（机械制造及其自动化专业论文）基于仿真知识的甘蔗收获机械智能设计系统决策推理机制的研究.pdf

基于仿真知识的甘蔗收获机械智能设计系统决策推理机制 的研究 摘要 本论文是结合国家自然科学基金资助项目。基于知识的甘蔗收获 机械智能设计系统关键技术研究”而展开的。 论文研究了甘蔗收获机械各关键部件的功能结构与物流分析的 基础上，提出了甘蔗收获机械创新设计流程，并结合专家系统的一般 结构给出了甘蔗收获机械智能设计系统的总体机构。根据甘蔗收获机 械相关设计知识具有复杂性与关联性等特点，研究了知识的表达方 式，选择了产生式表示法和面向对象表达方式相结合的混合表达方 式由于甘蔗收获机械设计相关知识模糊性的特性，本文在研究规则 推理的基础上，研究了模糊规则推理；并且根据甘蔗收获机械设计流 程提出了甘蔗收获机械智能设计系统整体推理流程，最后建立了扶蔗 机构与动力匹配的基于知识的规则推理。 针对甘蔗收获机械智能设计系统知识库知识的数量相对匮乏以 及基于规则的推理机效率不高，本文着重研究了将甘蔗收获机械虚拟 设计中得到的仿真知识与试验研究数据，提炼为可为智能设计系统所 运用的知识的方法，并在此基础上完成了甘蔗收获机械关键部件决策 推理机。首先研究了将仿真知识提取为可为智能设计系统所用知识的 方法，并研究了综合模糊评判的二级模型；然后将规则推理得到的设 计方案进行仿真分析，最后将仿真分析结果进行综合模糊评价，得到 推理方案的优劣评价结果。为了完善甘蔗收获机械智能设计系统，本 文还建立帮助系统，提高设计人员与知识工程师工作效率。 关键词：智能设计甘蔗收获机械规则推理模糊综合评判基 于仿真知识的决策推理 t h er e s e a r c ho nt h ed e c i s i o n m a n g r e a s o n i n gb a s e do ns i m u l a t i o nk n o w l e d g e a b o u tt h ei n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e mo f s u g a r c a n e h a r v e s t e r a b s t r a c t t h i st h e s i s 缸b a s e do nt h ei t e ms u b s i d i z e db yn a m r a la n ds e i e n t i f i c f o u n d a t i o nn a m e d 鄱。t h er e s e a r c ho nk e yt e c h n i q u eo fi n t e l l i g e n td e s i g n 帮s t e m a b o u ts u g a r c a n eh a r v e s t e rb a s e d0 1 1k n o w l e d g e t h 函t h e s i sm a k e sr e s e a r c ho hs u g a r c a n eh a r v e s t e rt h ek e yc o m p o n e n to f s u g a r c a n eh a r v e s t e ra n dt h ef l o w o fh a r v e s t e r a c c o r d i n gt ot h e g e n e r a l s t r u c t u r eo fe x p e r ts y s t e m , i tg i v e st h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fi n t e l l i g e n td e s i g n s y s t e mo fs u g a r c a n eh a r v e s t e r s t u d i e do nt h ee x p r e s s i o nm e t h o d so fk n o w l e d g e , a c c o r d i n gt ot h ek n o w l e d g eo fs u g a r c a n eh a r v e s t e r sc h a r a c t e r i s t i c , s u c h c o m p l e x i t ya n dc o n n e c t i o n ，i ts e l e c t st h ec o m m i n g l i n gm o d a lo ft h ek n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n w h i c hc o m p o s e sp r o d u c t i o nr u l ea n do b j c o t - o r i e n t e d t h e k n o w l e d g eo fs u g a r c a n eh a r v e s t e ra l s oh a v ef 呐c h a r a c t e r i s t i c s ot h ep a p e r s t u d i e so nf h 2 z yr u l e - b a s e dr e a s o n i n 昏u p - l i f td e v i c ea n ds u g a r c a n eh a r v e s t e r s m o t i l i t y - m a t c h i n gr u l e - b a s e dr e a s o n i n gb a s e d0 1 1k n o w l e d g ei sf o u n d e d t h ei n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e mo fs u g a r c a n eh a r v e s t e r 缸s h o r to fk n o w l e d g ei n d a t a b a s ea n dh ul o we f f i c i e n c yi nr u l e - r e a s o n i n gm a c h i n t h i sp a p e rs t u d i e so l lt h e e x t r a c t i o nw a y sf o rs i m u l a t i o nk n o w l e d g ea n de x p e r i m e n td a 恤t h a tc a nh eu s e d b yt h ei n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e m a n dt h ed e c i s i o n - m a k i n gr e a s o n i n gm a c h i n ef o rt h e k e yc o m p o n e n to fs u g a r c a n eh a r v e s t e ri sf o u n d e d t h es t e p so fd e c i s i o n m a k i n g r e a s o n i n gs y s t e mb a s e d o ns i m u l a t i o na r ea s f o l l o w s ：f i r s t , s t u d y o ut h e e x t r a c t i o nw a y sf o rs i m u l a t i o nk n o w l e d g et h a tc a nb eu s e db yt h ei n t e l f i g e n t d e s i g n o f s u g a r c a n eh a r v e s t e rs y s t e ma n dt w ol e v e lm o d e lo ft h ef u z z y h i c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；s e c o n d _ ，t h ep r o j e c t st h a to b t a i n e df r o mr u l e - b a s e d r e a s o n i n gs y s t e ma r es i m u l a t e d a tl a s tt h er e s u l t sf r o ms i m u l a t i o na n a l y s i sa r e e v a l u a t e db yt h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns y s t e m s ot h eu s e r sf a ng e t o p t i m i z a t i o np r o j e c tf r o me v a l u a t i o ns y s t e m - f o rt h es a k eo fc o n s u m m a t e i n t e l l i g e n c ed e s i g ns y s t e mo fs u g a r c a n eh a r v e s t e r , h e l p i n gs y s t e mi sb u i l tu p ， i m p r o v i n gk n o w l e d g ee n g i n e e r sw o r ke f f i c i e n c y k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n td e s i g n ；s u g a r c a n eh a r v e s t e r ；r u l e - b a s e d r e a s o n i n g ；蛔c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；t h ed e c i s i o n - w a k i n g r e a s o n i n gb a s e do ns i m u l a t i o nk n o w l e d g e 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权届广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 猢年6 月卿 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发和吭捌： 由卸时发布口解密后发稚 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 黜糍：删：卸晰月舯 广西大掌硕士掌位论文基于仿真知识的甘藿收获机繁智能设计秉簋的决策瓤的研究 第一章绪论 1 1 研发小型甘蔗收获机械的意义及其国内外研究现状 1 1 1 研发小型甘蔗收获机械的意义1 i 蝴 我国是世界上比较大的产糖国之一，主要产蔗糖，蔗糖年产量超过1 1 0 0 万 吨，相应所生产的甘蔗达1 亿吨以上而广西是我国最大的产糖省区，在 2 0 0 5 2 0 0 6 年榨季，甘蔗种植面积超过1 0 6 9 万亩，产糖5 8 8 万吨，占全国产糖的 6 0 以上，成为中国蔗糖生产的半壁江山，涉及甘蔗种植人口达2 0 0 0 多万人， 蔗糖业已成为广西的支柱产业和政府财政收入的主要来源。然而，随着我国加入 世界贸易组织( w t o ) 和中国一东盟( 1 0 + 1 ) 自由贸易区后，这将给广西糖业 带来了严重的挑战，但也带来了难得的发展机遇。由于我国对糖业保护程度比较 低，食糖进口关税比较低，特别是在中国一东盟( 1 0 + 1 ) 自由贸易区规定的食糖 零关税条件下，广西蔗糖业将直接受到产糖大国之一泰国的严重挑战，因为 泰国的甘蔗生产作业成本要比广西的低1 0 0 多元庙，在如此大的差价下，泰国 糖会长驱直入，严重冲击广西蔗糖业，广西制糖工业的国际竞争力将受到很大的 影响。分析造成广西蔗糖业国际竞争力下降的主要因素，认为主要表现在如下方 面： ( i ) 蔗田面积以及单户种植面积过小，甘蔗倒伏严重 由于受到广西地区多丘陵地带的地理情况的影响，广西甘蔗种植户的蔗田面 积小，形状不规则，生产规模也很小，每户种植面积仅为4 亩，与世界上其它的 产糖大国相比，差之甚远。比如美国8 7 0 亩，户，巴西6 0 0 亩，户，古巴1 9 0 亩， 户，澳大利亚5 0 0 亩户，泰国3 7 0 亩户同时在广西地区甘蔗受到台风、季风 的影响倒伏现象比较严重，收割时费时费力。 ( 2 ) 甘蔗砍伐手工化，砍伐成本过高 世界上产糖大国，如美国、巴西、澳大利亚等产糖地区的甘蔗生产机械化程 度，特别是甘蔗收割砍伐机械化程度己达7 0 以上，从而大大地减少了大量繁重 劳动力，提高了生产效率，这对降低甘蔗成本是极为有利的。而我区到目前为止， 甘蔗生产机械化程度基本为零，砍伐、剥叶、去尾、扎绑等环节基本上全靠人力 j 1 可大擘嘎士掌位论文蓉于仿i ；知识的甘囊 收获审嫩智1 t r l - t 爱针l 筑的击蕈推囊的研究 手工完成，劳动效率低，每人每天仅能砍伐o 7 吨左右，甘蔗收割成本高，每吨 在3 5 柏元。若在天气气候比较差或劳动力比较缺乏的情况下，每吨的砍伐成 本要在4 5 元甚至5 0 元以上。 ( 3 ) 制糖企业生产规模偏小，生产效率低下 广西目前的生产糖厂除了几个大型骨干糖厂外，其余的生产规模普遍偏小， 精深加工和综合利用率较差目前广西糖厂平均日榨甘蔗规模仅为3 5 0 0 吨，而 世界上的一些产糖大国的平均糖厂日榨甘蔗比我区大得多，如美国为1 0 0 0 0 吨， 巴西为1 4 0 0 0 吨，泰国为1 6 0 0 0 吨。由于生产规模及效率低下，收割的甘蔗得不 到及时的加工，造成甘蔗的糖份流失影响产糖率。 综合以上分析，为了有效地提升广西蔗糖业国际竞争力，研究既适合小块不 规则蔗田，蔗农又买得起的小型甘蔗收获机械显得更加重要了 1 1 2 甘蔗收获机械国内外研究现状1 3 1 1 1 1 1 4 | l s l l l l r l l l 在国外十九世纪8 0 年代就己开始了甘蔗收获机的研制，大体经过了三个发 展阶段收获机械初级研究阶段：1 8 9 0 年，j o h nr o w l a n d 设计制造了世界第一 台甘蔗收获机，1 9 0 1 年，s o r e nt a l d t 设计的由一匹马拉动的收获机，以及1 9 2 8 年和1 9 3 2 年由c l i f fh o w a r d 先后设计制造了整杆式和切断式甘蔗收获机，并采 用了拖拉机为动力；割后处理技术研究阶段：1 9 5 0 年，w r a s m u s s o n 设计了一台 可以自动完成嫩梢切除、收割和摆放的收获机，2 0 世纪7 0 年代，m a s s e ) f e r g u s o n 提出了甘蔗青杆收获技术等；现代收割技术研究阶段：2 0 世纪8 0 9 0 年代，技 术主流是大功率的连续切断式收获技术日益成熟。大型甘蔗联合收获机的代表厂 商和机型有：英国s e r r a n a 公司，巴西s a h t a l 公司，澳大利亚a u s t o f 公 司生产的t 7 0 0 0 型和t 7 7 0 0 型等，这些机型的2 4h 生产率达到了4 0 0 - 9 0 0t 小 型甘蔗联合收获机代表机型有日本久保田公司生产的u t - 7 0 k 型，松元机工株式 会社生产的m c h 1 5 型等，这些机型功率较小，生产率为3t ，l i 。但是大都是切 断式收割方式，不适合我国甘蔗运输、生产效率低下的特点，并且通过在泰国等 地丘陵地带的实践证明，使用一台t 7 7 0 0 的收获机，其每吨甘蔗的生产成本不 但没有降低，甚至超出人工收获的成本。 从2 0 世纪7 0 年代我国开始进行甘蔗的自动化收获的研发。如4 g z - 1 型整 2 r 冒大尊坷e 士掌曲呻擘文薹舟。仿鼻知识的甘蘑收获棚械智能设计曩兢的掌 策推理的研究r 杆式甘蔗联合收割机、4 ( 3 - 8 0 型整杆式甘蔗联合收割机、4 g z - 9 0 型整杆式甘蔗 联合收割机。4 g - 9 0 型切断式甘蔗联合收割机，4 g z - 2 5 0 型切断式甘蔗联合收割 机等，它们基本上都能够完成切割，剥叶、清净、集堆等工序。目前柳州汉森机 械制造有限公司推出了具有自主知识产权的h s m l 0 0 0 型轮式甘蔗联合收割机，基 本上能够完成甘蔗收割的主要工序，甘蔗输送装置的输送效果也较好；但是根据 目前正在使用的用户反映s m l 0 0 0 型轮式甘蔗联合收割机也存在以下缺点： 1 ) 其价格昂贵每台在3 5 万元左右，不但一般农户买不起，即使对农机出租户价 格也不易接受： 2 ) 其匹配动力在4 2 2 k w ，甘蔗收获每亩的油耗在5 升左右，据农机出租户反 映收割一亩甘蔗利润空间不大： 3 ) 其收割机器较为庞大，结构复杂，机动性差，不能适用于小田块、无规范统 一的种植模式，一般只能收割适合行距为1 米以上的蔗田；不适合复杂的丘 陵地带地理条件作业，爬坡能力仅在1 0 。以下； 4 ) 其砍蔗的破头率在1 5 左右，明显较大，不利于甘蔗的来年的生长； 5 ) 缺少扶蔗机构，对于倒伏现象严重的蔗田，漏砍现象比较突出； 6 ) 没有实现集蔗工序，甘蔗收获完成后只是从输送机构中甩出，增加了作业人 员数，增大了的劳动强度 图1 - 1 h s m l 0 0 0 型轮式甘蔗联合收割机 f i g 1 1h s m l 0 0 0s u g a r c a n eh a r v e s t e r 3 广西失掌硬士掌位敝l 于仿真知识的甘蘑收获机糠鲁麓设计蓉茂的央策推理的研究 1 2 智能设计系统的研究与应用现状 1 2 1 智能设计中的专家系统及其一般结构例1 1 q f i i i i 埘 广义的智能设计系统应该是所有能够支持人类完成设计任务的、具有智能特 性的设计系统。专家系统是人工智能应用研究最活跃、最广泛的领域之一所谓 专家系统就是一个在某一特定的领域内，运用人类专家的丰富知识进行推理求解 的计算机程序系统。研究专家系统的目的，就是要使计算机在特定领域中起到该 领域人类专家应起的作用。专家系统按任务类型可以分为解释性专家系统、诊断 型专家系统、设计型专家系统等设计专家系统的基本思想是使计算机的工作过 程竭尽全力地来模拟人类专家解决实际问题的工作过程，也就是模拟人类专家如 何运用他的知识与经验来解决要解决的问题的方法与步骤。 目前大多数专家系统有六个组成部分：人机接口、知识库、推理子系统、综 合数据库、解释子系统和知识获取子系统各部分之间的组成关系如图l - 2 所示。 1 人机接口 lll 解释器推理机知识获取 l 厂jl 一 p 刁囝 图l - 2 专家系统一般结构 f i g 1 - 2t h eg e n e r a l 刚n k = t l o f e x p e r ts y s t e m 1 ) 人机接口：人机接口是专家系统与领域专家或知识工程师及一般用户的界面， 是维护用户与领域专家的纽带。它由一组程序及其相应的组件组成，用于完成输 入输出工作。领域专家或知识工程师通过它输入知识，更新、完善知识库；一般 用户通过它输入欲求解的问题，已知事实以及向系统提出的询问；系统通过它输 ，冒大掌习f 士掌位圣电- 文l 亏；仿l 知识的甘曩 收获机执鲁能设计胃0 竞的萼- 】 爿嚏的研究 出运行结果、回答用户的询闯或者向用户索取进一步的事实。 2 ) 知识的获取：知识获取与领域专家、专家系统建造者以及专家系统自身密切相 关，是一件相当困难的工作，也是目前人工智能研究较为活跃的部分知识工程 师从领域专家处抽取知识，并用适当的模式将其表示出来，而专家系统中的知识 获取机构负责把知识转化为计算机可储存的内部形式，然后存入知识库。 3 ) 知识库及其管理系统：知识库是知识的存储机构，是智能设计的核心部分，用 于存储领域内的原理性知识，专家的经验性知识以及有关的事实等。知识库中的 知识来源于知识获取机构，同时它又为推理机提供求解闯题所需的知识，与前两 者都有密切关系。知识库管理系统负责对知识库中的知识进行组织、检索、维护 等。专家系统中的其它任何部分如要与知识库发生联系，都必须通过该管理系统 来完成，这样就可以实现对知识库的统一管理和使用。 4 ) 推理机：推理机又称推理引擎是专家系统的“思维”机构，是推动专家系统运 转的核心部分，如同汽车的发动机一般。推理机的任务是模拟领域专家的思维过 程，控制并执行对闯题的求解。它能根据当前已知的事实，利用知识库中的知识， 按一定的推理方法和控制策略进行推理，求得问题的答案或证明某个假设的正确 性。推理机的性能与构造一般与知识的表示方式及组织方式有关，但与知识的内 容无关。 5 ) 数据库：数据库又称为。综合数据库”它是用于存放用户提供的初始事实、 问题描述以及系统运行过程中得到的中间结果、最终结果、运行信息( 如推出结 果的知识链) 等的工作存储器数据库的内容是不断交化的，在求解闯题的开始 时，它存放的是用户提供的初始事实，在推理过程中它存放每一步推理所得到的 结果。推理机根据数据库内容从知识库选择合适的知识进行推理，然后又把推理 的结果存入数据库。 6 ) 解释机构：解释机构能够对自己的行为做出解释。一般由一组程序组成，它能 跟踪并记录推理过程，当用户提出询问时，它将根据问题的要求分别傲相应的处 理，然后把解答用约定的形式通过人杌接口输出给用户 i 2 0 专家系统的国内外研究现状i 廿l l l l s l l l l l l l i l l l s l l 圳 自从1 9 6 5 年世界上第一个专家系统d e n d r a l 问世以来，专家系统的技术和 s ，西犬掌硕士掌位截? 文墓亏唧l 知讽的甘囊 i i 豫瓠麓智麓设计量照的决策推理的葡曙巴 应用在短短4 0 年间获得了长足的进步和发展，特别是8 0 年代中期以后，随着知识 工程技术的日渐丰富和成熟，各种各样的专家系统如雨后春笋般地在世界各地不 断涌现。专家系统的发展大体上经历了三个阶段第一代专家系统( d e n d r a l , m a c s y m a 等) 以高度专业化、求解专门问题的能力强为特点。但在体系结构的 完整性、可移植性等方面存在缺陷，求解闯题的能力弱。第二代专家系统( m y c n c a s n e t p r o s p e c t o r , h e a r s a y 等) 属单学科专业型、应用型系统，其体系 结构较完整，移植性方面也有所改善，而且在系统的人机接口、解释机制、知识 获取技术、不确定推理技术、增强专家系统的知识表示和推理方法的启发性、通 用性等方面都有所改进。第三代专家系统属多学科综合型系统，采用多种人工智 能语言，综合采用各种知识表示方法和多种推理机制及控制策略，并开始运用各 种知识工程语言、骨架系统及专家系统开发工具和坏境来研制大型综合专家系 统。在总结前三代专家系统的设计方法和实现技术的基础土，己开始采用大型多 专家协作系统、多种知识表示、综合知识库、自组织解题机制、多学科协同解题 与并行推理、专家系统工具与环境、人工神经网络知识获取及学习机制等最新人 工智能技术来实现具有多知识库、多主体的第四代专家系统。 我国在专家系统的研制开发方面虽然起步较晚，但也取得了佳绩。例如， 中国科学院合肥智能机械研究所开发的农田施肥专家系统，中国科学院西北水土 保持研究所开发的早地小麦综合管理专家系统，南京大学开发的新构造找水专家 系统，吉林大学开发的勘探专家系统及油气资源评估专家系统，浙江大学开发的 服装剪裁专家系统及花布图案设计专家系统，北京中医学院开发的肝病诊断专家 系统等都取得了明显的经济效益和社会效益，对推动专家系统与人工智能理论和 技术的研究起到了重要作用 1 3 课题的来源及本文要研究的主要内容 本课题来源于国家科学自然基金项目“基于知识的甘蔗收获机械智能设计系 统关键技术的研究”项目编号：5 0 3 6 5 0 0 1 在前人的努力下，基本完成了甘蔗收获机械智能设计系统的知识的表示与管 理系统，建立了基于实例和基于规则的甘蔗收获机械部分关键部件的推理机。如 前所述知识是智能设计的核心，决定着推理机的推理效率。但是甘蔗收获机械智 6 r - 西大掌硪士学位论文i 于仿i ；知识的甘蘑收获审u 曩智麓设计量：翻 的决簟推理的研究 能设计系统中的基于规则的推理更多是依赖领域专家的经验知识，由于推理知识 受限，推理结论仅仅是一些设计参考方案，并且没有考虑到甘蔗种植与生长的状 况，推理效率不高，效果不理想。因此有必要对甘蔗收获机械设计知识库进一步 扩充和完善。同时仿真技术作为现代机械产品创新设计的重要手段，在甘蔗可视 化虚拟设计研究中产生了大量的领域知识，如何将仿真知识运用到智能设计系统 中去，是解决目前系统知识匮乏的关键突破点另一方面智能设计系统原有的推 理机制只是孤立的针对用户对关键部件或者整机要求进行推理求解，关键部件与 整机之间没有有效的联系，最后推理的结果只能是满足用户对某一部件或整机的 要求，而整机与部件并不能协调。因此针对甘蔗收获机械智能设计系统研究的状 况和存在的闯题，本文将完成以下工作； 1 甘蔗收割机械关键部件的设计主要参数对性能参数影响的分析，对整机物料 流程的分析，提出甘蔗收获机械智能设计系统整体结构，完成对专家系统主要功 能模块的研究 2 研究甘蔗收获机械相关设计知识的特点，在此基础上研究知识的表达方式以 及甘蔗收获机械智能设计系统知识的人工获取。 3 在对甘蔗收获杌械智能设计系统总体结构的分析和基于知识的推理系统研究 的基础上，提出甘蔗收获机械智能设计系统的推理系统，基于知识的、从整机到 部件再到整机的设计新思路；在提出新思路的基础上将完成扶蔗机构与动力匹配 的基于知识的推理机。 4 介绍仿真技术在甘蔗收获机械虚拟制造中的应用，研究仿真知识的特点以及 将仿真知识提取为可为智能设计系统所运用的知识的方法。 5 研究基于仿真的决策推理机制与模糊综合评判思想。完善剥叶规则推理，在 完成剥叶仿真知识分析处理的基础上，将规则推理结果进行仿真分析，最后对分 析的结果进行综合模糊评价，将得出良好的评价结果的实例存储到知识库中，将 其中的最佳设计方案推荐给用户 6 介绍微软推出的h t m lh e l pw 硼曲o p 软件和应用方法，完成甘蔗收获机械智 能设计系统帮助系统。 7 ，1 ，大掌硕士掌位论文l 言。仿l 知识的甘蔗j l i 壤审l 械智麓设计熏筑的决蕈推曩e 的研究 第二章甘蔗收获机械智能设计系统的总体结构 甘蔗收获机械是一个复杂的机械产品，在对产品的创新设计过程中，需要对 机械产品各功能部件有个整体的认识；同时结合领域知识的特点对系统应达到的 预期目标进行详细分析并提出合理的总体结构。总体结构的确立是保证系统顺利 开发的基础，它为系统后续具体性能的开发提供方向指引。 2 1 甘蔗收获机械的整体结构 2 1 1 甘蔗收获机械关键部件分析 根据我国糖厂设备、运输等状况的要求，再加上南方的甘蔗大多种植在丘陵、 坡地，受季风、台风影响大，甘蔗倒伏、弯曲较多的特点，目前研制的甘蔗收获 机型，大多是整杆式收割，在结构上一般都具有扶蔗、剪切蔗梢、切根、喂入、 剥叶。输送等主要工序。现将本课题组研究的甘蔗收获机械各部件结构以及其实 现的功能分析如下1 2 0 2 1 r 2 i 2 3 j 口q ： 扶蔗机构功能分析：甘蔗是高秆作物，大多种植在我国南方和东南亚地区， 由于受到台风、季风影响，甘蔗易倒伏、散开，因此在砍断之前要将甘蔗扶至适 合的切割角度。扶蔗机构有两个螺旋辊以及在螺旋辊底端的锥形螺旋辊组成。其 j 围2 - i 螺旋扶蔗器结构示意图 f i g 2 - l t h e b m u g t l i r e o f u p - l i f t d e v i 工作原理是：通过螺旋辊的旋转将甘蔗的倒伏姿态角与侧偏角扶至一个便于收获 丁。十 ，1 ，大掌司e 士掌位论文亏。仿l 知讽的崔- 蘑收获事讳t 鲁- 期靠生计膏溉的决策推理的司 吧 机械断尾和切割的角度。同时给下一个作业( 断尾、切割、剥叶等) 创造有利条 件，提高其作业质量。其主要评价指标是否将甘蔗扶至合适的角度，影响其评价 指标的主要参数是：扶蔗机构结构的参数叶片螺旋角、螺旋直径、螺距，扶蔗机 构的状态参数螺旋辊与地面夹角、螺旋辊下端到刀尖的距离，以及扶蔗机构的运 动参数扶蔗器转速、机械行走速度。螺旋扶蔗器结构图如2 1 所示。 断尾机构功能分析：由于甘蔗尾部还有很多青叶，般来说要在剥叶之前必 须要将尾部的青叶切断，否则不但增加剥叶机的负担，而且含杂率过高还会影响 产糖率。它包括扶蔗尾导向机构、对甘蔗进行双侧分流的分流机构( 分流杆) 。 装置采用单刀盘结构或双刀盘结构，刀刃采用平刃和锯齿刃交错排列的方式。其 工作原理是：当收割机前进时，甘蔗通过前端带弧度的扶蔗尾导向杆将目标甘蔗 顺畅的扶起，并在中问分流杆的辅助下和断尾刀的拨动下将甘蔗流畅的分到两 侧，并将尾部砍断。 砍蔗机构功能分析：目前的砍蔗机构多数是通过液压或机械传动的单个或两 个旋转刀盘，刀盘的型式和数目随机的型号不同而异，但共同的特点都是与水平 面成3 7 。角，旋转切割的圆盘刀，将甘蔗的基部砍断，割茬设计可在地面以下 o 7 6 至地面以上3 8 厘米的范围内调整，以适应不同的要求，刀片嵌在圆盘上， 更换刀片方便。对于砍蔗机构，破头率( 破头率指砍蔗所形成的宿根切面租糙且 有裂纹，或砍伤发芽点以至于影响发芽的比率) 是其重要的性能参数。影响砍蔗 机构性能参数的的主要因素有：收获机行走速度、砍蔗刀盘转速、刀盘前倾角、 刀片数量、刀片切割角、刀片刃角及刀片长度 喂入机构功能分析：主要是由喂入耙轮、输送底扳以及输送辊轮组成。喂入 耙轮是非常重要的一个部件，它关系到甘蔗在砍断以后能否顺利地被送入以后的 流程中继续作业耙轮的结构采用中空耙轮筒外面安装三排柔性耙轮片，耙轮片 采用流线型的结构，可以减轻对甘蔗的损伤和保证流程的可靠。耙轮片的材料采 用硬度稍大的橡胶件或高分子材料，保证有合适的刚性和弹性，同时也要很好的 耐磨性，以增加它的使用寿命 剥叶机构功能分析：它主要由两个剥叶滚筒以及固定在滚筒上的四个剥叶排 刷组成其工作原理是：由四个装在剥叶滚筒上的剥叶捧刷，分为前、后各一对 组成，剥叶刷子由剥叶滚筒带动，在工作时高速旋转，通过对甘蔗的打击和摩擦 9 广西大掌司| 士掌位论文l 亏咐真知识的甘蘑j i 口睫棚l 攮智能设计膏i 簋的决策推理的蔚| 究 剥下甘蔗叶。刷子的材料可以采用钢丝蝇材料、胶脂材料或高分子材料等。对于 剥时机构，含杂率、伤皮率和剥叶组件寿命是其重要的性能参数。影响其性能参 数的主要因素有：排刷的螺旋角、前角、组件与甘蔗的交错深度以及组件的排数、 排刷的材料等。 其中：含杂率= 茑篓裂茄磊凳墨磊薹雾矗鬻一o o 、伤皮率= 童墨綦善祟番燃，o o 2 0 ! 2 甘蔗收获机械物流分析 经过本课题组的不断努力下，甘蔗收割机的各功能部件，包括扶蔗、砍蔗、 断尾、剥叶及集蔗等的运动机理分析已经基本完成，并且对整机布局、行走机构 以及收割机械重心进行了研究瞄】 甘蔗收割机中物料的流程是实现甘蔗收获功能的关键。它包括喂、送、剥叶 等各部分能否协调的运作，匹配是否合理，相互之间衔接和位置布局是否符合要 求等。另外小型甘蔗收割机须考虑到要适合丘陵坡地和小田地作业的情况，而且 要符合结构紧凑和经济效率的要求。图2 - 2 是布局方案图。 图2 - 2 甘蔗收获机械布局方案 分析流程模块结构布局的好坏，对其进行评测，主要依据有： 甘蔗运动的平顺性l 甘蔗在喂入、输送、剥叶的过程中是否有卡死现 象，各部件的工作衔接是否恰当。 l o 广西大学司l 士掌位论文l 亏；仿，l 知饭的崔蘑收获机t 鲁期澉计系统的击j 置推理的研究 收获机械重心合理性收获机械重心是否合理，也是影响甘蔗收获机械整 体性能的重要指标，特别是收获机械需要在坡度较大的山地地区作业，因此在整 机布局分析中收获机械的重心是必须要考虑的因素。 甘蔗收获生产效率要求在甘蔗收获机械设计中，更多的是侧重于小型甘 蔗收获机械的设计与研发，要求是收获机械既能够灵活操作又能够满足一定的生 产效率，因而物流分析过程中必须以此为依据来设计各部件模型以及整机布局 等。 以上评测依据，不仅是甘蔗物流仿真分析的重要参考，也是甘蔗收获机械智 能设计系统各关键部件设计、动力匹配、整体布局推理的前提条件 2 2 甘蔗收获机械智能设计系统总体结构 2 1 2 甘蔗收获机械创新设计流程 在甘蔗收获机械的开发设计过程中，根据各部件的功能要求，既要保证甘蔗 在整机运动过程的流畅性、各部件之间的协调性，同时还要考虑到较好的性价比。 因此在智能设计系统中，其创新设计的一般流程为：在甘蔗收获机械智能设计系 统中首先根据用户输入的设计要求，经过智能设计系统中的推理机对知识库搜索 匹配，进行相关功能设计，实现从需求到功能的映像，输出初始的设计方案：然 后根据所得方案及各主参数值，进入c a d 系统进行结构及参数化设计，输出参 数化模型，检查三维模型外形设计是否合理，比如结构模型是否干涉等等。如果 模型外形是不合理的设计，返回智能设计系统重新修改设计方案；如果模型外形 是合理的，则将参数化模型调入到c a e 系统进行仿真分析，获取整机及各零部 件的静态特性，同时还需要对设计方案进行试验研究，得出动态仿真分析所需要 的参数信息：在c a e 系统中将仿真参数修改为试验得出的参数信息，得到各零 部件的动态特性；并将相关数据输入到性能评价模块依据知识库中的评价指标， 进行性能评价，若满足设计性能要求，则输出数字样机，f 司时将设计方案作为成 功实例存储到智能设计系统中；否则，根据评价结果的需要返回到上层或最上层 对参数化模型重新进行方案的选择、设计分析等。甘蔗收获机械创新设计流程图 如2 - 3 所示 广西大掌硕士掌位论文l 于仿真知识的甘蘑收获机铽鲁能设计幕兢的决摹推理的研究 圈2 - 3 甘蔗收获机械创新设计流程图 f 追2 - 3f l o wc l to f i n n o v a t i o nd e s i g nf o rs u g a f c a n eh a x ：v e s t e r 2 2 2 甘蔗收获机械智能设计系统总体结构 根据甘蔗收获机械创新设计流程及智能设计系统一般构成，在甘蔗收获机械 的智能化设计过程中，既实现方案选择的智能化，同时对仿真分析结果进行自动 ，西大掌硕士掌位论文墓号；仿；知识的甘蘑收获机械鲁期澈计曩统的每- 策推曩的研究 的分析与评价，因此可将系统分为三大模块：设计型专家模块、工程分析模块与 系统界面 + 用户界面 i 专家界面 li 知识工程师 l ilj iiiii 设计方案设计要求基于知识推理基于实倒推理知识管理系统知识获取 推理机制用 知 人 生 实傍存储 一 f 户识工自 是 f 。； 刁 权删获动 。l 辨j 限除取获 取 否 、 满意 仿真分析模块 知识库i 数据库 、 j 参 零 有 运 动 数件瞳动力 建装 一 兀学学 模配 分分分 析 析 析 总仿 部 功 体真件 塞 结分性消 构析能耗 评评评 评 价价价 价 专家评价模块 一一一j 图2 4 甘蔗收获机械智能设计系统总体结构 f i g2 - 4t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo f i n t e l l i g e n td e s i g n s y s t e mo f s u g a r c a n eh a r v e s t e r 产品性能评价模块 2 1 s l 。设计型专家系统模块包括知识库、推理机、动态数据库 和解释机制。在用户输入产品的性能要求后，由推理机制根据一定的推理策略对 广曩r 大掌硪士掌位论：善a ；仿i ；知讽的甘蘼彤滚期h t 智能设计胃l 统的央策推理的研究 知识库进行搜索，并输出甘蔗收获机械的初始设计方案，同时作为引导与辅助后 续结构设计及详细设计的依据。设计过程的所有信息包括初始设计要求、中间结 果及最终方案均写入到数据库，由推理机制控制其刷新。工程分析模块用于完成 设计方案的有限元分析、运动学、动力学分析等等，分析结果以曲线图形与数据 相结合的方式输出。性能评价模块结合多种技术对甘蔗收获机械设计方案的综合 性能评价。这三个模块既相互独立又相互联系，设计型专家模块为工程分析提供 结构及功能等有关性能参数的产品设计方案，同时工程分析模块又可为专家系统 提供服务，用以检验专家系统所输出方案的合理性、可靠性。性能评价模块可对 专家系统模块输出的设计方案根据工程分析的结果做出进一步的分析与评价，同 时通过评价过程积累经验从而进一步丰富专家系统模块中的知识库，提高系统的 智能化水平。甘蔗收获机械智能设计系统总体结构如图2 - 4 所示。 2 3 甘蔗收获机械智能设计系统主要功能模块分析 2 3 1 推理模块 推理机是专家系统的重要组成部分，其按照推理方式可以分为：基于规则的 推理( r u l e , - b a s e dr e a s o n i n g , r a r ) 、基于模型的推理_ ( m o d e l - b a s e dr 髓s o n i n 5m b r ) 及基于实例的推理( c a s e i b 私e dr e a s o n i n g , c a 3 r ) 在甘蔗收获机械智能设计系统 中，主要是运用了r b r 和c b r 两种推理方式。其中r b r 就是根据用户输入的 设计要求，搜索知识库中的可以匹配的规则，产生设计方案。c b r 核心是用过 去求解问题的经验来解决当前问题，其工作流程是根据用户输入的设计要求，按 照一定的策略在实例库中进行检索，并通过相似度计算，找到相似的实例作为建 议方案，然后根据匹配实例和问题描述的差别，对实例进行修正，使之更适合设 计要求，并经验证后作为确认方案【2 9 1 最后将新设计要求及其确认方案组成的 新实例存储于实例库中，以备将来实例推理之用 2 3 2 仿真分析模块 实践证明仿真分析软件在机械设计领域的应用不仅缩短了新产品研发的周 期而且大大节约了成本，提高了产品的竞争力。通过对设计方案建立模型和数字 广冒j 4 娜士掌位髓2 l j 。仿i ；知识的甘蘑j i 蠊机械智麓设计j 瀛的决策推理的研究 样机，进行结构和运动动力分析，评价指导优化设计方案。同时，数字样机和仿 真分析的信息也是甘蔗收获机械智能设计系统设计知识的重要来源。 甘蔗收获机械智能设计系统采用的软件主要是使用p r o e 建模，使用 a n s y s 进行结构分析和模态分析，使用a d a m s 进行动力和运动分析。经课题 组前人的努力p o l 在智能设计系统中，已经编写了模拟分析的a n s y s 封装程序。 本文是在完成对仿真知识的人工提取后，在甘蔗收获机械智能设计系统中，建立 仿真分析模块。包含显著性因素分析，即从机披机构设计参数中提取对机构性能 参数影响显著的因素；然后将显著性因素调入仿真分析模块，进行仿真分析；最 后并将得到仿真的数据作为专家评价模块的重要参考依据。 2 3 3 专家系统评价模块o 甘蔗收获机械总体结构评价子模块：对甘蔗收获机械的总体结构的设计过程 中用评价系统进行方案决策，包括部件结构的方案决策。在总体结构设计完成时， 用评价模块对甘蔗收获机械的结构设计是否合理、用户性能要求是否达到等进行 综合评价如果上述两个过程达不到设计要求，则要进行再设计，然后再进行评 价，即是一个设计一评价一再设计的综合过程，直到设计满足要求为止 仿真分析评价子模块：当甘蔗收获机的各部件的结构设计完成，需要对其运 动过程进行仿真，看机构的设计是否合理，有无干涉等。或根据甘蔗的实际运动 情况，拟合出运动轨迹曲线，再由运动仿真软件设计出对应的机构。机构的运动 方案可能有几种，评价系统根据设计的约束选出一种最优的，或最符合实际情况 要求的。 关键零部件性能评价子模块：对甘蔗收获机械的关键部件进行性能分析，得 到零部件的运动和设计参数后，评价系统则可对其结果进行评价，给出最佳的选 择方案。 功率消耗评价模块：功率消耗的评价模块是甘蔗收获机械评价系统的重要组 成部分功率消耗影响着甘蔗收获机械工作成本，特别是对小型甘蔗收获机械来 说，功率的消耗也是评价甘蔗收获机械优劣的重要指标 广西大掌硬士学位匏文基于仿真知饭的憎- 蘑收获相敲鲁壤般计膏藏的央策推习l 的研究 2 4 小结 本章介绍了甘蔗收获机械关键部件的结构、要实现的功能以及对性能参数产 生影响的因素；分析了甘蔗收获机械创新设计流程：在此基础上给出了甘蔗收获 机械智能设计系统总体结构，分析了甘蔗收获机械智能设计系统中的推理模块、 仿真分析模块、专家评价模块的基本构成。 t 6 广曹大掌司e 士掌位论文基亏访真知识的甘j 毒收获审l 械着瑚瞰计j 臼盹的萼 蕈推理的研究 第三章基于知识的推理机制的建立 由于南方地区特别是广西甘蔗种植的品种、种植方式的多样性，给甘蔗收获 机械的设计提出了不同的要求，因此在智能设计的推理系统中，必须充分考虑这 些特点。本章将在对智能设计中知识的表示与推理机制研究的基础上，建立能够 适合甘蔗种植与生长多样性的基于知识的推理机制。 3 1 智能设计系统中的知识 3 1 1 甘蔗收获机械相关知识的特点 智能设计系统强调专家知识和经验的继承、传递和共享，其系统性能取决于 它所拥有的知识的数量和质量：知识的表达方式将影响着推理机的运作模式和运 行效率。与甘蔗收获机械相关的知识种类多样