陶俊龍，王 勇，包雅媛

（南通職業(yè)大學機械工程學院，江蘇 南通226007）

0 引言

電除塵器作為一種高效的除塵設備，在控制大氣污染方面發(fā)揮了十分重要的作用[1]。其體積龐大、子系統(tǒng)及零部件較多，含有大量的使用頻繁、重復性高、結構特征相同或相似的零部件。設計時大量的重復勞動占用了設計者的寶貴時間，導致工作強度大、設計效率低，設計質(zhì)量難以保證[2-3]。將推理技術與三維造型軟件結合，可以有效地利用專家經(jīng)驗知識，支持產(chǎn)品的概念設計、方案設計等創(chuàng)造性活動，避免或減少設計中的重復勞動，實現(xiàn)產(chǎn)品設計的快速化和智能化[4]。本文根據(jù)電除塵器設計知識的特點，對其設計過程中的知識推理方法進行了研究，提出了一種CBR與RBR相集成的混合知識推理方法。將基于實例推理的實例檢索流程劃分為三個層次兩個階段，同時對基于規(guī)則推理的實例修改過程進行了說明，優(yōu)化了實例檢索的質(zhì)量，提高了實例修改的自動化程度。構建了電除塵器智能設計系統(tǒng)，實現(xiàn)了電除塵器設計知識的重用，有效縮短了電除塵器的設計周期。

1 基于RBR與CBR的集成推理機制

知識推理是實現(xiàn)知識重用的重要手段。基于實例的推理（Case Based Reasoning，CBR）實質(zhì)上是對以往設計經(jīng)驗或設計結果的再利用，適用于涉及的知識較多或難于用準確的理論模型描述的弱理論區(qū)域[5-6]。該方法推理效率較高，知識獲取比較方便，但對知識、信息的完備性要求較高，且缺乏良好的實例修改機制?；谝?guī)則的推理（Rule Based Reasoning，RBR）是一種傳統(tǒng)的推理方法，理論上也比較成熟，其核心是基于產(chǎn)生式規(guī)則知識進行問題推理，易于系統(tǒng)的實現(xiàn)，但知識條目增多時，存在知識獲取困難、知識庫難易維護以及系統(tǒng)性能脆弱等問題?；谝陨戏治觯陔姵龎m器智能設計過程中，為克服單一知識推理方法在實際應用中的不足，采用基于實例的推理（CBR）為主、基于規(guī)則的推理（RBR）為輔的集成推理方法，其推理流程如圖1所示。

圖1 基于CBR與RBR的集成推理流程

本系統(tǒng)采用自頂向下的方式對電除塵器產(chǎn)品進行分層檢索，選出最佳實例后，用戶可通過RBR的方法獲得知識庫中相關零部件的修改指導信息，完成實例的修改及三維模型的建立，并進行虛擬裝配、干涉檢驗、運動仿真以及結構力學分析等，最終生成二維工程圖以及相關技術文檔，同時將設計完成的新產(chǎn)品存儲到各個實例庫中，以便于共享和重用。CBR與RBR的結合充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，推理過程更加符合設計者的設計思維，在滿足不同設計層次需求的同時，提高了系統(tǒng)的推理準確性和推理效率。

2 基于實例推理的分層實例檢索

2.1 實例檢索

電除塵器設計中的實例檢索實質(zhì)上是屬性的匹配過程，本文根據(jù)電除塵器的實例屬性的特點以及層次化的實例庫結構，采用層次檢索法進行實例檢索，并結合知識引導法以及最近鄰法，將實例的檢索過程分成三個層次兩個階段，如圖2所示，以達到快速準確地找到最佳匹配實例的目的。

圖2 電除塵器三層兩階段實例檢索

根據(jù)檢索對象不同，檢索被分為產(chǎn)品級、模塊級以及零部件實例檢索，它們的優(yōu)先級依次降低。檢索開始時通過特征識別對電除塵器設計實例的定性屬性和定量屬性進行提取；初步檢索時根據(jù)知識引導法利用重要的定性屬性（如材料、熱處理、結構形式等）建立索引，并通過這些索引直接從實例庫中找出相似實例，形成實例子集以縮小檢索范圍；然后采用最近鄰法計算相似實例的定量屬性（如尺寸參數(shù)、性能參數(shù)等）與查詢實例的相似度，找出與查詢實例最相似的實例。

2.2 實例匹配算法

在分析電除塵器各組成部分的結構和功能的基礎上，結合模塊化設計思想，對電除塵器的模塊層次進行劃分，并將電除塵器產(chǎn)品以往成功的設計方案、模塊組合、物料清單、裝配路線等知識及經(jīng)驗以一種結構化的形式進行組織，形成了電除塵器產(chǎn)品的設計實例庫。

實例庫中的實例包括產(chǎn)品級、模塊級以及零部件設計實例，均是滿足特定要求的設計結果，采用結構化的表達形式表示為：

式中，i用于區(qū)分設計實例的類型，i=1時表示產(chǎn)品級設計實例，i=2時表示模塊級設計實例，i=3時表示零部件設計實例；k表示實例特征屬性的數(shù)量；m為實例庫中當前實例的數(shù)量；ai,j,l（l=1，2，…，k）為當前實例的第l個屬性值，根據(jù)它是否為單值可采用二元向量組或者結構體、類等數(shù)據(jù)結構來進行表示。

查詢實例反映了當前用戶的設計需求，同理可表示為：

式中，i的取值用于區(qū)分查詢實例的類型；k表示查詢實例所包含特征屬性的數(shù)量；ai,0,l（l=1，2，…，k）為查詢實例Pi,0,k的第l個屬性值。

為表達屬性的重要程度添加權值的概念，權值越大，該屬性越重要。因此，查詢實例的屬性可以用一個三維向量組（Pi,0,lwi,0,lxi,0,l）來表示，其中Pi,0,l為屬性名，wi,0,l為屬性的權值，xi,0,l為屬性值。在實際應用中權值的大小很難確定，通常采用主觀和客觀兩種方法進行賦值。由于電除塵器設計實例庫中單個實例的特征屬性一般不會超過30個，本文采用層次分析法（AHP）對權重進行賦值，用戶可以根據(jù)實際情況稍作調(diào)整，但必須滿足實例各屬性的權值之和為1.

通過初步檢索得到若干個候選實例子集后，采用最近鄰法計算相似度，查詢實例Pi,0,l與候選實例Ci,j,l（l=1，2，…，k）的加權平均相似度計算公式為：

式中，Pi,0,k為查詢實例，Ci,j,k為候選實例，sim（Pi,0,k，Ci,j,k）為查詢實例與候選實例對應屬性的相似度值，可根據(jù)屬性的取值類型選擇不同的計算方法，wi,0,l為第l個屬性的權值。實例的匹配是通過對比設計實例與查詢實例各特征屬性的相似度以及總相似度來實現(xiàn)，再通過設定相似度閥值V來衡量實例的相似程度，最終選取最匹配的實例。

2.3 實例檢索算例

以電除塵器收塵極振打系統(tǒng)為例，驗證上述多級匹配檢索算法。側向撓臂錘式收塵極振打系統(tǒng)主要由傳動機構、振打機構以及支撐系統(tǒng)等部分組成，其結構如圖3、4所示。

圖3 收塵極振打系統(tǒng)結構圖

圖4 振打錘組件

收塵極振打系統(tǒng)設計實例檢索屬于模塊級實例檢索，其實現(xiàn)過程如下：

（1）根據(jù)振打系統(tǒng)設計要求生成查詢實例，并根據(jù)層次分析法確定各屬性的權值，如表1所示。

表1 電除塵器振打系統(tǒng)查詢實例屬性表

（2）利用基于索引的方法直接從設計實例庫C2,j,k中查找滿足設計要求（874 kg≤ F0≤ 966 kg，428 Hz≤f≤473 Hz，即取與振打力峰值和振打頻率相差±5%的范圍進行檢索）的振打系統(tǒng)模塊實例，如表2所示。

表2 電除塵器收塵極振打系統(tǒng)設計實例屬性表

（3）查詢振打系統(tǒng)的振打力峰值、振打頻率及錘頭形式等，可知表2中實例1、實例4以及實例6滿足約束條件“874 kg≤ F0≤ 966 kg，428 Hz≤ f≤473 Hz，錘頭形式為夾板錘”。因此，將這三個實例與查詢實例進行多級相似匹配計算。

a）按照屬性權值的大小，選擇權值最大的屬性“振打力峰值”來進行相似匹配計算，計算結果為：S11=sim（920，950）＝ 0.71，S41=sim（920，930）＝ 0.86 ，S61=sim（920，880）＝ 0.43.根據(jù)設定的閥值 V ＝ 0.7，去除實例6，剩下候選實例1和實例4；

b）分別計算實例1、4與查詢實例的總相似度，得S1=0.726，S4=0.764；

c）比較總相似度S1、S4的大小，選取總相似度大的實例4作為最佳匹配實例。

3 基于規(guī)則推理的實例修改

通過CBR檢索出的電除塵器設計實例與查詢實例完全一致的情況比較少，因此還需要以檢索出的相似實例為藍本，對存在差異的地方進行修改，以滿足設計要求。本文利用“IF-THEN”結構的產(chǎn)生式規(guī)則來進行實例的修改，具體修改策略如下：

（1）如果檢索出的實例與查詢實例完全一致，則直接調(diào)用該實例，這種情況很少；

（2）如果檢索到的實例與查詢實例不完全一致，則不對檢索出的實例進行整體修改，而是將其分解為若干子實例，再對子實例進行檢索和推理，直至完成修改。當涉及多條修改規(guī)則時，按照相關規(guī)則和約束的優(yōu)先級進行修改；

（3）如果未能檢索到相似的實例或相似度低于給定的閾值，則參考類似實例的設計過程進行重新設計。

4 系統(tǒng)應用示例

基于以上理論，本文以某公司研發(fā)的臥板式電除塵器為例，結合VS2010、SQL Server數(shù)據(jù)庫以及NX Open API等技術，在NX環(huán)境下開發(fā)出電除塵器智能化設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)用戶的定制要求，交互式完成電除塵器的設計，快速生成電除塵器三維數(shù)字化模型。設計過程分為兩種模式：整體設計以及子系統(tǒng)設計，設計人員可以很方便地在兩種模式之間切換，設計過程比較靈活，如圖5所示。

圖5 電除塵器智能設計系統(tǒng)運行示例

5 結語

將電除塵器的傳統(tǒng)設計與智能CAD技術相結合，提出了一種實例推理為主、規(guī)則推理為輔的集成知識推理方法，優(yōu)化了實例檢索的質(zhì)量，提高了實例修改的自動化程度。在NX平臺上開發(fā)了電除塵器智能設計系統(tǒng)，實現(xiàn)了電除塵器設計的智能化和自動化，有效縮短了設計周期，體現(xiàn)了智能化設計的優(yōu)越性。