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基于实例推理的相似产品系统设计 摘要 本课题对基于实例推理的相似产品系统设计方法进行了研究和探讨。 研究产品实例的分类网模型，建立产品实例模板。使用粗集理论来计算产 品实例中关键特征属性的重要性，解决相似度量中的特征属性的权重值问题。 研究产品实例库的建立，产品实例的内容、组织策略及其表达方法。采用串行 分类与并行线性检索相结合的检索方式，提高实例检索效率，利用相似度量的 方法检索相似度最大的产品实例。探讨基于子实例设计任务满足的产品实例修 改技术。 编写应用软件系统来模拟铸件产品设计实践，实现本课题设计方法的主要 过程，建立可视化铸件产品实例检索界面，采用可扩展的铸件产品实例库关系 模型。建立铸件产品设计的三维模型。 这一理论与方法的发展有利于解决重复设计问题，提高机械产品设计效率 和质量，比传统c a d 的设计更具有智能化。 关键词：实例推理相似嗲缎计枞度如划修改 一j-f“簟警分，争和p争争乳，一，扫t妒，卜p，t，p擎争妒矽怫，曾，妒r和妒，卜卜p簪参一妒尹r_。，广擎孥妒妒，争_r簟妒r扣 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 。 - s i m i l a rp r o d u c t s s y s t e md e s i g n b a s e do n c a s e - b a s e d r e a s o n i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，s i m i 1 a r p r o d u c t ss y s t e md e s i g n b a s e do nc b r t e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d p r o d u c t c a s e sc 1 a s s i f i c a t i o nn e tm o d e li ss t u d i e d k e y f e a t u r e sa r ea b s t r a c t e df r o mt h ep r o d u c t c a s e t o c o a s t f u c tc a s e m o d e l t h ec a s em o d e lc o n t e n t s ，i t s e x p r e s s i o n a n d o r g a n i z a t i o n t a c t i e sh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i 1 r o u g hs e tt h e o r y isu s e dt o d e t e r m i n et h e i m p o r t a n c e o fe a c h k e y c a s ef e a t u r e b a s e do nt h e a n a l y s i so f t h ef u n d a m e n t a lp r o b l e mo fr e t r i e v i n gt h ep r o d u c t c a s e t h i s p a p e rp r o p o s e sp a r a l l e l 1 i n et a c t i cc o m b i n e dt h e c l u s t e r c l a s s i f i c a t i o nn e t s i m i l a r i t ym e a s u r e m e n tm e t h o di su s e d t o r e t r i e v et h e h i g h e s t s i m il a r i t y d e g r e ec a s e t h e m o s ts j m ii a r p r o d u c t c a s e i sm o d i f i e d b y t h eu s eo f s o n c a s e d e s i g n m o d i f i c a t i o ni na c c o r d a n c ew i t hd e s i g nt a s k i no r d e rt oi l l u s t r a t et h e m a i n p r o c e d u r e o ft h i s d e s i g n m e t h o d ，t h e m o r e c o m p l i c a t e da p p li c a t i o n s o f t w a r e s y s t e m is f o u n d e dt oi m i t a t e p r a c t j c a lp r e c i s i o nc a s t i n gp r o d u c t sd e s i g n p r o d u c t c a s e s 1 i b r a r y i sb u i l t b y u s eo fr e l a t i v e d a t a m o d e l ， w h i e hc a nb e e x p a n d e d v i e wr e t r i e v ei n t e r f a c e sa r em a d ei nc a s e r e t r i e v e p r o ei su s e dt om a k e3 dm o d e l t h i s d e s i g n m e t h o dn o t o n l y c a nr e u s e m e c h a n i c a l p r o d u c l d e s i g n r e s o u r c eb u ta l s oc a n i m p r o v e i t s e f f i c i e n c ya n dq u a l i t y i t p r o v i d e sm o r ei n t e l l i g e n c et h a nt h et r a d i t i o n a lc a d k e yw o r d s ：c a s e d e s i g n ，s i m i l a r i t y c a s e b a s e dr e a s o n i n g ， d e g r e e ，p r o d u c t sc a s e s i m i l a rp r o d u c t s s y s t e m m o d i f y 致谢 感谢导师周美立教授三年来在学习上、生活上对我的关心与教导， 周老师严谨的治学态度和孜孜不倦的研究精神会在我的今后工作中产生 重要的影响，是我一生享用不尽的宝贵财富。在此，我向周老师表示崇 高的敬意。 感谢教研室的朱家诚老师和其他老师给予我的关心、帮助和指导， 同时也感谢其他所有关心我的同学和老师们。 最后，我也要感谢我的父母亲和妻儿在生活上对我极大的支持和帮 助。 骆敏舟 2 0 0 2 年3 月 。， 十，k一 日， ； _ 。 ， 、。，。 ， 参。擎k p，争蕙，謦，妒审p，r争，争睁鞋艮f露峥堆，fr妒尹p铲哥争p妒。参、哥妒r妒。r节；p毋芦；卜r。r#p*扣it 插图清单 图2 1 产品实例和实例模板以及关键特征属性在向量空间中的示意图8 图2 2 基于实例推理相似产品实例系统设计流程图1 0 图2 3 蔚件产品设计的三个主要没计模块l l 1 图2 4 铸件结构瑟计的主要设计内容1 2 图2 5 编茫素统设寸的主要设计内容 图2 67 碚件压塑设计的主要设计内容 t 一 图2 7 铸件定位机构设计的两种方式 t j v 图2 8 铸件锁紧机构设计的二种方， 图3 1产品实例的分类网模型17 图3 2 产品实例的约束关系模型l7 图3 3实例空f 叫中两个实例类别的三种分布状况1 9 图3 4实例模板和产品实例对象相互关联示意图2 图3 5 轧机入口滑动导板铸件产品实例的分类网模型2 2 图4 1产品实例在s q ls e r v e r 数据库中的存储示例2 9 图4 2 产品实例和子实例之问存储的关系图3 0 图4 3圆一圆形轧机入口滑动导板铸件j “品示例3 罔4 4 具有关键特征属性的圆一圆形轧机入口滑动导板铸件产品实例3 图5 1产品实例分类投影示意图3 8 图5 2 用距离系数表示相似度4 1 图5 ：j距离相同的两个产品实例相似性对比4 2 图6 1产品实例设计修改示意图4 7 图6 2圆一圆形轧机入口滑动导板铸件产品浇f 1 设计修改示意图4 q 图6 3 特征属性值修改后导致约束冲突示意图5 0 图7 1轧机入口滑动导板铸件产品设计应用程序整体框架图5 2 图7 2 轧机入口滑动导板铸件产品设计分类解释界面5 3 图7 3 乱机入r 滑动导板铸件产品分类模板选择界血5 3 1 图7 4 轧机入口渭锄导板铸件产品分类模板查找界面5 4 。 图7 5 轧机入尺滑动导蜒铸件发计记录界面5 4 0 、 ， + 图7 6 耋l 机a p 滑动导板铸件产品分类网模型界面5 5 图7 7 程序调角产品实例库界面5 5 t 小 v c 。 图7 8 轧机入口滑动导板铸件，“品条件检索界面5 6 图7 9 轧机入几滑动导板铸件产品相似度量界面5 6 图7 1 0 相似度最火的产品实例的信息界而5 7 图7 1 1产品实例进行重新定义和修改的示意图5 7 图7 1 2 铸件蜡模焊接设计3 d 模型5 8 表格清单 表4 1圆一圆形轧机入口滑动导板铸件产品实例特征参数3 2 表4 2圆一圆轧机入几滑动导板铸件产品实例设计任务参数3 2 表4 3 圆_ 辜圆形入口滑动导板铸件设计修改难度实验数据表3 3 、 ，c 表5 1 圆一苎岁。彤冬口滑动导板产品实例天键特征属性权重值4 4 表5 2 圆二商形多学l 火口滑动导板产品实例关键特征属性参数4 4 表5 3 设计任务秀犍特征属性参数4 4 表5 4 相似度计算结果排序4 5 1 1课题的来源及目的 绪论 在现代企业中，产品制造企业经历了如下重大的变化：比过去更加全球化， 竞争更激烈，技术进步更快，产品寿命周期越来越短。先进的制造技术是企业 获胜的重要条件，但其中一个简单的事实是：产品制造必须以具体的设计为依 据，设计是整个生产的龙头。已有数据表明：产品成本的7 0 是在设计阶段决 定的；而在运用c a d c a m 技术的工程阶段，只决定着2 0 的产品成本；在加工 过程控制和规划阶段，则只影响产品成本的l o 。由此可见设计阶段在整个产 品生命周期中的重要地位。 目前，产品设计正越来越受到企业的重视，企业可以通过先进的设计技术 来改善产品质量，提高产品性能，降低产品成本。许多研究机构也正在研究现 代的设计理论和设计方法，涌现了诸如：并行设计、绿色设计、可靠性设计、 计算机辅助设计、模块设计、相似系统设计等一系列先进的设计方法。这些先 进的设计方法是从不同的角度出发，运用不同的手段来达到产品设计的预定目 标。 产品设计是人们根据预定的目标来产生满足要求的信息的种活动，它是 一种反复进行分析、推理、计算和综合的思维过程，富有创造性，具有以下几 个方面的特性：多解性，近似性，综合性，经验性，这些特性在设计的初期阶 段表现得最为明显。本课题研究的目的就是如何利用产品设计过程中的近似性 和经验性来设计新产品，达到创造性( 指设计的本身) 目的。 目前计算机辅助设计( c a d ) 在产品设计领域内i f 发挥着日益重要的作用， 不但使设计者摆脱了手工绘图的烦琐，而且先进的计算机技术使得产品设计越 来越容易，但传统的c a d 存在以下几方面的弱点： 1 不支持产品设计的全过程。 2 缺少对已有设计资源的管理和利用。 3 设计过程的智能化程度不高。 4 在设计实践中存在大量低水平重复开发问题，但却有一定的设计经验 和设计资源的积累。 这些问题在传统的c a d 领域可能无法解决，必须另辟蹊径。 生产实践充分表明：具有一定相似性的产品及零、部件在实际中大量存在， 有的高达7 0 左右，其中大部分被频繁使用，所以在面对一个新的设计任务时， 我们多数情况下是寻求已有的相似产品，并以此作为参考模式进行相似模拟设 第1 页 冉 ， 一h * l b 参 - 嘴 砖科_； ，+ 。 q妒坼。、唯 ， 、 o ， 争r，哥妒。r，争、缸i。r和妒，i争1k，t矿，和扣。鼻擎。fp擎；争转p矽妒。，鑫争争。r参r妒妒扣缸f 这种相 择的继 计资源 得到重用，而且可以提高企业推出新产品的能力和效率。 事物问的相似性有很多种表现形式，主要可以归纳为以下几种：一、哲理 和方法相似。二、关系相似。三、机理或行为相似。四、性质相似。五、功能 相似。六、组织结构相似。其中组织结构相似是工程设计中应用较为丰富的一 个领域，也是较为常见的一个领域；而功能相似则是创新性较强的一个领域， 它表明，任何一种功能的实现都不是唯一的，它使不同的设计达到相同的目的。 这些相似的表现形式在实际使用时经常是相互包含，相互融合。 周美立教授在相似学、相似系统论、相似工程学等著作的基础上 建立了一门新的学科相似学( s i m i o l o g y ) ，相似学系统地研究了自然界中 相似现象的本质，相似形成的原理和演变动力，以及系统相似的一般规律及其 在工程上的应用，其中相似系统设计是相似学在的产品设计方法上的具体应 用，是产品设计方法的一个重要模式。 尽管相似是一个很平常的词语，但这个看似很平常的词语究竟包含怎 样的含义，却值得去进行深入地探讨。事实上，事物的相似性是一种不确定性 的概念，主要有以下两个方面的原因： 1 谈论两个事物之间的相似性都是从某一个角度来进行对比的，比如上述 相似的几种表现形式。 2 所有相似事物都处于相同与不同的中间过渡阶段，尽管可以用模糊数学 隶属度的概念定量地描述这种中间过渡阶段，但最终仍需要人为地规定阀阻， 确定划分界线。 因此，确定相似系统之间的相似程度一相似度也就成为必要。假如只说两 个事物之间相似是没有多少意义的。判断两个事物之间相似至少应该 从上述两个方面进行。 在本课题中相似学应用于产品设计主要有三种基本模式：一、归纳处理， 是对具有某种相似性的事物，按照既定的目的，进行归纳研究和处理，如：在 产品实例库中建立产品实例分类网模型，通过产品实例抽取公有属性建立实例 模板。二、相似模拟，是利用设计任务的之间的相似性，采用模拟设计方式以 寻求解决新设计任务的途径。如：产品实例推理和实例修改的过程。三、相似 度量，利用相似度计算公式从产品实例库中找出与设计任务相似度最大的产品 实例。 1 2实例推理技术 第2 页 拦 篙一 满豁愀 * 。 肆￥ - k 嘶 、 * - ， 疹。 i 辨哗 ，d 擎、。 - “ ，、 ， 、 擎r争。譬争和争争扣节争p擎羹；妒擎。争争舡；争务壮卜舡|1分：尹争#矿争耖争妒妒妒每 人工智能作为一门新兴边缘科学，目标是研究如何使机器具有认识问题与 解决问题的能力。专家系统是人工智能中一个重要的研究内容，它是用具有智 能化的计算机软件来模拟解决难度较高的专业工作。专家系统由一个巨大的知 识库作为支撑，在环境的控制下通过规则完成推理过程。专家系统在很多领域 内得n t 广泛的应用。但是，基于规则( r u l e b a s e dr e a s o n i n gr b r ) 和模型 ( m o d e l b a s e dr e a s o n i l a gm b r ) 的专家系统都是处理那些比较容易建立模型 的领域，在许多应用领域尤其是那些经验性较强的领域内，要想建立一个合理 而有效的模型是困难的，建模困难使得专家系统在这些领域内推广遭受障碍。 专家系统主要存在以下几个方面的问题： 1 知识获取困难，通常称之为知识获取瓶颈。 2 通常模型的建立非常复杂而且困难。 3 大规模信息处理困难。 4 维护较为困难。 5 自学习功能较差。 在现实生活中，在某一领域内有专业特长的人被称之为专家，许多专家在 遇到问题时是依靠他们的经验来解决问题。它的最好的例证就是：我们在看病 时，喜欢找有经验的老医生或者专家给我们看病，尽管刚毕业的年轻医生有着 最新的诊断和医疗知识，而且比有经验的老医生有着更多的医疗前沿知识，但 我们更愿意选择老医生或专家看病，因为老医生或专家以前大都看过或治疗过 许多类似的病例，从本质上讲，我们考虑医生的经验时，更多的是根据他们曾 经处理过多少病历作为主要的判断依据。 实例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n gc b r ) 是人工智能领域新近崛起的一种重 要推理模式。它是基于相似和类比推理的一个独立的分类，是对人类认知过程 的一种仿生，它在知识难以表达，具有丰富经验知识的领域得到了较为广泛的 应用。一般认为实例推理的思想起源于桑克( s c h a n k ) 于1 9 8 2 年在“d y n a m i c m e m o r y ”一书中提出的一种动态记忆结构理论：记忆组织包m o p ( m e m o r y o r g a n i z a t i o np a c k a g e ) 。动态记忆结构理论是关于如何组织和查找记忆组织 包的理论，描述了记忆是如何组织的，是怎样从过去经验中获得智能而自动改 变和增长的，当证实过去的经验失败时就存贮新的经验。s c h a n k 的学生 k o l o d n e r 以s c h a n k 的研究为基础，研究了问题求解中的c b r ( c a s e b a s e d r e a s o n i n g ) 推理技术。 c b r 技术和基于规则、基于模型的推理技术相比，很好地支持了经验的表 达和存储，包括那些无法用规则和模型表示的经验。 c b r 比r b r 、m b r 具有如下潜在的优势： 1 获取知识就是获取或收集以往的实例( c a s e ) ，这样就避开了“知识获 第3 页 娥艘蠢1w*m，、e 。 ，q ， 。 ， t ， 1 ， ， t 霉 ， ， ， 。 t ，_ * ； 。 。簟。 ， 。 h ， 、 噜嘞 ， ，； 妒分童争誊爹，r争p彝擎扣妒妒和扩夔#妒氧舡，争乒旁謦轳参争参争争p r妒和彰套妒铲 ，即使在无法得到领域模型时也能进行推 3 c b r 系统能够很快提供一个解决方案，从而避免了每次都是从头再来。 4 每当获取一个实例，c b r 系统能反映出使用者的经验来，在解决下一次 问题时就多了一个参照实例。当实例库很大时，解决新问题时就很方便。 5 c b r 系统能够把新的知识转化为实例而存储在实例库中，实现自学习的 过程。 6 用先进的数据库技术，使实例查找和大量的实例管理更加方便，系统维 护较为容易。 c b r 技术在国外发展已经有十几年的历史，已经在医疗诊断、软件重用等 很多领域内得到发展，解决的问题也越来越复杂。在国内，c b r 用于广告设计、 故障诊断、医疗诊断等方面已有一些进展，但还有待于进一步完善和发展。 i 3实例推理与相似产品系统设计的有机结合 实例推理技术是在人工智能领域新近研究的热点：而相似学比较深刻地研 究了相似系统之间的相似性，具有相当丰富的相似理论知识，相似系统设计又 是相似学在工程设计上的应用相似工程学中研究的重点，尽管c b r 技术和 相似学所属领域不同，研究的侧重点也不一样，但却具有相互结合的先决条 件，本课题将二者进行有机结合，提出基于实例推理的相似产品系统设计方法。 基于实例推理的相似产品系统设计保留了实例推理技术和相似系统设计原 有的技术优势，可以使二者得到进一步的拓展。本课题设计方法的核心思想是 利用先进的计算机技术( 包括计算机的精确。记忆能力、推理决策能力以及 模拟人的思维方式与智能行为的能力) 和过去相似产品设计的成功经验来解决 新的设计任务，可以对过去设计经验和设计资源进行有效地重新利用。 基于实例推理的相似产品系统设计在相似产品系统设计的基础上避丌了传 统的构造式的设计模式，将构造式设计变为修改式设计，有利于克服传统c a d 中存在的弱点，用计算机部分地替代设计人员从事设计的分析和综合过程，使 产品设计向较高层次方向发展，体现智能设计的思想，引出一种新的产品设计 模式一智能设计i c a d ( i n t e l l i g e n e ec o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，有益于解决 重复设计的问题，是设计技术发展的新方向。 第4 页 气。 ， ， 、 。冉 善*抛蝉_ “ 、 + ； ， p，妒。，r，如妒p辩秘妒f。擎、争和妒静卜擎争擎努kr静；分r，爹爹p争，妒争-妒，争0誉，r妒#，擎ph 于实例推理的相似产品系统设计分析 2 1基于实例推理的相似产品系统设计的概念 1 产品设计概念 任何产品设计的目的都是为了实现特定的功能任务，产品设计经历从功能 空间到特征属性空间的映射过程，在这个过程中遵循从功能到行为，从行为到 结构的推理线索。当设计过程本身是一个创新性的过程时，产品的特征属性空 间和约束网络会经历从无到有，从少到多的逐步完善和构造的过程，这种构造 过程会需要很多的中间步骤才能达到最终状态；当运用实例推理技术进行相似 设计时，特征属性空间从一开始就存在，设计过程是特征属性空间和约束网络 不断修正的过程，显然，这种设计模式能够从总体上把握了设计方向，保证设 计质量和缩短设计时间。 从整个设计过程来看主要由三个过程：首先是提出设计任务，然后是设计 过程，最后是设计结果。 设计任务包括设计目标、约束和初始条件，设计任务是不完备的，它大都 要求产品的最终状态或实现功能等，它提取所需设计产品的主要信息和设计方 案的主要特征。具有相似设计任务的产品实例可以认为是相似实例，相似度最 大的产品实例可以作为设计任务的设计原型进行修改设计。因此，基于设计任 务相似的产品实例提取算法是合理的，但这一设想却难以实现，因为设计任务 在表达的内容和形式上经常不一致，导致检索困难，必须用统一的模式将每个 设计任务类( 实例模板) 的所有产品实例进行规范和定制。 设计记录是对用户提出的设计任务进行必要的分析，整理和重新定义后形 成的设计规范，是对设计任务经过和实例模板相同格式化后形成的。设计记录 去除了设计任务中非关键的特征属性，保留了关键的特征属性。设计记录中的 关键特征属性和某一个实例模板中每一个产品实例的关键特征属性都是一一 对应的，构成相似产品系统，可以用相似度量的方法比对相似性。基于设计记 录相似的产品实例提取算法不仅是合理的而且容易实现。 下面给出本课题中对设计记录的定义： 定义2 1 ：设计记录是和对应的设计模板具有相同格式和关键特征属性 的设计任务。 在本课题的设计方法中，设计过程是变化的，并且不断得到更新的，经历 从推理、修改、评价到再推理、再修改、再评价的循环往复的修正优化过程， 直到满足设计任务为止。 第5 页 瓤p“k吣。”敬o一舡二i二i妒弘。瓤o二i。oo卜|=卜二o“孙o沁“护。”。 是对选择的设计原型的进行局部修改得到的 任务到得出设计结果的整个设计过程的记录。 设计历史的概念及其包含的详细内容将在后面章节详细讨论。 2 相似产品系统设计概念 系统是由要素和要素间的相互约束关系组成的，系统强调的重点是事物的 整体性和要素之间的关联性。两个存在相似要素和相似关系的系统便是相似系 统。相似系统除了和系统一样强调每个系统内各要素之间的相关性以外，它更 强调两个系统之间相互对应的要素和关系的相似程度。在此基础上相似系统设 计的定义为： 定义2 2 ：相似系统设计是利用相似技术使系统间的相似结构、相似功能 等方面特征的再现。 根据相似工程学原理，相似系统设计的目标是：根据已知一个系统a 中的 特征，设计出系统b ，使系统a ，b 之间存在相似特性，相似系统之间的特征属 性可以通过同构映射获得。 相似系统设计过程主要有： ( 1 ) 确定系统要素的数量及其特征属性，根据要素之间的相互关系建造 一个系统模板作为相似系统设计中的原生系统模板a ； ( 2 ) 用同构映射构造出的相似系统b 要素，并使要素b 与ar r l 的a 的特 征属性相似，成为相似要素； ( 3 ) 系统a 中要素的特定的序结构信息作用关系对系统b 中的特征进行 相似组合，使得系统之间要素具有对应性、相似性，设计出与原生系统a 相似 的系统b ； 相似系统设计是相似工程学研究的主要课题之一，已经形成了一套比较完 整的理论和方法。在相似工程学中，相似产品系统设计主要包含机械相似系统 设计、相似系统的系列化设计、相似系统的单元化设计等等。 如果把广义的产品的概念纳入系统的范畴，那么产品就可以被看成是产品 系统。产品系统设计是在设计时从构成产品系统的关系、要素等方面综合加以 考虑，使产品设计的概念泛化，这样做的目的是使产品设计具有更加广泛的适 用性和代表性。在此基础上，具有相似性的产品设计即为相似产品系统设计。 3 基于实例推理的相似产品系统设计概念 在相似产品系统设计的基础上，结合实例推理技术，形成基于实例推理的 相似产品系统设计技术，它的主要内容是：利用实例推理技术和计算机技术使 相似产品系统间的相似结构、相似功能等方面的特征属性和特征属性问的约束 得以相似再现，再通过对相似度最大的实例原型进行必要的修改来完成新产品 第6 页一 。“如“。卜瓢k蕊“-ot“”o。”o心“kf。”自+小r誓小”旷吣。p瓤。”。 壁 的设计过程。它和相似产品系统设计的重要区别是，这种相似再现是利用计算 ：t 下面给出基于实例推理的相似产品系统设计中的另外几个重要概念的定 义： 定义2 3 ：产品实例是过去特定条件下，满足特定设计任务的设计结果， ， 是产品实例空间的一个组成元素。 娶 动中产品实例的主要功能、结构、状态。 定义2 5 ：关键特征属性是从实例特征属性中筛选的，能够使实例区别于 其它实例的特征属性。 关键特征属性和特征属性的侧重点不一样：一个产品实例往往具有多个特 征属性，这些特征属性构成产品实例的特征属性集，特征属性主要强调描述产 品实例的功能或状态等；羞键犍延属世是丛彦晶塞倒特延届丝虫经过缝建猩到 的，一个产品实例只有少数的关键特征属性，它更强调能够使产品实例之间相 互区分，是产品实例检索的依据，也是本课题中的产品实例存储的主要内容。 是本课题中讨论的重点。 在实例库中一般存在多个类别的实例模板( 参见第三章) ，不同实例的模板 具有不同的关键特征属性集合，但这些集合之间也可能存在交集；同一个实例 模板的产品实例之间关键特征属性集是相同的，差异是各特征属性取值不同。 为了进一步阐明产品实例和实例模板以及关键特征属性的关系，我们用特 征属性空间来加以解释。假设产品实例特征属性集中有”个特征属性，那么这 个特征属性对应的月个线性无关的向量张成的空间为特征属性空问。从理论 上讲，任何产品实例都可以在特征属性空间中得到描述，但在实际应用中，由 于产品实例的特征属性是对产品实例不同侧面的描述，量纲和数量级往往有很 大的差异，因此，经常存在特征属性之间不具直接可比性，这就给产品实例的 描述和检索带来不便。为此，必须首先根据问题的状态特征求出各特征属性的 隶属度函数，将产品实例的各特征属性值映射成【0 ，1 】之间的一个点，这样， 维 特征属性空间就映射成的成为n 维单位向量空间。在单位向量空间中，产品实 例的各特征属性值是可比的。 假设在聆维单位向量空间中，某个实例模板拥有j 个关键特征属性，那么 由j 个线性无关的关键特征向量张成的向量空间为实例模板子空间。并且关键 特征属性之间彼此线性无关，不同属性值的实例的对应于实例模板子空间中不 同的点，或者被看成是这个点到原点的向量。 下面利用三维单位( 珂= 3 ) 向量空间对这个问题进行形象地说明： 假设现有三个实例模板子空间s 1 ，s 2 ，s 3 ，每一个带箭头坐标轴表示一个 第7 页 -。卜f羹”k。锋扩吣拳麓”三-”。轧心”。”。日赫聚”“卜。，敬& 一 鼍 镬 一 关键特征属性。那么这三个实例模板的子空间由关键特征属性的组成情况为 s 1 r 1 ，r 2 ) ，$ 2 r 1 ，r 3 ) ，s 3 r 2 ，r 3 。那么实例特征属性总空间s 为： s = s 1 u s 2 u s 3 = r l ，r 2 ，r 3 r 1 卖铡特征属性总壁丽丁 l s l ( rl ，r 2 ) l 向量a 一一1 s 2 ( r 1 ，r 3 ) l 产品实例lj “纠s 3 ，产品实例2 ，：一一一一， f “ 图2 1产品实例和实例模板以及关键特征属性在向量空间中的示意图 在实例模板的子空间s 3 中存在产品实例1 和产品实例2 ，这两个产品实例 可以用实例模板子空间中的点表示，或者用点到原点的向量表示，如图2 1 中 所示。 明确了相似性和产品实例的概念，下面我们来讨论什么是相似产品实例。 我们前面讨论过：事物的相似可以从不同的角度进行定义，认为只要符合以下 两个相似产品实例定义之一的就可以认为是两个相似产品实例： 定义2 6 ：具有相同或相似设计任务的两个产品实例是相似产品实例。 定义2 7 ：具有相同关键特征属性和相异属性值的两个产品实例是相似产 品实例。 相似产品实例的定义是进行产品实例检索的重要基础。一般情况下，这两 个相似产品实例的定义之间是或的关系，也就是说只要利用其中的一个定 义就可以用来进行产品实例检索，但在本课题的应用实践中，两个定义被同时 使用，原因如下： 首先，设计任务本身是粗糙和不完善的，作为一种产品实例信息的高度概 括，它主要反映用户和设计人员之间关于产品实例的基本性能的共识，因此， 设计任务相似的两个产品实例之间是一种粗略的相似。如果在一个数量巨大的 产品实例集中，可能包含有很多与设计任务差别较大产品实例，在这样的产品 实例集中，对每一个产品实例进行一一比对会使检索路径过长，整个推理过程 第8 页 ”k睡小。卜。to一。kospp f 、 ，- ：，肆，“ 乜， 。j h 嶂。 、 、。 ，龟、 r簟爹妒缸o，叁，量fl；r。t；1，r，尹r。r。妒，ik簟h，扩卜驴or赫rp缸 设计任务相似 信息，可以将 比如在一个齿 柱齿轮、斜齿 就可以利用设 接和准确的 因为它是在实例模板的子空问内将两个相似产品实例之间的相对应的关键特 征属性进行一一比对，可以通过相似度量来找到相似度最大的产品实例，来完 成具体的设计任务。 在本课题中这两个相似产品实例的定义先后被重复使用，在产品实例检索 时，先根据定义2 6 对产品实例进行串行分类查找，再根据定义2 7 对产品实 例进行并行线性检索，通过比对产品实例关键特征属性找到相似度最大的产品 实例。在后面章节将详细论述这一过程。 2 2基于实例推理的相似产品系统设计方法流程 基于实例推理的相似产品系统设计的技术路线可以被归纳为4 r 循环， 即检索( r e t r i e v e ) ，重用( r e u s e ) ，修改( r e v i s e ) 和存储( r e t a i n ) 。包含 以下四个基本步骤： 1 输入用户设计要求、初始条件及其他相关信息，整理成设计任务。 2 通过计算设计任务向量在子实例空间上投影角度或领域知识来查找对 应的实例模板，根据设计任务的要求和实例模板的格式填写设计记录，再通过 条件检索进步地缩小范围，通过相似度量从产品实例库中提取一个与当前设 计记录相似度最大的产品实例。 3 修改产品实例，对检索出的相似度最大的产品实例进行必要的修改使 其满足设计任务的要求。 4 产品实例库学习，设计获得的新产品实例存入产品实例库，作为以后 新设计的参考。 基于实例推理相似产品实例系统设计流程是： 设计人员首先检验用户输入设计参数的正确性，对设计任务作必要的分析、 补充和完善。将设计任务看成实例特征属性总空间的一个向量，通过计算设计 任务向量投影的角度或者根据领域知识选择相关的实例模板，然后根据设计任 务的要求和实例模板的格式填写设计记录，再通过条件检索进一步地缩小范 第9 页 p 。 唧 ，。 ， ，*w一。 咏q 一 ，l，+ j m，q，。 吩专_ 擎謦-量r争r。r尹肇r_妒争妒，r争j套争lr薹挚p，妒摹；羹0扒r势t纛黔，争p赫，参kl晷k 围，再用设计记录和实例模板所包含的产品实例进行一一比对查找，通过相似 度量找出相似度最大的产品实例，再通过产品实例和设计历史的相互关联找到 相应的设计历史，对相似度最大的产品实例的设计历史进行设计修改，修改的 方法是采用子实例设计任务满足的修改技术，修改后通过重解整个约束网络， 如果所有的约束都能满足的话，则推理成功，否则重新选择设计模板，再重新 进行产品实例检索，重复前面的设计过程直到满足整个约束网络为止。在修改 的过程可以随时调用设计知识库，取得相关的设计知识。 图2 2基于实例推理相似产品系统设计流程图 这种设计方法始终将满足设计任务作为首要目标，用产品实例修改的容易 程度作为评价整个设计方法成功与否的重要依据。它的关键在于如何在较短的 时间内找到深层次的相似产品实例作为设计任务的原型，以便确保推理成功， 第1 0 页 并且产品实例修改方便，也是体现智能化行为和鲜明特点。 2 3铸件产品设计分析 本课题尝试将基于实例推理相似产品系统设计方法应用于精密铸件产品设 计。以熔模精密铸造的铸件产品设计过程为例来说明整个基于实例推理的相似 产品系统设计的过程，并编写应用软件系统来模拟铸件产品设计实践。本课题 的设计方法之所以能够应用于熔模精密铸造的铸件产品设计，原因基于以下两 个结论： 结论l ：铸件产品设计是典型的轻理论、强经验的设计领域。 下面通过对熔模精密铸件产品设计过程作简要介绍来说明结论l 的正确 性： 熔模精密铸件产品实例设计往往由一些对整个熔模精密铸造工艺、设备等 比较精通的具有丰富熔模精密铸造经验的技术人员担任，而这些丰富经验来源 于多次实验，或自己多年工作的心得。 根据笔者工作经验，一般熔模精密铸件产品设计可以分为三个设计模块： 1 根据零件图进行铸件结构设计，包括绘制铸件图，分析铸件结构的工艺 性，进行防变形设计、确定尺寸综合收缩率和一些工艺参数等； 2 设计铸件浇注系统，包括浇口设计和浇道设计以及选择合理的铸件蜡模 焊接工艺方案； 3 在上述基础上进行压型设计，包括锁紧机构和定位机构的设计，并且绘 制压型设计图： 口亟圃 图2 3铸件产品设计的三个主要设计模块 一个合格的铸件产品设计的主要有以下三个原则和要求： ( 1 ) 铸件结构设计要合理，尺寸缩放要精确； ( 2 ) 铸件的浇注系统设计要合理，在铸造中不能有铸造缺陷的产生； ( 3 ) 压型设计结构合理，并且拆模效率要高，压型表面粗糙度高； 1 铸件结构设计：铸件结构设计包括铸件防变形设计，工艺方案设计，最 第1 1 页 叶，嘶一嘻，辩，峙碍嶙呻i*，：，雒一锴崎，哺，肆嘶。一、，肆唧、崎，辱，嗨，靠，奢，蕾，雌尊t一- -p，r鬈-，。参，一妒-。f。r。p-pr。rr争：，羹叁一。参。rlr，孓-t，kk；-。，。r参卜r。p，。rr，打争，。耘 图2 6铸件压型设计的主要设计内容 紧机构设计 ( i ) 定位机构 所有以压型的组成块，都必须处于既定的位置，才能保证型腔的尺寸精度。 压型的定位构件，型体间定位用的定位销，组成块之间的稳定销，以及活块和 型芯的限位销等，在压型的制造和使用过程中都有重要作用。下图是常用的几 种类型定位机构： 第1 2 页 繁，#f、4q，哔弋。，?_ ， 一lrrlrr参疋矿争。争；，置r参和 图2 7铸件定位机构设计的两种方式 ( 2 ) 锁紧机构 锁紧机构压蜡前将压型所有组成块牢固地锁紧成一体，保证压蜡时都不 涨开，不错位，不跑蜡，所用的各种螺栓、卡环等机构。常用的锁紧机构分类 型如图所示： 图2 8铸件锁紧机构设计的三种方式 注：在上面的铸件设计分类中n 表示并列分类：n 表示层次分类 铸件产品设计过程繁琐，三个主要设计模块之间存在着许多的制约关系， 如：浇注系统设计在整个铸件产品实例生产中起着举足轻重的作用，设计不好 需要重新设计时，有可能直接导致压型设计的失败或是整个铸件产品的报废； 而- n 压型设计的不好的话，不但会使拆模的效率很低，影响铸件的外观质量 而且也会影响生产进度。铸件产品实例设计质量的好坏将直接影响到铸件生产 的效率和铸件的质量。 在铸件设计的很多过程中没有既定的公式可用，完全依靠设计者的经验。 比如：铸件浇注系统，压型设计，铸件的尺寸收缩率等模块的设计都有一定的 规律可循，但这些规律是科技人员在长期的实践中进行摸索，经过大量的调查， 精心总结出来的宝贵经验。如：浇注系统的设计到目前为止还没有可靠的数学 公式来进行计算，有经验的铸件设计人员通过观察零件的外形就能估算出浇口 的大小和安放位置、形状以及浇口棒的选用等，而且一般都比较准确。拆模工 人对压型设计中拔模斜度的大小，锁紧机构，定位机构等功能模块的设计的好 第1 3 页 唯，峰x_鸭嶙，氟 ，*，专、，肆臻 霉=、_，*，懈 畔嶙t q k-i鬈鬈k可争瓢krr争擎klf擎王-jr，k-f参f势p参krt争，。r参叠lro器篓釜，一ll，秒 坏都有着直接的体会，对于压型设计的定位机构、锁紧机构等可以有前面总结 的多种设计方法，哪一种设计方法最优是在长期的实践中总结出来的；检验人 员对铸件收缩率直接进行检验，对各个钢种收缩率比较清楚。铸件产品设计的 过程中，将铸件人员、拆模工人、检验员的经验直接体现在设计中，这个铸件 产品的设计水平就很高了。从上面的论述可以得出：铸件产品设计是典型的轻 理论、强经验的设计领域，因此，符合本课题设计方法应用的基本条件。 结论2 ：在一定的尺寸范围内，对于形状相似的铸件它的产品设计是同等 相似的。 这个结论的得出是基于以下的原因： 从经验可以得出：铸件的浇注系统设计和压型设计等一系列的设计都取决 于铸件产品实例的形状。浇注系统是高温钢水在凝固过程中对铸件本体起补缩 作用的通道，两个形状相似的铸件补缩通道是相似的，它的浇注系统设计也应 该是相似的；压型设计是精铸过程中的蜡模成型的主要设备，制造出特定的蜡 型是压型设计的目的，因此，铸件形状是一个压型系统的关键要素，定位机构 和锁紧机构等的设计对于压型的成型起辅助作用，因此，在一定的尺寸范围内 两个形状相似的铸件其压型设计也应该是相似的。 但这个结论有个约束条件，必须在一定的尺寸范围，如两个铸件产品的形 状尺寸相差较大时，铸件的浇注系统设计会发生较大的变化，相应的压型设计 也会发生变化。这个尺寸范围一般根据笔者的工作经验认为可以在3 0 以内。 这一约束条件对论证的结果是必须的，后面章节正是利用了这个约束条件进行 了相似实例的条件检索。 2 4轧机入口滑动导板铸件产品特点 某熔模精密铸造厂主要产品实例是为全国各大钢厂的轧机铸造各种主要的 备件，轧机入口滑动导板是其中主导产品实例之一 1 轧机入口滑动导板的作用： 一条轧钢生产线，从原料钢锭到成品钢材中间要经过许多道次的轧机才能 完成。轧机导板的作用是正确地将轧件导入轧辊孔型：保证轧件在孔型中稳定 地变形，并得到所要求的钢材几何尺寸和形状：顺利地将轧件由孔型中导出， 防止缠辊；控制和强制轧件扭转或弯曲变形，按一定的方向运动。导板装置是 在不规则的受力，高温与激冷交变热冲击，高速下摩擦等极其恶劣的条件下工 作。据一些钢厂的生产统计表明，约有5 0 以上的生产故障是由导板装置造成 的，因此，在生产时导板装置的更换十分频繁，属于易损件，任务量大，是轧 机的主要备件之一。 第1 4 页 * 日 惜 q蝉瓣甘钟嘈谛叶苹r ，“_，一_， ；ii长k-赫参量孓0ll【孓h争争。雾，争寥t。妒争轸r 多不同的孔 线轧制道次 家的轧机导 全国各主要 由于在全国许多钢厂都有定货，上述两个特点决定了该企业的产品在外形、 材质、重量等方面存在很大的相似性，从实际情况看，在大多数导板的铸件设 计只需