基于CBR技术的立体仓库货架设计系统

李大伟，闫 欣

(承德石油高等专科学校 人事处，河北 承德 067000)



基于CBR技术的立体仓库货架设计系统

李大伟，闫 欣

(承德石油高等专科学校 人事处，河北 承德 067000)

通过对案例推理技术(CBR)和立体仓库货架设计过程的分析，并应用系统相似度理论，提出了基于CBR的立体仓库货架设计系统。对系统架构、功能模块、关键技术等进行了介绍，同时给出了基于相似度理论的案例检索模型和案例库的维护策略。最后以应用实例说明了该系统相似案例检索的计算过程。

CBR;相似度计算;立库货架设计;设计系统

随着现代化物流技术的不断发展，立体仓库作为重要的物流核心设施，其市场需求也在迅猛增长。而作为立体仓库重要的组成部分，同时也是定制产品的立体仓库货架(以下简称立库货架)，必须按照客户的各种个性需求进行设计。采用原始的立库货架设计方法不但周期长、成本高，而且由于对以往成功案例借鉴较少，因此对设计人员的设计经验与水平有很高的要求。为了解决上述问题，设计了一种基于案例推理(Case Based Reasoning，CBR)技术的立库货架设计系统。该系统通过对客户需求进行描述，进而在设计案例库中检索相似可重用的已有设计案例，并对检索到的设计案例按照一定的修改策略进行修改，使之成为符合用户需求的最终设计方案。由于设计案例库中存储的案例都是经过工程验证的成熟方案，因此该系统也能提高立库货架设计的质量。

1 系统架构

立库货架设计系统主要解决传统的货架设计中对以往成功的设计知识与设计经验重用和借鉴过程复杂，导致货架设计效率较低的问题。因此，该系统集成了货架类型选择模块、货架构件选型模块、货架系统布局方案设计模块等模块，设计人员可以利用这些模块高效管理与使用已有的立库货架设计知识与经验，从而达到缩短设计周期和降低设计成本的目的。

如图1所示，该系统利用SQL sever数据库高效的数据管理功能作为设计知识与案例的储存介质，以此为基础构建了立库货架设计知识库。该知识库内划分为几个模块分别存储已有的立库货架设计案例及其设计经验与知识、立库货架构件二维模型和案例检索策略等支撑系统运行的数据。

2 系统关键技术

2.1 基于CBR技术的立库货架设计模型

在系统分析传统立库货架设计流程优缺点的基础上，结合CBR技术构建了立库货架设计系统模型，如图2所示。

立库货架设计系统对立库货架的设计流程进行了优化：首先，设计人员采集与整理客户需求信息，形成客户目标产品的描述信息；然后，根据描述信息在设计案例库中进行匹配检索，检索出与描述信息相似度最高的已有设计案例，形成初步设计方案；最后，利用案例修改功能模块对初步设计方案进行修改，直至方案完全满足设计要求。

2.2 货架设计案例的表达

2.2.1 货架设计案例的组成

立库货架设计案例包含的内容十分庞杂。为了降低计算和检索的难度，立库货架设计案例可以进行分层处理。如图3所示，设计案例可以分为四层，其中货架产品层储存了案例的整体信息，统领着结构层、组件层和元件层。立库货架由构件组合而成，组件和元件又是构件的基本组成，因此，结构层和组件层作为中间层在货架设计案例中起到连接产品层和元件层的重要作用。这种链条式的结构可以保证在检索到相似产品案例后能够迅速获取该立库货架案例包含的全部设计信息和二维工程模型。

2.2.2 设计案例的特征及其表达

立体仓库货架设计系统性能在很大程度上取决于立库货架设计案例库的构建及其对设计案例的表达。为了更好的表达立库货架设计案例，本系统采用了定性与定量相结合的表达方法。案例的定性表述包括货架种类、应用行业、物料储存和取用方式等。如表1所示，该类定性表述的案例特征在检索时必须完全匹配。对于货位数、单元/单层载重和层高等定量表述的案例特征，该类特征值在案例检索过程中与目特征标值之间允许有一定的偏差，即二者之间具有一定的相似度[1]。同时，为方便操作，系统还根据各个定量特征对于货架设计效果的影响程度赋予其一定的缺省权重(该权重由设计人员自行设定)。

表1 立库货架设计案例特征划分

2.3 基于相似度理论的案例检索技术

由于系统在进行案例检索时允许案例定量特征与目标特征存在一定范围的波动，因此可以利用相似度理论来进行案例检索，而检索技术的关键就是计算模型的构建。

相似度就是对目标案例与已有案例的相似程度的一种量度[2]。而目标案例与已有案例进行比较的同一个特征就被称为相似元，记作：

u(ai,bi)

假设ai,bi分别为目标案例A和已有案例B的相似特征。u(ai,bi)为目标案例和已有案例进行比较的特征i的一个相似元。通过相似元间的定量计算，就可以获得目标案例与已有案例相似程度的量化值。

2.3.1 基于相似度的案例检索模型

设A为目标案例、B为案例库中已有案例，二者之间有m个相似元需要进行匹配，ai,bi分别为案例A、B中对应相似元uj(ai)和uj(bi)的特征值。

案例A、B之间相似度量化值

(1)

综上可以得到对于案例A，B间相似度QA-B的计算公式如下：

(2)

2.3.2 匹配案例的修正

即使是经过匹配检索获得的已有设计案例与客户需求对比也很可能存在差别，若要重用该案例就需要系统对其进行修改。而修改也需要一定的策略进行指导，本系统将采用基于框架的修改策略。

系统利用基于框架的修改策略进行案例修改的过程如下：系统按照匹配计算出的相似度对候选案例进行排队，并将相似度最高的候选案例作为框架案例，同时对框架案例中的构件与目标案例中的构件进行匹配并计算相似度，并设定一定的阈值，构件匹配相似度在阈值以下的构件则需修改。对于需要修改的构件，可以继续对其它候选案例的构件进行匹配检索，如果相似度达到阈值以上则可直接替换框架案例中的构件，对于无法匹配替换的构件则需要设计人员按照设计要求进行人工修正。

3 系统应用实例

下面通过立库货架设计的实例来介绍基于相似度原理的设计案例匹配检索过程。设计人员经过对客户需求信息进行整理分析后获得的目标产品描述和候选案例的各项特征值如表2所示。

1)根据公式(1)计算出目标案例和备选案例A各个定量特征间的相似度。

2)根据公式(2)计算目标案例和备选案例A总体的相似度值。

表2 立库货架设计案例的特征与其权重举例

目标案例和备选案例A总体相似度值计算如下：

综合计算后目标案例和备选案例A的相似度为：

0.96×0.2+0.78×0.3+0.80×0.2+0.75×0.1+1×0.1+0.80×0.1=0.841。

假设系统设定案例匹配检索相似度取用阀值为0.8，目标案例与备选案例A的相似度大于取用阈值，因此，可以将备选案例A列入到本次检索匹配形成候选案例序列。系统检索匹配界面如图4所示。

4 结论

本文根据立库货架设计的工程实际和基于案例推理技术原理，开发出基于CBR的立库货架设计系统。该系统可以高效地重用已有的经过实践验证的成熟设计方案，在缩短开发周期的同时还极大地提高了立库货架设计的质量，节省了设计成本。作为大规模用户定制产品，立库货架在设计中引入CBR技术也可以使设计人员从繁杂的重复设计工作中解放出来，从而将精力投入到技术改造和产品创新中来，不断增强物流装备企业的核心竞争力。

[1] 李大伟. 立体仓库货架智能化配置设计系统的开发与应用[D]. 上海：东华大学,2012.

[2] 孙晋永,古天龙,常亮,等.基于ALCQ(D)的CBR事例表示及相似性度量[J].计算机科学,2014(4):223-229.

[3] 郭聪聪,贾虹卢,炎麟,等.基于案例推理的冲击电钻产品模块化配置设计研究[J].机械设计与制造，2011(6)：4-6.

[4] Qiaosheng Liu ,Juntong Xi. Case-based parametric design system for test turntable[J]. Expert Systems with Applications,2011(38): 6508-6516.

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[6] 杨沁,李建国,杨成,等.一种基于DCSP和CBR的产品配置方法[J].现代制造工程,2015(8):91-95.

[7] 李大伟. 基于XML的锅炉故障诊断专家系统的知识库构建[J].承德石油高等专科学校学报,2016(3):43-46.

简 讯

我校“石油杯”辩论赛案例荣获河北省高校校园文化建设优秀成果二等奖。近日，河北省2017年高校校园文化建设优秀成果评选结果公布。由我校思政部执笔、学校报送的《智慧和激情碰撞，人文与青春交融——承德石油高专精心打造“石油杯”大学生辩论赛》案例荣获二等奖。评选活动由省委教育工委、省教育厅组织，共评出一等奖项目6项、二等奖项目17项、三等奖项目38项。此次荣获二等奖，展现了我校校园文化建设的成果，学校将继续打造精品红色社团活动，充分发挥文化育人载体作用，塑造学生良好的政治素质和思想品质。

Warehouse Shelf Design System Based on CBR Technology

LI Da-wei, YAN Xin

(Department of Personnel Affairs, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

Based on the analysis of case reasoning technology (CBR) and warehouse shelf design process, and by applying the system similarity theory, a three-dimensional warehouse shelf design system based on CBR is proposed in this paper. Then it introduces the system architecture, function module and key technology, and presents a case retrieval model based on similarity theory and the maintenance strategy of case base. Finally, an application example is used to illustrate the calculation process of the similar case retrieval in the system.

CBR; calculation of similarity; stereoscopic warehouse rack design; design system

河北省高等学校科学技术研究项目(基于CBR的立体仓库货架敏捷设计关键技术研究)：Z2015078

2016-11-16

李大伟(1984-)，男，河北承德人，讲师，硕士，主要研究机械设计与制造，E-mail：cdpclidawei@163.com。

TP391.7

A

1008-9446(2017)03-0032-05