面向復雜機械結構設計的知識重用機制

黃昕龍,吳新江（福建江夏學院,福州350108）

面向復雜機械結構設計的知識重用機制

黃昕龍,吳新江
（福建江夏學院,福州350108）

針對現有復雜機械結構設計存在的部件間耦合參數繁多，設計規范多，設計效率低下等問題，探討基于知識的復雜機械結構設計機制，提出了結構設計知識的層次表達模型，構建了基于規則推理和實例推理的復合推理機制，提高了復雜機械結構設計的效率和智能化水平。

復雜機械；結構設計；知識表達；知識重用

1　引言

機械結構設計任務是在機械傳動系統設計的基礎上，針對系統所要實現的功能目標，詳細設計系統零部件的具體結構。機械結構設計一般是從整體粗略設計到局部詳細設計。在系統總體結構設計過程中，應從系統的層面充分考慮零部件的劃分、各零件間的裝配關系和零件間結構參數的耦合關系。在零部件結構詳細設計過程中，不僅應詳細設計各零部件的材料、形狀、尺寸、公差、表面粗糙度等具體技術要求，還應充分考慮零部件的加工工藝、強度、剛度、精度等性能要求[1]。傳統的機械產品結構設計方法，是在靜力學與運動學理論指導下，參考樣機進行類比與仿制，以經驗公式、圖表、手冊等作為設計的依據，憑借著設計者的經驗選擇設計參數，再經過反復驗證與修改直至滿足強度、剛度要求。這種方法費工費時，設計時只能考慮有限的變量，常常忽略了應當考慮但又受限于條件難以考慮的，重要的，甚至必要的因素，導致最終設計結果比較粗略，設計的產品笨重，效率低下，成本也高，甚至形成“人為”的應力集中點，不符合實際動態情況。近幾十年來，計算機的應用給設計領域帶來了一場革新。特別是CAD/CAE技術的發展及其在機械產品設計中的應用，大大提高了產品設計效率和設計質量[2,3]。但現有設計方法主要有人工操作設計軟件實現，而設計軟件自身缺乏對設計知識、經驗知識等知識的表達和處理機制，設計結果的可靠性依賴于設計人員的知識水平。基于知識工程的發展，為實現復雜機械結構智能化設計提供了條件。因此，研究基于知識表達、處理和重用的復雜結構設計機制，提高設計過程的自動化和智能化水平，具有重要的理論現實意義。

2　設計知識模型

機械結構設計過程中，設計過程首先受到設計規范知識的制約，所有的設計必須遵循國家、行業、部門的規范。在結構的設計與調優過程中，還應充分領用領域知識引導設計與調優，從而提高設計效率與優化質量。專家經驗知識是結構設計過程中必不可少的知識，豐富的專家經驗知識引導能夠縮短設計周期，保證結構的性能。此外，借鑒歷史實例，從成功實例中挖掘吸取精華，充分利用歷史實例知識引導設計，也是提高設計效率的有效手段。在設計方案成形后，還應采用強度評價知識、剛度評價知識、外觀評價知識等對結構進行評價。若結構滿足評價要求，則設計過程結束；否則，應重新利用領域知識、設計規范知識、專家經驗知識等引導設計過程對設計方案進行修改，直至結構的評價滿足要求。因此，從知識構成上，結構設計過程中的知識包含領域知識、設計規范知識、專家經驗知識、歷史實例知識、強度評價知識、剛度評價知識、外觀評價知識等。各知識構成貫穿整個設計周期，且在不同的設計階段，角色不盡相同。

為便于結構設計知識的表達、處理和重用，提出復雜機械結構設計知識模型如圖1所示。設計知識模型包含符號知識、樣本知識和評價知識等3部分。

設計知識模型的符號知識是指用規范化的符號語言進行描述的知識，主要包括領域知識、設計規范知識和專家經驗知識。符號知識不僅便于經驗的總結和歸納，也便于計算機實現。符號知識的求解依靠基于規則推理的求解技術，這種求解技術屬于邏輯思維，具有簡單、靈活和易于理解、解釋機制良好、便于實現知識庫和推理機相分離等優點，但同時也存在知識的任務依賴性較強、知識難以維護、推理耗時長等缺點。

設計知識模型的樣本知識是對歷史成功樣本的規范化描述，能夠表達符號知識難以描述的知識。樣本知識的處理采用基于實例推理的求解機制進行求解，推理過程與設計人員的類比思維過程相吻合，推理效率高，且能實現知識的自動獲取，知識庫創建簡單、快速，維護方便，能夠彌補基于規則推理求解機制的不足。

設計知識模型的評價知識主要包含用于評價結構的數學模型和邏輯規則。評價知識用于結構設計過程中，評價結構的外觀、剛度、強度等性能，主要包含外觀評價知識、剛度求解知識、強度求解知識。通過評價知識的評價，保證結構在具有足夠的剛度、強度的同時，外形美觀。

3　設計知識重用機制

設計知識貫穿于整個設計過程中，設計知識的處理、重用機制不僅影響著設計質量，也決定了設計效率。設計知識模型的樣本知識包含了歷史成功實例，應用基于實例推理的處理機制能夠模仿人類專家設計的類比思維，設計效率高，因此用于設計初期快速生成初始設計方案。設計知識模型的領域知識、設計規范知識、專家經驗知識等符號知識處理效率較低，主要用于類比設計后的結構合理化微調及類比設計失敗時的重新設計。設計知識模型的評價知識作為評價結構性能的主要手段，實現在結構初始方案設計完成后對結構性能進行評價并給出改進依據。評價知識主要為結構強度、剛度評價模型和結構外觀評價模型。其中，剛度、強度主要通過有限元分析方法進行計算，外觀采用符號推理的方式實現。

基于上述分析，構建復雜機械結構設計知識重用機制如圖2所示。設計時，設計人員通過系統人機界面對設計任務進行描述，將相關設計要求傳遞給系統。系統獲取設計任務后，首先調用基于實例推理的推理模塊，在樣本知識庫的基礎上，模擬設計專家的類比思維，從歷史成功實例中，查找與設計任務最匹配的歷史實例。如果查找成功，則基于成功的歷史實例對設計任務要求的結構進行類比設計，并在設計完成后調用基于規則推理的模塊，在符號知識庫的基礎上對設計方案進行微調，是結構更加符合設計任務要求，從而生成初始設計方案。若查找失敗，則在符號知識庫的基礎上調用基于規則推理的模型根據設計任務從頭開始進行結構方案設計，生成初始設計方案。當初始設計方案生成后，系統調用結構性能評價模塊，基于評價知識庫對結構進行剛度、強度和外觀評價。若評價結構滿足設計要求，則輸出設計方案。若評價結果不滿足設計要求，則重新調用基于規則推理的符號知識處理機制，對結構方案進行微調直至結構方案滿足設計要求。

4　小結

探討了復雜機械結構設計中，充分利用領域知識、設計規范知識、專家經驗知識、歷史實例知識等知識引導設計方向的必要性，提出了基于符號知識、樣本知識、評價知識的設計知識模型，并綜合利用基于規則推理和基于實例推理的機制，構建了復雜機械結構設計中知識的重用機制，提高了復雜機械結構設計的效率和智能化水平。

[1]蔡逸夫．探究機械結構設計中的創新設計．科技與企業，2013，(12)：348,350．

[2]田合強,蘭清群,鄔平波.CAD/CAE技術在鐵道車輛輪對設計中的應用[J].機械設計與制造，2008(04):64-66．

[3]商躍進,周建明,張海軍.CAD/CAE/CAM技術在吊桿設計制造中的應用[J].蘭州交通大學學報，2006,25(03):1-4．

[4]殷國富,干靜,胡曉兵等．面向信息時代的機械產品現代設計理論與方法研究進展[J].四川大學學報(工程科學版),2006,38(05):38-47．

黃昕龍（1988—），男，福建福州人，碩士研究生，助教，研究方向：數控技術。