岸邊集裝箱起重機產品雜交配置知識庫

于洋，楊勇生，許波桅，任洪敏

(上海海事大學 a.物流工程學院;b.科技處;c.信息工程學院，上海 201306)

0 引言

產品雜交配置設計［1]即根據客戶需求和產品功能結構及特征參數等描述，借用生物物種進化的遺傳、變異和雜交原理，在可選的一系列不同的產品結構中尋找一個有效的特定的序產品結構，并創造性地重組排列滿足特定要求的序結構關系，優化配置產品的優良特性，形成新一代產品或產品原型的零部件列表、產品結構及其拓撲關系，進而提出基于實例模板的產品雜交配置理論.集裝箱起重機［2-4]是一種單件小批量生產模式下的演化型系列化、個性化產品.知識庫由知識和知識處理機構組成，但知識庫對知識的儲存和處理功能只停留在人工檢索以及人工添加或刪除的層面上，限制著現代化制造對知識的需求量和需求速度.

國內外在這一領域主要的發展現狀有:趙玉明等［5]提出滾動軸承知識庫系統，但并未提及有關產品配置方面的內容;包志炎等［6]利用參數化設計思想，通過約束規則構建配置知識庫，并應用于起重機主梁，給出部分實現例子;王春英等［7]基于 Smar-Team平臺的知識岸引擎，用實例推理與規則推理相結合的方法，實現知識的智能檢索和問題求解;ENSIGN等［8]描述知識庫在知識交換方面的作用，以及在資源特征上所產生的影響;SUBBARAJ等［9]設計優化基因算法知識庫在復雜工業過程中應用，但未提出解決知識自身演化的辦法.

針對目前未解決的知識庫自身演化問題，本文采用生物遺傳方式，同時借助雜交配置算法，提出并建立一種演化型配置知識框架結構［10]，并應用于集裝箱起重機大車機構的設計規則中，從而更高效地產生出新一代大車機構的設計規則.

1 演化型配置知識框架結構

演化型配置知識框架結構由元知識的形式描述，其結構分為約束知識庫和規則知識庫，并引入誘導因素作為驅動因素，使得雜交配置知識庫具有遺傳和變異功能.規則知識庫存儲港口起重機設計相關設計規則，約束知識庫包含國家法規等強制條款.圖1為演化型配置知識框架結構.

圖1 演化型配置知識框架結構

實例模板是指產品零部件某一組實例的共同特征屬性的抽象與分類，具體表現為具有共同特征屬性的多個實例集合.應用實例模板作為產品雜交配置設計的進化平臺和工具，可使雜交配置設計的進化模型簡化，產品實例檢索空間縮小，雜交配置設計技術方法容易實現.

1.1 實例模板與規則基因化

產品雜交配置知識庫的核心是由實例模板產生新的規則知識，并能夠作為知識遺傳的父本產生新一代的實例模板，從而使得知識庫自身得到繼承和遺傳.首先，通過定義實例模板實現實例模板的基因化.在大車機構的實例模板中，已有的零部件實例模板Xi是由特征值xij表示的，而通過雜交配置算法形成的新實例模板由X′i描述，其新模板特征值由x′ij描述，其表達形式如下:

產品雜交配置知識庫中的主要知識是岸邊集裝箱起重機大車機構設計規則知識，為了能夠將零部件的實例模板與其設計規則聯系起來，采用如下的設計方式.將實例模板中的每一個特征值xij對應的設計規則進行基因化處理，將規則表示為GIij，每一個特征值所對應的規則由列向量表示.其中:GIij中的I對應于實例模板中Xi的i，表明GI屬于Xi部件;GIij中的 i表示規則數目，1≤i≤n;GIij中的 j對應xij中的 j，1≤j≤m，表示其與特征值對應.如 x11特征值對應的規則可表示為

x12特征值對應的規則可表示為

x1m特征值對應的規則可表示為

那么G1ij為X1部件所對應的規則集合可表示為

對應的矩陣為

x21特征值對應的規則可表示為

x22特征值對應的規則可表示為

x2m特征值對應的規則可表示為

那么G2ij為X2部件所對應的規則集合可表示為

對應的矩陣為

以此類推，最終形成的實例模板對應規則矩陣

1.2 比較矩陣與新規則

為了能夠識別新舊實例模板的不同，設計比較矩陣Yi，分為實例模板比較和模板特征值比較兩個階段.

實例模板比較原理為比較新舊實例模板的數量，即n與n′的大小比較.

若n較小，則可分為兩種情況:新實例模板中去除舊實例的數目小于新實例模板添加實例的數目(此情況為①);新舊實例模板實例相同且新實例模板中添加新實例(此情況為②).

若n較大，也可分為兩種情況:新實例模板中去除舊實例的數目大于新實例模板添加實例的數目(此情況為③);新實例模板去除部分舊實例模板中的實例，并未作添加(此情況為④).

當n=n′時，又可分為兩種情況:新實例模板新添加的實例數目與去除舊實例模板的實例數目相同(此情況為⑤);新實例模板與舊實例模板的實例完全相同(此情況為⑥).

情況①～⑤需要對舊實例模板Xi進行相應規則的添加或刪減，分別稱為實例規則添加和實例規則刪減.設G+為新實例模板添加實例規則，G－為新實例模板中去除的舊實例對應規則，其中“+”和“－”分別表示實例規則添加和刪減.比較矩陣

式中:α和β表示任意兩個自然數.

模板特征值比較原理是比較舊實例模板Xi與新實例模板X′i之間各特征值.

如果相同，則比較矩陣Yi依然沿用舊實例模板中的特征值(此情況為⑦);如果舊實例模板Xi小于新實例模板X′i，則表明新實例模板需要更多的規則加以確定，那么添加規則G+，滿足新實例模板的需要(此情況為⑧).反之，舊實例模板Xi比新實例模板X′i大，就說明新實例模板的此參數無須過多要求，則可刪減規則G－(此情況為⑨).G+和G－可為設計人員按實際要求添加或刪減，也可為知識庫中原有規則.

按照如上表示，當 xij=時，視為知識遺傳，其他情況視為知識變異.例如，舊實例模板的特征值x12小于新實例模板中的，則在比較矩陣Yi的第1行第2列位置添加規則G+，表示為x12+G+;舊實例模板的特征值x21比新實例模板中的大，則在比較矩陣Yi的第2行第1列位置刪減G－，表示為x21－G－，最終形成比較矩陣Yi如下:

知識自行演化推理流程見圖2.

圖2 演化推理流程

2 設計算例

以大車部件(車輪零件、夾軌鉗)、起重機類型及軌道鋪設情況為研究目標，從中選取幾個具有代表性的參數進行基因化處理，并根據相關設計準則與參數進行對應，形成舊實例模板和舊實例規則.新實例模板數值隨機選取，以達到與舊實例模板能夠通過比較矩陣進行處理、最終形成新實例規則的效果.

選取車輪最大壓力、車輪轉速、車輪直徑作為車輪零件的3個參數.首先在舊實例模板中定義車輪最大壓力(kN)、車輪轉速(r/min)、車輪直徑(mm)等3個項目，定義初始數值分別為25 kN，50 r/min，200 mm.與之相對應的規則分別是:起重量為10 t時，推薦的車輪最大壓力為25 kN;車輪與軌道之間為線接觸時，轉速因數C1取值為0.94，對應的車輪轉速為50 r/min;車輪在平定鋼軌滾動摩擦阻力因數為0.30時，要求車輪直徑為200 mm.車輪舊實例模板見表1.車輪舊實例規則見表2.

表1 車輪舊實例模板

表2 車輪舊實例規則

選取夾軌鉗數目、每根夾鉗桿的質量作為夾軌鉗零件的兩個參數.首先在舊實例模板中定義夾軌鉗的數目(個)和一根夾鉗桿的質量(kg)兩個項目，定義初始數值分別為4個和300 kg.與之相對應的規則分別是:夾軌鉗的數目與鉗口對鋼軌的壓緊力成反比;一根夾鉗桿的質量與壓緊力的楔重彈簧力成正比.夾軌鉗舊實例模板見表3.夾軌鉗舊實例規則見表4.

敦禮掙扎著坐起來，一陣眩暈差點把他擊倒。他趕緊閉著眼向后靠在臥床的靠背上，一動不動，像睡著了一樣。靠背上紫紅色的金絲絨襯得他的臉卡白卡白的，胡茬子也更加分明，使得下巴看起來不是平常那種青灰色，而是深得近乎黑色了。他的上半身穿了一件淺灰色的棉質睡衣，腰部以下搭著被子，被子的一角翻轉過來，露出比背面顏色略深的里子。被子不是很厚，比靠背略淺一些的紫色，上面點綴著幾團花紋，花紋以淺綠色為主，夾雜著少許黃色，刺繡精美得讓人止不住地浮想聯翩。

表3 夾軌鉗舊實例模板

表4 夾軌鉗舊實例規則

選取軌道鋪設質量系數作為起重機類型及軌道鋪設情況的一個參數.首先在舊實例模板中定義軌道鋪設質量因數，初始數值為0.003.與之相對應的規則是:軌道鋪設質量因數為0.003的起重機類型及軌道鋪設情況為龍門、門座、橋式抓斗卸船機軌道.起重機類型及軌道鋪設情況舊實例模板見表5.起重機類型及軌道鋪設情況舊實例規則見表6.

表5 起重機類型及軌道鋪設情況舊實例模板

表6 起重機類型及軌道鋪設情況舊實例規則

2.1 舊實例模板與舊實例規則

按照以上所選取的實例，形成算例中的舊實例模板與舊實例規則.

舊實例模板

式中:Xi代表大車部件;X1代表車輪;X2代表夾軌鉗;X3代表起重機類型及軌道鋪設情況.

舊實例規則

式中:GIij代表算例中大車部件規則;G1ij代表車輪對應規則;G2ij代表夾軌鉗對應規則，G3ij代表起重機類型及軌道鋪設情況對應規則;G111表示“起重量為10 t時，推薦的車輪最大壓力值為25 kN”;G112表示“車輪與軌道之間為線接觸時，轉速因數C1取值為0.94，對應的車輪轉速為 50 r/min”;G113表示“車輪在平定鋼軌滾動摩擦阻力因數為0.30時，要求車輪直徑為200 mm”;G211表示“夾軌鉗的數目與鉗口對鋼軌的壓緊力成反比”;G212表示“每根夾鉗桿的質量與壓緊力的楔重彈簧力成正比”;G311表示“軌道鋪設質量因數為0.003的起重機類型及軌道鋪設情況為龍門、門座、橋式抓斗卸船機軌道”.

2.2 新實例模板與新實例規則

假設新實例模板將舊實例模板中夾軌鉗實例刪除，將起重機類型及軌道鋪設情況參數改成0.001，同時增加大車運行速度(m/min)實例，實例初始值為60 m/min，其他實例不變.即

式中:X′i代表大車部件;X′1代表車輪;X′3代表起重機類型及軌道鋪設情況;X′4代表大車運行速度實例.經過比較矩陣比較之后形成

對應的新實例規則

式中:G′Iij表示新實例大車部件規則;G′1ij表示新實例車輪規則;G′3ij表示新實例起重機類型及軌道鋪設情況規則;G′4ij表示新實例大車運行速度規則.

因為車輪零件的參數沒有發生變化，所以G′111，G′112，G′113與 G111，G112，G113所代表的規則相同，即規則遺傳.舊實例規則中G211和G212，由于新實例模板中刪除夾軌鉗實例，沒有出現在新實例規則中，即規則刪減.因為新實例模板中的起重機類型及軌道鋪設情況參數改成0.001，所以新實例規則中 G′311表示“鋪設在鋼筋混凝土基礎和金屬梁上的軌道”，即規則發生修改.因為新實例模板中增加大車運行速度實例，所以新實例規則中添加舊實例規則中沒有的G′411，G′411表示“當運行速度為 60 m/min 時，沖擊因數可取1.015”，即規則添加.新實例規則形成，算例結束.

2.3 程序實現算例

程序編寫使用MyEclipse10以及MySQL，通過編程將上述數據錄入數據庫中.首先，將算例的新舊實例模板與舊實例規則輸入程序中;然后，編寫好程序，實現比較矩陣，形成新實例規則.

因為只有車輪零件參數未改動，所以規則遺傳只產生車輪零件的規則，而新實例中其他規則需手動添加.添加之后形成最終的新實例規則.

3 結束語

雜交配置知識庫的提出可以解決傳統工藝的重復勞動問題，也會大大提高設計效率和設計質量.同時，這一概念對完善和發展岸邊集裝箱起重機械的設計制造有著極其重要的理論意義和實際應用價值，對提高我國海上機械工程裝備的技術水平、增強高技術產業的國際競爭力同樣具有十分重要的意義.

［1]馬驍，楊勇生.岸邊集裝箱起重機大車機構雜交配置設計方法研究［D].上海:上海海事大學，2008.

［2]王紅湘，趙寧.集裝箱碼頭岸橋選型方案能效評價仿真［J].上海海事大學學報，2011，32(3):7-10.

［3]朱從兵，張衛國，劉海洋.岸邊集裝箱起重機箱型構件疲勞裂紋擴展分析［J].上海海事大學學報，2008，29(3):71-75.

［4]張紀元，鐘懷茂.岸邊集裝箱起重機起升動載系數的動力學模型及其解［J].上海海事大學學報，2006，27(2):12-16.

［5]趙玉明，賈現召，李濟順，等.滾動軸承知識庫系統研究［J].機床與液壓，2010，38(6)，89-92.

［6]包志炎，肖剛，高飛.基于規則的起重機主梁配置設計方法［J].起重運輸機械，2010，40(11):4-6.

［7]王春英，鄭雁翎，馮元.產品配置設計中知識庫的研究［J].寶雞文理學院學報:自然科學版，2009，29(3):73-76.

［8]ENSIGN P C，HéBERT L.Impact of knowledge base on knowledge exchange:commonalities and differences in the characteristics of source and recipient［C]//Proc 43rd Hawaii Int Conf on Syst Sci(HICSS)，2010:438-439.

［9]SUBBARAJ P，GODWIN ANAND P S.GA optimized knowledge base of FLC for complex industrial process［J].Int J Digital Content Technol＆its Applications，2010，4(1):123-136.

［10]任洪敏，楊勇生.基于實例模板的產品雜交配置設計［J].計算機工程與應用，2012，48(7):30-33.