劉雪梅，李愛平，李臣龍

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

電氣綜合系統(tǒng)是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，它如同人體的血液循環(huán)系統(tǒng)一樣，對(duì)導(dǎo)彈至關(guān)重要［1］，其設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗力和生命力.隨著仿真試驗(yàn)等開發(fā)技術(shù)的迅速進(jìn)步，電氣綜合系統(tǒng)研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步.但由于缺乏有效的知識(shí)管理和重用工具，已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)未能在新設(shè)計(jì)過程中得到有效的借鑒，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、效率低，因而研究如何管理和重用電氣綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)縮短研制周期、降低開發(fā)成本和提高產(chǎn)品性能具有重要意義.基于知識(shí)的工程（Knowledge－based Engineering，KBE）是一種利用軟件工具捕獲和重用產(chǎn)品知識(shí)，通過自動(dòng)重復(fù)性設(shè)計(jì)活動(dòng)和促進(jìn)多學(xué)科集成，減少工程設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本的技術(shù)［2－3］.KBE技術(shù)的實(shí)際使用效果已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用中得到了檢驗(yàn)［4－6］.

我國(guó)部分學(xué)者已經(jīng)對(duì)將KBE技術(shù)引入導(dǎo)彈設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了一些有益的探索［7－8］，考慮到電氣綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程包含多學(xué)科和復(fù)雜設(shè)計(jì)參數(shù)交叉等特殊性，上述研究成果并不能直接運(yùn)用到電氣綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上.本文在分析電氣綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究了運(yùn)用KBE技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氣綜合系統(tǒng)方案快速設(shè)計(jì)的可行性，并運(yùn)用C＃編程語(yǔ)言開發(fā)了原型系統(tǒng)IESDS對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 電氣綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

電氣綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)特定用戶需求研究專用系統(tǒng)的過程，涉及多個(gè)功能單元的分析與綜合，如圖1所示.具體過程可歸納為：設(shè)計(jì)需求獲取、方案生成、方案評(píng)價(jià)和調(diào)整等設(shè)計(jì)步驟.電氣綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在任務(wù)書的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的約束下，確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和關(guān)鍵單機(jī)，并從可靠性、重量和成本等角度對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的大多數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)都沒有明確的設(shè)計(jì)流程，需要設(shè)計(jì)人員依賴自身經(jīng)驗(yàn)或查閱資料，主觀性強(qiáng)，且設(shè)計(jì)人員之間意見較難統(tǒng)一.某些關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的確定涉及多個(gè)功能單元，已選定的設(shè)計(jì)參數(shù)往往需要根據(jù)后續(xù)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行調(diào)整，整個(gè)設(shè)計(jì)過程多次反復(fù)，存在大量重復(fù)性勞動(dòng).這不僅增加了設(shè)計(jì)成本和周期，而且影響了設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量.

圖1 電氣綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程圖Fig.1 Design process of integrated electrical system

2 電氣綜合方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2.1 電氣綜合方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)需求分析

通過對(duì)電氣綜合系統(tǒng)傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)過程的詳細(xì)分析，總結(jié)出的基于知識(shí)的電氣綜合系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的具體功能主要包括：①設(shè)計(jì)構(gòu)建知識(shí)庫(kù).通過知識(shí)獲取、知識(shí)表示和知識(shí)庫(kù)構(gòu)建等KBE技術(shù)，將現(xiàn)有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)字化，設(shè)計(jì)易于維護(hù)的電氣系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖、單機(jī)模型和設(shè)計(jì)規(guī)則等不同類型知識(shí)的管理；②實(shí)現(xiàn)高效知識(shí)推理.根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵單機(jī)選型等不同設(shè)計(jì)步驟的特點(diǎn)，研究對(duì)應(yīng)知識(shí)推理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有知識(shí)的有效重用；③方案科學(xué)評(píng)價(jià).研究可靠性分配和重量成本估算原則，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配和估算，輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行決策.

2.2 電氣綜合方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

運(yùn)用基于知識(shí)的電氣綜合系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)有設(shè)計(jì)知識(shí)的管理和重用來實(shí)現(xiàn)的，為提高設(shè)計(jì)效率，需要設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu).在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程和系統(tǒng)需求的分析基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框架如圖2所示.系統(tǒng)主要由人機(jī)交互界面、功能單元、知識(shí)推理模塊和知識(shí)庫(kù)等部分組成：

圖2 電氣綜合方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Frame of integrated electrical scheme designing system

人機(jī)交互界面：便于使用的人機(jī)交互環(huán)境是設(shè)計(jì)人員高效設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).人機(jī)界面可將電氣系統(tǒng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)步驟以外部知識(shí)的形式提供給設(shè)計(jì)者，引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員按照標(biāo)準(zhǔn)流程完成設(shè)計(jì)任務(wù)，減輕記憶負(fù)擔(dān)，而且有益于沒有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員快速學(xué)習(xí).

功能單元：功能單元是對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)的科學(xué)劃分，每個(gè)功能單元是對(duì)應(yīng)可獨(dú)立完成的設(shè)計(jì)步驟集合，模塊間通過設(shè)計(jì)參數(shù)的傳遞緊密聯(lián)系在一起，共同構(gòu)成完整的方案設(shè)計(jì)過程.功能單元可優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)分配，提高信息傳遞速率，促進(jìn)設(shè)計(jì)人員間協(xié)同.

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

知識(shí)庫(kù)作為知識(shí)的載體，是知識(shí)管理和重用的基礎(chǔ)，知識(shí)表示方法和知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)直接決定了知識(shí)管理和調(diào)用效率.電氣綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及多個(gè)學(xué)科，包含過程類、規(guī)則類、實(shí)例類等多類知識(shí)，本文對(duì)其相應(yīng)的表示方法進(jìn)行了研究.設(shè)計(jì)過程知識(shí)包含全局設(shè)計(jì)參數(shù)和子過程，宜結(jié)合C＃編程語(yǔ)言采用面向?qū)ο蠓ㄟM(jìn)行表示.以專家經(jīng)驗(yàn)為代表的經(jīng)驗(yàn)型知識(shí)則應(yīng)在獲取后總結(jié)成設(shè)計(jì)規(guī)則以產(chǎn)生式規(guī)則法進(jìn)行表示.成熟方案等實(shí)例知識(shí)具有特定層次結(jié)構(gòu)，用框架法表示，有利于設(shè)計(jì)參數(shù)、公式等采用其他方法表示的知識(shí)進(jìn)行嵌套.難以直接推理但可啟發(fā)設(shè)計(jì)者思維的知識(shí)則用可視化文本或圖像的形式直接表示.混合運(yùn)用多種知識(shí)表示方法，充分體現(xiàn)了各類知識(shí)的特點(diǎn)，既提高了知識(shí)調(diào)用效率，又便于知識(shí)庫(kù)管理和維護(hù).

電氣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)目標(biāo)多、約束復(fù)雜，且設(shè)計(jì)不同功能單元所用到的知識(shí)各不相同，知識(shí)總量龐大.為提高知識(shí)檢索和推理效率，知識(shí)庫(kù)應(yīng)采用分層結(jié)構(gòu)如圖3所示.首先將知識(shí)點(diǎn)依據(jù)調(diào)用順序歸類，將同一過程用到的知識(shí)劃分為一個(gè)集合，建立多個(gè)知識(shí)子庫(kù)（圖3中的一級(jí)節(jié)點(diǎn)）.其次考慮到同一子庫(kù)內(nèi)知識(shí)使用頻率的差異，可進(jìn)一步分為核心知識(shí)和輔助知識(shí)兩類.其中核心知識(shí)包含方案實(shí)例、規(guī)則、算法、模型等；輔助知識(shí)則是起輔助作用的參考文件或技術(shù)規(guī)范.

3.2 推理機(jī)制研究

知識(shí)庫(kù)構(gòu)建過程實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的數(shù)字化管理，而高效的知識(shí)重用離不開知識(shí)推理技術(shù).知識(shí)推理是在知識(shí)表示的基礎(chǔ)上，運(yùn)用控制策略從知識(shí)庫(kù)中自動(dòng)獲取可用知識(shí)的過程.電氣綜合系統(tǒng)知識(shí)推理采用基于規(guī)則推理（Reason－based Reasoning，RBR）和基于實(shí)例推理（Case－based Reasoning，CBR）兩種方法進(jìn)行的混合推理.RBR負(fù)責(zé)推理邏輯性強(qiáng)的顯性知識(shí)，與推理包含設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的隱性知識(shí)的CBR方法互為補(bǔ)充.混合推理方法不僅能夠避免RBR獲取大量規(guī)則的困難，縮短推理機(jī)設(shè)計(jì)周期；而且可以消除CBR不能求解全新問題的弊端，提高推理機(jī)的柔性和適用性.

圖3 知識(shí)庫(kù)分層結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Layered structure of knowledge base

圖4 混合推理機(jī)原理圖Fig.4 Schematic diagram of mixed interference engine

3.3 原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

電氣綜合方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在Visual Studio編程平臺(tái)、Access數(shù)據(jù)庫(kù)和Visio繪圖軟件基礎(chǔ)上開發(fā)而成的，其系統(tǒng)主要功能包括：①實(shí)現(xiàn)電氣綜合系統(tǒng)知識(shí)的分層分類管理，并能以圖形形式對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改完善；②實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程標(biāo)準(zhǔn)化，按性能和復(fù)雜程度將設(shè)計(jì)過程劃分為若干功能單元；③實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)過程間信息實(shí)時(shí)傳遞，支持部門內(nèi)或跨部門協(xié)同設(shè)計(jì).

4 結(jié)論

科學(xué)管理和重用電氣綜合系統(tǒng)知識(shí)是實(shí)現(xiàn)高效快速設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).本文在分析電氣綜合系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電氣綜合系統(tǒng)方案快速設(shè)計(jì)軟件框架，并對(duì)知識(shí)庫(kù)構(gòu)建和推理機(jī)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究.首先選用多種知識(shí)表示方法對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行了表示，構(gòu)建了符合設(shè)計(jì)過程知識(shí)調(diào)用特點(diǎn)的多層知識(shí)庫(kù)；其次根據(jù)推理需要設(shè)計(jì)了基于CBR和RBR的混合推理機(jī)；最后利用C＃平臺(tái)結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫(kù)和Visio繪圖軟件，開發(fā)了原型系統(tǒng)對(duì)上述研究進(jìn)行了驗(yàn)證.

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