李 婷，孫定華，李戰(zhàn)國(guó)，李寶童，邱志惠，洪 軍

（西安交通大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，西安 710049）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的心臟，卻是我國(guó)汽車(chē)工業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程有很強(qiáng)的繼承性，主要是基于以往的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，所以以往的設(shè)計(jì)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和資源變就成為企業(yè)快速開(kāi)發(fā)、贏得市場(chǎng)的保證。針對(duì)這些問(wèn)題,本文以發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流程為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)國(guó)外成熟發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)的發(fā)現(xiàn)、提取與集成，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)知識(shí)的共享及重用。論文針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性，研究了規(guī)則推理和實(shí)例推理，二者的結(jié)合方式。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解技術(shù)、知識(shí)提取技術(shù)、實(shí)例檢索技術(shù)、實(shí)例修改技術(shù)、實(shí)例庫(kù)構(gòu)建技術(shù)、參數(shù)驅(qū)動(dòng)建模技術(shù)等KBE關(guān)鍵技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用，提出基于KBE的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)快速設(shè)計(jì)指導(dǎo)系統(tǒng)。擴(kuò)展了KBE技術(shù)的內(nèi)涵，豐富了KBE技術(shù)的應(yīng)用，為進(jìn)一步研究KBE技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 基于KBE的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)面向汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)過(guò)程，其推理產(chǎn)生的結(jié)果作為引導(dǎo)與輔助后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)的依據(jù)。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)的領(lǐng)域知識(shí)由知識(shí)工程師向領(lǐng)域?qū)＜姨崛〔R總?cè)胫R(shí)庫(kù)；推理機(jī)應(yīng)用一定的控制策略對(duì)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行推理運(yùn)用，輸出設(shè)計(jì)方案并提交給參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以進(jìn)行三維建模及有限元分析驗(yàn)證；同時(shí)通過(guò)性能評(píng)價(jià)模塊對(duì)所得到的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)并將評(píng)價(jià)結(jié)果存儲(chǔ)到知識(shí)庫(kù)中[1]。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于上述工作部署，將汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為推理系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、性能分析及評(píng)價(jià)等模塊[1]。其中,參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊主要是利用專(zhuān)家系統(tǒng)推理出來(lái)的設(shè)計(jì)方案。選擇合適的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)方式，將設(shè)計(jì)尺寸直接轉(zhuǎn)化為控制產(chǎn)品圖形的特征參數(shù)，直接驅(qū)動(dòng)模型。性能分析模塊則通過(guò)有限元分析軟件對(duì)方案分析，并依照檢查規(guī)則檢驗(yàn)產(chǎn)品的幾何模型，從而實(shí)現(xiàn)以知識(shí)驅(qū)動(dòng)的建模與仿真分析。專(zhuān)家系統(tǒng)包括實(shí)例檢索、基于規(guī)則推理的實(shí)例修復(fù)、分析檢查與評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生四個(gè)模塊。知識(shí)獲取用于提取領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)、規(guī)范準(zhǔn)則、科研數(shù)據(jù)及已有的設(shè)計(jì)成果等，經(jīng)歸納、總結(jié),最終提煉抽象形成知識(shí)。知識(shí)庫(kù)是領(lǐng)域知識(shí)的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)由知識(shí)獲取所得到的知識(shí)，并為推理機(jī)制提供相應(yīng)的知識(shí)，是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心[2]。推理機(jī)根據(jù)用戶(hù)輸入的條件運(yùn)用一定的控制策略檢索知識(shí)庫(kù)中的有關(guān)知識(shí)，通過(guò)推理得出結(jié)論，為仿真分析提供可供參考的設(shè)計(jì)方案。由于知識(shí)種類(lèi)較多，其表示形式不一樣，本文采用了實(shí)例推理和規(guī)則推理集成的推理模式，它能充分利用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的實(shí)例知識(shí)和產(chǎn)生式知識(shí)。

2 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)快速設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 面向?qū)ο蟮膶?shí)例及設(shè)計(jì)知識(shí)表示

在復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，采用功能-結(jié)構(gòu)循環(huán)映射對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行層次分解，體現(xiàn)功能視圖和結(jié)構(gòu)視圖的融合，可使復(fù)雜產(chǎn)品從設(shè)計(jì)功能分解到零件結(jié)構(gòu)分解，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思維邏輯，避免了功能設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)劃分之間的沖突。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)功-構(gòu)分解層次樹(shù)（部分）如圖2所示。

圖2 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)功-構(gòu)分解層次圖

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是典型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，相關(guān)設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)十分復(fù)雜，單一的方法不能很好地描述設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)，所以本文采用面向?qū)ο蟮闹R(shí)表達(dá)方法，以功能-結(jié)構(gòu)分解模型樹(shù)為指導(dǎo)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品模型建模和設(shè)計(jì)知識(shí)整理編目[3]。

產(chǎn)品建模包括三個(gè)方面：功能建模，結(jié)構(gòu)建模，原理建模。由功能—結(jié)構(gòu)樹(shù)橫向劃分產(chǎn)品-機(jī)構(gòu)-零件層次關(guān)系，構(gòu)建深度為3的樹(shù)型結(jié)構(gòu)。將樹(shù)中節(jié)點(diǎn)定義成一個(gè)通用節(jié)點(diǎn)類(lèi)，當(dāng)中設(shè)置節(jié)點(diǎn)id為按哈夫曼編碼的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)。可賦值屬性集合，主要記錄節(jié)點(diǎn)本身的信息、父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，以及屬性操作方法集。

按照產(chǎn)品-機(jī)構(gòu)-零件層次關(guān)系節(jié)點(diǎn)類(lèi)可衍生出產(chǎn)品級(jí)節(jié)點(diǎn)、機(jī)構(gòu)級(jí)節(jié)點(diǎn)和零件級(jí)節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)按樹(shù)型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)，形成一個(gè)產(chǎn)品表示的基礎(chǔ)樹(shù)型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由此定義樹(shù)型結(jié)構(gòu)類(lèi)。系統(tǒng)需要完成實(shí)例推理、規(guī)則推理和產(chǎn)品評(píng)估等工作，在對(duì)功能-結(jié)構(gòu)樹(shù)進(jìn)行縱向調(diào)整，按照功能-結(jié)構(gòu)-評(píng)估將其分解為關(guān)系平行、相互索引的三個(gè)方面。分別定義，功能類(lèi)對(duì)用戶(hù)提出的需求進(jìn)行規(guī)范表示，結(jié)構(gòu)類(lèi)用于記錄產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)類(lèi)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)各部分的評(píng)估方法和結(jié)果。這三個(gè)類(lèi)皆衍生于結(jié)構(gòu)類(lèi),都是產(chǎn)品實(shí)例類(lèi)的組成成員。功能-結(jié)構(gòu)-評(píng)估三個(gè)映射層之間有三種映射索引關(guān)系：功能－結(jié)構(gòu)映射，結(jié)構(gòu)－評(píng)估映射，結(jié)構(gòu)－功能映射。將這些映射定義為接口（interface），由相應(yīng)的類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)十分復(fù)雜，根據(jù)知識(shí)的類(lèi)型，將其分為：1）基礎(chǔ)知識(shí)：主要包括介紹發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的經(jīng)典書(shū)籍、文章，關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)著作、文章等；2）推理規(guī)則：用以指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)零件結(jié)構(gòu)選型、參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程的規(guī)則，以產(chǎn)生式規(guī)則表示法表示；3）約束規(guī)則：用于對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的約束，包括法律法規(guī)、常用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)公式構(gòu)建的設(shè)計(jì)參數(shù)之間的約束；4）檢查規(guī)則：用于對(duì)初始設(shè)計(jì)的檢查，包括各種參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)范圍、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖表等，也包括CAE分析、運(yùn)動(dòng)仿真等數(shù)據(jù)結(jié)果。所以產(chǎn)品原理模型分為設(shè)計(jì)知識(shí)模型（基礎(chǔ)知識(shí)、推理規(guī)則、約束規(guī)則）和評(píng)價(jià)知識(shí)模型（檢查規(guī)則）兩種類(lèi)型。以樹(shù)型結(jié)構(gòu)類(lèi)為父類(lèi)，分別衍生出設(shè)計(jì)知識(shí)類(lèi)和評(píng)價(jià)知識(shí)類(lèi)。知識(shí)模型是一種知識(shí)庫(kù)編目方式，只特定的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)相關(guān)，不與產(chǎn)品實(shí)例相關(guān)。

綜上所述，產(chǎn)品模型實(shí)例是一個(gè)四元組：

實(shí)例={功能模型，結(jié)構(gòu)模型，評(píng)估模型，實(shí)例索引，原理索引}

其中，實(shí)例索引項(xiàng)有兩種：功能索引，特征索引。功能索引是從功能屬性中提取出描述設(shè)計(jì)問(wèn)題的特征屬性集，用于零件級(jí)以上的實(shí)例索引。特征索引是零件幾何特征集，用于特征級(jí)索引。原理索引分為設(shè)計(jì)原理索引、評(píng)價(jià)原理索引，分別用于獲取設(shè)計(jì)知識(shí)和評(píng)價(jià)知識(shí)。由此，定義產(chǎn)品實(shí)例類(lèi)如圖3所示：

圖3 產(chǎn)品實(shí)例類(lèi)類(lèi)圖

2.2 基于CBR和RBR的系統(tǒng)推理框架

尋找問(wèn)題的解決方法依賴(lài)于歸納推理中詳盡的領(lǐng)域知識(shí)和類(lèi)比推理中豐富的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。整合RBR和 CBR兩種推理方法，各自發(fā)揮長(zhǎng)處，產(chǎn)生一種復(fù)合式推理框架[4]。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，CBR是主體，責(zé)實(shí)例獲取和規(guī)則歸納，RBR負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)實(shí)例評(píng)價(jià)和為實(shí)例修復(fù)提供規(guī)則依據(jù)。如下圖4所示：

圖4 復(fù)合式推理結(jié)構(gòu)框架圖

控制器負(fù)責(zé)根據(jù)問(wèn)題的特性選擇適合的推理形式，控制著工作流方向，以及用戶(hù)信息交互。規(guī)則庫(kù)和實(shí)例庫(kù)分別存儲(chǔ)了參考規(guī)則和各種實(shí)例，RBR提供邏輯推理方法，如向前推理，向后推理和雙向推理；CBR提供實(shí)例推理系統(tǒng)，包括實(shí)例檢索，結(jié)果轉(zhuǎn)換以及結(jié)果保存。RBR和CBR獨(dú)立工作和提供推理結(jié)果。二者的合作有助于理解帶有RBR解釋能力的CBR框架的推理結(jié)果。另外，CBR的學(xué)習(xí)能力還有助于它獲取新知識(shí)，以不斷充實(shí)規(guī)則庫(kù)。所以這種合成的推理形式。

如結(jié)構(gòu)-功能結(jié)構(gòu)樹(shù)所示，零件需記錄自己的幾何特征。所以在設(shè)計(jì)中，采用兩階段獲取方法從實(shí)例庫(kù)中獲取最相似實(shí)例。在零件級(jí)以上，利用功能檢索進(jìn)行實(shí)例匹配。當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)行到零件選型階段利用特征索引進(jìn)行匹配。兩個(gè)匹配步驟均采用帶權(quán)最鄰近算法計(jì)算相似度，并對(duì)所得相似度進(jìn)行歸一化處理[5]。設(shè)相似度閾值b，若坐高相似度高于b，則直接采納原實(shí)例設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，反之則進(jìn)入實(shí)例修復(fù)。系統(tǒng)中提供一種手動(dòng)實(shí)例修復(fù)方法。通過(guò)RBR推理機(jī)制，結(jié)合規(guī)則庫(kù)操作，推導(dǎo)出符合要求的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)整合來(lái)自?xún)蓚€(gè)推理引擎的結(jié)果，得到最終推理結(jié)果。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要包括概念設(shè)計(jì)模塊、曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊和配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊。曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊主要完成曲軸、連桿組、活塞和活塞銷(xiāo)等零件的設(shè)計(jì)。配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊主要完成曲軸、連桿組、活塞和活塞銷(xiāo)等零件的設(shè)計(jì)。利用Automation技術(shù)對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，旨在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用程序與CATIA的信息交互。在系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)人員將實(shí)例的產(chǎn)品全局參數(shù)、零部件特征參數(shù)等靜態(tài)屬性和零部件尺寸關(guān)聯(lián)和特征關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)行為分別存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)中。借助ADO和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)構(gòu)建與記錄產(chǎn)品模型。

發(fā)動(dòng)機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，根據(jù)用戶(hù)提出的發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩、排放、應(yīng)用車(chē)型及成本等產(chǎn)品目標(biāo)（設(shè)計(jì)輸入），依據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步確定發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、主要零部件的結(jié)構(gòu)形式、發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)的布置方案和參數(shù)等作為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)例的一般信息，并由此構(gòu)建產(chǎn)品功能模型。用整機(jī)功能主參數(shù)構(gòu)建索引項(xiàng)，從實(shí)例庫(kù)中可獲取符合用戶(hù)需求的所有實(shí)例，如圖5所示。

圖5 整機(jī)功能級(jí)實(shí)例索引

以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程。進(jìn)入曲軸連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。從功能模型獲得動(dòng)力性指標(biāo)，并以此構(gòu)建功能索引，進(jìn)一步篩選實(shí)例（如圖6所示）。本系統(tǒng)實(shí)例獲取的推理過(guò)程分功能索引和特征索引兩個(gè)級(jí)別，獲取曲軸設(shè)計(jì)所需的示例數(shù)據(jù)，是以其各零件特征索引項(xiàng)為依據(jù)，從實(shí)例庫(kù)最終選出符合要求的實(shí)例（如圖7所示）。完成基于相似度計(jì)算的實(shí)例檢索，若最終獲取的候選實(shí)例與求解實(shí)例的相似度達(dá)到閾值b，則將候選實(shí)例的設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于當(dāng)前設(shè)計(jì)。當(dāng)不滿(mǎn)足閾值要求時(shí)，則利用產(chǎn)生式知識(shí)，通過(guò)RBR 方法給出輔助實(shí)際建議。

圖6 機(jī)構(gòu)級(jí)實(shí)例索引

圖7 特征級(jí)實(shí)例索引

設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行“計(jì)算評(píng)價(jià)參數(shù)”及“檢查設(shè)計(jì)參數(shù)”，若存在與設(shè)計(jì)規(guī)則不符的參數(shù)則給出不符合參數(shù)提示，反之則提示符合規(guī)則。進(jìn)行曲拐建模，由設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)CATIA軟件進(jìn)行自動(dòng)建模，建模結(jié)果如圖8所示。

圖8 曲拐模型和曲軸完整模型

4 結(jié)論

1）本文詳細(xì)討論了基于KBE的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。目的在于通過(guò)設(shè)計(jì)重用和專(zhuān)家知識(shí)推理，減輕汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)總體概念設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。通過(guò)設(shè)計(jì)知識(shí)查詢(xún)和方案推薦減緩產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)師的依賴(lài)。系統(tǒng)不僅是記錄產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，且可以完成從實(shí)例庫(kù)中提取知識(shí)。

2）通過(guò)分析產(chǎn)品功能-結(jié)構(gòu)分解模型樹(shù)，借助面向方面思想和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，分別建立同構(gòu)的產(chǎn)品功能模型、結(jié)構(gòu)模型和原理模型。綜合考慮系統(tǒng)的KBE功能，分析各功能模塊之間的關(guān)系，結(jié)合產(chǎn)品模型，提出發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品實(shí)例建模方法。通過(guò)這種方法，系統(tǒng)將各種國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)成熟機(jī)型的技術(shù)資料和各種設(shè)計(jì)知識(shí)，以規(guī)范化形式收錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3）針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程特征，合理調(diào)整CBR和RBR兩個(gè)推理框架的結(jié)合方式。CBR是主體，責(zé)實(shí)例獲取和規(guī)則歸納。按照各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所需信息的粒度不同，建立功能索引和特征所引兩步結(jié)合的實(shí)例獲取操作。RBR負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)實(shí)例評(píng)價(jià)和為實(shí)例修復(fù)提供規(guī)則依據(jù)。其推理過(guò)程所使用的規(guī)則，一方面由專(zhuān)家提供，另外CBR會(huì)將從實(shí)例庫(kù)中歸納出的規(guī)則存入規(guī)則庫(kù)，供RBR推理使用。

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