支持铁路货车快速设计的知识模型研究

姚 佳 郭 宇

南京航空航天大学,南京,210016

支持铁路货车快速设计的知识模型研究

姚 佳 郭 宇

南京航空航天大学,南京,210016

为了适应快速设计的需求,在对设计知识进行分析的基础上构建了用于组织设计知识的设计流程;从设计约束、设计流程出发,以设计知识间的关联为基础,分别利用关键词匹配和模型设计参数值匹配的方式,向设计人员提供全面的设计工具与参考知识集和模型集,并实现个性化的提供方式;在此知识模型基础上建立面向重用的设计过程模型,以适应快速设计的需要。某铁路货车企业快速设计系统中的验证结果表明,该知识模型能有效地为产品快速设计提供设计知识。

快速设计;设计流程;知识模型;模型检索

0 引言

当今市场的需求变化越来越快,产品的设计与制造需要寻求效率和质量的结合。为适应这种特点,快速设计理念越来越受到重视,基于快速设计的产品开发设计平台也有了越来越多的应用。尤其在成熟产品领域,变型设计已经成为主要的设计方式,基于实例推理(CBR)技术、面向产品族的设计技术已有大量的研究与应用[1-8]。胡建[1]以本体论为基础对设计知识进行建模,在此基础上构建了基于知识引导的多视图设计知识检索模型和基于多维度的设计知识重用模型。车君华[2]采用支持向量机(SVM)的方法对文档进行分类,基于公理设计理论进行设计知识表达,在ROUGH SETS理论基础上构建知识获取方法。上述研究侧重于知识的检索与发现,对知识的组织依靠分类方式,没有考虑设计知识的利用是跟随设计过程的这一因素。Baxtor等[3]使用流程建模的方式组织包括流程信息、任务信息、产品模型的设计知识,但是没有构建不同类型的知识之间的相关性,知识的使用具有一定局限性。针对这两个问题,我们把快速设计条件下知识模型的构建过程分为约束获取、知识组织、知识关联。

1 机械产品设计知识模型

1.1 产品设计知识分类

机械产品设计过程是一个涉及多学科、多来源、不同性质知识的活动。从知识的表现形式上可以分为显性知识与隐性知识。知识的组织使用到如下三类知识(图1):

图1 机械产品设计知识分类

(1)设计流程。人们从产品设计准则或经实践检验正确的知识中提炼出用于描述产品具体设计步骤、指导产品设计、保证设计过程正确、保证设计工具与设计参考知识规范使用的一类知识。设计流程可以被认为是组织设计工具与设计参考知识的骨架模型。

(2)设计过程工具与参考知识。产品在具体设计阶段对知识有大量需求,这些知识用于确定设计变量取值、为设计提供理论和实验依据等。该部分知识可以细分为设计工具类(计算和校核工具)、设计理论类(设计规范、设计标准)和实验数据类(仿真与实验数据)。

(3)设计成果知识。设计成果知识指设计完成后得到的知识,包括产品模型与相应的设计过程表述(设计流程实例)。

1.2 设计流程的组织与表达

设计活动往往比较复杂,需要被分解为若干子任务进行分发,将这些任务、子任务的实现过程进行详细表达就产生了设计流程树。设计流程树(图2)的组织具有层次化、有序化与模块化的特点,且存在设计流程的嵌套,这种嵌套的子设计流程体现为产品模块划分或子设计任务。依据设计流程的特点,将产品设计相关知识与设计流程、子流程或设计步骤建立关联的,实现知识的准确提供与有序利用。

一项设计活动D可以由两个矩阵表达:

图2 设计流程的组织与表示

1.3 设计知识获取与关联

设计知识的搜索依据包括设计约束和当前设计流程、设计步骤。设计知识包括设计过程工具与参考知识、设计成果知识,前者通常与设计步骤关联,后者与设计流程关联。

1.3.1 约束获取

设计约束来源于任务的下发过程,设计约束按设计流程结构分解,因此需要提供能与设计流程方便匹配的设计约束表达形式。

1.3.2 设计过程工具与参考知识的获取与关联

设计过程需要的知识是多样化的,单一地使用关键词进行相似度匹配难以完整地获得所需的知识,并且知识间本该具有的相关性联系不能得到体现。因此使用关键词匹配与关联模型相结合的方法来获取参考知识。

关键词匹配的基础是由关键词构成的领域知识本体网络Y(图3),它在数据结构上使用链表进行存储。需要说明的是,知识领域被划分成若干子领域,如材料、结构和任务,属于不同子领域的知识之间的关联度约定为0。每一个知识单元都由网络Y中的若干关键词进行描述。

图3 典型领域本体描述

从设计流程(步骤)和设计约束中抽取的关键词集合为

其中,X M、X S、X T分别为材料、结构、任务领域范围内的关键词集合。

寻找最佳匹配关键词的过程如下:

(1)搜索领域本体网络Y的链表,获取Xi的位置。

(2)包含处理。如果X中某些关键词之间具有包含与被包含关系,则被包含的关键词被认为更具有代表性。筛选被包含关键词的过程为:从Xi向上搜索父节点Father,如果Father∈X,则停止搜索,并对节点Father处的关键词做包含标记;否则持续查找父节点直到根节点为止。按上述过程对X中所有关键词进行包含处理。

(3)消减父关键词。从X中去除有包含标记的关键词,得到描述步骤和约束的最佳关键词集合X′。

通过X′反推得到具有X′中一个或若干个关键词的知识集合K′。在初步获取知识集合K′的基础上考虑知识间的以下关系实现知识集的扩展,得到更加全面的知识集K:

(1)分类匹配项。从设计约束、设计流程上获取设计类型与设计对象,在知识规范化分类基础上获得设计类型匹配的设计知识。

(2)关键词匹配项。知识单元K′1的关键词不全包含于X,以其他关键词为媒介,得到共享相同关键词的知识集合。

(3)引用匹配项。引用匹配项描述了设计知识之间的引用关系,例如K′中某一知识元引用了一处计算工具知识,该知识元与被引用的计算工具就形成了引用关系。构建引用关系可以实现引用知识的快速定位与使用。

(4)依赖匹配项。在知识集合K中的某些知识单元不具有独立性的情况下,需要为这些知识提供依赖知识。

(5)人工干预项。为达到安全与可靠的目的,使用黑白名单以保证必要的知识被提供给设计人员,因某些原因(如保密等)不能提供给设计人员的设计知识不赋予访问权限。

为实现这种知识的扩展,要求在知识入库或后期完善时完成分类、关键词描述、引用和依赖关系描述等工作。上述各知识子集之间有一定的重复性,归总K时剔除重复知识即可。

1.3.3 设计成果知识获取

相似模型的检索策略如下:

(1)初步过滤。检索模型库中所有模型的设计流程描述矩阵,匹配当前设计描述矩阵Mdesi。

(2)构建模型功能矩阵。Mdesi中由设计步骤aij(即ai j≠±1)确定的设计参数pij的值域是有限的,即 pij∈{V1,V2,…,Vm},记模型功能矩阵为即ci j的取值为0或pij取值在值域{V1,V2,…Vm}中的序列编号。

(3)匹配模型功能矩阵。新设计的模型功能矩阵记为

在此基础上设定适当的相似度阈值,筛选出模型,将其与设计流程关联。

1.4 知识的个性化提供

经过上述处理获取了设计知识集合K,考虑到设计人员的不同角色、不同设计习惯和知识使用习惯,需要纳入用户模型对K进行二次处理,旨在向设计人员提供个性化的设计知识组织方式。设计知识的个性化提供依赖于下列几个方面:①设计人员角色。设计人员所负责的领域不同,重点关注的知识范围就不同。②多样的知识分类与排序策略。从知识的分类上,按照设计工具、设计理论、设计成果和实验数据提供知识;从知识的使用上,按照个人使用频率、个人评价标记方式进行知识归类。

2 基于知识模型的设计过程

基于该知识模型的产品设计包含全新设计与重用修改设计两种类型,针对不同的情况,采用不同的方式组织设计流程。

2.1 设计流程组织

Minti的每一行代表的设计流程都有相应的模型实例知识集合与之对应,该模型实例知识集合经模型相似度计算得到,并且被用于新设计流程。新设计流程的构造分为下面几步(图4):

图4 基于重用的设计流程构建

(1)确定相似度的阈值,进一步筛选可重用的模型,即相似度大于该阈值则表示该模型具有重用的价值,否则不进行重用。

(2)如果与子设计流程相关的模型的相似度满足重用要求,则不再对该子设计流程进行分解,调出相似度匹配的设计模型,并在此基础上修改;否则,继续细分该子设计流程。

(3)重复步骤(2),确定所有可以重用的模型,其他不满足重用要求的模型均使用原有设计流程,进入全新设计过程。

2.2 模型生成与知识库更新

遵循设计流程设计完成的产品模型经过校验评估、修改后收录于模型库中。另外由于增加了新设计,故需要更新知识库关联模型。首先增加该模型的设计流程实例,然后更新模型相似度,更新过程按1.3.3节设计成果知识获取过程进行。

综合设计流程、设计过程工具与参考知识、产品模型等知识及它们之间的联系,构建的机械产品快速设计知识模型如图5所示。

3 应用实例

图5 机械产品快速设计知识模型

某铁路货车企业快速设计系统中有大量的铁路货车的设计知识需要提供给设计人员。现以货车转向架的轮对设计为例,建立快速设计知识模型,轮对结构如图6所示。

图6 轮对结构图

3.1 约束获取

表1列出了轮对的相关设计约束。

表1 轮对设计约束

附加设计约束的轮对设计流程如图7所示。该设计活动的矩阵为

图7 轮对设计流程

以车轴设计子流程为例,需要确定K 2j(j=1,2,3,4)和与车轴设计匹配的设计模型。领域本体网络如图3所示。

3.2 K的确定

以K21为例,从约束和步骤描述中提取关键词X={{X M},{X S},{X T}}={{材料,优质碳素钢},{车轴},{Ø}}。从领域本体结构中搜索得到关键词“优质碳素钢”继承于关键词“材料”,搜寻得到的最佳匹配关键词集合X′={优质碳素钢,车轴}。继而得到以这些词为关键词的知识集合K′。应用知识的关联性关系按1.3.2节的步骤对设计知识进行扩展。

3.3 相似模型的获取

表2 设计约束值域

则该设计的模型功能矩阵为

模型库中模型功能矩阵C′和权重归一化后矩阵λ分别表示为

3.4 重用设计过程

对轮对设计的流程进行分解,得到主轴设计流程、车轮设计流程和轴箱设计流程。

(1)主轴设计流程 。C ⊕C′=[1 1 1 0],权重 归 一 化 后 的 矩 阵 λ =[0.09 0.52 0.22 0.17],模型相似度 SIM=0.09+0.52+0.22=0.83。

(2)车轮设计流程。C⊕C′=[0 1 0 1],权重归一化后的矩阵λ=[0.23 0.36 0.14 0.27],模型相似度SIM=0.63。

(3)轴箱设计流程 。C ⊕C′=[1 1 0 0],权重归一化后的矩阵λ=[0.56 0.44 0 0],模型相似度SIM=1。

假设确定重用的相似度阈值为0.8,则新设计流程与重用矩阵表达如图8所示。

图8 新设计流程与矩阵表达

4 结语

本文分析机械产品快速设计系统的知识管理需求,构建了以设计流程为主要组织形式的设计知识模型,其表现形式为设计活动描述矩阵和知识关联矩阵。在筛选涉及约束的关键词的基础上,通过关联模式匹配设计知识,在计算模型相似度的基础上搜索可重用模型。以此知识模型为基础构造面向重用新设计流程,加快产品的设计、修改过程。

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A Study of Know ledge Model Supporting Rolling Stock Rapid Design

Yao Jia Guo Yu
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

In order to meet the demands of rapid design,design p rocesses using for organizing design know ledge were constructed on the basis of design know ledge analyzing.Starting from design constraints and design processes,using key words and design parameter m atching,based on the relations among know ledges,engineers were obtained comprehensive,personalized design know ledge and appropriate CAD models.New design process for know ledge reusing was established based upon the know ledge model to gear rapid design requirements.In the end,an exam ple was given to testify the effectiveness of the know ledge model.

rapid design;design process;know ledgemodel;model retrieval

TP391

1004—132X(2011)06—0691—06

2010—05—27

(编辑 苏卫国)

姚 佳,男,1986年生。南京航空航天大学机电学院硕士研究生。研究方向为数字化设计。郭 宇,男,1971年生。南京航空航天大学机电学院副教授。