支持鐵路貨車快速設計的知識模型研究

姚 佳 郭 宇

南京航空航天大學,南京,210016

支持鐵路貨車快速設計的知識模型研究

姚 佳 郭 宇

南京航空航天大學,南京,210016

為了適應快速設計的需求,在對設計知識進行分析的基礎上構建了用于組織設計知識的設計流程;從設計約束、設計流程出發,以設計知識間的關聯為基礎,分別利用關鍵詞匹配和模型設計參數值匹配的方式,向設計人員提供全面的設計工具與參考知識集和模型集,并實現個性化的提供方式;在此知識模型基礎上建立面向重用的設計過程模型,以適應快速設計的需要。某鐵路貨車企業快速設計系統中的驗證結果表明,該知識模型能有效地為產品快速設計提供設計知識。

快速設計;設計流程;知識模型;模型檢索

0 引言

當今市場的需求變化越來越快,產品的設計與制造需要尋求效率和質量的結合。為適應這種特點,快速設計理念越來越受到重視,基于快速設計的產品開發設計平臺也有了越來越多的應用。尤其在成熟產品領域,變型設計已經成為主要的設計方式,基于實例推理(CBR)技術、面向產品族的設計技術已有大量的研究與應用[1-8]。胡建[1]以本體論為基礎對設計知識進行建模,在此基礎上構建了基于知識引導的多視圖設計知識檢索模型和基于多維度的設計知識重用模型。車君華[2]采用支持向量機(SVM)的方法對文檔進行分類,基于公理設計理論進行設計知識表達,在ROUGH SETS理論基礎上構建知識獲取方法。上述研究側重于知識的檢索與發現,對知識的組織依靠分類方式,沒有考慮設計知識的利用是跟隨設計過程的這一因素。Baxtor等[3]使用流程建模的方式組織包括流程信息、任務信息、產品模型的設計知識,但是沒有構建不同類型的知識之間的相關性,知識的使用具有一定局限性。針對這兩個問題,我們把快速設計條件下知識模型的構建過程分為約束獲取、知識組織、知識關聯。

1 機械產品設計知識模型

1.1 產品設計知識分類

機械產品設計過程是一個涉及多學科、多來源、不同性質知識的活動。從知識的表現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 機械產品設計知識分類

(1)設計流程。人們從產品設計準則或經實踐檢驗正確的知識中提煉出用于描述產品具體設計步驟、指導產品設計、保證設計過程正確、保證設計工具與設計參考知識規范使用的一類知識。設計流程可以被認為是組織設計工具與設計參考知識的骨架模型。

(2)設計過程工具與參考知識。產品在具體設計階段對知識有大量需求,這些知識用于確定設計變量取值、為設計提供理論和實驗依據等。該部分知識可以細分為設計工具類(計算和校核工具)、設計理論類(設計規范、設計標準)和實驗數據類(仿真與實驗數據)。

(3)設計成果知識。設計成果知識指設計完成后得到的知識,包括產品模型與相應的設計過程表述(設計流程實例)。

1.2 設計流程的組織與表達

設計活動往往比較復雜,需要被分解為若干子任務進行分發,將這些任務、子任務的實現過程進行詳細表達就產生了設計流程樹。設計流程樹(圖2)的組織具有層次化、有序化與模塊化的特點,且存在設計流程的嵌套,這種嵌套的子設計流程體現為產品模塊劃分或子設計任務。依據設計流程的特點,將產品設計相關知識與設計流程、子流程或設計步驟建立關聯的,實現知識的準確提供與有序利用。

一項設計活動D可以由兩個矩陣表達:

圖2 設計流程的組織與表示

1.3 設計知識獲取與關聯

設計知識的搜索依據包括設計約束和當前設計流程、設計步驟。設計知識包括設計過程工具與參考知識、設計成果知識,前者通常與設計步驟關聯,后者與設計流程關聯。

1.3.1 約束獲取

設計約束來源于任務的下發過程,設計約束按設計流程結構分解,因此需要提供能與設計流程方便匹配的設計約束表達形式。

1.3.2 設計過程工具與參考知識的獲取與關聯

設計過程需要的知識是多樣化的,單一地使用關鍵詞進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性聯系不能得到體現。因此使用關鍵詞匹配與關聯模型相結合的方法來獲取參考知識。

關鍵詞匹配的基礎是由關鍵詞構成的領域知識本體網絡Y(圖3),它在數據結構上使用鏈表進行存儲。需要說明的是,知識領域被劃分成若干子領域,如材料、結構和任務,屬于不同子領域的知識之間的關聯度約定為0。每一個知識單元都由網絡Y中的若干關鍵詞進行描述。

圖3 典型領域本體描述

從設計流程(步驟)和設計約束中抽取的關鍵詞集合為

其中,X M、X S、X T分別為材料、結構、任務領域范圍內的關鍵詞集合。

尋找最佳匹配關鍵詞的過程如下:

(1)搜索領域本體網絡Y的鏈表,獲取Xi的位置。

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

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

通過X′反推得到具有X′中一個或若干個關鍵詞的知識集合K′。在初步獲取知識集合K′的基礎上考慮知識間的以下關系實現知識集的擴展,得到更加全面的知識集K:

(1)分類匹配項。從設計約束、設計流程上獲取設計類型與設計對象,在知識規范化分類基礎上獲得設計類型匹配的設計知識。

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

(3)引用匹配項。引用匹配項描述了設計知識之間的引用關系,例如K′中某一知識元引用了一處計算工具知識,該知識元與被引用的計算工具就形成了引用關系。構建引用關系可以實現引用知識的快速定位與使用。

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

(5)人工干預項。為達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計人員,因某些原因(如保密等)不能提供給設計人員的設計知識不賦予訪問權限。

為實現這種知識的擴展,要求在知識入庫或后期完善時完成分類、關鍵詞描述、引用和依賴關系描述等工作。上述各知識子集之間有一定的重復性,歸總K時剔除重復知識即可。

1.3.3 設計成果知識獲取

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計流程描述矩陣,匹配當前設計描述矩陣Mdesi。

(2)構建模型功能矩陣。Mdesi中由設計步驟aij(即ai j≠±1)確定的設計參數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。新設計的模型功能矩陣記為

在此基礎上設定適當的相似度閾值,篩選出模型,將其與設計流程關聯。

1.4 知識的個性化提供

經過上述處理獲取了設計知識集合K,考慮到設計人員的不同角色、不同設計習慣和知識使用習慣,需要納入用戶模型對K進行二次處理,旨在向設計人員提供個性化的設計知識組織方式。設計知識的個性化提供依賴于下列幾個方面:①設計人員角色。設計人員所負責的領域不同,重點關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,按照設計工具、設計理論、設計成果和實驗數據提供知識;從知識的使用上,按照個人使用頻率、個人評價標記方式進行知識歸類。

2 基于知識模型的設計過程

基于該知識模型的產品設計包含全新設計與重用修改設計兩種類型,針對不同的情況,采用不同的方式組織設計流程。

2.1 設計流程組織

Minti的每一行代表的設計流程都有相應的模型實例知識集合與之對應,該模型實例知識集合經模型相似度計算得到,并且被用于新設計流程。新設計流程的構造分為下面幾步(圖4):

圖4 基于重用的設計流程構建

(1)確定相似度的閾值,進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值,否則不進行重用。

(2)如果與子設計流程相關的模型的相似度滿足重用要求,則不再對該子設計流程進行分解,調出相似度匹配的設計模型,并在此基礎上修改;否則,繼續細分該子設計流程。

(3)重復步驟(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計流程,進入全新設計過程。

2.2 模型生成與知識庫更新

遵循設計流程設計完成的產品模型經過校驗評估、修改后收錄于模型庫中。另外由于增加了新設計,故需要更新知識庫關聯模型。首先增加該模型的設計流程實例,然后更新模型相似度,更新過程按1.3.3節設計成果知識獲取過程進行。

綜合設計流程、設計過程工具與參考知識、產品模型等知識及它們之間的聯系,構建的機械產品快速設計知識模型如圖5所示。

3 應用實例

圖5 機械產品快速設計知識模型

某鐵路貨車企業快速設計系統中有大量的鐵路貨車的設計知識需要提供給設計人員。現以貨車轉向架的輪對設計為例,建立快速設計知識模型,輪對結構如圖6所示。

圖6 輪對結構圖

3.1 約束獲取

表1列出了輪對的相關設計約束。

表1 輪對設計約束

附加設計約束的輪對設計流程如圖7所示。該設計活動的矩陣為

圖7 輪對設計流程

以車軸設計子流程為例,需要確定K 2j(j=1,2,3,4)和與車軸設計匹配的設計模型。領域本體網絡如圖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鍵詞X={{X M},{X S},{X T}}={{材料,優質碳素鋼},{車軸},{?}}。從領域本體結構中搜索得到關鍵詞“優質碳素鋼”繼承于關鍵詞“材料”,搜尋得到的最佳匹配關鍵詞集合X′={優質碳素鋼,車軸}。繼而得到以這些詞為關鍵詞的知識集合K′。應用知識的關聯性關系按1.3.2節的步驟對設計知識進行擴展。

3.3 相似模型的獲取

表2 設計約束值域

則該設計的模型功能矩陣為

模型庫中模型功能矩陣C′和權重歸一化后矩陣λ分別表示為

3.4 重用設計過程

對輪對設計的流程進行分解,得到主軸設計流程、車輪設計流程和軸箱設計流程。

(1)主軸設計流程 。C ⊕C′=[1 1 1 0],權重 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)車輪設計流程。C⊕C′=[0 1 0 1],權重歸一化后的矩陣λ=[0.23 0.36 0.14 0.27],模型相似度SIM=0.63。

(3)軸箱設計流程 。C ⊕C′=[1 1 0 0],權重歸一化后的矩陣λ=[0.56 0.44 0 0],模型相似度SIM=1。

假設確定重用的相似度閾值為0.8,則新設計流程與重用矩陣表達如圖8所示。

圖8 新設計流程與矩陣表達

4 結語

本文分析機械產品快速設計系統的知識管理需求,構建了以設計流程為主要組織形式的設計知識模型,其表現形式為設計活動描述矩陣和知識關聯矩陣。在篩選涉及約束的關鍵詞的基礎上,通過關聯模式匹配設計知識,在計算模型相似度的基礎上搜索可重用模型。以此知識模型為基礎構造面向重用新設計流程,加快產品的設計、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 蘇衛國)

姚 佳,男,1986年生。南京航空航天大學機電學院碩士研究生。研究方向為數字化設計。郭 宇,男,1971年生。南京航空航天大學機電學院副教授。