（机械制造及其自动化专业论文）基于kbe的电力变压器设计研究及开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 设计是一个含有高度智能的人类创造性活动，现代产品设计是基于知识的 设计。以知识为基础的新产品竞争是2 1 世纪企业技术竞争的核心。因此，把基 于知识工程( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ，k b e ) 的技术应用到产品设计领域 具有重要的理论意义和实用价值。 现代产品设计的基本理论与技术是基于知识驱动的产品设计开发系统研究 的理论基础。因此本文在对知识的概念、知识表示、知识获取和知识推理等人 工智能方面理论进行分析以及与课题相关的现代设计技术进行了阐述后，深入 研究了一种基于知识驱动的产品设计体系结构。知识的表示和推理是系统关键 技术。 自1 9 世纪变压器问世以来，至今已有1 0 0 年的历史。在百十余年的历史进程 中，作为电力系统重要设备之一的电力变压器，与电力系统发展的同时，也获 得了飞速的发展。针对传统c a d 系统对产品智能设计支持的不足，以智能化产品 设计方法为目标，从“知识驱动”这一现代产品设计开发的新方法，通过将基 于知识工程的技术融合到电力变压器方案设计和c a d 技术之中，进行智能产品设 计系统的研究和开发应用，提高产品的设计质量和设计效率，赢得市场的竞争。 本文以电力变压器设计为研究对象，通过对k b e 基本理论和关键技术研究， 结合在企业搜集、整理的电力变压器设计知识和经验，归纳整理出符合k b e 技术 的电力变压器设计经验知识，据此提出了基于知识工程的电力变压器铁芯方案 设计流程。结合变压器铁芯截面优化的技术，开发出快速实现铁芯截面优化的 功能模块，同时将经验知识熔入到设计系统中去。一方面利于吸取已有产品的 成功经验、同时符合企业设计人员的设计习惯，具有良好的实用性。同时结合 三维造型技术，提出了铁芯部件的k b e 设计方法，实现在三维模型中的知识驱动 动设计方法。 本文以u g n x 3 0 软件为产品设计平台，以知识工程开发语言k f 语言v i s u a l c + + 的m f c 为开发工具，以知识驱动产品设计方法为指导，开发出基于知识的产 品设计开发原型系统k b e 。针对电力变压器实例完成了方案设计向导、三维建 模的k b e 界面实现、三维建模装配、优化等模块。 最后，论文总结了研究所取得的成果及给出了进一步的研究方向。 关键词：k b e ；智能c a d ；电力变压器：u g n x ：v i s u a lc + 十 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g ni so fl l i g hi m e l l i g e n ta n dc r e a t i v ea c t i v i 哆，m o d e mp r o d u c td e s i g ni s h l o 、l e d g e - b a s e d n e wp r o d l l c t sc o m p e t i t i o n ，w h i c hi sk n o 、l e d g e - b 髂e d i s 也ec o r e o fe n t e r p r i s e st e c h o l o g yc o m p e t i t i o nm2 lc d 血l r y t h 啪f b r e ，t h et e c h n o l o g yo f t h ek n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ( k b e ) v 阳：r ea p p l i e dt op r o d u c t sd e s i g nd o m a i n h a v e 证l p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i 鲥f i c 眦c e 孤da p p l i c a t i o nv a l u e t h eb a s i c 也e o r ya n dt e c l l n o l o g yo fm o d e mp r o d u c t sd c s i 弘i sn 地b 嬲i so f p r o d u c td e v e l o p & r e s e 蹦ms y s t e mw i 也k n o w l e d g ed r i v e n s o ，a f i e r “h a ds e tf 0 1 叶1 1 o na n a l y z i n g 籼mk n o w l e d g ec o n c e 硼。玛k n o w l e d g ed e n o 枷o n ，k n o w l e d g e a c q u i r e ，k n 仇v l c d g er e a s o l l i n g 锄ds oo na n i f i c i a li r l t e l l i g e n c et h e o r ) ，a l s os o m e t e c l l n o i o g y n e l a t i v e 也i st a s k ，也i sp a p e rl u c u l ) r a t eak i n do f p m d u c td e s i g ns y s t e m s 咖c t u r e k n o w l e d g ed e n 0 伽o n 跹dk n o w l e d g er e 够o n i n ga r et h ek e yt e c l l i l o l o g i e s i i l m i ss y s t e m nh 嬲o v e r1 0 0y e a rs c i e n c em e 廿a n s f o m e rc a i l l eo u ti nm e1 9c e n t u r y d u 血g t h eo n eh u n d r e dh i s t o r i cc o u r s ，嬲t 1 1 ei r n p o r t 趾te q u i p m e n ta m 9 n gt h ee l e c t r i c a l s y s t e m ，h a dd e v e l o p e dr 印i d 、v i mt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e r m ma t 仃扫i d i t i o n a lc a ds y s t e mi si n s u m c i e n c yt 0p r o d u c ti n t e l l i g c md e s i 弘a s s i s 乜l n c e ， “血gi r l t c l l i g e mp r o d u c td e s i 印i i l e m o d 勰t a r g e t ，、v i _ 【l l “ 汪o w l e d g ed m e n ”m c t l l o d ， an e wm o d e mp r o d u c td e s i g n d e v e l o p ，b yt e c h n 0 1 0 9 yo fk n o w l e d g eb a s e d e n g i n e e r i n gi n t e g r a t ee l e c t r i cp o w e r 仃a n s f 0 衄e rp r e c e p td e s i g na n dc a dt e c l l l l 0 1 0 9 y ， 塌椭1 9o ni r 此l l i g e mp m d u c td e s i 印s y s t e mr e s e 鲫h 趾dd e v e l o pa p p l i c 撕o ns o 船t o i m p r o v ep m d u c t sd e s i g i lq u a l i t ya n de m c i e n c y ，t o 谢n 也ei n a r k e tc o m l ) e t i t i o n ni sm er e s e 鲫c ho b j e c tm a tp o 、v e rt r a 璐f o m l e r 。d e s i g ni nt h i st h c s i s ，m m u g h s t i l d y i n gt l eb 硒i ct i l e o r i e s 趾dk e yt e c l l i l o i o g ya b o mk b e ，c o n l b “n ge l e c 仃i c v o l 诅g et r a n s f 0 皿e rd e s i 弘k n o w l e d g e 蛆dc x p e r i e n c ec o l l e c t e di ne m e i p r i s e s ，s m u pt 1 1 ee l e 向cv o l 协g e 订蛆s f o m e rd e s i 髓e x p e f i e n c ek n o w l e d g ew h i c ha c c o r d sw i t l l k b et e c l l l l o l o g y ，1 kc o r e c o n c e p t i l a ld e s i 印p r o c e d u r co fe l e c t r i cv o l t a g e 扛a i l s f o 吼c rk i l o w l e d g eb 船e dc n 西n e e r i n gi i lv i e wo f 也ea b o v eh a db e e np r o p o s e d c o m b i n e dp o 、c r 订吼s f o 肌e rc o r es e c t i 6 no 埘m i z et e c l l l l o l o g y ，d e v e l 叩e dr a p i d i i 武汉理工大学硕士学位论文 i m p l e m e n tc o r es e c t i o no p t i m i z e 劬c d o nm o d m e ，f 憾i o nt l l ee x p e r i e n c ei m o 也e d e s i 弘s y s t e ma t 也es a m e t i m e o n0 n e h 舭d ，i t i sb e n c f i t t 0 捌n g m es u c c e s s “ e x p e r i e n c et l l a th a sa k e a d ye x i s t e d ，a tt h es 锄et i l n e ，i th a v eg o o dp r a c t i c a b i l i t y a c c o r d i n g 谢md e s i g n e r sp 耐i c eo fe n t e r p r i c o m b i n et h r e 争d i m e l l s i o n a lm o d e l t e c h n o l o g y ，k b ed e s i g nm e m o d t op m p o s c do nc o r ep r o d u c t sa tt h es 锄et i m e ， i i n p l e m e m t h ek n o w i e d g e “v e sd e s i g i lm e 也o di nt h et h r e e 曲n e i l s i o n a lm o d e l t h i st i l e s i sd e v e l o pp r o d u c td e s i g np r o t o t y p es y g c e mi nu g n x 3 0s o 小a r e ， w h i c hw i t l lk i l o w l e d g ek fl 趾g l l a g eo f髓舀n e e 咖gd e v e l o p m e ma n dl a n g l l a g e m f co f v i s 吼lc + + d e v e l o pt o o l ，k n o w l e d g e 越v e np r o d u c td e s i 朗m 甜l o da sg u i d e a j ma tt l l ee l e c t r i cp o w e r 心眦s f o m e rm s t 粗c e ，h a 、，e nf i i l i s h e ds o m em o d l l l e 勰b l u e 研n td e s i 弘鲥d a n c e ，3 dm o l do fk b ei n t e r e 删i z a t i o n ，3 ds e tu pm 0 1 d 鳃s e m b l e ，o p t i m i z em o d m ee t c f i l l a l l y ，m i sp a p e rs 啪l l pt h er c s e 础a c l l i e v e m e n t s 趾dp o i n to u tt h e 劬h e r o r i e n t i o n k e y w o r d s ： k b e ；i n t c l l i g e n c ec a d ；p o w e r 慨1 s f o m c r ；u g n x ；v i s l i a lc + + i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 现代产品开发工具c a x ( c a d c a m c a e ) 技术的发展是由美国在1 9 7 4 年提出 的以二维为主的数字绘图技术开始的。1 9 8 8 年前后，又提出了基于特征的数字 化参数化建模技术，之后很快发展为超变量的几何全相关建模技术。1 9 9 5 年推 出了基于过程( 设计过程、工艺过程、开发制造过程) 的数字过程引导技术。 自2 0 世纪7 0 年代形成以来，发展迅猛，日趋成熟，已应用广泛到机械、电子、 航空、航天、汽车、船舶、轻工、纺织、建筑及工程建设等各个产业领域。1 。 简单来说，计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 就是用计算机 来进行各种产品的设计和工程设计，它改变了过去人们在绘图板上用手工进行 绘图、设计的状况。计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，简称 c a m ) 向上与c a d 无缝集成，向下方便、快捷、智能高效地为数控生产服务。计 算机辅助工程( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g 简称c a e ) 对创新的设计方案快速 实施性能与可靠性分析，并进行虚拟运行模拟，及时发现设计缺陷，实现优化 设计。有限元是最重要的工程分析技术之一，随着它在各个工程领域中不断得 到深入应用，产品设计发生了革命性的变化。它在逆向工程，特别是再设计阶 段中也是必不可少的一环。目前，c a x 系统的发展趋势主要是集成化、智能化、 网络化。尽管如此，目前的c a x 技术还停留在一个较低的层次上面，而并不是 真正意义上的辅助设计。实际上每一个结构设计参数都是依据一定的设计原理、 准则、规范和经验的，如何把原理、准则、规范和经验等知识结合到c a x 系统 中，使得设计人员只要输入工程参数和应用要求，系统就能依据相关的知识。 自动推理构造出符合要求的数字化几何模型，这就是c a x 技术发展的新阶段 2 】 3 o 虽然传统的专家系统做了大量工作解决了部分问题，但是在多种工程知识 的获取、表示和管理，以及与c a x 系统的集成等方面还存在着明显不足。因此， 有必要根据人工智能的理论，从知识获取、表示、推理和管理等方面进一步拓 宽传统专家系统的内涵和外延，由此而产生的人工智能在工程领域应用的新技 术，即基于知识的工程( k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ，k b e ) 技术“。 武汉理工大学硕士学位论文 变压器是电力系统的主要设备，随着输电距离的增加，输电功率的增大， 对变压器的容量和电压等级的要求越来越高，所以对变压器的设计要求也相应 地越来越高。变压器的设计分为铁芯设计、绕组设计、油箱设计、绝缘材料绝 缘件的设计等，其中各部分的设计繁杂，且由于变压器规格种类多、使用场合差 别大，因此在实际设计过程中，经验占了很多比重。设计人员一般是以相似类型 的变压器产品图纸为参照依据，对比后在原来图纸基础上进行修改并形成新产 品图纸。结合计算机三维造型技术和专家经验信息进行智能设计是提高变压器 设计效率和质量的有效途径。 1 2 研究的目的和意义 1 2 1 研究目的 当前制造业领域的竞争压力越来越激烈，对产品设计提出了更新更高的要 求。但我国机械行业绝大多数企业的c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 应用还停留 在初级阶段，这里所谓的c a d 主要是是c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ( 计算机辅助 绘图) 。传统的二维设计模式，是线框造型系统，不能表达几何数据间的拓扑关 系，而且通常都采用三视图来表达零件，但由于三视图方法表达的不完整性， 给对结构设计并不十分熟悉的有关人员对图纸的理解造成很大难度，没有一个 客观的认识，往往样品加工出来了才发现与其脑中的构思大相径庭，于是不得 不对产品进行返工，对产品进行重新设计。而另一方面，随着计算机技术的发 展，三维造型设计c a e c a m p d m 等技术的日趋成熟为企业高层次的计算机应用 提供了可能。使用原有的二维软件已无法满足企业参与市场竞争的要，提高企 业以c a d 技术应用水平追在眉睫。 现代设计的最重要的特征就是面向市场、面向效率。瞬息多变的市场要求， 对产品的设计、开发提出了严峻的挑战。能否缩短产品开发周期，降低成本， 提高质量是企业继续生存和保证持续发展的关键。 对于经验丰富的设计人员来说，长期从事的设计工作得到的经验需要一个 有效的方式或工具进行总结。对于新入行的设计人员，以往手把手师父带徒弟 似的带新手方式在高级人力资源紧缺的今天不再可行，他们迫切需要迅速掌握 公司前辈们以往积累的经验和技能，以应付目前的工作并能在前任基础上发扬 光大。对公司来说，以往开发过的产品就是公司的宝贵财富，对于相似产品的 2 武汉理工大学硕士学位论文 开发就不必重新设计，完全可以借鉴以往开发的经验进行。这些都是本课题需 要解决的问题。本课题正是适应工程设计这种迫切需要，对电力变压器方案、 结构运用i ( b e 技术设计而进行研究。 1 2 2 研究的意义 结合v i s u a lc + + 软件平台在通用机械c a d 软件基础上进行二次开发，研制 电力变压器的的设计软件，一方面充分利用通用机械c a d 软件的三维绘图功能， 另一方面在对电力变压器设计和制造经验包括图纸和规范等资源整合的基础 上，开发包括电力变压器图形库、产品案例库在内的专门用于电力变压器设计 人员使用的计算机辅助设计软件，通过软件的开发和使用，促进电力变压器产 品设计软件的集成化和智能化，提高设计效率，在减轻设计人员的工作量的同 时减少图纸的差错；通过与u n i g r a p h i c s 强大的三维建模平台的接口，能够进 行方案智能设计、虚拟装配、优化分析等。节约了设计成本，提高设计质量， 缩短产品的开发周期，将人工智能技术、数据库技术应用于设计中去，快速设 计其结构方案，进一步提高公司的技术水平、企业形象和在市场中的核心竞争 力。研究基于知识工程的计算机集成系统对变压器制造企业在“以市场需求为 中心”的激烈竞争中有着很强的应用价值，对我国变电设备制造企业和国民经 济的发展有重要的现实意义。 1 3 基于知识的工程( k b e ) 研究概况与国内外发展动态 k b e 是当前国内外研究的热点，英国c o v e n ：旺y 大学，c r 跹如l d 大学，美国 w 嬲h i n g t o n 大学等都正在开展k b e 的研究，许多跨国公司b o e i n g 、g e n e m l b l e c 仃i c 、f o r d 、b r i t i s ha e m s p a c e 、j a g i l a r 、l o t u s 、s a a bf r o me u r o p e 、m i t s u b i s l l i 、 h i t a c h i 、m a z d a 、h o n d a 、m a t s l l s i i t a 等都成立了专门的k b e 研发部门【1 0 1 。 u g 等公司组成的北美强协调小组、娜赞助支持的k b o 组织和 c o v e n 仃y 大学与几家大公司组成的m o k a ( m e t h o d o l o g ya i l dt o o l s 耐e n t e dt o n l o w i e d g e b a s e de n 西鹏盯i n ga p p l i c a t i o n s ) 组织每年都召开年会，交流k b e 研 究的最新成果。已开发的k b e 应用开发工具有n a s a 的c l i p s 、b r i 曲抑a r 的 越盯、c 锄s o f t 的d c l a s s 、h a l e ye n t e 甲r i s e 的e c l o p s e 等，特别是c o n c e 慨 的l c a d 、t e c h n o s o f t 的a m l 、h c i d ec o r p o m t i o n 的q t e n t 能把规则知识与凡 3 武汉理工大学硕士学位论文 何图形相结合，能方便的用以开发k b e 应用系统。 强应用成功的实例很多【9 】，如英国航空公司( b r i t i s ha e r o s p a c e ，b a e ) 就 使用i c a d 来设计机翼以及用来将1 5 0 座的a 3 2 0 “拉伸”成1 9 5 座的a 3 2 1 的两 个额外机身部件之一。在设计a 3 4 0 6 0 0 的机翼时，i c a d 得到了广泛的应用。 如果使用传统的c a d 软件进行设计，a 3 4 0 6 0 0 的所有翼脚将耗费整整一年( 一 个工作人员) 的时间；而如果利用i c a d 的话，即使其他条件都相同，却只需要 1 0 个小时! 另外，飞机设计需要无数次的、让人难以忍受的反复过程，而有了 i c a d 以后，则只需要描绘出这些设计原则的不同之处，其余的就可以由软件 自动完成了。 国内k b e 的研究尚处在起步阶段，上海交通大学、同济大学、华中科技大 学、吉林工学院分别就模具、汽车车门、齿轮等特定领域的k b e 的应用进行了 研究，对知识的处理技术的研究有待进一步深入。 1 4 变压器c a d 技术的发展动态 1 4 1 变压器技术的发展 自1 9 世纪变压器问世以来，至今已有l o o 年的历史。在百十余年的历史进 程中，作为电力系统重要设备之一的电力变压器，与电力系统发展的同时，也 获得了飞速的发展。1 8 8 5 年，世界上第一台变压器诞生于欧洲，那时只应用在 单相供电系统中，1 8 9 0 年才制成了三相电力变压器。可是现在已能生产容量为 上千兆伏安的巨型变压器。仅就我国而论，随着5 0 0 k v 大型变电站的建立，将 要生产容量为2 4 0 、3 6 0 m v a 的变压器。三峡水电站将要采用7 0 万k w 机组，与 之配合的变压器容量将为9 0 0 m v a 。我国目前生产变压器的大、小厂家约为5 0 0 多个，而且生产变压器的型号、结构、参数、性能在不断更新。诸如节能型的 低损耗变压器、s f 6 变压器、超导变压器，其产品性能不断向体积小、重量轻、 低噪音、高效率、强过载、抗冲击的方向前进嘞，。 1 4 2c a d 技术在变压器工程中的应用 变压器c a d ，即计算机辅助变压器设计，是c a d 技术在产品设计领域的具 体应用之一；c a d 技术在变压器设计领域的应用开始于五十年代，这个时期变 4 武汉理工大学硕士学位论文 压器的c a d 技术主要是将传统的变压器尝试设计过程的由手工完成的性能分析 的工作交给计算机来完成，以节省计算时间，加快设计过程的进程。 六十年代后，随着数值计算技术的发展以及计算机的运算速度、存储能力 和计算机外围设备水平的不断提高，变压器c a d 技术进入了设计优化、设计综 合和计算机辅助绘图阶段。 九十年代以来，随着微型计算机的普及，计算机和外围设备的迅速发展， 以及数据库技术，软件工程理论在各种数值计算方法的成熟，变压器c a d 技术 不仅在内容上，而且在方法上都发生了显著的变化o 。它的应用不只局限于科 学计算，而是以科学计算、图形处理和数据库等具有多种功能的集成软件系统 形式提供给用户使用。 与国外相比，国内c a d 技术起步较晚，变压器c a d 技术的水平也比较低， 各领域的应用研究和国外差距就更明显，而变压器作为国民经济发展的基础元 件，其c a d 研究之重要性是明显的。正因如此，“七五”期间，机电部有针对 地开展了中小型的c a d 研究，有效地提高了中小型变压器的设计效率。采用计 算机进行变压器设计开始于七十年代末，主要用于电磁设计方面。目前，变压 器行业的各厂家和单位己广泛开始使用计算机辅助变压器设计，计算机在变压 器设计的应用不仅仅局限于电磁性能校核、优化设计和通风散热等传统的计算 功能上，由数据库支撑、具有绘图功能的c a d 系统的研究和开发也取得了一定 的成绩。 计算机具有强大的计算能力，但它毕竟不能完全替代设计人员的设计工作， 因为人的思维具有创造性。所以，在工程设计的领域计算机技术只能起到辅助 作用，把重复性，计算量大的工作交给计算机来完成，而设计人员来完成创造 性的工作。在变压器设计过程中，c a d 技术一般应用在以下几个方面： ( 1 ) 性能分析。性能分析的目的是根据变压器设计参数，计算出变压器的 各性能指标。性能分析是变压器设计的基础，其准确性直接决定着变压器设计 的精度。早期的性能分析主要依据磁路模型进行变压器性能的计算，对变压器 内的实际电磁关系作了很多简化。近年来的数值分析方法的逐渐成熟和计算机 技术的发展，已经可以采用更准确的数值计算分析方法对变压器的各项性能进 行分析计算，计算分析的范围也不断扩大，从电磁性能的电磁场分析到变压器 的通风发热、机械计算等。 ( 2 ) 方案设计。方案设计的目的是根据给定的性能要求确定变压器的设计 5 武汉理工大学硕士学位论文 方案，属于典型的逆向问题。早期的设计工作由人工来完成。即设计人员根性 能分析的结果判断设计方案的合理性并且决定如何调整设计方案，通过对设计 方案的反复调整计算，得到一个合理的设计方案。后来逐步发展为采用计算机 进行设计工作，如综合设计，优化设计、专家系统等。 ( 3 ) 计算机绘图。变压器设计方案的最终结果表现为工程图纸。早期的绘 图工作是由设计人员手工完成的，是设计工作中工作量最大的一个过程。后来 随着计算机硬件水平和软件水平的的提高、交互式计算机辅助绘图软件得到发 展与应用，绘图工作逐渐采用交互式绘图软件、通过设计人员和计算机的交互 而完成，这种方式本质上是和手工绘图是一致的，只是采用计算机代替了绘图 板，采用绘图仪输出图纸，但采用计算机绘图修改比较方便。参数化绘图是近 年来发展起来的绘图技术，采用一组参数来决定图形中各个实体的尺寸数据和 其中的关系，当参数改变时、可以迅速重新生成图纸，特别适合系列变压器的 绘图。 近年来，随着工程数据库技术的发展，采用工程数据库技术，把变压器设 计的各个部分集成在一起，形成一个c a d 系统已经成为可能。变压器c a d 技术 的最终发展方向是以工程数据库为核心，把性能分析、方案设计和计算机绘图 集成在一起，形成包括整个变压器设计过程的系统。 1 4 3 变压器c a d 的发展趋势 针对变压器设计c a d 背景及变压器c a d 的现状，结合其它行业c a d 技术的 研究与发展，认为变压器c a d 技术近年来应主要围绕以下几方面开展研究。 ( 1 ) 变压器c a d 的接口与功能 变压器设计需要设计人员充分发挥其设计意识，因而一个优异的变压器c a d 应从给设计者提供一个充分发挥其设计意识的环境出发，并同时具备良好的人 一机接口及用户界面、丰富且实用的辅助功能和各种快速定位、查询、修改、 扩充功能等。 ( 2 ) 变压器c a d 系统 应避免进行单一功能的变压器c a d 软件的开发，如单纯的设计、计算、优 化、绘图等，而是致力于进行设计分析、优化、绘图的集成化c a d 系统的开发， 尤其对批量大并已系列化的变压器，更应注重c a i 系统的开发。另外，各种c a d 系统的开发，还应建立在数据库能共享的基础上，以最大限度地提高设计速度、 6 武汉理工大学硕士学位论文 质量及效率。 ( 3 ) 变压器k b e 系统 变压器设计过程中伴随大量的经验参数、曲线、图、表等，而这些经验数 据经多年的实践考核，都基本上有了取值规律或范围，因此可结合k b e 技术， 建立一个工程知识库及相应的变压器c a d 知识系统，从而为最终的设计自动化 奠定基础。 1 5 论文的主要研究内容 在大量文献资料和广泛向制造厂家、领域专家咨询调研电力变压器设计知 识的基础上，本文对基于知识工程( k b e ) 技术电力变压器设计方法进行分析研 究，主要研究内容如下： ( 1 ) 深入分析和研究人工智能学中知识表示、知识推理等基本理论，研究 人工智能技术在c a d 软件中应用的设计方法，对基于知识工程( k b e ) 的开发体 系结构的原理和方法进行研究。 ( 2 ) 对电力变压器铁芯方案设计进行分析，基于k b e 技术对铁芯截面直径 进行求解，对级数和级宽优化结果进行整理利用，利用专家经验知识指导铁芯 方案设计，达到最佳方案。 ( 3 ) 研究基于u g n x3 0 和v i s u a lc + + 软件平台的c a d 二次开发技术，研 究v i s u a lc + + 和u g n x 的接口实现，实现从方案设计到详细设计的无缝集成， 并开发相关模块。 ( 4 ) 研究三维几何建模对外部数据库的访问技术，研究数据库对三维几 何模型的控制，实现三维几何建模和数据库集成。 ( 5 ) 研究u g k f 下几何模型的优化实现技术，也是系统知识的一个重要组 成部分。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章k 眭系统的理论基础 如前研究所述，k b e 的内涵是c a x 和人工智能( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，a i ) 的集成，k b e 系统是一种新型的知识处理系统，它通过 对知识管理实现设计过程的自动化。由此可见，知识管理技术对强系统有着 至关重要的作用，它直接决定产品的自动化设计过程是否得以实现。因此，本 章将围绕姬系统的开发过程，重点讨论k b e 系统中知识表示、知识获取、 知识推理、知识建模等基础性技术，为后续章节深入研究k b e 系统打下理论性 基础。 2 1k b e 的定义与方法 2 1 1k b e 系统的定义及技术内涵 基于知识的工程( k b e ) 系统是人工智能( a i ) 原理、方法和技术在产品开发领 域中的应用，是人工智能的一个重要分支，也是一种新的产品开发模式。 由于k b e 技术的开放性，迄今为止，尚无一种公认的、完备的k b e 定义。 英国c o v e n t r y 大学的k b e 中心认为：k b e 是一种存储并处理与产品模型有 关的知识，并基于产品模型的计算机系统；是目前促进工程化、实用化产品开 发的最值得注意的软件方法。 美国w a s h i n g t o n 大学机械工程系的d a l ee c a l k i n s 教授认为：k b e 是一种 设计方法学，将与下一代c a d 技术紧密结合。使用启发式的设计规则，它将涵 盖构件、装配和系统的开发。k 髓系统存储产品模型，它包含了几何和非几何 信息，以及描述产品如何设计、分析和制造的工程准则。 美国f o r d 汽车公司的j a p e n o y e r 等人认为：k b e 运用知识完成工程任务， 这些知识是特意积累和存储的，并以计算机作为中介。k b e 通常意指使用一些 计算机系统，如专家系统、基于网络的知识库等。 英国c r a n f i e l d 大学的h u i h u a l i 博士认为：k b e 是一种特殊类型的基于知识 的系统，它专注于工程设计以及后继的制造、销售等活动。 美国u g s o l u t i o n 认为：k b e 是获取智能对象或人造物( 如零件) 的生命周期 内实质的方法学，包括操作性、功能性和性能的要求，以及获取它的进一步变 8 武汉理工大学硕士学位论文 化。 u g s 更进一步指出，k b e 是可以记录和重用工程设计规则的系统、是可以记 录和重用工程设计公式的表单、选择和装配相关零件的系统。 上海交通大学模具c a d 国家工程研究中心提出：i ( b e 是通过知识驱动和繁 衍，对工程问题和任务提供最佳解决方案的计算机集成处理技术。k b e 的内涵 可以概括为：k b e 是领域专家知识的继承、集成、创新和管理：k b e 是c a x ( c a d c a m c a e ) 技术与a i 技术的集成“”。 总的来讲，k b e 是利用知识来驱动产品开发，以工程知识的获取、表示和 应用作为研究重点，以提高产品开发的智能化并提出最佳的产品开发方案为目 标。 其内涵如下： ( 1 ) i ( b e 系统是关于某一工程领域的设计开发的处理过程，是领域专家知 识和经验的归纳总结，具有很强的针对性和专业性。如变压器铁芯开发k b e 系 统是专门用于变压器铁芯开发的系统： ( 2 ) ( b e 系统是现代产品开发工具c 3 p ( c a d c a 彤c a e p d 吣与a i 技术的集成； ( 3 ) k b e 是基于产品模型的计算机系统，其核心问题是领域知识的管理、 表达和重复利用； ( 4 ) k b e 系统通过对领域知识的深入理解，具有解决该领域内技术问题的 能力； ( 5 ) k b e 利用匹配模型、经验数据和逻辑推理规则解决产品设计问题，而 不是通过求解数学模型解决产品设计问题 ( 6 ) k b e 系统通过将知识和设计流程软件化，使设计开发的自动化程度大 大提高，工程师不必控制开发过程的每一个环节，只需关心创造性的设计环节， 因而，大大减少工程设计人员的劳动强度。 2 1 2k b e 系统的体系结构 从层次上看，k b e 系统分为三层次( 图2 一l 所示) 。 核心层：它是以智能技术为核心的知识系统，主要涉及领域知识到获取技 术、表示方法、推理与匹配机制和领域知识库的维护： 集成技术层：它包括c a d 、c a e 、c a m 及p d m 等技术的集成： 应用层：它反映了k b e 技术面向产品生命周期的各个层次的应用机制和管理系 9 武汉理工大学硕士学位论文 统，目前k b e 技术主要应用于产品设计阶段。 2 1 3 知识的相关特性 图2 1k b e 系统的层次结构 ( 1 ) 相对正确性 任何知识都是在一定条件及环境下产生的，因而也就只有在一定条件及环 境下才是正确的、可信任的。离开一定的条件及环境，就可能变成不正确的、 不可信任的。 ( 2 ) 不确定性 由于现实世界的复杂性，知识并不总是只有“真”和“假”两种状态，而 是在“真”和“假”之间还存在许多中间状态，即存在“真”的程度的问题。 知识的该一特性称为不确定性。 2 1 4 知识的要素 确保k b e 设计系统高效运行的知识要素主要有四个方面：事实、规则、控制、 元知识。 这四种知识要素需要通过合理的描述方式，存储在知识库中，以便于有效 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 地利用它们解决领域问题慨1 。因此，人工智能问题的求解是以知识表示为基础 的，如何将已获得的有关知识以计算机内部代码形式加以合理的描述、存储、 有效的利用，是知识表示应解决的问题，它包括两层含义： 用给定的知识结构，按一定的形式组织知识； 解释所表示的知识的意义。 因此，同一知识可以根据不同的语义环境有不同的表示形式，产生不同的 果。 2 1 5 知识的类型 ( 1 ) 描述性知识 以描述的方式来表示的知识叫描述性知识，包括事实知识和判断知识。事 实知识描述有关对象、事件，例如：“电话在桌子上”等。描述性知识可用数据 结构来表示，使知识作为一种独立于程序的实体存在，把用于解决问题的知识 与程序编制方面的知识有效地分开，描述性知识具有知识表示清晰明确、易于 理解、可读性好等优点。 ( 2 ) 过程性知识 传统的数据处理将知识寓于程序中，即程序就代表着系统解决问题所使用 的知识。这种知识表现类型称为过程性知识。过程性知识针对特定问题，根据 具体的处理步骤用一系列过程来表达，执行效率非常高。但也有其缺点，一是 不易表示大量的知识，且知识难于修改和理解。二是只适合表达完全正确的知 识，稍有含糊的知识就难以用程序来描述。此外，它只适合处理完整、准确的 数据。 ( 3 ) 元知识 所谓元知识就是关于知识的知识。具体说元知识可分为以下几类：第一类是 有关怎样组织、管理知识的元知识，这些元知识阐明了知识的内容和结构的一 般特征，以及分类、综合等有关特征。第二类是有关利用知识求解问题的元知 识( 如在问题求解中所用到的推理方法，为解决一个特殊任务而须完成的活动 的计划、组织、选择等方面的知识等) ，它对领域知识的运用起指导作用。例 如：在解决一个问题的推理过程中往往同时出现两条可适用情况，究竟应采用哪 一条规则，则需要使用一种理论性的标准。这是一种元知识。第三类是有关从 知识源中获取知识的知识。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 知识的获取 目前在知识获取方面虽然开展了多项研究，但是自动知识获取仍是难点； 知识获取工具出现了屏幕编辑和交互式知识库编辑器两种形式。屏幕编辑器适 合于在同一时间内输入大量知识，交互式知识库编辑器适合对知识库进行维护。 通过知识工程师与专业人员进行交流获取知识，这是一种常规的知识获取方法， 但这种方法的缺点在于知识工程师必须领会专业知识。获取浅层的知识一般采 用笔记本记录的方式和基于知识问答模块的方式；对深层的知识需要经过授权 后，由专门的设计人员在设计产品过程或设计产品后做必要的总结并填入知识 库。 2 3 知识的表示方法 对于k b e 系统中所涉及到的知识，可以采用不同的方法表示。 2 3 1 一阶谓词逻辑 使用量词和逻辑连接符号做出有关对象、特征、场景和关系的陈述。例如 变压器由油箱部件、器身部件，这种关系可以描述为： 变压器( x ) 一 c o p o s e ( 油箱部件，器身部件) 一阶谓词逻辑表示的优点为： ( 1 ) 记号简单，模块化描述易于理解； ( 2 ) 具有很好的理解形式语义的能力： ( 3 ) 能够从已知事实推导出新的事实。 缺点是： ( 1 ) 难以表示过程性的启发式知识； ( 2 ) 由于缺少结构上统一的规则，致使大型知识库难以管理。 2 3 2 语义网络 语义网络是通过概念及其语义关系来表达知识的一种方法。从图论的观点 看，它其实就是一个“带标识的有向图”。”。其中，有向图的节点表示各种事 物、一概念、情况、属性、动作、状态等。弧表示各种语义联系，指明它所连 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 接的节点间的基本种语义关系。节点和弧都必须有标识，以便区分各种不同对 象以及对象间各种不同的语义联系。每个节点可以带有若干属性，一般用框架 或元组表示。另外，节点还可以是一个语义网络，形成一个多层次的嵌套结构。 语义网络表示的优点： ( 1 ) 能简单准确地表示出重要的联系； ( 2 ) 能在网络层中建立特性继承关系 ( 3 ) 直观清晰，便于理解，并适用不确定性推理； ( 4 ) 具有联想性。 缺点： ( 1 ) 通过对网络进行操作得到的推理并非都能有效； ( 2 ) 需要强有力的组织原则搜索，否则将陷入无穷去路支路。 2 3 3 产生式规则 产生式规则一般用三元组( 对象、属性、值) 或( 关系，对象l ，对象2 ) 来表 示，它的巴科斯范式定义为：( 产生式规则) ：= ( 前提部分) 一( 结论部分) 。规则 库中有大量产生式规则，它以i f t h e n 的形式存在，如下所示： r u l e _ i d r u l en 鲫e c o n d i t i o n s i ft h e ne l s e k e y w o r d s 产生式规则的优点： ( 1 ) 模块化，可以提供高粒度的信息( 事实和规则) ； ( 2 ) 易于表示启发性知识，允许更多的直接演绎处理特殊领域的信息： ( 3 ) 易于跟踪由行业引起的改变； ( 4 ) 可用作陈述性知识和过程性知识之间进行互相作用的控制机制。 缺点是： ( 1 ) 在大系统中则难以保持不重复； ( 2 ) 对规则之间相互作用的限制可能导致降低其执行效率； ( 3 ) 需要解决一致性和完整性的问题，缺乏形式化描述的能力： 在工程实际中，产生式规则类所占的比例很大。 1 3 武汉理工大学硬士学位论文 2 3 4 面向对象的表示 在面向对象方法中，类、子类、具体对象( 又称为类的实例) 构成了一个层 次结构，而且子类可以继承父类的数据及操作。这种层次结构及继承机制直接 支持了分类知识的表示，而且其表示方法与框架表示法有许多相似之处，知识 可按类以一定层次形式进行组织，类之间通过链连接实现联系： 正如用框架表示知识时需要描述框架结构一样，用面向对象方法表示知识 时也需要对类进行描述，下面给出一种描述形式： c l a s