方案设计两级实例推理过程模型及系统结构的研究

子系统实例
图 3 实例分来自百度文库图
实例的分解描述对于 CBR (基于实例推理) 来说是非常 有利。CBR 不仅要能支持整个系统的相似推理, 还必须支持 子系统的相似推理。因为, 在许多设计中, 只需对类似的设计 方案中的某些部分作相应的修改或从另一个实例中提取相 应部分作替换即可, 在这种情况下, 依据这样的模型便可方 便地提取实例, 灵活地组合修改实例, 综合成新的设计方案。 正面主要讨论功能分解和机械装置分解表达和存储。 3. 2 功能分解表达及功能结构图实例库的建立
《机械设计与研究》1999 No. 2
描述实例的功能结构图。一个方案实例功能结构图对应一个
框架, 框架由槽组成, 框架名对应系统中的实例目录, 槽名对 应于该实例方案的一个工艺动作。 每个槽由个侧面组成: 框架 (实例代码) 槽 1 (工艺动作代码) 槽 2… … 槽 n…
侧面 1: F 1 (功能词汇 ) … … 侧面 2: 上层节点 … … 侧面 3: 所属层数 … … 侧面 4: 下层节点集合 … … 功能结构图往往是多层的, 对于多层功能结构图采用层 次框架表示。 整个功能结构图实例库就是由这些框架组成。 以上所描述的框架数据结构完全能描述一个功能结构图, 槽 中的侧面 1 的功能词汇对应功能结构图中的子功能名; 侧面 2 和侧面 3 描述子功能之间的关系, 如果某一子功能既出现 在上层节点中又出现在下层节点中, 则该子功能与本槽所对 应的子功能是环形结构排列, 如果仅出现在上层或下层节 点, 则是串行排列, 如果上下层都不出现则是平行排列 (参照 图 4)。给定一个设计任务, 概括设计任务的名称在实例目录 中找到对应于该实例的代码 (目前系统采用实例名汉语拼音 表达)。 根据实例代码在功能结构图实例库中提取功能结构 图。 如果是实例目录中没有新的设计问题, 系统提供一个空 的框架, 以便用户通过人机交互的方式创建功能结构图。 3. 3 机械装置定性表示及装置实例库的建立 连续的物理现象的离散化是符号推理 (相对于数值计 算) 的基础, 且在研究结构系统的定性推理中被广泛采用。这 种离散化方法同样可以应用到机械方案设计的研究中。机械 方案结构可以离散化为多个的子方案—基本的机械装置 (积 木元) , 这种离散化有助于形成统一的表达形式。 前文已经提及, 对于一个运动的机械装置, 运动形态最 能反映它的本质特征。 一个有限的运动形态的标注集合 (例 如, 转动、移动、连续、往复等) 可用于机械装置的连续结构行 为的特征表示和推理。 例如, 一个曲柄滑块机构可看作是一 个将连续转动转换为往复移动的装置。 在方案设计阶段, 输 入与输出之间的关系不需要表示为精确的数学函数的形式。 因此可以采用定性的方法对机械装置建立统一的表达形式, 以便于机械装置的存储和管理以及装置实例库的建立。 用什么属性来表达一个机械装置一直没有形成统一的 认识。 作者采用四个属性表达一个机械装置。 即输入 ( IN 2 PU T )、输 出 (OU T PU T )、关 系 (R ELA T ION )、性 能 指 标 (PER FO RM AN CE)。 前面三个是装置的运动形态属性。 IN PU T: 描述与输入运动联系的装置的输入端口。 OU T PU T: 描述产生输出运动的装置的输出端口。 R ELA T ION : 描述输入与输出运动的关系。 PER FO RM AN CE: 描述装置的一些定性属性, 如工作 性能, 动力性能, 经济性能, 结构紧凑性。 这也是装置实例所 携带的设计经验。 每个属性具有一些子属性。每个子属性可赋予 0、1 或更 多的属性值。 其中装置的运动形态属性取值描述如图 5。 图 5 是一个典型的层次结构, 因而很自然的采用框架表
切实可行的系统化方法。作者将基于实例推
理引入到方案设计系统中, 尽管也有一些学
者探讨基于实例推理在设计中的应用, 但目
前比较成功的系统还是在调整结构参数设
计中的应用。作者根据机械系统的组成以及
方案设计问题的特点, 提出两级基于实例推
图 2 方案创新两级实例推理系统
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构图有两种途径: 首先对设计问题通过检索实例目录 (系统 现有的实例的代码) 进行识别, 判断在系统中是否存在相同 或相似实例, 如果存在, 则直接提取功能结构图, 如果是新问 题, 则通过用户定义的方式建立功能结构图并增加实例目录 和存储功能结构图。 功能结构图一般具有层次结构的特性, 因此采用框架结构表示功能结构图。框架结构必须表达两个 方面的信息: 子功能及其之间的关系。建立功能结构图后, 针 对每一个子功能选择功能目录, 进行装置搜索。 搜索效率取 决于功能目录的建立、装置库的建立以及搜索算法的设计。 这些在本文后续部分将进行讨论。
该模块有两个主要任务: 建立功能结构图以及针对功能 结构图中每一子功能在装置实例库中提取装置。建立功能结
法给出的一些定性的评价准则。
3 机械方案实例表示及实例库建立
3. 1 设计方案实例分解 一个复杂系统的设计问题往往转化为子系统的设计问
题。 与系统设计的分解模型相应, 设计方案实例也可分解成 一棵设计方案实例树。 对于每一个分解后的子系统设计, 都 有一组子系统的设计实例与之对应, 它们代表了以往子系统 的设计方案的过程和结果。系统分解与实例分解形成两个树
《机械设计与研究》1999 No. 2
方案设计两级实例推理过程模型及系统结构的研究
五邑大学 (江门·529020) 孔凡国 上海交通大学 邹慧君
摘要 本文将重点研究机械方案创新设计过程。作者根 据机械方案设计特点, 提出两级实例推理过程模型, 设计并 描述基于实例功能推理的机械方案智能设计系统。同时对实 例分解表示进行详细研究, 并讨论了功能结构图及机械装置 的框架表示方法, 描述一种改进的组合功能分类方法, 建立 了方案功能结构实例库和机械装置实例库。
2 基于实例推理机械方案设计系统结构
基于实例推理是在传统的基于规则和基于框架的专家 系统 (ES) 或基于知识系统 (KB S) 上多了一种知识组织和管 理的方式, 它并不独立于传统的 ES 或 KB S 单独存在, 相反,
设计类似的问题可资利用的宝贵的设计经
验, 因此功能结构图应成为智能设计系统知
一个系统的总功能可以逐步分解为很多子功能 (或分功 能)。不同的功能分解将直接影响到设计方案的质量。一个好 的功能分解方式是设计者在设计相同或相似设计问题可以
规则 2: IF 将具有匀速输入和间歇输出的装置与具有匀 速输入和输出的装置组合
TH EN 组合的装置能满足匀速输入和间歇输出的设计 要求。
规则 3: IF 将具有匀速输入和变化输出的装置与具有匀 速输入和输出的装置组合
1 两级基于实例推理的过程模型
机械方案生成可分解为两个阶段: 第一阶段是根据用户 提出的设计任务建立功能结构图; 第二阶段是找出与功能结 构图中每一子功能相匹配的子结构 (装置)。 在这一过程中, 功能结构图的建立是最能体现设计者匠心的, 也是设计者在
图 1 方案创新设计两级实例推理过程模型 理的方案生成的过程模型如图 1 所示。这种模型比直接存储 整个机械方案实例优越得多。 其一: 对于给定一个功能结构 图, 通过子结构的组合可以有许多种不同结构方案, 如果存 储每一种结构方案, 将造成系统资源的很大浪费。其二: 根据 功能结构图中每一个子功能提取与之相匹配的装置并组合 为一个完整的设计方案本身就是一种实例转换和调整的创 新过程。
识库中一个重要组成部分加以存储和利用。
尽管在工程实际应用中, 机械系统的结
构千变万化, 但通过观察不难发现机器总是
由有限的零部件组成, 我们可以称这些元素
为机器的构造元素 (或称机器构造的积木
元) , 如螺旋副、齿轮副、凸轮副等等。如何有
效地利用这些元素构思机械系统的设计方
案一直是设计者所追求的, 但没有形成一套
子系统实例
系统实例
子系统实例
子系统实例
2. 2 装置组合协调设计模块 (1) 协调设计约束。 通过这些约束保证装置的动作满
足工艺要求、时间同步、空间同步, 避免空间干涉以及两个子 装置在动作衔接处发生干涉, 优化工作循环周期, 提高运行 效率。
(2) 设计约束 设计约束是根据具体的设计任务提出的, 诸如几何约 束、工艺约束、功能约束、制造约束以及装配约束。 以上这些约束在系统中以启发式规则形式存在。除了以 上这些约束以外, 在装置组合时, 还必须有一套组合协调规 则来保证装置组合的有效性和协调性。下面给出一些规则的 描述: 规则 1: IF 将具有移动输入和转动输出的两个装置组合 TH EN 组合装置可以满足移动输入和移动输出功能要 求或转动输入和转动输出的设计要求
关键词 实例推理 创新 功能结构图
0 引 言
设计者通常依据以前的设计经验来完成当前的设计, 并
不是每次从头开始设计, 以前的失败经验被用来避免犯同样
的错误, 而成功的经验则被用来指导当前的设计。 基于实例
推理是 A I 中新崛起的一种重要的推理技术, 这一模型符合 上述设计思维规律。该模型应用类比推理来选择和转换一个 以前已解决的设计问题的设计解为一个新的设计问题的解。 开发具有广泛适应性的设计知识库是困难和费时的, 因而成 为知识系统开发的“瓶颈”问题, 基于实例推理为解决这一问 题提供一个比较好的知识组织和管理模式。在基于实例推理 中的关键问题是以最简单形式存储实例, 以便有效的提取实 例。
图 5 机械装置运动形态属性实例描述
示形式来装置装置属性以及建立装置实例库。一个装置对应
一个框架, 框架由四个槽和十六个侧面组成, 框架描述如下:
框架 (装置名)
槽 1 ( IN PU T ) 侧面 1: 类型
槽 2 (OU T PU T ) 侧面 1: 类型
《机械设计与研究》1999 No. 2
它们是紧密联系相辅相成的。作者根据上面提出的两级实例 动精度、结构紧凑性以及结构复杂性采用模糊综合评价的方
推理的过程模型, 开发了基于实例推理的方案创新设计, 系 统的结构如图 2 所示。 系统主要由图 2 中被虚线框的分割三大模块组成: 实例 提取模块、装置组合协调设计模块以及评价模块, 各模块协 调工作由总控模块 (控制通道) 进行控制。下面对每一模块作 一简单介绍: 2. 1 实例提取模块
TH EN 组合的装置能满足匀速输入和变化输出的设计 要求
……
借鉴和参考的宝贵经验。功能分解方案的结果一般采用功能 结构图来表达。 从总体上看, 功能结构图一般为层次树状结 构。一个功能结构图主要表达三个方面的信息: 工艺动作、功 能类型及功能之间的关系。 功能结构图中的子功能排列方式可分为三种形式 (如图 4 所示) : ①串联 (链式) 结构- 用于按先后顺序进行的工程; ②并联 (平行) 结构- 用于同时进行的过程; ③环型结构- 用 于反馈过程。 因为功能结构图具有层次特性, 本文采用框架
状层次结构。这两根树在具有相同的层次分解结构和一一对 应的关系的同时, 也存在各自的特点, 设计模型树描述的是 系统的设计方法, 第一个节点所代表的是该子系统的一组设 计方法, 所描述的是不依赖于具体设计方案的共性知识, 而 设计实例树描述的是具体的一组设计实例, 是依赖于以往设 计方案的个性知识。 图 3 描述实例分解示意图。
2. 3 评价模块
评价模块主要根据评价规则库中一些评价
规则对装置提取以及装置组合的结果进行评价。
这些规则是对装置从制造工艺性、制造成本、运
图 4 功能结构图中子功能之间关系
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