陸鳳祥，石小龍，李春燕

(1.江蘇悅達智能農(nóng)業(yè)裝備有限公司，江蘇 鹽城 224007)(2.鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)(3.鹽城工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

拖拉機是農(nóng)業(yè)機械化中重要的動力機械。它與拖帶的農(nóng)機具配合，用途廣泛，可以用于耕地、播種和收割等田間作業(yè),又可用于開溝、推土和運輸作業(yè),還可以用于脫粒等其他農(nóng)產(chǎn)品的加工作業(yè)。變速器是拖拉機傳動系統(tǒng)的主要組成部分，同時也是拖拉機設(shè)計中新工藝采用最多的部分，其作用是擴大發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化范圍，以適應(yīng)不同的行駛條件，并且讓發(fā)動機在最優(yōu)工況下(功率較高、油耗較低)工作[1]。變速器的設(shè)計過程對它的質(zhì)量、成本和壽命起著決定性的作用，尤其是設(shè)計方法的優(yōu)劣直接影響著變速器產(chǎn)品的質(zhì)量、研制周期和成本。目前，在變速器系列產(chǎn)品的設(shè)計過程中，主要存在著重復(fù)工作量大、開發(fā)周期較長等問題，導(dǎo)致變速器產(chǎn)品更新速度滿足不了市場快速發(fā)展的需求。

知識表示是知識獲取的基礎(chǔ)，也是知識庫構(gòu)建的依據(jù)，是實現(xiàn)智能化設(shè)計最關(guān)鍵的技術(shù)。由于拖拉機變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除一般機械設(shè)計知識外，其自身特點也較多，單一的知識表示方法已經(jīng)滿足不了復(fù)雜的智能化設(shè)計系統(tǒng)的需求。因此，在歸納和總結(jié)變速器設(shè)計知識和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用合理的知識表示方法，對于提高變速器的設(shè)計效率和質(zhì)量具有重要的意義。

1 常用知識表示方法

知識表示就是將人類在認知客觀世界時產(chǎn)生的知識用計算機能夠識別的語言表示出來[2]。不同的知識表示方法，直接影響后續(xù)的知識處理。隨著對于知識表示研究的不斷深入，在智能設(shè)計系統(tǒng)中，常見的知識表示方法有面向?qū)ο蟊硎痉?、產(chǎn)生式表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法、框架表示法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示法、謂詞邏輯表示法以及基于本體的知識表示法[3]。各表示方法的優(yōu)缺點見表1。

表1 常用知識表示方法的優(yōu)缺點

當單一的知識表示方法滿足不了復(fù)雜的智能化設(shè)計系統(tǒng)的需求時，可以把幾種知識表示方法混合起來使用，以此增強知識表示能力。本文在對變速器設(shè)計知識的特點進行歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，形成一種以本體知識表示為主，其他表示方法為輔的知識表示框架，實現(xiàn)對變速器各類知識有效的表達和管理。

2 拖拉機變速器的知識表示

2.1 變速器的知識特點

拖拉機變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除一般機械設(shè)計知識外，其自身特點也較多。主要特點如下：

1)知識的模糊性。設(shè)計數(shù)據(jù)的模糊性，如關(guān)鍵零部件的應(yīng)力要求、傳動比的分配等。

2)知識的耦合性。變速器零部件的裝配及運動協(xié)調(diào)等關(guān)系主要體現(xiàn)為設(shè)計變量間的關(guān)系。

3)知識的層次性。產(chǎn)品與零部件以及結(jié)構(gòu)相似的零部件的關(guān)系。

4)知識的復(fù)雜性。由于仿真約束的前提較多，得到的知識差異也較大。

2.2 本體的介紹

本體論(ontology)是一種對客觀存在的事物及其關(guān)系的描述[4]。它最早是哲學(xué)里的一個概念，其關(guān)注的是“存在”，所以哲學(xué)上的本體論是對任何領(lǐng)域內(nèi)真實存在的東西的客觀描述。20世紀80年代以來，本體論被廣泛地運用于計算機領(lǐng)域，特別是在人工智能(AI)和知識工程領(lǐng)域得到長足發(fā)展。本體利用獨立于應(yīng)用的表示方法從不同層次模式上描述不同詞匯之間的相互關(guān)系，實現(xiàn)不同系統(tǒng)間知識的重用?？梢钥闯霰倔w可以更清楚地表達知識結(jié)構(gòu)，提高知識利用率。

隨著對知識表示不斷深入的研究，出現(xiàn)了諸多知識表示方法，但一種知識表示方法通常情況下只能表達特定類別的知識，對于類型和領(lǐng)域比較復(fù)雜的情況往往通用性很差。變速器的領(lǐng)域知識類型繁雜、結(jié)構(gòu)多變，包括了設(shè)計手冊、專家經(jīng)驗和工程圖庫等。在對變速器知識進行總結(jié)和劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合各知識表示方法的特點，采用以本體表示方法為主、其他表示方法為輔的混合式知識表示方法。本文采用分類法，總結(jié)出5類基本建模元語[5]：

1)類(classes)或者概念(concepts)，它表示對象的集合；

2)屬性(properties)，它描述的是概念的性質(zhì)；

3)關(guān)系(relations)，它表示概念之間的關(guān)聯(lián)；

4)函數(shù)(functions)，它表示第n個元素由第(n-1)個元素唯一決定；

5)實例(instances)，它表示某個概念類的具體實體。

形式化的表示為Ot={C,P,R,F,I}。

從語義上講，知識基本關(guān)系有4種：1)part-of表示概念間部分和整體的關(guān)系；2)kind-of表示概念間繼承關(guān)系；3)instance-of表示概念實例與概念間的關(guān)系；4)attribute-of表示某個概念是其他概念的屬性。

針對變速器知識的特點，本文采用組合式知識表示方法對變速器設(shè)計知識進行表示，這樣有助于知識表示的有效性和全面性。采用面向?qū)ο蟊硎痉ū硎緦傩灶愔R，這樣可以發(fā)揮它唯一性的優(yōu)勢；采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法表示規(guī)則類的知識，可以提高知識表示的邏輯推理能力。

2.3 變速器本體構(gòu)建過程

領(lǐng)域本體是用來描述特定領(lǐng)域內(nèi)的概念及各概念之間關(guān)系的。目前構(gòu)建領(lǐng)域本體的難點在于提取概念間的關(guān)系并且正確全面地表達出來。構(gòu)建領(lǐng)域本體和基于知識建模是并行的過程，它是在分析設(shè)計知識領(lǐng)域后，對設(shè)計知識進行建模的過程。

在實際工程應(yīng)用中，出現(xiàn)了幾種構(gòu)建本體的方法，如斯坦福大學(xué)研發(fā)的七步法、愛丁堡大學(xué)人工智能研究所研發(fā)的骨架法、評價法和馬德里理工大學(xué)人工智能實驗室研發(fā)的Methontology法[6]。骨架法側(cè)重于本體開發(fā)的指導(dǎo)方針，而較少描述細節(jié)；七步法詳細描述了構(gòu)建步驟，加上Protégé的支持，大大提高了效率，但七步法對前期知識的收集和分析表述卻不夠詳細。

變速器本體的構(gòu)建指的是整理和歸納相關(guān)類、屬性、關(guān)系、函數(shù)和實例，并將它們存儲在計算機之中的過程。具體的構(gòu)建流程如圖1所示。

變速器本體的構(gòu)建過程如下：分析變速器設(shè)計領(lǐng)域知識，把相關(guān)變速器的重要術(shù)語一一列舉出來，定義相關(guān)概念的分類和層次，利用自頂向下的方法建立變速器設(shè)計領(lǐng)域本體概念的分類層次，且形成概念本體樹，如圖2所示；對概念及關(guān)系進行函數(shù)關(guān)系的確定。變速器被看作是由多個個體本體組成的，其中的個體，如概念或函數(shù)的關(guān)系都是穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，建立之后一般不需要修改。本體構(gòu)建結(jié)束后，找出有待完善的地方，引入新的知識，并按照之前的流程進行修改與完善。

圖1 變速器本體構(gòu)建流程

圖2 變速器概念本體樹

3 基于本體的變速器系統(tǒng)知識表示實例

3.1 本體描述語言O(shè)WL

本體的描述語言主要分為傳統(tǒng)的描述語言和基于Web的描述語言。而隨著Web技術(shù)的快速發(fā)展，基于Web的本體描述語言已經(jīng)成為本體研究領(lǐng)域的熱點。本文采用Web本體語言O(shè)WL對拖拉機變速器進行知識表示。

OWL語言是一種國際通用的本體描述語言，是以描述邏輯為理論基礎(chǔ)的語言系統(tǒng)。它在原有的語言基礎(chǔ)上添加了大量的語言元語，從而能更好地描述和構(gòu)建本體語言。OWL語言的可擴充能力極強，在表達能力上比RDF、XML、DAML+OIL等本體語言更強。

3.2 基于OWL的軸用彈性擋圈設(shè)計知識表示

在充分挖掘產(chǎn)品中包含的設(shè)計知識及經(jīng)驗知識的基礎(chǔ)上，把知識按照概念、屬性、關(guān)系、函數(shù)及實例進行分類，采用基于本體的混合式知識表示方法對上述知識進行表示，從而提高知識表示的全面性、靈活性。以標準件GB/T894.1—1986 A型軸用彈性擋圈為例，采用混合式表示方法進行表示。部分代碼如下，代碼說明軸用彈性擋圈屬于擋圈一類，材料為65Mn或者60Si2MnA，此變速器選用的軸徑d0介于40與55之間，此外還給出了軸用彈性擋圈厚度s和上端圓面距離b與軸徑d0之間的關(guān)系。

40

55

If d0 less 48 and greater Then 40 Then

1.5

Else

2

If d0 less 48 and greater Then 40 Then

0.5

Else

5.48

4 基于本體的混合式知識表示系統(tǒng)開發(fā)實例

本系統(tǒng)在產(chǎn)品的數(shù)字化模型方面，采用NX作為參數(shù)化設(shè)計平臺；在產(chǎn)品管理及數(shù)據(jù)管理之間的集成方面，使用Microsoft SQL Server作為數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)；在二次開發(fā)方面，采用NX Open API等技術(shù)，同時在結(jié)合本文提出的混合式知識表示方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)出拖拉機變速器智能化設(shè)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)能根據(jù)客戶特定的定制需求，自動完成通用部件的選擇及專用件的設(shè)計，然后快速生成客戶需要的變速器系統(tǒng)三維數(shù)字化模型，實現(xiàn)設(shè)計過程的智能化。

以A型軸用彈性擋圈為例，用戶根據(jù)需要，確定擋圈的類型，輸入軸徑d0,并且選擇相關(guān)的材料，最后點擊應(yīng)用，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)計庫中存儲的設(shè)計標準、材料屬性等推理出彈性擋圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖及相關(guān)的三維參數(shù)化模型，圖3和圖4分別是彈性擋圈的設(shè)計界面和生成的參數(shù)化模型。

5 結(jié)束語

在對拖拉機變速器設(shè)計知識充分研究的基礎(chǔ)上，利用混合式知識表示方法對拖拉機變速器設(shè)計知識進行表示，使得知識表達更加簡潔、有效和全面。最后將這種方法運用到變速器設(shè)計系統(tǒng)中來，

較好地實現(xiàn)了知識的表示和推理，大大減少了設(shè)計中人工干預(yù)的過程，減少了很多重復(fù)勞動，實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計的知識化與智能化，對其他復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計具有參考意義。

圖3 彈性擋圈設(shè)計界面 圖4 彈性擋圈參數(shù)化模型

參考文獻：

[1] 張文春.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[2] 彭穎紅,胡潔.KBE技術(shù)及其在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2007.

[3] 張科杰,袁國華,彭穎紅.知識表示及其在機械工程設(shè)計中的應(yīng)用探討[J]. 機械設(shè)計,2008,14(3)：417-424.

[4] 王生發(fā),顧建新,郭劍鋒,等.面向?qū)嵗评淼漠a(chǎn)品設(shè)計本體建模研究及應(yīng)用[J].機械工程學(xué)報,2007,43(3)：112-117.

[5] 徐保祥,葉培華.知識表示方法的研究[J].情報科學(xué)，2007,25(5)：690-694.

[6] 朱文博,李愛平,劉雪梅.基于本體的沖壓工藝知識表示方法研究[J].中國機械工程,2006,17(6):616-620.