起重机方案设计的智能化技术

一、起重机

起重机方案设计是整个设计过程最复杂、最具有综合性和创造性的阶段，首先要分析起重机用户的设计要求，提出系统所需要的详细功能，然后通过设计或选择一系列有效的结构来实现该功能，并对这些结构进行决策和再设计。长期以来，方案设计一直是设计的关键所在，具有以下难点：(1)方案设计的多层性与多目标性；

(2)建模困难；

(3)方案设计的再设计特性。为此，在成功地开发“港口门座起重机CAD”系统的基础上，进一步研制起重机方案设计专家系统PCES(Portal Crane Expert System)。系统采用Turbo-Prolog语言，用产生式规则建立知识库，用动态数据库实现过程控制策略，能有效地实现起重机方案的初步设计及再设计。

二、总体结构与功能

PCES系统是一个以方案设计为主，同时包括优化设计、决策理论、数据库设计、参数化绘图、实体装配和运动分析等技术的集成化系统。根据起重机方案设计的特点，系统的控制结构是在“方案设计——评价——再设计”的控制策略的基础上实现的。

PCES系统总体结构，如图1。各个模块的功能分别如下：

(1)主控模块。与各个模块连接，可以调用任何一个模块，控制整个系统并模仿设计者的设计步骤进行工作。各个模块之间不能直接调用，只能由主控模块调用，通过动态数据库实现信息交换。

(2)动态数据库。它是系统的全局工作区，各模块之间的信息交流通过动态数据库实现。它的主要作用是存贮起重机初始设计条件、技术要求、中间设计结果以及最后的设计结果。解释模块、方案评价模块和失败处理模块所需要的信息也是从动态数据库中获得。

(3)知识库。存储的各种知识主要来源于文献[1-3]以及上海江南造船厂设计二所起重机设计专家组，为了提高搜索效率减少推理时间，将知识库分为若干个子知识库，各子知识库采用分类和分层组织。

(4)推理机。采用正向推理方式和反向推理方式。

(5)方案设计模块。根据用户的设计要求和提供的基本事实，完成起重机总体结构设计和起升、变幅、旋转、运行机构的传动方式与制动方式的设计等工作。

(6)方案评价模块。对当前输出结果进行综合性能评价，评价的方法采用专家估测法。建立由若干评价指标组成的体系，由多个专家分别对体系中的每个指标作出权数判定，最后给出方案的综合评价结果。

(7)失败处理模块。当方案评价模块对当前结果作出不满意的答案时，要调用失败处理模块进行参数的调整，使系统得到较为满意的结果。

(8)解释模块。系统在调用知识库的数据、知识进行推理。若成功则显示推理过程中引用的规则和得到的结论；若不成功则显示不可行的评价项目，提醒用户修改不合理要求，并提示如何使用系统从而得到某一结论。

(9)用户接口I/O。用户通过该接口输入起重机总体方案设计的初始条件及技术要求，系统按照一定的设计策略经过推理计算后得到中间设计结果或最终设计结果，再经接口I/O输出给用户。

(10)知识库扩充和维护模块。完成建立、修改，扩充和删除知识库的工作。

(11)门座起重机辅助设计模块。本模块是基于美国SDRC公司微机版I-DEAS支撑软件，具有二维绘图、三维造型装配、机构分析、优化设计、有限元分析等功能，通过内部接口与PCES系统各模块连为一体。

图1 PCES总体站构

三、设计知识的表示

专家系统的能力取决于知识，同样的知识可以有不同的表示形式，不同的表示形式产生不同的效果。通常，知识的表示有逻辑、规则、框架、语义网络和过程等多种方式。PCES系统采用基于规则的产生式表示，其格式表示如下：

<规则定义>::=<规则号>IF<前提子句>THEN<结论子句>;

<前提子句>::=<概念>F<陈述>I<数学表达式><关系运算符><数学表达式>l

<概念><关系运算符><变量>I<概念><关系运算符><常量>;

<数学表达>::=<运算符+l-|*|/|…>(项[项，[项….]])；

<项>:;=<变量>|<常量>;

<关系运算符>::=>|<l≥|≤|=3；

<结论子句>1:=<逻辑运算符AND(OR(NOT><基本事实>|<可执行语句>;

在起重机方案设计中，经常出现因起重量增加而导致轮压加大的情况，而轮压的改变又影响着平衡梁的支撑形式和车轮布置方式，该知识用产生式规则表示如下：

(Rule-31(IF(实际轮压<许用轮压)；

THEN(机构车轮数目增加));(Rule_32(IF(机构车轮数目增加))；

THEN(AND选择平衡梁支撑形式选择车轮布置方式));

四、知识库的构造

系统知识库构造采用层次结构，由事实库、规则库和数据库三部分组成，如图2示.事实库相应地分为两个子库，规则库分为4个子库，数据库分为3个子库。

图2 PCES知识库层次结构

事实库中的事实分为基本事实和逻辑结果。基本事实是在推理前已经设置好的。PCES中存放的各种系列的起重机型号、整机重量、起重量、变幅幅度、起升高度、工作速度、车轮数目、机构工作类型、机构载荷率和设计标准等知识均为基本事实。逻辑结果是由基本事实经推理得到的，如起重机的结构形式、布置方式、制动方式、传动方式和主动轮/从动轮的数目分配比例等等。规则库分为起升机构规则库、变幅机构规则库、旋转机构规则库和运行机构规则库四部分，主要存放的是四大机构设计常识、有关规范、各种标准及专家设计经验。四大机构常规的布置方案、传动方式、驱动方式以及各种计算公式也存放于各自的规则库中，数据库分为标准件数据库、材料数据库和系数数据库三部分。标准件数据库主要用来存放轴承、电机、减速器等标准件各种数据。材料数据库用来存放材料型号和力学性能等参数，系数数据库则主要存放机构设计中所用到动载系数、安全系数、风载系数、摩擦系数等等。

五、应用示例

现对16tX35m门座起重机进行初步方案设计，初始条件和部分设计结果，如表1、2示。

表1部分初始条件

表2部分推理结果

起重机总体结构采用对称门架组合臂架。

六、结论

门座起重机总体设计是整个设计过程中经验知识与智能最集中的阶段.方案设计的多层次性、多目标与多样性，给设计工作带来了很大的困难。PCES系统在充分利用人工智能和专家系统技术的基础上，能有效地解决起重机在总体方案设计的困难，设计结果令人满意。