基于实例推理的门机方案设计系统初探

概述

门座起重机用途广，构造复杂且产品形式各异，因而生产批量少。随着市场竞争的日趋激烈，对门机设计的质量和效率提出了愈来愈高的要求，所以需要有一个功能强大的CAD系统来支持门机的整个设计过程。总体方案没计是门机设计最关键的环节，因为门机的质量和造价不仅取决于各机构或结构零部件的设计水平，更重要的是取决于各零部件之间的相互匹配和协调，也就是门机总体方案的综合水平和质量。要得到最优的或相对满意的方案.除了利用CAD系统中的设计方法库进行数值计算以及优化设计外，还必须依靠设计人员的知识和经验进行推理和判断，才能作出决策。因此门机总体方案的优劣与领域专家(包括设计人员)的经验和知识水平有很大关系·在开发门机总体方案CAD系统时需要把专家系统技术与目前成功的门机CAD系统结合起来，以构成一个包括设计计算、参数绘图、方案评估和决策功能的集成化的智能CAD系统，通过应用该软件设计出具有专家水平的门机方案。

1、门机方案设计过程与实例的应用

门机产品的方案设计过程可归纳为下述几个主要步骤：

(1)门机结构型式的选择；

(2)臂架系统优化设计；

(3)决定主要构件形式及初估几何尺寸：

(4)总体轮压及抗倾复稳定性计算；

(5)机构传动方案及主要部件选型：

(6)门机总图拼装；

(7)总图及文档输出。

在方案设计过程中，除结构有限元分析、零部件的校验、总体稳定性及轮压计算等可应用经验公式或数值分析方法进行计算外，其它如选择臂架系统型式、优化设计中初始点参数的确定，机构布置及传动型式的确定，主要构件结构型式及构型尺寸的确定等，在很大程度上是依靠设计人员的知识和经验进行推理判断才能决定的。如果某一部件不符合设计要求，则要进行局部或全部修改，有时还要进行多个方案的比较，通过不断试探和反复修改，最后得到令设计者满意的方案。

门机方案设计虽然是一个不断试探和反复修改的过程，但基本上属于变异性设计类型，即设计者通常根据用户提出的性能参数和要求，选择一个或多个相近的产品实例资料，把设计对象与实例进行类比分析，对于实例中可以满足设计对象某些要求的部分则直接引入，不满足的部分予以修改后采用。有时需要调用两到三个实例，逐步类比匹配，通过适当的修改和综合，形成一个新的方案.因此在门机产品实例的基础上建成实例库，并对经过必要的修改匹配后综合成新的设计方案，其求解过程的模型可用图1表示。从求解过程中可以看出，解决问题的关键是实例库的建立，实例的提取和利用。已有的CAD系统的数据库、图形库、设计方法库进行必要的扩充和完善，集成为基于实例推理的智能化门机方案设计系统，是开发门机方案设计CAD系统的有效途径。

目前机械产品设计型的专家系统难以在实际中推广应用的关键是知识获取和表达尚未得到很好的解决。而设计中专家评价和决策的知识又难以用推理手段获取，这样由于系统中专家知识的不足从而不能满足设计的需要。基于实例推理的设计方法把过去已有的大量设计实例作为知识的来源，用技术人员熟悉的直接表示方法来表示设计实例中的知识，通过调用这些知识来指导当前的设计工作，符合工程技术人员的习惯，因而易于接受。由于这些原因，基于实例推理来进行计算机辅助设计的方法近年来已成为智能化CAD特别是设计型专家系统研究的热点。

2、基于实例推理的过程模型

基于实例推理进行方案设计的过程是利用实例库中的专家经验、知识，并用类比推理的方法选择与设计问题相接近的设计实例，经过必要的修改匹配后综合成新的设计方案，其求解过程的模型可用图1表示。从求解过程中可以看出，解决问题的关键是实例库的建立，实例的提取和利用。

图1基于实例推理的求辉过程

3、实例库的建立及实例的提取

实例库中实例的数量影响到方案设计的质量和效率，因此应具备一定数量的产品实例知识，包括设计的结果。设计、生产、安装及调试过程中的关键技术和使用中存在的问题，即产品生命周期内所用到的专家知识。实例库的结构又影响实例探索的成败和速度，因此实例知识的表示应使实例知识易于探索，又易于与设计问题之间的信息传输。目前，使用面向对象的方法，如用规则和框架来表示复杂问题的求解知识已被证明是行之有效的方法。对于门座起重机这样复杂的设计对象，整个设计问题应分解成不同层次的多个子对象问题，并用框架表示出它们之间的联系和制约关系。一般来说，实例知识的表达可由三部分构成。

(1)设计问题的描述。即具体的设计要求，约束条件等。例如对整机而言，有各机构的性能参数要求，整机的约束条件如最大尾部半径、基础许用最大压力、轨距等。

(2)问题的求解知识。方案的确定需要有一定的分析计算和评价手段。例如采用优化设计方法或常规的经验公式进行部件设计，以及部件拼装后的干涉检查等。即使是用经验公式进行设计，式中系数的选取也需要用到专家的知识。因此在知识表示的框架中，实例中也应根据需要列出评价方法。把设计对象与实例进行类比分析，并检索出相关的实例后，需要修改协调时，可以从知识库中得到相应的求解知识，也可通过接口与集成系统中其它子系统如常规方法库连接并求解。

(3)设计结果。对于门机方案设计问题，设计结果就是新方案的具体信息，如技术性文档，总图及各机构装配的图样等。经归纳、分类并加以索引后编入知识库中。

3.1实例层次的划分

面向对象的设计方法需要把复杂的对象逐步分解为简单的相互制约较少的子对象，逐步分解为简单的相互制约较少的子对象，为保证系统的实用性，采用港口机械设计人员习惯的分析思路，即基于结构功能及常规设计的步骏来决定分层的原则，同时也要考虑到设计对象与实例的分层原则是一致的，以便于对实例的检索。图2是起重机方案设计实例的总层次。该层次还需要进一步细划至部件为止。通过层次划分，一个产品设计问题便可分解成不同层次上的子问题，如回转机构的下一个层次是回转驱动装置和回转支承装置·回转支承装置又分为转盘式和转柱式支承。图3是M1633门机起升机构下的性能参数层次。

图2起重机方案设计实例的总层次

3.2实例的提取

由于门机产品结构复杂，很难找到一个满足设计对象所有要求的实例，事实上也只有在实例的基础上加以改进，才能有所创新。为了能提取到类似的实例，首先要把设计问题的层次划分与实例库中的层次结构相一致，并将该相关层次利用其实例的特征属性作为查找的索引，特征属性是指在某一层次上影响产品(设计对象)性能(功能或特征)的主要因素。它可以是一个实例的设计要求·也可以是其机构或部件的特征参数。由于影响某机构的性能的因素是多种多样的，因此特征属性的确定应考虑专家的意见，抓住反映问题本质的特征。

为了选取类似的实例，需要把设计问题所指定的特征属性与实例的特征属性进行比较，由于特征属性不只一个，而且实例的特征属性与设计对象的特征属性不可能完全相同，要调用相近的实例，还需要有匹配的方法。由于门机实例层次结构复杂，有时也不能只以某一种属性便可选择到类似的实例，我们结合设计经验，按一定的规则把实例分成几类，如按起重量或臂架系统结构型式等，通过人机交互的方式，使用户从属性列表中比较并选择出某些特征属性以检索出最接近的实例。另外也采用属性值的匹配方法，如所选的某一特性属性，在实例与设计对象在属性值之间的绝对误差之和或误差平方和小于给定的误差范围，则认为匹配成功。

门机实例中包括了图形表示的知识，并按图2所示的结构分类存放。考虑到图形占存储量大，可存放于磁盘中，调用到实例时会显示图样名称，并提示用户图样的查询地址，用户通过接口可调出图样选择并修改。

4、实例库的管理

为使基于实例推理的方法能有效地用于门机方案设计，实例库中应有丰富的实例，同时要不断地对实例库进行维护和扩充。实例采用框架表示，并按上述分层原则进行分解，形成具有一定层次的树状结构，实例管理子系统结构如图4所示。

图3 M1633门机起重机构性能叁数层次结构

图4实例管卫系统结构

5、门机方案设计智能化系统体系结构

基于实例推理的门机方案设计智能化系统基本框架如图5所示。

用户界面提供方案议计过程的交互环境，以菜单方式提示用户选择实例、对调出的实例与设计对象进行类比，作出修改，并为用户提供与数据库、实例库及设计方法库的交互环境。

设计过程控制子系统对整个方案生成过程进行控制。包括各机构、结构件的设计、总图拼装等模块。在每个模块运行过程都可实现对实例库的访问，包括进行实例检索、实例列表及选取、实例修改等。各个机构的设计可以并行而不一定要串行工作，通过人机交互协调不同层次之间以及不同子系统之间的信息交流。

图5系统基本框架

运用面向对象的方法建立系统的实例库·库中包含实例的专家知识和相关的决策方法知识。如起升机构实例中除了结构红成列表外，还有相关的选型及验算方法的索引，用户可在实例知识的提示下调用方汰座的有关算法程序模诀进行必要的分析计算。

数据库存储了设计过配所需的吵计标准、规范、常用的标准尽部件的扎六出港、几何尺寸参数、设计结果等，图形库存储了标准零部件的图形模块，通过C语言开发的接口函数岸实现程序与数钙库、实例库之间的连接。

设计方法库存储了门机方案设计所高要的优化设计子系统，常规设计子程序等，由过程控制子系统调用。

6、结论

本文诃论了基广实例推理进行门座起重机方案设计的思路和实现方法，提出了实现智能设计的系统据架。目前系统时柒成，实例能Hub”,更有称为超级集线器的产品出现、给网络设计者提供了一个集成各项技术—从1 0Base-T到令牌环，到FDDI、ATM、100Mbps LAN,以至交换，路由技术的平台。这些高档集线器几乎都具备的端口交换能力与其大量端口(有时多于500个)的结合·使其可独立管理遍布园区内虚拟局域网；它采用的高速背板(通常超过1Gbps)互连各种接口和功能模块，既提供到用户的LAN连接，还提供桥接、交换、路由和网关等高级服务。从共享式向交换式园区网解决方案的过渡中，超级集线器和广泛技术支持和容错特性，提供了一个强有力的集成和迁移的平台。

当今网络技术正处于一个飞速发展的时期，今天认为是战略性措施，明天看来也许只是一种战术手段，因此应当密切注视网络技术发展的动向。当然更重要的是注重网络应用的开发，技术是为应用服务的，不能离开应用的目标而一味地迫求技术的先进，在这一点上切不可本末倒置。