摩托車智能設計中知識庫系統的研究與實現

(1.重慶大學 機械工程學院， 重慶 400044; 2.西南大學 工程技術學院， 重慶 400715)

摘 要：根據摩托車設計知識的特點和分類，應用面向對象的思想實現了實例知識的表示并構建了層次實例庫，采用CLIPS語言實現規則知識的表示并創建了規則庫。同時運用了元知識的思想實現各個子知識庫之間的管理和知識的利用，建立了知識庫管理系統，有效地實現了摩托車設計經驗知識的獲取、查詢和維護，為摩托車智能設計提供了知識支持。

關鍵詞：摩托車;智能設計；知識庫；知識庫管理系統；面向對象；CLIPS

中圖分類號：TP182；TP302.1 文獻標志碼：A

文章編號：10013695(2009)01019903

Research and implementation of knowledge base system inmotorcycle intelligent design

DAI Rong1，2，HE Yulin1，YANG Xiangang1，He Huibo2

(1.College of Mechanical Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China;2.College of Engineering Technology， Southwest University， Chongqing 400715， China)

Abstract:According to the characteristics and classification of the motorcycle design knowledge，using the objectoriented technology，this paper realized case knowledge representation and built hierarchical casebased database.By adopting CLIPS language， implemented rule knowledge representation andestablished rule base. Meanwhile realized the management of knowledge base and the knowledge using among subknowledge bases by applying metaknowledge idea.It established knowledge base managment system， which could realize the knowledge acquiring， knowledge maintainability， knowledge inquiring. It provided the knowledge support for motorcycle intelligent design.

Key words:motorcycle; intelligent design; knowledge base; knowledge base management system; objectoriented; CLIPS

目前我國摩托車行業日益激烈的競爭、摩托車產品價格的下降都將促使摩托車生產廠家盡力縮短摩托車產品設計周期。同時摩托車行業總體存在著自主創新開發能力較差、產品檔次不高，摩托車設計知識、設計經驗的重用性差和共享性差的問題，企業的技術人才流失也是產品開發能力降低的原因之一。如何把設計人員的豐富經驗及專業知識進行歸納總結并形成規范，是企業迫切需要解決的問題，否則隨著人員的調動將會使企業喪失所擁有的技術優勢。因此，將人工智能等信息處理技術運用到摩托車產品設計中，實現摩托車設計知識的數字化和編碼化并建立知識庫系統是非常迫切的任務。

產品設計過程分為三個階段，即需求分析、概念設計和詳細設計。相應產生三個階段性過程，是產品設計過程中最重要、最復雜，同時又是最活躍、最富于創造性的設計階段。

我國摩托車設計水平比較落后，特別體現在整車概念設計階段，設計知識、經驗沒有得到很好的整理與重用，所以針對摩托車概念設計開發的知識庫系統對提高摩托車的設計水平有著重要的現實意義。

1 摩托車設計知識的特點與分類

知識是一種用符號表示的信息，信息是知識的內涵與實體，而符號是信息的外延與形式。在知識庫中，一般采用的知識表示體系是用概念—事實—規則所表示的三級知識體系[1]。事實由概念組成，表達概念之間的關系；規則由事實組成，建立了事實間的聯系，如因果聯系。

11 摩托車設計知識的特點

摩托車主要由發動機、傳力裝置、行路部分和操縱部分構成。每部分又包含其他部件，如發動機包括曲軸連桿機構、配氣機構等；而行路部分分為車架、前懸掛、后懸掛、后搖架和車輪等。

摩托車設計主要是由需求分析來確定車型、發動機的型式以及整車和發動機的主要性能參數。整車性能的關鍵在于整車的一些主要參數的確定、發動機參數的確定以及與車架之間的匹配關系，這些因素是摩托車設計時需要確定的主要參數，也是影響到整車性能的關鍵所在，因此摩托車設計知識提取的重點是對整車、發動機和車架等性能參數的確定。

摩托車設計知識的特點：a）具有很強的部件獨立性。例如發動機設計、車架設計都可以分別作為一個整體，其中每個零部件的設計內容和要求是比較獨立的。b）層次性。根據摩托車的設計過程可以逐步劃分為一系列相對獨立的不同層次上的子目標來描述，即階段性。例如摩托車設計過程中確定車型、車型參數、發動機型式及其參數。

12摩托車設計知識的分類

摩托車設計知識根據知識的應用情況分為實例知識、規則知識、約束知識三類（圖1）。實例知識主要是已經成功的摩托車設計產品及其設計經驗和過程。現在的摩托車設計思想一般都是從已經存在的實例著手，根據現在的設計功能、性能及用途等要求，分析提取以前相似的實例作為該設計方案的參考，然后再根據設計經驗修改實例，對于適用于該方案的思想及方法等將被采用。這就是實例的可重用性，所以搜集實例知識并建立實例庫對于提高系統的智能性及實用性是必不可少的。規則知識是指設計領域，特別是摩托車設計領域的理論知識和設計者經驗等，這些作為知識規則存儲到規則庫中，形成專家知識庫，用于解決設計過程中的問題，其知識量的多少將直接影響到設計專家系統解決設計問題的能力。約束庫用于存放設計的各類約束，如幾何約束、與產品相關的法規及各種標準等。

2 摩托車設計知識的表示

知識表示就是將知識符號化的過程，知識表示是知識庫建立的前提，是專家系統研究的核心內容。現在的知識表示方法主要有一階謂詞邏輯、產生式、框架、語義網絡、面向對象等多種表示知識的方法。根據上面分析的摩托車設計領域知識特點和分類，采用面向對象表示法及產生式表示法來表示。

21 面向對象及產生式表示法的特點

面向對象的知識表示方法是以對象為中心，將對象的屬性、動態行為和特征、相關領域的知識和數據處理方法等有關知識封裝在表達對象的結構中，以便于屬性數據的共享和可再利用；而且面向對象方法的繼承性體現了概念分離抽象，在對象繼承結構上，下層對象繼承上層對象的特征（屬性和操作），因而便于知識的演化和增量式的擴充[2]。同時面向對象方法具有信息的隱藏性，對象將其實現細節隱藏在它的內部，而不會對外界產生影響，這就保證了有關對象的知識可構造性和易維護性。

產生式表示法是專家系統中較為普遍的一種，其一般表示形式為:if(前提1)＆(前提2)＆…then(結論1) ＆(結論2) ＆…。其中，前提是符號化的事實型知識，不同前提形式構成不同的產生式規則類型，如常量型前提、變量型前提、結束型前提、表達式計算型；結論則是符號化事實型知識。產生式規則的特點主要表現為:a)采用“if…then”的知識表示形式，是一種常用的因果關系表示形式；b)產生式規則等知識與推理機分離，且規則間聯系與上下文的數據結構相關；c)產生式表示法可以表示確定性知識，同時也可以表示不確定性知識；d)基于產生式規則系統的推理過程要求精確匹配，所以推理的效率不高；e)產生式規則不能表達結構性知識；f）當規則數量增多時，規則的一致性及完備性難以檢驗和保證。

22 摩托車設計知識的表示

根據圖1摩托車設計知識分類的特點，在采用面向對象知識表示方法實現摩托車設計知識表示的過程中，實例知識和規則知識、約束知識的特點不同可以表示為實例庫、規則庫和約束庫，但是這里由于規則庫與約束庫的內容特點類似，可以合并為規則知識庫。摩托車設計實例知識按照知識庫層次結構的分類特點，分為整車實例庫、發動機實例庫和車架實例庫等，通過面向對象類封裝為整車實例類、發動機實例類和車架實例類等，類中屬性表示整車、發動機和車架的主要性能、尺寸參數等，同時類也提供方法供外界使用以便獲得其對象的屬性。摩托車設計規則知識的表示，根據圖2摩托車設計流程的規則知識的特點，規則知識劃分為選擇性、參數性和過程規則知識。

選擇性規則知識是指普通產生式結構的規則，如圖2所示，由產品的用途、使用性能來確定摩托車的車型或由摩托車車型來確定車架類型、由摩托車的排量來確定發動機的型式等規則，這種規則的關系主要是因果關系；參數性規則知識主要是指用于確定產品設計參數（包括結構參數和性能參數）等規則知識，如根據摩托車車型可以確定車型主要尺寸和性能參數、車型參數等規則；過程規則知識是比較重要的一種規則，過程是指摩托車設計的各個流程或是大部件設計和零件等相應的設計流程。知識庫存儲知識以便于把靜態的規則（陳述性）知識動態地應用起來，這樣知識的關系也就可以明顯地體現出來。例如摩托車的車型選擇，相應車型的結論（如強度、剛度要求以及相應的參數）引導知識自動尋找相關強度、剛度及相關參數的規則，這種尋找引導的方式就是過程。用途→車型→主要尺寸，或者用途→車型→排量→功率→發動機型式→發動機結構參數等，這樣的過程都是一個過程性知識。

3 摩托車知識庫的構建

知識庫是知識的集合，包括大量的事實性知識和規則性知識。知識庫的發展經歷了數據庫、演繹數據庫和知識庫三個階段。在知識庫中要建立知識模式以規范知識的邏輯結構與物理結構。知識模式包括知識中的事實模式與規則模式。其中，事實模式可參照數據庫中數據模式，數據庫的數據包括屬性值與元組，而屬性值表示概念，元組表示事實；規則模式的邏輯結構與物理結構目前研究較少，至今尚未有成熟的結構形式出現。

根據摩托車設計知識的特點及其表示法如何來組織設計知識和經驗的存儲方式，是知識庫框架研究的重點。知識的組織形式必須便于知識的存儲和推理機的應用。為了有效地存儲摩托車設計過程中使用的各種設計知識、方法和案例，采用面向對象建模技術和方法構建知識表達模型，將面向對象模型映射到關系數據庫中[3]，按照數據庫的組織策略組織實例庫。規則庫則以文本文件形式（記事本文件.txt）組織，與其采用的推理方式有關。規則推理采用了CLIPS語言嵌入過程性的宿主語言VC++中實現，可以減少建立規則庫的工作量，增加系統的處理能力[1，4，5]。

31 摩托車知識庫的結構

知識庫的層次結構如圖3所示。摩托車知識庫主要由實例庫和規則庫兩大部分組成。實例庫主要由摩托車整車實例庫、發動機實例庫和車架實例庫組成；而規則庫則由規則知識庫、過程知識庫和參數知識庫等組成。規則知識庫也可以分為摩托車車型、發動機型式和車架類型確定規則等；參數知識庫由車型主要尺寸、主要性能、車型和發動機結構參數等組成。這是一個很明顯的層次結構，摩托車設計知識的層次性結構特點也就決定了知識庫的層次結構，但是為了更好地管理這些知識庫中的知識，采用元知識的方法(元知識是關于知識的知識)，如圖3中第二層均為元知識層。通過元知識層的控制，可以方便地管理知識庫中的知識，同時也便于知識的索引。

32 知識庫的實現

根據面向對象的思想特點，實例庫系統在VC中的實現過程采用了三層結構（圖4），即表示層、中間層、數據層。表示層用于向用戶顯示實例知識的內容、實現知識獲取、知識維護等功能的界面，但是出于數據的安全性和便于管理等方面的考慮，表示層不能直接調用數據庫中的數據，而是通過調用中間層的實例類中的方法來獲取其屬性，中間層的方法再通過ADO接口調用SQL數據庫。實例庫系統三層結構的優點是：a）便于知識的表示。中間層的實例類中封裝的不僅僅是方法和屬性，還有實例庫的元知識和過程性知識，這些知識是知識庫不可缺少的知識，可以很容易地封裝到實例類中。整個知識系統被分為不同的邏輯塊，層次非常清晰，管理和維護變得相對簡單。b）通過中間層的類封裝了實例庫管理的所有功能，表示層的任何改變并不影響到內部框架的變化。

規則庫系統則由推理機和斷言兩部分組成[5]，斷言分為一組事實和一組可被事實激發的規則，按照 CLIPS語言規范[6，7]，完成摩托車規則知識的定義。例如，要與VC++進行數據交流，則在規則中需使用用戶自定義函數，規則如下：

(defrule coolingselect1\"選擇發動機的冷卻方式\"

(repair engine)

?d←(designrequirement (exhaustcapacity ?exhaustcapacity)) 

(test(<= ?exhaustcapacity 125)) 

=>

(ExplainOut \"coolingselect1\"\"風冷構造簡單，不存在泄漏、積垢、沸騰、結冰等問題，冷卻系工作可靠，使用維修方便，特別是自然風冷不需要維修。但隨著發動機升功率不斷高，風冷常顯得冷卻不足，風冷發動機溫度變化大，熱負荷高，影響了可靠性和耐久性，運轉噪聲也較大，125mL以下的發動機大都采用風冷\")

(if (YesOrNo \"選擇發動機冷卻方式\" \"風冷\" \"水冷\")

then(TextOut cooling \"風冷\")

else(TextOut cooling \"水冷\"))

)

這是一個選擇發動機冷卻方式的規則，當發動機排量不大于125時，可選用風冷或水冷。上面用到了三個用戶自定義函數：ExplainOut用于規則解釋及與用戶交互時給用戶提示；YesOrNo用于與用戶交互；TextOut將推理結果傳送給VC++。

規則庫系統具有模塊性，可以很容易地構建、調試和維護。

4 知識庫管理系統

知識庫管理系統是知識庫系統的核心部分，它實現對知識庫的知識獲取、知識查詢、知識維護等功能。知識獲取可由原始知識直接輸入知識庫或者由推理機構生成的中間知識加入知識庫。知識查詢分為實例查詢和規則查詢，實例知識的查詢是從實例庫中提取符合條件的實例供用戶瀏覽，主要分為兩種查詢，即按照設計需求模糊匹配查詢與按照產品的生產廠家進行查詢。知識維護主要是實現對知識的更新功能和刪除功能。正如程序和數據庫分離一樣，知識庫與推理機的分離有利于實現知識庫的擴充與完善而不影響推理機制，提高了系統的性能。知識庫管理系統的系統結構如圖5所示。知識利用（推理機構）采用了先實例推理（最近鄰法），再規則推理的集成推理機制[8]。

5 知識庫系統運行實例

摩托車設計知識庫系統是在 VC++6.0和SQL 2000 Server環境下開發的，其功能包括知識獲取、知識查詢、知識維護、知識檢查、總體設計推理系統（知識利用）和聯機幫助等模塊。下面給出實例知識的查詢應用實例。實例知識查詢是提供用戶瀏覽知識庫實例知識，其中可以根據所提的檢索條件實現瀏覽實例需求、選型方案、布局方案、性能要求、整車、發動機、車架圖片內容。實例查詢可以按照兩種方式進行，即按設計需求檢索（匹配檢索一）和按型號檢索（匹配檢索二）。設計需求檢索中首先按照設計需求選擇車型，然后選擇相應的用途，選好以后接著填寫預算成本和排量(這兩項可以按照查詢者的要求分別只填寫其中一個，或兩個都填寫，但不能全部為空)。按型號檢索中，輸入摩托車的型號“ZS”（宗申摩托車），如圖6所示，然后點擊匹配檢索（執行模糊匹配檢索），則左列表框中列出檢索出的符合條件的各款車，最后可以點擊任意一款車（ZS12536）詳細查詢實例要求、選型方案、布局方案、性能要求、發動機、車架、圖片內容。

6 結束語

本文通過分析摩托車設計知識經驗的特點和分類，運用面向對象表示法表示成熟的摩托車設計實例知識，運用產生式表示法表示專家經驗知識（即規則知識），依照層次知識庫結構思想劃分實例庫、規則庫以及其子目標知識庫。按照關系數據庫邏輯模式和存儲模式組織實例庫，并用面向對象的方法構建和ADO技術實現實例庫；規則庫則是用文本文件（記事本文件.txt）存儲，規則按照專家系統工具CLIPS格式編寫。將實例庫和規則庫采用不同的存儲模式和實現方式，便于規則庫構建與推理機聯系起來，實現規則推理，減少了建立規則庫的工作量，增加了系統處理能力，成功地實現了知識的表示和知識庫構建，并在VC++和SQL 的環境下開發了知識庫管理系統，最后給出了運行實例。

摩托車設計的知識庫系統是實現參數化建模的基礎，針對摩托車設計知識庫系統的開發將有利于摩托車整車設計的知識經驗的整理和重用，同時也是為實現摩托車智能設計系統提供了知識支持。

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