鄭震霆，楊春燕

（廣東工業(yè)大學(xué) 1. 可拓學(xué)與創(chuàng)新方法研究所；2. 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

概念設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中最初，也是最重要的階段之一. 研究人員對(duì)概念設(shè)計(jì)的理論與方法做了大量的研究. 其中以基于功能的設(shè)計(jì)方法的研究居多，研究的內(nèi)容包括需求分析、功能抽象、功能分解、行為映射、方案生成以及方案評(píng)估等方面.“行為”作為連接功能與結(jié)構(gòu)的橋梁，可以使設(shè)計(jì)人員獲得對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的更深層次理解，并獲得更合適的設(shè)計(jì)方案[1].

文獻(xiàn)[2]總結(jié)了機(jī)電產(chǎn)品功能和行為的幾種表達(dá)方法，并將行為的表達(dá)方法歸納為“輸入-輸出流表達(dá)法”、“物理狀態(tài)變化表達(dá)法”以及“自然語(yǔ)言語(yǔ)句表達(dá)法”3大類(lèi)；文獻(xiàn)[3-6]認(rèn)為行為與產(chǎn)品的物理狀態(tài)之間的存在關(guān)系. 他們普遍認(rèn)為行為隨著運(yùn)動(dòng)過(guò)程中物理狀態(tài)的變化而變化，因此行為實(shí)質(zhì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程；相反，文獻(xiàn)[7-10]則認(rèn)為行為是產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能時(shí)所表現(xiàn)的外在特征，是屬于其物理狀態(tài)的保持，文獻(xiàn)[11]運(yùn)用FBS(Function Behavior Structure)，即“功能—行為—結(jié)構(gòu)”模型并結(jié)合基元模型的事元，提出了以用戶(hù)實(shí)際操作行為為依據(jù)的機(jī)械裝備概念設(shè)計(jì)方法. 該方法將用戶(hù)行為特征引入機(jī)械裝備前期概念設(shè)計(jì)當(dāng)中，將FBS模型融入人機(jī)交互，解決設(shè)計(jì)前期的不確定性問(wèn)題；文獻(xiàn)[12]提出了基于FBS模型分解的模板重用設(shè)計(jì)方法. 該方法通過(guò)抽取設(shè)計(jì)知識(shí)，建立FBS分解模型，使模板能實(shí)現(xiàn)幾何層和抽象層的重用，該方法在產(chǎn)品的新設(shè)計(jì)、改進(jìn)設(shè)計(jì)和模板的使用方面都能一定程度上避免重復(fù)工作量，提高設(shè)計(jì)效率；文獻(xiàn)[13]運(yùn)用本體和NoSQL方法對(duì)機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)案例進(jìn)行知識(shí)表示與存儲(chǔ)，提出了基于FBS的機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)本體構(gòu)建方法，該方法有效地支撐設(shè)計(jì)知識(shí)的共享與重用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)知識(shí)的語(yǔ)義化表示以及合理高效的存儲(chǔ).

行為知識(shí)的表示較為重要，目前關(guān)于行為的表達(dá)大多都是語(yǔ)義表達(dá)和句法表達(dá)，這些表達(dá)方法大多基于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)和句法來(lái)構(gòu)建行為知識(shí)，使行為知識(shí)的表示具有層次性和邏輯性. 這些行為知識(shí)表示方法雖然一方面能夠從功能層推出，同時(shí)也起著映射到結(jié)構(gòu)層的作用，但行為的表達(dá)過(guò)于粗獷，導(dǎo)致產(chǎn)生許多意想不到的解的同時(shí)也產(chǎn)生大量毫無(wú)意義的解. 另外傳統(tǒng)的語(yǔ)義表達(dá)和句法表達(dá)很難表示復(fù)雜系統(tǒng)的功能、行為和固有結(jié)構(gòu)等方面知識(shí)，從而無(wú)法得到有效的而且適用于矛盾問(wèn)題的知識(shí)表示，使實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)變得更加困難. 中國(guó)原創(chuàng)學(xué)科可拓學(xué)[14]是用形式化模型研究事物拓展與變換的規(guī)律與方法，并用于創(chuàng)新和解決矛盾問(wèn)題的新學(xué)科. 目前在多領(lǐng)域創(chuàng)新及解決矛盾問(wèn)題中發(fā)揮重要作用[15]，建立了基于基元理論的“可拓信息—知識(shí)—策略形式化表示體系”和可拓規(guī)則，為各領(lǐng)域知識(shí)表示研究提供了一種新的形式化定量化相結(jié)合的有效方法[14-16]. 文獻(xiàn)[17]給出了“可拓信息—知識(shí)—智能形式化體系”的框架以及主要功能模塊，為計(jì)算機(jī)輔助解決矛盾問(wèn)題提供了可行的工具；文獻(xiàn)[18]提出基于可拓網(wǎng)絡(luò)圖的設(shè)計(jì)方案形式化拓展原理，給出設(shè)計(jì)方案的形式化拓展知識(shí)推理算法；文獻(xiàn)[19]提出基于可拓規(guī)則推理的故障診斷方法，與產(chǎn)生式規(guī)則相結(jié)合，將可拓規(guī)則應(yīng)用于故障診斷當(dāng)中，解決產(chǎn)生式規(guī)則推理方法推理效率低、知識(shí)獲取困難導(dǎo)致的難以用于故障診斷的問(wèn)題. 文獻(xiàn)[20]基于事元理論，研究了用戶(hù)需要到產(chǎn)品功能的映射方法及形式化方法.

根據(jù)文獻(xiàn)[14, 16]中的事元理論可知，動(dòng)態(tài)事元可用于形式化表示機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的行為知識(shí). 本文擬將可拓學(xué)中的事元理論及其知識(shí)表示方法應(yīng)用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)行為知識(shí)表示研究，表示機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)深層次的行為知識(shí)，提高人工智能的創(chuàng)造性思維能力和策略生成技術(shù)，為以后智能設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，提供有效策略生成的途徑.

1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)行為與事元理論概述

在工程上，機(jī)械系統(tǒng)通常是由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等4部分組成. 其中將傳動(dòng)系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為“機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)”，亦稱(chēng)為“機(jī)構(gòu)系統(tǒng)”. 在機(jī)械設(shè)備的智能設(shè)計(jì)中，其中首要的一步是生成機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的知識(shí). 知識(shí)生成的過(guò)程基于概念設(shè)計(jì)的方法，將機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的功能逐步分解，產(chǎn)生其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)或一組工藝動(dòng)作的行為，生成機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的領(lǐng)域知識(shí)，利用相關(guān)的知識(shí)表示方法表示其領(lǐng)域知識(shí).

1.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的行為特性與行為過(guò)程

行為包括靜態(tài)行為和動(dòng)態(tài)行為. 功能只是為設(shè)計(jì)人員提供“做什么”，而行為則是需要設(shè)計(jì)人員了解“怎么做”. 目前對(duì)行為的認(rèn)識(shí)主要有兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為行為是產(chǎn)品物理狀態(tài)的改變或保持，還有一種認(rèn)為行為是產(chǎn)品構(gòu)件之間及構(gòu)件與環(huán)境之間的相互作用. 實(shí)際上很多機(jī)電產(chǎn)品的行為常常是既表現(xiàn)有物理狀態(tài)的變化，也表現(xiàn)為各種相互作用.

在FBS(功能—行為—結(jié)構(gòu))模型中，功能是由行為過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的. 行為過(guò)程通常由單個(gè)行為或一組行為構(gòu)成. 行為過(guò)程的構(gòu)建會(huì)產(chǎn)生不同的行為關(guān)系.目前關(guān)于行為關(guān)系的研究多為4個(gè)方面，分別是因果關(guān)系、時(shí)序關(guān)系、回路關(guān)系以及狀態(tài)關(guān)系.

(1) 行為間的因果關(guān)系.

不同行為間通過(guò)因果關(guān)系相互連接形成因果行為過(guò)程. 一個(gè)行為的功能輸出可能是另一個(gè)行為的驅(qū)動(dòng)輸入，也就是說(shuō)一個(gè)行為的發(fā)生必將導(dǎo)致另一個(gè)行為的發(fā)生. 作為一個(gè)行為間最基礎(chǔ)的關(guān)系，因果關(guān)系所描述的是行為過(guò)程中各行為的依賴(lài)關(guān)系.

(2) 行為間的時(shí)序關(guān)系.

產(chǎn)品表現(xiàn)行為過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列的行為. 行為作為一個(gè)事件，它們間的發(fā)生有可能是同時(shí)發(fā)生的，也有可能是一個(gè)接著一個(gè)發(fā)生的. 因此行為發(fā)生的時(shí)序有串聯(lián)性與并聯(lián)性.

(3) 行為間的回路關(guān)系.

當(dāng)一組行為完成一個(gè)或多個(gè)功能后，一般產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都會(huì)回復(fù)到它們的初始狀態(tài)，以準(zhǔn)備下一次行為過(guò)程的執(zhí)行. 由于這種回路關(guān)系，當(dāng)一個(gè)行為失效的時(shí)候，也會(huì)導(dǎo)致其他行為失效.

(4) 行為間的狀態(tài)關(guān)系.

在機(jī)械產(chǎn)品或系統(tǒng)中，同一結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出一個(gè)或多個(gè)行為. 這些行為屬于同一個(gè)行為的不同表示. 當(dāng)其他行為或外界給予相關(guān)的刺激時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同狀態(tài)的轉(zhuǎn)換. 由此可得，同一結(jié)構(gòu)的不同狀態(tài)關(guān)系行為不能在同一時(shí)間發(fā)生.

1.2 事元理論及其在知識(shí)表示中的應(yīng)用

事元是可拓學(xué)中用于形式化描述事件的基本元，事元理論研究了事元的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、事元的拓展與變換規(guī)則等[14].

行為的表現(xiàn)，實(shí)際上是一個(gè)構(gòu)件外部與環(huán)境相互作用、內(nèi)部與其他構(gòu)件相互作用所形成的事件過(guò)程. 作為一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，根據(jù)文獻(xiàn)[17]和領(lǐng)域知識(shí)，可以利用事元理論中的事元模型表達(dá)行為信息，利用事元的拓展規(guī)則和邏輯運(yùn)算表達(dá)行為知識(shí). 事元模型的建立可以是動(dòng)態(tài)的，也可以是靜態(tài)的.

本文針對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)行為的動(dòng)態(tài)過(guò)程開(kāi)展研究. 設(shè)動(dòng)態(tài)事元Ai(ti) 是時(shí)間ti的函數(shù)，由此建立動(dòng)態(tài)事元表達(dá)式，用于表達(dá).

動(dòng)態(tài)事元表達(dá)式中，把動(dòng)作Oa(ti)、動(dòng)作的某個(gè)特征ca1及Oa(ti)關(guān) 于ca1所 取得的量值va1(ti)構(gòu)成的有序三元組作為描述行為的基本元，稱(chēng)為一維動(dòng)態(tài)事元.

A(ti)=(Oa(ti),ca1,va1(ti))

動(dòng)作的基本特征有支配對(duì)象、施動(dòng)對(duì)象、接受對(duì)象、時(shí)間、地點(diǎn)(位置)、程度、方式、工具等，由此可形成形式化定量化表達(dá)行為的多維事元

由于很多知識(shí)可以看成是信息元之間的關(guān)系式，因此可以用基于拓展規(guī)則和邏輯運(yùn)算規(guī)則的基元關(guān)系式表示知識(shí)，限于篇幅，此不詳述，在后文的研究中用到時(shí)再介紹，詳情參考文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[16-17].

2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)行為的知識(shí)表示方法

本節(jié)將以事元理論為基礎(chǔ)，首先根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的行為信息進(jìn)行事元建模，并通過(guò)分析行為的動(dòng)態(tài)過(guò)程，根據(jù)可拓學(xué)中建立的“可拓信息—知識(shí)—策略形式化體系”[17]的規(guī)范，研究行為的知識(shí)表示方法.

2.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)行為信息的動(dòng)態(tài)事元表示

在機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，功能是行為的主觀抽象，行為是功能的具體化表現(xiàn). 對(duì)行為的分析需要從微觀的角度入手. 根據(jù)1.2可知，機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的行為信息可以用動(dòng)態(tài)事元形式化表示. 某個(gè)時(shí)刻ti的行為的動(dòng)態(tài)事元Ai(ti)表示為

2.2 基于拓展規(guī)則的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)行為的知識(shí)表示方法

根據(jù)1.1的分析可得，行為之間有不同的關(guān)系.關(guān)于這些關(guān)系，本文考慮用可拓學(xué)中的拓展規(guī)則進(jìn)行表示. 拓展規(guī)則中，當(dāng)一個(gè)基元發(fā)生必將導(dǎo)致另一個(gè)基元發(fā)生時(shí)，用蘊(yùn)含型知識(shí)表示，基于蘊(yùn)含型知識(shí)表示行為間的因果關(guān)系；事物之間組合關(guān)系的結(jié)果或分解后的結(jié)果，用可擴(kuò)型知識(shí)表示，基于可擴(kuò)型知識(shí)表示行為間的疊加關(guān)系和時(shí)序關(guān)系；具有相關(guān)關(guān)系的知識(shí)，用相關(guān)型知識(shí)表示，基于相關(guān)型知識(shí)表示行為間的回路關(guān)系；描述事物屬性發(fā)散關(guān)系，用發(fā)散型知識(shí)表示，基于發(fā)散型知識(shí)表示行為間的狀態(tài)關(guān)系.

(1) 動(dòng)態(tài)行為事元的蘊(yùn)含型知識(shí)：文獻(xiàn)[21]提出了基于因果分析的事元蘊(yùn)含系分析的方法，將該方法應(yīng)用到尋找并解決問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因. 本文基于該方法，根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)行為的領(lǐng)域知識(shí)，建立行為事元間的因果關(guān)系模型，以獲得動(dòng)態(tài)行為事元的蘊(yùn)含型知識(shí). 動(dòng)態(tài)行為事元蘊(yùn)含型知識(shí)可以是“與蘊(yùn)含型知識(shí)”、“或蘊(yùn)含型知識(shí)”和“混合蘊(yùn)含型知識(shí)”等等. 動(dòng)態(tài)行為事元的混合蘊(yùn)含型知識(shí)如圖1所示.根據(jù)有向箭頭上下位事元之間的因果關(guān)系，判斷同一位事元之間的邏輯關(guān)系，在箭頭下方用符號(hào)“∧”和“∨”標(biāo)出，調(diào)整蘊(yùn)含系并用符號(hào)表示.

圖 1 動(dòng)態(tài)行為事元的混合蘊(yùn)含型知識(shí)Fig.1 Hybrid implication knowledge of dynamic behavior affairelements

(2) 動(dòng)態(tài)行為事元的可擴(kuò)型知識(shí)：文獻(xiàn)[14]介紹了基于可擴(kuò)分析的可擴(kuò)型知識(shí)，包括可分解型知識(shí)、可組合型知識(shí)、可擴(kuò)大型知識(shí)和可縮小型知識(shí)等. 以可分解型知識(shí)為例，知識(shí)式表示為

Ai(ti)//{Ai1(ti1),Ai2(ti2),···,Ais(tis)}.

(3) 動(dòng)態(tài)行為事元的邏輯運(yùn)算型知識(shí)：基于事元的積運(yùn)算，可以表示動(dòng)態(tài)行為事元間的先行運(yùn)動(dòng)關(guān)系，基于事元的與運(yùn)算，可以表示動(dòng)態(tài)行為事元間的并行運(yùn)動(dòng)關(guān)系；基于事元的或運(yùn)算，可以表示動(dòng)態(tài)行為事元間的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)關(guān)系；基于事元的逆運(yùn)算，可以表示動(dòng)態(tài)行為事元的逆向運(yùn)動(dòng)關(guān)系.

基于事元的積運(yùn)算的動(dòng)態(tài)行為事元間的先行運(yùn)動(dòng)關(guān)系表示為：Ai(ti)Aj(tj),其中ti＞tj.

基于事元的與運(yùn)算的動(dòng)態(tài)行為事元間的并行運(yùn)動(dòng)關(guān)系表示為：Ai(ti)∧Aj(ti).

基于事元的或運(yùn)算的動(dòng)態(tài)行為事元間的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)關(guān)系表示為：Ai(ti)∨Aj(ti).

(4) 動(dòng)態(tài)行為事元的相關(guān)型知識(shí)：在行為的回路關(guān)系中，當(dāng)一個(gè)行為發(fā)生變化時(shí)，其他行為也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化. 這與可拓學(xué)中的相關(guān)網(wǎng)有類(lèi)似的地方.文獻(xiàn)[22]根據(jù)相關(guān)網(wǎng)的特性，基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立了反饋環(huán)，以此找到模型中基元之間存在的循環(huán)關(guān)系.本文基于該方法和機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)行為的回路關(guān)系，建立動(dòng)態(tài)行為事元間的相關(guān)型知識(shí).

在可拓學(xué)中，對(duì)事元而言，如果在同一時(shí)刻所做的兩件事，或某一件事完成后又做另一件事時(shí)，其可行性、效果、價(jià)值或代價(jià)的量值之間有一定的函數(shù)關(guān)系，則認(rèn)為這兩件事是相關(guān)的. 事元的相關(guān)與時(shí)間有密切關(guān)系，在某一時(shí)刻相關(guān)的事元，在另一時(shí)刻可能相關(guān)性降低或不相關(guān). 因此動(dòng)態(tài)行為事元的相關(guān)需要找出量值之間具有相關(guān)函數(shù)關(guān)系的事元，結(jié)合動(dòng)態(tài)行為事元的時(shí)序關(guān)系，建立動(dòng)態(tài)行為事元相關(guān)回路模型，表達(dá)動(dòng)態(tài)行為事元的相關(guān)型知識(shí). 動(dòng)態(tài)行為事元的相關(guān)型知識(shí)如圖2所示. 其中，單向箭頭表示有向相關(guān)，雙箭頭表示互為相關(guān). 根據(jù)有向線段兩端相關(guān)評(píng)價(jià)特征之間的正影響和負(fù)影響關(guān)系，在線段的箭頭處用符號(hào)“＋”和“-”標(biāo)出，調(diào)整相關(guān)回路并用符號(hào)表示.

圖 2 動(dòng)態(tài)行為事元的相關(guān)型知識(shí)Fig.2 Correlation knowledge of dynamic behavior affair-elements

(5) 動(dòng)態(tài)行為事元的發(fā)散型知識(shí)：一個(gè)結(jié)構(gòu)可以在不同的環(huán)境下表現(xiàn)不同的狀態(tài). 隨著狀態(tài)的不同行為也會(huì)表現(xiàn)不同，動(dòng)態(tài)行為事元也會(huì)有不同的表示. 但行為所表現(xiàn)的過(guò)程還是基于同一個(gè)結(jié)構(gòu). 基于發(fā)散規(guī)則中同對(duì)象同特征異量值表示同一結(jié)構(gòu)下的不同狀態(tài)的行為. 通過(guò)發(fā)散規(guī)則，可以得出多種同一結(jié)構(gòu)下適應(yīng)不同環(huán)境的不同行為事元，可根據(jù)實(shí)際環(huán)境選取相應(yīng)的行為事元. 以“一對(duì)象一特征多量值”的發(fā)散規(guī)則為例，基于某一個(gè)動(dòng)態(tài)行為事元Ai(ti)，可獲得動(dòng)態(tài)行為事元間的發(fā)散型知識(shí)表示為

其中

3 案例分析

3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)背景知識(shí)

過(guò)去兩千年來(lái)，風(fēng)車(chē)一直在幫助人類(lèi)將風(fēng)中的能量轉(zhuǎn)化為許多其他有用的形式，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置. 下面簡(jiǎn)介風(fēng)力發(fā)電機(jī)其主要功能及工作原理.

(1) 吹拂的風(fēng)可以轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，將其連接在發(fā)電機(jī)上即可接收電力.

(2) 由于噪音以及機(jī)械強(qiáng)度的問(wèn)題，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子總是設(shè)計(jì)成以非常低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮到這種低速旋轉(zhuǎn)不會(huì)產(chǎn)生任何有意義的電力頻率，因此需要在發(fā)電機(jī)之前增加齒輪箱以增加轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，齒輪箱將采用行星齒輪組裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)高速比.

(3) 當(dāng)風(fēng)過(guò)大時(shí)，需要將制動(dòng)器裝在機(jī)艙內(nèi)部，以保證隨時(shí)阻止葉片旋轉(zhuǎn).

(4) 通過(guò)電纜的電力將朝向升壓變壓器所在的基座中.

(5) 為了從風(fēng)中提取最大的能量，總是需要保持與風(fēng)對(duì)齊. 但是風(fēng)向是可以隨時(shí)改變的，因此需要安裝在機(jī)艙頂部的速度傳感器測(cè)量風(fēng)速和方向，風(fēng)向的偏差被發(fā)送到電子控制器，電子控制器又向偏航機(jī)構(gòu)發(fā)送適當(dāng)?shù)男盘?hào)以校正誤差.

(6) 通過(guò)校正保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終與風(fēng)向?qū)R.校正過(guò)后，根據(jù)風(fēng)速，風(fēng)的相對(duì)速度角會(huì)發(fā)生變化，葉片傾斜機(jī)構(gòu)使葉片傾斜確保葉片與相對(duì)速度的適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)，由此實(shí)現(xiàn)葉片總是處于與相對(duì)風(fēng)流的最佳迎角.

(7) 由文獻(xiàn)[23]可知，每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)都有兩套制動(dòng)器負(fù)責(zé)制動(dòng). 兩套制動(dòng)器中，轉(zhuǎn)子制動(dòng)為一級(jí)制動(dòng)，安全制動(dòng)為二級(jí)制動(dòng)，其主要功能是確保一旦轉(zhuǎn)子制動(dòng)失敗，設(shè)備依然能夠安全地進(jìn)入停機(jī)狀態(tài). 安全制動(dòng)與轉(zhuǎn)子制動(dòng)并列操作，但由于液壓閥的控制，只能在一定時(shí)間延遲后才動(dòng)作. 在一般運(yùn)行條件下，此時(shí)轉(zhuǎn)子幾乎已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，所以安全制動(dòng)僅在轉(zhuǎn)子制動(dòng)系統(tǒng)操作失敗時(shí)使用. 轉(zhuǎn)子制動(dòng)器安裝在低速軸上，安全制動(dòng)器安裝在發(fā)電機(jī)軸上. 當(dāng)制動(dòng)結(jié)束以后，兩套制動(dòng)器的制動(dòng)鉗同時(shí)復(fù)位，為下一次制動(dòng)作準(zhǔn)備.

下面以“風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制動(dòng)器Z操縱葉片旋轉(zhuǎn)”這個(gè)功能事元Af為例，研究該功能事元及其對(duì)應(yīng)的行為的知識(shí)表示.

以風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器一級(jí)制動(dòng)為例，當(dāng)制動(dòng)器不制動(dòng)時(shí)接通電機(jī)和電磁閥. 電機(jī)向系統(tǒng)提供液壓油，液壓油通過(guò)主油路進(jìn)入制動(dòng)鉗的油缸里，壓縮彈簧使活塞向后運(yùn)動(dòng)松開(kāi)制動(dòng)鉗. 但當(dāng)系統(tǒng)壓力大于溢流閥的啟動(dòng)壓力時(shí)，部分壓力油溢流回油池. 當(dāng)制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，電機(jī)和電磁閥斷電. 彈簧推動(dòng)活塞向前運(yùn)動(dòng)，液壓油通過(guò)卸油回路流回油池. 根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)，建立制動(dòng)器的功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示. 在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，行為信息的獲取往往是很困難的. 因此需要從功能出發(fā)，對(duì)功能進(jìn)行分解，完成功能層到行為層的映射. 基于功能結(jié)構(gòu)圖，將功能進(jìn)行分解，從而獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器的行為信息.

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器行為信息動(dòng)態(tài)事元模型的建立

為便于建模，記電機(jī)為Q(t) ，制動(dòng)器為Z(t)，制動(dòng)器構(gòu)件為D(t) ，控制主體為G(t)，制動(dòng)器液壓系統(tǒng)為S(t). 并記制動(dòng)器中的電磁閥為D1(t)， 溢流閥為D2(t)，彈簧為D3(t)， 活塞為D4(t)， 制動(dòng)鉗為D5(t)，制動(dòng)盤(pán)為D6(t)， 低速軸為D7(t)；制動(dòng)器液壓系統(tǒng)中的主油路為S1(t)， 液壓油為S2(t)， 卸油回路為S3(t)， 油池為S4(t)；彈簧向后位移為-x(t) ，向前位移為+x(t).

(1) 當(dāng)要使t1時(shí)刻不制動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)行為事元為

圖 3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 A functional and structural figure of wind turbine brake

需要停止制動(dòng)行為過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為事元分別表示為

(2) 當(dāng)要使t2時(shí)刻制動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)行為事元信息為

需要開(kāi)始制動(dòng)行為過(guò)程的動(dòng)態(tài)事元分別表示為

3.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器動(dòng)態(tài)行為事元的知識(shí)表示

限于篇幅原因，本案例研究的制動(dòng)器一級(jí)制動(dòng)的知識(shí)表示類(lèi)型只用到2.2中的(1)、(4)、(5)，關(guān)于制動(dòng)器二級(jí)制動(dòng)的其他知識(shí)表示類(lèi)型將另文討論.

(1) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器動(dòng)態(tài)行為事元間的因果蘊(yùn)含型知識(shí).

根據(jù)2.2(1)和圖3可得，動(dòng)態(tài)行為事元的蘊(yùn)含型知識(shí)表示如圖4所示.

(2) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器動(dòng)態(tài)行為事元間的相關(guān)型知識(shí).

根據(jù)2.2(4)和圖3可得，以壓力油的流向?yàn)槔?，研究?dòng)態(tài)行為事元與液壓油相關(guān)的相關(guān)型知識(shí)的表示如圖5所示.

從上述相關(guān)型知識(shí)圖中，可以得出液壓油的相關(guān)回路關(guān)系. 其中，A132(t13)和A131(t13)關(guān)于提供液壓油的油量互為相關(guān)，提供的液壓油經(jīng)過(guò)溢流閥，當(dāng)提供液壓油過(guò)多時(shí)，溢流閥對(duì)液壓油進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)保證系統(tǒng)的運(yùn)行；經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)后的壓力油會(huì)壓縮彈簧，A14(t14)和A132(t13)關(guān)于壓縮彈簧的程度與調(diào)節(jié)液壓油過(guò)后的油量相關(guān)；當(dāng)壓縮彈簧的液壓油流回油池時(shí)，彈簧松開(kāi)，A24(t24)和A14(t14)、A231(t231)關(guān)于松開(kāi)彈簧的程度與壓縮彈簧的程度、停止供給液壓油油量相關(guān)；A232(t232)和A24(t24)、A231(t231)關(guān)于流回油池的液壓油油量與松開(kāi)彈簧的程度、停止供給的油量相關(guān)；流回油池的液壓油為下一次提供液壓油作準(zhǔn)備，A232(t232)和A131(t131)關(guān)于下一次可以提供液壓油的油量與流回油池液壓油的油量相關(guān).

圖 4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器動(dòng)態(tài)行為事元的因果蘊(yùn)含型知識(shí)Fig.4 Causal implication knowledge of dynamic behavior affairelements of wind turbine brake

圖 5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器動(dòng)態(tài)行為事元的相關(guān)型知識(shí)Fig.5 The related type knowledge of dynamic behavior affairelements of wind turbine brake

同理，可以基于相關(guān)型知識(shí)表示機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的能量流回路，根據(jù)能量傳遞過(guò)程中所涉及的數(shù)學(xué)函數(shù)，得出各個(gè)行為間的輸入輸出能量，反映出各個(gè)動(dòng)態(tài)行為事元間的能量流動(dòng)、能量變化等關(guān)系.

(3) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動(dòng)器動(dòng)態(tài)行為事元間的發(fā)散型知識(shí).

以一級(jí)制動(dòng)為例，根據(jù)“一對(duì)象多特征多量值”的發(fā)散規(guī)則和領(lǐng)域知識(shí)，分別對(duì)A17(t17)和A27(t27)賦予特征“狀態(tài)”，并對(duì)該特征賦予量值. 設(shè)“狀態(tài)”的量值的取值范圍為[0, 1]，1表示完全松開(kāi)或壓緊，0表示完全不松開(kāi)或不壓緊. 賦予特征后所得的事元為

根據(jù)2.2(5)和圖3可得，制動(dòng)器的狀態(tài)主要分兩種，一種是實(shí)現(xiàn)不制動(dòng)狀態(tài)，此階段對(duì)應(yīng)的行為是松開(kāi)制動(dòng)盤(pán)；一種是實(shí)現(xiàn)制動(dòng)狀態(tài)，此階段對(duì)應(yīng)的行為是壓緊制動(dòng)盤(pán). 對(duì)A′1710(t171)和A′2710(t271)進(jìn)行一對(duì)象一特征多量值發(fā)散后所得的事元為

其中

做發(fā)散分析，研究不同環(huán)境下制動(dòng)器的狀態(tài). 經(jīng)過(guò)發(fā)散型知識(shí)表示，可以將制動(dòng)器的狀態(tài)發(fā)散開(kāi)來(lái)，使制動(dòng)器的狀態(tài)不再局限于只有制動(dòng)狀態(tài)和不制動(dòng)狀態(tài)2種情況. 由此可以得到更多諸如半制動(dòng)、半不制動(dòng)等狀態(tài)，使制動(dòng)器能在更多的環(huán)境下智能地選擇使用，由此可以使制動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)加速、減速等功能，以應(yīng)對(duì)更多的復(fù)雜環(huán)境.

4 結(jié)論

本文基于可拓信息—知識(shí)—策略的形式化體系，結(jié)合行為表示中的“輸入—輸出流表達(dá)法”，對(duì)行為的知識(shí)表示進(jìn)行形式化研究. 本文主要的結(jié)論有：

(1) 從功能出發(fā)，建立基本功能的功能結(jié)構(gòu)模型，研究機(jī)電產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)功能的過(guò)程中能量、物料以及信號(hào)的流向，根據(jù)這些流向，從相關(guān)領(lǐng)域中提取所需要的行為信息，建立了行為信息的動(dòng)態(tài)事元模型.

(2) 基于蘊(yùn)含型知識(shí)生成行為間的因果關(guān)系知識(shí)，基于相關(guān)型知識(shí)生成行為間的回路關(guān)系知識(shí)，基于可擴(kuò)型知識(shí)和基元的邏輯運(yùn)算生成行為間的時(shí)序關(guān)系知識(shí)，基于發(fā)散型知識(shí)生成行為間的狀態(tài)關(guān)系知識(shí). 由這些知識(shí)獲取更深層知識(shí)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的矛盾性與不相容性，提供策略生成的途徑，解決矛盾問(wèn)題，為未來(lái)機(jī)電產(chǎn)品的智能設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ). 但限于篇幅原因，本文只提供了行為的可拓信息表示以及行為關(guān)系的知識(shí)表示，若要生成所需要的知識(shí)還需要結(jié)合更多相關(guān)專(zhuān)家領(lǐng)域來(lái)建立矛盾問(wèn)題的形式化模型，再基于可拓策略生成方法生成最終行為知識(shí)，生成解決矛盾問(wèn)題的策略，減少行為知識(shí)表示過(guò)程中的矛盾性和不相容性，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì).

本文只考慮到物理狀態(tài)的改變或保持，而沒(méi)有考慮到構(gòu)件與構(gòu)件間、構(gòu)件與環(huán)境間的關(guān)系. 事實(shí)上還可利用可拓學(xué)中的關(guān)系元理論研究產(chǎn)品構(gòu)件間、構(gòu)件與環(huán)境間的相互作用. 基于物元理論表示構(gòu)件信息；基于內(nèi)聯(lián)關(guān)系元理論表示構(gòu)件與構(gòu)件間的內(nèi)聯(lián)關(guān)系元信息；基于外聯(lián)關(guān)系元理論表示構(gòu)件與環(huán)境間的外聯(lián)關(guān)系元信息；由此研究各種相互作用. 限于篇幅，本文并沒(méi)有提供這一類(lèi)行為知識(shí)生成的方法，將另文論述.