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岸边集装箱起重机产品杂交配置知识库

2012-07-23于洋杨勇生许波桅任洪敏

上海海事大学学报 2012年4期
关键词:知识库起重机特征值

于洋,杨勇生,许波桅,任洪敏

(上海海事大学 a.物流工程学院;b.科技处;c.信息工程学院,上海 201306)

0 引言

产品杂交配置设计[1]即根据客户需求和产品功能结构及特征参数等描述,借用生物物种进化的遗传、变异和杂交原理,在可选的一系列不同的产品结构中寻找一个有效的特定的序产品结构,并创造性地重组排列满足特定要求的序结构关系,优化配置产品的优良特性,形成新一代产品或产品原型的零部件列表、产品结构及其拓扑关系,进而提出基于实例模板的产品杂交配置理论.集装箱起重机[2-4]是一种单件小批量生产模式下的演化型系列化、个性化产品.知识库由知识和知识处理机构组成,但知识库对知识的储存和处理功能只停留在人工检索以及人工添加或删除的层面上,限制着现代化制造对知识的需求量和需求速度.

国内外在这一领域主要的发展现状有:赵玉明等[5]提出滚动轴承知识库系统,但并未提及有关产品配置方面的内容;包志炎等[6]利用参数化设计思想,通过约束规则构建配置知识库,并应用于起重机主梁,给出部分实现例子;王春英等[7]基于 Smar-Team平台的知识岸引擎,用实例推理与规则推理相结合的方法,实现知识的智能检索和问题求解;ENSIGN等[8]描述知识库在知识交换方面的作用,以及在资源特征上所产生的影响;SUBBARAJ等[9]设计优化基因算法知识库在复杂工业过程中应用,但未提出解决知识自身演化的办法.

针对目前未解决的知识库自身演化问题,本文采用生物遗传方式,同时借助杂交配置算法,提出并建立一种演化型配置知识框架结构[10],并应用于集装箱起重机大车机构的设计规则中,从而更高效地产生出新一代大车机构的设计规则.

1 演化型配置知识框架结构

演化型配置知识框架结构由元知识的形式描述,其结构分为约束知识库和规则知识库,并引入诱导因素作为驱动因素,使得杂交配置知识库具有遗传和变异功能.规则知识库存储港口起重机设计相关设计规则,约束知识库包含国家法规等强制条款.图1为演化型配置知识框架结构.

图1 演化型配置知识框架结构

实例模板是指产品零部件某一组实例的共同特征属性的抽象与分类,具体表现为具有共同特征属性的多个实例集合.应用实例模板作为产品杂交配置设计的进化平台和工具,可使杂交配置设计的进化模型简化,产品实例检索空间缩小,杂交配置设计技术方法容易实现.

1.1 实例模板与规则基因化

产品杂交配置知识库的核心是由实例模板产生新的规则知识,并能够作为知识遗传的父本产生新一代的实例模板,从而使得知识库自身得到继承和遗传.首先,通过定义实例模板实现实例模板的基因化.在大车机构的实例模板中,已有的零部件实例模板Xi是由特征值xij表示的,而通过杂交配置算法形成的新实例模板由X′i描述,其新模板特征值由x′ij描述,其表达形式如下:

产品杂交配置知识库中的主要知识是岸边集装箱起重机大车机构设计规则知识,为了能够将零部件的实例模板与其设计规则联系起来,采用如下的设计方式.将实例模板中的每一个特征值xij对应的设计规则进行基因化处理,将规则表示为GIij,每一个特征值所对应的规则由列向量表示.其中:GIij中的I对应于实例模板中Xi的i,表明GI属于Xi部件;GIij中的 i表示规则数目,1≤i≤n;GIij中的 j对应xij中的 j,1≤j≤m,表示其与特征值对应.如 x11特征值对应的规则可表示为

x12特征值对应的规则可表示为

x1m特征值对应的规则可表示为

那么G1ij为X1部件所对应的规则集合可表示为

对应的矩阵为

x21特征值对应的规则可表示为

x22特征值对应的规则可表示为

x2m特征值对应的规则可表示为

那么G2ij为X2部件所对应的规则集合可表示为

对应的矩阵为

以此类推,最终形成的实例模板对应规则矩阵

1.2 比较矩阵与新规则

为了能够识别新旧实例模板的不同,设计比较矩阵Yi,分为实例模板比较和模板特征值比较两个阶段.

实例模板比较原理为比较新旧实例模板的数量,即n与n′的大小比较.

若n较小,则可分为两种情况:新实例模板中去除旧实例的数目小于新实例模板添加实例的数目(此情况为①);新旧实例模板实例相同且新实例模板中添加新实例(此情况为②).

若n较大,也可分为两种情况:新实例模板中去除旧实例的数目大于新实例模板添加实例的数目(此情况为③);新实例模板去除部分旧实例模板中的实例,并未作添加(此情况为④).

当n=n′时,又可分为两种情况:新实例模板新添加的实例数目与去除旧实例模板的实例数目相同(此情况为⑤);新实例模板与旧实例模板的实例完全相同(此情况为⑥).

情况①~⑤需要对旧实例模板Xi进行相应规则的添加或删减,分别称为实例规则添加和实例规则删减.设G+为新实例模板添加实例规则,G-为新实例模板中去除的旧实例对应规则,其中“+”和“-”分别表示实例规则添加和删减.比较矩阵

式中:α和β表示任意两个自然数.

模板特征值比较原理是比较旧实例模板Xi与新实例模板X′i之间各特征值.

如果相同,则比较矩阵Yi依然沿用旧实例模板中的特征值(此情况为⑦);如果旧实例模板Xi小于新实例模板X′i,则表明新实例模板需要更多的规则加以确定,那么添加规则G+,满足新实例模板的需要(此情况为⑧).反之,旧实例模板Xi比新实例模板X′i大,就说明新实例模板的此参数无须过多要求,则可删减规则G-(此情况为⑨).G+和G-可为设计人员按实际要求添加或删减,也可为知识库中原有规则.

按照如上表示,当 xij=时,视为知识遗传,其他情况视为知识变异.例如,旧实例模板的特征值x12小于新实例模板中的,则在比较矩阵Yi的第1行第2列位置添加规则G+,表示为x12+G+;旧实例模板的特征值x21比新实例模板中的大,则在比较矩阵Yi的第2行第1列位置删减G-,表示为x21-G-,最终形成比较矩阵Yi如下:

知识自行演化推理流程见图2.

图2 演化推理流程

2 设计算例

以大车部件(车轮零件、夹轨钳)、起重机类型及轨道铺设情况为研究目标,从中选取几个具有代表性的参数进行基因化处理,并根据相关设计准则与参数进行对应,形成旧实例模板和旧实例规则.新实例模板数值随机选取,以达到与旧实例模板能够通过比较矩阵进行处理、最终形成新实例规则的效果.

选取车轮最大压力、车轮转速、车轮直径作为车轮零件的3个参数.首先在旧实例模板中定义车轮最大压力(kN)、车轮转速(r/min)、车轮直径(mm)等3个项目,定义初始数值分别为25 kN,50 r/min,200 mm.与之相对应的规则分别是:起重量为10 t时,推荐的车轮最大压力为25 kN;车轮与轨道之间为线接触时,转速因数C1取值为0.94,对应的车轮转速为50 r/min;车轮在平定钢轨滚动摩擦阻力因数为0.30时,要求车轮直径为200 mm.车轮旧实例模板见表1.车轮旧实例规则见表2.

表1 车轮旧实例模板

表2 车轮旧实例规则

选取夹轨钳数目、每根夹钳杆的质量作为夹轨钳零件的两个参数.首先在旧实例模板中定义夹轨钳的数目(个)和一根夹钳杆的质量(kg)两个项目,定义初始数值分别为4个和300 kg.与之相对应的规则分别是:夹轨钳的数目与钳口对钢轨的压紧力成反比;一根夹钳杆的质量与压紧力的楔重弹簧力成正比.夹轨钳旧实例模板见表3.夹轨钳旧实例规则见表4.

敦礼挣扎着坐起来,一阵眩晕差点把他击倒。他赶紧闭着眼向后靠在卧床的靠背上,一动不动,像睡着了一样。靠背上紫红色的金丝绒衬得他的脸卡白卡白的,胡茬子也更加分明,使得下巴看起来不是平常那种青灰色,而是深得近乎黑色了。他的上半身穿了一件浅灰色的棉质睡衣,腰部以下搭着被子,被子的一角翻转过来,露出比背面颜色略深的里子。被子不是很厚,比靠背略浅一些的紫色,上面点缀着几团花纹,花纹以浅绿色为主,夹杂着少许黄色,刺绣精美得让人止不住地浮想联翩。

表3 夹轨钳旧实例模板

表4 夹轨钳旧实例规则

选取轨道铺设质量系数作为起重机类型及轨道铺设情况的一个参数.首先在旧实例模板中定义轨道铺设质量因数,初始数值为0.003.与之相对应的规则是:轨道铺设质量因数为0.003的起重机类型及轨道铺设情况为龙门、门座、桥式抓斗卸船机轨道.起重机类型及轨道铺设情况旧实例模板见表5.起重机类型及轨道铺设情况旧实例规则见表6.

表5 起重机类型及轨道铺设情况旧实例模板

表6 起重机类型及轨道铺设情况旧实例规则

2.1 旧实例模板与旧实例规则

按照以上所选取的实例,形成算例中的旧实例模板与旧实例规则.

旧实例模板

式中:Xi代表大车部件;X1代表车轮;X2代表夹轨钳;X3代表起重机类型及轨道铺设情况.

旧实例规则

式中:GIij代表算例中大车部件规则;G1ij代表车轮对应规则;G2ij代表夹轨钳对应规则,G3ij代表起重机类型及轨道铺设情况对应规则;G111表示“起重量为10 t时,推荐的车轮最大压力值为25 kN”;G112表示“车轮与轨道之间为线接触时,转速因数C1取值为0.94,对应的车轮转速为 50 r/min”;G113表示“车轮在平定钢轨滚动摩擦阻力因数为0.30时,要求车轮直径为200 mm”;G211表示“夹轨钳的数目与钳口对钢轨的压紧力成反比”;G212表示“每根夹钳杆的质量与压紧力的楔重弹簧力成正比”;G311表示“轨道铺设质量因数为0.003的起重机类型及轨道铺设情况为龙门、门座、桥式抓斗卸船机轨道”.

2.2 新实例模板与新实例规则

假设新实例模板将旧实例模板中夹轨钳实例删除,将起重机类型及轨道铺设情况参数改成0.001,同时增加大车运行速度(m/min)实例,实例初始值为60 m/min,其他实例不变.即

式中:X′i代表大车部件;X′1代表车轮;X′3代表起重机类型及轨道铺设情况;X′4代表大车运行速度实例.经过比较矩阵比较之后形成

对应的新实例规则

式中:G′Iij表示新实例大车部件规则;G′1ij表示新实例车轮规则;G′3ij表示新实例起重机类型及轨道铺设情况规则;G′4ij表示新实例大车运行速度规则.

因为车轮零件的参数没有发生变化,所以G′111,G′112,G′113与 G111,G112,G113所代表的规则相同,即规则遗传.旧实例规则中G211和G212,由于新实例模板中删除夹轨钳实例,没有出现在新实例规则中,即规则删减.因为新实例模板中的起重机类型及轨道铺设情况参数改成0.001,所以新实例规则中 G′311表示“铺设在钢筋混凝土基础和金属梁上的轨道”,即规则发生修改.因为新实例模板中增加大车运行速度实例,所以新实例规则中添加旧实例规则中没有的G′411,G′411表示“当运行速度为 60 m/min 时,冲击因数可取1.015”,即规则添加.新实例规则形成,算例结束.

2.3 程序实现算例

程序编写使用MyEclipse10以及MySQL,通过编程将上述数据录入数据库中.首先,将算例的新旧实例模板与旧实例规则输入程序中;然后,编写好程序,实现比较矩阵,形成新实例规则.

因为只有车轮零件参数未改动,所以规则遗传只产生车轮零件的规则,而新实例中其他规则需手动添加.添加之后形成最终的新实例规则.

3 结束语

杂交配置知识库的提出可以解决传统工艺的重复劳动问题,也会大大提高设计效率和设计质量.同时,这一概念对完善和发展岸边集装箱起重机械的设计制造有着极其重要的理论意义和实际应用价值,对提高我国海上机械工程装备的技术水平、增强高技术产业的国际竞争力同样具有十分重要的意义.

[1]马骁,杨勇生.岸边集装箱起重机大车机构杂交配置设计方法研究[D].上海:上海海事大学,2008.

[2]王红湘,赵宁.集装箱码头岸桥选型方案能效评价仿真[J].上海海事大学学报,2011,32(3):7-10.

[3]朱从兵,张卫国,刘海洋.岸边集装箱起重机箱型构件疲劳裂纹扩展分析[J].上海海事大学学报,2008,29(3):71-75.

[4]张纪元,钟怀茂.岸边集装箱起重机起升动载系数的动力学模型及其解[J].上海海事大学学报,2006,27(2):12-16.

[5]赵玉明,贾现召,李济顺,等.滚动轴承知识库系统研究[J].机床与液压,2010,38(6),89-92.

[6]包志炎,肖刚,高飞.基于规则的起重机主梁配置设计方法[J].起重运输机械,2010,40(11):4-6.

[7]王春英,郑雁翎,冯元.产品配置设计中知识库的研究[J].宝鸡文理学院学报:自然科学版,2009,29(3):73-76.

[8]ENSIGN P C,HéBERT L.Impact of knowledge base on knowledge exchange:commonalities and differences in the characteristics of source and recipient[C]//Proc 43rd Hawaii Int Conf on Syst Sci(HICSS),2010:438-439.

[9]SUBBARAJ P,GODWIN ANAND P S.GA optimized knowledge base of FLC for complex industrial process[J].Int J Digital Content Technol&its Applications,2010,4(1):123-136.

[10]任洪敏,杨勇生.基于实例模板的产品杂交配置设计[J].计算机工程与应用,2012,48(7):30-33.

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