于洋，楊勇生，許波桅，任洪敏

(上海海事大學(xué) a.物流工程學(xué)院;b.科技處;c.信息工程學(xué)院，上海 201306)

0 引言

產(chǎn)品雜交配置設(shè)計(jì)［1]即根據(jù)客戶需求和產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)及特征參數(shù)等描述，借用生物物種進(jìn)化的遺傳、變異和雜交原理，在可選的一系列不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中尋找一個(gè)有效的特定的序產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)造性地重組排列滿足特定要求的序結(jié)構(gòu)關(guān)系，優(yōu)化配置產(chǎn)品的優(yōu)良特性，形成新一代產(chǎn)品或產(chǎn)品原型的零部件列表、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)而提出基于實(shí)例模板的產(chǎn)品雜交配置理論.集裝箱起重機(jī)［2-4]是一種單件小批量生產(chǎn)模式下的演化型系列化、個(gè)性化產(chǎn)品.知識庫由知識和知識處理機(jī)構(gòu)組成，但知識庫對知識的儲存和處理功能只停留在人工檢索以及人工添加或刪除的層面上，限制著現(xiàn)代化制造對知識的需求量和需求速度.

國內(nèi)外在這一領(lǐng)域主要的發(fā)展現(xiàn)狀有:趙玉明等［5]提出滾動(dòng)軸承知識庫系統(tǒng)，但并未提及有關(guān)產(chǎn)品配置方面的內(nèi)容;包志炎等［6]利用參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，通過約束規(guī)則構(gòu)建配置知識庫，并應(yīng)用于起重機(jī)主梁，給出部分實(shí)現(xiàn)例子;王春英等［7]基于 Smar-Team平臺的知識岸引擎，用實(shí)例推理與規(guī)則推理相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)知識的智能檢索和問題求解;ENSIGN等［8]描述知識庫在知識交換方面的作用，以及在資源特征上所產(chǎn)生的影響;SUBBARAJ等［9]設(shè)計(jì)優(yōu)化基因算法知識庫在復(fù)雜工業(yè)過程中應(yīng)用，但未提出解決知識自身演化的辦法.

針對目前未解決的知識庫自身演化問題，本文采用生物遺傳方式，同時(shí)借助雜交配置算法，提出并建立一種演化型配置知識框架結(jié)構(gòu)［10]，并應(yīng)用于集裝箱起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)則中，從而更高效地產(chǎn)生出新一代大車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)則.

1 演化型配置知識框架結(jié)構(gòu)

演化型配置知識框架結(jié)構(gòu)由元知識的形式描述，其結(jié)構(gòu)分為約束知識庫和規(guī)則知識庫，并引入誘導(dǎo)因素作為驅(qū)動(dòng)因素，使得雜交配置知識庫具有遺傳和變異功能.規(guī)則知識庫存儲港口起重機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)則，約束知識庫包含國家法規(guī)等強(qiáng)制條款.圖1為演化型配置知識框架結(jié)構(gòu).

圖1 演化型配置知識框架結(jié)構(gòu)

實(shí)例模板是指產(chǎn)品零部件某一組實(shí)例的共同特征屬性的抽象與分類，具體表現(xiàn)為具有共同特征屬性的多個(gè)實(shí)例集合.應(yīng)用實(shí)例模板作為產(chǎn)品雜交配置設(shè)計(jì)的進(jìn)化平臺和工具，可使雜交配置設(shè)計(jì)的進(jìn)化模型簡化，產(chǎn)品實(shí)例檢索空間縮小，雜交配置設(shè)計(jì)技術(shù)方法容易實(shí)現(xiàn).

1.1 實(shí)例模板與規(guī)則基因化

產(chǎn)品雜交配置知識庫的核心是由實(shí)例模板產(chǎn)生新的規(guī)則知識，并能夠作為知識遺傳的父本產(chǎn)生新一代的實(shí)例模板，從而使得知識庫自身得到繼承和遺傳.首先，通過定義實(shí)例模板實(shí)現(xiàn)實(shí)例模板的基因化.在大車機(jī)構(gòu)的實(shí)例模板中，已有的零部件實(shí)例模板Xi是由特征值xij表示的，而通過雜交配置算法形成的新實(shí)例模板由X′i描述，其新模板特征值由x′ij描述，其表達(dá)形式如下:

產(chǎn)品雜交配置知識庫中的主要知識是岸邊集裝箱起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則知識，為了能夠?qū)⒘悴考膶?shí)例模板與其設(shè)計(jì)規(guī)則聯(lián)系起來，采用如下的設(shè)計(jì)方式.將實(shí)例模板中的每一個(gè)特征值xij對應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行基因化處理，將規(guī)則表示為GIij，每一個(gè)特征值所對應(yīng)的規(guī)則由列向量表示.其中:GIij中的I對應(yīng)于實(shí)例模板中Xi的i，表明GI屬于Xi部件;GIij中的 i表示規(guī)則數(shù)目，1≤i≤n;GIij中的 j對應(yīng)xij中的 j，1≤j≤m，表示其與特征值對應(yīng).如 x11特征值對應(yīng)的規(guī)則可表示為

x12特征值對應(yīng)的規(guī)則可表示為

x1m特征值對應(yīng)的規(guī)則可表示為

那么G1ij為X1部件所對應(yīng)的規(guī)則集合可表示為

對應(yīng)的矩陣為

x21特征值對應(yīng)的規(guī)則可表示為

x22特征值對應(yīng)的規(guī)則可表示為

x2m特征值對應(yīng)的規(guī)則可表示為

那么G2ij為X2部件所對應(yīng)的規(guī)則集合可表示為

對應(yīng)的矩陣為

以此類推，最終形成的實(shí)例模板對應(yīng)規(guī)則矩陣

1.2 比較矩陣與新規(guī)則

為了能夠識別新舊實(shí)例模板的不同，設(shè)計(jì)比較矩陣Yi，分為實(shí)例模板比較和模板特征值比較兩個(gè)階段.

實(shí)例模板比較原理為比較新舊實(shí)例模板的數(shù)量，即n與n′的大小比較.

若n較小，則可分為兩種情況:新實(shí)例模板中去除舊實(shí)例的數(shù)目小于新實(shí)例模板添加實(shí)例的數(shù)目(此情況為①);新舊實(shí)例模板實(shí)例相同且新實(shí)例模板中添加新實(shí)例(此情況為②).

若n較大，也可分為兩種情況:新實(shí)例模板中去除舊實(shí)例的數(shù)目大于新實(shí)例模板添加實(shí)例的數(shù)目(此情況為③);新實(shí)例模板去除部分舊實(shí)例模板中的實(shí)例，并未作添加(此情況為④).

當(dāng)n=n′時(shí)，又可分為兩種情況:新實(shí)例模板新添加的實(shí)例數(shù)目與去除舊實(shí)例模板的實(shí)例數(shù)目相同(此情況為⑤);新實(shí)例模板與舊實(shí)例模板的實(shí)例完全相同(此情況為⑥).

情況①～⑤需要對舊實(shí)例模板Xi進(jìn)行相應(yīng)規(guī)則的添加或刪減，分別稱為實(shí)例規(guī)則添加和實(shí)例規(guī)則刪減.設(shè)G+為新實(shí)例模板添加實(shí)例規(guī)則，G－為新實(shí)例模板中去除的舊實(shí)例對應(yīng)規(guī)則，其中“+”和“－”分別表示實(shí)例規(guī)則添加和刪減.比較矩陣

式中:α和β表示任意兩個(gè)自然數(shù).

模板特征值比較原理是比較舊實(shí)例模板Xi與新實(shí)例模板X′i之間各特征值.

如果相同，則比較矩陣Yi依然沿用舊實(shí)例模板中的特征值(此情況為⑦);如果舊實(shí)例模板Xi小于新實(shí)例模板X′i，則表明新實(shí)例模板需要更多的規(guī)則加以確定，那么添加規(guī)則G+，滿足新實(shí)例模板的需要(此情況為⑧).反之，舊實(shí)例模板Xi比新實(shí)例模板X′i大，就說明新實(shí)例模板的此參數(shù)無須過多要求，則可刪減規(guī)則G－(此情況為⑨).G+和G－可為設(shè)計(jì)人員按實(shí)際要求添加或刪減，也可為知識庫中原有規(guī)則.

按照如上表示，當(dāng) xij=時(shí)，視為知識遺傳，其他情況視為知識變異.例如，舊實(shí)例模板的特征值x12小于新實(shí)例模板中的，則在比較矩陣Yi的第1行第2列位置添加規(guī)則G+，表示為x12+G+;舊實(shí)例模板的特征值x21比新實(shí)例模板中的大，則在比較矩陣Yi的第2行第1列位置刪減G－，表示為x21－G－，最終形成比較矩陣Yi如下:

知識自行演化推理流程見圖2.

圖2 演化推理流程

2 設(shè)計(jì)算例

以大車部件(車輪零件、夾軌鉗)、起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況為研究目標(biāo)，從中選取幾個(gè)具有代表性的參數(shù)進(jìn)行基因化處理，并根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與參數(shù)進(jìn)行對應(yīng)，形成舊實(shí)例模板和舊實(shí)例規(guī)則.新實(shí)例模板數(shù)值隨機(jī)選取，以達(dá)到與舊實(shí)例模板能夠通過比較矩陣進(jìn)行處理、最終形成新實(shí)例規(guī)則的效果.

選取車輪最大壓力、車輪轉(zhuǎn)速、車輪直徑作為車輪零件的3個(gè)參數(shù).首先在舊實(shí)例模板中定義車輪最大壓力(kN)、車輪轉(zhuǎn)速(r/min)、車輪直徑(mm)等3個(gè)項(xiàng)目，定義初始數(shù)值分別為25 kN，50 r/min，200 mm.與之相對應(yīng)的規(guī)則分別是:起重量為10 t時(shí)，推薦的車輪最大壓力為25 kN;車輪與軌道之間為線接觸時(shí)，轉(zhuǎn)速因數(shù)C1取值為0.94，對應(yīng)的車輪轉(zhuǎn)速為50 r/min;車輪在平定鋼軌滾動(dòng)摩擦阻力因數(shù)為0.30時(shí)，要求車輪直徑為200 mm.車輪舊實(shí)例模板見表1.車輪舊實(shí)例規(guī)則見表2.

表1 車輪舊實(shí)例模板

表2 車輪舊實(shí)例規(guī)則

選取夾軌鉗數(shù)目、每根夾鉗桿的質(zhì)量作為夾軌鉗零件的兩個(gè)參數(shù).首先在舊實(shí)例模板中定義夾軌鉗的數(shù)目(個(gè))和一根夾鉗桿的質(zhì)量(kg)兩個(gè)項(xiàng)目，定義初始數(shù)值分別為4個(gè)和300 kg.與之相對應(yīng)的規(guī)則分別是:夾軌鉗的數(shù)目與鉗口對鋼軌的壓緊力成反比;一根夾鉗桿的質(zhì)量與壓緊力的楔重彈簧力成正比.夾軌鉗舊實(shí)例模板見表3.夾軌鉗舊實(shí)例規(guī)則見表4.

敦禮掙扎著坐起來，一陣眩暈差點(diǎn)把他擊倒。他趕緊閉著眼向后靠在臥床的靠背上，一動(dòng)不動(dòng)，像睡著了一樣?？勘成献霞t色的金絲絨襯得他的臉卡白卡白的，胡茬子也更加分明，使得下巴看起來不是平常那種青灰色，而是深得近乎黑色了。他的上半身穿了一件淺灰色的棉質(zhì)睡衣，腰部以下搭著被子，被子的一角翻轉(zhuǎn)過來，露出比背面顏色略深的里子。被子不是很厚，比靠背略淺一些的紫色，上面點(diǎn)綴著幾團(tuán)花紋，花紋以淺綠色為主，夾雜著少許黃色，刺繡精美得讓人止不住地浮想聯(lián)翩。

表3 夾軌鉗舊實(shí)例模板

表4 夾軌鉗舊實(shí)例規(guī)則

選取軌道鋪設(shè)質(zhì)量系數(shù)作為起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況的一個(gè)參數(shù).首先在舊實(shí)例模板中定義軌道鋪設(shè)質(zhì)量因數(shù)，初始數(shù)值為0.003.與之相對應(yīng)的規(guī)則是:軌道鋪設(shè)質(zhì)量因數(shù)為0.003的起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況為龍門、門座、橋式抓斗卸船機(jī)軌道.起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況舊實(shí)例模板見表5.起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況舊實(shí)例規(guī)則見表6.

表5 起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況舊實(shí)例模板

表6 起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況舊實(shí)例規(guī)則

2.1 舊實(shí)例模板與舊實(shí)例規(guī)則

按照以上所選取的實(shí)例，形成算例中的舊實(shí)例模板與舊實(shí)例規(guī)則.

舊實(shí)例模板

式中:Xi代表大車部件;X1代表車輪;X2代表夾軌鉗;X3代表起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況.

舊實(shí)例規(guī)則

式中:GIij代表算例中大車部件規(guī)則;G1ij代表車輪對應(yīng)規(guī)則;G2ij代表夾軌鉗對應(yīng)規(guī)則，G3ij代表起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況對應(yīng)規(guī)則;G111表示“起重量為10 t時(shí)，推薦的車輪最大壓力值為25 kN”;G112表示“車輪與軌道之間為線接觸時(shí)，轉(zhuǎn)速因數(shù)C1取值為0.94，對應(yīng)的車輪轉(zhuǎn)速為 50 r/min”;G113表示“車輪在平定鋼軌滾動(dòng)摩擦阻力因數(shù)為0.30時(shí)，要求車輪直徑為200 mm”;G211表示“夾軌鉗的數(shù)目與鉗口對鋼軌的壓緊力成反比”;G212表示“每根夾鉗桿的質(zhì)量與壓緊力的楔重彈簧力成正比”;G311表示“軌道鋪設(shè)質(zhì)量因數(shù)為0.003的起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況為龍門、門座、橋式抓斗卸船機(jī)軌道”.

2.2 新實(shí)例模板與新實(shí)例規(guī)則

假設(shè)新實(shí)例模板將舊實(shí)例模板中夾軌鉗實(shí)例刪除，將起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況參數(shù)改成0.001，同時(shí)增加大車運(yùn)行速度(m/min)實(shí)例，實(shí)例初始值為60 m/min，其他實(shí)例不變.即

式中:X′i代表大車部件;X′1代表車輪;X′3代表起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況;X′4代表大車運(yùn)行速度實(shí)例.經(jīng)過比較矩陣比較之后形成

對應(yīng)的新實(shí)例規(guī)則

式中:G′Iij表示新實(shí)例大車部件規(guī)則;G′1ij表示新實(shí)例車輪規(guī)則;G′3ij表示新實(shí)例起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況規(guī)則;G′4ij表示新實(shí)例大車運(yùn)行速度規(guī)則.

因?yàn)檐囕喠慵膮?shù)沒有發(fā)生變化，所以G′111，G′112，G′113與 G111，G112，G113所代表的規(guī)則相同，即規(guī)則遺傳.舊實(shí)例規(guī)則中G211和G212，由于新實(shí)例模板中刪除夾軌鉗實(shí)例，沒有出現(xiàn)在新實(shí)例規(guī)則中，即規(guī)則刪減.因?yàn)樾聦?shí)例模板中的起重機(jī)類型及軌道鋪設(shè)情況參數(shù)改成0.001，所以新實(shí)例規(guī)則中 G′311表示“鋪設(shè)在鋼筋混凝土基礎(chǔ)和金屬梁上的軌道”，即規(guī)則發(fā)生修改.因?yàn)樾聦?shí)例模板中增加大車運(yùn)行速度實(shí)例，所以新實(shí)例規(guī)則中添加舊實(shí)例規(guī)則中沒有的G′411，G′411表示“當(dāng)運(yùn)行速度為 60 m/min 時(shí)，沖擊因數(shù)可取1.015”，即規(guī)則添加.新實(shí)例規(guī)則形成，算例結(jié)束.

2.3 程序?qū)崿F(xiàn)算例

程序編寫使用MyEclipse10以及MySQL，通過編程將上述數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫中.首先，將算例的新舊實(shí)例模板與舊實(shí)例規(guī)則輸入程序中;然后，編寫好程序，實(shí)現(xiàn)比較矩陣，形成新實(shí)例規(guī)則.

因?yàn)橹挥熊囕喠慵?shù)未改動(dòng)，所以規(guī)則遺傳只產(chǎn)生車輪零件的規(guī)則，而新實(shí)例中其他規(guī)則需手動(dòng)添加.添加之后形成最終的新實(shí)例規(guī)則.

3 結(jié)束語

雜交配置知識庫的提出可以解決傳統(tǒng)工藝的重復(fù)勞動(dòng)問題，也會(huì)大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量.同時(shí)，這一概念對完善和發(fā)展岸邊集裝箱起重機(jī)械的設(shè)計(jì)制造有著極其重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對提高我國海上機(jī)械工程裝備的技術(shù)水平、增強(qiáng)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的國際競爭力同樣具有十分重要的意義.

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