn)的屬性相似度，得出相似度屬性矩陣：

5　結(jié)束語(yǔ)

本文在宇航產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用知識(shí)模板，通過(guò)FBS模型將知識(shí)映射到產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，同時(shí)結(jié)合基于實(shí)例的推理技術(shù)，得到與設(shè)計(jì)需求相匹配最合適的知識(shí)模板，為設(shè)計(jì)過(guò)程得到較為科學(xué)準(zhǔn)確的知識(shí)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)的可靠性。采用基于相似度的檢索算法，最終得到滿足設(shè)計(jì)需求的知識(shí)模板。知識(shí)模板與宇航產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程相關(guān)聯(lián)，能有效的提高知識(shí)的利用率，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

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作者簡(jiǎn)介：朱里（1990 -），男，安徽廬江人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹R(shí)工程。

收稿日期：2015-11-23

中圖分類號(hào)：TP399

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-0134(2016)03-0089-04