基于實例推理的復雜產品設計實例的可適應性重用

劉　敏

（安徽東升機電有限責任公司，安徽　合肥　230601）

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基于實例推理的復雜產品設計實例的可適應性重用

劉敏

（安徽東升機電有限責任公司，安徽合肥230601）

摘要：針對目前復雜產品不能很好地以低成本快速地響應客戶的個性化需求問題，提出將可適應設計方法學應用于復雜產品的快速設計過程。圍繞可適應性重用實例推理技術進行了研究：基于最近鄰檢索法，采用粗集理論和層次分析法相結合的組合權重確定法，對相似實例進行了檢索，并有效考慮到了屬性值為點值和區間值等情況。最后以液壓機產品為例，具體闡述了可適應重用實現過程。結果表明，該方法實現了企業設計知識的有效重用，顯著提高了企業快速響應市場的能力。

關鍵詞：可適應重用；實例推理；組合權重；液壓機

根據知識利用程度的不同，機械產品的設計可分為3大類：創新設計、變型設計和常規設計［1］。據統計，90%以上的工業產品設計均為變型設計。這意味著當一個新的設計問題出現時，通常采用修改已有的設計來解決問題。可適應性設計［2］的目的是延長產品或產品設計的使用周期，使生產型企業能夠在允許的質量和成本限制下，通過調整已有產品或設計來快速地開發出新的面向客戶需求的產品。

實例推理（CBR［3，4］）是可適應重用中重要技術，實例檢索的準確程度決定可適應重用效率，最近鄰搜索法是實例檢索最常用的方法。本文以最近鄰搜索法中的權值確定為切入點，針對傳統的層次分析法描述能力有限的問題，以單柱型液壓機為研究對象，采用粗集理論和層次分析法相結合的組合權重確定法對復雜產品實例進行檢索，對液壓機產品設計知識進行快速有效地檢索與重用。

1　模塊化產品相似性設計檢索

1.1相似性度量函數的確定

對于實例間的相似性度量技術，比較常用的有Tver?sky對比匹配函數、改進的Tversky匹配法、距離度量法或最近鄰算法等。本文針對實例屬性可能為定性屬性和定量屬性的情況，且定量屬性又可為點值和區間值的情況，采用最近鄰法進行相似度計算。

設實例集合為C={C1,C2,……,Cr,C0}，其中C0實例為問題實例，其反映了客戶所提出的要求。檢索特征屬性集合為Ck={P1k,P2k,……,Pnk}，當第k個實例的第i個屬性取單值時，表示為Pik；當第k個實例的第i個屬性取區間值時，表示為［minPik，maxPik］。表1所示為相似性度量函數。

1.2特征屬性權重的確定

權重的分配是否合理，直接影響到定制產品方案決策的準確性。賦權方法主要有主觀賦權法和客觀賦權法。主觀賦權法主要依靠專家的經驗來進行權重的確定，容易受到專家經驗、思維模式和個人喜好的影響。客觀賦權法是根據各指標之間的相關關系或各項指標值的變異程度確定權重，避免了人為因素帶來的偏差，但卻忽略了指標本身在實際運用中的重要程度，有時確定的指標權重與預期的不一致，甚至導致與實際不符的錯誤結論。

鑒于此，提出并采用一種新的組合權重構造法AR （AHP-RS），該方法采用粗集理論［5］和層次分析法相結合來確定屬性的綜合權重。粗集理論用于確定屬性的客觀權重，層次分析法用于確定屬性的主觀權重。由于決策問題大多為多屬性決策問題，在實際情況中，客觀權重的確定往往只能在準則層到方案層這一層次上。而對于目標層對準則層這一層次上，往往在實例庫中沒有相應的準則層參數值。所以，對于這一層次各個準則的權重確定就無法使用粗集理論來確定。在實際中，各個準則對于目標層的重要性也是由工程實際背景決定的，即是個模糊的概念，由工程專家憑借經驗確定。圖3所示為利用AR法確定組合權重的過程。

設W′=［w1′,w2′,…,wn′］T為主觀權重，滿足：

設α為經驗因子，W=［w1,w2,…,wn］T為組合權重，則式中:

表1　實例間相似性度量函數

表2　實例庫中實例條件屬性及其值

2　可適應性重用示例

首先確定實例的特征屬性權重值，再利用表1所示的相似性度量函數計算問題實例和實例庫各實例之間的相似度。經過與企業設計師的交流，YH30型液壓機中客戶所關心的主要決策屬性（準則）有：可加工工件的大小D）、加工的效率（I）和液壓機所占的空間（M）。決策屬性的不同會引起實例庫中實例特征屬性權重的變化。實例庫中主要特征屬性有：開口高度（A）、喉深（B）、總功率（C）、滑塊行程（E）、滑塊速度（下行）（F）、滑塊速度（工作）（G）、滑塊速度（回程）（H）、外形左右尺寸（J）、外形前后尺寸（K）和外形高度（L）等，如表2所示。

2.1主觀權重的確定

圖1所示為構造的特征屬性層次樹。對于圖1所示的特征屬性層次樹，利用AHP法進行相應主觀權重的確定。目標層到準則層的判斷矩陣如表3所示。

表3　目標層到準則層判斷矩陣

表4　屬性離散表

圖1　特征屬性層次樹

可得其層次單排序為W=［w1，w2，w3］=［0.637，0.105，0.258］，符合一致性要求。同樣依次構造準則層到方案層的判斷矩陣，得出各特征屬性最終權重為：

2.2客觀權重的確定

基于表2中各實例的特征屬性值進行離散化處理。采用區間離散法，表4所示為各決策屬性離散表。

其中，決策屬性的離散值賦予是根據實例庫中各實例的相對比較而得，并由專家賦予。表4中各決策屬性下的屬性離散值經過檢驗都為協調的，不需再進行劃分。對于決策屬性D，則：

ind（A）={（1，2），（3，6），（4，5）}

ind（B）={（1，2，3，5），4，6}

ind（C）={（1，2，3），（4，5），6}

ind（D）={（1，2），（3，4），（5，6）}

P={A，B，C}，則ind（P）={（1，2），3，4，5，6}，推得PosP（D）= ∪P_（D）={1，2，3，4，5，6}；ind（P-A）={（1，2，3），4，5，6}，推得Pos（P-A）（D）={4，5，6}≠PosP（D），因此A不可省略；同理B不可省略；C屬性可省略。rP（D）=1，r（P-A）（D）=0.5，r（P-B）（D）=4/6，推得rP（D）-r（P-A）（D）=0.5，rP（D）-r（P-B）（D）=2/6。

同樣，對決策屬性I和M下的條件屬性分別進行屬性約簡，得出決策屬性I中的條件屬性“滑塊行程”“滑塊速度下行”和“滑塊速度工作”可以省略；決策屬性M中的條件屬性“外形尺寸高度”可以省略。化簡后的特征屬性層次樹如圖2所示。

圖2　約簡后的實例特征屬性層次樹

2.3組合權重的確定

設定經驗因子α=0.5，得到：

2.4相似實例的檢索

確定完實例特征的組合權重后，利用相似度計量函數進行相似實例的檢索。設問題實例為：

A=800mm

B=［350，450］mm

C=8kW

E=450mm

F=60mm/s

G=20mm/s

H=［75，85］mm/s

J=2 500mm，K=1 800mm

L=3 100mm

則根據表1中相似度計算公式計算問題實例與實例庫實例之間的相似度。

25t實例：simA=0.702，simB=0.841，simC=0.778，simE= 0.500，simF=0.875，simG=1.000，simH=0.455，simJ=0.647，simK=0.500，simL=0.655，計算得sim總1=0.345。同樣，可以計算實例50t、63t、100t、160t（A）和160t（B）的各自相似度大小，依次為：sim50t=0.388、sim63t=0.275、sim100t=0.355、sim160tA=0.335、sim160tB=0.217。由此可得，與問題實例最相似的實例庫實例為實例2。

3　結論

通過將可適應設計方法學應用到復雜產品的設計過程中，使得原有的設計和生產過程知識得到了有效的重用，縮短了新產品的上市時間，提高了企業的市場競爭力。本文以液壓機產品為研究對象，對可適應性重用技術進行了深入的研究。結果表明：①采用實例推理方式對設計實例進行了檢索與重用，基于混合權重與最近鄰檢索法對實例庫中屬性值為區間與點值共存的實例進行了快速而準確的檢索；②通過在液壓機產品開發中的應用表明，可適應性設計方法學能夠有效地對以往成功設計案例知識進行重用，提高了新產品的開發效率，縮短了市場響應時間；③為同類產品的可適應重用提供了參考。

參考文獻：

［1］Brown D，Chandrasekaran B.Design problem-solving：knowledge structures and control strategies［M］.San Francisco：Morgan Kaufmann，1989：152-154.

［2］Gu P，Hashermian M，Nee A Y C.Adaptable design［J］. CIRP Annals Manufacturing Technology，2004，53（2）：539-557.

［3］Kolodner J L.Improving human decision making through case-based decision aiding［J］.AI Magazine，1991，12（2）：52-68.

［4］吳慶鳴，張志強.基于KBE的隧道掘進機主機智能設計系統［J］.中國機械工程，2006，17（4）：331-333.

［5］楊善林.智能決策方法與智能決策支持系統［M］.北京：科學出版社，2005.

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0084-04

收稿日期：2015-12-28

作者簡介：劉敏（1981-），男，本科，工程師，研究方向：產品快速設計。

Research on Adaptive Reusing of Design Instances for Mechanical Product

Liu Min
（Anhui Tosum Machinery and Electronic Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601）

Abstract:A design method with the adaptability is proposed to solve the problems existing in complex product design processes,such as high costs and low efficiency.The case based technologies of adaptive reusing are discussed.The similar case is retrieved by nearest neighbor algorithm and combined weight constructed by analytic hierarchy process (AHP)and rough set(RS).The attribute of case can be interval number and point number.The realization of adaptive reusing is described elaborately based hydraulic press machine finally.It is revealed that according to adaptive reus?ing,the design knowledge is reused effectively,the ability of enterprise respond to market fast is enhanced observably.

Keywords:adaptive reusing;case based reasoning;combinational weight;hydraulic press machine