基于知识的电气综合方案设计系统研究

刘雪梅，李爱平，李臣龙

（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

电气综合系统是导弹武器系统的重要组成部分，它如同人体的血液循环系统一样，对导弹至关重要［1］，其设计优劣直接影响导弹的战斗力和生命力.随着仿真试验等开发技术的迅速进步，电气综合系统研究取得了长足进步.但由于缺乏有效的知识管理和重用工具，已有的设计经验未能在新设计过程中得到有效的借鉴，导致设计周期长、效率低，因而研究如何管理和重用电气综合系统设计的知识和经验，对缩短研制周期、降低开发成本和提高产品性能具有重要意义.基于知识的工程（Knowledge－based Engineering，KBE）是一种利用软件工具捕获和重用产品知识，通过自动重复性设计活动和促进多学科集成，减少工程设计的时间和成本的技术［2－3］.KBE技术的实际使用效果已经在国内外工程应用中得到了检验［4－6］.

我国部分学者已经对将KBE技术引入导弹设计领域进行了一些有益的探索［7－8］，考虑到电气综合系统设计过程包含多学科和复杂设计参数交叉等特殊性，上述研究成果并不能直接运用到电气综合系统的设计上.本文在分析电气综合系统设计过程特点的基础上，研究了运用KBE技术实现电气综合系统方案快速设计的可行性，并运用C＃编程语言开发了原型系统IESDS对研究结果进行了验证.

1 电气综合系统设计过程

电气综合系统设计是根据特定用户需求研究专用系统的过程，涉及多个功能单元的分析与综合，如图1所示.具体过程可归纳为：设计需求获取、方案生成、方案评价和调整等设计步骤.电气综合系统设计是在任务书的战术技术指标的约束下，确定拓扑结构和关键单机，并从可靠性、重量和成本等角度对方案进行评价的过程.传统设计过程中的大多数设计参数都没有明确的设计流程，需要设计人员依赖自身经验或查阅资料，主观性强，且设计人员之间意见较难统一.某些关键设计参数的确定涉及多个功能单元，已选定的设计参数往往需要根据后续设计过程进行调整，整个设计过程多次反复，存在大量重复性劳动.这不仅增加了设计成本和周期，而且影响了设计方案的质量.

图1 电气综合系统设计过程图Fig.1 Design process of integrated electrical system

2 电气综合方案设计系统

2.1 电气综合方案设计系统需求分析

通过对电气综合系统传统的人工设计过程的详细分析，总结出的基于知识的电气综合系统应实现的具体功能主要包括：①设计构建知识库.通过知识获取、知识表示和知识库构建等KBE技术，将现有的知识和经验数字化，设计易于维护的电气系统知识库，实现对拓扑结构图、单机模型和设计规则等不同类型知识的管理；②实现高效知识推理.根据拓扑结构设计和关键单机选型等不同设计步骤的特点，研究对应知识推理机制，实现现有知识的有效重用；③方案科学评价.研究可靠性分配和重量成本估算原则，实现自动分配和估算，辅助设计人员进行决策.

2.2 电气综合方案设计系统框架结构

运用基于知识的电气综合系统进行方案设计是基于现有设计知识的管理和重用来实现的，为提高设计效率，需要设计合理的系统框架结构.在电气系统设计过程和系统需求的分析基础上设计的系统框架如图2所示.系统主要由人机交互界面、功能单元、知识推理模块和知识库等部分组成：

图2 电气综合方案设计系统的框架结构图Fig.2 Frame of integrated electrical scheme designing system

人机交互界面：便于使用的人机交互环境是设计人员高效设计的基础.人机界面可将电气系统复杂的设计步骤以外部知识的形式提供给设计者，引导设计人员按照标准流程完成设计任务，减轻记忆负担，而且有益于没有经验的设计人员快速学习.

功能单元：功能单元是对设计任务的科学划分，每个功能单元是对应可独立完成的设计步骤集合，模块间通过设计参数的传递紧密联系在一起，共同构成完整的方案设计过程.功能单元可优化设计任务分配，提高信息传递速率，促进设计人员间协同.

3 关键技术研究

3.1 知识库构建

知识库作为知识的载体，是知识管理和重用的基础，知识表示方法和知识库结构直接决定了知识管理和调用效率.电气综合系统设计涉及多个学科，包含过程类、规则类、实例类等多类知识，本文对其相应的表示方法进行了研究.设计过程知识包含全局设计参数和子过程，宜结合C＃编程语言采用面向对象法进行表示.以专家经验为代表的经验型知识则应在获取后总结成设计规则以产生式规则法进行表示.成熟方案等实例知识具有特定层次结构，用框架法表示，有利于设计参数、公式等采用其他方法表示的知识进行嵌套.难以直接推理但可启发设计者思维的知识则用可视化文本或图像的形式直接表示.混合运用多种知识表示方法，充分体现了各类知识的特点，既提高了知识调用效率，又便于知识库管理和维护.

电气系统方案设计目标多、约束复杂，且设计不同功能单元所用到的知识各不相同，知识总量庞大.为提高知识检索和推理效率，知识库应采用分层结构如图3所示.首先将知识点依据调用顺序归类，将同一过程用到的知识划分为一个集合，建立多个知识子库（图3中的一级节点）.其次考虑到同一子库内知识使用频率的差异，可进一步分为核心知识和辅助知识两类.其中核心知识包含方案实例、规则、算法、模型等；辅助知识则是起辅助作用的参考文件或技术规范.

3.2 推理机制研究

知识库构建过程实现了知识的数字化管理，而高效的知识重用离不开知识推理技术.知识推理是在知识表示的基础上，运用控制策略从知识库中自动获取可用知识的过程.电气综合系统知识推理采用基于规则推理（Reason－based Reasoning，RBR）和基于实例推理（Case－based Reasoning，CBR）两种方法进行的混合推理.RBR负责推理逻辑性强的显性知识，与推理包含设计经验的隐性知识的CBR方法互为补充.混合推理方法不仅能够避免RBR获取大量规则的困难，缩短推理机设计周期；而且可以消除CBR不能求解全新问题的弊端，提高推理机的柔性和适用性.

图3 知识库分层结构图Fig.3 Layered structure of knowledge base

图4 混合推理机原理图Fig.4 Schematic diagram of mixed interference engine

3.3 原型系统实现

电气综合方案设计系统是在Visual Studio编程平台、Access数据库和Visio绘图软件基础上开发而成的，其系统主要功能包括：①实现电气综合系统知识的分层分类管理，并能以图形形式对拓扑结构设计进行修改完善；②实现设计流程标准化，按性能和复杂程度将设计过程划分为若干功能单元；③实现不同设计过程间信息实时传递，支持部门内或跨部门协同设计.

4 结论

科学管理和重用电气综合系统知识是实现高效快速设计的基础.本文在分析电气综合系统传统设计过程的基础上，设计了电气综合系统方案快速设计软件框架，并对知识库构建和推理机设计等关键技术进行了研究.首先选用多种知识表示方法对设计知识进行了表示，构建了符合设计过程知识调用特点的多层知识库；其次根据推理需要设计了基于CBR和RBR的混合推理机；最后利用C＃平台结合Access数据库和Visio绘图软件，开发了原型系统对上述研究进行了验证.

［1］丁兰芳.飞航导弹电气综合系统设计［M］.北京：宇航出版社，1994.DING Lanfang.Cruise missile integrated electrical system design［M］.Beijing：China Astronautic Publishing House，1994.

［2］COOPER D，ROCCA G L.Knowledge－based techniques for developing engineering applications in the 21st century［C］∥Proceedings of the 7th AIAA Aviation Technology，Integration and Operations Conference，Reston：AIAA，2007：146－167.

［3］ROCCA G L，VAN TOOREN M.Knowledge－based engineering to support aircraft multidisciplinary design and optimization［J］.Journal of Aerospace Engineering，2010，224（9）：1041－1055.

［4］VAN DER LAAN A H，VAN TOOREN M.Parametric modeling of movables for structural analysis［J］.Journal of Aircraft，2005，42（6）：1606－1614.

［5］KULON J，MYNORS D，BROOMHEAD P.A knowledge－based engineering design tool for metal forging［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，177（1）：331－335.

［6］李婷，孙定华，李战国，等.基于KBE的汽车发动机快速设计技术与软件系统［J］.制造业自动化，2010，32（1）：6－9.LI Ting，SUN Dinghua，LI Zhanguo，et al.KBE－based rapid design technology and software system for automobile engine［J］.Manufacturing Automation，2010，32（1）：6－9.

［7］李爱平，刘光富.基于知识工程的导弹总体方案快速生成系统［J］.同济大学学报：自然科学版，2004，32（5）：664－667.LI Aiping，LIU Guangfu.Knowledge－based engineering rapid creation system of general missile project［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2004，32（5）：664－667.

［8］谷建光，张为华，王中伟，等.基于知识工程的固体火箭发动机装药设计技术研究［J］.固体火箭技术，2008，31（3）：208－214.GU Jianguang，ZHANG Weihua，WANG Zhongwei，et al.Research on design of solid rocket motor based on knowledge engineering grain［J］.Journal of Solid Rocket Technology，2008，31（3）：208－214.