聯合收獲機知識組織與知識庫系統研究

劉宏新 李金龍 郭麗峰 張光甫

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

目前，我國農機裝備產品開發主要存在仿制多、創新少、投產上市速度慢等問題，直接影響我國農機裝備的設計水平[1]，很難與國際先進的農機產品形成競爭。以先進的設計方法支持農機裝備的研發過程，同時利用基于知識的設計方法的數字化設計系統對提高我國農機裝備的設計水平、提升本土農業裝備制造企業的國際競爭力具有重要意義，這也是農機設計智能化的重要途徑[2-3]。

農業機械設計一般先通過經驗獲得設計參數，之后進行整機設計[4]。在傳統研發模式下，聯合收獲機設計周期長、效率低、設計過程復雜且困難,在很大程度上依賴于設計人員的工作經驗，但多年的設計經驗和積累的設計知識并未進行有效的收集、歸納和整理[5-6]。在這種模式下，知識很難在新產品開發中得以重用和高效運用，導致在聯合收獲機設計過程中設計人員經常重復性查詢知識，增加了開發成本，降低了設計質量，延長了設計時間[7]。因此，建立知識庫系統、提高知識的集成化應用程度、加強設計知識的高效獲取和設計知識的系統化，能夠減少概念設計過程中大量的重復性工作，有效縮短新產品研發周期，對聯合收獲機的研制與開發具有重要意義。

國內外學者對知識庫系統進行了相關研究。JUAN等[8]運用數據庫類型存儲庫和人工查詢模式的獨立規則庫開發了虛擬銀行數據知識庫系統，利用系統的體系結構，用戶可以查詢并獲取存儲的數據，為研究知識庫系統中知識的獲取方法開拓了思路。JAMES等[9]對知識庫系統的一致性整合進行了研究，提出用框架表達知識庫中的各種運算符，為研究知識庫系統中知識的表達方式提供了解決方案。YANG等[10]研究了知識庫系統的結構問題，認為系統除了存儲知識還應該具備推理規則，基于算法可以挖掘系統中的知識，增強知識庫系統中知識的重用，實現系統中知識的運用。LI等[11]對知識庫系統的關系結構進行了論述，通過理論分析證明，知識庫系統中知識具有相依性，其功能結構相互依賴，這對知識庫系統架構具有重要意義。丁志東[12]針對我國汽車工業的發展需求，對整車設計所涉及的相關知識進行了初步整理和分析，從整車知識庫技術內容需求出發，提出相應的知識庫構建路線，為知識庫系統的構建提供了思路。曾福勝[13]針對整車零件設計信息量大且種類繁多的問題，研究了支撐產品設計知識管理的知識整合技術，有效解決了知識總量大且重用率低的問題。王馳等[14]研究了轉向器的總體結構和其設計知識整合技術，構建了轉向器知識庫系統，將知識整合技術和參數化設計方法融合到系統中，通過實例驗證完成了機構參數化設計，縮短了設計時間。李治[15]基于知識工程理論研究了產品的設計知識模型，并在此基礎上開發了一套具有數字化設計能力的產品設計系統，通過該系統可以初步構建設計者所需的知識模型，提高了設計效率。國外知名農機企業應用多種信息技術手段和開發工具，紛紛建立了產品研發體系和知識積累平臺[16]，基于開發工具使用基于知識的設計方法是聯合收獲機設計智能化的重要途徑，將產品設計知識整理形成統一的知識框架體系，可以輔助設計人員完成產品設計過程。在進行聯合收獲機的總體布置與零部件結構設計時，涉及參數較多，且對設計者的專業性要求較高[17-18]。在設計過程中，設計者需要查閱大量的公式、手冊、行業標準等設計資料，收集、整理全部知識，工作效率較低。目前，對聯合收獲機設計中所涉及的參數、公式、標準、計算流程等知識還沒有整理形成統一的知識框架和設計體系，進而通過知識庫系統推理機制輔助完成設計過程。

針對上述問題，本文應用裝備譜系層次劃分方法及譜系拓撲圖對聯合收獲機知識進行組織；按照智能化設計需求對知識庫系統進行架構分析；將農機裝備設計知識特點與設計過程深度結合，應用混合知識表示方法進行表達，形成知識框架體系。通過建立聯合收獲機知識庫系統實現設計過程中知識的存儲管理、高效獲取與應用，從而解決設計中的問題，體現智能化設計理念，將聯合收獲機知識集成化、系統化，提高知識的繼承性與重用性，形成通用的設計體系，為研究此類問題提供一種通用的方法。

1 聯合收獲機譜系圖構建

1.1 譜系層次設置與模塊劃分

裝備譜系研究大多應用在產品的方案分析上[19]，而對于農機裝備設計領域知識資源系統的分析與規劃還處于起步階段，近年來，本課題組一直致力于農機裝備智能化設計技術的研究，提出利用裝備譜系分類與譜系拓撲圖的形式及聚類分析方法[20]為數字化資源、裝備知識資源提供高效系統的組織模式，聯合收獲機屬于復雜的農業機械裝備，利用譜系層次設置及拓撲圖形式可以將聯合收獲機復雜的知識資源系統化組織。

聯合收獲機零部件種類繁多，其結構相互關聯，綜合形成一個復雜的體系，為了更好地實現聯合收獲機零部件設計中的知識資源表達，同時為知識庫系統中設計知識的存儲與查詢提供清晰的目錄及路徑，需要對聯合收獲機譜系進行基礎性的研究，譜系層次設置是構建聯合收獲機譜系拓撲圖的關鍵，是將聯合收獲機設計知識層次化組織的基礎。按照知識庫系統的層次化設計理念，結合聯合收獲機領域知識和相關特點，采用關系繼承性的樹狀結構以及自頂向下的方法將聯合收獲機結構進行劃分，形成譜系層次結構，譜系層次結構中子模塊繼承父模塊所有屬性，按照零部件的功能與類型進行劃分，如圖1所示。以聯合收獲機分類方式劃分基礎層次結構，運用與基礎結構相對應的框架式表示方法將聯合收獲機按照零部件結構類型與零部件功能進行逐層分解，完成譜系層次結構的設置。

根據裝備設計產品零部件之間的功能要求差異，其功能相關性也不同，從滿足產品功能要求的角度出發[21-22]，對聯合收獲機零部件間的輔助功能聯系的相關性進行分析，同時根據零件行業標準和農業機械設計手冊的實際要求以及各個零部件自身功能相對性，將聯合收獲機譜系層次結構中部件組成結構分為專用件模塊、通用件模塊及標準件模塊，如圖2所示。其中傳動件、軸承、連接緊固件等標準件零件在聯合收獲機中與其他零部件相關性較弱，可以批量化生產使用，因此將它們歸為標準件模塊；脫粒裝置為聯合收獲機的核心零部件，同時部分機型的割臺與中間輸送裝置也存在專用性，根據不同的機型選擇不同的裝置類型，需要對其進行專門研發與創新設計，因此這3個模塊中部分零部件劃分為專用件模塊；將其余零部件按照功能劃分為割臺模塊、脫粒模塊、中間輸送模塊、輸送模塊、清選模塊、動力模塊、驅動模塊和輔助模塊，在設計種類不同或同種類不同型號聯合收獲機時，這些模塊部件可以通用互換，滿足設計的功能需求，將其歸類于通用件模塊。

1.2 譜系拓撲圖

根據聯合收獲機譜系層次設置和零部件結構功能模塊劃分結果，將獲取的聯合收獲機知識進行系統化整理，分析聯合收獲機零部件類型與功能屬性，構建聯合收獲機譜系拓撲圖，如圖3所示，以聯合收獲機類型為基本單元，具有與譜系層次設置對應的層次結構，將聯合收獲機知識具體分解為多個模塊，譜系拓撲圖的建立不僅為聯合收獲機知識庫系統的知識查詢提供路徑支持，同時可作為聯合收獲機知識庫系統的目錄結構，將聯合收獲機知識層次性組織起來。

2 知識庫系統體系架構

聯合收獲機知識庫系統是聯合收獲機智能化設計平臺的基礎，如圖4所示，聯合收獲機設計時需考慮設計方法、功能結構要求、整機部件設計需求等，將相關CAX工具有效融合，按照技術區域分別設置了模型庫、數據庫、虛擬現實、知識庫系統等模塊，根據設計要求獲取知識并表達形成設計體系后與知識庫系統交互，知識庫系統按照設計需求將推送的知識傳遞給模型庫，進行模型調用及參數化驅動變型，同時通過數據庫完成知識的雙向傳遞，各模塊之間彼此關聯，相互協作，知識庫系統在其中發揮至關重要的作用，對知識庫系統內部組織單元進行架構分析。

(1)知識瀏覽與查詢：以譜系拓撲圖為索引路徑對知識庫系統中的知識進行瀏覽，并應用模糊查詢方法查詢出設計要求相匹配的知識，提高用戶的查詢效率。

(2)知識推理與推送：一方面通過將公式規則轉換為程序，利用基于規則的推理方法解決問題，可以提供給用戶更加高效的求解過程。另一方面推理機不斷與知識庫系統進行交互，用戶根據設計需求通過系統獲取滿足設計要求的知識和推理結果，并將其傳遞到已關聯的參數化模型設計過程中。

(3)知識存儲：將聯合收獲機知識以數據表的形式在SQL Server數據庫中進行有效的組織與存儲，應用ADO.Net技術實現知識庫系統與數據庫知識的雙向傳遞，縮短知識再利用的時間，便于知識的組織管理。

(4)編輯功能：隨著聯合收獲機知識的不斷更新，知識庫系統應該具備知識的增加、刪除、修改的編輯功能，實現系統中知識更新的動態過程，提高知識的集成化程度及獲取速度。

(5)權限管理：主要分為用戶和管理員權限。用戶可以對系統中的知識進行添加、修改、刪除以及查詢等功能；管理員對系統使用權限進行管理。在系統登錄界面通過輸入賬號密碼的方式區別兩者，即使人員發生變動，也不會使系統中的知識丟失，有利于新用戶對知識進行有效學習，便于知識的隨時利用。

通過人機交互的方式，由計算機智能地根據用戶需求調用資源進行設計[23-25]，知識庫系統根據用戶需求獲取系統中的知識，將查詢及推理的知識提取，進行模型知識的匹配，然后從模型庫中調用參數化模型，融合CATIA二次開發技術與建模過程，進行參數化模型的設計，提高模型的靈活性、適應性和可重用性，高效獲得滿意的知識與模型，提高設計效率，避免設計失誤，從而實現知識的高效獲取與應用，體現智能化設計理念。

3 農機裝備設計知識分析與表達

3.1 設計知識分析

聯合收獲機屬于典型的農機裝備，只有充分考慮農機裝備設計領域內知識特點，才能夠對聯合收獲機進行分類與表達，形成設計體系輔助完成設計過程。農機裝備設計知識種類繁多、知識信息總量大、形式復雜，不但需要考慮加工裝配、機械干涉等因素，還需要考慮作業環境、作物種類、種植模式，涉及整機與零部件間設計需求、功能、結構等諸多因素。結合農機裝備設計過程及知識的表現形式，經總結農機裝備設計知識有以下特點：

(1)模糊性：農機裝備的工作條件復雜且作物具有時空變異性極大的材料力學特性，它們無法確切分析，通過建模以及現有的虛擬仿真分析軟件無法確定邊界條件，只能得到模糊數據以及相關參數的取值范圍。同時農機裝備設計過程中零部件作業的性能要求等也存在模糊性，沒有明確的界限，例如脫粒效果差和清選效果差，有些狀態沒有明確的界限劃分。

(2)多變性：農機裝備設計具有個性化強、定制要求多的特點，不但需要考慮整機及內部零部件之間具有的裝配尺寸約束關系、動力輸出匹配關系、運動仿真約束前提等諸多限制關系，在設計過程中還需要根據農機裝備復雜多變的作業環境、作物種類的多樣性、作業季節以及種植模式等因素，這些因素對應的設計知識彼此存在著聯系，需要根據多變的因素針對性分析后對農機裝備進行配置設計。

(3)多樣性：農機裝備在設計時涉及整機與內部零部件間配置、功能、結構等諸多設計要素，具有結構設計和變型設計頻繁的特點，在使用不同的建模軟件、虛擬仿真軟件、分析方法進行設計時，其對應的農機裝備設計知識以函數公式、表格、敘述性規則、圖像及模型等多種形式體現在設計的各個階段，種類復雜、形式多樣。

3.2 設計知識分類

根據譜系拓撲圖中對聯合收獲機功能結構的劃分，結合農機裝備設計知識的特點和表現形式，對其進行分類。將聯合收獲機設計知識劃分為實例類知識、規則類知識、參數類知識、資料類知識和經驗類知識5類，如圖5所示。

實例類知識是指聯合收獲機裝備的設計任務和需求、屬性、設計方案等。分析并提取與設計需求相似的已批量化生產的聯合收獲機機型的實例類知識作為當前設計方案的參考，然后再根據試驗結果修改方案，實例類知識對于聯合收獲機的設計必不可少。

規則類知識是指聯合收獲機設計過程中涉及的公式、參考的行業標準，國家標準以及國家政策法規等。這些知識大多以數據表形式儲存在知識庫系統中，用于解決設計過程中的問題，規則類知識的數量直接影響到知識庫系統進行基于規則推理的能力。

參數類知識是指聯合收獲機設計領域的產品實例的性能參數、作業環境參數以及內部零部件的幾何參數等；聯合收獲機零部件設計時的結構參數、選型參數、性能參數以及零部件的幾何形狀參數都屬于該范疇。

資料類知識是指聯合收獲機設計的產品說明書、設計流程、設計圖冊等；同時構建聯合收獲機知識庫系統的方法、使用說明書、操作流程圖等都屬于資料類知識，以圖表形式儲存在知識庫系統中。

經驗類知識是指農機裝備設計領域專家的經驗、田間試驗的方法和試驗方案以及調研獲取的知識；農業機械零部件在對各設計參數初步擬定、詳細尺寸設計、結構分析以及設計圖紙的表達時，存在的一些可行及有效、經過實踐證明的知識是經驗類知識的主要來源。同時在進行聯合收獲機關鍵部件的工廠加工時，工廠技術人員給予的修正與建議方案也可歸于經驗類知識范疇。

3.3 設計知識表達

設計知識表達是指使用合適的知識表示方法將農機裝備設計知識形成框架設計體系，為知識庫系統服務，它不僅決定了知識的應用形式，還影響知識庫系統的推理機制。知識的表達一直是知識工程研究領域的熱點，在不同的應用領域內，提出了多種知識表示方法，每種表示方法都有自己的特點和局限性。對同一種知識可以用不同的方法進行表示，但表示的方法不同效果也不同。因此，在選擇知識表示的方法時應考慮以下幾個因素[26]：①能夠將設計知識進行有效的表達。②表達的知識應易懂、易讀，便于知識的推理。③充分結合領域內裝備的設計過程。④利于領域內知識的共享與應用。

根據設計知識分類結果并結合農機裝備設計知識特點，應用面向對象技術[27]將結構化明顯的框架表示方法和邏輯性較強的產生式規則表示方法相互融合，將農機裝備設計過程中涉及的知識屬性和特征封裝在框架結構中，使農機裝備設計知識的表達清晰明了，如圖6所示。將農機裝備的設計需求、功能目標和結構組成以框架表示方法進行表達，層次清晰；之后具體對內部零部件結構進行設計，通過分析零部件的設計過程，從設計的零部件功能、設計要求和結構設計特點來確定設計參數，利用產生式規則表示方法的思想，已知初始設計參數及方法函數、標準規范等，通過建立知識模型，利用規則函數等推理得出需要的設計參數，此方法可以高效地實現對農機裝備設計知識的表達。

聯合收獲機屬于典型的農機裝備，應用此方法對聯合收獲機零部件設計知識進行表達，紋桿滾筒式脫粒裝置是國內外谷物聯合收獲機最常配備的關鍵部件，應用最為廣泛[28]。以紋桿滾筒式脫粒裝置的設計過程為例，紋桿滾筒式脫粒裝置的工作性能受到許多因素影響，如谷物的喂入方式、凹板長度、凹板包角、滾筒直徑、紋桿數、凹板間隙、滾筒速度、喂入速度以及作物含水率、含雜率等。在其設計過程中，根據這些因素對脫粒過程的影響，正確選擇和確定其結構參數。紋桿滾筒式脫粒裝置的結構參數包括結構設計開始時已知的結構參數或用戶要求的參數、零部件裝配關系確定的參數以及標準件的尺寸系列數據。將設計知識進行整理，應用混合表示方法將紋桿滾筒式脫粒裝置的設計功能、要求、結構組成及關鍵部件設計知識屬性特征封裝在一起，形成知識框架及設計體系，如圖7所示，其中總體參數如作物種類、喂入量等，輔助參數如作物性質系數等，輸出參數如滾筒長度等共同決定脫粒裝置的設計目的與功能，這些知識來自農機企業的產品目錄、設計手冊或標準等，經收集整理及分類存儲在知識庫系統中通過人機交互的方式，進行知識瀏覽、查詢、推理獲取，應用混合表示方法可以將聯合收獲機零部件設計知識進行有效表達，并建立通用的零部件設計體系，形成知識庫系統的推理機制。

4 系統中知識存儲與應用方法

4.1 數據庫連接

以Visual Studio 2015作為開發工具構建聯合收獲機知識庫系統，應用SQL Server數據庫與其建立接口模塊的形式進行兩者的協調工作，實現知識的組織管理。在.NET環境下知識庫系統本身不具備對SQL Server數據庫進行操作的功能，它對數據庫的處理是通過Microsoft ActiveX Data Objects.Net(ADO.Net)實現的，應用ADO.Net技術[29]通過程序關聯存儲在SQL Server數據庫的知識，并在系統中以交互界面形式來呈現。ADO.Net主要包括以下4個對象，如表1所示。

表1 ADO.Net對象與功能Tab.1 ADO.Net objects and functions

ADO.Net包含不同類型的數據提供程序，本文在.Net環境下通過程序編輯與SQL Server數據庫建立連接，實現數據庫與聯合收獲機知識庫系統中知識的雙向傳遞，應用ADO.Net技術進行數據庫配置連接的關鍵程序如圖8所示。

4.2 知識存儲

知識庫系統中的知識是以數據表的形式存儲在SQL Server數據庫，通過ADO.Net技術將兩者進行關聯后，實現知識的雙向傳遞。其中數據表的列屬性包括字段名、字段數據類型、字段長度等，這些屬性在創建表時被確定，數據表命名方式是以譜系拓撲圖與聯合收獲機設計知識分類結果為依據，圖9為聯合收獲機標準件模塊知識存儲形式示例。

4.3 知識查詢

模糊查詢是指通過使用具有模糊特征的關鍵詞對系統中的知識進行查詢，提高查詢的全面性[30]。基于此理論，本文應用關鍵字定位及模糊判斷的模糊查詢方法對聯合收獲機知識庫系統中的知識進行查詢，其中關鍵字定位是指用戶根據設計需求在系統中輸入知識的關鍵字進行匹配定位查詢；模糊判斷是指在用戶經常遇到不確定具體數值，只能大概明確范圍時通過程序編輯設置條件，縮小查詢范圍，提高查詢效率。知識查詢過程應用關鍵程序如圖10所示。

4.4 編輯功能

編輯功能包括在知識庫系統中對知識進行添加、刪除與修改等，用戶可以根據設計需求應用知識的編輯功能實現對新知識的高效獲取與再學習的過程。知識編輯過程分別使用Insert、Delete、Update的SQL語句，并編輯對應限制條件實現知識的增加、刪除和修改功能，應用關鍵程序如圖11所示。

5 系統技術集成與測試

5.1 交互界面設計

人機交互界面將人的思維方式與計算機的運作方式相互轉換，以實現人與計算機之間的動作的雙向傳遞，首先交互界面的設計需要起到智能引導的作用，提高設計效率與準確性。聯合收獲機知識庫系統登錄界面如圖12所示，包括用戶類型、密碼及用戶名選項。

知識庫系統主界面如圖13所示，根據知識庫系統的模塊架構，主界面包括5部分，即知識瀏覽、知識查詢、知識存儲、知識推送和權限管理。

知識瀏覽界面如圖14所示，根據譜系拓撲圖對知識庫系統的知識目錄結構進行設置，在該模塊下用戶可以對系統中存儲的知識進行瀏覽；隨著知識的更新，管理員對系統知識結構進行補充和更新。

知識查詢界面如圖15所示，用戶在該模塊下應用模糊查詢方法對系統中知識查詢，同時進行知識的添加、刪除和修改等功能完成知識的再學習過程，并應用ADO.Net技術將新編輯的知識同步更新并儲存到知識庫系統中。

知識存儲界面如圖16所示，在該模塊下根據聯合收獲機的知識分類結果對新知識進行存儲。

知識推送界面如圖17所示，采用人機交互的方式，結合知識表達形成的設計體系融合系統推理機制，利用輔助對話框形式選取設計的初始參數，對儲存的知識進行查詢、推理，將推理結果和獲取的滿足設計需求知識進行推送，并調用關聯的參數化模型進行設計，縮短用戶獲取所需知識的時間，提高設計效率。

5.2 CATIA二次開發接口技術集成

聯合收獲機知識庫系統除了具備知識的查詢、編輯、存儲等功能外，還與CATIA建模軟件通過接口技術集成，知識庫系統將知識推送后的模型設計知識傳遞給參數化模型，進行變型設計，提高知識繼承性與模型的適應性，從而提高用戶的設計效率。在Visual Studio 2015下對CATIA進行二次開發時，應指明對象類型為CATIA的某種對象，否則可能執行出錯，對象聲明的程序語句為

imports ProductStructureTypeLib

imports MECMOD

imports PARTITF

imports HybridShapeTypeLib

當外部程序通過COM接口訪問CATIA內部對象時，若CATIA未啟動，使用CreateObject函數打開CATIA；若CATIA已啟動，使用GetObject函數直接與CATIA建立連接，程序語句為

on Error Resume Next

dim CATIA As INFITF.Application

CATIA = GetObject(,"CATIA.Application")

if Err.Number <> 0 Then

CATIA = CreateObject("CATIA.Application")

CATIA.Visible = True

用戶獲取系統推送的模型知識后，將其傳遞給對應的參數化模型，通過交互界面中的命令按鈕驅動模型變型。模型驅動的關鍵程序為

CATIA = CreateObject("CATIA.Application")

dim productDocument1 As INFITF.Document

productDocument1 = CATIA.ActiveDocument

dim product1 As Product

product1 = productDocument1.Product

dim product1 As Product

product1 = products1.Item("設計對象")

dim parameters1 As knowledgewareTypeLib.Parameters

parameters1 = product1.Parameters

parameters1.Item("模型的結構參數").Value = val(TextBox1.Text)

product1.Update()

5.3 系統測試

以紋桿滾筒式脫粒裝置設計為例，分析其設計過程并應用混合表示方法對紋桿滾筒式脫粒裝置設計知識表達后，形成設計知識的框架體系，使用知識庫系統完成紋桿滾筒式脫粒裝置模型參數化變型設計。

5.3.1知識瀏覽

用戶在知識瀏覽模塊界面選擇“脫粒模塊”進入脫粒裝置知識瀏覽界面，如圖18所示。首先需要對脫粒裝置的知識進行瀏覽，包括圖片展示、特點及適用范圍、脫粒裝置類型以及功能命令選項，確定設計目標。

5.3.2知識查詢

單擊“知識查詢”按鈕，調取系統中所有與紋桿滾筒式脫粒裝置相關的知識，用戶通過目錄樹選擇不同的知識來源對設計知識進行瀏覽、查詢，獲取所需知識，如圖19所示。

當用戶明確查詢目標，在查詢窗口輸入目標關鍵詞，以滾筒直徑為例，通過模糊查詢的方式對系統中的知識進行查詢與定位，如圖20所示，用戶可以根據設計需求查詢系統中的知識并進行編輯，將知識再利用。

在紋桿式滾筒式脫粒裝置設計時，可以根據用戶對不同參數的需求進行模糊查詢，查詢最接近用戶要求的設計知識，以圖21為例，選中“長度”復選框，輸入范圍900～950 mm，查詢系統中已存儲的滾筒長度范圍在900～950 mm之間的實例類知識，作為當前設計的參考。

5.3.3知識推理

若沒有滿足設計要求的知識，則在Visual Studio 2015下對紋桿滾筒式脫粒裝置的設計知識進行推理。通過人機交互方式用戶輸入求解問題的初始參數，系統調用儲存的方法函數和公式進行推理計算，得出具體零部件設計參數，如圖22所示，從系統中調取滾筒直徑、滾筒線速度后，通過程序將對應的公式類知識進行表達，單擊“推理計算”按鈕，即可獲得滾筒轉速等工作參數，單擊“下一步”按鈕獲取其他設計參數，并將計算結果保存。該方式將設計體系與系統推理機制融合，直接從系統中將知識提取，縮短用戶查詢公式及計算時間，提高設計效率。

將獲取的紋桿滾筒式脫粒裝置設計知識結合知識表達形成的設計體系，實現設計過程的程序化，程序流程如圖23所示。圖中Q為喂入量；μ0為作物性質系數；q0為滾筒單位長度允許承擔的喂入量；qα為單位凹板面積允許負擔的喂入量；β為喂入作物中谷粒所占質量的比率；vt為滾筒切線速度；vmax、vmin為最大、最小參考轉速；L為滾筒長度；L0、L1為紋桿孔位置尺寸；n為輻盤數；D為滾筒直徑；Z為紋桿數；N為滾筒轉速；A為凹板面積；α為凹板包角；δr、δc為脫粒間隙。

5.3.4知識推送

在紋桿滾筒式脫粒裝置知識推送界面，用戶根據輔助對話框提示選擇紋桿滾筒式脫粒裝置設計所需知識，單擊“知識推送”按鈕，如圖24所示，選擇設計的脫粒裝置類型后，依次彈出產品設計的初始參數“作物種類”、“喂入量”、“滾筒單位長度允許承擔喂入量”、“作物性質系數”、 “草谷比”、 “入口間隙”和“出口間隙”對話框，確認后自動調取系統中對應的“滾筒轉速”、“滾筒長度”、“凹板面積”等知識進行提取或推理，并將提取與推理結果推送至界面顯示。

5.3.5模型驅動

最后單擊“調用模型”按鈕，用戶在脫粒裝置參數化模型庫中調取參數化模型，進入紋桿滾筒式脫粒總成模型驅動界面，如圖25所示，在CATIA環境下二次開發，根據設計需求對已關聯的參數化模型進行參數修改，單擊“模型驅動”按鈕，通過程序將推送的設計參數知識傳遞到模型對應的結構參數上進行模型驅動，在不同需求下完成模型參數化設計與變型，之后將模型設計知識存儲在知識庫系統中，增加系統中紋桿滾筒式脫粒裝置設計知識儲量，方便對系統知識的擴充與獲取，并為同類設計作參考。

通過上述操作流程，可以完成紋桿滾筒式脫粒裝置知識的獲取、推理、編輯、推送以及模型的參數化變型設計過程，將設計過程系統化；隨著系統聯合收獲機知識量擴充，應用知識庫系統可以進行聯合收獲機內部零部件模型參數化設計，本課題組初步構建了聯合收獲機脫粒裝置與清選裝置參數化模型庫[3,18]，很好地為聯合收獲機知識庫系統提供模型資源的支持。

系統測試表明：聯合收獲機知識庫系統將設計方式轉變，應用計算機代替人力查詢知識，從知識庫系統中直接獲取、推理并將設計知識推送給用戶，并融合CATIA參數化模型設計過程，最大限度減少了用戶查詢以及由于設計失誤重新設計的時間，這種設計方式將聯合收獲機設計知識集成化并高效獲取，提高知識的繼承性和模型的適應性，從而提高設計效率。

6 結論

(1)應用譜系及譜系拓撲圖形式對聯合收獲機知識資源進行組織，按照聯合收獲機智能化設計平臺需求對知識庫系統進行架構分析，對聯合收獲機知識進行系統化管理。

(2)根據農機裝備設計知識特點與表現形式，應用框架表示和產生式規則相結合的混合表示方法可以有效表達農機裝備設計過程。應用ADO.Net技術，在.Net環境下實現知識庫系統與數據庫知識的雙向傳遞，并依據聯合收獲機知識分類結果與譜系拓撲圖進行組織存儲，提高設計知識的集成化程度。

(3)通過人機交互的方式，系統將知識表達形成的設計體系封裝，借助相關技術將設計知識與開發工具融合運用，實現知識的查詢、推理、編輯及推送功能，并通過CATIA參數化模型變型設計實現聯合收獲機設計過程中知識的高效獲取與應用，提高了設計效率與聯合收獲機知識的繼承性。該方法具有通用性，可為農機裝備智能化設計方案提供借鑒。