陳 兵，郭永恒，劉 昌，張國勝

(1.北京科技大學機械工程學院，北京 100083；2.交通運輸部公路科學研究院，北京100088)

1 引言

近些年來，我國交通事業(yè)迅猛發(fā)展，機動車保有量不斷增加，同時也導致車輛交通事故、車輛故障的頻發(fā)[1]，市場對清障救援車輛業(yè)的需求日益增加，客戶對清障救援車輛的個性化要求越來越高，然而我國清障車起步比較晚，技術水平比較低，迫切需要提高該領域的技術水平。因此對清障救援車展開模塊化配置及相關理論的研究十分重要。

產品模塊的配置設計思想最早是由Freeman和Newell在1971年提出的[2]，他們將產品配置設計過程分為識別問題和選擇問題；陳兵和劉昌[3]等人提出了一種基于模塊化理論的模塊劃分方法，結合模糊聚類分析方法，對該車零部件模塊進行聚類劃分；袁際軍[4]提出了一種在既定配置約束與生產約束下快速重構出最優(yōu)產品配置推薦方案的產品配置更新優(yōu)化方法，實現了對多目標混合整數產品配置規(guī)劃模型的優(yōu)化求解；羅妤[5]為了挖掘出物料庫中潛在的、能滿足配置需求的物料信息，實現產品的個性化配置，提出了基于多維關聯規(guī)則的產品族配置方法；趙燕偉[6]圍繞產品族配置設計中實例檢索過程的準確性問題，提出一種基于可拓距的實例檢索方法，對距計算公式進行了改進；李小虎[7]提出了基于規(guī)則和實例推理的數控機床產品優(yōu)化配置方法，對基于規(guī)則和實例的兩個階段的推理開展了一定研究；Guesgen H.W和Hertzberg J[8]首先將基于實例推理技術應用到配置方法研究中，適用于具有明顯特點的模型知識表達，但無法描述產品結構等信息；Sonninen T和Tihonen J[9]等人提出根據配置知識建立一種高度通用化的本體來進行產品配置的方法；盧文軒[10]提出了一種基于規(guī)則推理和多層實例庫的夾具組裝設計方法，并且對實例進行了層次劃分；應湘怡[11]構建了一套基于轉向架實例及實例模板表達的多層實例檢索策略；孫毅和單繼宏[12]等人利用實例與規(guī)則集成的模架配置方法，將模架制造中的工程技術信息與模架設計方案的內蘊知識關聯，形成了模架配置規(guī)則與實例的維護和操作方法；李先鋒[13]提出將融合CBR和RBR的專家系統(tǒng)應用于道路交通事故處理，給出交通事故處理專家系統(tǒng)推理的實現框架；張?zhí)烊鸷屠蠲鱗14]等人提出基于案例推理和規(guī)則推理結合的推理診斷機制，建立了挖掘機故障診斷專家系統(tǒng)；許開元[15]對基于實例與規(guī)則的配置方法進行改進，提出了一種建立產品平臺的新方法，并將此方法應用于裝載機上。

將文獻中所介紹的各種產品建模方法與推理模式進行比較分析，歸納了每種配置建模方法的優(yōu)點與不足，具體內容如表1所示。

表1 產品配置建模與推理的主要方法

除上述方法外，仍有多種不同的產品配置方法被科研人員提出并應用于不同領域，但各類型的產品配置方法因其各自特點和使用范圍的局限性都存在一定的缺陷，無法指導本文所研究的清障救援車的產品配置，因此，本文在對使用廣泛的產品配置方法進行了深入研究，分析總結了其各自優(yōu)劣性，提出了一種實例推理和規(guī)則推理的混合配置方法。該方法可以通過實例識別模型，快速甄別相似實例，并可以利用車輛設計領域的設計、裝配規(guī)則等來規(guī)避實例推理過程中的不足，從而實現滿足客戶多樣化需求的產品模塊化快速配置。

2 清障救援車混合推理配置方法原理

基于實例推理(CBR)的設計是一種設計重用方法，是通過檢索過去的設計實例，并在此基礎上根據經驗知識進行組合或者修改已存在的設計實例，求解設計問題，從而為客戶提供滿足要求的設計方案。但該方法有明顯缺陷，其在檢索的過程中進行的判斷依據主觀性、隨機性較強，主要憑借專家的專業(yè)知識、經驗、偏好等方式獲取，不能保證產品配置的過程實例識別的準確性。

用于產品配置推理的另外一種常用方法是基于規(guī)則推理(RBR)配置方法，該種方法是利用該產品領域知識和設計經驗知識建立完善的配置規(guī)則體系，按照預先設定的順序節(jié)點逐步對產品進行選擇組合。但是也存在其自身的缺陷如靈活性不足，沒有層次性，容易引起邏輯混亂，通用性較差等等。

通過深入研究，采用混合推理配置方法，將CBR和RBR結合起來求解問題。如圖1所示，首先利用實例推理配置方法所建立的求解策略尋求最優(yōu)實例，然后由該產品的領域專家建立配置規(guī)則體系庫和清障救援車功能單元模塊屬性之間的約束關系，通過規(guī)則推理配置遍歷配置規(guī)則對最優(yōu)實例的變型設計進行檢驗，最終得到滿足客戶需求的配置結果。

圖1 混合推理配置方法原理圖

3 基于CBR的實例檢索策略

實例檢索的目標就是根據現有客戶需求信息，按照所設計的檢索方法從產品族實例庫中尋找與當前目標實例最為相似的產品實例，利用客戶需求目標的技術參數分別與產品實例中的每個實例所對應的技術參數進行比較，分析需求目標和檢索實例的相似性，將其中相似度最高的實例作為最優(yōu)實例提供給客戶或者作為下一步變型設計的基型實例。

3.1 數值型特征指標的距計算方法

基于距離相似度計算方法中，針對不同的需求指標有不同的計算方式，根據清障救援車數據類型的特點，依照傳統(tǒng)的表征距的計算式，細化了對于不同類型特征參數的不同計算方法。

1)兩點間相似度的定義

研究發(fā)現，表征兩點間相似度的方法有較多類型，但其中歐式距離和海明距離公式是用于相似度距離計算的較為成熟的計算方法，該方法的實現過程如下[16]：

設F={x1，f2，…，fn}，客戶需求目標F和實例庫實例Yi屬于F，則有

(1)

上式為歐式距離計算公式。

(2)

上式為海明距離計算公式。其中

(3)

xi和yi是計算相似度的計算客戶需求目標與實例中的第i個屬性值，maxi和mini分別代表第i個屬性值的最大值和最小值。

當單一模塊具有多個實例特征技術指標時，需要引入權重對計算結果進行修正，修正后的加權距離貼進度分別改變?yōu)?/p>

(4)

(5)

2)一個點和一個區(qū)間的相似度

清障救援車的技術參數有些是用精確數值表征的，而客戶無法提供所需要的該參數的精確值，只能表明大致范圍區(qū)間，處于該區(qū)間內的參數值可認為是滿足客戶需求的值。則有客戶需求區(qū)間[a，b]技術參數與實例庫中對應實例的技術特征y之間的相似度為[17]

sim([a，b]，y)

(6)

3)數值區(qū)間與區(qū)間的相似度

區(qū)間與區(qū)間的相似度主要是針對屬性值為區(qū)間范圍的情況，設區(qū)間A=[a1，a2]，B=[b1，b2]，將區(qū)間距定義為[18]

(7)

轉換為相似度計算公式可以定義為

sim(Ai，Bi)=1-Pl(A，B)

(8)

3.2 字符型需求指標相似度計算

當客戶需求的技術參數屬性值ai的類型為符號型時，如“驅動形式8×4”，則需求參數值ai與對應的實例參數屬性值bi間的相似度，可以通過差分距離計算公式來獲取[19]

(9)

sim(Ai，Bi)=1-Dis(ai，bi)

(10)

3.3 離散型指標需求相似度計算

除去數值型的技術指標，也有很多不可以用數值來表述的離散型計算參數，如清障救援車的車身顏色、鈑金樣式、是否有無線操控裝備等等，其表達式如下

(11)

當客戶技術需求和實例技術特征的屬性值保持一致時，這個特征的相似度表征為1，否則為0。

3.4 實例綜合相似度計算

在實例檢索設計過程中，各個客戶需求技術指標的相似度計算是檢索結果判斷的首要條件，隨之要綜合考慮各個指標的相似度得出總體相似度。為目標對象的n個技術指標加入權重參數，以體現其各個指標的不同重要度，對其相似性計算結果進行修正。

首先假設通過專家計算評估后的各技術需求指標的重要度權重值為

(12)

在考慮各指標權重的基礎上進行實例綜合相似度計算，將實例的綜合相似度定義如下

(13)

4 基于RBR的規(guī)則推理配置

基于配置規(guī)則的推理機制在當前企業(yè)的生產制造中應用廣泛。完善的配置規(guī)則體系可以通過確定一系列的限制性和匹配性規(guī)則，對進行變型設計的實例模型中需要配置的模塊部件進行合理性驗證，保證了整個方法體系的完整準確性。只有在規(guī)則的約束下，進行改型或者重新設計的產品才能是符合工程實際的設計產品。

通過查閱國內外的文獻、書籍、國家標準，針對清障救援車配置裝配形式，提出了以下幾種規(guī)則類型。

1)選擇性規(guī)則。選擇性規(guī)則以條件關系體現，主要是指在配置過程中需要根據上級模塊對下級模塊做出選擇，這種選擇包括了一對一和一對多的形式，例如，客戶要求為16T的起吊質量，那么在起吊模塊的選擇中，可以包括型號為XG16的直臂吊機或者型號為CQ16的托吊一體式吊機。

2)屬性配合規(guī)則。屬性配合規(guī)則主要是基于領域專業(yè)設計理論和經驗設計方法，是一種剛性的配合規(guī)則，基本屬性以及從屬關系明確，不可以人為的隨意做出改變，例如，如果上述客戶要求為CQ16托吊一體式的吊機模塊，那么必須將車架模塊縱梁需截斷到后懸吊耳210mm處。如圖2所示的幾種清障救援車模塊位置布置規(guī)則，這些布置形式是憑借技術工程師多年的設計積累建立，因而，不能對其作出隨意的調整。

圖2 清障救援車模塊布置方式

3)范圍性規(guī)則。范圍性規(guī)則主要是指在清障救援車配置過程中需要保證的一些區(qū)間性約束，其主要形式為如果A模塊參數符合B模塊對該參數的限制范圍(a，b)，那么即認為該項組合是合理的。以三軸汽車各軸的載荷分配規(guī)則為例，根據其動力學模型計算得出其質心位置變化對軸荷的影響如圖3所示，根據圖中前、中、后軸的位置變化與軸荷變化的關系，結合傳統(tǒng)車輛設計理論，可以得出模塊裝配的總體質心的安全變化區(qū)域，只有整車裝配的總體質心在該區(qū)域內變化時，則認為配置結果是合理的。

圖3 質心位置對軸荷的影響

同時，由于規(guī)則的作用范圍不同，規(guī)則應表現為多層級的。符合三級配置規(guī)則的模塊組合要繼續(xù)經過二級規(guī)則的確認，對此，按照模塊的配置順序，將主要的產品配置規(guī)則分為三個等級[20]，如表2所示。

表2 規(guī)則分級表

為了增強規(guī)則的可讀性，簡化配置過程中的匹配處理過程，使得計算機能夠快速識別各條配置規(guī)則語言，提高產品配置效率。采用RULE規(guī)則的表達形式對配置規(guī)則進行統(tǒng)一的表達，具體可以表示為：

RULE=(Modf，Iden，SupMod，SubMod，Descrip，Type，Level)

其中：Modf：即規(guī)則所屬模塊族或產品族；

Iden：即“Identifier”，表示每一條規(guī)則的唯一標識符，以被計算機讀??；

SupMod：上級模塊，規(guī)則的前提模塊；SubMod：下級模塊，規(guī)則的后續(xù)模塊；Descrip：對于本條配置規(guī)則的具體內容

作出說明；

Type：即規(guī)則類型；

Level：規(guī)則等級，表示規(guī)則所屬層次；

按照RULE格式對部分規(guī)則進行規(guī)格化表達，形成如下表3的部分規(guī)則集。

表3 規(guī)則表達集

5 面向混合推理的推理方法模型

通過對以上兩方面技術特點的深入研究，結合清障救援車產品的開發(fā)設計特點，提出了基于實例識別推理和基于規(guī)則推理的清障救援車產品配置方法模型，該模型具體說明了混合推理方法的實現流程，具體方法流程如圖4所示。

圖4 推理配置流程圖

具體實現流程為：

Step1：首先，客戶輸入定制需求，讀入客戶的需求訂單，對根據客戶需求的不同類型對其進行分解然后，利用QFD質量功能方法[21]完成客戶定制需求到技術參數映射，以及技術參數到模塊特征的映射，并求取其權重；

Step2：利用上述步驟獲取的客戶需求對應的技術參數指標和其權重，利用多參量實例識別方法，進行相似實例檢索，如果實例滿足客戶要求，結束該推理過程，如果未能達到要求，則優(yōu)選出與客戶需求最為相近的最優(yōu)實例作為下一步的變型設計基礎；

Step3：將根據客戶需求確定的需要改進的技術參數特征與模塊庫中的各個模塊特征進行映射分析，明確與各技術參數相關的功能模塊類型。

Step4：根據獲得的模塊改進方案，對最優(yōu)實例進行變形設計，檢索與不符合客戶需求的技術參數所對應的模塊，獲得相似度最高的模塊替換該實例原有模塊，完成新產品理論構建。

Step5：針對變型設計的新模塊，調取規(guī)則庫中符合其配置方式的配置規(guī)則。遍歷規(guī)則進行配置檢驗，甄選出符合配置規(guī)則的模塊組成新產品。

Step6：重復上述過程直到完成整車的模塊配置。

Step7：將定制的產品結構進行客戶滿意度評價分析，如果評價通過，則輸出產品BOM，如果評價未通過，則由產品設計人員重新進行產品配置，直至通過客戶滿意度評價。

Step8：輸出符合客戶滿意度的產品配置結果并添加到產品實例庫中，可以在下一次的新產品設計過程中進行識別檢索。

6 實例驗證

清障救援車作為一種復雜的工程車輛，主要由底盤模塊、主梁模塊、起吊模塊、托舉模塊等模塊結構組成。本文為驗證所研究的混合配置方法的合理性，利用清障救援車實例進行了方法驗證。選取客戶需求的某清障救援車，如圖5所示，利用本文研究的混合推理配置方法，求解出滿足客戶需求的最優(yōu)實例，具體過程如下。

圖5 客戶需求目標清障救援車

根據客戶需求首先獲取了其對應技術指標的權重。選取與客戶需求目標較為接近的8個實例作為待檢索實例，如表4所示(表中值省略了部分參數)，并對其進行數據歸一化規(guī)范處理。

表4 設計技術參數名稱及權重值

對所獲得的歸一化數據，利用上述實例檢索策略計算各清障救援車實例的技術特征相似度，得到對應的清障救援車實例關聯相似度矩陣，如表5所示。

表5 清障車實例關聯相似度矩陣

該矩陣體現了實例庫中的相關實例與客戶需求目標技術參數集中每個技術參數的相關性差值，經過歸一化處理后可以很容易的得出實例庫中實例的各個參數與需求技術參數的差距，如圖6所示。可以明顯的對比出各個現有實例與需求實例的相似性較大和較小的地方，對清障救援車的資源配置有指導意義。

圖6 實例庫實例各技術參數相關性

按綜合得到各實例與需求的總體相似度分別為如圖7所示。從圖中可以得出各個實例總體相似度計算值的大小，由于選取的候選實例與需求目標差距較小，所以各實例總體相似度的差距并不大，但仍可從圖中看出各個實例相似度的明顯變化。最終具體的計算結果如表6所示。

圖7 實例相似度計算結果

表6 實例相似度具體計算結果

從表中可以看出，實例7與目標實例的相似度最高，需要大幅度改進的技術參數較少，則說明其要改變的模塊數較少，研發(fā)時間最短，成本最低。

對比實例庫中的實例7與客戶需求目標車的關系，從圖8中可以看出圖中黑線是實例7的技術參數與圖中紅線需求對象間的參數距離關系，其中第1、5、20、22、23、24、26、27、28項技術需求與需求目標對象的技術參數距離大于設定閾值0.2，對此，記錄其為不滿足客戶需求的技術目標，需要更換該技術參數所對應的相關模塊部件。

圖8 實例與需求對象間技術差異比較

根據上述的9項不滿足客戶需求的技術目標(質量參數、滿載軸荷、智能化系統(tǒng)、托舉質量、起重質量、托臂負傾角、初速50km/h制動距離、最長主臂起吊高度、重心位置)，對于選擇出的最優(yōu)實例7中不滿足客戶需求的技術參數所對應的模塊進行變形設計，更換更恰當的模塊庫中的產品模塊，如圖9所示。根據經專家打分獲得的模塊特征屬性的權重，采用和求取車輛整車實例相似度的方法求取最相似模塊，如果模塊庫中未找到滿足需求的模塊，則需要進行新模塊的創(chuàng)立，例如，實例七中對于起吊質量的技術需求，在實例庫中未能找到和技術目標相似度大于0.9的模塊，可以認為該企業(yè)現有零部件模塊沒有滿足客戶需求的產品，需要外購或者研發(fā)新的模塊，并將其加入到模塊庫中。

圖9 基于實例的模塊變形配置

最終，將變形設計的新配置方案加入到設計清單的BOM系統(tǒng)中，交由技術人員進行模塊配置規(guī)則的進一步驗證，最終在實例七的基礎上獲得滿足客戶需求的新的產品設計。

7 結論

本文為滿足不同的客戶的多樣化、個性化產品需求，最大限度提高清障救援車產品配置效率，縮短新產品設計周期，研究了清障救援車產品配置方法，得到如下結論：

1)通過深入分析產品清障救援車產品的設計思想和裝配方法，總結各類方法的優(yōu)劣勢和應用對象，提出了一種基于實例推理和規(guī)則推理的混合產品配置方法，并對其總體思路和配置流程進行了說明。

2)針對清障救援車設計特點，優(yōu)化了實例相似度檢索策略，提出了多類型清障救援車技術參數的綜合相似度計算方法。

3)對清障救援車的產品配置規(guī)則構建方法進行了研究，分析了模塊配置規(guī)則的表達方法，并根據清障救援車的車輛設計理論及經驗設計方法，分層次構建了清障救援車的產品配置規(guī)則體系。

4)以某新型清障救援車需求目標為例，構建數值計算模型，對所設計方法的可行性和合理性進行了驗證。

5)為更好的評價配置方案，并結合客戶滿意度對配置方案進行優(yōu)化，建立合理的優(yōu)化評價體系是一個重要的創(chuàng)新點，也是后續(xù)需要繼續(xù)進行研究的方向之一。

致謝：

這項工作得到了中央高?；究蒲袠I(yè)務費(FRF-GF-18-013B)和國家重點研發(fā)計劃(2016YFC802706)的支持。