姚 佳 郭 宇

南京航空航天大學,南京,210016

支持鐵路貨車快速設(shè)計的知識模型研究

姚 佳 郭 宇

南京航空航天大學,南京,210016

為了適應(yīng)快速設(shè)計的需求,在對設(shè)計知識進行分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建了用于組織設(shè)計知識的設(shè)計流程;從設(shè)計約束、設(shè)計流程出發(fā),以設(shè)計知識間的關(guān)聯(lián)為基礎(chǔ),分別利用關(guān)鍵詞匹配和模型設(shè)計參數(shù)值匹配的方式,向設(shè)計人員提供全面的設(shè)計工具與參考知識集和模型集,并實現(xiàn)個性化的提供方式;在此知識模型基礎(chǔ)上建立面向重用的設(shè)計過程模型,以適應(yīng)快速設(shè)計的需要。某鐵路貨車企業(yè)快速設(shè)計系統(tǒng)中的驗證結(jié)果表明,該知識模型能有效地為產(chǎn)品快速設(shè)計提供設(shè)計知識。

快速設(shè)計;設(shè)計流程;知識模型;模型檢索

0 引言

當今市場的需求變化越來越快,產(chǎn)品的設(shè)計與制造需要尋求效率和質(zhì)量的結(jié)合。為適應(yīng)這種特點,快速設(shè)計理念越來越受到重視,基于快速設(shè)計的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計平臺也有了越來越多的應(yīng)用。尤其在成熟產(chǎn)品領(lǐng)域,變型設(shè)計已經(jīng)成為主要的設(shè)計方式,基于實例推理(CBR)技術(shù)、面向產(chǎn)品族的設(shè)計技術(shù)已有大量的研究與應(yīng)用[1-8]。胡建[1]以本體論為基礎(chǔ)對設(shè)計知識進行建模,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于知識引導的多視圖設(shè)計知識檢索模型和基于多維度的設(shè)計知識重用模型。車君華[2]采用支持向量機(SVM)的方法對文檔進行分類,基于公理設(shè)計理論進行設(shè)計知識表達,在ROUGH SETS理論基礎(chǔ)上構(gòu)建知識獲取方法。上述研究側(cè)重于知識的檢索與發(fā)現(xiàn),對知識的組織依靠分類方式,沒有考慮設(shè)計知識的利用是跟隨設(shè)計過程的這一因素。Baxtor等[3]使用流程建模的方式組織包括流程信息、任務(wù)信息、產(chǎn)品模型的設(shè)計知識,但是沒有構(gòu)建不同類型的知識之間的相關(guān)性,知識的使用具有一定局限性。針對這兩個問題,我們把快速設(shè)計條件下知識模型的構(gòu)建過程分為約束獲取、知識組織、知識關(guān)聯(lián)。

1 機械產(chǎn)品設(shè)計知識模型

1.1 產(chǎn)品設(shè)計知識分類

機械產(chǎn)品設(shè)計過程是一個涉及多學科、多來源、不同性質(zhì)知識的活動。從知識的表現(xiàn)形式上可以分為顯性知識與隱性知識。知識的組織使用到如下三類知識(圖1):

圖1 機械產(chǎn)品設(shè)計知識分類

(1)設(shè)計流程。人們從產(chǎn)品設(shè)計準則或經(jīng)實踐檢驗正確的知識中提煉出用于描述產(chǎn)品具體設(shè)計步驟、指導產(chǎn)品設(shè)計、保證設(shè)計過程正確、保證設(shè)計工具與設(shè)計參考知識規(guī)范使用的一類知識。設(shè)計流程可以被認為是組織設(shè)計工具與設(shè)計參考知識的骨架模型。

(2)設(shè)計過程工具與參考知識。產(chǎn)品在具體設(shè)計階段對知識有大量需求,這些知識用于確定設(shè)計變量取值、為設(shè)計提供理論和實驗依據(jù)等。該部分知識可以細分為設(shè)計工具類(計算和校核工具)、設(shè)計理論類(設(shè)計規(guī)范、設(shè)計標準)和實驗數(shù)據(jù)類(仿真與實驗數(shù)據(jù))。

(3)設(shè)計成果知識。設(shè)計成果知識指設(shè)計完成后得到的知識,包括產(chǎn)品模型與相應(yīng)的設(shè)計過程表述(設(shè)計流程實例)。

1.2 設(shè)計流程的組織與表達

設(shè)計活動往往比較復雜,需要被分解為若干子任務(wù)進行分發(fā),將這些任務(wù)、子任務(wù)的實現(xiàn)過程進行詳細表達就產(chǎn)生了設(shè)計流程樹。設(shè)計流程樹(圖2)的組織具有層次化、有序化與模塊化的特點,且存在設(shè)計流程的嵌套,這種嵌套的子設(shè)計流程體現(xiàn)為產(chǎn)品模塊劃分或子設(shè)計任務(wù)。依據(jù)設(shè)計流程的特點,將產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)知識與設(shè)計流程、子流程或設(shè)計步驟建立關(guān)聯(lián)的,實現(xiàn)知識的準確提供與有序利用。

一項設(shè)計活動D可以由兩個矩陣表達:

圖2 設(shè)計流程的組織與表示

1.3 設(shè)計知識獲取與關(guān)聯(lián)

設(shè)計知識的搜索依據(jù)包括設(shè)計約束和當前設(shè)計流程、設(shè)計步驟。設(shè)計知識包括設(shè)計過程工具與參考知識、設(shè)計成果知識,前者通常與設(shè)計步驟關(guān)聯(lián),后者與設(shè)計流程關(guān)聯(lián)。

1.3.1 約束獲取

設(shè)計約束來源于任務(wù)的下發(fā)過程,設(shè)計約束按設(shè)計流程結(jié)構(gòu)分解,因此需要提供能與設(shè)計流程方便匹配的設(shè)計約束表達形式。

1.3.2 設(shè)計過程工具與參考知識的獲取與關(guān)聯(lián)

設(shè)計過程需要的知識是多樣化的,單一地使用關(guān)鍵詞進行相似度匹配難以完整地獲得所需的知識,并且知識間本該具有的相關(guān)性聯(lián)系不能得到體現(xiàn)。因此使用關(guān)鍵詞匹配與關(guān)聯(lián)模型相結(jié)合的方法來獲取參考知識。

關(guān)鍵詞匹配的基礎(chǔ)是由關(guān)鍵詞構(gòu)成的領(lǐng)域知識本體網(wǎng)絡(luò)Y(圖3),它在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上使用鏈表進行存儲。需要說明的是,知識領(lǐng)域被劃分成若干子領(lǐng)域,如材料、結(jié)構(gòu)和任務(wù),屬于不同子領(lǐng)域的知識之間的關(guān)聯(lián)度約定為0。每一個知識單元都由網(wǎng)絡(luò)Y中的若干關(guān)鍵詞進行描述。

圖3 典型領(lǐng)域本體描述

從設(shè)計流程(步驟)和設(shè)計約束中抽取的關(guān)鍵詞集合為

其中,X M、X S、X T分別為材料、結(jié)構(gòu)、任務(wù)領(lǐng)域范圍內(nèi)的關(guān)鍵詞集合。

尋找最佳匹配關(guān)鍵詞的過程如下:

(1)搜索領(lǐng)域本體網(wǎng)絡(luò)Y的鏈表,獲取Xi的位置。

(2)包含處理。如果X中某些關(guān)鍵詞之間具有包含與被包含關(guān)系,則被包含的關(guān)鍵詞被認為更具有代表性。篩選被包含關(guān)鍵詞的過程為:從Xi向上搜索父節(jié)點Father,如果Father∈X,則停止搜索,并對節(jié)點Father處的關(guān)鍵詞做包含標記;否則持續(xù)查找父節(jié)點直到根節(jié)點為止。按上述過程對X中所有關(guān)鍵詞進行包含處理。

(3)消減父關(guān)鍵詞。從X中去除有包含標記的關(guān)鍵詞,得到描述步驟和約束的最佳關(guān)鍵詞集合X′。

通過X′反推得到具有X′中一個或若干個關(guān)鍵詞的知識集合K′。在初步獲取知識集合K′的基礎(chǔ)上考慮知識間的以下關(guān)系實現(xiàn)知識集的擴展,得到更加全面的知識集K:

(1)分類匹配項。從設(shè)計約束、設(shè)計流程上獲取設(shè)計類型與設(shè)計對象,在知識規(guī)范化分類基礎(chǔ)上獲得設(shè)計類型匹配的設(shè)計知識。

(2)關(guān)鍵詞匹配項。知識單元K′1的關(guān)鍵詞不全包含于X,以其他關(guān)鍵詞為媒介,得到共享相同關(guān)鍵詞的知識集合。

(3)引用匹配項。引用匹配項描述了設(shè)計知識之間的引用關(guān)系,例如K′中某一知識元引用了一處計算工具知識,該知識元與被引用的計算工具就形成了引用關(guān)系。構(gòu)建引用關(guān)系可以實現(xiàn)引用知識的快速定位與使用。

(4)依賴匹配項。在知識集合K中的某些知識單元不具有獨立性的情況下,需要為這些知識提供依賴知識。

(5)人工干預項。為達到安全與可靠的目的,使用黑白名單以保證必要的知識被提供給設(shè)計人員,因某些原因(如保密等)不能提供給設(shè)計人員的設(shè)計知識不賦予訪問權(quán)限。

為實現(xiàn)這種知識的擴展,要求在知識入庫或后期完善時完成分類、關(guān)鍵詞描述、引用和依賴關(guān)系描述等工作。上述各知識子集之間有一定的重復性,歸總K時剔除重復知識即可。

1.3.3 設(shè)計成果知識獲取

相似模型的檢索策略如下:

(1)初步過濾。檢索模型庫中所有模型的設(shè)計流程描述矩陣,匹配當前設(shè)計描述矩陣Mdesi。

(2)構(gòu)建模型功能矩陣。Mdesi中由設(shè)計步驟aij(即ai j≠±1)確定的設(shè)計參數(shù)pij的值域是有限的,即 pij∈{V1,V2,…,Vm},記模型功能矩陣為即ci j的取值為0或pij取值在值域{V1,V2,…Vm}中的序列編號。

(3)匹配模型功能矩陣。新設(shè)計的模型功能矩陣記為

在此基礎(chǔ)上設(shè)定適當?shù)南嗨贫乳撝?篩選出模型,將其與設(shè)計流程關(guān)聯(lián)。

1.4 知識的個性化提供

經(jīng)過上述處理獲取了設(shè)計知識集合K,考慮到設(shè)計人員的不同角色、不同設(shè)計習慣和知識使用習慣,需要納入用戶模型對K進行二次處理,旨在向設(shè)計人員提供個性化的設(shè)計知識組織方式。設(shè)計知識的個性化提供依賴于下列幾個方面:①設(shè)計人員角色。設(shè)計人員所負責的領(lǐng)域不同,重點關(guān)注的知識范圍就不同。②多樣的知識分類與排序策略。從知識的分類上,按照設(shè)計工具、設(shè)計理論、設(shè)計成果和實驗數(shù)據(jù)提供知識;從知識的使用上,按照個人使用頻率、個人評價標記方式進行知識歸類。

2 基于知識模型的設(shè)計過程

基于該知識模型的產(chǎn)品設(shè)計包含全新設(shè)計與重用修改設(shè)計兩種類型,針對不同的情況,采用不同的方式組織設(shè)計流程。

2.1 設(shè)計流程組織

Minti的每一行代表的設(shè)計流程都有相應(yīng)的模型實例知識集合與之對應(yīng),該模型實例知識集合經(jīng)模型相似度計算得到,并且被用于新設(shè)計流程。新設(shè)計流程的構(gòu)造分為下面幾步(圖4):

圖4 基于重用的設(shè)計流程構(gòu)建

(1)確定相似度的閾值,進一步篩選可重用的模型,即相似度大于該閾值則表示該模型具有重用的價值,否則不進行重用。

(2)如果與子設(shè)計流程相關(guān)的模型的相似度滿足重用要求,則不再對該子設(shè)計流程進行分解,調(diào)出相似度匹配的設(shè)計模型,并在此基礎(chǔ)上修改;否則,繼續(xù)細分該子設(shè)計流程。

(3)重復步驟(2),確定所有可以重用的模型,其他不滿足重用要求的模型均使用原有設(shè)計流程,進入全新設(shè)計過程。

2.2 模型生成與知識庫更新

遵循設(shè)計流程設(shè)計完成的產(chǎn)品模型經(jīng)過校驗評估、修改后收錄于模型庫中。另外由于增加了新設(shè)計,故需要更新知識庫關(guān)聯(lián)模型。首先增加該模型的設(shè)計流程實例,然后更新模型相似度,更新過程按1.3.3節(jié)設(shè)計成果知識獲取過程進行。

綜合設(shè)計流程、設(shè)計過程工具與參考知識、產(chǎn)品模型等知識及它們之間的聯(lián)系,構(gòu)建的機械產(chǎn)品快速設(shè)計知識模型如圖5所示。

3 應(yīng)用實例

圖5 機械產(chǎn)品快速設(shè)計知識模型

某鐵路貨車企業(yè)快速設(shè)計系統(tǒng)中有大量的鐵路貨車的設(shè)計知識需要提供給設(shè)計人員?，F(xiàn)以貨車轉(zhuǎn)向架的輪對設(shè)計為例,建立快速設(shè)計知識模型,輪對結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 輪對結(jié)構(gòu)圖

3.1 約束獲取

表1列出了輪對的相關(guān)設(shè)計約束。

表1 輪對設(shè)計約束

附加設(shè)計約束的輪對設(shè)計流程如圖7所示。該設(shè)計活動的矩陣為

圖7 輪對設(shè)計流程

以車軸設(shè)計子流程為例,需要確定K 2j(j=1,2,3,4)和與車軸設(shè)計匹配的設(shè)計模型。領(lǐng)域本體網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

3.2 K的確定

以K21為例,從約束和步驟描述中提取關(guān)鍵詞X={{X M},{X S},{X T}}={{材料,優(yōu)質(zhì)碳素鋼},{車軸},{?}}。從領(lǐng)域本體結(jié)構(gòu)中搜索得到關(guān)鍵詞“優(yōu)質(zhì)碳素鋼”繼承于關(guān)鍵詞“材料”,搜尋得到的最佳匹配關(guān)鍵詞集合X′={優(yōu)質(zhì)碳素鋼,車軸}。繼而得到以這些詞為關(guān)鍵詞的知識集合K′。應(yīng)用知識的關(guān)聯(lián)性關(guān)系按1.3.2節(jié)的步驟對設(shè)計知識進行擴展。

3.3 相似模型的獲取

表2 設(shè)計約束值域

則該設(shè)計的模型功能矩陣為

模型庫中模型功能矩陣C′和權(quán)重歸一化后矩陣λ分別表示為

3.4 重用設(shè)計過程

對輪對設(shè)計的流程進行分解,得到主軸設(shè)計流程、車輪設(shè)計流程和軸箱設(shè)計流程。

(1)主軸設(shè)計流程 。C ⊕C′=[1 1 1 0],權(quán)重 歸 一 化 后 的 矩 陣 λ =[0.09 0.52 0.22 0.17],模型相似度 SIM=0.09+0.52+0.22=0.83。

(2)車輪設(shè)計流程。C⊕C′=[0 1 0 1],權(quán)重歸一化后的矩陣λ=[0.23 0.36 0.14 0.27],模型相似度SIM=0.63。

(3)軸箱設(shè)計流程 。C ⊕C′=[1 1 0 0],權(quán)重歸一化后的矩陣λ=[0.56 0.44 0 0],模型相似度SIM=1。

假設(shè)確定重用的相似度閾值為0.8,則新設(shè)計流程與重用矩陣表達如圖8所示。

圖8 新設(shè)計流程與矩陣表達

4 結(jié)語

本文分析機械產(chǎn)品快速設(shè)計系統(tǒng)的知識管理需求,構(gòu)建了以設(shè)計流程為主要組織形式的設(shè)計知識模型,其表現(xiàn)形式為設(shè)計活動描述矩陣和知識關(guān)聯(lián)矩陣。在篩選涉及約束的關(guān)鍵詞的基礎(chǔ)上,通過關(guān)聯(lián)模式匹配設(shè)計知識,在計算模型相似度的基礎(chǔ)上搜索可重用模型。以此知識模型為基礎(chǔ)構(gòu)造面向重用新設(shè)計流程,加快產(chǎn)品的設(shè)計、修改過程。

[1] 胡建.產(chǎn)品設(shè)計知識管理關(guān)鍵技術(shù)研究及實現(xiàn)[D].南京:南京航空航天大學,2005.

[2] 車君華.機械產(chǎn)品設(shè)計過程知識獲取與數(shù)理技術(shù)及其在叉車行業(yè)的應(yīng)用[D].杭州:浙江大學,2007.

[3] Baxter D,Gao J,Case K,et al.An Engineering Design Know ledge Reuse Methodo logy Using Process Modeling[J].Research in Engineering Design,2007,18(1):37-48.

[4] Baxter D,Gao J,Case K,et al.A Framew ork to Integrate Design Know ledge Reuse and Requirements Management in Engineering Design[J].Robotics and Computer-integrated Manufacturing,2008,24(4):585-593.

[5] Emberey C L,M iltoon N R,Berends JP T J,et al.Application of Know ledge Engineering Methodologies to Support Engineering Design A pp lication Development in Aerospace[C]//The 7th AIAA Aviation Technology,Integration and Operations Conference.Belfast,Northern Ireland,2007:AIAA 2007-7708.

[6] Schut E J,van Tooren M J L.Engineering Prim itives to Reuse Design Process Know ledge[C]//The 49th A IAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures,Structrual Dynam ics,and M aterials Conferences,4th A IAA M ultidiscip linary Design Op tim ization Speacialist Conference.Schaumburg,2008:A IAA 2008-1804.

[7] 王珂,廖文和,郭宇,等.基于位索引的多層次實例檢索模型研究[J].中國機械工程,2007,18(16):1953-1956.

[8] Zimmermann M,Bronsart R,Stenzel K.Know ledge Based Engineering Methods for Ship Structural Design[C]//The 12th International Conference on Computer App lications in Shipbuilding.Busan,Korea:The Royal Institution of Naval A rchitects,2005:985-995.

A Study of Know ledge Model Supporting Rolling Stock Rapid Design

Yao Jia Guo Yu
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

In order to meet the demands of rapid design,design p rocesses using for organizing design know ledge were constructed on the basis of design know ledge analyzing.Starting from design constraints and design processes,using key words and design parameter m atching,based on the relations among know ledges,engineers were obtained comprehensive,personalized design know ledge and appropriate CAD models.New design process for know ledge reusing was established based upon the know ledge model to gear rapid design requirements.In the end,an exam ple was given to testify the effectiveness of the know ledge model.

rapid design;design process;know ledgemodel;model retrieval

TP391

1004—132X(2011)06—0691—06

2010—05—27

(編輯 蘇衛(wèi)國)

姚 佳,男,1986年生。南京航空航天大學機電學院碩士研究生。研究方向為數(shù)字化設(shè)計。郭 宇,男,1971年生。南京航空航天大學機電學院副教授。