基于实例推理的挖掘机工作装置实例库研究与开发

白颖，康明霞，丁月

(1.常州机电职业技术学院，江苏常州 213164;2.河海大学机电工程学院，江苏常州 213002)

基于实例推理的挖掘机工作装置实例库研究与开发

白颖1，康明霞2，丁月2

(1.常州机电职业技术学院，江苏常州 213164;2.河海大学机电工程学院，江苏常州 213002)

基于数据库技术，建立了挖掘机工作装置的EER数据模型，根据EER数据模型，并运用面向对象的实例表达方法，设计了整个工作装置部分的实例库，同时采用CBR技术对产品实例库的检索和修正提出了相应的策略，通过实例对象间的相似度计算，检索出相似实例，通过对检索出来的相似零件进行相似度修正，以特征值确定实例相似度范围，从而确定实例修正方法。最后利用VC语言开发了挖掘机工作装置实例库系统，并应用于生产实际。

挖掘机工作装置;数据库;实例库;CBR

0 前言

液压挖掘机作为一种重要的工程机械，在我国国民经济建设中发挥着重要作用，它被广泛地应用在建筑施工、矿山采掘、水利工程等行业中，它和其他机械设备不同，通常工作在地质情况复杂、大气条件差、载荷情况多变的条件下［1］。挖掘机工作装置作为挖掘机完成挖掘任务的直接部件，在挖掘机中发挥着不可替代的作用，国内外学者为提高其设计效率及其对于整机工作性能的影响，作了大量的研究工作。

基于实例推理 (Case Based Reasoning，CBR)技

术的核心思想就是利用以往的经验解决新的问题［2］，作为人工智能领域中的一种新的智能设计方法，已广泛应用于产品的快速设计过程中。利用数据库技术建立挖掘机工作装置实例库，是实现其模块化设计和参数化设计有效途径，一个产品可以由几个乃至成百上千个部件组成，每个部件又可能由若干个零件组成［3］，通过数据库技术将产品—部件—零件间关系以关系数据模型的形式表现出来，有助于更好地理解设计实例对象的组织结构及各部分的功能，并据此对进行实例数据表达，从而为挖掘机工作装置实例库的设计提供良好的基础。

1 关系数据模型的建立

常用的产品数据模型有4种［4］:关系型模型、嵌套关系型模型、语义数据模型和面向对象型数据模型。实体－关系 (Entity-Relationship，E-R)模型是一种更比较接近面向对象思想的数学模型。而在实际的产品设计过程中，同样的零件或部件往往被部件或产品借用多次，故可从产品、部件和零件实体中抽象出项目实体作为它们的超类，通过建立项目实体的部件参与的自反关系来表达产品、部件和零部件之间的从属关系，在设计挖掘机工作装置时，由于各产品、部件、零件间结构及关系的复杂性，因此在设计过程中既要考虑一般零部件的通用性，又要考虑满足特殊零部件个性化设计的要求，因此建立了如图1所示的挖掘机工作装置的EER模型。

图1 挖掘机工作装置的EER模型

2 面向对象的实例表达

面向对象技术实际上是一种分析问题、解决问题的方法。采用面向对象技术，产品实例推理的过程可视为产品分析问题和求解问题的过程。针对挖掘机工作装置结构的复杂性，传统的对象模型显然无法满足要求，但可依据以上设计的EER数据模型来表达设计实例:

GDCase=＜CaseID，A，M，C，R，Solution＞

其中:CaseID:设计实例对象的标识符;A:设计实例对象的属性集;M:设计实例对象的方法集;C:设计实例对象的属性约束条件;R:设计实例对象之间的关系;Soultion:解决问题的方法。

3 数据库的设计

根据挖掘机工作装置EER模型的特点，挖掘机工作装置呈3个层级结构:产品—父模块—子模块，其中子模块作为产品结构的最底层，承担着主要设计责任。文中在设计工作装置数据库设计时主要采用Access2003建立文件名为slk.mdb数据库，通过设计器创建表k，通过SQL语言建立语义查询关系search_all和 search_comp。再利用 VC++6.0建立挖掘机工作装置实例库，设计过程中通过DB Grip和Data相互配合连接slk.mdb数据库，连接时应将其转换成低版本的数据库，通过Access工具将其转换成97文件格式，转换后的文件格式变为*.ldb。如图2所示，文中ODBC层主要应用了Access驱动程序是来实现ODBC提供的API函数与数据源进行交互链接，并通过驱动程序管理器对其进行管理控制。应用层中，应用程序主要用来调用ODBC提供的API函数，当应用程序访问数据库时，首先必须在Windows系统上运用ODBC数据源管理器注册一个数据源，ODBC管理器根据数据源提供的数据库信息，建立起ODBC与数据库之间的联系，当用户需要访问数据库时，只需输入数据源名就可以找到具体的数据库。

图2 ODBS数据访问流程

4 基于CBR技术工作装置实例库管理

基于实例推理 (Case Based Reasoning，CBR)技术的核心思想就是利用以往的经验解决新的问题［2］。本文在完成了工作装置实例库的设计之后，采用基于CBR技术实现工作装置实例库的管理，如产品实例的检索、查询、修正、储存等过程［5］，具体的CBR推理流程如图3所示。文中在应用CBR技术对挖掘机工作装置实例库进行管理时，主要对实例检索和实例修正两方面进行了重点研究。

图3 CBR技术流程

4.1 实例检索

实例检索是CBR研究中的一个重点，比较常用的检索方法有最近相邻策略，归纳推理引导策略，基于知识的引导策略等［6］。

(1)最近相邻策略。该虽然简单易行，但存在检索速度慢，且缺乏多视角的检索功能。

(2)归纳推理策略。在算法的过程中最常用的是ID3算法［7］，即递归地逐层决定根节点和叶节点，直至把所有的实例归结为一决策树，其中每一步都选取信息增益最大的属性。其启发函数如下:

但在实践中逐渐发现ID3算法的一些问题，根本原因在于采取的“信息”不是最优的启发函数，从而导致ID3易偏向于取值较多的属性等缺点。

(3)基于知识的引导策略

文中采用基于实例推理CBR技术，在检索过程中将以上3种策略相结合的方法，通过已知的挖掘机工作装置知识信息，建立相应的工作装置实例库，根据几何特征及数据信息对相似实例对象进行递归相识检索，直到检索出最佳相似实例为止。

具体的实例检索流程如图4所示。

图4 实例检索过程图

4.2 实例修正

实例修正作为CBR过程中的关键技术，是实例检索和实例储存的重要桥梁。针对不同的实例修正对象和实例特征，产品实例修正方法也各有不同，其中最为普遍常用的方法为构造修改法和重构修改法两种。

文中在对挖掘机工作装置的实例修正过程中，通过对特征权重的修改和调整来确定各实例对象特征值k的范围，通过特征值k范围确定实例相似度S的范围，若实例对象的相似度在此之内，则为可用实例，若不在，则改为其他修正方式，具体流程如图5所示。

图5 实例修正过程

4.3 工作装置实例库系统实现

基于挖掘机工作装置模块划分结果和工作装置的EER模型建立挖掘机工作装置实例库系统如图6所示。

图6 挖掘机工作装置实例库

产品实例配置树显示了挖掘机工作装置所有模块的组成，产品实例库主要是从宏观上呈现产品设计参数及设计特点;而零部件实例库，主要是从微观上描述产品，此数据库最大的特点是将产品实例库与零部件实例库集为一体，既能从宏观上了解产品构成，又能从微观上知道具体零部件的设计信息;既能将不同型号挖掘机的子模块与设计实例对象进行一一匹配，又能将同一模块各子模块进行标准化设计，简化了系统整体的管理规模。设计时，通过选择不同的子模块设计数据，分别通过实例检索、相似度匹配和实例修正等过程 (如图7、8所示)，得到各自的设计实例对象，再通过实例组合的形式将其组装成一个完整的零部件产品，各个零部件产品通过再次组合的形式构成满足用户需求的挖掘机工作装置。

图7 实例检索

图8 实例修正

5 结论

利用数据库技术首先对挖掘机工作装置建立了EER数据模型，并根据EER数据模型，运用了面向对象的实例表达方法，将产品各模块以编程符号的形式表达出来，并据此设计了整个工作装置部分的实例库，同时，采用CBR技术对产品实例库的检索和修正提出了相应的策略，检索过程中综合运用最近相邻策略、归纳推理策略和基于知识的引导策略，通过实例对象间的相似度计算检索出相似实例，在实例修正过程中提出通过对检索出来的相似零件进行相似度修正，以特征值确定实例相似度范围来确定实例修正方法。最后利用VC语言开发了挖掘机工作装置实例库系统，并应用于生产实际。

［1］王亚兵.反铲液压挖掘机工作装置结构与性能一体化设计研究［D］.重庆:重庆大学机械工程学院，2014.

［2］程德蓉，何玉林，陈阵军，等.基于本体和CBR的数控机床故障诊断教学系统框架研究［J］.机床与液压，2011，39(23):168－171.

［3］唐明媚，唐孝蓉.基于PLC与组态王的生产进程数据库系统设计［J］.机床与液压，2014，42(2):115 －116.

［4］包旭.压路机智能故障诊断系统中的数据库设计［J］.工程机械，2007，38(8):8 －11.

［5］李慧，马正先，谢里阳.机械产品实例库研究及应用［J］.机电工程技术，2005，34(9):18 －22.

［6］罗戎蕾.基于复小波变换的纺织品图案检索方法研究［J］.浙江理工大学学报.2015，33(1):47 －50.

［7］冯海虎.飞机起落架抗疲劳制造工艺决策支持系统研究［D］.南京:南京航空航天大学，2010.

Development and Research of Instance Library of Excavator Working Device Based on CBR

BAIYing1，KANG Mingxia2，DING Yue2
(1.Changzhou Institute of Mechatronic Technology，Changzhou Jiangsu 213164，China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hehai University，Changzhou Jiangsu 213002，China)

The excavator working device EER datamodelwas builtbased on the database technology.Thewhole part ofworking device instance library was designed by using of the object-oriented expression method based on EER datamodel，at the same time using Case Based Reasoning(CBR)technology to search the product case data and put forward the corresponding strategy of correction.Through the similarity calculation between instance objects searching similar instance，and correct the similarity for the similar parts，with characteristic values determining the scope of the case similarity，the instance correctionmethod was determined.Finally，VC language is used to develop the excavator working device instance library system，which is applied to practical production.

Excavator working device;Database;Instance library;CBR

TH21

A

1001－3881－ (2015)21－127－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.030

2015－06－02

国家自然科学基金资助项目 (51175146);江苏省优秀青年教师青蓝工程项目 (JSQI2014)

白颖 (1975—)，女，硕士，讲师，主要从事机电产品开发研究。E－mail:bying75@126.com。

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