基于实例推理的复杂产品设计实例的可适应性重用

刘　敏

（安徽东升机电有限责任公司，安徽　合肥　230601）



基于实例推理的复杂产品设计实例的可适应性重用

刘敏

（安徽东升机电有限责任公司，安徽合肥230601）

摘要：针对目前复杂产品不能很好地以低成本快速地响应客户的个性化需求问题，提出将可适应设计方法学应用于复杂产品的快速设计过程。围绕可适应性重用实例推理技术进行了研究：基于最近邻检索法，采用粗集理论和层次分析法相结合的组合权重确定法，对相似实例进行了检索，并有效考虑到了属性值为点值和区间值等情况。最后以液压机产品为例，具体阐述了可适应重用实现过程。结果表明，该方法实现了企业设计知识的有效重用，显著提高了企业快速响应市场的能力。

关键词：可适应重用；实例推理；组合权重；液压机

根据知识利用程度的不同，机械产品的设计可分为3大类：创新设计、变型设计和常规设计［1］。据统计，90%以上的工业产品设计均为变型设计。这意味着当一个新的设计问题出现时，通常采用修改已有的设计来解决问题。可适应性设计［2］的目的是延长产品或产品设计的使用周期，使生产型企业能够在允许的质量和成本限制下，通过调整已有产品或设计来快速地开发出新的面向客户需求的产品。

实例推理（CBR［3，4］）是可适应重用中重要技术，实例检索的准确程度决定可适应重用效率，最近邻搜索法是实例检索最常用的方法。本文以最近邻搜索法中的权值确定为切入点，针对传统的层次分析法描述能力有限的问题，以单柱型液压机为研究对象，采用粗集理论和层次分析法相结合的组合权重确定法对复杂产品实例进行检索，对液压机产品设计知识进行快速有效地检索与重用。

1　模块化产品相似性设计检索

1.1相似性度量函数的确定

对于实例间的相似性度量技术，比较常用的有Tver⁃sky对比匹配函数、改进的Tversky匹配法、距离度量法或最近邻算法等。本文针对实例属性可能为定性属性和定量属性的情况，且定量属性又可为点值和区间值的情况，采用最近邻法进行相似度计算。

设实例集合为C={C1,C2,……,Cr,C0}，其中C0实例为问题实例，其反映了客户所提出的要求。检索特征属性集合为Ck={P1k,P2k,……,Pnk}，当第k个实例的第i个属性取单值时，表示为Pik；当第k个实例的第i个属性取区间值时，表示为［minPik，maxPik］。表1所示为相似性度量函数。

1.2特征属性权重的确定

权重的分配是否合理，直接影响到定制产品方案决策的准确性。赋权方法主要有主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法主要依靠专家的经验来进行权重的确定，容易受到专家经验、思维模式和个人喜好的影响。客观赋权法是根据各指标之间的相关关系或各项指标值的变异程度确定权重，避免了人为因素带来的偏差，但却忽略了指标本身在实际运用中的重要程度，有时确定的指标权重与预期的不一致，甚至导致与实际不符的错误结论。

鉴于此，提出并采用一种新的组合权重构造法AR （AHP-RS），该方法采用粗集理论［5］和层次分析法相结合来确定属性的综合权重。粗集理论用于确定属性的客观权重，层次分析法用于确定属性的主观权重。由于决策问题大多为多属性决策问题，在实际情况中，客观权重的确定往往只能在准则层到方案层这一层次上。而对于目标层对准则层这一层次上，往往在实例库中没有相应的准则层参数值。所以，对于这一层次各个准则的权重确定就无法使用粗集理论来确定。在实际中，各个准则对于目标层的重要性也是由工程实际背景决定的，即是个模糊的概念，由工程专家凭借经验确定。图3所示为利用AR法确定组合权重的过程。

设W´=［w1´,w2´,…,wn´］T为主观权重，满足：

设α为经验因子，W=［w1,w2,…,wn］T为组合权重，则式中:

表1　实例间相似性度量函数

表2　实例库中实例条件属性及其值

2　可适应性重用示例

首先确定实例的特征属性权重值，再利用表1所示的相似性度量函数计算问题实例和实例库各实例之间的相似度。经过与企业设计师的交流，YH30型液压机中客户所关心的主要决策属性（准则）有：可加工工件的大小D）、加工的效率（I）和液压机所占的空间（M）。决策属性的不同会引起实例库中实例特征属性权重的变化。实例库中主要特征属性有：开口高度（A）、喉深（B）、总功率（C）、滑块行程（E）、滑块速度（下行）（F）、滑块速度（工作）（G）、滑块速度（回程）（H）、外形左右尺寸（J）、外形前后尺寸（K）和外形高度（L）等，如表2所示。

2.1主观权重的确定

图1所示为构造的特征属性层次树。对于图1所示的特征属性层次树，利用AHP法进行相应主观权重的确定。目标层到准则层的判断矩阵如表3所示。

表3　目标层到准则层判断矩阵

表4　属性离散表

图1　特征属性层次树

可得其层次单排序为W=［w1，w2，w3］=［0.637，0.105，0.258］，符合一致性要求。同样依次构造准则层到方案层的判断矩阵，得出各特征属性最终权重为：

2.2客观权重的确定

基于表2中各实例的特征属性值进行离散化处理。采用区间离散法，表4所示为各决策属性离散表。

其中，决策属性的离散值赋予是根据实例库中各实例的相对比较而得，并由专家赋予。表4中各决策属性下的属性离散值经过检验都为协调的，不需再进行划分。对于决策属性D，则：

ind（A）={（1，2），（3，6），（4，5）}

ind（B）={（1，2，3，5），4，6}

ind（C）={（1，2，3），（4，5），6}

ind（D）={（1，2），（3，4），（5，6）}

P={A，B，C}，则ind（P）={（1，2），3，4，5，6}，推得PosP（D）= ∪P_（D）={1，2，3，4，5，6}；ind（P-A）={（1，2，3），4，5，6}，推得Pos（P-A）（D）={4，5，6}≠PosP（D），因此A不可省略；同理B不可省略；C属性可省略。rP（D）=1，r（P-A）（D）=0.5，r（P-B）（D）=4/6，推得rP（D）-r（P-A）（D）=0.5，rP（D）-r（P-B）（D）=2/6。

同样，对决策属性I和M下的条件属性分别进行属性约简，得出决策属性I中的条件属性“滑块行程”“滑块速度下行”和“滑块速度工作”可以省略；决策属性M中的条件属性“外形尺寸高度”可以省略。化简后的特征属性层次树如图2所示。

图2　约简后的实例特征属性层次树

2.3组合权重的确定

设定经验因子α=0.5，得到：

2.4相似实例的检索

确定完实例特征的组合权重后，利用相似度计量函数进行相似实例的检索。设问题实例为：

A=800mm

B=［350，450］mm

C=8kW

E=450mm

F=60mm/s

G=20mm/s

H=［75，85］mm/s

J=2 500mm，K=1 800mm

L=3 100mm

则根据表1中相似度计算公式计算问题实例与实例库实例之间的相似度。

25t实例：simA=0.702，simB=0.841，simC=0.778，simE= 0.500，simF=0.875，simG=1.000，simH=0.455，simJ=0.647，simK=0.500，simL=0.655，计算得sim总1=0.345。同样，可以计算实例50t、63t、100t、160t（A）和160t（B）的各自相似度大小，依次为：sim50t=0.388、sim63t=0.275、sim100t=0.355、sim160tA=0.335、sim160tB=0.217。由此可得，与问题实例最相似的实例库实例为实例2。

3　结论

通过将可适应设计方法学应用到复杂产品的设计过程中，使得原有的设计和生产过程知识得到了有效的重用，缩短了新产品的上市时间，提高了企业的市场竞争力。本文以液压机产品为研究对象，对可适应性重用技术进行了深入的研究。结果表明：①采用实例推理方式对设计实例进行了检索与重用，基于混合权重与最近邻检索法对实例库中属性值为区间与点值共存的实例进行了快速而准确的检索；②通过在液压机产品开发中的应用表明，可适应性设计方法学能够有效地对以往成功设计案例知识进行重用，提高了新产品的开发效率，缩短了市场响应时间；③为同类产品的可适应重用提供了参考。

参考文献：

［1］Brown D，Chandrasekaran B.Design problem-solving：knowledge structures and control strategies［M］.San Francisco：Morgan Kaufmann，1989：152-154.

［2］Gu P，Hashermian M，Nee A Y C.Adaptable design［J］. CIRP Annals Manufacturing Technology，2004，53（2）：539-557.

［3］Kolodner J L.Improving human decision making through case-based decision aiding［J］.AI Magazine，1991，12（2）：52-68.

［4］吴庆鸣，张志强.基于KBE的隧道掘进机主机智能设计系统［J］.中国机械工程，2006，17（4）：331-333.

［5］杨善林.智能决策方法与智能决策支持系统［M］.北京：科学出版社，2005.

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）01-0084-04

收稿日期：2015-12-28

作者简介：刘敏（1981-），男，本科，工程师，研究方向：产品快速设计。

Research on Adaptive Reusing of Design Instances for Mechanical Product

Liu Min
（Anhui Tosum Machinery and Electronic Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601）

Abstract:A design method with the adaptability is proposed to solve the problems existing in complex product design processes,such as high costs and low efficiency.The case based technologies of adaptive reusing are discussed.The similar case is retrieved by nearest neighbor algorithm and combined weight constructed by analytic hierarchy process (AHP)and rough set(RS).The attribute of case can be interval number and point number.The realization of adaptive reusing is described elaborately based hydraulic press machine finally.It is revealed that according to adaptive reus⁃ing,the design knowledge is reused effectively,the ability of enterprise respond to market fast is enhanced observably.

Keywords:adaptive reusing;case based reasoning;combinational weight;hydraulic press machine