基于知識工程的鍍膜機快速設計研究

焦美萍，仲梁維，戴秀海

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.光馳科技（上海）有限公司，上海 200436）

當前，全球經濟正處在以原材料和能源消耗為基礎的“工業經濟”向以信息和知識為基礎的“知識經濟”轉變的歷史時期［1］。鍍膜機作為目前電子工業廣泛使用的設備，客戶對產品的需求也隨著時代的變化日益多樣化和個性化［2］。然而傳統CAD軟件對鍍膜機的設計，主要是以幾何特征為重點，一般不支持概念設計階段的創新活動［3］，缺乏對已有設計經驗和設計知識的融合，并且在設計過程中大量的標準查詢、公式計算、參數輸入以及模型建立等重復性工作，嚴重影行了鍍膜機的設計效率。目前，知識工程取得了廣泛關注，阮雪榆等開發了注塑模具KBE系統，比之前效率提高了10倍［4］。張君媛等開發了基于知識的車門附件布置設計系統［5］。雷雨成等運用知識工程理論構建變速箱設計專家系統，實現了齒輪的優化設計［6］。福特公司將知識工程技術應用到汽車車身和零部件中，使開發效率提高了30倍［7］。

在鍍膜機行業，一款機型可用于多種用途，大部分產品是在原產品基礎上變型設計完成，只有15%的產品需要創新設計，而知識工程（Knowledge Based Engineering，KBE）能實現知識的重用，將CAD技術與人工智能技術相結合，使產品設計與知識工程技術相結合，能夠避免大量的重復性勞動，提高產品的開發效率、節約開發成本。因此，將基于知識工程的快速設計應用到鍍膜機的設計中，對提高企業競爭力有重要作用。

1 基于KBE的鍍膜機快速設計研究

Feigenbaum E.A.認為，知識工程［8－9］技術是利用人工智能的原理與方法，為那些需要專家知識才能解決的應用難題提供求解的手段。恰當運用知識的獲取、表達和推理過程的構成與解釋，是設計基于知識的系統的重要技術問題。

1.1 知識獲取技術

知識獲取是指把用于問題求解的各種專門知識從知識源中提煉出來，并將其轉化成計算機上可執行代碼的過程，知識的獲取方式主要包括：自動（機器學習）和非自動（人工）［10］。

鍍膜機知識獲取采用了人工獲取的方式，由于模塊之間往往存在著很多約束規則，工程師首先將產品按照功能進行模塊劃分。鍍膜機快速設計系統開發了知識獲取的界面接口，其中具體包括兩部分：鍍膜機所有結構模塊的獲取和各結構模塊之間約束規則的建立。結構模塊的獲取如圖1所示，功能模塊關系的建立如圖2所示。

圖2 功能模塊關系的建立

1.2 知識庫的建立

知識庫是存儲、管理知識的機構，是領域專家經驗、知識、事實、規則和概念的集合，是通過知識獲取途徑得到，并能被推理機制所采納的集成到設計系統的數據集合?；贙BE的鍍膜機知識庫包括：設計知識庫、規則知識庫、實例知識庫、專家經驗庫以及約束知識庫等方面信息。

知識表示把知識方便地、有效地變成計算機能夠識別和處理的某種數據結構［11］。常用的知識表示方法有產生式表示法、框架表示法、面向對象表示法、范例表示法等［12］。

由于鍍膜機設計領域知識的規則比較復雜，使用單一知識的表達方式很難完整、準確地描述。因此，在鍍膜機快速設計系統中主要采用了產生式表示法和基于范例表示法。

產生式表示法又稱產生式規則表示法，是一種適合表示因果關系的表示模式，它在語義上表示為“If（條件）Then（結論）”的因果關系。以鍍膜機OTFC－1300為例，在該型號產品概要設計過程中，功能模塊之間的約束規則往往存在以下關系，例如：

基于范例的問題求解方法是將以前已解決的問題的經驗與當前需要解決的問題聯系在一起，作為處理某類問題的參考。在鍍膜機產品方案過程中，將設計人員每次完成的產品方案以范例的形式保存到知識庫中，客戶通過某種推理方式獲取所保存的案例知識。以鍍膜機OTFC－1300為例，在產品模塊方案配置完成后，需要將客戶名稱、地址、日期、合同號和所配置的功能模塊參數以一條記錄的方式保存到數據庫中，以部分存儲信息為例來說明鍍膜機概要設計的存儲方式，具體存儲形式如表1所示。

表1 鍍膜機概要設計案例庫表

1.3 系統設計推理

知識推理是依據一定的策略，從已知判斷推出另一種判斷的思維過程［13］?；趯嵗腻兡C快速設計的原則是從整體到部分進行鍍膜機實例檢索，再由部分到整體進行設計重組。鍍膜機實例檢索的過程實質上是鍍膜機產品各個模塊的相同屬性匹配過程，運用最近相鄰策略法進行鍍膜機模塊化產品實例檢索的具體算法描述如下：

設鍍膜機產品源實例為X＝｛X1，X2，…Xn｝，目標實例為Y＝｛Y1，Y2，…，Yn｝，Xi，Yi（i∈［1，n］）分別代表鍍膜機源實例的第i個配置屬性值和目標實例的第i個配置屬性值。源實例與目標實例的相似度為：

式中，sim（Xi，Yi）是兩實例之間第i個配置屬性的相似度，且sim（Xi，Yi）∈［0，1］；

wi（i∈［1，n］表示鍍膜機源實例中第i個配置屬性的權重值［14］，且滿足：wi＝1；SIM（X，Y）∈［0，1］，當所檢索的實例屬性值與目標實例屬性值完全相同時，則SIM（X，Y）值取為1，即完全匹配。SIM（X，Y）值越接近1，所檢索到的實例就越滿足用戶的需求。

以鍍膜機產品概要設計的具體設計參數為例，說明相似實例的檢索。表2中的數據包含了產品的配置屬性、權重、實例庫中部分實例的配置屬性值和目標實例的產品配置屬性值。

按照上述的檢索算法計算得到：

表2 產品案例－目標需求表

對比相似度值易知：S1047與目標需求值更接近。

檢索出的相似實例往往不能套用在目前的設計中，要通過變形設計技術或模塊替換等方法進行局部修改或替換，例如檢索出的基板回轉機構是1130×R1100×1型式，而目標要求是φ1180×R1100×4型式，因此需要對檢索出來的總體配置方案進行修正［15］，再進行重新組裝，從而設計出滿足客戶需求的產品。而新設計出的模塊將作為新的產品模塊保存到模塊庫中，這樣也使模塊庫不斷的擴充，方便下次設計。

2 基于KBE的鍍膜機快速設計系統開發

2.1 鍍膜機快速設計系統開發及運行環境

鍍膜機產品方案快速設計系統的開發主要是基于Miscrosoft Visual Studio 2005、SQL Sever2000、Pro ENGINEER5.0、Microsoft Office 2003進行的，數字化樣機系統主要采用Visual Basic.NET為開發環境，同時結合Pro／E的API函數構建系統的參數化功能。后臺采用SQL Sever2000數據庫系統，對于產品的總體設計報告書、詳細設計概要書及詳細設計清單等文檔的開發，則是通過Visual Basic.NET語言對 Microsoft Word 2003、Microsoft Execl 2003進行二次開發實現的。

2.2 基于KBE的鍍膜機快速設計流程

基于KBE的鍍膜機快速設計主要流程如圖3。首先，設計人員把在產品設計中涉及的設計標準、特征關聯、設計參數、尺寸約束等信息，通過知識獲取機制以關系式、規則等表達形式對知識進行處理，進而形成常用設計知識庫。其次，根據輸入的初始參數，通過知識推理機制從知識庫中提取相關的模塊設計知識。再次，采用知識庫接口和二次開發工具將知識庫的數據輸入到Pro ENGINEER5.0系統，驅動Pro／E系統，生成不同模塊的三維模型。最后，通過模塊屬性匹配對各模塊進行重組，完成鍍膜機的快速設計。

2.3 鍍膜機快速設計系統模塊劃分

基于KBE的鍍膜機快速設計系統總體結構如圖4所示，分為三個管理模塊，分別為：總體設計管理模塊、詳細設計管理模塊、分塊設計管理模塊，設計界面分別如圖5、圖6、圖7所示。數字化樣機如圖8所示。

圖3 基于KBE的鍍膜機快速設計流程

圖4 鍍膜機快速設計系統總體結構

圖5 總體設計管理模塊界面

圖6 詳細設計管理模塊中蒸發源及相關部件設計界面

圖7 分塊設計管理模塊中的空氣壓強系統設計界面

圖8 鍍膜機數字化樣機

3 結 論

（1）基于KBE的鍍膜機快速設計系統的應用，提高了鍍膜機設計效率；

（2）知識庫的建立，實現了知識的累積和重用，降低了設計人員的工作強度；

（3）實現了企業信息的共享，保證了數據的一致性和完整性。

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