林 放，盧幸偉，翁國洲

(江門職業(yè)技術學院，廣東 江門 529000)

0 引言

機械設計與制造過程中智能化設計可以極大地縮短機械產品研發(fā)周期，提高機械產品生產效率。傳統(tǒng)機械設計專家系統(tǒng)在實際應用中存在知識表達方式不統(tǒng)一、智能化程度低等問題，在實際應用與發(fā)展中存在一定的局限性[1-3]。因此，為了提高機械產品智能化設計與效率，衍生出基于知識的工程(Knowledge Based Engineering，KBE)，是現(xiàn)代機械設計的核心與關鍵。

KBE技術可以概括為，基于現(xiàn)代設計與制造技術、人工智能技術，以三維建模軟件、仿真系統(tǒng)和產品數字化管理技術為技術支撐，將知識表示、建模、挖掘、推理、集成和管理等工具集成應用到機械設計與開發(fā)的各個階段[4-5]，對于提高機械工程設計的高效和精確具有重要發(fā)展意義[6]。

1 KBE概念與工作原理

1.1 定義

目前，針對KBE技術，國際上沒有一種準確的定義。在英國Coventry大學KBE中心提出，KBE技術是一種存儲并處理與產品模型有關的知識，并基于產品模型的計算機系統(tǒng)，是目前促進機械設計工程化、實用化開發(fā)的軟件工具。美國Washington大學認為KBE是一種設計方法學，與CAD技術相互結合，在機械設計過程中可以存儲幾何和非幾何信息，描述機械產品設計并分析研發(fā)過程中的工程準則。上海交通大學提出，KBE技術主要是基于知識驅動和繁衍，對機械工程問題提出最佳解決方法，是領域專家知識的集成、創(chuàng)新與管理，屬于機械設計領域與AI技術的集成。后期，美國Ford汽車公司認為KBE技術是運用特殊積累和存儲知識完成工程任務的計算機軟件，并且可以分為以下幾種類型。

1)產生式。通過將機械產品說明、設計規(guī)則、定義幾何約束條件等綜合生產機械設計結果。

2)指導型?；谙嚓P機械設計與制造知識評估機械設計結果。

3)選擇型。將相關機械設計領域知識與用戶需求結合，幫助用戶在近似結果中做出選擇。

4)創(chuàng)成型?；谀Ｐ屯评矸椒嬙煲粋€較大的設計空間，并實現(xiàn)定位求解，完成機械產品的設計。

綜上所述，KBE技術可以概括為，基于現(xiàn)代設計與制造技術、人工智能技術，以三維建模軟件、仿真系統(tǒng)和產品數字化管理技術為技術支撐，將知識表示、建模、挖掘、推理、集成和管理等工具集成應用到機械設計與開發(fā)的各個階段，是一種面向機械工程研發(fā)全過程的設計方法。對于提高機械工程設計的高效和精確具有重要發(fā)展意義。

1.2 技術體系結構

KBE系統(tǒng)是一個典型的CAD/CAM/CAE/AI技術的集成體系。KBE技術在層次結構上可以分為三個層次，分別為核心層、集成技術層和應用層(圖1)。

圖1 KBE技術層次結構示意圖

1)核心層。以智能技術為技術核心，主要包括領域知識學的獲取技術、表示方法、推理技術和領域知識的維護。

2)集成技術層。主要包括CAD、CAM、CAE、PDM技術的集成。

3)應用層。反映KBE技術面向不同應用領域時的應用機制和管理體系。

2 KBE關鍵技術分析

在KBE技術結構中，關鍵技術主要包括知識系統(tǒng)、知識獲取、機械產品建模和分析技術等關鍵技術。知識系統(tǒng)主要用于機械工程設計知識的表示和知識推理，面向機械設計人員，體現(xiàn)出KBE系統(tǒng)的智能化水平；知識獲取技術主要是用于機械工程知識的獲取，主要包括自動獲取和人工獲取，體現(xiàn)出KBE系統(tǒng)獲取知識的能力，及時更新并修正相關領域專家的知識內容，不斷提高系統(tǒng)機械工程設計能力與分析能力，不斷達到設計目標。基于知識獲取技術的支持，可以逐漸提高KBE系統(tǒng)的設計效率；機械產品建模和分析技術主要包括計算機輔助圖形技術(CAD)和計算機輔助工程技術(CAE)，是KBE系統(tǒng)的基礎技術。

2.1 知識系統(tǒng)

傳統(tǒng)專家系統(tǒng)要求應用統(tǒng)一的知識表示語言，并且要求KBE系統(tǒng)基于該語言進行正向和反向推理，但是在實際應用過程中許多知識不能達到上述要求，因此，傳統(tǒng)專家系統(tǒng)在實際應用中存在一定的缺陷與限制。KBE系統(tǒng)的主要目標是實現(xiàn)知識的統(tǒng)一表示，擴大傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的應用范圍與生產效率，主要表現(xiàn)及其特點如下。

1)知識表示方法不同。KBE系統(tǒng)在傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的規(guī)則和框架等知識表示的基礎上，集成多種表示方法，可以實現(xiàn)更加高效、充分和全面的表達專家知識，綜合應用神經網絡技術和機遇模糊的知識表示；另一方面，KBE系統(tǒng)還增加了知識獲取技術，能夠表示相關領域深層知識，并且在處理大量知識的同時采用多層知識表達形式，類似于人類智能多層次、多分辨率的表達方式。

2)知識推理機制不同。KBE系統(tǒng)包括各種科學計算、演繹推理，并且可以加入各種基于不完全知識的推理，當KBE系統(tǒng)遇到超出其知識領域推理時，系統(tǒng)推理性能逐步下降，此時可以采用神經網絡技術等避免KBE系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰。

綜上所述，KBE技術在功能和基本工作原理上與傳統(tǒng)專家系統(tǒng)類似，但是在實際應用及本質中存在一定的差異性，KBE系統(tǒng)追求采用多種方法實現(xiàn)所需的知識，并且不強求用統(tǒng)一的知識表示語言進行表達。

2.2 知識獲取

在KBE系統(tǒng)中知識獲取主要是利用數據庫管理來存儲數據，用深度學習的方法分析、挖掘數據，從數據庫中挖掘的知識可以應用于信息管理、過程控制和決策支持。

在機械設計工程領域一般都會存儲大量的設計實例以供參考，這些機械設計實例都可以存儲在數據庫中。目前，KBE系統(tǒng)開展數據挖掘算法與知識實際使用方法主要包括以下4種方法。

1)分類模式。能夠將數據集中的數據項映射到某個給定的類上。

2)回歸模式。與分類模式相似，主要區(qū)別在于回歸的預測值屬于連續(xù)的，但是分類模式是零散的。

3)聚類模式。能夠將數據劃分到不同的類中。

4)關聯(lián)模式。是各個數據項之間的關聯(lián)規(guī)則。

2.3 產品建模和分析方法

產品建模主要是基于CAD關鍵技術，同時也是KBE系統(tǒng)的核心技術，主要是機械設計過程中各個環(huán)節(jié)的知識和信息流動。目前，機械產品信息模型主要包括幾何模型、特征模型和集成化機械產品模型等發(fā)展階段。集成化機械產品模型主要是將專家設計經驗和設計過程的相關知識表示在機械產品信息模型中，實現(xiàn)機械設計過程的自動化和智能化水平。

3 基于KBE的機械設計方法

在傳統(tǒng)機械產品設計過程中，設計過程主要以機械設計人員為中心，由于機械設計人員反復進行重復性的設計任務，在后期設計過程中不可避免地會出現(xiàn)一定的設計瓶頸?；贙BE系統(tǒng)的機械設計是以知識模型為中心，將各類機械產品數據庫、知識庫和設計案例等與設計模型相互關聯(lián)，輸入機械設計相關設計要求，系統(tǒng)即可基于知識實現(xiàn)設計與方案決策，極大地提高了機械設計過程的智能化水平。

在進行機械設計過程中，往往會涉及零部件的幾何結構、裝配關系、材料性能和參數計算等多方面知識。設計知識不僅包括專家的經驗、還包括專家對設計對象的結構特征、功能特征、行為特征等內在性質的認識程度，因此往往采用面向對象的知識表達方法，在計算機輔助設計過程中，根據不同的知識結構，分別采取不同的方法來獲取和表達設計知識。

4 結論

基于知識的工程(Knowledge Based Engineering，KBE)是現(xiàn)代機械設計的核心與關鍵。本研究以KBE系統(tǒng)為研究對象，基于其基本定義與開發(fā)特點，系統(tǒng)論述了KBE系統(tǒng)在機械產品生產與管理中的核心技術與應用。研究表明，基于KBE系統(tǒng)可以提高機械產品生產效率，有利于提高機械設計研發(fā)過程的智能化水平，對機械設計與智能化發(fā)展具有一定的推動意義。