基于實(shí)例推理的高速動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)

張海柱，黎 榮，鄒益勝，閻開(kāi)印，丁國(guó)富

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031）

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展和成熟車(chē)型型號(hào)的增多，為使高速動(dòng)車(chē)組滿足多樣化需求，滿足不同地理環(huán)境條件、線路條件、供電條件、信號(hào)條件以及旅客個(gè)性化需求等，如何運(yùn)用既有成熟的高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)例知識(shí)，形成一套快速響市場(chǎng)變化和個(gè)性化需求的高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)方法成為一個(gè)發(fā)展方向。

以知識(shí)工程的觀點(diǎn)而言，高速動(dòng)車(chē)組總體設(shè)計(jì)是一個(gè)沿襲已有動(dòng)車(chē)組平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)的重用、繼承、創(chuàng)新、集成和管理的復(fù)雜設(shè)計(jì)過(guò)程。在傳統(tǒng)的車(chē)輛總體設(shè)計(jì)領(lǐng)域中[1～3]，很多關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的確定原理復(fù)雜，很大程度上依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)的積累，要不斷去調(diào)整方案，每一次的調(diào)整都要重新計(jì)算、仿真、分析、評(píng)審，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，研發(fā)周期又受到快速市場(chǎng)響應(yīng)的制約，并且動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)知識(shí)種類(lèi)繁多，設(shè)計(jì)知識(shí)結(jié)構(gòu)化程度差，分散性大，因此缺乏對(duì)已有車(chē)輛設(shè)計(jì)實(shí)例知識(shí)的表達(dá)和重用技術(shù)的研究，使得車(chē)輛總體設(shè)計(jì)難以提高設(shè)計(jì)效率及結(jié)果的可靠性。基于實(shí)例推理（Case Based Reasoning，CBR）是采用過(guò)去求解類(lèi)似問(wèn)題的成功經(jīng)驗(yàn)和實(shí)例來(lái)獲取當(dāng)前設(shè)計(jì)問(wèn)題的一種類(lèi)比推理模式[4]，該技術(shù)可以充分的利用和組織現(xiàn)有動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)實(shí)例知識(shí)，并且有效的應(yīng)用到新實(shí)例設(shè)計(jì)中。

因此將基于實(shí)例推理的設(shè)計(jì)思想引入到動(dòng)車(chē)組的總體方案設(shè)計(jì)中。本文提出基于實(shí)例推理的動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，首先對(duì)動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)實(shí)例知識(shí)進(jìn)行表達(dá)，形成動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)實(shí)例庫(kù)，然后結(jié)合層次分析法與基于最鄰近的相似度計(jì)算方法來(lái)檢索相似實(shí)例，在選取相似實(shí)例的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改重用，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的用戶(hù)界面，提高總體方案設(shè)計(jì)的可視性，最后以某型動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)為例驗(yàn)證該方法。

圖1 動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容及流程

1 動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)

總體方案設(shè)計(jì)是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首要核心環(huán)節(jié)，動(dòng)車(chē)組總體技術(shù)方案內(nèi)容包括主要運(yùn)用條件、主要技術(shù)參數(shù)、總體與關(guān)鍵子系統(tǒng)模塊的技術(shù)方案等。總體方案設(shè)計(jì)任務(wù)是確定動(dòng)車(chē)組的編組方式、平面布局、結(jié)構(gòu)型式、牽引與制動(dòng)性能、主要參數(shù)和各組成部件的設(shè)計(jì)要求等[5]。動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容及流程如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例知識(shí)表示

動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)實(shí)例的表示應(yīng)包括問(wèn)題描述和解決方案兩部分，問(wèn)題描述是動(dòng)車(chē)組主要運(yùn)用條件的集合，即是設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)化組織；解決方案是在滿足運(yùn)用條件下所獲得的主要技術(shù)參數(shù)和總體方案設(shè)計(jì)結(jié)果的集合，即設(shè)計(jì)結(jié)果的結(jié)構(gòu)化組織。

設(shè)計(jì)實(shí)例知識(shí)表示關(guān)鍵在于實(shí)例屬性主要特征的提取。動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)需對(duì)運(yùn)行環(huán)境和路網(wǎng)條件進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，也要滿足設(shè)計(jì)速度、列車(chē)長(zhǎng)度、舒適性等結(jié)構(gòu)和性能，除此之外還要滿足旅客功能需求。因此以環(huán)境、路網(wǎng)、性能、結(jié)構(gòu)、功能需求特性作為設(shè)計(jì)實(shí)例表示問(wèn)題描述的屬性，解決方案部分主要包括動(dòng)車(chē)組總體設(shè)計(jì)的組成方式、結(jié)構(gòu)型式、平斷面布局和主要參數(shù)等屬性。因此以環(huán)境、路網(wǎng)、性能、結(jié)構(gòu)、功能、方案設(shè)計(jì)六種特性來(lái)描述實(shí)例的屬性?xún)?nèi)容如表1所示。其中，環(huán)境主要描述動(dòng)車(chē)組對(duì)運(yùn)行的自然環(huán)境適應(yīng)性包括溫度、海拔等；路網(wǎng)主要描述動(dòng)車(chē)組運(yùn)行的系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性包括站臺(tái)、軌距、供電條件、通信信號(hào)等；性能主要描述動(dòng)車(chē)組運(yùn)輸能力、安全性、舒適性等；結(jié)構(gòu)主要描述動(dòng)車(chē)組列車(chē)及車(chē)輛等尺寸參數(shù)等；功能主要描述動(dòng)車(chē)組旅客界面及特殊需求等；方案設(shè)計(jì)主要描述動(dòng)車(chē)組主要技術(shù)參數(shù)及組成方式等。

表1 動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)中的實(shí)例屬性

續(xù)(表1)

因此，動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)實(shí)例知識(shí)可以形式化描述為：

其中，i表示動(dòng)車(chē)組總體設(shè)計(jì)方案實(shí)例庫(kù)中的實(shí)例編號(hào)；j表示問(wèn)題描述部分屬性的個(gè)數(shù)；k表示解決方案部分屬性的個(gè)數(shù)。

3 基于實(shí)例推理的動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)流程

利用基于實(shí)例的推理技術(shù)，在已有的相似設(shè)計(jì)實(shí)例的基礎(chǔ)上做適應(yīng)性變型設(shè)計(jì)，避免了從最初開(kāi)始設(shè)計(jì)，減少重復(fù)工作，提高設(shè)計(jì)效率。基于CBR的動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)主要任務(wù)是：分析用戶(hù)需求，識(shí)別出設(shè)計(jì)參數(shù)和評(píng)價(jià)參數(shù)，采用相似度計(jì)算來(lái)匹配檢索相似實(shí)例，得到初步的動(dòng)車(chē)組總體設(shè)計(jì)方案，然后對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)完全匹配的方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，有滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的實(shí)例則直接重用并輸出該方案，若不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求則提取相似方案實(shí)例進(jìn)行修改直至滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，若方案的設(shè)計(jì)參數(shù)不完全匹配，則輸出最相似動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行方案修改，最后通過(guò)評(píng)審輸出最終方案并作為新的實(shí)例存儲(chǔ)于方案實(shí)例庫(kù)中?；趯?shí)例推理的動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3.1 實(shí)例檢索

實(shí)例檢索的關(guān)鍵在于屬性權(quán)重的確定和實(shí)例相似度的計(jì)算。本文首先運(yùn)用基于指數(shù)標(biāo)度的層次分析法來(lái)確定動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)實(shí)例中屬性的權(quán)重，然后采用基于最鄰近的相似度計(jì)算方法，來(lái)檢索相似動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)實(shí)例。

圖2 基于實(shí)例推理的動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)流程

1）屬性權(quán)重

采用基于指數(shù)標(biāo)度bn的層次分析法[6]。首先，確定比例標(biāo)度，其中n=0～8，b=1.316，從而確定判斷矩陣標(biāo)度如表2所示。

表2 判斷矩陣標(biāo)度

然后，構(gòu)造判斷矩陣。利用指數(shù)標(biāo)度通式計(jì)算動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)實(shí)例中屬性i和屬性j的重要性之比為bijn，并利用互反性原則，即判斷矩陣中的元素bijn與bjin互為倒數(shù)。對(duì)方案設(shè)計(jì)實(shí)例屬性分別進(jìn)行兩兩比較，最終得到判斷矩陣K=（bij）mxm，m為參與權(quán)重計(jì)算屬性的個(gè)數(shù)。求出判斷矩陣的最大特征值λmax，并進(jìn)行隨機(jī)一致性檢驗(yàn)，若滿足一致性要求則進(jìn)行屬性權(quán)重計(jì)算，否則調(diào)整判斷矩陣直到滿足為止。

最后，提取最大特征值λmax所對(duì)應(yīng)的特征向量并歸一化，即得到參與權(quán)重計(jì)算屬性的權(quán)重系數(shù)ωi。

2）相似度計(jì)算

本文采用在CBR系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的最鄰近法來(lái)進(jìn)行動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)實(shí)例的檢索，實(shí)例整體相似度與屬性的數(shù)量和局部相似度大小密切相關(guān)。通過(guò)海明距離[7]來(lái)度量實(shí)例屬性的相似性，則新目標(biāo)方案（caseobj）與已有實(shí)例方案（casei）之間的相似度計(jì)算公式為：

式中：d為新實(shí)例中屬性數(shù)量，l為已有實(shí)例屬性數(shù)量，m為二者用來(lái)做相似性度量的屬性數(shù)量。sim（aij，aobjj），dist（aij，aobjj）分別為aij與aobjj的相似度值和距離，ωj為第j（j=1，2，…，m）個(gè)實(shí)例屬性的權(quán)重。

3.2 實(shí)例的重用

根據(jù)實(shí)例檢索相似度計(jì)算結(jié)果，當(dāng)sim（caseobj，casei）=1時(shí)，表示目標(biāo)動(dòng)車(chē)組總體方案實(shí)例與最相似實(shí)例完全匹配，則形成初步方案，評(píng)價(jià)滿足設(shè)計(jì)要求該方案實(shí)例可以直接完全重用。當(dāng)0＜sim（caseobj，casei）＜1時(shí)，表示目標(biāo)動(dòng)車(chē)組總體方案實(shí)例與最相似實(shí)例不完全匹配，則該方案實(shí)例可以部分重用，對(duì)不滿足的部分進(jìn)行修改調(diào)整直到通過(guò)評(píng)審滿足目標(biāo)方案的設(shè)計(jì)要求。

實(shí)例包含了大部分的事實(shí)性知識(shí)、規(guī)則性知識(shí)和實(shí)例性知識(shí)，實(shí)例修改即重用實(shí)例知識(shí)的過(guò)程[8]，對(duì)于動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)實(shí)例的修改調(diào)整方式主要是根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)方案實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的修改和零部件的替換調(diào)整形成新實(shí)例或基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則驅(qū)動(dòng)進(jìn)行適應(yīng)性修改等方式。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文以某型動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)（稱(chēng)為目標(biāo)實(shí)例）為例，首先在動(dòng)車(chē)組總體方案問(wèn)題描述部分選取幾個(gè)主要運(yùn)用條件包括速度等級(jí)（a9）、最大軸重（a11）、加速度（a12）、定員（a24），并利用上述權(quán)重計(jì)算方法得到各屬性權(quán)重。然后根據(jù)此動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)需求，從動(dòng)車(chē)組總體方案實(shí)例庫(kù)中檢索相似實(shí)例，推斷動(dòng)車(chē)組總體設(shè)計(jì)方案。實(shí)例庫(kù)中的典型動(dòng)車(chē)組總體方案實(shí)例參照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行歸納整理出case1、case2、case3、case4四個(gè)實(shí)例。應(yīng)用本文提出的基于CBR方法求解，開(kāi)發(fā)的用戶(hù)界面如圖3所示。

按照相似度從大到小進(jìn)行排序sim（caseobj，case4）＞sim（caseobj，case3）＞ sim（caseobj，case1）＞sim（caseobj，case2），從計(jì)算結(jié)果可知，推理出case4為最相似實(shí)例，將作為參考方案，與實(shí)際項(xiàng)目中該動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)方案實(shí)例一致。根據(jù)case4實(shí)例的方案設(shè)計(jì)和目標(biāo)動(dòng)車(chē)組方案設(shè)計(jì)用戶(hù)需求中的環(huán)境、線路、功能、性能、結(jié)構(gòu)需求可以得到目標(biāo)動(dòng)車(chē)組的初始方案，對(duì)初始方案中不滿足需求的部分進(jìn)行修改調(diào)整，速度等級(jí)、旅客界面等根據(jù)運(yùn)用特點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，車(chē)體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)、空調(diào)等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，修改后通過(guò)評(píng)審直到滿足目標(biāo)方案的設(shè)計(jì)需求，確定為最終方案。

圖3 基于實(shí)例推理的動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)用戶(hù)界面

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于高速動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)，將基于實(shí)例推理思想引入到動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)領(lǐng)域，提出一種基于CBR的動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)方法。在分析高速動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出基于CBR的高速動(dòng)車(chē)組總體方案設(shè)計(jì)流程，為動(dòng)車(chē)組的總體方案設(shè)計(jì)研究提供了新的思路，有助于克服當(dāng)前設(shè)計(jì)效率不高的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)例知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的重用。但該方法還存在著一定的不足，如在實(shí)例相似度計(jì)算方法和實(shí)例的重用設(shè)計(jì)方面還需深入研究。

[1]高春宏,屈海洋.城市軌道交通車(chē)輛總體設(shè)計(jì)研究[J].城市軌道交通研究,2009(11):44-48.

[2]呂志龍,林文君,李耘蘢,等.通勤動(dòng)車(chē)組車(chē)輛總體設(shè)計(jì)研究[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛,2013,36(1):30-33.

[3]丁叁叁,張忠敏,何丹爐,等.城際動(dòng)車(chē)組總體技術(shù)設(shè)計(jì)[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng),2014,6:005.

[4]Aamodt A,Plaza E.Case-based reasoning: Foundational issues,methodological variations, and system approaches[J].AI communications,1994,7(1):39-59.

[5]李強(qiáng),金新?tīng)N.動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2011.

[6]呂躍進(jìn),張維.指數(shù)標(biāo)度在AHP標(biāo)度系統(tǒng)中的重要作用[J].系統(tǒng)工程學(xué)報(bào),2003,18(5):452-456.

[7]Burkhard H D.Similarity and distance in case based reasoning[J].Fundamenta Informaticae,2001,47(3):201-215.

[8]楊志兵,李曼麗.基于知識(shí)重用的鉗臂快速設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)機(jī)械工程,2015(2).

[9]張衛(wèi)華.動(dòng)車(chē)組總體與轉(zhuǎn)向架[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2011.