Application of knowledge template in aerospace product design

朱　里，董碧丹，侯俊杰

（中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

ZHU Li,　DONG Bi-dan,　HOU Jun-jie

?

知識模板在宇航產(chǎn)品設(shè)計過程中的應(yīng)用

Application of knowledge template in aerospace product design

朱里，董碧丹，侯俊杰

（中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

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

摘要：在宇航產(chǎn)品的設(shè)計過程中存在知識與設(shè)計過程關(guān)聯(lián)度較低的問題，應(yīng)用知識模板，通過功能-行為-結(jié)構(gòu)模型（FBS）提高知識模板與產(chǎn)品設(shè)計過程關(guān)聯(lián)度，并生成知識模板映射流程。同時應(yīng)用基于實例的推理方法，綜合考慮確定屬性和模糊屬性，通過相似度矩陣計算全局相似度，得到滿足產(chǎn)品設(shè)計需求的知識模板。最后，以液體火箭發(fā)動機(jī)的滑閥設(shè)計為實例進(jìn)行驗證，結(jié)果表明知識模板能提高產(chǎn)品設(shè)計的效率，保證其可靠性。

關(guān)鍵詞：知識模板；設(shè)計過程；FBS模型；CBR

0　引言

產(chǎn)品設(shè)計過程是設(shè)計者利用已有的經(jīng)驗和知識對設(shè)計需求或問題進(jìn)行求解的過程，在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計過程中涉及到的知識范圍廣、數(shù)量大、種類多，如何提高知識在設(shè)計過程應(yīng)用的效率直是學(xué)者們關(guān)注的問題。目前，設(shè)計過程的知識研究主要集中在對知識本身的研究：王國新[1]等將坦克裝甲車輛設(shè)計知識依據(jù)設(shè)計進(jìn)流程將劃分為種不同類型，并利用本體、基于實例推理、功能結(jié)構(gòu)映射和模板方法對種類型的設(shè)計知識進(jìn)行組織建模；秦海峰[2]等基于特征與知識對航空鈑金的設(shè)計過程進(jìn)行了優(yōu)化，建立了以設(shè)計知識為核心的廣義數(shù)據(jù)。陳永亮[3]等對模塊化產(chǎn)品設(shè)計知識分類與面向?qū)ο蟮谋硎?、基于有向圖的產(chǎn)品模塊布局和構(gòu)型表示進(jìn)行了研究。

本文應(yīng)用知識模板來解決宇航產(chǎn)品在設(shè)計過程中的知識關(guān)聯(lián)問題，首先對宇航產(chǎn)品的設(shè)計過程的特點進(jìn)行分析，研究設(shè)計過程各個環(huán)節(jié)之間的關(guān)系與約束。通過知識模板對復(fù)雜的宇航產(chǎn)品設(shè)計知識進(jìn)行表達(dá)，提高設(shè)計的可靠性，減少設(shè)計的迭代次數(shù)。

1　宇航產(chǎn)品設(shè)計過程特點與知識分類

2）多學(xué)科綜合；宇航產(chǎn)品的設(shè)計過程涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域，在處理各種接口問題和橫向協(xié)調(diào)時，面臨大量的跨系統(tǒng)和跨組織的更，容易產(chǎn)生混亂。

為將知識與設(shè)計過程相關(guān)聯(lián)，不僅要考慮設(shè)計過程，也要對設(shè)計過程中的知識進(jìn)行劃分。在設(shè)計過程中所用到的設(shè)計知識包括事實、規(guī)則和常識性知識，從知識的來源劃分，可將知識分為靜態(tài)知識和動態(tài)知識；從知識的結(jié)構(gòu)劃分，可分為系統(tǒng)級知識和模塊級知識。將知識與設(shè)計過程關(guān)聯(lián)后，其復(fù)雜程度會成倍增長，因為不同的設(shè)計階段對設(shè)計知識的需求也不相同。從設(shè)計階段去考慮，在概念設(shè)計階段對已有的需求進(jìn)行分析，從而確定產(chǎn)品的研發(fā)目標(biāo)、主要性能等指標(biāo)，因而在該設(shè)計階段，不僅借鑒已有的設(shè)計方案，同時需要大量參考規(guī)范和法規(guī)等約束；在初步設(shè)計階段，需要對產(chǎn)品的可行性、產(chǎn)品研發(fā)周期等進(jìn)行評估，同時確定頂層設(shè)計要求，因而需要參考設(shè)計規(guī)范和法規(guī)、明確接口關(guān)系和規(guī)劃、強(qiáng)制性驗證等文件；在詳細(xì)設(shè)計階段，明確可制造性、可裝配性以及后期維護(hù)性、設(shè)計資料的完整（圖紙、數(shù)字化圖形文件、軟件清單、試驗和驗證、驗收準(zhǔn)則）、制定初步的產(chǎn)品規(guī)范，對涉及到的學(xué)科知識需要進(jìn)行系統(tǒng)的梳理。

2　知識模板的構(gòu)建

2.1知識模板概述

宇航產(chǎn)品設(shè)計遵循“系列化、組合化、模塊化”的思想，同系列的產(chǎn)品在設(shè)計過程中具有所采用的設(shè)計原理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及相互關(guān)聯(lián)關(guān)系都類似，知識模板應(yīng)具有以下種特性：

通用性，模板是對具有相似特性事物的抽象表達(dá)，而表達(dá)應(yīng)規(guī)范，能應(yīng)用于大部分場合；

封裝性，側(cè)重考慮輸入與輸出，避免考慮繁瑣的中間過程。

2.2知識模板生成

FBS模型根據(jù)所需要實現(xiàn)的目標(biāo)，即功能，確定知識的層次屬于概念設(shè)計、初步設(shè)計或詳細(xì)設(shè)計；再匹配能實現(xiàn)各不同功能的基本工作原理，即行為，確定知識所應(yīng)用的層級，屬于系統(tǒng)級、模塊級或部件級；然后尋找能實現(xiàn)該工作原理的相應(yīng)結(jié)構(gòu)來匹配，從而實現(xiàn)從功能到結(jié)構(gòu)的映射過程。在對某功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)匹配時，首先滿足功能需求，在滿足功能的多個結(jié)構(gòu)中，通過約束條件在多個結(jié)構(gòu)中選出最合理的結(jié)構(gòu)解。

具體的映射方式有兩種，首先明確最終實現(xiàn)的設(shè)計目標(biāo)，尋找能實現(xiàn)該目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)沒有相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)時，再將實現(xiàn)該目標(biāo)的總功能分解為若干子功能，并分析功能類型，確保子功能的集合能夠完全實現(xiàn)總功能。隨后，將子功能分解為個個可實現(xiàn)的行為，通過行為類型、行為關(guān)系的分析，綜合考慮行為之間的約束和配合，確定結(jié)構(gòu)。最后，通過結(jié)構(gòu)部件將各個功能映射到對應(yīng)的工作原理，滿足最終的設(shè)計需求。

圖1　設(shè)計過程映射流程圖

3　知識模板的匹配

3.1屬性相似度計算模型

知識模板形式簡潔，匹配難度較低，通常選用CBR方法。基于實例推理CBR主要分為：最近鄰法、歸納推理法、知識引導(dǎo)法和模板檢索法。最近鄰法是較為通用的方法，基于相似度來對模板進(jìn)行匹配，原理簡單[7]。為計算知識模板的相似度，由最近鄰法得出精確屬性之間的相似度，綜合模糊屬性計算，算出各個屬性的相似度矩陣；隨后根據(jù)各屬性的權(quán)值，得出知識模板的全局相似度，最后可比較得出與設(shè)計需求最接近的知識模板。

當(dāng)計算兩個實例之間的相似度時，根據(jù)確定屬性值是離散還是連續(xù)的，可分為以下兩類：

1）當(dāng)x，y為連續(xù)確定屬性值時，其相似度計算公式為：

2）當(dāng)x，y為離散確定屬性值時，其相似度計算公式為：對于模糊屬性相似度的計算需要應(yīng)用特別的關(guān)系函數(shù)，如角函數(shù)、梯形函數(shù)、線性函數(shù)、高斯函數(shù)等。角函數(shù)與線性函數(shù)的表達(dá)能力有限，高斯函數(shù)計算相對較復(fù)雜，因而本文采用基于梯形函數(shù)的模糊集合來計算模糊屬性的相似度，根據(jù)梯形函數(shù)的面積比法，其公式如下：

其中，A代表對于隸屬函數(shù)的區(qū)域面積，xi,yi分別代表其模糊屬性域，x代i表兩個模糊屬性域的交集，x代i 表兩個模糊屬性域的并集。

在得出各個屬性的相似度后，依據(jù)相似度和各屬性的權(quán)值計算出全局相似度。設(shè)定各屬性權(quán)值較通用的方法為：專家打分法、成對比較法、調(diào)查統(tǒng)計法、模糊綜合評判決策法、遺傳算法等，前四種方法是在專家先驗知識的基礎(chǔ)上來確定權(quán)重值，算法簡單。本文選取專家打分法生成各屬性權(quán)重W={wi,wi,…,wk},i,j,k={1,2,3…}，從而給出全局相似度的計算模型是：

其中CS是連續(xù)確定屬性的相似度，CP是離散屬性的相似度，F(xiàn)S是模糊屬性的相似度。

3.2實例檢索算法

具體匹配算法步驟如下：

步驟2：以問題實例點中權(quán)值較大的幾個屬性為約束條件在知識模板庫中進(jìn)行檢索，按屬性的權(quán)值從大到小來進(jìn)行檢索，若無法匹配，則刪除權(quán)值最小的屬性后再次進(jìn)行檢索，找出滿足約束條件的知識模板，跳轉(zhuǎn)步驟3。若多次刪除后屬性個數(shù)小于2或權(quán)值之和小于0.3時，則跳轉(zhuǎn)步驟1，重新輸入問題實例點。

步驟4：計算K個實例中確定屬性與模糊屬性的相似度，對應(yīng)屬性的相似度建立相似度矩陣。

2）重復(fù)執(zhí)行上述操作，依次求出MiNj的精確屬性相似度CS、CP，以及模糊屬性相似度FS。

3）重復(fù)執(zhí)行，根據(jù)所求相似度得出K個實例的相似度，組成相似度矩陣：

步驟5 用矩陣計算求出M0N0與MiNj的相似度：

4　實例驗證

從設(shè)計階段劃分，確定滑閥穩(wěn)態(tài)液動力屬于詳細(xì)設(shè)計階段；從設(shè)計層次劃分，滑閥屬于部件級設(shè)計。首先通過FBS模型對燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行映射分解，隨后將對滑閥的設(shè)計需求轉(zhuǎn)化為功能、行為和結(jié)構(gòu)之間的映射，通過知識模板的方式描述設(shè)計需求與各結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系。

表1　燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)系統(tǒng)FBS關(guān)系描述

從功能域和行為域映射可以看出，滑閥是燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部件之，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有直接的影響。用FBS模型對滑閥進(jìn)步分解，得到映射關(guān)系如表2所示。

表2　滑閥FBS關(guān)系描述

在滑閥零件的性能中，其穩(wěn)態(tài)液動力對滑閥的穩(wěn)定性有很大的影響，而其液動力又受到滑閥位移、液流出口處的通道形狀、刃邊厚度等多個指標(biāo)的影響?，F(xiàn)給出初步的設(shè)計需求，由關(guān)系映射得出知識模板如表3所示，通過CBR算法從表4中選取相似度最大的實例節(jié)點，具體步驟如下：

以滑閥設(shè)計問題點為問題實例點，檢索相似的實例節(jié)點。

輸入滑閥的問題實例點，并由專家打分確定各屬性的權(quán)值，屬性范圍來自專家經(jīng)驗。如表3所示。

表3　滑閥穩(wěn)態(tài)液動力實例點屬性表

實例類型為滑閥零件的實例節(jié)點，找出滿足設(shè)計要求的實例節(jié)點。從實例庫中取些實例節(jié)點，如表4所示。

表4　設(shè)計實例點屬性表

求解實例M0N0與各實例節(jié)點的的相似度。首先，計算對應(yīng)確定屬性（空載額定流量、供油壓力、回油壓力、液壓油密度、刃邊厚度、滑閥節(jié)流槽）和模糊屬性（滑閥開口）的相似度，然后根據(jù)計算得出實例M0N0與五個實例節(jié)點的屬性相似度，得出相似度屬性矩陣：

5　結(jié)束語

本文在宇航產(chǎn)品設(shè)計過程中應(yīng)用知識模板，通過FBS模型將知識映射到產(chǎn)品設(shè)計過程中，同時結(jié)合基于實例的推理技術(shù)，得到與設(shè)計需求相匹配最合適的知識模板，為設(shè)計過程得到較為科學(xué)準(zhǔn)確的知識，縮短設(shè)計時間，提高設(shè)計的可靠性。采用基于相似度的檢索算法，最終得到滿足設(shè)計需求的知識模板。知識模板與宇航產(chǎn)品設(shè)計過程相關(guān)聯(lián)，能有效的提高知識的利用率，提高產(chǎn)品的設(shè)計效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王國新,閻艷,張祥,胡立臣.面向坦克裝甲車輛創(chuàng)新與快速設(shè)計的知識建模方法研究[J].兵工學(xué)報,2009,30增刊:100-105.

[2] 秦海峰,王強(qiáng),黃翔.基于特征與知識的航空鈑金快速設(shè)計系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].機(jī)械制造與研究,2010,39(4):13-16.

[3] 陳永亮,徐燕申,齊爾麥,機(jī)械產(chǎn)品快速設(shè)計平臺的研究與開發(fā)[J].天津大學(xué)學(xué)報,2002,35(6):744-748.

[4] 屠立,張樹有,陸長明.基于知識模板的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計重用方法研究[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng),2009,15(6):1041-1048.

[5] 李國喜,吳建忠,張萌,等.基于功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品模塊化設(shè)計方法[J].國防科技大學(xué)學(xué)報,2009,31(5):75-80.

[6] 石明,朱程榮,黃珊.基于知識模板的產(chǎn)品建模方法[J],計算機(jī)輔助工程,2011,20(2):32-38.

[7] 王海巧,沈仙法.基于實例推理的減速器快速設(shè)計方法研究[J].制造業(yè)自動化,2015,37(1):122-126.

[8] 趙雙龍,許長華,魏超.滑閥穩(wěn)態(tài)液動力的計算和分析[J].火箭推進(jìn),2006,32(3):18-23.

作者簡介：朱里（1990 -），男，安徽廬江人，碩士研究生，研究方向為知識工程。

收稿日期：2015-11-23

中圖分類號：TP399

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1009-0134(2016)03-0089-04