知识模板在宇航产品设计过程中的应用

Application of knowledge template in aerospace product design

朱　里，董碧丹，侯俊杰

（中国航天系统科学与工程研究院，北京 100048）

ZHU Li,　DONG Bi-dan,　HOU Jun-jie



知识模板在宇航产品设计过程中的应用

Application of knowledge template in aerospace product design

朱里，董碧丹，侯俊杰

（中国航天系统科学与工程研究院，北京 100048）

ZHU Li,DONG Bi-dan,HOU Jun-jie

摘要：在宇航产品的设计过程中存在知识与设计过程关联度较低的问题，应用知识模板，通过功能-行为-结构模型（FBS）提高知识模板与产品设计过程关联度，并生成知识模板映射流程。同时应用基于实例的推理方法，综合考虑确定属性和模糊属性，通过相似度矩阵计算全局相似度，得到满足产品设计需求的知识模板。最后，以液体火箭发动机的滑阀设计为实例进行验证，结果表明知识模板能提高产品设计的效率，保证其可靠性。

关键词：知识模板；设计过程；FBS模型；CBR

0　引言

产品设计过程是设计者利用已有的经验和知识对设计需求或问题进行求解的过程，在复杂产品设计过程中涉及到的知识范围广、数量大、种类多，如何提高知识在设计过程应用的效率直是学者们关注的问题。目前，设计过程的知识研究主要集中在对知识本身的研究：王国新[1]等将坦克装甲车辆设计知识依据设计进流程将划分为种不同类型，并利用本体、基于实例推理、功能结构映射和模板方法对种类型的设计知识进行组织建模；秦海峰[2]等基于特征与知识对航空钣金的设计过程进行了优化，建立了以设计知识为核心的广义数据。陈永亮[3]等对模块化产品设计知识分类与面向对象的表示、基于有向图的产品模块布局和构型表示进行了研究。

本文应用知识模板来解决宇航产品在设计过程中的知识关联问题，首先对宇航产品的设计过程的特点进行分析，研究设计过程各个环节之间的关系与约束。通过知识模板对复杂的宇航产品设计知识进行表达，提高设计的可靠性，减少设计的迭代次数。

1　宇航产品设计过程特点与知识分类

2）多学科综合；宇航产品的设计过程涉及到多个学科领域，在处理各种接口问题和横向协调时，面临大量的跨系统和跨组织的更，容易产生混乱。

为将知识与设计过程相关联，不仅要考虑设计过程，也要对设计过程中的知识进行划分。在设计过程中所用到的设计知识包括事实、规则和常识性知识，从知识的来源划分，可将知识分为静态知识和动态知识；从知识的结构划分，可分为系统级知识和模块级知识。将知识与设计过程关联后，其复杂程度会成倍增长，因为不同的设计阶段对设计知识的需求也不相同。从设计阶段去考虑，在概念设计阶段对已有的需求进行分析，从而确定产品的研发目标、主要性能等指标，因而在该设计阶段，不仅借鉴已有的设计方案，同时需要大量参考规范和法规等约束；在初步设计阶段，需要对产品的可行性、产品研发周期等进行评估，同时确定顶层设计要求，因而需要参考设计规范和法规、明确接口关系和规划、强制性验证等文件；在详细设计阶段，明确可制造性、可装配性以及后期维护性、设计资料的完整（图纸、数字化图形文件、软件清单、试验和验证、验收准则）、制定初步的产品规范，对涉及到的学科知识需要进行系统的梳理。

2　知识模板的构建

2.1知识模板概述

宇航产品设计遵循“系列化、组合化、模块化”的思想，同系列的产品在设计过程中具有所采用的设计原理、产品结构以及相互关联关系都类似，知识模板应具有以下种特性：

通用性，模板是对具有相似特性事物的抽象表达，而表达应规范，能应用于大部分场合；

封装性，侧重考虑输入与输出，避免考虑繁琐的中间过程。

2.2知识模板生成

FBS模型根据所需要实现的目标，即功能，确定知识的层次属于概念设计、初步设计或详细设计；再匹配能实现各不同功能的基本工作原理，即行为，确定知识所应用的层级，属于系统级、模块级或部件级；然后寻找能实现该工作原理的相应结构来匹配，从而实现从功能到结构的映射过程。在对某功能进行结构匹配时，首先满足功能需求，在满足功能的多个结构中，通过约束条件在多个结构中选出最合理的结构解。

具体的映射方式有两种，首先明确最终实现的设计目标，寻找能实现该目标的结构，当没有相对应的结构时，再将实现该目标的总功能分解为若干子功能，并分析功能类型，确保子功能的集合能够完全实现总功能。随后，将子功能分解为个个可实现的行为，通过行为类型、行为关系的分析，综合考虑行为之间的约束和配合，确定结构。最后，通过结构部件将各个功能映射到对应的工作原理，满足最终的设计需求。

图1　设计过程映射流程图

3　知识模板的匹配

3.1属性相似度计算模型

知识模板形式简洁，匹配难度较低，通常选用CBR方法。基于实例推理CBR主要分为：最近邻法、归纳推理法、知识引导法和模板检索法。最近邻法是较为通用的方法，基于相似度来对模板进行匹配，原理简单[7]。为计算知识模板的相似度，由最近邻法得出精确属性之间的相似度，综合模糊属性计算，算出各个属性的相似度矩阵；随后根据各属性的权值，得出知识模板的全局相似度，最后可比较得出与设计需求最接近的知识模板。

当计算两个实例之间的相似度时，根据确定属性值是离散还是连续的，可分为以下两类：

1）当x，y为连续确定属性值时，其相似度计算公式为：

2）当x，y为离散确定属性值时，其相似度计算公式为：对于模糊属性相似度的计算需要应用特别的关系函数，如角函数、梯形函数、线性函数、高斯函数等。角函数与线性函数的表达能力有限，高斯函数计算相对较复杂，因而本文采用基于梯形函数的模糊集合来计算模糊属性的相似度，根据梯形函数的面积比法，其公式如下：

其中，A代表对于隶属函数的区域面积，xi,yi分别代表其模糊属性域，x代i表两个模糊属性域的交集，x代i 表两个模糊属性域的并集。

在得出各个属性的相似度后，依据相似度和各属性的权值计算出全局相似度。设定各属性权值较通用的方法为：专家打分法、成对比较法、调查统计法、模糊综合评判决策法、遗传算法等，前四种方法是在专家先验知识的基础上来确定权重值，算法简单。本文选取专家打分法生成各属性权重W={wi,wi,…,wk},i,j,k={1,2,3…}，从而给出全局相似度的计算模型是：

其中CS是连续确定属性的相似度，CP是离散属性的相似度，FS是模糊属性的相似度。

3.2实例检索算法

具体匹配算法步骤如下：

步骤2：以问题实例点中权值较大的几个属性为约束条件在知识模板库中进行检索，按属性的权值从大到小来进行检索，若无法匹配，则删除权值最小的属性后再次进行检索，找出满足约束条件的知识模板，跳转步骤3。若多次删除后属性个数小于2或权值之和小于0.3时，则跳转步骤1，重新输入问题实例点。

步骤4：计算K个实例中确定属性与模糊属性的相似度，对应属性的相似度建立相似度矩阵。

2）重复执行上述操作，依次求出MiNj的精确属性相似度CS、CP，以及模糊属性相似度FS。

3）重复执行，根据所求相似度得出K个实例的相似度，组成相似度矩阵：

步骤5 用矩阵计算求出M0N0与MiNj的相似度：

4　实例验证

从设计阶段划分，确定滑阀稳态液动力属于详细设计阶段；从设计层次划分，滑阀属于部件级设计。首先通过FBS模型对燃气流量调节系统进行映射分解，随后将对滑阀的设计需求转化为功能、行为和结构之间的映射，通过知识模板的方式描述设计需求与各结构单元之间的关系。

表1　燃气流量调节系统FBS关系描述

从功能域和行为域映射可以看出，滑阀是燃气流量调节系统最为关键的部件之，对系统的稳定性有直接的影响。用FBS模型对滑阀进步分解，得到映射关系如表2所示。

表2　滑阀FBS关系描述

在滑阀零件的性能中，其稳态液动力对滑阀的稳定性有很大的影响，而其液动力又受到滑阀位移、液流出口处的通道形状、刃边厚度等多个指标的影响。现给出初步的设计需求，由关系映射得出知识模板如表3所示，通过CBR算法从表4中选取相似度最大的实例节点，具体步骤如下：

以滑阀设计问题点为问题实例点，检索相似的实例节点。

输入滑阀的问题实例点，并由专家打分确定各属性的权值，属性范围来自专家经验。如表3所示。

表3　滑阀稳态液动力实例点属性表

实例类型为滑阀零件的实例节点，找出满足设计要求的实例节点。从实例库中取些实例节点，如表4所示。

表4　设计实例点属性表

求解实例M0N0与各实例节点的的相似度。首先，计算对应确定属性（空载额定流量、供油压力、回油压力、液压油密度、刃边厚度、滑阀节流槽）和模糊属性（滑阀开口）的相似度，然后根据计算得出实例M0N0与五个实例节点的属性相似度，得出相似度属性矩阵：

5　结束语

本文在宇航产品设计过程中应用知识模板，通过FBS模型将知识映射到产品设计过程中，同时结合基于实例的推理技术，得到与设计需求相匹配最合适的知识模板，为设计过程得到较为科学准确的知识，缩短设计时间，提高设计的可靠性。采用基于相似度的检索算法，最终得到满足设计需求的知识模板。知识模板与宇航产品设计过程相关联，能有效的提高知识的利用率，提高产品的设计效率。

参考文献：

[1] 王国新,阎艳,张祥,胡立臣.面向坦克装甲车辆创新与快速设计的知识建模方法研究[J].兵工学报,2009,30增刊:100-105.

[2] 秦海峰,王强,黄翔.基于特征与知识的航空钣金快速设计系统的研究与开发[J].机械制造与研究,2010,39(4):13-16.

[3] 陈永亮,徐燕申,齐尔麦,机械产品快速设计平台的研究与开发[J].天津大学学报,2002,35(6):744-748.

[4] 屠立,张树有,陆长明.基于知识模板的复杂产品设计重用方法研究[J].计算机集成制造系统,2009,15(6):1041-1048.

[5] 李国喜,吴建忠,张萌,等.基于功能-原理-行为-结构的产品模块化设计方法[J].国防科技大学学报,2009,31(5):75-80.

[6] 石明,朱程荣,黄珊.基于知识模板的产品建模方法[J],计算机辅助工程,2011,20(2):32-38.

[7] 王海巧,沈仙法.基于实例推理的减速器快速设计方法研究[J].制造业自动化,2015,37(1):122-126.

[8] 赵双龙,许长华,魏超.滑阀稳态液动力的计算和分析[J].火箭推进,2006,32(3):18-23.

作者简介：朱里（1990 -），男，安徽庐江人，硕士研究生，研究方向为知识工程。

收稿日期：2015-11-23

中图分类号：TP399

文献标识码：B

文章编号：1009-0134(2016)03-0089-04